CN219153733U - 用于连续纤维复合材料的3d打印头及3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D打印领域，更具体地，涉及用于连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备。一种用于连续纤维复合材料的3D打印头，包括安装板、纤维喷头单元和树脂喷头单元，纤维喷头单元包括进丝机构和剪切机构，进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构、丝材驱动组件、喷出结构、纤维加热块以及纤维喷头。还提供一种用于连续纤维复合材料的3D打印设备，包括机器人底座、机械臂、安装架、送丝机构、打印平台、变位机以及上述的3D打印头。本实用新型针对连续纤维打印连续不断的特殊性，在喷出结构和纤维加热块之间设置剪切机构，当需要跳点打印时，能够及时有效地剪断丝材，从而提升了路径规划自由度和产品的成形质量。

Description

用于连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，更具体地，涉及一种用于连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备。

背景技术

目前，将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料成为了一种新兴的复合材料制造工艺，相比于传统的成形工艺，3D打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂结构零件的一体化成形，无需模具与复合材料连接工艺，为轻质复杂结构的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。

连续碳纤维复合材料3D打印最简易工艺模型由三部分组成，分别为材料本身、喷头区域、切片与控制。目前的连续碳纤维3D打印研究更多集中以碳纤维短纤维改性材料或连续碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料上。而打印喷头方面，更多采用双喷头结构，其中一个喷头输送热塑性树脂，另一个喷头输送连续碳纤维线材，通过加热对热塑性树脂熔融，将碳纤维线材与热塑性基质材料混合后一起挤出，通过类似FDM工艺进行碳纤维复合材料的3D打印。且目前的连续纤维3D打印装备多为三轴打印机。现有的一些连续碳纤维打印通过将纤维线材与热塑性基质材料混合后一起挤出，由于连续碳纤维是连续不断的长丝，在打印过程中，丝材铺放路径将与打印头移动路径一致。但是在实际打印过程中，绝大多数所打印的零件无法实现碳纤维丝连续铺放不间断打印出零件，不可避免的需要出现打印过程中跳点打印，但目前打印设备在此过程中连续纤维不断，会影响所打印零件的质量，或在打印过程中出现与所需零件部分不符等问题。并且目前的连续纤维3D打印机多为三轴系统且打印平台范围相对较小，无法充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围。

实用新型内容

本实用新型为克服上述背景技术中所述的目前打印设备在此过程中连续纤维不断，会影响所打印零件的质量，或在打印过程中出现与所需零件部分不符等问题，提供一种连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备。本实用新型能够实现灵活的跳点打印，保证打印质量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于连续纤维复合材料的3D打印头，包括安装板以及位于所述安装板相对两侧的纤维喷头单元和树脂喷头单元，所述安装板上开设有安装孔，所述纤维喷头单元包括进丝机构和剪切机构，所述进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构、丝材驱动组件、喷出结构、纤维加热块以及纤维喷头，所述纤维喷头连接在所述纤维加热块的出口端，所述剪切机构包括剪刀以及用于带动所述剪刀完成剪切动作的剪切气缸，所述剪切气缸的缸体设于所述安装板上，所述剪刀连接于所述剪切气缸的输出端，所述剪刀的剪切口位于所述喷出结构与所述纤维加热块之间。

进一步的，所述进给结构包括第一导向柱、第一安装块和用于连接外部纤维输入源的转接头，所述第一安装块固定安装于所述安装板上，所述第一安装块上开设有贯通的第一通道，所述转接头对接在所述第一通道的入口端，所述第一导向柱对接在所述第一通道的出口端。

进一步的，所述丝材驱动组件包括同步轮、用于带动所述同步轮转动的驱动装置、与所述同步轮配合夹持住丝材的惰轮，所述驱动装置安装在所述安装孔中，所述同步轮与所述驱动装置的输出端连接，所述安装板上设有惰轮安装结构，所述惰轮安装结构的一端设有轴承，所述惰轮安装于所述轴承上，所述惰轮与所述同步轮相对且间隔设置。

进一步的，所述喷出结构包括散热管、第二安装块以及第二导向柱，所述第二安装块固定安装于所述安装板上，所述第二安装块开设有贯通的第二通道，所述散热管对接在所述第二通道的入口端，所述第二导向柱一端对接在所述第二通道的出口端、另一端正对所述纤维加热块的入口端。

进一步的，纤维喷头单元还包括用于散热的第一风扇组件，所述安装板在与所述剪刀正对的位置开设有若干进风口，所述第一风扇组件包括设于所述安装板上的第一安装座以及安装在所述第一安装座上的第一风扇，所述第一风扇的出风方向正对所述进风口。

进一步的，所述驱动装置为电机，所述同步轮连接在所述电机的输出轴上。

进一步的，所述树脂喷头单元包括滑台气缸、喷头安装板、树脂加热块、树脂喷头以及用于连接外部树脂输入源的树脂输入管，所述滑台气缸的缸体安装在所述安装板上，所述喷头安装板固定连接在所述滑台气缸的输出端，所述树脂加热块连接在所述喷头安装板上，所述树脂加热块上设有贯穿的通道，所述树脂输入管连接在所述树脂加热块的入口端，所述树脂喷头连接在所述树脂加热块的出口端，所述树脂输入管的外壁上套设有散热块。

进一步的，所述树脂喷头单元还包括用于散热的第二风扇组件，所述第二风扇组件包括第二风扇以及第二安装座，第二安装座垂直连接于所述安装板上，所述第二风扇安装于所述第二安装座上并正对所述散热块。

为了解决上述连续纤维3D打印机多为三轴系统且打印平台范围相对较小，无法充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围的问题。还提供一种用于连续纤维复合材料的3D打印设备，包括机器人底座、机械臂、安装架、送丝机构、打印平台、变位机以及上述的3D打印头，所述机械臂安装在所述机器人底座上，所述送丝机构设于所述机械臂上，所述安装架可拆卸连接于所述机械臂的端部，所述打印平台设于所述变位机的顶部，所述3D打印头上的安装板与所述安装架连接，所述3D打印头位于所述打印平台的上方。

进一步的，所述机械臂为六轴机械臂。

与现有技术相比，有益效果是：

1、本实用新型针对连续纤维打印连续不断的特殊性，在喷出结构和纤维加热块之间设置剪切机构，当需要跳点打印时，能够及时有效地剪断丝材，从而提升了路径规划自由度和产品的成形质量。

2、本实用新型采用机器人控制打印头的移动，实现了3d打印装备的多自由度打印，弱化了制件的各向异性缺陷，提高了制件的成形质量。并且充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围，而提高3D打印装备的运动自由度。

附图说明

图1是实施例1在纤维喷头单元一侧的结构示意图。

图2是实施例1在树脂喷头单元一侧的结构示意图。

图3是实施例1中滑台气缸伸出时的结构示意图。

图4是实施例3的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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实用新型和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。

本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，代表的具体关系可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，其可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

本实施例提供一种用于连续纤维复合材料的3D打印头，参考图1至图3，包括安装板10以及位于安装板10相对两侧的纤维喷头单元和树脂喷头单元，安装板10上开设有安装孔，纤维喷头单元包括进丝机构和剪切机构7，进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构2、丝材驱动组件3、喷出结构4、纤维加热块5以及纤维喷头6，纤维喷头6连接在纤维加热块5的出口端，剪切机构7包括剪刀72以及用于带动剪刀72完成剪切动作的剪切气缸71，剪切气缸71的缸体设于安装板10上，剪刀72连接于剪切气缸71的输出端，剪刀72的剪切口位于喷出结构4与纤维加热块5之间。这样，连续丝材到达纤维喷头单元后，经过进给机构、丝材驱动组件3、喷出结构4、纤维加热块5以及纤维喷头6将连续丝材进行喷出打印，喷出结构4与纤维加热块5之间存在一定的间隙，当需要跳点打印时，剪切机构7的剪刀72能够在此间隙将连续丝材剪断，实现了跳点打印，从而提升了路径规划自由度和成形质量。

进给结构2包括第一导向柱23、第一安装块22和用于连接外部纤维输入源的转接头21，第一安装块22固定安装于安装板10上，第一安装块22上开设有贯通的第一通道，转接头21对接在第一通道的入口端，第一导向柱23对接在第一通道的出口端；丝材驱动组件3包括同步轮33、用于带动同步轮33转动的驱动装置31、与同步轮33配合夹持住丝材的惰轮32，驱动装置31安装在安装孔11中，同步轮33与驱动装置31的输出端连接，安装板10上设有惰轮安装结构35，惰轮安装结构35的一端设有轴承34，惰轮32安装于轴承34上，惰轮32与同步轮33相对且间隔设置；喷出结构4包括散热管41、第二安装块42以及第二导向柱43，第二安装块42固定安装于安装板10上，第二安装块42开设有贯通的第二通道，散热管41对接在第二通道的入口端，第二导向柱43一端对接在第二通道的出口端、另一端正对纤维加热块5的入口端。本实施例中，驱动装置31采用伺服电机，同步轮33连接在电机的输出轴上。本实施例中，惰轮安装结构35包括轴承安装条38、惰轮安装板36和压片37，压片37将轴承安装条38压接安装于惰轮安装板36上，轴承安装条38的端部安装有轴承34，惰轮32安装在该轴承34上。

本实施例中，纤维喷头单元还包括用于散热的第一风扇组件8，安装板10在与剪刀72正对的位置开设有若干进风口83，第一风扇组件8包括设于安装板10上的第一安装座81以及安装在第一安装座81上的第一风扇82，第一风扇82的出风方向正对进风口83。第一风扇82能够进一步帮助纤维丝材散热。

如图2和图3所示，树脂喷头单元包括滑台气缸91、喷头安装板92、树脂加热块94、树脂喷头95以及用于连接外部树脂输入源的树脂输入管93，滑台气缸91的缸体安装在安装板10上，喷头安装板92固定连接在滑台气缸91的输出端，树脂加热块94连接在喷头安装板92上，树脂加热块94上设有贯穿的通道，树脂输入管93连接在树脂加热块94的入口端，树脂喷头95连接在树脂加热块94的出口端，树脂输入管93的外壁上套设有散热块。

本实施例在实际使用时，丝材到达纤维喷头单元后从转接头21进入，依次通过第一通道和第一导向柱23，到达丝材驱动组件3处，第一导向柱23的出口正对同步轮33与惰轮32之间的间隙，送丝过程中由电机提供动力，同步轮33安装于电机上，与惰轮32相互配合作用夹持住丝材。因为惰轮32安装于轴承34上，当同步轮33顺转时，由于摩擦力，丝材会被送出且惰轮32跟随着丝材送出作旋转动作。最终丝材经过散热管41和第二导向柱43到达纤维加热块5中，再通过纤维喷头6喷出。当打印过程中需要为了跳点而剪切丝材时，由电磁阀控制剪切气缸71动作，带动剪刀72完成剪切运动来剪切丝材，从而实现纤维复合材料的跳点打印。

树脂丝材送丝由送丝机构202实现，工作原理与纤维复合材料的送丝原理大致相同。当需要打印树脂时，如图所示，由电磁阀控制的滑台气缸91动作，将树脂打印喷头带动向下伸出，树脂丝材到达树脂喷头单元后从树脂输入管93进入后经过树脂加热块94加热后，在通过树脂喷头95喷出，从而实现树脂打印，避免了干涉。当需要打印纤维复合材料时，滑台气缸91动作，将树脂打印喷头收回。

本实施例针对连续纤维打印的特殊性，在喷出结构4和纤维加热块5之间，设置剪切机构7，当需要跳点打印时，能够及时有效地剪断丝材，从而提升了路径规划自由度和产品的成形质量。

实施例2

本实施例为实施例1的进一步优选实施方式，在本实施例中：树脂喷头单元还包括用于散热的第二风扇组件96，第二风扇组件96包括第二风扇98以及第二安装座97，第二安装座97垂直连接于安装板10上，第二风扇98安装于第二安装座97上并正对散热块。这样，设置第二风扇98也能够帮助树脂丝材进一步散热。

实施例3

本实施例为一种用于连续纤维复合材料的3D打印设备，如图4所示，包括机器人底座200、机械臂201、安装架203、送丝机构202、打印平台300、变位机400以及实施例1中的3D打印头1，机械臂201安装在机器人底座200上，送丝机构202设于机械臂201上，安装架203可拆卸连接于机械臂201的端部，打印平台300设于变位机400的顶部，3D打印头1上的安装板10与安装架203连接，3D打印头1位于打印平台300的上方；机械臂201为六轴机械臂201。这样，3D打印头1上集成了树脂喷头95和纤维喷头6。本实施例将该3D打印头1结合到机器人上，机器人打印的工作原理是程序控制机器人动作和电机送丝等动作，机器人动作的路线由打印的路径决定并且经过一层又一层的打印堆叠，最终形成一件由增材制造工艺制作的物件。纤维送丝和树脂丝材分别由送丝机构202(一般采用铁氟龙管作运输管道)，最终分别送往纤维喷头单元和树脂喷头单元。机械臂201端部设置法兰，用于安装该安装架203，安装架203与机械臂201可拆卸连接，可根据需求进行更换打印头，纤维喷头单元和树脂喷头单元通过安装板10与安装架203连接。

本实施例相较于传统的三轴打印设备，本实施例采用机器人控制打印头的移动，实现了3d打印装备的多自由度打印，弱化了制件的各向异性缺陷，提高了制件的成形质量。并且充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围，而提高3D打印装备的运动自由度。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，包括安装板(10)以及位于所述安装板(10)相对两侧的纤维喷头单元和树脂喷头单元，所述安装板(10)上开设有安装孔(11)，所述纤维喷头(6)单元包括进丝机构和剪切机构(7)，所述进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构(2)、丝材驱动组件(3)、喷出结构(4)、纤维加热块(5)以及纤维喷头(6)，所述纤维喷头(6)连接在所述纤维加热块(5)的出口端，所述剪切机构(7)包括剪刀(72)以及用于带动所述剪刀(72)完成剪切动作的剪切气缸(71)，所述剪切气缸(71)的缸体设于所述安装板(10)上，所述剪刀(72)连接于所述剪切气缸(71)的输出端，所述剪刀(72)的剪切口位于所述喷出结构(4)与所述纤维加热块(5)之间。

2.根据权利要求1所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述进给结构(2)包括第一导向柱(23)、第一安装块(22)和用于连接外部纤维输入源的转接头(21)，所述第一安装块(22)固定安装于所述安装板(10)上，所述第一安装块(22)上开设有贯通的第一通道，所述转接头(21)对接在所述第一通道的入口端，所述第一导向柱(23)对接在所述第一通道的出口端。

3.根据权利要求2所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述丝材驱动组件(3)包括同步轮(33)、用于带动所述同步轮(33)转动的驱动装置(31)、与所述同步轮(33)配合夹持住丝材的惰轮(32)，所述驱动装置(31)安装在所述安装孔中，所述同步轮(33)与所述驱动装置(31)的输出端连接，所述安装板(10)上设有惰轮安装结构(35)，所述惰轮安装结构(35)的一端设有轴承(34)，所述惰轮(32)安装于所述轴承(34)上，所述惰轮(32)与所述同步轮(33)相对且间隔设置。

4.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述喷出结构(4)包括散热管(41)、第二安装块(42)以及第二导向柱(43)，所述第二安装块(42)固定安装于所述安装板(10)上，所述第二安装块(42)开设有贯通的第二通道，所述散热管(41)对接在所述第二通道的入口端，所述第二导向柱(43)一端对接在所述第二通道的出口端、另一端正对所述纤维加热块(5)的入口端。

5.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，纤维喷头单元还包括用于散热的第一风扇组件(8)，所述安装板(10)在与所述剪刀(72)正对的位置开设有若干进风口(83)，所述第一风扇组件(8)包括设于所述安装板(10)上的第一安装座(81)以及安装在所述第一安装座(81)上的第一风扇(82)，所述第一风扇(82)的出风方向正对所述进风口(83)。

6.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述驱动装置(31)为电机，所述同步轮(33)连接在所述电机的输出轴上。

7.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述树脂喷头单元包括滑台气缸(91)、喷头安装板(92)、树脂加热块(94)、树脂喷头(95)以及用于连接外部树脂输入源的树脂输入管(93)，所述滑台气缸(91)的缸体安装在所述安装板(10)上，所述喷头安装板(92)固定连接在所述滑台气缸(91)的输出端，所述树脂加热块(94)连接在所述喷头安装板(92)上，所述树脂加热块(94)上设有贯穿的通道，所述树脂输入管(93)连接在所述树脂加热块(94)的入口端，所述树脂喷头(95)连接在所述树脂加热块(94)的出口端，所述树脂输入管(93)的外壁上套设有散热块。

8.根据权利要求7所述的用于连续纤维复合材料的3D打印头，其特征在于，所述树脂喷头单元还包括用于散热的第二风扇组件(96)，所述第二风扇组件(96)包括第二风扇(98)以及第二安装座(97)，第二安装座(97)垂直连接于所述安装板(10)上，所述第二风扇(98)安装于所述第二安装座(97)上并正对所述散热块。

9.一种用于连续纤维复合材料的3D打印设备，其特征在于，包括机器人底座(200)、机械臂(201)、安装架(203)、送丝机构(202)、打印平台(300)、变位机(400)以及权利要求1至8任一所述的3D打印头(1)，所述机械臂(201)安装在所述机器人底座(200)上，所述送丝机构(202)设于所述机械臂(201)上，所述安装架(203)可拆卸连接于所述机械臂(201)的端部，所述打印平台(300)设于所述变位机(400)的顶部，所述3D打印头(1)上的安装板(10)(10)与所述安装架(203)连接，所述3D打印头(1)位于所述打印平台(300)的上方。

10.根据权利要求9所述的用于连续纤维复合材料的3D打印设备，其特征在于，所述机械臂(201)为六轴机械臂。

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