CN114986889A - 一种3d打印集成喷头及一种3d打印设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种3D打印集成喷头及一种3D打印设备。一种3D打印集成喷头，包括送丝组件、支架以及安装在所述支架上的喷嘴，所述喷嘴的进料端与所述送丝组件连接，所述支架的两侧还分别设有激光器和剪切机构，所述激光器的输出端和所述剪切机构的输出端分别位于所述喷嘴出料端的两侧；还提供一种3D打印设备，包括上述的3D打印集成喷头。本发明能够在需要断点的位置针对任何树脂基体下的预浸渍丝束均能够有效迅速剪切，并且最大程度兼容树脂基体种类，通过预浸丝送丝实现切割后纤维长度的实时有效控制，同时具备接触式和无接触式不同的特点优势，使得打印获得更合适的路径规划和更高的成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种3D打印集成喷头及一种3D打印设备。
背景技术
目前，将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料成为了一种新兴的复合材料制造工艺，相比于传统的成形工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂结构零件的一体化成形，无需模具与复合材料连接工艺，为轻质复杂材料结构的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。
现有的一些连续碳纤维打印通过将纤维线材与热塑性基质材料混合后一起挤出，由于连续碳纤维是连续不断的长丝，在打印过程中，丝材铺放路径将与打印头移动路径一致。但是在实际打印过程中，绝大多数所打印的零件无法实现碳纤维丝连续铺放不间断打印出零件，不可避免的需要出现打印过程中跳点打印，若此过程中连续纤维不断，会影响所打印零件的质量，或在打印过程中出现与所需零件不符的部分。连续纤维的过程中剪断又常分为内部剪断和外部剪断两种，内部剪断则是指剪断装置位于纤维从喷嘴挤出之前的位置，外部剪断则是指剪断机构作用于喷嘴与打印平台之间。采用内部剪切，容易因树脂加热后纤维管壁的残留而造成输出堵塞，从而避免了纤维挤出的实时性和有效性。而采用外部剪切的方式，则能够有效避免因树脂残留而形成的堵塞，但同时也肯能会在打印零件断点位置和打印喷嘴处留有一段纤维丝。目前技术手段公开了一种带自剪断功能的连续纤维3D打印机喷头，其包括一上顶板、和与其相对设置的下顶板；二个或二个以上的导杆，每个导杆的两端分别固定连接于上顶板和下顶板处，每个导杆靠近上顶板处设置有压簧；一散热管固定座，为至少具有一顶面板和一底面板的框架结构，相对设置的顶面板和底面板之间的间距固定、且均垂直套装在导杆上；顶面板位于上顶板和压簧之间，底面板位于下顶板的上方；一喷头组件，包括散热管和与其连通的喷头，散热管的顶部固定于散热管固定座的顶面板，喷头位于散热管固定座的下方；一凸轮轴，其轴体横穿散热管固定座的内部空间，其两端分别安装在下顶板的上方；一切断片，为片状结构，其通过连接件固连于凸轮轴的另一端。其就是通过外部凸轮轴带动切断片进行外部剪切的方式在跳点打印时进行剪切；但是其仅是通过切断片机械剪切的方式，在剪切位置可能会有较多的残余纤维丝，并且针对抗剪切性能较好的树脂，剪切效果不佳。
发明内容
本发明为克服上述背景技术中所述的仅是通过切断片机械剪切的方式，在剪切位置可能会有较多的残余纤维丝，并且针对抗剪切性能较好的树脂，剪切效果不佳的问题，提供一种3D打印集成喷头及一种3D打印设备。本发明对于抗剪切性能好或者耐高温的纤维均能灵活剪切，并且剪切效果更好。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种3D打印集成喷头，包括送丝组件、支架以及安装在所述支架上的喷嘴，所述喷嘴的进料端与所述送丝组件连接，所述支架的两侧还分别设有激光器和剪切机构，所述激光器的输出端和所述剪切机构的输出端分别位于所述喷嘴出料端的两侧。
进一步的，所述剪切机构包括气动剪刀以及带动所述气动剪刀靠近或者远离所述喷嘴的驱动装置，所述气动剪刀包括固定刀体和活动刀头，所述固定刀体与所述驱动装置连接，所述活动刀头位于所述喷嘴的一侧。
作为一种优选方案，所述驱动装置包括电机、传动齿轮以及传动齿条，所述电机固定在所述支架上，所述传动齿轮固定套设在所述电机的输出轴上，所述传动齿条的一端与所述传动齿轮啮合，另一端与所述固定刀体固定连接，所述支架在所述固定刀体对应位置还设有滑轨，所述固定刀体与所述滑轨滑动连接。
作为另一种优选方案，所述驱动装置为伸缩气缸，所述伸缩气缸的缸体固定在所述支架上，所述伸缩气缸的伸缩杆与所述固定刀体连接。
进一步的，所述送丝组件包括加热块以及分别连接在所述加热块上的纤维输入端头和散热模块，所述纤维输入端头的上方设有2个用于将连续纤维预浸丝送入所述纤维输入端头中的进给轮，2个所述进给轮相对且间隔设置，所述散热模块的内部设有树脂基体输入通道，所述加热块的出料端与所述喷嘴的进料端连接。
进一步的，所述加热块上设有温度传感器。
进一步的，所述纤维输入端头与所述加热块螺纹连接。
进一步的，所述滑轨靠近所述还设有用于防止所述固定刀体超程的限位结构。
优选的，所述激光器为光纤激光切割器。
还提供一种3D打印设备，包括上述的3D打印集成喷头。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明在连续纤维3D打印喷头前端集成了一定功率的用于树脂基体熔断的激光器以及用于纤维机械剪切的剪切机构，两个机构协同剪切主要为了实现断点位置原位剪切/接近原位剪切的结构设计，实现在需要断点的位置针对任何树脂基体下的预浸渍丝束均能够有效迅速剪切；并且最大程度兼容树脂基体种类，通过预浸丝送丝实现切割后纤维长度的实时有效控制，同时具备接触式和无接触式不同的特点优势，使得打印获得更合适的路径规划和更高的成形质量。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图。
图2是实施例1在剪切时的结构示意图。
图3是实施例1中剪切机构与激光器在支架上的设置示意图。
图4是实施例1中支架的示意图。
图5是实施例1中剪切机构与激光器配合剪切时的示意图。
图6是实施例1中连续纤维复合丝材在复合剪切时的流程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1和图2所示，为一种3D打印集成喷头，用于3D打印设备，其包括送丝组件1、支架2以及安装在支架2上的喷嘴3，喷嘴3的进料端与送丝组件1连接，支架2的两侧还分别设有激光器4和剪切机构5，激光器4的输出端和剪切机构5的输出端分别位于喷嘴3出料端的两侧。本实施例采用复合的剪切机构5，剪切机构5能够实现机械剪切，激光器4可以直接发射激光以针对抗剪切性能较好的树脂进行无接触式激光切割，使得该喷头具备机械剪切功能的同时也具备激光切割的功能，剪切效果更好；其中激光剪切对树脂基体的无接触式切割有效避免剪刀的剪切失误率，激光剪切配合机械剪刀对纤维的接触式剪切实现了复合材料实时分材料处理的协同剪切，对于保证剪切成功率意义重大。本实施例在实际使用时能够针对不同材质的打印原料灵活选择剪切的方式，最大程度兼容树脂基体种类，通过预浸丝送丝实现切割后纤维长度的实时有效控制，保证高的成形质量。
如图3和图4所示，剪切机构5包括气动剪刀以及带动气动剪刀靠近或者远离喷嘴3的驱动装置，气动剪刀包括固定刀体51和活动刀头52，固定刀体51与驱动装置连接，活动刀头52位于喷嘴3的一侧；驱动装置是在需要机械剪切时推动气动剪刀到达剪切位置，剪切完成或者不需要剪切时，带动气动剪刀回退至初始位置，对喷头的打印不会产生干涉。驱动装置可以有很多种，本实施例采用的是电机53驱动的方式进行驱动，驱动装置包括电机53、传动齿轮54以及传动齿条55，电机53固定在支架2上，传动齿轮54固定套设在电机53的输出轴上，传动齿条55的一端与传动齿轮54啮合，另一端与固定刀体51固定连接，支架2在固定刀体51对应位置还设有滑轨21，固定刀体51与滑轨21滑动连接；滑轨21靠近还设有用于防止固定刀体51超程的限位结构；这样，支架2为多段折弯形结构，电机53安装在对应的电机53安装位22中，电机53的输出轴上设置该传动齿轮54，传动齿轮54与传动齿条55啮合，传动齿条55的另一端与固定刀体51粘接或者卡接，固定刀体51的底部设置与滑轨21配合使用的滑动槽；在电机53的转动带动下，能够通过传动齿轮54和传动齿条55的传动作用，带动整个气动剪刀沿着滑轨21远离或者靠近该剪切位置，即当需要剪切时，电机53正转，带动气动剪刀到达剪切位置，剪切完毕时，电机53反转，带动气动剪刀沿着滑轨21退回初始位置，等待下一次剪切。
本实施例中的送丝组件1包括加热块11以及分别连接在加热块11上的纤维输入端头12和散热模块13，纤维输入端头12的上方设有2个用于将连续纤维预浸丝10送入纤维输入端头12中的进给轮14，2个进给轮14相对且间隔设置，散热模块13的内部设有树脂基体输入通道20，加热块11的出料端与喷嘴3的进料端连接；加热块11上设有温度传感器；纤维输入端头12与加热块11螺纹连接；本实施例还包括用于带动支架2升降的升降驱动组件，升降驱动组件与支架2连接；本实施例中，激光器4为光纤激光切割器。以连续纤维预浸丝10和树脂基体作为基本原材料为例，连续纤维预浸丝10为连续纤维和少量树脂预浸渍后形成的具有一定刚度的丝材，连续纤维预浸丝10通过2个对向旋转的纤维进给轮14依次送入纤维输入端头12和加热块11，纤维输入端和加热块11通过螺纹连接的方式连接在一起。2个进给轮14在转动时相向转动，2个进给轮14之间存在一个间距，该间距刚好与连续纤维预浸丝10的外径相匹配，以使得进给轮14的转动能够带动连续纤维预浸丝10先进入到纤维输入端头12，再进入到加热块11中。
本实施例中，喷嘴3以及其上方的加热块11安装在支架2的中部，激光器4位于支架2的一侧，气动剪刀位于支架2的另一侧，整个集成喷头装置通过支架2上连接的升降驱动组件控制其升降，在正常打印时伸出，在需要剪切时带动整个喷头装置上升一定高度，使其与产品之间存在一段距离；可以采用气缸伸缩推动的方式或者电机53驱动联动的方式控制支架2的升降，以防止其在剪切过程中气动剪刀与产品之间产生干涉。加热块11上方有两个进料通道，一个为纤维输入端头12、另一个为树脂基体输入通道20，在连续打印过程中，连续纤维预浸丝10为连续纤维和少量树脂预浸渍后形成的具有一定刚度的丝材，连续纤维预浸丝10通过两个对向旋转的纤维进给轮14送入纤维输入端头12后再进入到加热块11中，纤维输入端和加热块11通过螺纹配合连接在一起。树脂基体同样通过外部进给通过散热模块13内部的树脂基体输入通道20进入加热块11中。加热块11上依据工艺要求集成有电阻加热丝等加热热源和必要的温度传感装置，连续纤维预浸丝10和树脂基体从进入加热块11开始，树脂即迅速在高温下发生熔融，两种材质从而复合在一起，并通过喷嘴3挤出具有较多树脂的连续纤维复合丝材30，并按照规划路径逐层叠加打印，进行三维实体的成形。这是正常打印的动作流程，当打印时出现必要跳转而不得已进行纤维的剪断时，整个集成装置中升降驱动组件带动喷嘴3升起，为连续纤维复合丝材30的剪断提供高度空间。参考图5和图6，在拟剪切位40置处，首先激光器4于喷嘴3的一侧进行激光的发射，激光用于将连续纤维复合丝材30上的树脂在拟剪切位40置处进行高效烧熔，使得连续纤维复合丝材30内部的连续纤维最大程度暴露出来，如图6-b所示，而后气动剪刀在伸缩气缸一定推动力的作用下运动至剪切位，将纤维剪断，实现连续纤维复合丝材30在指定位置的有效剪断，如图6-c所示。断丝完成后伸缩气缸带动气动剪刀的回收，之后整个集成喷头装置运动到下一个打印点，喷嘴3处残留伸出的一段丝材为新打印点的起点丝材，进行后续的打印。最终实现打印断点续接的剪切位置基本保持一致，以保证在断点和续点位置的打印质量，同时又无需打印机控制部分进行多余的计算，从而降低软件控制要求。
本实施例在连续纤维3D打印喷头前端集成了一定功率的用于树脂基体熔断的激光器4，及用于纤维机械剪切的剪切机构5，该协同剪切机构5主要为了实现断点位置原位剪切/接近原位剪切的结构设计，实现在需要断点的位置针对任何树脂基体下的预浸渍丝束都能够有效迅速剪切；首先定向针对抗剪切性能较好的树脂进行无接触式激光切割，而后针对抗剪切性能较差但耐激光高温的纤维采用接触式机械剪刀切割形成总体切割方案，最大程度兼容树脂基体种类，通过预浸丝送丝实现切割后纤维长度的实时有效控制，同时具备接触式和无接触式不同的特点优势，使得打印获得更合适的路径规划和更高的成形质量。
实施例2
本实施例与实施例1类似，其不同之处在于：
在本实施例中，驱动装置为伸缩气缸，伸缩气缸的缸体固定在支架2上，伸缩气缸的伸缩杆与固定刀体51连接。即在打印过程中，伸缩气缸的伸缩杆呈回缩状态，喷头正常挤出连续纤维复合丝材30，气动剪刀的活动刀头52一端离喷头的挤出位置还具有一定的距离；而当出现必要跳转而不得已进行纤维的剪断时，整个集成喷头会先升起一定距离，为连续纤维复合丝材30的间断提供高度空间，伸缩气缸推动整个气动剪刀往连续纤维复合丝材30前进到达拟剪切位40置，然后气动剪刀动作将连续纤维复合丝材30剪断，剪切完成后，伸缩气缸复位；使得整个正常打印和剪切的过程不会发生干涉。
实施例3
本实施例提供一种3D打印设备，包括实施例1中的3D打印集成喷头。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印集成喷头，包括送丝组件(1)、支架(2)以及安装在所述支架(2)上的喷嘴(3)，所述喷嘴(3)的进料端与所述送丝组件(1)连接，其特征在于，所述支架(2)的两侧还分别设有激光器(4)和剪切机构(5)，所述激光器(4)的输出端和所述剪切机构(5)的输出端分别位于所述喷嘴(3)出料端的两侧。
2.根据权利要求1所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述剪切机构(5)包括气动剪刀以及带动所述气动剪刀靠近或者远离所述喷嘴(3)的驱动装置，所述气动剪刀包括固定刀体(51)和活动刀头(52)，所述固定刀体(51)与所述驱动装置连接，所述活动刀头(52)位于所述喷嘴(3)的一侧。
3.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述驱动装置包括电机(53)、传动齿轮(54)以及传动齿条(55)，所述电机(53)固定在所述支架(2)上，所述传动齿轮(54)固定套设在所述电机(53)的输出轴上，所述传动齿条(55)的一端与所述传动齿轮(54)啮合，另一端与所述固定刀体(51)固定连接，所述支架(2)在所述固定刀体(51)对应位置还设有滑轨(21)，所述固定刀体(51)与所述滑轨(21)滑动连接。
4.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述驱动装置包括伸缩气缸，所述伸缩气缸的缸体固定在所述支架(2)上，所述伸缩气缸的伸缩杆与所述固定刀体(51)连接。
5.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述送丝组件(1)包括加热块(11)以及分别连接在所述加热块(11)上的纤维输入端头(12)和散热模块(13)，所述纤维输入端头(12)的上方设有2个用于将连续纤维预浸丝(10)送入所述纤维输入端头(12)中的进给轮(14)，2个所述进给轮(14)相对且间隔设置，所述散热模块(13)的内部设有树脂基体输入通道(20)(15)，所述加热块(11)的出料端与所述喷嘴(3)的进料端连接。
6.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述加热块(11)上设有温度传感器。
7.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述纤维输入端头(12)与所述加热块(11)螺纹连接。
8.根据权利要求3所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述滑轨(21)靠近所述还设有用于防止所述固定刀体(51)超程的限位结构。
9.根据权利要求2所述的3D打印集成喷头，其特征在于，所述激光器(4)为光纤激光切割器。
10.一种3D打印设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的3D打印集成喷头。
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