CN113815228A - 一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材打印的技术领域，公开了一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：包括工作台，在所述工作台的上方设置有辊压挤出机构，下方设置有调整机构，所述辊压挤出机构与第一传动机构相连，所述工作台与第二传动机构相连，所述第一传动机构用于带动辊压挤出机构在XOY平面内运动，所述第二传动机构用于带动工作台沿Z轴方向运动，所述调整机构用于调整工作台的水平度，所述辊压挤出机构用于通过喷嘴将待打印碳纤维材料挤出至工作台，并对每层打印面均实施辊压，所述工作台具有磁性，对从喷嘴喷出的待打印碳纤维材料起到导向作用，从而实现碳纤维材料的增材制造。
Description
技术领域
本发明属于增材制造的技术领域，具体涉及一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置。
背景技术
随着技术水平的不断发展，增材制造的逐渐成熟，越来越多的高性能材料被应用于增材制造。碳纤维作为一种高性能复合材料，具有轻质化、高强度、高模性、热膨胀系数小、耐腐蚀、导热性好、耐磨损、耐高温等一系列优点，而被广泛应用于航天航空、汽车制造、运动器材、衡量器具、集热导热材料等领域。其优异的性能当然会被用于进行增材制造的研究与应用。
连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，密度低、强度高，开展复合材料空间3D打印技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造，具有重要意义。碳纤维的引入，不仅提高了打印件的刚性强度，而且结晶度更均匀，同时分析了碳纤维引入和打印方向对于打印件微观结构组成、打印件受力断裂模式，这些都有利于大型部件的制造。同时，可以观察到运用3D打印机通过改变打印方向和打印参数，除打印件具有优异的力学性能，还具有较为光滑的表面，这就是碳纤维/玻璃纤维复合材料的诞生以及应用推广的关键点，碳纤维复合材料具有多种优势-工程材料可用于制造智能产品，并在设计时提供无限的灵活性。
FDM，也称为熔融沉积成型技术，是至今为止最容易采纳和运用最广泛的3D打印技术。FDM 3D打印技术依照软件分析得出的坐标喷射出热塑性金属丝，并从下到上逐层构建零件。这项印刷技术主要依靠ABS，PC，尼龙热塑性线材为原料，操作方便，体积小，使用方便，适合办公环境。印刷零件具有良好的耐热性和化学强度。它可以实现复杂的几何形状和腔体，这是传统技术无法实现的。此外，FDM 3D打印技术减少了零件加工中的繁琐过程，方便随时更改设计，降低了生产所需的费用，答覆地减少了生产周期。专业级FDM打印机主要定位于中小型企业和专业生产领域，其具有消费级设备的尺寸，但可打印PC、PA等工程塑料甚至纤维增强材料，适合制造具有高强度、耐用性和刚度的功能性原型以及最终用途零件。
当前基于熔丝挤出成形(FDM)的碳纤维3D打印工艺成形表面精度较低,在打印模型过程中，温度控制不稳定常常引起喷头吐丝和融丝机构吐丝过少或过多，进而导致产品断层、变形翘曲、纤维脱落、纤维中断等缺陷。FDM 3D打印工艺在成形具有连续纤维的跨越结构、延伸结构等悬浮特征的零件时，纤维零件容易出现变形、扭曲、塌陷等一系列问题，导致最终打印失败。
发明内容
本发明提供了一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，在原有FDM3D打印的基础上加入八爪辊轮进行八个方向辊压，以使成形中的碳纤维零件强度提高、变现程度降低、纤维界面结合力增强等效果，最终实现碳纤维增材辊压一体化工艺。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，包括工作台，在所述工作台的上方设置有辊压挤出机构，下方设置有调整机构，所述辊压挤出机构与第一传动机构相连，所述工作台与第二传动机构相连，所述第一传动机构用于带动辊压挤出机构在XOY平面内运动，所述第二传动机构用于带动工作台沿Z轴方向运动，所述调整机构用于调整工作台的水平度，所述辊压挤出机构用于通过喷嘴将待打印碳纤维材料挤出至工作台，并对每层打印面均实施辊压，所述工作台具有磁性，对从喷嘴喷出的待打印碳纤维材料起到导向作用，从而实现碳纤维材料的增材制造。
进一步，所述辊压挤出机构包括正对工作台设置的喷嘴，以及与喷嘴共同运动的多个压轮，所述多个压轮均匀间隔设置，组成环状结构，将喷嘴包围在中间，其辊压面均朝向环状的圆心，且辊压面的最低点与工作台的距离小于喷嘴的最低点与工作台的距离。
进一步，每个所述压轮均通过环状支架设置在固定喷嘴的喷嘴支架上，所述环状支架包括圆环面，在所述圆环面的底面设置有与多个压轮一一对应的多对支爪，每对所述支爪卡在对应压轮的两端，与穿过压轮的转轴配合，通过螺母实现支爪、转轴和压轮的固定，每个所述转轴均通过深沟轴承与对应压轮的内圈配合。
进一步，所述压轮设置有八个。
进一步，所述工作台包括平行间隔设置的顶板和底板，所述顶板采用三层结构，自上而下分别为玻璃层、磁性层和金属层，所述调整机构包括均匀间隔设置在顶板和底板之间多个第一弹簧，对应第一述弹簧的位置设置有第一螺栓，所述第一螺栓穿过底板垂直向上延伸至对应第一弹簧的内部，通过调整第一螺栓进入对应第一弹簧的深度，以调整顶板的水平度；
所述底板的一个相对的两边分别设置有一个托块，两个所述托块相对的一侧设置有与底板的一边配合的凹槽，所述底板的一边套装在凹槽的内部，在所述底板与凹槽的底面之间均匀间隔设置有多个第二弹簧，对应第二述弹簧的位置设置有第二螺栓，所述第二螺栓穿过托块垂直向上延伸至对应第二弹簧的内部，通过调整第二螺栓进入对应第二弹簧的深度，以调整底板的水平度。
进一步，所述第一传动机构包括沿X轴方向设置的两个第一滑轨，横跨在两个所述第一滑轨上设置有第一滑块，所述第一滑块与第一皮带驱动机构相连，其上设置有辊压挤出机构，所述第一皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第一滑块连同辊压挤出机构沿第一滑轨运动；
两个所述第一滑轨的两端的上方均设置第二滑轨，所述第二滑轨沿Y轴方向设置，其上设置有第二滑块，所述第二滑块与第一滑轨的端部连接，还与第二皮带驱动机构相连，所述第二皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第二滑块连同第一滑轨沿第二滑轨运动；
所述第二传动机构包括平行间隔设置的两个滚珠丝杠，每个所述滚珠丝杠均沿Z轴方向设置，其螺母均与工作台的一边连接，其丝杆的一端与电动机相连，所述电动机用于带动丝杆转动，从而带动螺母连同工作台沿Z轴方向运动。
本发明有益的技术效果如下：
借助辊压挤出机构中的八个压轮可以进行八个方向辊压，并且确保至少一对压轮可以随喷嘴运动而进行转动辊压，提高辊压作用，以使成形中的碳纤维零件强度提高、变现程度降低、纤维界面结合力增强等效果，最终实现碳纤维增材辊压一体化工艺。
同时，借助具有磁性的工作台，增加对喷嘴喷射出的碳纤维融丝的导向作用，使其可以更集中地射向工作台，减少飞散的可能，并且增加了调整机构，确保工作台的水平度，从而使碳纤维融丝能够均匀平整地铺设在工作台上，提高打印质量。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的辊压挤出机构的结构示意图一；
图3为本发明的辊压挤出机构的结构示意图二；
图4为本发明的调整机构的结构示意图；
图5为本发明的运动机构托块的结构示意图；
图6为本发明的第一传动机构、第二传动机构的结构示意图；
其中，1-工作台，11-顶板，12-底板，2-辊压挤出机构，21-喷嘴，22-压轮，23-支爪，24-螺母，3-调整机构，31-第一螺栓，32-托块，33-第二螺栓，4-第一滑轨，5-第二滑轨，6-滚珠丝杠。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，基于FDM工艺的碳纤维融丝基础与辊压强化一体化原理和结构进行设计，在现有结构中加入带有10mm轴承的辊轮辊压装置，安装在打印喷头一周，用来加强打印过程中碳纤维零件的强度，结果表明设计的结构满足其碳纤维3D打印和辊压一体化工艺要求，具体包括工作台1，在工作台1的上方设置有辊压挤出机构2，下方设置有调整机构3，该辊压挤出机构2与第一传动机构相连，该工作台1与第二传动机构相连，该第一传动机构用于带动辊压挤出机构2在XOY平面内运动，该第二传动机构用于带动工作台1沿Z轴方向运动，该调整机构3用于调整工作台1的水平度，该辊压挤出机构2用于通过喷嘴将待打印碳纤维材料挤出至工作台1，并对每层打印面均实施辊压，该工作台1具有磁性，对从喷嘴喷出的待打印碳纤维材料起到导向作用，从而实现碳纤维材料的增材制造。
这样，在电脑软件的控制下，被加热后的打印喷嘴将根据打印的轮廓数据沿XOY水平面移动。由CAD软件确定的对象，辊压挤出机构2将热塑性包覆碳纤维丝状材料发送到加热喷嘴，被加热并逐渐熔化成半液体，之后将其从喷嘴中挤出并有选择地覆盖在工作台的表面上，然后，在室温下迅速冷却，将形成一层厚度约为0.05-0.15mm的物体支撑结构和薄片轮廓，其中碳纤维在打印的薄片轮廓中间进行填充，同时对每层打印面进行辊压，实现边挤出成形边辊压强化每层打印面结构。当打印完一层打印面时，工作台将下降一层的高度，然后沉积下一层，就好比一层层“绣制”的打印面轮廓一样，因此反复，最终形成一个三维物体。具体如下：
该辊压挤出机构2包括正对工作台1设置的喷嘴21，以及与喷嘴21共同运动的多个压轮22，如八个，这些压轮22均匀间隔设置，组成环状结构，将喷嘴21包围在中间，其辊压面均朝向环状的圆心，且辊压面的最低点与工作台1的距离小于喷嘴21的最低点与工作台1的距离，具体距离大小可以根据实际情况而定。由于打印需要，喷嘴21的运动方向不能固定不变，因此我们采用环状结构的压轮组合，并且其辊压面均朝向环状的圆心设置，这样，随着喷嘴21的运动，至少有一对压轮22比较契合喷嘴的运动方向，能够随喷嘴的运动而转动，从而实施对当前打印面的辊压，以使成形中的碳纤维零件强度提高、变现程度降低、纤维界面结合力增强等效果，最终实现碳纤维增材辊压一体化工艺。
为了简化装置，每个压轮22均通过环状支架设置在固定喷嘴21的喷嘴支架上，该环状支架包括圆环面，在圆环面的底面设置有与多个压轮22一一对应的多对支爪23，每对支爪23均卡在对应压轮22的两端，与穿过压轮22的转轴配合，通过螺母24实现支爪23、转轴和压轮33的固定，每个转轴均通过深沟轴承与对应压轮22的内圈配合。
我们将支爪23设置成带圆圈的杆状结构，其圆圈套装在转轴的一端，然后通过螺母24与转轴的端部配合，将圆圈与压轮22的一侧固定，当然我们在转轴端部的外表面设置外螺纹。
可采用型号为WML5010-2Z的深沟球轴承，大多数情况下采用一对套圈﹑一个保持架﹑多个钢球构成，其设计简洁，便于使用，是生产最普遍﹑应用最广泛的一类轴承。这种轴承主要被用来当作承受径向负荷，但也可承受少量的所有方向的轴向负荷，在一定程度内，当扩大轴承的径向油隙时，这类轴承具有角接触球轴承的特性，还可以担负较高的轴向负荷。这样，在转轴被装配上深沟球轴承后，就可以使得转轴和外包装的轴向运动被限制在规定的尺寸内。此外，当压轮的内圈和转轴相对有歪曲时，如在8°到16°的范围内，根据游隙确定，仍可以正常运转。因此通过采用深沟球轴承来实现八个方向的融丝后挤出的层面材料的辊压强化，从而达到全向辊压强化的目的。
为了确保从喷嘴21喷出的碳纤维融丝可以均匀地铺设在工作台1上，我们对工作台1增设了水平调节功能，具体地，该工作台1包括平行间隔设置的顶板11和底板12，该顶板11采用三层结构，自上而下分别为玻璃层、磁性层和金属层，借助磁性，增强对碳纤维融丝的导向作用，使其可以更好地朝向工作台喷射，减少飞散可能；该调整机构3包括均匀间隔设置在顶板11和底板12之间多个第一弹簧，对应第一述弹簧的位置设置有第一螺栓31，如四个，该第一螺栓31穿过底板垂直向上延伸至对应第一弹簧的内部，这样，通过调整第一螺栓31进入对应第一弹簧的深度，以调整顶板11的水平度，当然第一弹簧始终处于压缩状态；同样，我们在底板12的一个相对的两边分别设置有一个托块32，在两个托块32相对的一侧设置有与底板12的一边配合的凹槽，其凹槽尺寸大于底板12的厚度，该底板12的一个相对的两边中的一边套装在凹槽的内部，在底板12与凹槽的底面之间均匀间隔设置有多个第二弹簧，如前后各一个，对应第二述弹簧的位置设置有第二螺栓33，该第二螺栓33穿过托块32垂直向上延伸至对应第二弹簧的内部，这样，通过调整第二螺栓33进入对应第二弹簧的深度，以调整底板12的水平度，当然第二弹簧也始终处于压缩状态。
总之，先通过调整第二螺栓33，使底板12处于水平，再在顶板11的四角都配备一个第一螺栓31，通过调节第一螺栓31高度来达到使得顶板11水平的目的，从而使整个工作台1水平，这对打印精度来说是至关重要的，是不可或缺的，同时所设计的底板两边的独立的托块，保证了整个工作台受力的均衡和稳定。
对于第一传动机构和第二传动机构，本发明采用喷嘴在X和Y轴方向并联运动、Z轴方向独立运动的方式作为传动装置的设计方案，工作台1可以在Z轴方向上自由运动，从而使得这个3D打印装置可以自由运动，辊压挤出机构2在XOY平面内运动，X轴方向承载辊压挤出机构2，且与Y轴方向均由滑轨支撑，而Z轴方向上由滚珠丝杠来支撑工作台1。同时，x、y、z三轴均采用滑轨作导向，其中x、y轴采用步进电机带动同步带运动，由于z轴对分层切片的精度有一定影响，所以则采用滚珠丝杠作为传动机构，具体如下：
该第一传动机构包括沿X轴方向设置的两个第一滑轨4，横跨在两个第一滑轨4上设置有第一滑块，该第一滑块与第一皮带驱动机构相连，其上设置有辊压挤出机构2，该第一皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第一滑块连同辊压挤出机构2沿第一滑轨4运动；在两个第一滑轨4的两端的上方均设置第二滑轨5，该第二滑轨5沿Y轴方向设置，其上设置有第二滑块，该第二滑块与第一滑轨4的端部连接，还与第二皮带驱动机构相连，该第二皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第二滑块连同第一滑轨4沿第二滑轨5运动。
该第二传动机构包括平行间隔设置的两个滚珠丝杠6，每个滚珠丝杠6均沿Z轴方向设置，其螺母均与工作台1的一边连接，其丝杆的一端与电动机相连，该电动机用于带动丝杆转动，从而带动螺母连同工作台沿Z轴方向运动。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：包括工作台，在所述工作台的上方设置有辊压挤出机构，下方设置有调整机构，所述辊压挤出机构与第一传动机构相连，所述工作台与第二传动机构相连，所述第一传动机构用于带动辊压挤出机构在XOY平面内运动，所述第二传动机构用于带动工作台沿Z轴方向运动，所述调整机构用于调整工作台的水平度，所述辊压挤出机构用于通过喷嘴将待打印碳纤维材料挤出至工作台，并对每层打印面均实施辊压，所述工作台具有磁性，对从喷嘴喷出的待打印碳纤维材料起到导向作用，从而实现碳纤维材料的增材制造。
2.根据权利要求1所述的融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：所述辊压挤出机构包括正对工作台设置的喷嘴，以及与喷嘴共同运动的多个压轮，所述多个压轮均匀间隔设置，组成环状结构，将喷嘴包围在中间，其辊压面均朝向环状的圆心，且辊压面的最低点与工作台的距离小于喷嘴的最低点与工作台的距离。
3.根据权利要求2所述的融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：每个所述压轮均通过环状支架设置在固定喷嘴的喷嘴支架上，所述环状支架包括圆环面，在所述圆环面的底面设置有与多个压轮一一对应的多对支爪，每对所述支爪卡在对应压轮的两端，与穿过压轮的转轴配合，通过螺母实现支爪、转轴和压轮的固定，每个所述转轴均通过深沟轴承与对应压轮的内圈配合。
4.根据权利要求3所述的融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：所述压轮设置有八个。
5.根据权利要求1所述的融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：所述工作台包括平行间隔设置的顶板和底板，所述顶板采用三层结构，自上而下分别为玻璃层、磁性层和金属层，所述调整机构包括均匀间隔设置在顶板和底板之间多个第一弹簧，对应第一述弹簧的位置设置有第一螺栓，所述第一螺栓穿过底板垂直向上延伸至对应第一弹簧的内部，通过调整第一螺栓进入对应第一弹簧的深度，以调整顶板的水平度；
所述底板的一个相对的两边分别设置有一个托块，两个所述托块相对的一侧设置有与底板的一边配合的凹槽，所述底板的一边套装在凹槽的内部，在所述底板与凹槽的底面之间均匀间隔设置有多个第二弹簧，对应第二述弹簧的位置设置有第二螺栓，所述第二螺栓穿过托块垂直向上延伸至对应第二弹簧的内部，通过调整第二螺栓进入对应第二弹簧的深度，以调整底板的水平度。
6.根据权利要求1所述的融丝辊压复合强化的碳纤维材料的增材打印装置，其特征在于：所述第一传动机构包括沿X轴方向设置的两个第一滑轨，横跨在两个所述第一滑轨上设置有第一滑块，所述第一滑块与第一皮带驱动机构相连，其上设置有辊压挤出机构，所述第一皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第一滑块连同辊压挤出机构沿第一滑轨运动；
两个的述第一滑轨的两端的上方均设置第二滑轨，所述第二滑轨沿Y轴方向设置，其上设置有第二滑块，所述第二滑块与第一滑轨的端部连接，还与第二皮带驱动机构相连，所述第二皮带驱动机构用于通过皮带传动，带动第二滑块连同第一滑轨沿第二滑轨运动；
所述第二传动机构包括平行间隔设置的两个滚珠丝杠，每个所述滚珠丝杠均沿Z轴方向设置，其螺母均与工作台的一边连接，其丝杆的一端与电动机相连，所述电动机用于带动丝杆转动，从而带动螺母连同工作台沿Z轴方向运动。
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