CN112477133A - 一种混合式连续纤维增强材料3d打印挤出系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，特指一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，包括有相互连接的送料装置和喷嘴，还包括有螺杆式机构。在本发明中，通过进料管向送料套筒中输送连续纤维增强材料，连续纤维增强材料在送料螺杆的作用下到达熔融区；同时，通过送料装置向送料套筒输送热塑性材料，当连续纤维增强材料和热塑性材料达到熔融区后，在加热装置的作用下，热塑性材料受热软化，包裹在连续纤维增强材料外，继而在送料螺杆和送料装置的共同作用下把包裹有热塑性材料的连续纤维增强材料挤出到喷嘴外，解决了现有技术中所存在的连续纤维增强材料送料稳定性差、精度低，热塑性材料和连续纤维增强材料浸渗效果不好及喷嘴易堵塞的问题。

Description

一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特指一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统。
背景技术
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
而现有技术中并未使用连续纤维增强材料，连续纤维增强材料是一种柔性的线材，一般以丝状呈现，其具有高模量、高强度、低比重、耐磨损等优异特性，在航空航天、国防军工以及民用工业等领域有着重要的应用前景。
传统的连续纤维增强材料成型工艺有热压成型、RTM成型、缠绕成型、拉挤成型、层压成型等，对推动连续纤维增强材料的发展应用起到了十分重要的作用，但一直以来都存在一些缺点无法克服，例如大部分成型工艺需要专用的模具，成型过程复杂且加工成本高，很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了连续纤维增强材料的应用范围。近年来3D打印技术的快速发展使复杂纤维复合材料制品快速生产成为可能，3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给连续纤维增强材料应用注入了新的活力。
然而，目前针对连续纤维增强材料3D打印工艺的研究还处于起步阶段，仍然存在一些不足：
1、现有连续纤维增强材料3D打印技术方案，基本都是利用滚动轮来输送打印材料，但是由于连续纤维增强材料是一种柔性的线材，通过滚动轮输送容易出现由于材料刚性不足而变形，最终导致线材送进出现误差甚至失败，大大影响了送料的稳定性和精确性；
2、在热塑性材料和连续纤维增强材料混合打印时，容易出现两种材料混合不充分，相互浸渗程度不足的情况，还容易出现打印材料在喷嘴处堵塞的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中通过滚动轮对连续纤维增强材料进行送料，容易使连续纤维增强材料发生变形或难以控制其输出的精度，大大影响了送料的稳定性和精确性的问题，以及热塑性材料和连续纤维增强材料浸渗效果不好、容易在喷嘴处堵塞等问题，本发明提供了一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统。
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，包括有相互连接的送料装置和喷嘴，
所述混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统还包括有螺杆式机构，所述螺杆式机构设置在所述送料装置和所述喷嘴的连接处；
所述螺杆式机构包括有送料套筒和设置在所述送料套筒内的送料螺杆，且所述送料螺杆可在所述送料套筒内转动，所述送料套筒的底部连接有所述喷嘴，所述送料装置用于把热塑性材料送入至所述送料套筒中；
所述送料套筒的侧壁上设置有用于向所述送料套筒内输送连续纤维增强材料的进料管，所述进料管与所述送料套筒相连通；
所述送料装置包括有进料口和出料口，所述出料口与所述送料套筒相连通；
所述螺杆式机构靠近所述喷嘴处形成熔融区，所述送料套筒的外侧壁上设置有加热装置，所述加热装置置于所述熔融区中，所述热塑性材料和所述连续纤维增强材料在所述熔融区中充分浸渗。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述进料口和所述出料口上下同心设置，所述进料口和所述出料口之间形成竖直的送料通道；
所述送料装置还包括有送料齿轮和送料电机，所述送料电机的转轴与所述送料齿轮相连接，所述送料齿轮置于所述送料通道一侧上，所述送料通道的另一侧上设置有与所述送料齿轮相配合的辅助轮，所述辅助轮和所述送料齿轮之间的距离可调。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述送料通道的轴线与所述送料套筒的轴线置于同一直线上。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统还包括有基架，所述基架的竖向截面呈L字型，所述基架包括有相互垂直的横板和竖板；
所述送料装置置于所述竖板上，所述螺杆式机构置于所述横板上；
所述横板置于所述竖板底部的一侧上，且与所述送料装置置于所述竖板的同一侧上。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述送料装置还包括有滑块，所述滑块设置在所述竖板上，且所述滑块上设置有所述辅助轮；所述滑块连接有弹簧，所述弹簧的两端分别连接所述滑块和按压部，通过所述按压部使所述滑块在所述竖板上左右移动。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述送料套筒的上端固定在所述横板的下面上；
所述送料齿轮、所述送料通道和所述辅助轮均置于所述竖板的同一面上，所述送料电机置于所述竖板的另一面上，所述送料电机的转轴穿过所述竖板与所述送料齿轮相连接。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述螺杆式机构还包括有驱动装置，所述驱动装置包括有驱动电机，所述驱动电机的转轴连接有同步轮，所述同步轮通过同步带驱动所述送料螺杆转动。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述进料管倾斜地与所述送料套筒相连接；
所述进料管的一端与所述送料套筒相连通，另一端从所述送料套筒往斜上伸出。
作为本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的技术方案的一种改进，所述送料螺杆包括有中空的螺杆主体和围绕设置在所述螺杆主体外的螺纹槽。
本发明的有益效果：
在本发明中，通过进料管向送料套筒中输送连续纤维增强材料，连续纤维增强材料在送料螺杆的作用下到达熔融区；同时，通过送料装置向送料套筒输送热塑性材料，当连续纤维增强材料和热塑性材料达到熔融区后，在加热装置的作用下，热塑性材料受热软化，包裹在连续纤维增强材料外，继而在送料螺杆和送料装置的共同作用下把包裹有热塑性材料的连续纤维增强材料挤出到喷嘴外，解决了现有技术中所存在的连续纤维增强材料送料稳定性差、精度低，热塑性材料和连续纤维增强材料浸渗效果不好及喷嘴易堵塞的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明的左视结构示意图；
图4为图3的A-A剖面图；
图5为图4的局部放大图。
附图标记说明：1-喷嘴；2-送料套筒；3-送料螺杆；4-进料管；5-进料口；6-出料口；7-送料通道；8-送料齿轮；9-送料电机；10-辅助轮；11-基架；12-竖板；13-横板；14-滑块；15-弹簧；16-按压部；17-驱动电机；18-同步轮；19-同步带；20-熔融区；21-加热装置；22–热塑性材料；23–连续纤维增强材料；24–轴承。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1至图5所示，一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，包括有送料装置、喷嘴1和螺杆式机构，送料装置和喷嘴1相连接，螺杆式机构设置在送料装置和喷嘴1的连接处。
螺杆式机构包括有送料套筒2和设置在所述送料套筒2内的送料螺杆3，且所述送料螺杆3可在所述送料套筒2内转动，送料套筒2的底部连接有喷嘴1；送料套筒2的侧壁上设置有用于向送料套筒2内输送连续纤维增强材料23的进料管4，进料管4与送料套筒2相连通；送料装置包括有进料口5和出料口6，出料口6和送料套筒2相连通；螺杆式机构靠近喷嘴1处形成熔融区20，送料套筒2的外侧壁上设置有加热装置21，加热装置21置于熔融区20中。送料装置用于把热塑性材料22送入至送料套筒2中，热塑性材料22和连续纤维增强材料23在熔融区20中充分浸渗。
在使用的时候，通过送料装置中的进料口5向送料套筒2中输送热塑性材料22，在送料装置的作用下，热塑性材料22经过送料套筒2至喷嘴1处；同时通过进料管4向送料套筒2中输送连续纤维增强材料23，在送料螺杆3的作用下，实现把连续纤维增强材料23往下送料至喷嘴1处的效果。当连续纤维增强材料23和热塑性材料22到达熔融区20时，在加热装置21的作用下，热塑性材料22受热熔化，此时热塑性材料22与连续纤维增强材料23进行混合浸渗，然后在送料螺杆3和送料装置的共同作用下挤出喷嘴1外，混合后的热塑性材料22和连续纤维增强材料23在本发明的作用下挤出离开熔融区20后，液态或近似液态的热塑性材料22变冷固化，包裹着连续纤维增强材料23进行一层层的堆叠直至完成实体打印的效果。
详细地说，热塑性材料22在常温下是固态的，在加热装置21的作用下，热塑性材料22受热软化，形成近似液态或液态的材料，而连续纤维增强材料23是一种柔软的线材，其在加热状态的作用下，状态始终保持其柔软性不变。
由于连续纤维增强材料23是一种柔性的线材，当连续纤维增强材料23从进料管4进入到送料套筒2中后，连续纤维增强材料23随着送料螺杆3在送料套筒2中的转动，逐渐推送至喷嘴1处，通过送料螺杆3进行送料替代了现有技术中通过滚动轮送料，可以避免了通过滚动轮送料时所出现的连续纤维增强材料23发生变形的情况。其次，由于通过送料螺杆3进行送料，送料螺杆3增长了连续纤维增强材料23的送料路程，连续纤维增强材料23在送料螺杆3的螺纹槽中，随着送料螺杆3的转动逐渐送料至喷嘴1处，保证了输送连续纤维增强材料23的稳定，也可以通过调整送料螺杆3转动的速度，或选择具有不同深度螺纹槽的送料螺杆3以调节连续纤维增强材料23输出的精度，解决了现有技术中所存在的通过滚动轮对连续纤维增强材料23进行送料，容易使连续纤维增强材料23发生变形或难以控制其输出的精度，大大影响了送料的稳定性和精确性的问题。
同时，由于送料套筒2靠近喷嘴1处形成了熔融区20，熔融区20中设置有加热装置21，当热塑性材料22和连续纤维增强材料23到达熔融区20时，热塑性材料22受热软化由固态变成液态，与连续纤维增强材料23进行混合浸渗，然后在送料螺杆3和送料装置的共同作用下挤出喷嘴1外，解决了现有技术中所存在的热塑性材料22和连续纤维增强材料23浸渗效果不好的问题，而且还避免了打印材料在喷嘴1处堵塞的情况出现。
优选的，送料螺杆3包括有中空的螺杆主体和围绕设置在螺杆主体外的螺纹槽，中空的螺杆主体可以便于把热塑性材料22稳定地送料至喷嘴1处。
进料口5和出料口6上下同心设置，进料口5和出料口6之间形成竖直的送料通道7。送料装置还包括有送料齿轮8和送料电机9，送料电机9的转轴与送料齿轮8相连接，送料齿轮8置于送料通道7一侧上，送料通道7的另一侧上设置有与送料齿轮8相配合的辅助轮10，辅助轮10和送料齿轮8之间的距离可调。
进料口5和出料口6上下同心设置，进料口5和出料口6之间形成竖直的送料通道7，在把热塑性材料22送入至送料套筒2时，由于热塑性材料22在常温时处于固态，竖直的送料通道7可以便于热塑性材料22进入到送料套筒2中。送料通道7的两侧上分别设置有送料齿轮8和辅助轮10，送料电机9的转轴和送料齿轮8相连接，送料电机9驱动送料齿轮8的转动，且可通过送料电机9调节送料齿轮8的转动速度，不仅实现了把热塑性材料22从上往下送料进入到送料套筒2中的效果，还实现调节热塑性材料22的进料速度的效果。由于送料齿轮8和辅助轮10分别置于送料通道7的两侧上，且送料齿轮8和辅助轮10之间的距离可调，可以通过送料齿轮8和辅助轮10调节送料通道7的宽度，以适应热塑性材料22加工过程中产生的线径误差。同时，还可以通过送料齿轮8和辅助轮10进一步的保持送料通道7的竖直性，保证热塑性材料22进入到送料套筒2时的稳定性。
优选的，送料通道7的轴线与送料套筒2的轴线置于同一直线上，通过竖直的送料通道7保持了热塑性材料22进入到送料套筒2时的稳定性，避免其发生位置移动。更优选的，在送料套筒2的上端上设置有轴承24，送料螺杆3设置在轴承24中，可以通过轴承24保证送料螺杆3在送料套筒2中转动的流畅性。
本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统还包括有基架11，基架11的竖向截面呈L字型，基架11包括有相互垂直的横板13和竖板12，送料装置置于竖板12上，螺杆式机构置于横板13上，通过把送料装置和螺杆式机构固定在基架11上，可以保持送料装置和螺杆式机构的位置，避免在使用时发生位置移动，也可以通过基架11优化了各部件的位置，提高本发明的便携性。
进一步的，送料装置还包括有滑块14，滑块14设置在竖板12上，且滑块14上设置有上述的辅助轮10，滑块14连接有弹簧15，弹簧15的两端分别连接滑块14和按压部16，按压按压部16使滑块14在竖板12上移动。在使用的时候，通过向按压部16施力，压力经过弹簧15传递到滑块14上，按压部16受力使弹簧15发生变形，也使滑块14带动辅助轮10向送料齿轮8靠近，以此调节送料通道7的宽度，以此控制热塑性材料22进入到送料套筒2内的输入量。当对按压部16取消施力的行为时，弹簧15恢复原状。
详细地说，在本发明中基架11包括有横板13和竖板12，横板13和竖板12相互垂直，使基架11的竖向截面呈L字型，送料齿轮8和辅助轮10置于竖板12的同一面上，且均置于送料通道7的两侧上，通过送料齿轮8的转动和辅助轮10的配合，实现把热塑性材料22从上往下输送进入到送料套筒2中的效果，同时，在送料电机9的作用下，实现控制送料的速度，保证送料的稳定性。还通过滑块14、按压部16和弹簧15的作用下，实现调节送料齿轮8和辅助轮10之间的距离的效果，即实现了调节送料通道7的宽度的效果，以适应热塑性材料22加工过程中产生的线径误差。
优选的，送料套筒2的上端固定在横板13的下面上；送料齿轮8、送料通道7和辅助轮10均置于竖板12的同一面上，送料电机9置于竖板12的另一面上，送料电机9的转轴穿过竖板12与送料齿轮8相连接。由于送料电机9的转轴穿过竖板12与送料齿轮8相连接，当送料电机9的转轴转动时，驱动送料齿轮8的转动。还由于送料电机9置于竖板12的另一面上，可以通过送料电机9竖板12两面的重量平衡。横板13置于竖板12底部的一侧上，且与送料装置置于竖板12的同一侧上，保证送料通道7和出料口6对准送料套筒2的上端，保证送料的稳定性。
更进一步的，螺杆式机构还包括有驱动装置，驱动装置包括有驱动电机17，驱动电机17的转轴上连接有同步轮18，同步轮18通过同步带19驱动送料螺杆3转动，实现通过驱动装置驱动送料螺杆3转动，可以实现调节送料螺杆3转动速度的效果，即可实现控制连续纤维增强材料23到喷嘴1处的速度的效果。
本发明在使用的时候，把热塑性材料22通过进料口5送料进入，热塑性材料22经过送料通道7时，在送料通道7中且在送料电机9的驱动下，送料齿轮8驱动热塑性材料22从上往下送料，且通过送料电机9调节送料齿轮8的转动速度，调节送料的速度，使得热塑性材料22从出料口6稳定地进入到送料套筒2中。当热塑性材料22在送料通道7中时，在按压部16、弹簧15、滑块14和辅助轮10的共同作用下，实现调节送料通道7的宽度的效果。
优选的，进料管4倾斜地与送料套筒2相连接，进料管4的一端与送料套筒2相连通，另一端从送料套筒2往斜上伸出，不仅实现了通过进料管4进行送料的效果，还由于进料管4倾斜设置，可以便于连续纤维增强材料23进入到送料套筒2中去，保证了通过进料管4向送料套筒2中送料的稳定效果。
本发明混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统的工作原理如下：
在进行3D打印前，把热塑性材料22从进料口5送入，当热塑性材料22经过送料通道7时，通过按压按压部16使设置在滑块14上的辅助轮10在竖板12上左右滑动，调节送料齿轮8和辅助轮10之间的宽度，以适应热塑性材料22加工过程中产生的线径误差。
在进行3D打印的时候，在送料电机9的作用下驱动送料齿轮8的转动，送料齿轮8和辅助轮10相向转动，驱动热塑性材料22经过出料口6至送料套筒2中，热塑性材料22经过送料套筒2到达喷嘴1处。同时，通过进料管4向送料套筒2中输送连续纤维增强材料23，连续纤维增强材料23在送料螺杆3的作用下，实现把连续纤维增强材料23往下送料至喷嘴1处的效果。在此过程中，可以通过驱动电机17依次驱动同步轮18、同步带19和送料螺杆3转动，实现通过驱动电机17调节送料螺杆3转动的效果，继而实现了通过送料螺杆3的转动速度调节连续纤维增强材料23的输入量的效果。当连续纤维增强材料23和热塑性材料22到达熔融区20时，在加热装置21的作用下，热塑性材料22受热软化，此时热塑性材料22与连续纤维增强材料23进行混合浸渗，然后在送料螺杆3和送料装置的共同作用下挤出喷嘴1外，混合后的热塑性材料22和连续纤维增强材料23在本发明的作用下挤出离开熔融区20后，液态的热塑性材料22变冷固化，包裹着连续纤维增强材料23进行一层层的堆叠直至完成实体打印的效果。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，包括有相互连接的送料装置和喷嘴，其特征在于，
所述混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统还包括有螺杆式机构，所述螺杆式机构设置在所述送料装置和所述喷嘴的连接处；
所述螺杆式机构包括有送料套筒和设置在所述送料套筒内的送料螺杆，且所述送料螺杆可在所述送料套筒内转动，所述送料套筒的底部连接有所述喷嘴，所述送料装置用于把热塑性材料送入至所述送料套筒中；
所述送料套筒的侧壁上设置有用于向所述送料套筒内输送连续纤维增强材料的进料管，所述进料管与所述送料套筒相连通；
所述送料装置包括有进料口和出料口，所述出料口与所述送料套筒相连通；
所述螺杆式机构靠近所述喷嘴处形成熔融区，所述送料套筒的外侧壁上设置有加热装置，所述加热装置置于所述熔融区中，所述热塑性材料和所述连续纤维增强材料在所述熔融区中充分浸渗。
2.根据权利要求1所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述进料口和所述出料口上下同心设置，所述进料口和所述出料口之间形成竖直的送料通道；
所述送料装置还包括有送料齿轮和送料电机，所述送料电机的转轴与所述送料齿轮相连接，所述送料齿轮置于所述送料通道一侧上，所述送料通道的另一侧上设置有与所述送料齿轮相配合的辅助轮，所述辅助轮和所述送料齿轮之间的距离可调。
3.根据权利要求2所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述送料通道的轴线与所述送料套筒的轴线置于同一直线上。
4.根据权利要求2所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统还包括有基架，所述基架的竖向截面呈L字型，所述基架包括有相互垂直的横板和竖板；
所述送料装置置于所述竖板上，所述螺杆式机构置于所述横板上；
所述横板置于所述竖板底部的一侧上，且与所述送料装置置于所述竖板的同一侧上。
5.根据权利要求4所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述送料装置还包括有滑块，所述滑块设置在所述竖板上，且所述滑块上设置有所述辅助轮；所述滑块连接有弹簧，所述弹簧的两端分别连接所述滑块和按压部，通过所述按压部使所述滑块在所述竖板上左右移动。
6.根据权利要求4或5所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述送料套筒的上端固定在所述横板的下面上；
所述送料齿轮、所述送料通道和所述辅助轮均置于所述竖板的同一面上，所述送料电机置于所述竖板的另一面上，所述送料电机的转轴穿过所述竖板与所述送料齿轮相连接。
7.根据权利要求6所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述螺杆式机构还包括有驱动装置，所述驱动装置包括有驱动电机，所述驱动电机的转轴连接有同步轮，所述同步轮通过同步带驱动所述送料螺杆转动。
8.根据权利要求1所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述进料管倾斜地与所述送料套筒相连接；
所述进料管的一端与所述送料套筒相连通，另一端从所述送料套筒往斜上伸出。
9.根据权利要求1所述的混合式连续纤维增强材料3D打印挤出系统，其特征在于，所述送料螺杆包括有中空的螺杆主体和围绕设置在所述螺杆主体外的螺纹槽。
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