CN215620029U - 连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置 - Google Patents
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Abstract
一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架及其上安装的步进电机模块，打印头支架和打印机连接；步进电机模块给剪切单元提供动力，剪切单元位于步进电机模块的下方，剪切单元连接在滑块上，滑块沿直线滑轨滑动，直线滑轨通过固定架安装在打印头支架上；剪切单元下方设有打印头，打印头固定在打印头支架上；打印时，剪切单元处于抬起状态；剪切时，步进电机推动剪切单元向下移动到达剪切位置，气缸推动剪切滑块向下运动，弧形刀头闭合，剪断纤维丝；剪切后，气缸带动剪切滑块向上运动，弧形刀头张开，步进电机拉动剪切单元向上运动复位，完成剪切过程；本实用新型装置结构简单，可靠性高，价格低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置。
背景技术
复合材料具有优异的使用性能，其比强度高、比刚度高、破损安全高、阻尼减震性好、抗疲劳性能好、可设计性强、耐腐蚀、便于大面积整体成型等独特优点，使其应用范围不断扩大，在航空航天等高技术领域得到了广泛的应用。
目前随着3D打印技术的快速发展，将3D打印技术应用到复合材料领域，从而诞生了连续纤维增强复合材料3D打印技术，不仅降低了复合材料的制造成本，而且有效的提高了其制造效率。但目前专门针对于复合材料3D打印技术开发的剪断装置还比较少，现有的剪断设备通常在打印头前面斩断纤维丝，然后通过二次重送完成接下来的打印过程，存在可靠性差，结构复杂，价格昂贵等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供了一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，装置结构简单，可靠性高，价格低廉，对常见的纤维增强复合材料均适用。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架1及其上面安装的步进电机模块2，打印头支架1和打印机连接；步进电机模块2给剪切单元3提供动力，剪切单元3位于步进电机模块2的下方，剪切单元3安装在滑块4上，滑块4在直线滑轨5上面滑动，直线滑轨5通过固定架7安装在打印头支架1上；剪切单元3下方设有打印头6，打印头6固定在打印头支架1上。
所述的滑块4和直线滑轨5共有两对，分别安装在剪切单元3的左右两侧。
所述的步进电机模块2包括步进电机21，步进电机21安装在电机安装板22上，电机安装板22连接在打印头支架1上，步进电机21电机轴和传动螺母23配合连接，传动螺母23连接在传动支架24上，传动支架24和剪切单元3连接。
所述的步进电机21的电机轴为丝杠，传动螺母23与电机轴之间通过螺纹传递动力，将电机轴旋转运动转化成传动螺母23的直线运动。
所述的剪切单元3包括气缸32，气缸32固定在剪切支架31上，剪切支架31和传动支架24连接；气缸32的活塞杆有螺纹孔，与U型支架33连接，U型支架33两端与左右两侧的剪切滑块35连接，剪切滑块35沿剪切滑轨34滑动，剪切滑轨34固定在剪切支架31上；剪切滑块35与连杆36上端通过固定轴37连接，连杆36能够绕固定轴37转动；连杆36另一端通过另一个固定轴37与弧形刀头39连接；弧形刀头39安装在壳体38上，壳体38固定在剪切支架31上。
所述的固定轴37与弧形刀头39、剪切滑块35上面的安装孔采用过盈配合安装，与连杆36之间为间隙配合，实现连杆36绕固定轴37的转动。
所述的壳体38内部设有滑道，弧形刀头39在壳体38的内部左右滑动，且壳体38为耐磨材料制作，并且在接触的位置添加润滑油。
所述的连杆36和与之连接的剪切滑块35、弧形刀头39共同构成一套双滑块结构，将来自气缸(32)的纵向运动转化成横向运动，实现弧形刀头(39)的开合。
所述的弧形刀头39由左弧形刀头391和右弧形刀头392组成，进行剪切时两个刀头对向运动，形成剪切力。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型创造性的提出了使用弧形刀头39剪切预浸纤维丝，在进行剪切过程中，首先将打印头支架1上移；启动步进电机21带动剪切单元3向下运动，打印头6中引出的纤维丝进入弧形刀头39中间；电磁阀控制气缸32使弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；由于纤维丝的横截面为圆形，在进行剪切时弧形刀头39相对于直刃剪刀受力更加均匀，能够更好保证剪断后的纤维截面保持原形状，不被压扁。
本实用新型使用双滑块机构传递剪切力，通过对双滑块机构的受力分析可知，当气缸32的推力一定时，剪刀的剪切力大小会随着弧形刀头39的闭合逐渐变大，所以双滑块机构能产生更大的剪切力，较好解决剪断不彻底的问题，并且对于常见的纤维都有较好地剪切效果。
本实用新型结构简单，布置更加合理，用纵向布置的方式实现了横向剪切，节约了打印头6位置的空间，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点，剪切单元3不会对二次打印造成干扰，确保3D打印连续性的技术效果。
附图说明
图1是本实用新型装置的结构示意图。
图2是本实用新型装置步进电机模块的示意图。
图3是本实用新型装置剪切单元的示意图。
图4是本实用新型装置壳体与弧形刀头安装的示意图。
图5是图4的A-A的剖面图。
图6是本实用新型装置剪切支架的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步描述。
参照图1，一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架1及其上安装的步进电机模块2、剪切单元3、滑块4、直线滑轨5、打印头6和固定架7，打印头支架1通过螺栓和打印机连接；步进电机模块2给剪切单元3提供动力，剪切单元3位于步进电机模块2的下方，剪切单元3连接在滑块4上，滑块4可以沿直线滑轨5滑动，直线滑轨5通过固定架7安装在打印头支架1上，滑块4和直线滑轨5共有两对，分别安装在剪切单元3的左右两侧；剪切单元3下方设有打印头6，打印头6通过螺栓固定在打印头支架1上，打印头6内部安装有加热棒和测温探头，可以将打印头6加热到设定的温度并保持温度恒定。
参照图2，所述的步进电机模块2包括步进电机21、电机安装板22、传动螺母23和传动支架24，步进电机21安装在电机安装板22上，电机安装板22通过螺栓连接固定在打印头支架1上，步进电机21电机轴和传动螺母23配合连接，传动螺母23连接在传动支架24上，传动支架24和剪切单元3连接。
所述的步进电机21的电机轴为丝杠，传动螺母23与电机轴之间通过螺纹传递动力，将电机轴旋转运动转化成传动螺母23的直线运动，传动螺母23通过传动支架24将运动传递给剪切单元3，从而使剪切单元3实现抬起下降动作。
参照图3、图4、图5和图6，所述的剪切单元3包括剪切支架31、气缸32、U型支架33、剪切滑轨34、剪切滑块35、连杆36、固定轴37、壳体38和弧形刀头39；气缸32固定在剪切支架31上，剪切支架31和传动支架24通过螺栓连接；气缸32的活塞杆有螺纹孔，并通过螺栓与U型支架33连接，U型支架33两端通过螺栓与左右两侧的剪切滑块35连接，将气缸32的伸缩运动传递给剪切滑块35；剪切滑块35沿剪切滑轨34滑动，剪切滑轨34固定在剪切支架31上；剪切滑块35与连杆36上端通过固定轴37连接，连杆36可以绕固定轴37转动；连杆36另一端通过另一固定轴37与弧形刀头39连接；弧形刀头39安装在壳体38上，壳体38通过螺栓固定在剪切支架31上，起到支撑作用；剪切支架31两侧通过滑块4、直线滑轨5与打印头支架1连结，在步进电机21的推动下可以实现上下滑动。
所述的固定轴37与弧形刀头39、剪切滑块35上面的安装孔采用过盈配合安装，与连杆36之间为间隙配合，实现连杆36绕固定轴37转动。
所述的壳体38内部设计有滑道，弧形刀头39在壳体38的内部左右滑动，且壳体38为耐磨材料制作，并且在接触的位置应该添加适量的润滑油，减小相对滑动时产生的摩擦阻力。
所述的连杆36和与之连接的剪切滑块35、弧形刀头39共同构成一套双滑块结构，将来自气缸32的纵向运动转化成横向运动，实现弧形刀头39的开合。
参照图5，所述的弧形刀头39由左弧形刀头391和右弧形刀头392组成，进行剪切时两个刀头对向运动，形成剪切力。
打印时，剪切单元3处于抬起状态；剪切时，步进电机21推动剪切单元3向下移动到达剪切位置，气缸32推动剪切滑块35向下运动，通过连杆36将纵向位移转变为横向位移，弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；剪切后，气缸32拉动剪切滑块35向上运动，弧形刀头39张开，步进电机21拉动剪切单元3上移，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点，完成剪切过程。
利用一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置的方法，包括以下步骤：
1)将打印头支架1上移；
2)启动步进电机21带动剪切单元3向下运动，打印头6中引出的纤维丝进入弧形刀头39中间；
3)电磁阀控制气缸32推动弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；
4)纤维丝剪断后，电磁阀控制气缸32使弧形刀头39张开；
6)步进电机21带动剪切单元3向上运动复位，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点；
7)将打印头支架1下移，开始执行剩余的打印指令。
3D打印玻璃纤维丝增强树脂基复合材料，到剪切点时，打印头支架1升高5mm，剪切单元3下降7mm，分别以3、4、5、6kgf/cm2的气压进行剪切，结果发现气缸32压力为3kgf/cm2时，纤维丝完全没有被剪断；气缸32压力为4、5kgf/cm2时，只有部分纤维丝被剪断，切口处有较多毛刺；气缸32压力为6kgf/cm2时，纤维丝完全被剪断，断口处比较平整，因此当气缸压力为6kgf/cm2时，玻璃纤维增强树脂基复合材料丝材剪断效果最好。
Claims (9)
1.一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架(1)及其上安装的步进电机模块(2)，打印头支架(1)和打印机连接；其特征在于：步进电机模块(2)给剪切单元(3)提供动力，剪切单元(3)位于步进电机模块(2)的下方，剪切单元(3)安装在滑块(4)上，滑块(4)在直线滑轨(5)上面滑动，直线滑轨(5)通过固定架(7)安装在打印头支架(1)上；剪切单元(3)下方设有打印头(6)，打印头(6)固定在打印头支架(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的滑块(4)和直线滑轨(5)共有两对，分别安装在剪切单元(3)的左右两侧。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的步进电机模块(2)包括有步进电机(21)，步进电机(21)安装在电机安装板(22)上，电机安装板(22)连接在打印头支架(1)上，步进电机(21)电机轴和传动螺母(23)配合连接，传动螺母(23)连接在传动支架(24)上，传动支架(24)和剪切单元(3)连接。
4.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的步进电机(21)的电机轴为丝杠，传动螺母(23)与电机轴之间通过螺纹传递动力，将电机轴旋转运动转化成传动螺母(23)的直线运动。
5.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的剪切单元(3)包括气缸(32)，气缸(32)固定在剪切支架(31)上，剪切支架(31)和传动支架(24)连接；气缸(32)的活塞杆有螺纹孔，与U型支架(33)连接，U型支架(33)两端与左右两侧的剪切滑块(35)连接；剪切滑块(35)沿剪切滑轨(34)滑动，剪切滑轨(34)固定在剪切支架(31)上；剪切滑块(35)与连杆(36)上端通过固定轴(37)连接，连杆(36)能够绕固定轴(37)转动；连杆(36)另一端通过另一个固定轴(37)与弧形刀头(39)连接；弧形刀头(39)安装在壳体(38)上，壳体(38)固定在剪切支架(31)上。
6.根据权利要求5所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的固定轴(37)与弧形刀头(39)、剪切滑块(35)上面的安装孔采用过盈配合安装，与连杆(36)之间为间隙配合，实现连杆(36)绕固定轴(37)的转动。
7.根据权利要求5所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的壳体(38)内部设有滑道，弧形刀头(39)在壳体(38)的内部左右滑动，且壳体(38)为耐磨材料制作，并且在接触的位置添加润滑油。
8.根据权利要求5所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的连杆(36)和与之连接的剪切滑块(35)、弧形刀头(39)共同构成一套双滑块结构，将来自气缸(32)的纵向运动转化成横向运动，实现弧形刀头(39)的开合。
9.根据权利要求5所述的一种连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置，其特征在于：所述的弧形刀头(39)由左弧形刀头(391)和右弧形刀头(392)组成，进行剪切时两个刀头对向运动，形成剪切力。
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Cited By (2)
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| CN113290861A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置和方法 |
| CN115042438A (zh) * | 2022-06-17 | 2022-09-13 | 南京航空航天大学 | 一种用于连续纤维预浸丝材的打印头结构 |
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