CN116728778B - 一种玄武岩纤维复合材料3d打印工艺设备 - Google Patents

一种玄武岩纤维复合材料3d打印工艺设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于3D打印技术领域，提供一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备,包括底座，底座的两长边侧之间设置有位置调整组件，位置调整组件内设置有角度调节组件，位置调整单元用于调整角度调节组件相对底座的空间位置，角度调节组件的端部设置有打印执行组件，角度调节组件用于调节打印执行组件相对底座的打印角度，打印执行组件内可拆卸连接有材料喷头；更换组件，更换组件设置在位置调整组件内，更换组件内可拆卸连接有若干材料喷头，更换组件用于更换打印执行组件内的材料喷头，并将更换下的材料喷头进行暂存。本发明具有多自由度、可以进行两种以上的材料复合打印，同时可以进行大尺寸产品生产加工。

Description

一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备。
背景技术
复合材料因其具有高强度、刚度大、质量好、耐腐蚀性、耐高温和减震性能好的优点，在航空航天和汽车制造领域得到了广泛应用。利用3D打印技术制造复合材料构件，能够实现复合材料构件的轻量化制造、成型精确控制和高质量制造。在复合材料体系中，玄武岩纤维较其他材料具有更好的耐海水腐蚀、低介电、隔音等特点，通过3D打印成型为复杂结构零部件在海洋工程、无人机、通讯、建筑等领域具有潜在的应用优势。
但是现有的3D打印设备存在以下缺陷：1、现有3D打印机仅能实现喷头沿X、Y、Z三个方向的移动，即仅有3轴，3轴打印存在着打印效率低的缺陷。当打印模型较复杂时，需要大量的支撑作为辅助，浪费大量打印材料；2、传统的3D打印设备只能打印单一材料,不能满足一个产品中两种及以上的材料混打的需求，例如使用金属材料与玄武岩混合材料进行复合打印，传统的3D打印设备无法实现；3、现有技术的3D打印机机构体积较大但打印面积小，无法进行大型产品的生产加工。因此，亟需一种具有多自由度、可以进行两种以上的材料复合打印，同时可以进行大尺寸产品生产加工的玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，以解决上述问题，达到具有五轴多自由度、可以进行两种以上的材料混合打印，同时可以进行大尺寸产品生产加工的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，包括：
底座，所述底座的两长边侧之间设置有位置调整组件，所述位置调整组件内设置有角度调节组件，所述位置调整单元用于调整角度调节组件相对所述底座的空间位置，所述角度调节组件的端部设置有打印执行组件，所述角度调节组件用于调节打印执行组件相对底座的打印角度，所述打印执行组件内可拆卸连接有材料喷头；
更换组件，所述更换组件设置在所述位置调整组件内，所述更换组件内可拆卸连接有若干材料喷头，所述更换组件用于更换所述打印执行组件内的所述材料喷头，并将更换下的所述材料喷头进行暂存；
控制单元，所示位置调整组件、角度调节组件、打印执行组件和所述更换组件分别与所述控制单元电性连接。
优选的，所述位置调整组件包括两组行走单元，两组所述行走单元分别水平滑动连接在所述底座的两相对边部，两组所述行走单元之间竖向滑动连接有横杆，所述横杆水平设置，所述横杆的两端与两组所述行走单元之间分别设置有高度调节部，所述横杆上滑动套设有滑台，所述滑台与所述横杆设置有第一驱动部，所述角度调节组件设置在所述滑台的底部。
优选的，所述角度调节组件包括固定连接在所述滑台底部的转台，所述转台的底部固定连接有固定臂的一端，所述固定臂的另一端转动连接有旋转臂的一端，所述旋转臂的转轴方向与水平方向平行设置，所述固定臂与所述旋转臂之间设置有第二驱动组件，打印执行组件固定连接在所述旋转臂的另一端。
优选的，所述更换组件包括固定连接在一所述行走单元上的更换箱，所述更换箱的底部向上开设有若干放置孔，若干所述材料喷头分别插接在若干所述放置孔内，所述放置孔的顶部侧壁上固定连接有摩擦块，所述摩擦块与所述材料喷头相适配，所述更换箱内设置有更换执行单元，所述更换执行单元用于将一所述放置孔内的所述材料喷头自动更换到所述打印执行组件内。
优选的，所述更换执行单元包括竖向滑动连接在所述更换箱内的滑块，所述滑块与所述更换箱之间固定连接有第三电动推杆，所述滑块上竖向固定连接有第四电机，所述第四电机的输出轴同轴线固定连接有转轴的一端，所述转轴的另一端设置有喷头抓取部，所述喷头抓取部位于所述更换箱的底部，所述喷头抓取部用于抓取和释放材料喷头。
优选的，所述喷头抓取部包括水平固定连接在所述转轴远离所述第四电机一端的更换臂，所述更换臂远离所述转轴的一端开设有夹槽，所述夹槽的两相对侧壁上分别滑动连接有更换夹块，所述材料喷头对应设置在两所述更换夹块之间，所述更换臂内转动连接有双向丝杆，两所述更换夹块传动连接在所述双向丝杆的两端，所述更换臂内固定连接有第三电机，所述第三电机的输出轴与所述双向丝杆的一端固定连接。
优选的，所述更换臂的底部固定连接有托臂，所述托臂的顶部与所述材料喷头的底部对应设置，所述托臂的底部固定连接有激光测距仪，所述激光测距仪通过监测托臂相对所述底座的高度来确定材料喷头的安装高度。
优选的，所述打印执行组件包括固定连接在所述旋转臂上的打印头，所述打印头内开设有工作槽，所述材料喷头插接在所述工作槽内，所述工作槽与所述打印头之间设置有夹固部，所述夹固部用于将所述工作槽内的所述材料喷头夹固牢固。
优选的，所述打印头内水平滑动连接裁截刀，所述裁截刀位于所述材料喷头的上方且与所述工作槽的内部对应设置，所述裁截刀用于切断所述工作槽内的材料，所述裁截刀远离所述工作槽的一端与所述打印头之间固定连接有第一电动推杆。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：位置调整组件的主要作用是直接在底座上方形成框架结构，带动打印执行组件进行X、Y、Z三个方向的移动；角度调节组件的主要作用是带动打印执行组件进行水平方向和竖直方向的旋转，增加打印执行组件的自由度；更换组件的主要作用是暂存若干个对应不同材料的材料喷头并在需要时在打印执行组件内更换上所对应的材料喷头，实现同一产品中不同材料的混合打印。整体上，本发明可以进行大型产品的生产加工，并具有五个方向的自由度，可以灵活的打印复杂形状的产品，同时可以随时更换打印喷头，实现在同一产品中进行两种以上材料的混合打印，提高使用效率，适应更多的生产需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明打印设备的主视图；
图2为图1中的A局部放大图；
图3为图1中的B局部放大图；
图4为图1中的C局部放大图；
图5为本发明打印设备的右视图；
图6为图5中的D局部放大图；
图7为本发明打印设备的俯视图；
图8为本发明更换箱的仰视图；
其中，1、底座；2、第一丝杆；3、滑槽；4、横杆；5、滑台；6、滚轮；7、打印头；8、支撑腿；9、行走槽；10、第一电机；11、夹槽；12、行走轮；13、第二电机；14、更换夹块；15、转台；16、固定臂；17、旋转臂；18、第一电动推杆；19、裁截刀；20、材料喷头；21、第二电动推杆；22、固定夹块；23、更换臂；24、托臂；25、激光测距仪；26、滑块；27、第三电动推杆；28、转轴；29、摩擦块；30、放置孔；31、第三电机；32、双向丝杆；33、第四电机；34、更换箱；35、工作槽；36、第四电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-图8，本发明提供了一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，包括：
底座1，底座1的两长边侧之间设置有位置调整组件，位置调整组件内设置有角度调节组件，位置调整单元用于调整角度调节组件相对底座1的空间位置，角度调节组件的端部设置有打印执行组件，角度调节组件用于调节打印执行组件相对底座1的打印角度，打印执行组件内可拆卸连接有材料喷头20；
更换组件，更换组件设置在位置调整组件内，更换组件内可拆卸连接有若干材料喷头20，更换组件用于更换打印执行组件内的材料喷头20，并将更换下的材料喷头20进行暂存；
控制单元，位置调整组件、角度调节组件、打印执行组件和更换组件分别与控制单元电性连接。
位置调整组件的主要作用是直接在底座1上方形成框架结构，带动打印执行组件进行X、Y、Z三个方向的移动；角度调节组件的主要作用是带动打印执行组件进行水平方向和竖直方向的旋转，增加打印执行组件的自由度；更换组件的主要作用是暂存若干个对应不同材料的材料喷头20并在需要时在打印执行组件内更换上所对应的材料喷头20，实现同一产品中不同材料的混合打印；控制单元用于控制设备的运行。整体上，本发明可以进行大型产品的生产加工，并具有五个方向的自由度，可以灵活的打印复杂形状的产品，同时可以随时更换打印喷头，实现在同一产品中进行两种以上材料的混合打印，提高使用效率，适应更多的生产需求。
进一步优化方案，位置调整组件包括两组行走单元，两组行走单元分别水平滑动连接在底座1的两相对边部，两组行走单元之间竖向滑动连接有横杆4，横杆4水平设置，横杆4的两端与两组行走单元之间分别设置有高度调节部，横杆4上滑动套设有滑台5，滑台5与横杆4设置有第一驱动部，角度调节组件设置在滑台5的底部。
进一步优化方案，行走单元包括开设在底座1长边边部的行走槽9，行走槽9与底座1的长边相平行，行走槽9内滑动连接有支撑腿8，支撑腿8的底部转动连接有行走轮12，行走轮12用于带动支撑腿8沿行走槽9进行移动，支撑腿8内固定连接有第二电机13，第二电机13的输出轴与行走轮12同轴线固定连接。
如图1和图3所示，控制单元控制第二电机13转动，第二电机13转动时带动行走轮12转动，行走轮12转动带动支撑腿8在行走槽9中移动。两组支撑腿8同步移动带动横杆4相对底座1移动，横杆4移动时带动滑台5相对底座1移动，最终实现打印执行组件沿底座1长边方向的移动。
通过将支撑腿8设置在沿底座1的边部行走的方式，可最大程度的减小对底座1内侧空间的挤占，有利于实现大型产品的生产加工，同时可避免设备整体过于庞大、复杂。
进一步优化方案，高度调节部包括竖向转动连接在支撑腿8内的第一丝杆2，横杆4的一端传动连接在第一丝杆2上，支撑腿8内固定连接有第一电机10，第一电机10的输出端与第一丝杆2的一端同轴线固定连接。
如图1和图2所示，支撑腿8内开设有滑槽3，用于限制横杆4的滑动轨迹。当需要向上调节打印执行部的高度时，可通过控制第一电机10转动，第一电机10转动带动第一丝杆2进行转动，第一丝杆2转动时通过螺纹带动横杆4沿滑槽3向上滑动，通过横杆4带动滑台5升高从而实现打印执行部的高度升高。当需要向下调节打印执行部的高度时，控制第一电机10反转即可。
进一步优化方案，第一驱动部包括若干转动连接在滑台5上的滚轮6，滚轮6与横杆4对应设置，滑台5内固定连接有驱动电机(图中未示出)，驱动电机的输出轴与一滚轮6同轴线固定连接。
如图1所示，当需要打印执行部沿底座1的短边方向的位置时，控制驱动电机带动滚轮6在横杆4上进行转动，滚轮6转动时即可带动滑台5在横杆4上沿底座1的短边方向进行移动。
进一步优化方案，角度调节组件包括固定连接在滑台5底部的转台15，转台15的底部固定连接有固定臂16的一端，固定臂16的另一端转动连接有旋转臂17的一端，旋转臂17的转轴方向与水平方向平行设置，固定臂16与旋转臂17之间设置有第二驱动组件，打印执行组件固定连接在旋转臂17的另一端。
如图4和图6所示，转台15内部设置有伺服电机，可带动固定臂16相对滑台5绕竖直轴线进行转动。第二驱动组件包括固定连接在固定臂16上的第四电机36，第四电机36的输出轴与旋转臂17的转轴固定连接。通过第四电机36的转动，可带动旋转臂17绕固定臂16的水平转轴进行转动。通过转台15和旋转臂17两个自由度的转动，增加了打印执行部的角度调整，使打印执行部可以相对底座1以任意的角度进行作业，增加了对复杂产品的生产便利性。
进一步优化方案，更换组件包括固定连接在一行走单元上的更换箱34，更换箱34的底部向上开设有若干放置孔30，若干材料喷头20分别插接在若干放置孔30内，放置孔30的顶部侧壁上固定连接有摩擦块29，摩擦块29与材料喷头20相适配，更换箱34内设置有更换执行单元，更换执行单元用于将一放置孔30内的材料喷头20自动更换到打印执行组件内。
如图6和图8所示，在生产有多重材料复合构成的产品时，可根据产品的材料使用情况，选取相应的材料喷头20预先插入到若干放置孔30内。材料喷头20预置到位后，其外壁与摩擦块29相贴合，利用摩擦块29与材料喷头20之间的摩擦力避免材料喷头20从更换箱34中直接掉落。
进一步优化方案，更换执行单元包括竖向滑动连接在更换箱34内的滑块26，滑块26与更换箱34之间固定连接有第三电动推杆27，滑块26上竖向固定连接有第四电机33，第四电机33的输出轴同轴线固定连接有转轴28的一端，转轴28的另一端设置有喷头抓取部，喷头抓取部位于更换箱34的底部，喷头抓取部用于抓取和释放材料喷头20。
进一步优化方案，喷头抓取部包括水平固定连接在转轴28远离第四电机33一端的更换臂23，更换臂23远离转轴28的一端开设有夹槽11，夹槽11的两相对侧壁上分别滑动连接有更换夹块14，材料喷头20对应设置在两更换夹块14之间，更换臂23内转动连接有双向丝杆32，两更换夹块14传动连接在双向丝杆32的两端，更换臂23内固定连接有第三电机31，第三电机31的输出轴与双向丝杆32的一端固定连接。
如图6和图8所示，当需要将更换箱34中的一材料喷头20更换到打印执行组件内时，可控制第三电动推杆27通过带动滑块26调整第四电机33的高度，使第四电机33通过转轴28带动更换臂23进行高度调整，使更换臂23的高度低于材料喷头20。之后，控制第四电机33转动，第四电机33通过转轴28使更换臂23上的夹槽11位于所要更换的材料喷头20的下方。再控制第三电动推杆27伸长，通过向上推动滑块26使第四电机33上升，第四电机33上升通过转轴28带动更换臂23上升至材料喷头20的头部位于夹槽11内。之后，控制第三电机31转动，第三电机31通过带动双向丝杆32转动带动两组更换夹块14向材料喷头20的方向靠近并夹固住材料喷头20。
之后，控制第三电动推杆27收缩，通过滑块26、第四电机33和转轴28使更换臂23下移，将材料喷头20从放置孔30中取出。再控制第四电机33转动，通过转轴28带动更换臂旋转，将材料喷头20转移到打印执行部处进行下一步更换工作。
进一步优化方案，更换臂23的底部固定连接有托臂24，托臂24的顶部与材料喷头20的底部对应设置，托臂24的底部固定连接有激光测距仪25，激光测距仪25通过监测托臂24相对底座1的高度来确定材料喷头20的安装高度。
如图6所示，在更换材料喷头20时，控制更换臂23的高度使托臂24的顶部与材料喷头20的底部贴合，通过激光测距仪25测量托臂24与底座1之间的距离，即可控制打印执行部处更换前后的材料喷头20的高度处于一致的状态，提高打印的精度，避免更换材料喷头导致产品生产精度降低。
进一步优化方案，打印执行组件包括固定连接在旋转臂17上的打印头7，打印头7内开设有工作槽35，材料喷头20插接在工作槽35内，工作槽35与打印头7之间设置有夹固部，夹固部用于将工作槽35内的材料喷头20夹固牢固。
如图4和图6所示，当工作槽35中没有安装材料喷头20时，第二电动推杆21收缩时固定夹块22远离工作槽35。当更换臂23将材料喷头20转移到位于工作槽35的下方且与工作槽35对齐时，第三电动推杆27通过向上推动滑块26使更换臂23带动材料喷头20抬升，使材料喷头20插入到工作槽35中，之后，第二电动推杆21伸长，将固定夹块22向材料喷头20的方向推动，使固定夹块22将材料喷头20夹固牢固。
进一步优化方案，打印头7内水平滑动连接裁截刀19，裁截刀19位于材料喷头20的上方且与工作槽35的内部对应设置，裁截刀19用于切断工作槽35内的材料，裁截刀19远离工作槽35的一端与打印头7之间固定连接有第一电动推杆18。
如图4所示，在需要取出工作槽35中的材料喷头20时，由于材料喷头20与工作槽35之间存在已打印的材料，需要将打印材料裁断才能使材料喷头20顺利取出。此时，可通过控制第一电动推杆18伸长来推动裁截刀19水平穿过工作槽35，将打印材料切断。
本实施例的工作过程如下：打印工作开始前，根据所打印产品的材料需要，在更换箱34的若干放置孔30内放入不同的材料喷头20。之后，通过控制转台15和第四电机36，使打印头7处于竖直向下的状态。通过控制第一电机10和滑台5内的驱动电机，使滑台5在横杆4上向靠近更换箱34的一端移动，同时调节横杆4的高度，使打印头7位于合适高度。
之后，控制第三电动推杆27和第四电机33使更换臂23位于更换箱34内所需的材料喷头20的下方，收缩第三电动推杆27使更换臂23抬升至材料喷头20位于夹槽11内，同时使托臂的顶部与材料喷头20的底部相抵，控制第三电机31使更换夹块14夹固住材料喷头20。控制第三电动推杆27收缩时更换臂23将材料喷头20从放置孔30中抽出。再控制第四电机33转动，使更换臂23带动材料喷头20转动到工作槽35的底部，在伸长第三电动推杆27，使更换臂23抬升，将材料喷头20插入到工作槽35中，再伸长第二电动推杆21使固定夹块22夹住牢材料喷头20即可开展打印工作。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，其特征在于，包括：
底座(1)，所述底座(1)的两长边侧之间设置有位置调整组件，所述位置调整组件内设置有角度调节组件，所述位置调整组件用于调整角度调节组件相对所述底座(1)的空间位置，所述角度调节组件的端部设置有打印执行组件，所述角度调节组件用于调节打印执行组件相对底座(1)的打印角度，所述打印执行组件内可拆卸连接有材料喷头(20)；
更换组件，所述更换组件设置在所述位置调整组件内，所述更换组件内可拆卸连接有若干材料喷头(20)，所述更换组件用于更换所述打印执行组件内的所述材料喷头(20)，并将更换下的所述材料喷头(20)进行暂存；
控制单元，所述位置调整组件、角度调节组件、打印执行组件和所述更换组件分别与所述控制单元电性连接；
所述位置调整组件包括两组行走单元，两组所述行走单元分别水平滑动连接在所述底座(1)的两相对边部，两组所述行走单元之间竖向滑动连接有横杆(4)，所述横杆(4)水平设置，所述横杆(4)的两端与两组所述行走单元之间分别设置有高度调节部，所述横杆(4)上滑动套设有滑台(5)，所述滑台(5)与所述横杆(4)设置有第一驱动部，所述角度调节组件设置在所述滑台(5)的底部；
所述更换组件包括固定连接在一所述行走单元上的更换箱(34)，所述更换箱(34)的底部向上开设有若干放置孔(30)，若干所述材料喷头(20)分别插接在若干所述放置孔(30)内，所述放置孔(30)的顶部侧壁上固定连接有摩擦块(29)，所述摩擦块(29)与所述材料喷头(20)相适配，所述更换箱(34)内设置有更换执行单元，所述更换执行单元用于将一所述放置孔(30)内的所述材料喷头(20)自动更换到所述打印执行组件内；
所述更换执行单元包括竖向滑动连接在所述更换箱(34)内的滑块(26)，所述滑块(26)与所述更换箱(34)之间固定连接有第三电动推杆(27)，所述滑块(26)上竖向固定连接有第四电机(33)，所述第四电机(33)的输出轴同轴线固定连接有转轴(28)的一端，所述转轴(28)的另一端设置有喷头抓取部，所述喷头抓取部位于所述更换箱(34)的底部，所述喷头抓取部用于抓取和释放材料喷头(20)；
所述喷头抓取部包括水平固定连接在所述转轴(28)远离所述第四电机(33)一端的更换臂(23)，所述更换臂(23)远离所述转轴(28)的一端开设有夹槽(11)，所述夹槽(11)的两相对侧壁上分别滑动连接有更换夹块(14)，所述材料喷头(20)对应设置在两所述更换夹块(14)之间，所述更换臂(23)内转动连接有双向丝杆(32)，两所述更换夹块(14)传动连接在所述双向丝杆(32)的两端，所述更换臂(23)内固定连接有第三电机(31)，所述第三电机(31)的输出轴与所述双向丝杆(32)的一端固定连接；
所述更换臂(23)的底部固定连接有托臂(24)，所述托臂(24)的顶部与所述材料喷头(20)的底部对应设置，所述托臂(24)的底部固定连接有激光测距仪(25)，所述激光测距仪(25)通过监测托臂(24)相对所述底座(1)的高度来确定材料喷头(20)的安装高度。
2.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，其特征在于：所述角度调节组件包括固定连接在所述滑台(5)底部的转台(15)，所述转台(15)的底部固定连接有固定臂(16)的一端，所述固定臂(16)的另一端转动连接有旋转臂(17)的一端，所述旋转臂(17)的转轴方向与水平方向平行设置，所述固定臂(16)与所述旋转臂(17)之间设置有第二驱动组件，打印执行组件固定连接在所述旋转臂(17)的另一端。
3.根据权利要求2所述的一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，其特征在于：所述打印执行组件包括固定连接在所述旋转臂(17)上的打印头(7)，所述打印头(7)内开设有工作槽(35)，所述材料喷头(20)插接在所述工作槽(35)内，所述工作槽(35)与所述打印头(7)之间设置有夹固部，所述夹固部用于将所述工作槽(35)内的所述材料喷头(20)夹固牢固。
4.根据权利要求3所述的一种玄武岩纤维复合材料3D打印工艺设备，其特征在于：所述打印头(7)内水平滑动连接裁截刀(19)，所述裁截刀(19)位于所述材料喷头(20)的上方且与所述工作槽(35)的内部对应设置，所述裁截刀(19)用于切断所述工作槽(35)内的材料，所述裁截刀(19)远离所述工作槽(35)的一端与所述打印头(7)之间固定连接有第一电动推杆(18)。
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