CN115489114A - 连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法，在超声打印头上设置丝料通道，通过该超声打印头对材料缸内的液态固化材料进行超声固化打印，打印时，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，连续纤维丝与该焦点平面处的液态固化材料一同固化，形成连续纤维增强复合材料。本发明还提供了一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造装置。本发明能够实现连续纤维增强复合材料的超声增材制造。

Description

连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法及装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法及装置。
背景技术
近年来，利用3D打印技术制造连续纤维增强复合材料的工艺逐渐成熟。当前的连续纤维复合材料打印工艺分为两种，一种是将纤维和树脂在打印喷嘴处融合并直接挤出，另一种是先将纤维和树脂结合制成预浸带，再利用3D打印的方式制备成型。
尽管有上述方法，仍需要提供一种更先进的连续纤维增强体的3D打印技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法及装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法，在超声打印头上设置丝料通道，通过该超声打印头对材料缸内的液态固化材料进行超声固化打印，打印时，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，连续纤维丝与该焦点平面处的液态固化材料一同固化，形成连续纤维增强复合材料。
可选地，所述超声固化打印的步骤包括：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料中；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头运动，形成单层实体；
单层打印完后，支撑台板下降层厚距离，重复打印过程，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
可选地，所述超声固化打印的步骤包括：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料中；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头沿支撑台板上方三维空间中的任意方向打印，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
进一步地，所述超声固化打印的步骤还包括：实时监测材料缸的液面高度，当液面高度低于设定值时，向材料缸中补充液态固化材料。
进一步地，所述液态固化材料为可通过超声固化成型的热固性树脂或热固性橡胶，在常温下呈液态
进一步地，所述液态固化材料为可通过超声固化成型的热塑性树脂或热塑性橡胶，在常温下呈液态。
一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造装置，包括材料缸、支撑台板、超声打印头、升降运动模组及三维运动模组；
所述材料缸内部盛放有液态固化材料，所述支撑台板竖向升降地设置在所述材料缸的内部，所述超声打印头活动设置在所述材料缸的上方，所述升降运动模组用于驱动所述支撑台板在所述材料缸内升降运动，所述超声打印头能够发出超声波束，使得所述材料缸内的液态固化材料在超声波束的焦点平面处被固化，并沉积在所述支撑台板上，所述三维运动模组用于驱动所述超声打印头相对于所述支撑台板在XYZ及其复合方向上运动；
所述超声打印头上设置有丝料通道，所述超声增材制造装置还包括送丝机构，所述送丝机构用于驱动连续纤维丝通过所述超声打印头的丝料通道，进入所述超声波束的焦点平面处的液态固化材料中。
进一步地，所述三维运动模组为六轴机械臂，所述超声打印头设置在所述六轴机械臂的活动端。
进一步地，所述送丝机构包括驱动滚轮组和丝料盘，所述连续纤维丝卷绕在所述丝料盘上，并通过所述驱动滚轮组伸入到所述超声打印头的丝料通道。
进一步地，所述超声打印头的丝料通道的末端设置有剪切机构。
应用本发明的技术方案，超声打印头上设置有丝料通道，在超声打印头对材料缸内的液态固化材料进行超声固化打印时，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，使得连续纤维丝与超声波束的焦点平面处的液态固化材料一同固化，从而实现连续纤维增强复合材料的超声增材制造。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法的流程图；
图2为一实施例的超声固化打印的步骤图；
图3为另一实施例的超声固化打印的步骤图；
图4为本发明连续纤维增强复合材料的超声增材制造装置的结构示意图；
其中：
1-材料缸；2-支撑台板；3-超声打印头；4-液态固化材料；5-连续纤维丝；6-驱动滚轮组； 7-丝料盘；8-部件。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1所示，一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法，在超声打印头上设置丝料通道，通过该超声打印头对材料缸内的液态固化材料进行超声固化打印，打印时，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，连续纤维丝与该焦点平面处的液态固化材料一同固化，形成连续纤维增强复合材料。
本实施例中，超声打印头通过压电效应将电能转换为高频机械振动对液态固化材料进行作用，可使材料内部产生空化效应及热效应，促使材料固化。
在实际应用中，超声打印头包括超声波换能器和超声波导出装置，超声波换能器与外部的超声波发生器电连接，超声波发生器与电源连接，电源输出到超声波发生器，超声波发生器把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，超声波换能器将高频电能换成机械能，即是超声波，然后超声波导出装置输出超声波束，其中超声波换能器控制超声波束的声速锥面直径，超声波导出装置控制超声波束前进方向与范围，材料缸内的可被超声波固化的材料在超声波束的焦点平面处被固化，根据目标模型的参数控制超声打印头的移动，实现超声打印。
本实施例中，液态固化材料包括但不限于热固性及热塑性树脂、热固性及热塑性橡胶等在超声作用下可实现固化的材料。
在实际应用中，可选用的热固性的液态材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、聚酯树脂，乙烯基酯、树脂基金属复合材料或树脂基纤维复合材料。
本实施例中，连续纤维丝可以是氧化铝，碳化硅，氮化硅等陶瓷纤维，也可以是聚对苯二甲酰对苯二胺，聚酰胺，聚丙烯腈，聚乙烯醇缩甲醛，聚丙烯，聚酯等聚合物纤维，还可以是碳纤维、石墨纤维，玻璃纤维，硼纤维，金属丝之类的单一纤维或多种连续纤维的组合。
本方法基于超声打印实现，在超声打印头上设置丝料通道，超声打印过程中，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，使得连续纤维丝与超声波束的焦点平面处的液态固化材料一同固化，从而实现连续纤维增强复合材料的超声增材制造。
本方法相对于传统的熔融沉积成型(FDM)的方法，打印头只需输送连续纤维丝，不需要将连续纤维和树脂丝材熔化混合，也就不存在树脂和纤维无法充分浸润、打印喷头容易堵塞等问题，具有设备结构简单、打印成本的优点。
实施例2：
如图2所示，实施例2为实施例1的超声固化打印的一种具体方法，包括以下步骤：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料内；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头运动，形成单层实体；
单层打印完后，支撑台板下降层厚距离，重复打印过程，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
实施例3：
如图3所示，实施例3为实施例1的超声固化打印的另一种方法，包括以下步骤：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料内；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头沿支撑台板上方三维空间中的任意方向打印，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
本实施例，超声打印头可夹持于六轴机械臂等多轴移动平台上，进而完成XYZ及其复合方向的运动，区别于实施例2的传统3D打印的层层制造方式，该方法超声打印头可沿着空间轨迹运动，形成空间形状的复合丝材，实现纤维增强复合材料的立体增材制造，可直接打印立体形状，突破纤维增强材料的3D打印技术局限，打印技术更灵活，成本更低。
实施例4：
如图4所示，为实现实施例1的方法，实施例4提供一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造装置，包括材料缸1、支撑台板2、超声打印头3、送丝机构、升降运动模组及三维运动模组。
材料缸1内部盛放有液态固化材料4，支撑台板2用于支撑要打印的部件8，通过升降运动模组竖向升降地设置在材料缸1的内部，超声打印头3通过三维运动模组活动设置在材料缸1的上方，超声打印头3上设置有丝料通道，送丝机构包括驱动滚轮组6和丝料盘7，连续纤维丝5卷绕于丝料盘7上，通过驱动滚轮组6伸入到超声打印头3的丝料通道中。
超声打印头3发出的超声波束，可使得材料缸1内的液态固化材料4在超声波束的焦点平面处被固化，并沉积在支撑台板2上。
在超声打印头3工作时，驱动滚轮组6驱动连续纤维丝5以选定的进给速率通过超声打印头3的丝料通道，并进入到超声波束的焦点平面处的液态固化材料4中，如此，连续纤维丝5与焦点平面处的液态固化材料4一同固化，形成连续纤维增强复合材料。
三维运动模组可选用六轴机械臂，从而可以驱动超声打印头3相对于支撑台板2在XYZ 及其复合方向上运动，使得超声打印头3可沿支撑台板2上方三维空间中的任意方向打印，这样，超声打印头3既可在与支撑台板2平行的平面逐层堆积成型，也可与支撑台板2平面成一定角度的方向快速成型。
超声打印头3的丝料通道的末端可以设置剪切机构，打印完成后，将连续纤维丝5剪断。
使用时，通过Cura、3DPrinterOS等软件分析目标模型，生成打印路径，将液态固化材料4添加至材料缸1中，将支撑台板2浸入材料缸1的液态固化材料4内，六轴机械臂带动超声打印头3移动到打印起点位置，驱动滚轮组6将连续纤维丝5以选定的进给速率送入到液态固化材料4内，启动超声打印头5，超声波束的焦点平面处的液态固化材料4和连续纤维丝5一同固化沉积在支撑台板2上，超声打印头5按照生成的打印路径运动，直至目标模型成型为具有三维实体的部件8，打印完成后，关闭超声打印头5，剪断连续纤维丝5，将支撑台板2移出材料缸1，取下部件8。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造方法，其特征在于：在超声打印头上设置丝料通道，通过该超声打印头对材料缸内的液态固化材料进行超声固化打印，打印时，通过送丝机构将连续纤维丝穿过超声打印头的丝料通道，送入到超声打印头发出的超声波束的焦点平面处的液态固化材料中，连续纤维丝与该焦点平面处的液态固化材料一同固化，形成连续纤维增强复合材料。
2.根据权利要求1所述的超声增材制造方法，其特征在于：所述超声固化打印的步骤包括：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料中；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头运动，形成单层实体；
单层打印完后，支撑台板下降层厚距离，重复打印过程，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
3.根据权利要求1所述的超声增材制造方法，其特征在于：所述超声固化打印的步骤包括：
根据目标模型生成打印路径；
将液态固化材料添加至材料缸中；
将支撑台板浸入材料缸的液态固化材料内；
超声打印头移动到材料缸上方的打印起点位置；
启动送丝机构，将连续纤维丝以选定的进给速率送入到液态固化材料中；
启动超声打印头，超声波束的焦点平面处的液态固化材料和连续纤维丝一同固化沉积在支撑台板上；
按照生成的打印路径带动超声打印头沿支撑台板上方三维空间中的任意方向打印，直至目标模型成型为具有三维实体的成品。
4.根据权利要求2或3所述的超声增材制造方法，其特征在于：所述超声固化打印的步骤还包括：实时监测材料缸的液面高度，当液面高度低于设定值时，向材料缸中补充液态固化材料。
5.根据权利要求4所述的超声增材制造方法，其特征在于：所述液态固化材料为可通过超声固化成型的热固性树脂或热固性橡胶。
6.根据权利要求4所述的超声增材制造方法，其特征在于：所述液态固化材料为可通过超声固化成型的热塑性树脂或热塑性橡胶。
7.一种连续纤维增强复合材料的超声增材制造装置，包括材料缸、支撑台板、超声打印头、升降运动模组及三维运动模组；
所述材料缸内部盛放有液态固化材料，所述支撑台板竖向升降地设置在所述材料缸的内部，所述超声打印头活动设置在所述材料缸的上方，所述升降运动模组用于驱动所述支撑台板在所述材料缸内升降运动，所述超声打印头能够发出超声波束，使得所述材料缸内的液态固化材料在超声波束的焦点平面处被固化，并沉积在所述支撑台板上，所述三维运动模组用于驱动所述超声打印头相对于所述支撑台板在XYZ及其复合方向上运动；
其特征在于，所述超声打印头上设置有丝料通道，所述超声增材制造装置还包括送丝机构，所述送丝机构用于驱动连续纤维丝通过所述超声打印头的丝料通道，进入所述超声波束的焦点平面处的液态固化材料中。
8.根据权利要求1所述的超声增材制造装置，其特征在于：所述三维运动模组为六轴机械臂，所述超声打印头设置在所述六轴机械臂的活动端。
9.根据权利要求1所述的超声增材制造装置，其特征在于：所述送丝机构包括驱动滚轮组和丝料盘，所述连续纤维丝卷绕在所述丝料盘上，并通过所述驱动滚轮组伸入到所述超声打印头的丝料通道。
10.根据权利要求1所述的超声增材制造装置，其特征在于：所述超声打印头的丝料通道的末端设置有剪切机构。
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