CN113306142A - 一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，包括三轴3D打印机框架、多边形柱模具、夹持机构和圆柱平移旋转机构，多边形柱模具和圆柱平移旋转机构连接，圆柱平移旋转机构连接在三轴3D打印机框架上；多边形柱模具通过夹持机构夹持，夹持机构连接在三轴3D打印机框架上；圆柱平移旋转机构包括内圆柱、端面带花键的外圆环柱、外部限位块，内圆柱与电机相连，电机固定在三轴3D打印机框架的Y向铝型材上；内圆柱上的曲线凹槽与外圆环柱上的凸块相配合，外圆环柱的一端有花键，花键插入到多边形柱模具端面的棱角上，实现对多边形柱模具的转动；本发明实现多边形柱结构的连续纤维打印和整体成型。

Description

一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置
技术领域
本发明涉及连续纤维3D打印技术领域，具体涉及一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置。
背景技术
熔融沉积成型技术(FDM)，由于成型材料广泛、原材料利用率高并且几乎不产生污染、后处理过程比较简单等优点，在快速成型工艺中有着广泛的应用。纤维增强树脂基复合材料的出现，特别是采用热塑性丝材和连续纤维进行复合的技术，大大提高了打印件的强度，进一步增大了FDM技术的应用范围。
但连续纤维的加入也进一步带来了3D打印的难度。一方面，由于FDM挤出的丝材需要在熔融状态下进行层层堆积，造成打印件厚度方向上强度较弱，从而造成在柱状结构零件，如吸能管、蜂窝夹层等，需要轴线方向上承受主要载荷时，连续纤维无法起到增强作用，极大限制了打印件的应用范围；另一方面，由于连续纤维的加入，打印喷头无法进行空程的移动，因为在移动时会造成纤维拉出，影响零件的打印，因此难以实现复杂形面结构的整体打印。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，实现多边形柱结构的连续纤维打印和整体成型，实现对多边形柱的轴向结构的设计和轴向性能的增强，为打印的应用提供更多的可能性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，包括三轴3D打印机框架1、多边形柱模具2、夹持机构3和圆柱平移旋转机构4，多边形柱模具2和圆柱平移旋转机构4连接，圆柱平移旋转机构4连接在三轴3D打印机框架1上；多边形柱模具2通过夹持机构3夹持，夹持机构3连接在三轴3D打印机框架1上。
所述的多边形柱模具2为任意多边形，且多边形尺寸可选，设置在三轴3D打印机框架1的打印平台部分，两端面有对应多边形状的突出部分。
所述的夹持机构3由夹具301和电缸302组成，两端的电缸302分别固定在三轴3D打印机框架1两个X向铝型材中间，夹具301固定在电缸推杆上，实现多边形柱模具2的Y轴方向移动。
所述的圆柱平移旋转机构4包括内圆柱401、端面带花键的外圆环柱402、外部限位块403，内圆柱401与电机404相连，电机404固定在三轴3D打印机框架1的Y向铝型材上；内圆柱401上的曲线凹槽411与外圆环柱402上的凸块421相配合，外圆环柱402的一端有花键424，花键424插入到多边形柱模具2端面的棱角上，实现对多边形柱模具2的转动。
所述外圆环柱402上有轴向凹槽422和周向凹槽423，轴向凹槽422、周向凹槽423和外部限位块403配合实现限位，外部限位块403固定在三轴3D打印机框架1上，轴向凹槽422限制外圆环柱402只能平移，周向凹槽423限制外圆环柱402只能旋转，从而实现外圆环柱402端面上花键424平移进入多边形柱模具2的花键槽，然后带动多边形柱模具2以侧棱为轴旋转的过程。
所述的多边形柱模具2两端面的每个内角顶点处设置有花键槽，多边形柱模具2两个端面的中心处有对应多边形的凸出部分。
所述的花键槽应尽量靠近内角顶点，长度为多边形柱的1/3，且所有的花键槽为一致方向。
所述的多边形柱模具2端面凸出的多边形部分应与多边形柱模具2形状完全一致，但边长＜多边形柱模具边长-花键槽外径。
所述的夹持机构3的夹具301形状对应多边形柱模具2为水平时多边形的边角形状。
所述的轴向凹槽422和周向凹槽423为类栅栏状的限位凹槽，其轴向长度为需要花键插入的长度，两轴向凹槽422的间距对应所需的旋转角度；两轴向凹槽422间的周向凹槽423深度从入口端到出口端，出现由深至浅的变化。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
1)本发明以多边形柱的棱作为旋转轴，实现对多边形柱结构整体成型的连续纤维打印，打印时可以对多边形柱的轴线方向进行侧面结构的设计。与现有的直接以多边形柱中心轴为旋转轴的运动相对比，不需要对喷头进行复杂的联动控制，整体结构简单，成本低。
2)本发明夹持结构在夹持模具的同时，也进行Y轴方向打印运动的控制，使得打印在一个可控范围内进行往复运动，不会在旋转的过程中一直向前，使得打印尺寸可以根据需求进一步加大。
3)本发明圆柱平移旋转机构的设计，使得平移和旋转可以由一个电机来实现，不需要同时使用电机和气缸，减少设备的复杂程度和控制难度。
4)本发明整体装置可视为模块化组成，只需要更换需要形状的模具，模具对应的夹具和外圆环柱的凹槽形状设计，即可进行不同多边形柱结构的打印；同时打印框架也不局限于固定的三轴打印机框架，适用于大部分现有打印机。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的夹持机构示意图。
图3为本发明实施例的圆柱平移旋转机构示意图。
图4为本发明实施例的外圆环柱周向凹槽剖视图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明。
如图1所示，一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，包括三轴3D打印机框架1、多边形柱模具2、夹持机构3和圆柱平移旋转机构4，多边形柱模具2和圆柱平移旋转机构4连接，圆柱平移旋转机构4连接在三轴3D打印机框架1上；多边形柱模具2通过夹持机构3夹持，夹持机构3连接在三轴3D打印机框架1上。
所述的多边形柱模具2为任意多边形，且多边形尺寸可选，设置在三轴3D打印机框架1的打印平台部分，两端面有对应多边形状的突出部分，用于多边形柱模具2的夹持；
如图2所示，所述的夹持机构3由夹具301和电缸302组成，两个电缸302分别固定在三轴3D打印机框架1两个X向铝型材中间，夹具301固定在电缸推杆上，由两端电缸302驱动电动推杆前进和后退，从而实现夹具301的夹紧和放松，并实现多边形柱模具2的Y轴方向移动。
参照图1、图3和图4，所述的圆柱平移旋转机构4由内圆柱401、端面带花键的外圆环柱402、外部限位块403组成，内圆柱401与电机404相连，电机404固定在三轴3D打印机框架1的Y向铝型材上，驱动内圆柱401旋转；内圆柱401上的曲线凹槽411与外圆环柱402上的凸块421相配合，外圆环柱402的一端有花键424，花键424插入到多边形柱模具2端面的棱角上，实现对多边形柱模具2的转动。
所述外圆环柱402上有轴向凹槽422和周向凹槽423，轴向凹槽422、周向凹槽423和外部限位块403配合实现限位，外部限位块403固定在三轴3D打印机框架1上，轴向凹槽422限制外圆环柱402只能平移，周向凹槽423限制外圆环柱402只能旋转，从而实现外圆环柱402端面上花键424平移进入多边形柱模具2的花键槽，然后带动多边形柱模具2以侧棱为轴旋转的过程。本发明实现对多边形柱的多角度打印和柱面复杂结构稳定打印，不需要复杂的联动控制，减少了使用机械臂等多自由度设备的成本和控制难度，为复杂结构设计和相关应用提供了更多的可能。
所述的三轴3D打印机框架1实现打印喷头在X轴和Z轴方向上的移动。
所述的多边形柱模具2在打印时为横向放置，此时的多边形柱侧面与地面平行，上下底面为端面，在端面的每个内角顶点处都有花键槽，花键槽的位置尽量接近内角顶点，以实现以多边形柱的侧棱作为旋转轴的运动；花键槽的长度为多边形柱高的1/3，且所有的花键槽为一致方向，在保证多边形柱模具2刚度的同时，也保证配合花键槽的刚度。
所述的多边形柱模具2的端面中心部分有凸出的同模具形状部分，用于多边形柱模具2的夹持，凸出部分与多边形柱模具2间的宽度差，应大于圆柱平移旋转机构4中外圆环柱402的直径。
所述的电缸302选择活塞杆型电缸/带导杆型电缸，工作稳定可靠，电缸行程根据多边形柱模具2需要的具体Y向行程进行选择。
所述的夹具301形状应与多边形柱侧面平行地面时的边角形状相对应。
所述的轴向凹槽422和周向凹槽423为类栅栏状的限位凹槽，其轴向长度为需要花键插入的长度，两轴向凹槽422的间距对应所需的旋转角度；两轴向凹槽422间的周向凹槽423深度从入口端到出口端，出现由深至浅的变化，在完成多边形柱模具2旋转后卡住外部限位块403，使得外圆环柱402不会随电机404反向旋转，实现花键424的退出过程。
打印开始时，打印喷头位于打印原点，多边形柱模具2在夹持机构3的作用下位于侧面与地面平行的位置，此时三轴框架结构1驱动打印喷头在X轴和Z轴方向的移动，夹持机构3的夹具301处于夹紧多边形柱模具2的状态，电缸302驱动多边形柱模具2在Y轴方向的移动，实现在多边形柱模具2侧面上任意结构的打印；在一个侧面内的结构打印完成后，轨迹规划使得打印喷头的最后停留点位于旋转侧棱上，此时，圆柱平移旋转机构4中的电机404带动内圆柱401开始转动，外圆环柱402的凸键421也在内圆柱401外表面凹槽411的引导下驱动外圆环柱402运动，在外部限制块403和外圆环柱402外表面轴向凹槽422的限制下，此时外圆环柱402只进行平移运动，驱动花键424插入到多边形柱模具2两端面的花键槽中，达到预定限制位置后，电缸302驱动夹具301向后松开多边形柱模具2，多边形柱模具2松开后，电机404继续转动，在外部限制块403和外圆环柱402外表面周向凹槽423的限制下，此时外圆环柱402只进行旋转运动，带动花键424驱动多边形柱模具2转动60度，转动完成后，电缸302驱动夹具301向前夹紧多边形柱模具2，夹持完成后电机404反向旋转，在外圆环柱402外表面周向凹槽423细微由深到浅的设计下，外圆环柱402此时不会跟着反向旋转，而是实现向后的平移，从而带动花键424从花键槽的退出；旋转后的多边形柱侧面同样与地面平行，打印喷头继续进行打印。
重复上述打印过程，实现对多边形柱模具2的侧面打印，继续该过程，实现下一层的打印，最后实现多边形柱模具2结构整体成型。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：包括三轴3D打印机框架(1)、多边形柱模具(2)、夹持机构(3)和圆柱平移旋转机构(4)，多边形柱模具(2)和圆柱平移旋转机构(4)连接，圆柱平移旋转机构(4)连接在三轴3D打印机框架(1)上；多边形柱模具(2)通过夹持机构(3)夹持，夹持机构(3)连接在三轴3D打印机框架(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的多边形柱模具(2)为任意多边形，且多边形尺寸可选，设置在三轴3D打印机框架1的打印平台部分，两端面有对应多边形状的突出部分。
3.根据权利要求1所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的夹持机构(3)由夹具(301)和电缸(302)组成，两端的电缸(302)分别固定在三轴3D打印机框架(1)两个X向铝型材中间，夹具(301)固定在电缸推杆上，实现多边形柱模具(2)的Y轴方向移动。
4.根据权利要求1所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的圆柱平移旋转机构(4)包括内圆柱(401)、端面带花键的外圆环柱(402)和外部限位块(403)，内圆柱(401)与电机(404)相连，电机(404)固定在三轴3D打印机框架(1)的Y向铝型材上；内圆柱(401)上的曲线凹槽(411)与外圆环柱(402)上的凸块(421)相配合，外圆环柱(402)的一端有花键(424)，花键(424)插入到多边形柱模具(2)端面的棱角上，实现对多边形柱模具(2)的转动。
5.根据权利要求4所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述外圆环柱(402)上有轴向凹槽(422)和周向凹槽(423)，轴向凹槽(422)、周向凹槽(423)和外部限位块(403)配合实现限位，外部限位块(403)固定在三轴3D打印机框架(1)上，轴向凹槽(422)限制外圆环柱(402)只能平移，周向凹槽(423)限制外圆环柱(402)只能旋转，从而实现外圆环柱(402)端面上花键(424)平移进入多边形柱模具(2)的花键槽，然后带动多边形柱模具(2)以侧棱为轴旋转的过程。
6.根据权利要求2所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的多边形柱模具(2)两端面的每个内角顶点处设置有花键槽，多边形柱模具(2)两个端面的中心处有对应多边形的凸出部分。
7.根据权利要求6所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的花键槽应尽量靠近内角顶点，长度为多边形柱的1/3，且所有的花键槽为一致方向。
8.根据权利要求7所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的多边形柱模具(2)端面凸出的多边形部分应与多边形柱模具(2)形状完全一致，但边长＜多边形柱模具边长-花键槽外径。
9.根据权利要求3所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的夹持机构(3)的夹具(301)形状对应多边形柱模具(2)为水平时多边形的边角形状。
10.根据权利要求5所述的一种用于多边形柱结构整体成型的连续纤维3D打印装置，其特征在于：所述的轴向凹槽(422)和周向凹槽(423)为类栅栏状的限位凹槽，其轴向长度为需要花键插入的长度，两轴向凹槽(422)的间距对应所需的旋转角度；两轴向凹槽(422)间的周向凹槽(423)深度从入口端到出口端，出现由深至浅的变化。
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