CN114474720B - 一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置 - Google Patents

Abstract

一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器；所述的料盘和固定导向轮分别通过料盘轴和固定导向轮轴活动固定在悬挂基板上；所述的氮气吹送设备上设有进气嘴和送气管；所述的可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上，所述的滑台气缸用于控制可调节带导向压辊总成的上下运动；所述的激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定，所述的二维运动平台用于驱动激光器水平和竖直方向的运动。利用本发明，可以根据不同材料自由调节激光光源的角度和位置，同时，可适应不同直径压辊。

Description

一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造 装置

技术领域

本发明属于高性能连续纤维增强树脂技术领域，尤其是涉及一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置。

背景技术

近年来，高性能树脂基连续纤维复合材料以其高比强度、比刚度、比模量、耐腐蚀及疲劳且材料性能可设计等优点获得研究人员的青睐，广泛应用在航空航天、汽车工业、高端机床、体育用品等领域。传统连续纤维增强树脂基复合材料的制造一般采用手工铺放，效率低、精度均一性难以保证且工人工作条件极其恶劣，原位增材制造技术的引入给连续纤维增强树脂基复合材料带来了新一轮的制造技术升级，大大提高了生产效率、制造精度以及成型件质量的均匀性。

目前连续纤维增强树脂基复合材料的种类多种多样，纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，树脂主要包括聚乳酸、尼龙、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮等，不同材料对激光热源的吸收反射性质不一样，导致打印不同材料时的最有效激光角度和位置是不一样的，传统激光辅助原位增材制造设备大多无法对激光热源的位置及角度进行大幅度调整。如公开号为CN113561479A的中国专利文献公开了一种激光辅助成型的模块化混杂增材制造装置，包括基于熔融沉积技术实现增材制造的树脂给料成型单元和激光辅助成型单元，激光辅助成型单元对于成型路径前方区域原位预热，以改善零件层间结合强度较差的问题。但是，该激光辅助成型单元的安装位置固定，激光光斑只能始终处于打印头加工路径前方区域。

另外，针对不同复合材料，可能需要使用不同的压辊以实现更好的成型效果，传统激光辅助原位增材制造设备更换压辊后需要对部分部件进行更换并重新规划布局，较为复杂，缺乏一种可适应不同直径压辊的调节装置。如公开号为CN109760337A的中国专利文献公开了一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置，包括料卷、机架、导向机构、机器人铺放臂、定向压辊、压紧压辊和电源控制器；料卷设置在机架上，料卷用于放置复合材料预浸带料卷；料卷下方的机架上设置有导向机构，机架的顶部与机器人铺放臂固定连接，机架的底部固定设置有定向压辊和压紧压辊；电源控制器设置在机架上，且定向压辊和压紧压辊均连接到电源控制器上。

发明内容

本发明提供了一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，可以根据不同材料自由调节激光光源的角度和位置，同时，可适应不同直径压辊。

一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器；

所述的料盘和固定导向轮分别通过料盘轴和固定导向轮轴活动固定在悬挂基板上；所述的氮气吹送设备上设有进气嘴和送气管；所述的可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上，所述的滑台气缸用于控制可调节带导向压辊总成的上下运动；所述的激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定，所述的二维运动平台用于驱动激光器水平和竖直方向的运动。

进一步地，所述悬挂基板的上端面通过连接肋板固定有安装法兰盘。

进一步地，所述的可调节带导向压辊总成包括与滑台气缸固定的顶端连接板、对称设置在顶端连接板下端的两个侧面安装导向板、通过压辊轴和配套的压辊紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的压辊、通过螺杆和配套的紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的可调导向轮。

进一步地，两个侧面安装导向板上均设有竖向的安装槽，所述的螺杆两端分别穿过两个安装槽后与两个侧面安装导向板通过紧固螺母可拆卸固定。

进一步地，所述的二维运动平台包括带水平滑块的水平导轨以及带竖直滑块的竖直导轨；所述的水平导轨通过水平导轨安装板固定在悬挂基板的板面上，所述的竖直导轨通过导轨连接板固定在水平滑块上；

所述的精密光学转台固定在竖直滑块上，所述的精密光学转台上固定有激光器高度补偿块，所述的激光器通过激光器连接板固定在激光器高度补偿块上。

进一步地，所述的水平导轨安装板的一端固定有导轨高度补偿板，所述的导轨高度补偿板与悬挂基板之间通过加固肋板固定。

进一步地，所述的悬挂基板在靠近上部的两个板面上分别固定有轴承座总成和磁粉制动器安装板；

所述的料盘轴与轴承座总成同心过盈配合，所述的料盘同轴安装在料盘轴上，通过键连接实现同步旋转；所述的磁粉制动器安装板上固定有磁粉制动器，所述磁粉制动器与料盘轴同轴安装，通过键连接实现同步旋转。

进一步地，所述的滑台气缸通过气缸高度补偿板固定在悬挂基板靠近下端的板面上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将水平导轨、竖直导轨以及光学精密转台相结合，与原位增材设备集成，为热源位置和角度大范围可调提供了一种经济有效的解决方案。

2、可以大幅度变换位置以适用不同材料的不同工艺要求，也可方便的通过更换激光器高度补偿块实现对热源在辊子轴向照射位置的调整。

3、可适应不同直径压辊的带导向压辊总成为压辊更换后的导向调整提供了一种简单方便的方法，可以通过调节可调导向轮螺杆在滑槽中的位置实现对不同直径压辊的适应，通过可调导向轮沿螺杆轴向的调整可以实现材料沿压辊轴向的限位。

4、通过氮气吹送设备和送气管的组合实现了吹送位置的简便调整，可以对加工过程产生的等离子体区域进行有效吹除，减少其对激光的衰减。

附图说明

图1为本发明一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置的结构示意图；

图2为本发明一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置的另一角度结构示意图；

图3为本发明中可适应不同直径压辊的带导向压辊总成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1和图2所示，一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，主要包括安装法兰盘201、连接肋板202、料盘203、料盘轴204、轴承座总成205、悬挂基板206、固定导向轮轴207、固定导向轮208、进气嘴209、氮气吹送设备210、送气管211、可调节带导向压辊总成212、滑台气缸213、气缸高度补偿板214、激光器215、精密光学转台216、激光器连接板217、激光器高度补偿块218、转台连接板219、导轨转接板220、竖直轮滑块221、水平轮滑块222、竖直导轨锁紧螺栓223、竖直导轨224、水平导轨锁紧螺栓225、导轨连接板226、水平导轨227、磁粉制动器安装板228、磁粉制动器229、加固肋板230、导轨高度补偿板231、水平导轨安装板232。

原位增材制造设备中的部件连接关系如下：

悬挂基板206的上端通过连接肋板202与安装法兰盘201的下端固定连接，安装法兰盘201的上端可与机械手连接。

轴承座总成205和磁粉制动器安装板228与悬挂基板206靠近上部位置的两侧面固定连接，料盘轴204与轴承座总成205同心过盈配合，料盘203同轴安装在料盘轴204上，通过键连接实现同步旋转，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。磁粉制动器229与磁粉制动器安装板228固定连接且与料盘轴204同轴安装，通过键连接实现同步旋转，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。固定导向轮轴207与悬挂基板206固定连接，固定导向轮208与固定导向轮轴207同轴安装，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。

氮气吹送设备210固定在悬挂基板206靠近下端的板面上，送气管211与氮气吹送设备210固定连接。气缸高度补偿板214与悬挂基板206固定连接，滑台气缸213固定在气缸高度补偿板214上，可调节带导向压辊总成212与滑台气缸213固定连接。

导轨高度补偿板231与悬挂基板206固定连接，加固肋板230两面分别与悬挂基板206和导轨高度补偿板231固定连接以提高刚性。水平导轨安装板232与导轨高度补偿板231固定连接，水平导轨227与水平导轨安装板232固定连接，水平导轨锁紧螺栓225可将水平轮滑块222固定在水平导轨227的任意位置，导轨连接板226与水平轮滑块222固定连接，竖直导轨224与导轨连接板226固定连接，竖直导轨锁紧螺栓223可将竖直轮滑块221固定在竖直导轨224的任意位置，导轨转接板220与竖直轮滑块221固定连接，精密光学转台216与导轨转接板220固定连接，转台连接板219与精密光学转台216固定连接，激光器高度补偿块218与转台连接板219固定连接，激光器连接板217与激光器高度补偿块218固定连接，激光器215与激光器连接板217固定连接。

如图3所示，可调节带导向压辊总成212可适应不同直径压辊，主要由顶端连接板233、侧面安装导向板234、压辊轴235、压辊紧固螺母236、压辊237、可调导向轮238、调节螺母239、螺杆240、紧固螺母241组成。

带导向压辊总成2中各部件的连接关系如下：

侧面安装导向板234与顶端连接板233的下端固定连接，压辊轴235与侧面安装导向板234上的孔同轴间隙配合，通过阶梯轴轴向定位，通过压辊紧固螺母236固定，压辊237与压辊轴235过盈同轴配合，通过卡簧进行轴向定位。螺杆240可在侧面安装导向板234的竖向安装槽中上下移动，通过紧固螺母241实现在槽中的固定，可调导向轮238与螺杆240同轴间隙配合，可通过调节螺丝239来调节与压辊237的相对位置。

本发明的工作流程如下：

材料以料盘203为起始，经固定导向轮208的导向作用传送到可调导向轮238上，通过可调导向轮238的限位导向作用经压辊237上方；紧贴压辊237外圆面进入压辊237与水平面啮合区域。给滑台气缸213通气使其向下运动从而使给压辊237提供一个预压力；通过调节水平导轨227、竖直导轨224和精密光学转台216将加热区域锁定在合适位置；调节磁粉制动器229的工作电流给材料施加合适的预紧力，整个氮气吹拂装置(由进气嘴209、氮气吹送设备210、送气管211组成)可以在加工过程中开启或关闭，开启时可以实现等离子区域的吹除和加热区域防氧化的功能。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，其特征在于，包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器；

所述的料盘和固定导向轮分别通过料盘轴和固定导向轮轴活动固定在悬挂基板上；所述的氮气吹送设备上设有进气嘴和送气管，氮气吹送设备固定在悬挂基板靠近下端的板面上，送气管与氮气吹送设备固定连接；所述的可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上，所述的滑台气缸用于控制可调节带导向压辊总成的上下运动；所述的激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定，所述的二维运动平台用于驱动激光器水平和竖直方向的运动；

所述的可调节带导向压辊总成包括与滑台气缸固定的顶端连接板、对称设置在顶端连接板下端的两个侧面安装导向板、通过压辊轴和配套的压辊紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的压辊、通过螺杆和配套的紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的可调导向轮；两个侧面安装导向板上均设有竖向的安装槽，所述的螺杆两端分别穿过两个安装槽后与两个侧面安装导向板通过紧固螺母可拆卸固定；

所述的二维运动平台包括带水平滑块的水平导轨以及带竖直滑块的竖直导轨；所述的水平导轨通过水平导轨安装板固定在悬挂基板的板面上，所述的竖直导轨通过导轨连接板固定在水平滑块上；

所述的精密光学转台固定在竖直滑块上，所述的精密光学转台上固定有激光器高度补偿块，所述的激光器通过激光器连接板固定在激光器高度补偿块上；

所述的水平导轨安装板的一端固定有导轨高度补偿板，所述的导轨高度补偿板与悬挂基板之间通过加固肋板固定；所述的滑台气缸通过气缸高度补偿板固定在悬挂基板靠近下端的板面上。

2.根据权利要求1所述的可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，其特征在于，所述悬挂基板的上端面通过连接肋板固定有安装法兰盘。

3.根据权利要求1所述的可调辐照角度激光辅助连续纤维复合材料原位增材制造装置，其特征在于，所述的悬挂基板在靠近上部的两个板面上分别固定有轴承座总成和磁粉制动器安装板；

所述的料盘轴与轴承座总成同心过盈配合，所述的料盘同轴安装在料盘轴上，通过键连接实现同步旋转；所述的磁粉制动器安装板上固定有磁粉制动器，所述磁粉制动器与料盘轴同轴安装，通过键连接实现同步旋转。

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