CN116214918B - 一种大尺寸连续纤维高温3d打印机热床变形容忍结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构，通过固定热床支撑组件与运动装置的运动配合实现对热床热膨胀导致的尺寸变化进行补偿，尤其是对大尺寸、高热膨胀系数的铝合金材料。本结构Z向运动结构与机架固定安装，且处于常温工作环境下。所述补偿运动模块与Z轴采用固定安装，与热床支撑组件采用不完全固定安装，与Z轴处于常温工作环境下。热床支撑组件采用不完全固定安装，部分处于高温腔室内，最高工作温度为300℃。热床支撑组件在热膨胀变形方向保留运动冗余，实现对热变形的容忍通过直线运动模块，通过水平方向的运动配合实现对金属变形的补偿。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术引入了连续纤维作为增强相，可明显提高打印制件的力学性能。然而，由于3D打印技术是通过多层材料的堆叠来实现成形的，打印过程中往往存在着翘曲和分层的问题，连续纤维的引入虽然提高了制件沿纤维方向的力学性能，但同时也在一定程度上削弱了层间性能，加剧了3D打印制件力学性能的各向异性，限制了连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术在航空航天和国防等关键领域的应用。
目前在打印如聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚及其他高性能半结晶聚合物时通常采用腔体预热的方式来减小打印环境与挤出材料之间的温度差，但3D打印设备的运动机构高温环境下工作时运动模块会产生热变形及装配变形，特别是大尺寸连续纤维高温3D打印机导致运动过程中，Z轴所支撑的高温热床会发生沿X、Y方向的水平变形，导致打印机引动模块变形卡死。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构，通过固定热床支撑组件与运动装置的运动配合实现对热床热膨胀导致的尺寸变化进行补偿，尤其是对大尺寸、高热膨胀系数的铝合金材料。
进一步地，本结构Z向运动结构与机架固定安装，且处于常温工作环境下。
进一步地，所述补偿运动模块与Z轴采用固定安装，与热床支撑组件采用不完全固定安装，与Z轴处于常温工作环境下。
进一步地，热床支撑组件采用不完全固定安装，部分处于高温腔室内，最高工作温度为300℃。热床支撑组件在热膨胀变形方向保留运动冗余，实现对热变形的容忍通过直线运动模块，通过水平方向的运动配合实现对金属变形的补偿。
进一步地，热床运动组件保留运动冗余的方式为，通过固定热床一角，沿X轴方向的热变形通过直线运动模块进行补偿，当高温腔室加热后，沿X方向的热变形可带动直线运动模块运动，防止Z轴变形卡死。
进一步地，沿Y轴方向的热变形通过直线运动模块进行补偿，与X轴补偿方式原理相同。
进一步地，所述热变形补偿方式为机械式被动补偿，可自适应不同温度下的热变形，无需针对不同温度进行监测或结构修改，同时该结构亦可适用于低温环境下的收缩补偿。
上述大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构，区别于传统热床的刚性固定方式，本发明结构采用不完全固定安装，可对热变形及装配变形进行运动补偿。
针对3D打印设备的运动机构高温环境下工作时运动模块会产生热变形，特别是大尺寸连续纤维高温3D打印机导致运动过程中，Z轴所支撑的高温热床会发生沿X、Y方向的水平变形，导致打印机引动模块卡死或变形的问题。
设计了一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构，通过固定热床支撑组件与运动装置的运动配合实现对热床热膨胀导致的尺寸变化进行补偿，尤其是对大尺寸、高热膨胀系数的铝合金材料。
同时本发明的补偿方式为机械式被动补偿，可自适应不同温度下的热变形，无需针对不同温度进行监测或结构修改，同时该结构亦可适用于低温环境下的收缩补偿以及装配导致的运动模组不平行问题。
本专利就是通过外部运动机构的装配运动配合实现对内部高温腔体热胀冷缩的补偿。
附图说明
图1为一种大尺寸连续纤维高温3D打印机整体结构设计图；
图2为一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构设计图；
图3为补偿运动模块的结构示意图；
图4为限位运动模块的结构示意图；
图5为热床支撑组件的结构示意图。
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。
图1所示为一种大尺寸连续纤维高温3D打印机整体结构设计图。图2为一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构设计图，包括直线导轨安装板1，直线导轨2，补偿运动模块3，光轴4，光轴限位环5，Z轴抬升运动模块6，限位运动模块7，热床支撑组件8，热床9。
本实施例中，直线导轨安装板1，直线导轨2，补偿运动模块3，光轴4，光轴限位环5，Z轴抬升运动模块6，限位运动模块7处于常温工作环境下；热床支撑组件8部分处于300℃高温环境下；热床9处于300℃高温环境下。在加热、冷却过程中热床支撑组件8和热床9会产生热变形。
本实施例中，热床支撑组件8和热床9为铝合金材质，热床尺寸为800mm×800mm，已知铝合金导热系数为23.6E-6/K，计算可得铝合金热床9的热变形约为5.664mm，热床支撑组件8处于高温腔室内的尺寸为1000mm，热变形约为7.08mm。
如图2所示，限位运动模块7与光轴4的连接是固定的；补偿运动模块3与光轴4的连接时不固定的，光轴4插入补偿运动模块3的直线轴承中，可沿光轴轴向运动。
本实施例中，直线导轨安装板1，直线导轨2安装于打印机机架之上，用于对模块的Z向运动方向进行引导，保证竖直方向的运动精度。
本实施例中，补偿运动模块3由光轴法兰直线轴承二31，直线运动滑块二32，连接块二33组成，如图3所示。在Z向竖直方向运动时，光轴4可沿轴向在光轴法兰直线轴承二31内运动，防止热变形、冷变形及直线导轨安装板1，直线导轨2安装不平行导致的运动模块变形卡死。
直线轴承二31是一种可以沿直线滑动的轴承，可沿光轴4轴向滑动，光轴4在直线轴承二31内的轴向运动主要是为了补偿Z轴热变形、冷变形及装配不平行所导致的运动误差。
本实施例中，光轴4与补偿运动模块3，光轴限位环5，Z轴抬升运动模块6，限位运动模块7相连接，其中补偿运动模块3，Z轴抬升运动模块6可沿光轴轴向运动；Z轴抬升运动模块6，限位运动模块7与光轴固定连接，用于限位。
本实施例中，光轴限位环5用于限制热床支撑组件8沿光轴轴向运动，光轴4与热床支撑组件8为间隙配合，光轴限位环5与热床支撑组件8为间隙配合，在发生热变形、冷变形、装配变形时热床支撑组件8可沿长度方向伸长或收缩，防止运动模块变形卡死。
本实施例中，Z轴抬升运动模块6由光轴法兰直线轴一承61，连接块一62组成，可通过在连接块一62上安装T型丝杆或滚珠丝杆带动连接块一62沿Z向运动。同时可沿光轴法兰直线轴承一61的轴向运动，防止沿轴线方向变形导致的运动卡死。
本实施例中，限位运动模块7由直线运动滑块三71，连接块三72组成，用于固定光轴4，同时在Z向竖直方向运动时，带动光轴4沿Z向竖直运动，如图4所示。
本实施例中，热床支撑组件8一端与光轴刚性连接用于定位；另一端开有槽孔，通过光轴限位环5限制热床支撑组件8沿光轴4轴向方向运动，同时热床支撑组件8可沿槽孔长度方向进行运动，实现对热床热变形、冷变形、装配变形的补偿，防止运动模块变形卡死。
本实施例中，热床9刚性固定在热床支撑组件8上，是3D打印过程中的零件成形平台，可实现沿Z轴竖直方向的自由运动。
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 (1)
1.一种大尺寸连续纤维高温3D打印机热床变形容忍结构，包括热床（9），其特征在于：所述热床（9）设置在热床支撑组件（8）上；热床支撑组件（8）的两侧分别连接光轴（4）；其中一端的光轴（4）与热床支撑组件（8）刚性连接且另一端光轴（4）上设有光轴限位环（5）并与热床支撑组件（8）间隙配合；其中每个所述光轴（4）的一端连接有补偿运动模块（3）且另一端连接有限位运动模块（7）；其中补偿运动模块（3）与直线导轨（2）滑动适配；Z轴抬升运动模块（6）设置在光轴（4）上；光轴限位环（5）与热床支撑组件（8）为间隙配合；热床支撑组件（8）和热床（9）为铝合金材质；所述Z轴抬升运动模块（6）由光轴法兰直线轴承一（61），连接块一（62）组成，可通过在连接块一（62）上安装T型丝杆或滚珠丝杆带动连接块一（62）沿Z向运动；同时可沿光轴法兰直线轴承一（61）的轴向运动，防止沿轴线方向变形导致的运动卡死；所述补偿运动模块（3）由光轴法兰直线轴承二（31），直线运动滑块二（32），连接块二（33）组成，在Z向竖直方向运动时，光轴（4）可沿轴向在光轴法兰直线轴承二（31）内运动，防止热变形、冷变形；所述限位运动模块（7）由直线运动滑块三（71），连接块三（72）组成，用于固定光轴（4），同时在Z向竖直方向运动时，带动光轴（4）沿Z向竖直运动；直线运动滑块三（71）与直线导轨（2）滑动配合；直线导轨（2）安装于打印机机架之上，用于对模块的Z向运动方向进行引导。
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