CN115782247A - 连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，并公开了一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备及方法，设备包括打印平台、机械臂、增材装置和纤维牵引装置，其中：打印平台下设置有变位装置，变位装置用于使打印平台水平旋转和上下翻转；增材装置位于打印平台上方，且与机械臂一端相连，增材装置上设置有按压锟轮；机械臂包括多个旋转关节，用于带动增材装置按照预设路径在打印平台上打印并熔融纤维丝束；纤维牵引装置设置在打印平台上，用于抓取强化纤维，并使其与水平打印的纤维丝束在水平面上交叉编织；工作时，按压锟轮始终垂直于打印平台，以按压熔融后的纤维丝束以及与纤维丝束交叉编织后的强化纤维。本发明能增强打印纤维的层间结合力。

Description

连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备及方法。

背景技术

连续纤维增强复合材料是连续纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的结构材料，具有比强度高、比模量高、密度小、强度高、抗疲劳、抗震以及耐高温等独特优点，使其在航空、航天、国防军工、体育器材等多领域得到了广泛的应用，被称为国家战略性材料。

传统连续纤维增强复合材料成形需要利用模具进行纤维铺放、热压固化、机加工处理等一系列复杂工艺，生产流程长且成本高。增材制造技术(包括3D打印等)能够同时发挥材料特性与成型方式的优势，从打印原型过渡到功能性零部件的直接打印，拓展了3D打印工业应用的范围和深度，有望解决连续纤维增强复合材料成形工艺繁琐、无法制造结构复杂零部件等问题。

连续纤维增强复合材料的增材制造通常采用熔融沉积成形(Fused Depositionmodeling,FDM)工艺。FDM通过加热热电耦至熔融状态，以逐层打印的方式构成物体，能够实现复杂结构的无模化、快速成形。但FDM制备的连续纤维增强复合材料存在不足之处：1)难以实现连续纤维的熔断；2)无法实现连续纤维的空间成型；3)成形零件各项异性程度高，层间抗撕裂能力较弱。现有的连续纤维增强复合材料增材制造仍存在纤维的编织只能是沿水平面逐层打印,各纤维层的层间结合力差的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备及方法，通过多自由度的机械臂与两自由度的变位器，使得在零件打印过程中利用强化纤维在打印的纤维层上实现多方向的缠绕来提升纤维层沿三维方向上的强度，并利用压紧锟轮来使得纤维层之间紧密结合。

为实现上述目的，本发明提供了一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，所述设备包括打印平台、机械臂、增材装置和纤维牵引装置，其中：

所述打印平台下表面设置有变位装置，所述变位装置用于使所述打印平台水平旋转和上下翻转；

所述增材装置位于所述打印平台上方，且与所述机械臂一端相连，所述增材装置上设置有按压锟轮；

所述机械臂包括多个旋转关节，其用于带动所述增材装置按照预设路径在所述打印平台上打印并熔融纤维丝束；

所述纤维牵引装置设置在所述打印平台上，用于抓取预先竖直设置的强化纤维，并使其与打印的每层所述纤维丝束交叉编织；

工作时，所述机械臂带动所述增材装置打印，所述变位装置带动所述打印平台配合所述增材装置运动，以使得所述按压锟轮始终垂直于所述打印平台，以按压熔融后的所述纤维丝束以及与所述纤维丝束交叉编织后的强化纤维。

进一步的，所述增材装置包括固定平台，所述固定平台上端面与所述机械臂一端相连，所述固定平台下端面上设置有送丝机构和激光器，其中，所述送丝机构用于将纤维丝束输出到所述打印平台上，所述激光器用于熔融所述纤维丝束。

进一步的，所述按压锟轮设置在所述固定平台下表面中心，所述送丝机构和所述激光器设置在所述按压锟轮的一侧。

更进一步的，所述按压锟轮、所述送丝机构和所述激光器的下端均朝向所述打印平台上的同一个加工点。

更进一步的，所述固定平台上还设置有剪切装置，所述剪切装置设置在所述按压锟轮的另一侧，用于将所述送丝机构送出的纤维丝束切断。

进一步的，所述纤维牵引装置包括抓取单元和连杆驱动机构，其中：

所述连杆驱动机构包括导向杆、滑块、连杆和曲柄，所述导向杆上端固定在所述变位装置上；所述滑块设置在所述导向杆上，且能在所述导向杆上上下移动；所述连杆的一端与所述滑块相连，其另一端与所述曲柄的一端相连；所述曲柄的另一端固定在所述打印平台的侧边上，所述抓取单元设置在所述连杆和所述曲柄的连接关节处；优选的，所述曲柄与所述打印平台的固定点位于所述滑块的正上方。

进一步的，所述打印平台上还设置有夹紧装置，其用于固定与每一层纤维丝束交叉编织的强化纤维；优选的，所述机械臂包括6个旋转关节；更优选的，所述变位装置由下至上包括底座、旋转单元和翻转单元，其中，所述翻转单元的上端与所述打印平台的下表面相连，其下端与所述底座相连；所述旋转单元的上下两端分别与所述翻转单元和底座相连。

根据本发明的另一个方面，还提供一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编方法，所述方法能采用如前任一所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备实现，所述方法包括：

S1、预先在所述打印平台上布置强化纤维；

S2、利用机械臂带动增材装置按预设路径在所述打印平台上打印并熔融纤维丝束，并利用变位装置带动打印平台配合所述增材装置运动，以使得按压锟轮始终垂直于所述打印平台以按压熔融的纤维丝束；

S3、当打印到强化纤维处时，停止打印，驱动纤维牵引装置抓取所述强化纤维，并使所述强化纤维与当前层已打印的纤维丝束交叉编织，编织后利用按压锟轮按压所述强化纤维；

S4、按压后利用夹紧装置固定所述强化纤维，然后利用机械臂带动增材装置重新开始打印该层后续位置，直至打印完该层；

S5、重复步骤S2-S4，完成增材混编，且相邻两层所述纤维丝束之间的强化纤维呈波浪形缠绕。

进一步的，步骤S3中，纤维牵引装置抓取所述强化纤维时，滑块在导向杆上向上运动，所述滑块驱动连杆绕连杆与滑块的连接点旋转，进而驱动曲柄绕曲柄与所述打印平台的连接点旋转，使得抓取单元绕所述曲柄与所述打印平台的连接点旋转，以牵引所述强化纤维，并使其与打印的纤维丝束交叉编织；优选的，所述强化纤维与打印的纤维丝束呈十字形交叉编织。

进一步的，增材混编后的复合材料中包含多条波浪形强化纤维；优选的，多条波浪形强化纤维位于同一竖直面；优选的，同一竖直面的多条波浪形增强纤维与水平面的夹角呈锐角和/或直角。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

1.本发明提供的多自由度增材成形装置，其打印平台下设置有能在水平面旋转和沿上下方向翻转的两自由度变位器，其增材装置设置在多自由度的机械臂上，打印时，多自由度的机械臂能够与两自由度的打印平台同时运动配合，使得增材装置能在打印平台上按预设路径进行精确打印，并且增材装置上的按压锟轮能始终保持和打印平台垂直，以在每次打印纤维丝束后能对纤维丝束进行精准按压，使纤维丝束更加致密，并且使得相邻丝束能紧密结合。

2.本发明提供的多自由度增材成形装置，通过设置纤维牵引装置，在打印每一层纤维丝束时，在预设位置交叉编织强化纤维，使得打印得到的多层纤维丝束在垂直于打印平台方向的层间结合力被加强，且纤维牵引装置和机械臂以及打印平台均能协同运动，保证各单元间互不干涉，避免影响打印效率。

3.本发明提供的多自由度增材成形装置，增材装置包括一个固定平台，固定平台上端面与机械臂一端相连，下端面上集成设置有按压锟轮、送丝机构、剪切装置和激光器，送丝机构将纤维丝束输出到打印平台上，激光器熔融纤维丝束，按压锟轮将纤维丝束按压紧密，打印结束后剪切装置能将纤维丝束剪切平整；总之，本发明利用按压辊轮致密化成形纤维，并通过对送出的纤维丝的剪断处理，实现连续纤维边界的物理清晰，使纤维能快速调整位置，提高送丝的利用率，从而实现将连续纤维通过机器人实现高效的曲面打印等。

4.本发明提供的增材成形装置，纤维牵引装置包括抓取单元和连杆驱动机构，连杆驱动机构驱动抓取单元抓取强化纤维线时，通过滑块的上下移动，从而控制曲柄将强化纤维丝在特定位置来回牵拉，以与打印出每一层纤维丝交叉编织，最终形成抗层间撕裂的连续纤维增强复合材料，结构简单，且连杆驱动机构的运动行程可通过变位器的上下翻转俯仰按需调整，变位器仰升靠近连杆驱动机构时，其运动行程变小，变位器俯降远离连杆驱动机构时，其运动行程变大。

5.本发明提供的多自由度增材成形方法，使得多层纤维丝束中交叉编织有波浪形的强化纤维，且多个波浪形强化纤维所在的平面垂直于水平面，且单条的波浪线与竖直方向平行或与水平面方向成锐角，以使得纤维丝束被强化纤维缠绕后沿竖直方向被强化或者沿与水平面方向成锐角的方向被强化；前述的波浪形强化纤维有多条，各条波浪线处于同一平面上，从而加强打印的复合材料零件的整体强度。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种抗层间撕裂的连续纤维增强复合材料机器人制造系统示意图；

图2为本发明实施例公开的增材装置结构示意图；

图3为本发明实施例公开的6自由度多轴机器臂示意图；

图4为本发明实施例公开的2自由度变位器加工平台示意图；

图5为本发明实施例公开的连杆驱动机构示意图；

图6为本发明实施例公开的加工面初始状态；

图7为本发明实施例公开的纤维牵引装置；

图8为本发明实施例公开的加工零件第一层打印完毕且强化纤维尚未操作时加工面的主视图；

图9为本发明实施例公开的加工零件第一层打印完毕且强化纤维尚未操作时加工面的俯视图；

图10为本发明实施例公开的加工零件第一层打印完毕且强化纤维操作之后加工面的主视图；

图11为本发明实施例公开的加工零件第一层打印完毕且强化纤维操作之后纤维牵引装置所处状态；

图12为本发明实施案例公开的连续纤维增强复合材料第二层打印流程示意图；

图13为本发明实施案例公开的连续纤维增强复合材料第二层中编织强化纤维时的示意图；

图14为本发明实施案例公开的连续纤维增强复合材料第三层中编织强化纤维时的示意图；

图15为本发明实施案例公开的打印多层的连续纤维增强复合材料示意图；

图16为本发明实施案例公开的沿纵向(左图)和沿对角线(右图)方向的强化纤维的混编方式。

图中：1-打印平台，11-夹紧装置，2-机械臂，3-增材装置，31-按压锟轮，32-固定平台，33-送丝机构，34-激光器，35-剪切装置，4-纤维牵引装置，41-抓取单元，42-导向杆，43-滑块，44-连杆，45-曲柄，5-变位装置,51-底座，52-旋转单元，53-翻转单元，A-强化纤维，B-纤维丝束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，设备包括打印平台1、机械臂2、增材装置3和纤维牵引装置4，其中：

打印平台1为承载打印的复合材料的场所，打印平台的下表面设置有变位装置5，变位装置5为两自由度装置，能够使打印平台1在水平面上旋转和沿上下方向翻转俯仰，本实施例中采用合适尺寸的焊接变位机与增材装置及机械臂配合形成一个全自动的打印系统；增材装置3为一个多部件集成的增材加工装置，其位于打印平台1上方，且与机械臂2的加工端相连，增材装置3上还设置有按压锟轮31；机械臂2包括多个旋转关节，其用于带动增材装置3按照预设路径运动，以在打印平台1上打印纤维丝束，并熔融纤维丝束；纤维牵引装置4设置在打印平台1的前侧边上，用于抓取预先设置的强化纤维，并使强化纤维与打印的每层纤维丝束交叉编织；

打印时，外部控制器控制机械臂2带动增材装置3按照预设路径打印，然后控制变位装置5带动打印平台1配合增材装置3运动，以使得按压锟轮31能在打印过程中始终垂直于打印平台1，以便按压每次熔融后的纤维丝束和与熔融丝束交叉编织后的强化纤维，使单层纤维致密，且层间纤维结合更紧密。

在优选实施例中，增材装置3包括一个固定平台32，固定平台32上端面与机械臂2一端相连，且二者的连接端作为机械臂的一个关节可旋转活动；固定平台32下端面上设置有送丝机构33和激光器34，其中，送丝机构33用于将纤维丝束输出到打印平台1上，激光器34用于发射激光以熔融送出的纤维丝束。

在优选实施例中，按压锟轮31设置在固定平台32的下表面中心，送丝机构33和激光器34均设置在按压锟轮31的右侧；按压锟轮31、送丝机构33和激光器34的下端均朝向打印平台1上的同一个加工点，且三者的下端均位于同一平面。

在优选实施例中，固定平台32上还设置有剪切装置35，剪切装置35设置在按压锟轮31的左侧，当送丝机构33挤出碳纤维丝束后，激光器34先检测是否有纤维丝束，当检测到有纤维丝束时照射使其融化；然后按压辊轮位于送丝机构后方，对已经熔化的丝束进行垂直按压，以使得熔融丝束实现紧密连接；重复前述步骤，进行逐层打印，在打印至最后一层末尾端时，位于按压辊轮后方的剪切装置控制其下端的剪切刀将碳纤维丝束切断，随后各机构复位，完成零件的打印。

在优选实施例中，纤维牵引装置4包括抓取单元41和连杆驱动机构，其中：

连杆驱动机构包括导向杆42、滑块43、连杆44和曲柄45，导向杆42上端固定在变位装置5上，能随变位装置5升高或降低；滑块43设置在导向杆42上，且能在导向杆42上在电机驱动下上下移动；连杆44的一端与滑块43相连，其另一端与曲柄45的一端活动相连(如采用铰接方式连接)；曲柄45的另一端固定在打印平台的前侧边上，以避免干扰打印平台表面各机构的工作；抓取单元41设置在连杆44和曲柄45的连接关节处，当滑块43上下滑动，驱动曲柄和连杆左右摆动，进而使得抓取单元41也能左右摆动，当变位装置相对于打印平台1向翻转仰升靠近抓取单元4时，抓取单元41的摆动范围较小，当变位装置相对于打印平台1翻转俯降远离抓取单元41时，抓取单元41的摆动范围较大。

在优选实施例中，曲柄45与打印平台的固定点位于滑块43的正上方，能够使抓取单元41左右摆动的行程一样，适合抓取不同位置的强化纤维丝。

在优选实施例中，打印平台1上还设置有夹紧装置11，夹紧装置11包括两组，分别设置于打印平台1的左右两侧，每组夹紧装置包含两根沿前后方向水平设置的夹紧锟，两根夹紧锟能够在动力装置(如电机)的驱动下靠近或远离，以固定与每一层纤维丝束交叉编织后的强化纤维。

优选的，前述的机械臂2包括1个底座和至少5个机械转轴，转轴两两之间的连接处形成至少4个旋转关节，最下端的机械转轴与底座连接形成1个旋转关节，最上端的机械转轴与增材装置连接形成1个旋转关节，总共形成至少6个旋转关节，从而实现增材装置的至少6自由度的旋转运动，以实现复杂形状零件的增材制造。

上述实施例中涉及到部件间的连接关系，涉及到的活动连接均可使用常规的螺杆连接、铰链连接或销杆连接等常规连接方式，涉及到的固定连接方式可采用一体成形、焊接固定、螺栓固定等常规方式，不作为本发明的重点说明对象。

实施例2

结合图1，本实施例提供一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，包括打印平台1、6自由度多轴的机械臂2、增材装置3和纤维牵引装置4，该四个部分相互协调配合，在高连续性和高效成形的基础上，能够加强打印出的零件抗层间撕裂的能力，其中：

打印平台1为承载打印的复合材料的场所，打印平台1的下表面设置有变位装置5，变位装置5为两自由度装置，能够使打印平台1在水平面上旋转和沿上下方向翻转俯仰，本实施例中通过外接控制器，并采用合适尺寸的焊接变位机与增材装置及机械臂配合形成一个全自动的打印系统，该系统的外接控制器中搭载有预设了打印路径的打印程序；增材装置3为一个多部件集成的增材加工装置，其位于打印平台1上方，且与机械臂2的加工端相连，增材装置3上还设置有按压锟轮31；机械臂2用于带动增材装置3按照预设路径运动，以在打印平台1上打印纤维丝束，并熔融纤维丝束；纤维牵引装置4设置在打印平台1的前侧边上，用于抓取预先设置的强化纤维，并使强化纤维与打印的纤维丝束交叉编织。

如图2所示，是搭载在6轴机械臂2末端的增材装置，该增材装置包括一个装置平台32，装置平台32上集成设置有按压锟轮31、送丝机构33、激光器34和剪切装置35，通过外接控制器来控制机械臂2来逐层打印纤维增强复合材料零件；其中，送丝机构33用于挤出碳纤维丝束，激光器34位于送丝机构前方，用于检测是否有纤维丝束(可通过设置纤维传感器等实现检测功能)，并照射高能激光使其融化，激光器为半导体激光器，激光机的光斑直径可以调节以适应不同直径的丝材；按压辊轮31位于送丝机构33的后方，用于对已经熔化的丝束进行按压，以形成熔融丝束的紧密连接，如此逐层打印，在打印至最后一层的末尾端时，位于按压辊轮31后方的剪切装置35控制其端部的剪切刀将碳纤维丝束切断，随后各运动机构复位，完成零件的打印。

如图3所示，是本实施例所选用的6自由度机械臂结构示意图，其中六个箭头分别表示这六个轴可以转动的方向，保证机器臂能够带动增材装置完成任意角度、轨迹的成形加工，满足成形要求；当增材装置输出纤维丝材，按压辊轮按压熔融纤维丝材时，设备时刻控制变位装置5，以保证打印出的纤维丝束层与按压辊轮31的垂直状态；该机器臂能够实现完全自动的工作，由外接控制器中的后台程序控制，可以协同增材装置、纤维牵引装置和变位装置的运动，精准控制各个运动装置之间的协同操作。

如图4所示，是本实施例的变位装置5结构示意图，该变位装置5固定在打印平台1的下表面上，该变位装置包括底座51，以及设置在底座上的一个水平旋转单元52和一个上下翻转单元53，翻转单元53一端与打印平台1连接，能带动打印平台1实现在上下方向上一定角度的俯仰翻转，其旋转单元52能绕竖直方向在水平面上旋转(图中箭头方向)。

通过变位装置5的这两个自由度，可以实现按压辊轮31与成形纤维丝束的垂直按压，变位装置不仅可以按指定要求调整打印平台角度和位置，使得按压辊轮与成型件始终保持垂直状态，也可以与其他运动装置协作完成各种形状零件的制作；打印平台1上还设置有强化纤维的夹紧装置11，用来固定缠绕编织后的强化纤维。

所述图5所示，为本实施例中采用的连杆驱动机构，本实施例的设备通过控制滑块43上下滑动，来驱动曲柄按圆弧轨迹左右摆动，并使得连杆左右摆动，进而使得抓取单元41也能左右摆动，以抓取和改变强化纤维的位置，如使强化纤维与打印出的每层纤维丝束十字交叉，且强化纤维覆盖在每一层纤维丝束上，强化纤维在相邻层的纤维丝束上沿垂直于纤维丝束的方向呈S形缠绕。

本设备的工作原理如下：

如图6所示，初始状态时强化纤维丝呈一纵排设置在打印平台1的特定位置处；当外接控制器控制机械臂2带动增材装置完成第一层打印时，如图7所示为此时连杆驱动机构所处状态；如图8-9所示，分别代表此时打印平台1的正视方向和俯视方向的强化纤维A所处位置，图8中，圆形代表来回交替打印的纤维丝束，如图9中箭头方向所示为纤维丝束B的打印方向；当第一层打印完毕时，再控制抓取单元41抓取强化纤维A至打印平台1左侧的夹紧装置11处，如图10所示，强化纤维A与已打印的第一层纤维丝束的交叉状态，图11为此时连杆驱动机构所处的状态。

如图12所示，继续打印第二层纤维丝束，直至强化纤维A所在的特定位置处，如图13所示，再将强化纤维A抓取并翻转至打印平台1的右侧的夹紧装置11中固定，如图3所示，随后继续完成第二层的后续打印；如图14所示，往复循环直至打印结束，直至得到如图15所示的波浪形或蛇形的抗层间撕裂的连续纤维增强复合材料。

本实施例的设备在逐层打印过程中，变位装置通过旋转单元和翻转单元，配合机械臂的多自由度运动，时刻保持纤维丝束表面与按压辊轮垂直，以完成连续纤维增强复合材料零件的打印。

另外地，除了本实施例所介绍的垂直纤维强化方式以外，还存在多种强化方式，如图16中所示，在逐层打印过程中，改变每一层处强化纤维A的缠绕位置，即可形成沿竖直方向、对角线交叉方向等不同方向的复合材料的强化，还可实现如米字型交叉的编织形式，并且，强化纤维A的预设数量也可按需设置多条和多排，以达到更强的层间结合力。

实施例3

本实施例提供一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编方法，该方法能在如前所述的任意一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备上实现，该方法的步骤包括：

S1、按照待打印工件的形状信息，预先在打印平台1的特定位置上布置一纵排的强化纤维；

S2、然后控制器控制机械臂2带动增材装置3按预设路径运动，其中送丝机构33在打印平台1上送出纤维丝束，然后机械臂2控制激光器34向纤维丝束上照射激光，以融熔该纤维丝束，该过程中，控制器控制机械臂2带动增材装置3上的按压锟轮31始终与打印平台1垂直；得到熔融的纤维丝束后，再控制机械臂3带动按压锟轮31向下垂直按压熔融的纤维丝束，使其致密化，且当打印层数超过两层后，相邻层的纤维丝束按压后能结合的更加紧密；

S3、当打印到当前层的强化纤维处时，停止打印，驱动纤维牵引装置4运动以抓取强化纤维；具体的，纤维牵引装置4抓取强化纤维时，滑块43在导向杆42上在电机等电力驱动机构的驱动下向上运动，滑块43驱动连杆44绕连杆44与滑块43的连接点旋转，进而驱动曲柄45绕曲柄45与打印平台1的连接点旋转，使得抓取单元41绕曲柄45与打印平台1的连接点旋转，以牵引强化纤维，并使其与在打印平台表面上沿前后方向打印的当前层的纤维丝束十字交叉进行缠绕编织，交叉后机械臂2再控制按压锟轮31垂直按压强化纤维。

S4、控制机械臂2带动增材装置3重新开始打印该层的后续位置，直至完全打印完该层；

S5、重复步骤S2-S4，按与前一层相反的方向进行打印，依次交替逐层完成增材混编，打印完成后，相邻两层纤维丝束之间的强化纤维在垂直于打印平台的平面上呈S形，多个S形相连形成波浪形的强化纤维。

在本实施例中，预先设置多根成排的强化纤维，则增材混编后的复合材料中包含多条波浪形强化纤维；且多条波浪形强化纤维也位于同一平面。

在其他更优实施例中，同一平面的多条波浪形增强纤维与打印平台所在平面的夹角呈锐角和/或直角，即编织后的波浪形强化纤维要么全部垂直于每层纤维丝束，则沿z轴方向进行加强；要么全部与每层纤维丝束的夹角呈锐角或钝角，则沿x轴与z轴之间的方向进行加强；要么波浪形强化纤维相互交叉，则呈对角线形式进行加强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述设备包括打印平台(1)、机械臂(2)、增材装置(3)和纤维牵引装置(4)，其中：

所述打印平台(1)下表面设置有变位装置(5)，所述变位装置(5)用于使所述打印平台(1)水平旋转和上下翻转；

所述增材装置(3)位于所述打印平台(1)上方，且与所述机械臂(2)一端相连，所述增材装置(3)上设置有按压锟轮(31)；

所述机械臂(2)包括多个旋转关节，其用于带动所述增材装置(3)按照预设路径在所述打印平台(1)上打印并熔融纤维丝束；

所述纤维牵引装置(4)设置在所述打印平台(1)上，用于抓取预先竖直设置的强化纤维，并使其与打印的每层所述纤维丝束交叉编织；

工作时，所述机械臂(2)带动所述增材装置(3)打印，所述变位装置(5)带动所述打印平台(1)配合所述增材装置(3)运动，以使得所述按压锟轮(31)始终垂直于所述打印平台(1)，以按压熔融后的所述纤维丝束以及与所述纤维丝束交叉编织后的强化纤维。

2.如权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述增材装置(3)包括固定平台(32)，所述固定平台(32)上端面与所述机械臂(2)一端相连，所述固定平台(32)下端面上设置有送丝机构(33)和激光器(34)，其中，所述送丝机构(33)用于将纤维丝束输出到所述打印平台(1)上，所述激光器(34)用于熔融所述纤维丝束。

3.如权利要求2所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述按压锟轮(31)设置在所述固定平台(32)下表面中心，所述送丝机构(33)和所述激光器(34)均设置在所述按压锟轮(31)的一侧。

4.如权利要求2所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述按压锟轮(31)、所述送丝机构(33)和所述激光器(34)的下端均朝向所述打印平台(1)上的同一个加工点。

5.如权利要求3所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述固定平台(32)上还设置有剪切装置(35)，所述剪切装置(35)设置在所述按压锟轮(31)的另一侧，用于将所述送丝机构送出的纤维丝束切断。

6.如权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述纤维牵引装置(4)包括抓取单元(41)和连杆驱动机构，其中：

所述连杆驱动机构包括导向杆(42)、滑块(43)、连杆(44)和曲柄(45)，所述导向杆(42)上端固定在所述变位装置(5)上；所述滑块(43)设置在所述导向杆(42)上，且能在所述导向杆(42)上上下移动；所述连杆(44)的一端与所述滑块(43)相连，其另一端与所述曲柄(45)的一端相连；所述曲柄(45)的另一端固定在所述打印平台的侧边上，所述抓取单元(41)设置在所述连杆(44)和所述曲柄(45)的连接关节处；优选的，所述曲柄(45)与所述打印平台的固定点位于所述滑块(43)的正上方。

7.如权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备，其特征在于，所述打印平台(1)上还设置有夹紧装置(11)，其用于固定与每一层纤维丝束交叉编织的强化纤维；优选的，所述机械臂(2)包括6个旋转关节；更优选的，所述变位装置(5)由下至上包括底座(51)、旋转单元(52)和翻转单元(53)，其中，所述翻转单元(53)的上端与所述打印平台(1)的下表面相连，其下端与所述底座(52)相连；所述旋转单元(52)的上下两端分别与所述翻转单元(53)和底座(51)相连。

8.一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-7任一所述的连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编设备实现，所述方法包括：

S1、预先在打印平台(1)上布置强化纤维；

S2、利用增材装置(3)按预设路径在所述打印平台上打印并熔融纤维丝束，利用变位装置(5)带动打印平台(1)配合所述增材装置(3)运动，以使得按压锟轮(31)始终垂直于所述打印平台(1)以按压熔融的纤维丝束；

S3、当打印到强化纤维处时，停止打印，驱动纤维牵引装置(4)抓取所述强化纤维，并使所述强化纤维与当前层已打印的纤维丝束交叉编织，编织后利用按压锟轮(31)按压所述强化纤维；

S4、按压后利用夹紧装置(11)固定所述强化纤维，然后利用机械臂(2)带动增材装置(3)重新开始打印该层后续位置，直至打印完该层；

S5、重复步骤S2-S4，完成增材混编，且相邻两层所述纤维丝束之间的强化纤维呈波浪形。

9.如权利要求8所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编方法，其特征在于，步骤S3中，纤维牵引装置(4)抓取所述强化纤维时，滑块(43)在导向杆(42)上向上运动，所述滑块(43)驱动连杆(44)绕连杆(44)与滑块(43)的连接点旋转，进而驱动曲柄(45)绕曲柄(45)与所述打印平台(1)的连接点旋转，使得抓取单元(41)绕所述曲柄(45)与所述打印平台(1)的连接点旋转，以牵引所述强化纤维，并使所述强化纤维与打印的纤维丝束交叉编织；优选的，所述强化纤维与打印的每层纤维丝束呈十字形交叉编织。

10.如权利要求8所述的一种连续纤维增强复合材料的多自由度增材混编方法，其特征在于，增材混编后的复合材料中包含多条波浪形强化纤维；优选的，多条波浪形强化纤维位于同一竖直面；更优选的，同一竖直面的多条波浪形增强纤维与水平面的夹角呈锐角和/或直角。

Images