CN211279758U - 连续纤维增强复合材料3d打印机剪切机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，包括剪切刀、驱动机构、喷头机构和耦合控制系统，所述喷头机构包括散热风扇和喷头主体，所述散热风扇包括风扇叶和风扇支架，于喷头主体上间隔设置若干片散热片和两条对称的送料管路，所述送料管路包括喉管、连接件、加热环、喷嘴和快速接头，剪切刀的一侧连接驱动机构，另一侧伸入喷头主体上的安装槽内。本实用新型通过安装剪切机构，增强了连续纤维类复合材料3D打印的灵活性，降低了纤维连续性对3D打印路径规划的限制，实现含纤维零件的功能化设计和快速化制造，剪切机构配套耦合控制系统有利于提升连续纤维增强热塑性复合材料3D打印成型件的表面质量和力学性能。

Description

连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构

技术领域

本实用新型涉及3D打印机技术领域，尤其涉及连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构。

背景技术

随着3D打印技术的快速发展，3D打印技术在连续纤维增强热塑性复合材料的快速成型领域已经得到了初步的应用。连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印技术具有较大的制造柔性，通过3D打印机喷嘴对基本材料进行熔融混合并且分层堆积成型，可以实现复杂结构件的快速成型以及零件的功能化设计与制造等复杂任务。

对于连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印，在逐层堆积成型的过程中，层与层之间需要切断连续纤维，单层内的多个闭合打印路径之间需要切断连续纤维，一些特殊的打印位置也需要切断连续纤维，以减少3D打印层间和层内的材料干涉、形变、内应力和空隙等成型缺陷，保证连续纤维增强热塑性复合材料3D打印成型件的表面质量和力学性能。现有技术未涉及对剪切机构的剪切刀具体结构、传动结构和动力源的设计，未涉及对剪切运动与3D打印运动的耦合控制系统的设计。

实用新型内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，从而满足连续纤维增强热塑性复合材料3D打印过程中连续纤维的剪断请求，还可以应用于对3D打印过程中不易于熔融断裂材料的剪断处理，保证3D打印成型件的表面质量和力学性能。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，包括剪切刀、驱动机构、喷头机构和耦合控制系统，所述喷头机构包括散热风扇和喷头主体，所述散热风扇包括风扇叶和风扇支架，所述风扇支架通过若干个紧固螺钉与喷头主体的一侧表面螺接，于喷头主体与散热风扇的连接处、在喷头主体的表面上均匀开设若干条散热槽，所述散热槽将喷头主体的表面切割形成若干片间隔设置的散热片，于所述喷头主体上对称设置两条送料管路，所述送料管路包括喉管、连接件、加热环、喷嘴和快速接头，于喷头主体的顶部固接快速接头，于喷头主体的底部设置喉管，所述喉管通过连接件与加热环相连，于加热环的下方设置喷嘴；自喷头主体的一侧向内开设贯穿相邻送料管路的安装槽，于所述安装槽的同侧设置剪切刀，所述剪切刀为L型结构，剪切刀的一侧连接驱动机构，剪切刀的另一侧伸入所述安装槽内。

本实用新型的进一步技术方案如下：

所述剪切刀包括刀身，于剪切刀与驱动机构连接的一侧、在刀身上开设若干安装孔，于剪切刀伸入安装槽的一侧、在刀身的端部设置刀刃，所述刀刃为正向锐角刀刃或反向锐角刀刃；

所述快速接头通过贯穿喷头主体的管路连接喉管；

所述驱动机构为气缸驱动机构、直线驱动机构、齿传动机构、凸轮驱动机构或曲柄滑块机构；

所述气缸驱动机构包括气缸缸体、气缸导轨和气缸动子，所述气缸动子的一侧与刀身固接，气缸动子的另一侧通过气缸导轨连接气缸缸体；

所述直线驱动机构包括直线驱动定子、直线驱动动子，所述直线驱动动子的一端与刀身固接，直线驱动动子的另一端插接于直线驱动定子内；

所述齿传动机构包括齿条、齿轮和圆周旋转电机，所述齿条的一端与刀身固接，齿轮与齿条相互啮合，于所述齿轮的中心开设通孔，圆周旋转电机的输出轴穿过所述通孔与齿轮配合；

所述凸轮驱动机构包括导向架、弹簧、凸轮和圆周旋转电机，所述弹簧通过导向架安装于喷头主体与刀身之间，于凸轮的中心开设通孔，圆周旋转电机的输出轴穿过所述通孔与凸轮配合，所述凸轮的侧面靠接于刀身外沿；

所述曲柄滑块机构包括一级曲柄、二级曲柄、滑块、直线导轨和圆周旋转电机，所述一级曲柄的一端开设有用于与圆周旋转电机的输出轴配合的通孔，一级曲柄的另一端与二级曲柄的一端铰接，所述二级曲柄的另一端与滑块铰接，所述滑块设置于直线导轨中，所述滑块的一侧面与刀身固接。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型结构紧凑、合理，通过设计连续纤维增强热塑性复合材料3D打印机剪切机构，增强了连续纤维类复合材料3D打印的灵活性，降低了纤维连续性对3D打印路径规划的限制；剪切机可以帮助完成各种个性化和定制化的3D打印路径规划，实现连续纤维增强热塑性复合材料零件的功能化设计和快速化制造；剪切机构可配套耦合控制系统使用，有利于提升连续纤维增强热塑性复合材料3D打印成型件的表面质量和力学性能。

附图说明

图1为本实用新型的正方向锐角剪切刀结构示意图。

图2为本实用新型的负方向锐角剪切刀结构示意图。

图3为本实用新型的气缸驱动结构示意图。

图4为本实用新型的电动直线驱动结构示意图。

图5为本实用新型的齿轮齿条驱动结构示意图。

图6为本实用新型的凸轮驱动结构示意图。

图7为本实用新型的曲柄滑块驱动结构示意图。

其中：1、剪切刀；101、刀身；102、安装孔；103、正向锐角刀刃；104、反向锐角刀刃；2、散热风扇；201、风扇叶；202、风扇支架；3、喷头主体；301、散热片；302、紧固螺钉；303、散热槽；304、安装槽；4、喉管；5、连接件；6、加热环；7、喷嘴；8、快速接头；9、气缸驱动机构；901、气缸缸体；902、气缸导轨；903、气缸动子；10、直线驱动机构；1001、直线驱动定子；1002、直线驱动动子；11、齿传动机构；1101、齿条；1102、齿轮；1103、圆周旋转电机；12、凸轮驱动机构；1201、导向架；1202、弹簧；1203、凸轮；13、曲柄滑块机构；1301、一级曲柄；1302、二级曲柄；1303、滑块；1304、直线导轨。

具体实施方式

下面结合附图，说明本实用新型的具体实施方式。

如图1～7所示，本实用新型包括剪切刀1、驱动机构、喷头机构和耦合控制系统，喷头机构包括散热风扇2和喷头主体3，散热风扇2包括风扇叶201和风扇支架202，风扇支架202通过若干个紧固螺钉302与喷头主体3的一侧表面螺接，于喷头主体3与散热风扇2的连接处、在喷头主体3的表面上均匀开设若干条散热槽303，散热槽303将喷头主体3的表面切割形成若干片间隔设置的散热片301，于喷头主体3上对称设置两条送料管路，送料管路包括喉管4、连接件5、加热环6、喷嘴7和快速接头8，于喷头主体3的顶部固接快速接头8，于喷头主体3的底部设置喉管4，喉管4通过连接件5与加热环6相连，于加热环6的下方设置喷嘴7；自喷头主体3的一侧向内开设贯穿相邻送料管路的安装槽304，于安装槽304的同侧设置剪切刀1，剪切刀1为L型结构，剪切刀1的一侧连接驱动机构，剪切刀1的另一侧伸入安装槽304内。

剪切刀1包括刀身101，于剪切刀1与驱动机构连接的一侧、在刀身101上开设若干安装孔102，于剪切刀1伸入安装槽304的一侧、在刀身101的端部设置刀刃，刀刃为正向锐角刀刃103或反向锐角刀刃104。快速接头8通过贯穿喷头主体3的管路连接喉管4。

驱动机构为气缸驱动机构9、直线驱动机构10、齿传动机构11、凸轮驱动机构12或曲柄滑块机构13。

如图3所示，气缸驱动机构9包括气缸缸体901、气缸导轨902和气缸动子903，气缸动子903的一侧与刀身101固接，气缸动子903的另一侧通过气缸导轨902连接气缸缸体901。

如图4所示，直线驱动机构10包括直线驱动定子1001、直线驱动动子1002，直线驱动动子1002的一端与刀身101固接，直线驱动动子1002的另一端插接于直线驱动定子1001内。

如图5所示，齿传动机构11包括齿条1101、齿轮1102和圆周旋转电机1103，齿条1101的一端与刀身101固接，齿轮1102与齿条1101相互啮合，于齿轮1102的中心开设通孔，圆周旋转电机1103的输出轴穿过通孔与齿轮1102配合。

如图6所示，凸轮驱动机构12包括导向架1201、弹簧1202、凸轮1203和圆周旋转电机1103，弹簧1202通过导向架1201安装于喷头主体3与刀身101之间，于凸轮1203的中心开设通孔，圆周旋转电机1103的输出轴穿过通孔与凸轮1203配合，凸轮1203的侧面靠接于刀身101外沿。

如图7所示，曲柄滑块机构13包括一级曲柄1301、二级曲柄1302、滑块1303、直线导轨1304和圆周旋转电机1103，一级曲柄1301的一端开设有用于与圆周旋转电机1103的输出轴配合的通孔，一级曲柄1301的另一端与二级曲柄1302的一端铰接，二级曲柄1302的另一端与滑块1303铰接，滑块1303设置于直线导轨1304中，滑块1303的一侧面与刀身101固接。

本实用新型的具体装配方式如下：

将剪切刀1安装至喷头机构上的安装槽304中，将驱动机构和剪切刀1连接，通过外接电路将驱动机构和喷头机构与耦合控制器连接。

其中剪切刀1为L型结构，剪切刀1伸入安装槽304中的一面为较长的底面，所述底面与安装槽304平行，另一面为较短的侧面，所述侧面与安装槽304垂直，在剪切刀1的侧面上开设若干安装孔102，通过所述安装孔102可将剪切刀1螺接至驱动机构的不同部位。剪切刀1的刀刃为斜面结构，刀刃呈锐角以确保刀刃的锋利度，依据刀刃锐角方向不同可以将剪切刀1分别刀刃角度小于+90°的正向锐角刀刃103或刀刃角度大于-90°的反向锐角刀刃104。(刀刃角度为剪切刀1带有刀刃的一面靠于水平面上、带有安装孔102的一面位于右侧时，水平面顺时针旋转至与刀刃斜面重合时转过的角度，并规定水平面初始旋转方向朝上时刀刃角度为正，水平面初始旋转方向朝下时刀刃角度为负)刀身101采用刚性较强的材料，不易产生弯折，在保证剪切运动过程中不产生影响剪切运动的形变和断裂的条件下，尽量使剪切刀1满足轻量化和小巧化的设计。正向锐角刀刃103要求其底面与安装槽304的下表面相贴合，反向锐角刀刃104要求其底面与安装槽304的上表面相贴合，以保证剪切运动的准确性和稳定性。

本实施例中，驱动机构可以分为气缸驱动机构9、直线驱动机构10、齿传动机构11、凸轮驱动机构12或曲柄滑块机构13，实际使用过程中，可以根据需要调整驱动机构的形式，通过驱动机构可以将动力源的直线往复运动或圆周运动传递给剪切刀1以实现剪切刀1的直线往复运动。气缸驱动机构9采用双柱形的气缸导轨902，能保证气缸运动的稳定性，通过气缸的直线往复运动实现连续纤维的剪断处理。直线驱动机构10中动力源包括电动缸、音圈电机和直线电机等，直线驱动动子1002与剪切刀1相连接以带动剪切刀1直线往复运动，实现连续纤维的剪断处理。齿传动机构11中，通过齿条1101和齿轮1102将圆周旋转电机1103的旋转运动转换成剪切刀1的直线往复运动，实现连续纤维的剪断处理。凸轮驱动机构12中，剪切刀1与导向架1201和弹簧1202连接，导向架1201由两段圆柱组成并分别固接在剪切刀1上和喷头主体3上，弹簧1202套接于弹簧导向架1201上以确保弹簧1202的作用方向始终平行于剪切方向，凸轮1203的侧边靠接在剪切刀1的侧面上沿，在凸轮驱动机构12中，剪切刀1固定于水平滑轨或其他水平导向结构中，通过凸轮1203滚动推动剪切刀1运动，将电机的旋转运动转换成剪切刀1的直线切割运动，并通过弹簧1202的作用力使剪切刀1在每次切割后恢复至初始位置，实现连续纤维的剪断处理。曲柄滑块机构13能将电机的旋转运动转换成剪切刀1的直线往复运动，实现连续纤维的剪断处理，曲柄滑块机构13、凸轮驱动机构12和齿传动机构11中所用的圆周旋转电机1103可为步进电机、伺服电机或带编码器的直流电机等。

用于协调剪切运动与3D打印运动的耦合控制系统还包括剪切运动控制器、3D打印运动控制器以及耦合运动控制器，所述剪切运动控制器主要控制剪切机构的剪切运动，所述3D打印运动控制器主要控制3D打印机的X、Y、Z轴运动、送丝机构运动以及其它的3D打印机辅助运动，所述耦合运动控制器主要功能是给剪切运动控制器和3D打印运动控制器发送协调运动的控制指令，使剪切运动和3D打印运动相互配合实现高品质的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印。

连接件5和喷嘴7可以为一体式结构，也可以为分体式结构。安装槽304必须贯穿且仅可贯穿一条送料管路，安装槽304应开设在送料管路入口与喷嘴7末端之间。其中一条送料管路中通过需要切断的连续纤维，另一条送料管路中通入高温熔融的热塑性树脂，剪切刀1必须设置在通入连续纤维的送料管路同侧，但在设置剪切刀1之前，两条送料管路中所通的原料可以互换。在喷头主体3上开设若干条散热槽303，并通过散热槽303将喷头主体3的表面分隔形成若干片散热片301，用于在散热风扇2的配合下，实现高效散热。

本实用新型的具体使用方法如下：

第一步，通过耦合控制器实时检测G-code文件(一种3D打印指令集文件)的当前指令与下一个指令，如果下一个指令触发剪切信号则将打印速度设置成预设的剪切打印速度，剪切打印速度要低于普通打印速度，适合精细化加工。

第二步，触发剪切信号，控制剪切机构对刀刃处的纤维材料执行剪断动作，此时切断处至喷嘴7挤出口的纤维长度是已知且固定的，可以直接从喷头主体3上测得。

第三步，控制3D打印喷头以剪切打印速度稳定地将已知固定长度的切断纤维打印完全。

第四步，控制剪切机构运动至初始位置，同时控制3D打印机构运动至下一个打印起始位置，同时控制加热模块达到打印温度。

第五步，控制送丝机构将连续纤维进给至喷嘴7处，进给量是已知固定的切断处至喷嘴7挤出口的距离。

第六步，检测3D打印指令集G-code文件，执行下一步打印任务。

以上六个步骤循环进行，实现高品质的连续纤维增强热塑性复合材料3D打印，本实用新型主要针对连续纤维增强热塑性复合材料的3D打印过程中连续纤维剪断请求，还可以应用于对3D打印过程中不易于熔融断裂的材料进行剪断处理，以保证3D打印成型件的表面质量和力学性能。

以上描述是对本实用新型的解释，不是对实用新型的限定，本实用新型所限定的范围参见权利要求，在本实用新型的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：包括剪切刀(1)、驱动机构、喷头机构和耦合控制系统，所述喷头机构包括散热风扇(2)和喷头主体(3)，所述散热风扇(2)包括风扇叶(201)和风扇支架(202)，所述风扇支架(202)通过若干个紧固螺钉(302)与喷头主体(3)的一侧表面螺接，于喷头主体(3)与散热风扇(2)的连接处、在喷头主体(3)的表面上均匀开设若干条散热槽(303)，所述散热槽(303)将喷头主体(3)的表面切割形成若干片间隔设置的散热片(301)，于所述喷头主体(3)上对称设置两条送料管路，所述送料管路包括喉管(4)、连接件(5)、加热环(6)、喷嘴(7)和快速接头(8)，于喷头主体(3)的顶部固接快速接头(8)，于喷头主体(3)的底部设置喉管(4)，所述喉管(4)通过连接件(5)与加热环(6)相连，于加热环(6)的下方设置喷嘴(7)；

自喷头主体(3)的一侧向内开设贯穿同侧送料管路的安装槽(304)，于所述安装槽(304)的同侧设置剪切刀(1)，所述剪切刀(1)为L型结构，剪切刀(1)的一侧连接驱动机构，剪切刀(1)的另一侧伸入所述安装槽(304)内。

2.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述剪切刀(1)包括刀身(101)，于剪切刀(1)与驱动机构连接的一侧、在刀身(101)上开设若干安装孔(102)，于剪切刀(1)伸入安装槽(304)的一侧、在刀身(101)的端部设置刀刃，所述刀刃为正向锐角刀刃(103)或反向锐角刀刃(104)。

3.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述快速接头(8)通过贯穿喷头主体(3)的管路连接喉管(4)。

4.如权利要求1所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述驱动机构为气缸驱动机构(9)、直线驱动机构(10)、齿传动机构(11)、凸轮驱动机构(12)或曲柄滑块机构(13)。

5.如权利要求4所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述气缸驱动机构(9)包括气缸缸体(901)、气缸导轨(902)和气缸动子(903)，所述气缸动子(903)的一侧与刀身(101)固接，气缸动子(903)的另一侧通过气缸导轨(902)连接气缸缸体(901)。

6.如权利要求4所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述直线驱动机构(10)包括直线驱动定子(1001)、直线驱动动子(1002)，所述直线驱动动子(1002)的一端与刀身(101)固接，直线驱动动子(1002)的另一端插接于直线驱动定子(1001)内。

7.如权利要求4所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述齿传动机构(11)包括齿条(1101)、齿轮(1102)和圆周旋转电机(1103)，所述齿条(1101)的一端与刀身(101)固接，齿轮(1102)与齿条(1101)相互啮合，于所述齿轮(1102)的中心开设通孔，圆周旋转电机(1103)的输出轴穿过所述通孔与齿轮(1102)配合。

8.如权利要求4所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述凸轮驱动机构(12)包括导向架(1201)、弹簧(1202)、凸轮(1203)和圆周旋转电机(1103)，所述弹簧(1202)通过导向架(1201)安装于喷头主体(3)与刀身(101)之间，于凸轮(1203)的中心开设通孔，圆周旋转电机(1103)的输出轴穿过所述通孔与凸轮(1203)配合，所述凸轮(1203)的侧面靠接于刀身(101)外沿。

9.如权利要求4所述的连续纤维增强复合材料3D打印机剪切机构，其特征在于：所述曲柄滑块机构(13)包括一级曲柄(1301)、二级曲柄(1302)、滑块(1303)、直线导轨(1304)和圆周旋转电机(1103)，所述一级曲柄(1301)的一端开设有用于与圆周旋转电机(1103)的输出轴配合的通孔，一级曲柄(1301)的另一端与二级曲柄(1302)的一端铰接，所述二级曲柄(1302)的另一端与滑块(1303)铰接，所述滑块(1303)设置于直线导轨(1304)中，所述滑块(1303)的一侧面与刀身(101)固接。

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