CN114953438B - 用于连续纤维打印的可换喷嘴打印头及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于连续纤维打印的可换喷嘴打印头及打印方法;本发明包括固定支架、位于结构上部的送丝模块、上导向管、位于结构中部的剪断模块、下导向管、散热套管、喉管、加热线圈以及位于结构底部的喷嘴模块；其中连续纤维增强热塑性树脂基预浸复合丝材在打印头另一侧自上而下同轴贯穿送进打印。中通过设置带有刻度指示的调节槽，标准化调整不同规格预浸复合丝材夹紧送进状态；通过设置上导向管和半包式下导向管提升预浸丝材的可剪断性及断丝的后续送入性；实现制件高效高质成形，并可实现具有特定应用需求制件的异质多层成形打印。

Description

用于连续纤维打印的可换喷嘴打印头及打印方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，尤其涉及一种用于连续纤维打印的可换喷嘴打印头及打印方法。
背景技术
连续纤维增强树脂基复合材料由纤维材料与基体材料构成，具有重量轻、强度高、成形方便、耐腐蚀等优点，主要应用于航空航天、轨道交通、汽车船舶等领域。相比传统的纤维铺放或缠绕制造技术，基于熔融挤出原理的3D打印制造技术凭借更易成形复杂结构，且不需模具，工艺相对简单实现等特性，已成为未来重点的发展趋势。
采用预浸复合丝材打印是连续纤维增强热塑性树脂基复合材料打印重要的一种工艺方式，其打印出丝方式分为主动送丝和被动送丝两种。目前针对其打印头的相关结构专利多见于各式主动送丝和剪切装置的加入。主动送丝结构类似于纯树脂送丝机构，以弹簧为阻尼器，通过螺栓拧入或松紧压入连杆结构，实现送进位置对丝材夹紧状态调节。这种方式多依赖于经验手感，夹紧状态的调节没有明确的记号提示。而剪切装置多见于电动连杆结构剪切或气动直推切断两种作业方式，无论哪种在剪断时易导致丝材断裂位置受挤压变形导致后续丝材难以送入。特别的，由于连续纤维增强体的存在，预浸丝材的打印易对喷嘴造成磨损，间接增大层厚距离，特别是大型构件需连续长时间增材成形制造时更加明显，因此需及时更换喷嘴以保证成形质量，而停机更换喷嘴需设备重新归零，严重限制成形效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种用于连续纤维打印的可换喷嘴打印头及打印方法，目的是针对大尺寸目标制件成形时为避免连续纤维增强树脂基复合预浸丝材长时间打印造成喷嘴磨损而影响制件成形质量，提供一种喷嘴在线更换的打印头结构及打印方法，以实现制件高效高质成形。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，包括固定支架、位于结构上部的送丝模块、上导向管、位于结构中部的剪断模块、下导向管、散热套管、喉管、加热线圈以及位于结构底部的喷嘴模块，打印头通过固定支架顶部孔位安装在打印装备的运动装置上。
进一步的，送丝模块、剪断模块及喷嘴模块的动力电机均安装在固定支架顶部孔位一侧，连续纤维增强热塑性树脂基预浸复合丝材在打印头另一侧自上而下同轴贯穿送进打印。
进一步的，上导向管、下导向管、喉管均通过螺纹安装在固定支架上，其中半包式的下导向管一端为半球状缺口，当剪断模块进行切断作业时，切刀片可从下导向管缺口处贴合切入至下导向管内壁；散热套管通过螺纹安装在喉管上端；加热线圈安装在喉管下端。
进一步的，送丝模块主要由送进电机、啮合齿轮、U型槽轴承、固定螺栓和固定螺母构成，U型槽轴承通过固定螺栓搭配固定螺母安装在支架上部的调节槽内，调节槽及固定螺栓头部标有刻度记号，可调节U型槽轴承与啮合齿轮的间隙，以配合预浸复合丝材不同直径规格或满足对丝材不同的夹紧送进状态要求。
进一步的，剪断模块主要由剪断电机、凸轮、推刀架、切刀片、复位弹簧和轨道套筒架构成，切刀片通过螺钉固定在推刀架上，套过复位弹簧，送入轨道套筒架的套筒中组成剪切组件，其中轨道套筒架套筒一侧孔径大于另一侧，复位弹簧限位于小孔径一侧，凸轮通过键固定在剪断电机轴上，凸轮配合复位弹簧在剪断电机带动下往复推动推刀架带动切刀片实现水平向的切断操作。
进一步的，喷嘴模块主要由旋转电机、喷嘴托板以及若干喷嘴构成，喷嘴托板垂直于喉管，通过键与旋转电机安装配合在一起；若干喷嘴通过螺纹安装在喷嘴托板上，喷嘴均分在以旋转电机转轴为圆心，转轴中心至喉管中心距离为半径的圆弧上；旋转电机带动喷嘴托板旋转既定角度，可切换目标喷嘴位置至喉管下方，且与喉管同轴，完成打印头喷嘴的替换。
进一步的，喷嘴托板上下两面的平面度≤0.1mm；所用喷嘴高度向尺寸规格严格一致，孔径尺寸规格视实际需求而定，可一致或不一致，安装后喷嘴尖端共面，且平行于喷嘴托板底面。喷嘴托板上喷嘴的螺纹孔位可定制，可设有3~9个，孔位均为每隔固定角度均布。
喷嘴包括主喷嘴和副喷嘴，其中副喷嘴有备用喷嘴和他用喷嘴两种类型。备用喷嘴与主喷嘴规格一致，用于因主喷嘴磨损替换；他用喷嘴内径规格大于主喷嘴，用于因打印中换用其他规格预浸丝材替换。
本发明的该打印头通过设置带有刻度指示的调节槽，标准化调整不同规格预浸复合丝材夹紧送进状态；通过设置上导向管和半包式下导向管提升预浸丝材的可剪断性及断丝的后续送入性；通过设置旋转式喷嘴托板，实现在线打印中备用喷嘴或不同直径规格喷嘴的替换，以减少长时间打印喷嘴磨损导致成形缺陷，实现制件高效高质成形。
本发明同时提供根据上述连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头的打印方法的技术方案，包括以下步骤：
1）依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材规格；
2）将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及基础打印工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码及预估打印时间；
3）分析G代码中各跳线位置，提前20mm，加入暂停及剪断指令，结合打印时间、喷嘴耐磨寿命和预浸丝材更换需求，提前10mm，加入暂停、剪断及更换喷嘴指令，更新G代码；
4）将预浸丝材穿入打印头直至穿出喷嘴10~15mm，依据预浸丝直径调整调节槽内固定螺栓固定位置，选择丝材适合的送进夹紧状态；
5）读取G代码，加热线圈加热至设定打印温度，送丝模块依据打印速度送丝，目标制件按照G代码开始层层堆叠打印；
6）打印中遇到跳线位置，执行预定的暂停及剪断指令，打印头三维打印运动及送丝模块停止工作，剪断模块完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，送丝模块恢复送进丝材直至丝材穿出喷嘴10~15mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块协同恢复，继续打印操作；
7）打印中需更换喷嘴时，执行预定的暂停、剪断及更换喷嘴指令，打印头三维打印运动及送丝模块停止工作，剪断模块完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，喷嘴模块工作，喷嘴更换完成后，送丝模块恢复送进丝材直至丝材穿出喷嘴10~15mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块协同恢复，继续打印操作；
8）在层层叠加的过程中，遇到跳线位置及更换喷嘴动作，参考步骤6）、7），直到完成目标制件最终制造。
进一步的，预浸复合丝材规格包括树脂基体种类、增强纤维种类、丝材直径、增强纤维体积分数。不同规格的预浸丝材对应不同的送进夹紧状态，即对应不同的指示刻度。
进一步的，步骤2）中的打印基础工艺参数包括成形道间距、层厚、打印温度、平台温度。
进一步的，步骤3）中考虑的一段距离指打印头内丝材剪断点到喷嘴的距离，丝材剪断后，余丝以被动出丝打印的方式使用。
进一步的，步骤7）更换喷嘴操作，可以协同更换不同材质规格预浸丝材，替换对应直径规格的喷嘴，实现具有特定应用需求制件的异质多层打印成形。
有益效果：本发明提供的上述打印方法基于连续纤维增强复合材料增材制造，通过建立不同规格的预浸丝材对应的送进夹紧状态数据库，基于调节槽刻度实现标准化调整连续纤维预浸丝材的夹紧送进状态，协同剪断模块和喷嘴模块作业实现在线打印中备用喷嘴或不同直径规格喷嘴的替换，以实现制件高效高质成形，并且可实现具有特定应用需求制件的异质多层成形打印。
附图说明
图1为本发明中打印头整体结构示意图。
图2为本发明中打印头主要结构拆分示意图。
图3为本发明中送丝组件局部放大图。
图4为本发明中剪切组件拆分示意图。
图5为本发明中剪断模块剪断操作时局部示意图。
图6为本发明中剪断操作时导向管处局部示意图。
图7为本发明中喷嘴模块局部结构拆分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例一
如图1所示，本实施例为一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，包括固定支架0200、位于结构上部的送丝模块0300、上导向管0400、位于结构中部的剪断模块0500、下导向管0600、散热套管0700、喉管0800、加热线圈0900以及位于结构底部的喷嘴模块1000，打印头通过固定支架0200顶部孔位安装在打印装备的运动装置上。打印装备的运动装置可带动打印头实现打印成形的三维运动。
在本实施方式中，送丝模块0300、剪断模块0500及喷嘴模块1000的动力电机均安装在固定支架0200顶部孔位一侧，连续纤维增强热塑性树脂基预浸复合丝材0100在打印头另一侧自上而下同轴贯穿送进打印。上导向管0400、下导向管0600、喉管0800均通过螺纹同轴安装在固定支架0200上，且流道内径比预浸丝材0100直径大0.5~0.8mm，且与主喷嘴1003孔径一致。半包式的下导向管0600一端为半球状缺口，当剪断模块0500进行切断作业时，切刀片0504可从下导向管0600缺口处贴合切入至下导向管0600内壁；散热套管0700通过螺纹安装在喉管0800上端；加热线圈0900安装在喉管0800下端。
所述的送丝模块0300由送进电机0301、啮合齿轮0302、U型槽轴承0303、固定螺栓0304和固定螺母0305构成，U型槽轴承0303通过固定螺栓0304搭配固定螺母0305安装在支架0200上部的调节槽内，调节槽及固定螺栓0304头部标有刻度记号，可调节U型槽轴承0303与啮合齿轮0302的间隙，以配合预浸复合丝材0100不同直径规格或满足对丝材0100不同的夹紧送进状态要求。啮合齿轮0302旋转配合U型槽轴承0303导向实现预浸复合丝材0100的送进。剪断模块0500主要由剪断电机0501、凸轮0502、推刀架0503、切刀片0504、复位弹簧0505和轨道套筒架0506构成，切刀片0504通过螺钉固定在推刀架0503上，套过复位弹簧0505，送入轨道套筒架0506的套筒中组成剪切组件，其中轨道套筒架0506套筒一侧孔径大于另一侧，复位弹簧0505限位于小孔径一侧，凸轮0502通过键固定在剪断电机0501轴上，凸轮0502配合复位弹簧0505在剪断电机0501带动下往复推动推刀架0503带动切刀片0504实现水平向的切断操作。喷嘴模块1000主要由旋转电机1001、喷嘴托板1002以及若干喷嘴1003构成，喷嘴托板1002垂直于喉管0800，通过键与旋转电机1001安装配合在一起；若干喷嘴1003通过螺纹安装在喷嘴托板1002上，喷嘴1003均分在以旋转电机1001转轴为圆心，转轴中心至喉管0800中心距离为半径的圆弧上；旋转电机1001带动喷嘴托板1002旋转既定角度，可切换目标喷嘴1003位置至喉管0800下方，且与喉管0800同轴，完成打印头喷嘴1003的替换。喷嘴托板1002上下两面的平面度≤0.1mm；所用喷嘴1003高度向尺寸规格严格一致，孔径尺寸规格视实际需求而定，可一致或不一致，安装后喷嘴1003尖端共面，且平行于喷嘴托板1002底面。喷嘴托板1002上喷嘴1003的螺纹孔位有7个，每隔40°均布。喷嘴1003包括主喷嘴和副喷嘴，其中副喷嘴有备用喷嘴和他用喷嘴两种类型。备用喷嘴与主喷嘴规格一致，用于因主喷嘴磨损替换；他用喷嘴内径规格大于主喷嘴，用于因打印中换用其他规格预浸丝材0100替换。
在具体使用时主要有两种情形。一是，打印中遇到跳线位置，执行预定的暂停及剪断指令，打印头三维打印运动及送丝模块0300停止工作，剪断模块0500完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，送丝模块0300恢复送进丝材0100直至丝材0100穿出喷嘴1003的10mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块0300协同恢复，继续打印操作。二是，打印中需更换喷嘴1003时，执行预定的暂停、剪断及更换喷嘴1003指令，打印头三维打印运动及送丝模块0300停止工作，剪断模块0500完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，喷嘴模块1000工作，喷嘴1003更换完成后，送丝模块0300恢复送进丝材0100直至丝材0100穿出喷嘴1003的10mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块0300协同恢复，继续打印操作。
实施例二
本实施例为使用实施例连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头的打印方法一个具体应用案例，用以打印出连续纤维增强热塑性复合材料预浸丝材。
1）目标制件定为400mm×360mm×40mm的立方体，依据目标制件成形要求，选择确定预浸复合丝材规格为（SCF+PLA）/CCF（基体是添加质量分数为5%短碳纤维的PLA，增强体为1K连续碳纤维），丝材直径为0.8mm，纤维总体质量分数约为32%；
2）将目标制件三维模型导入开源打印切片软件Repetier-Host，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度打印基础工艺参数，喷嘴直径1.4mm、打印速度5mm/s、层厚0.5mm、道间距为1.2mm、喷嘴温度215℃、打印平台温度60℃，形成制件基础打印成形数据G代码，打印时间约为22.3天；
3）分析G代码中各跳线位置，该模型无需跳线，结合打印时间、喷嘴1003耐磨寿命和预浸丝材0100更换需求，需每隔3天更换喷嘴，提前120mm代码，共加入7次暂停、剪断及更换喷嘴1003指令，更新G代码；喷嘴托板1002安装1个主喷嘴和6个备用喷嘴，共7个喷嘴1003。
4）将预浸丝材0100穿入打印头直至穿出喷嘴1003的10mm，依据预浸丝0100直径调整调节槽内固定螺栓0304固定位置至调节槽的对应刻度位置；
5）读取G代码，加热线圈0900加热至设定打印温度，送丝模块0300依据打印速度送丝，目标制件按照G代码开始层层堆叠打印，共80层。
6）打印中需更换喷嘴1003时，执行预定的暂停、剪断及更换喷嘴1003指令，打印头三维打印运动及送丝模块0300停止工作，剪断模块0500完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，喷嘴模块1000工作，喷嘴1003更换完成后，送丝模块0300恢复送进丝材0100直至丝材0100穿出喷嘴1003的10mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块0300协同恢复，继续打印操作；
7）在层层叠加的过程中，遇到更换喷嘴1003动作，参考步骤7），直到完成目标制件80层最终制造。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，其特征在于：包括固定支架（0200）、位于结构上部的送丝模块（0300）、上导向管（0400）、位于结构中部的剪断模块（0500）、下导向管（0600）、散热套管（0700）、喉管（0800）、加热线圈（0900）以及位于结构底部的喷嘴模块（1000）；其中预浸复合丝材（0100）在打印头另一侧自上而下同轴贯穿送进打印；上导向管（0400）、下导向管（0600）、喉管（0800）均通过螺纹安装在固定支架（0200）上，其中半包式的下导向管（0600）一端为半球状缺口，当剪断模块（0500）进行切断作业时，切刀片（0504）可从下导向管（0600）缺口处贴合切入至下导向管（0600）内壁；散热套管（0700）通过螺纹安装在喉管（0800）上端；加热线圈（0900）安装在喉管（0800）下端；剪断模块（0500）包括剪断电机（0501）、凸轮（0502）、推刀架（0503）、切刀片（0504）、复位弹簧（0505）和轨道套筒架（0506）；所述切刀片（0504）通过螺钉固定在推刀架（0503）上，复位弹簧（0505）套设在所述推刀架（0503）上；其中切刀片（0504）的一端送入轨道套筒架（0506）的内腔，其中轨道套筒架（0506）套筒一侧孔径大于另一侧，其中复位弹簧（0505）限位于小孔径一侧；凸轮（0502）通过键固定在剪断电机（0501）轴上，凸轮（0502）配合复位弹簧（0505）在剪断电机（0501）带动下往复推动推刀架（0503）带动切刀片（0504）实现水平向的切断操作。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，其特征在于，送丝模块（0300）包括送进电机（0301）、啮合齿轮（0302）、U型槽轴承（0303）、固定螺栓（0304）和固定螺母（0305）；所述U型槽轴承（0303）通过固定螺栓（0304）搭配固定螺母（0305）安装在固定支架（0200）上部的调节槽内，可调节U型槽轴承（0303）与啮合齿轮（0302）的间隙，以配合预浸复合丝材（0100）不同直径规格或满足对预浸复合丝材（0100）不同的夹紧送进状态要求。
3.根据权利要求1所述的一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，其特征在于，喷嘴模块（1000）包括旋转电机（1001）、喷嘴托板（1002）以及若干喷嘴（1003）；所述喷嘴托板（1002）垂直于喉管（0800），通过键与旋转电机（1001）安装配合在一起；若干个喷嘴（1003）通过螺纹安装在喷嘴托板（1002）上，以旋转电机（1001）的转轴为圆心，转轴中心至喉管（0800）中心距离为半径的圆弧上均分布置喷嘴（1003）。
4.根据权利要求3所述的一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，其特征在于，所述旋转电机（1001）带动喷嘴托板（1002）旋转既定角度，可切换目标喷嘴（1003）位置至喉管（0800）下方，且与喉管（0800）同轴，完成打印头喷嘴（1003）的替换；所述喷嘴（1003）包括主喷嘴和副喷嘴，其中副喷嘴有备用喷嘴和他用喷嘴两种类型；备用喷嘴与主喷嘴规格一致，用于因主喷嘴磨损替换；他用喷嘴内径规格大于主喷嘴，用于因打印中换用其他规格预浸复合丝材（0100）替换；喷嘴托板（1002）上、下两面的平面度≤0.1mm；喷嘴托板（1002）上用于安装喷嘴（1003）的螺纹孔位设有3~9个，螺纹孔位均为每隔固定角度均布；所用喷嘴（1003）高度和尺寸规格一致，安装后各喷嘴（1003）尖端共面，且平行于喷嘴托板（1002）底面。
5.根据权利要求2所述的一种用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头，其特征在于，调节槽及固定螺栓（0304）头部标有刻度记号。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）依据目标制件成形要求，选择预浸复合丝材（0100）规格；
2）将目标制件三维模型导入开源打印切片软件，进行分层离散切片、路径规划、设定打印速度及基础打印工艺参数，得到制件基础打印成形数据G代码及预估打印时间；
3）分析G代码中各跳线位置，提前20mm，加入暂停及剪断指令，结合打印时间、喷嘴（1003）耐磨寿命和预浸复合丝材（0100）更换需求，提前10mm，加入暂停、剪断及更换喷嘴（1003）指令，更新G代码；
4）将预浸复合丝材（0100）穿入打印头直至穿出喷嘴（1003）的10~15mm，依据预浸复合丝材（0100）直径调整调节槽内固定螺栓（0304）固定位置，选择预浸复合丝材（0100）适合的送进夹紧状态；
5）读取G代码，加热线圈（0900）加热至设定打印温度，送丝模块（0300）依据打印速度送丝，目标制件按照G代码开始层层堆叠打印；
6）打印中遇到跳线位置，执行预定的暂停及剪断指令，打印头三维打印运动及送丝模块（0300）停止工作，剪断模块（0500）完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，送丝模块（0300）恢复送进预浸复合丝材（0100）直至预浸复合丝材（0100）穿出喷嘴（1003）10~15mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块（0300）协同恢复，继续打印操作；
7）打印中需更换喷嘴（1003）时，执行预定的暂停、剪断及更换喷嘴（1003）指令，打印头三维打印运动及送丝模块（0300）停止工作，剪断模块（0500）完成剪断后，打印头三维打印运动恢复，直至打印头内剪断的余丝被动出丝用尽，再次停止并沿打印Z向提升15mm，喷嘴模块（1000）工作，喷嘴（1003）更换完成后，送丝模块（0300）恢复送进预浸复合丝材（0100）直至预浸复合丝材（0100）穿出喷嘴（1003）10~15mm，打印头Z向下降15mm，打印头三维打印运动与送丝模块（0300）协同恢复，继续打印操作；
8）在层层叠加的过程中，遇到跳线位置及更换喷嘴（1003）动作，参考步骤6）、7），直到完成目标制件最终制造。
7.根据权利要求6所述的用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头的打印方法，其特征在于，步骤1）中，预浸复合丝材（0100）规格包括树脂基体种类、增强纤维种类、丝材直径、增强纤维体积分数；步骤2）中的打印基础工艺参数包括成形道间距、层厚、打印温度、平台温度。
8.根据权利要求6所述的用于连续纤维增强复合材料增材制造的可换喷嘴打印头的打印方法，其特征在于，步骤7）更换喷嘴（1003）操作，可以协同更换不同材质规格预浸复合丝材（0100），基于增材制造成形机理，实现异质多层打印成形。
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