一種連續(xù)長纖維增強復合材料3d打印機及其打印方法
【專利摘要】一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機及其打印方法，利用3D打印技術，結合復合材料纖維鋪放技術，實現了樹脂基連續(xù)長纖維增強復合材料的3D打印，該過程中無需預先定制模具以及預先處理過的纖維預浸帶，大大降低了成本；同時，采用3D打印的方法，更好、更方便地控制所制造零件中增強纖維的方向，更容易得到具有定制化力學性能的復合材料零件，可實現具有復雜結構的復合材料零件的快速制造；相對于原有的復合材料纖維鋪放工藝，本發(fā)明應用范圍更廣、生產效率更高。
【專利說明】一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機及其打印方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強復合材料3D打印【技術領域】，具體涉及一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機及其打印方法。
【背景技術】
[0002]樹脂基纖維增強復合材料，包括連續(xù)長纖維與短纖維增強復合材料，所制造的零件具有比強度高，比模量大，材料性能具有可設計性，抗腐蝕性和耐久性能好，熱膨脹系數與混凝土的相近等優(yōu)點，使得樹脂基纖維增強復合材料能滿足現代結構向大跨、高聳、重載、輕質高強以及在惡劣條件下工作發(fā)展的需要，因此在航空航天、國防軍事、汽車賽車、機器人和醫(yī)療等領域得到了越來越廣泛的應用。3D打印技術是指打印頭在程序控制下，按照當前層的截面信息進行材料填充制造，然后再通過層層累加快速制造出所需零件，由于其可制造任意復雜零件以及擁有較好的打印自由度，在工業(yè)生產及日常生活中越來越具有實際應用價值。
[0003]但是，目前較為先進的樹脂基長纖維增強復合材料材料零件制造的方式多采用復合材料纖維鋪放技術，即按零件結構所確定的鋪層方向和鋪層厚度要求，采用多自由度的鋪放頭將多組纖維預浸紗束或窄帶自動鋪放在模具表面，該方式需要預先處理完成的纖維預浸料以及成本極高的模具，不適合具有復雜結構的長纖維增強零件批量制造。同時，在國內外也少見可以實現纖維增強復合材料零件制造的3D打印機及相關研究工作，更未發(fā)現成熟的連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機，因此這大大限制了 3D打印技術在纖維增強復合材料零件制造領域的發(fā)展。
【發(fā)明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機及其打印方法，既可以控制3D打印連續(xù)長纖維增強復合材料零件的纖維取向，又可以得到特定機械、電和熱性能、更輕、更強、更持久的零件，且不需要設計、制造模具，從而大大地減少了成本和制造時間，推動纖維增強復合材料的廣泛應用。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0006]一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機，包括3D打印頭5，3D打印頭5安裝在二維運動平臺11上，3D打印頭5的下方設有工作臺12，工作臺12和升降裝置21連接，工作臺12的左右連接增強纖維I和塑料絲8的料盤2，增強纖維I經過張緊裝置3、纖維導向管4送入到3D打印頭5中，塑料絲材8經過塑料絲導向管9也送入到3D打印頭5中；
[0007]所述的3D打印頭5包括打印頭螺桿6，打印頭螺桿6的外部連接打印頭螺桿外殼10，打印頭螺桿6的根部和大傳動輪16連接，大傳動輪16通過傳動皮帶15、小傳動輪14和打印頭步進電機13連接，打印頭螺桿6、打印頭螺桿外殼10的端頭連接有噴嘴7，打印頭螺桿6設有中空孔道，增強纖維I經過纖維導向管4穿過打印頭螺桿6的中空孔道，到達噴嘴7，打印頭螺桿外殼10的根部設有塑料絲導向管9，塑料絲材8經過塑料絲導向管9纏繞在打印頭螺桿6上，進入到噴嘴7處，打印頭螺桿外殼10靠近噴嘴7處連接有加熱裝置17和溫控器18，噴嘴7外設有剪切裝置20。
[0008]所述的打印機的打印方法，包括下列步驟:
[0009]I)增強纖維I從其料盤2中出發(fā)，經過張緊裝置3，由纖維導向管4供給3D打印頭5，增強纖維I穿過打印頭螺桿6的中空孔道，到達噴嘴7，所述的增強纖維I是玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維的復合材料增強用纖維；
[0010]2)塑料絲材8從其料盤2出發(fā)，經過塑料絲導向管9的導向，穿過打印頭螺桿外殼10，纏繞在打印頭螺桿6上，進入到噴嘴7處；
[0011]3)當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺11，帶動3D打印頭5在工作臺12上，按照當前層模型的截面數據運動；
[0012]4)同時，打印頭步進電機13通過小傳動輪14、傳動皮帶15、大傳動輪16帶動打印頭螺桿6進行旋轉，將塑料絲材8不斷向噴嘴7處擠出，中間處的加熱裝置17與溫控器18保證塑料絲材8處于熔融狀態(tài)；
[0013]5)增強纖維I在噴嘴7處與熔融的塑料絲材8相互混合形成復合絲材19，并且從噴嘴7出口被擠出，復合絲材19在工作臺12上冷卻沉積，由于增強纖維I具有很好的韌性且被粘附在了工作臺12上，因此能夠隨著二維運動平臺11的運動而不斷從纖維料盤2中被拉扯出；
[0014]6)當完成模型當前一層的截面后，剪切裝置20切斷噴嘴7出口處的復合絲材19，然后，升降裝置21將帶著工作臺12—起下降一個分層厚度；
[0015]7)重復步驟3)?步驟6),直至零件完成。
[0016]由于本發(fā)明將3D打印技術與纖維增強復合材料成型技術結合，很好地控制成型方向，實現了樹脂基連續(xù)長纖維增強復合材料的3D打??；并且，該過程中無需預先定制的模具以及預先處理過的纖維預浸帶，大大降低了成本，也降低了工藝復雜度；同時，采用3D打印的方法，可以更加精確地控制所制造零件中增強纖維的方向，更容易得到具有定制性能的復合材料零件，可實現具有復雜結構的復合材料零件的快速制造；當然，相對于原有的復合材料纖維鋪放工藝，本方法不僅僅適用于大型零件的制造，也適合小型零件的大批量制造，可以應用的范圍更加廣泛、生產效率更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明打印機的結構示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明3D打印頭的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0020]參照圖1，一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機，包括3D打印頭5，3D打印頭5安裝在二維運動平臺11上，3D打印頭5的下方設有工作臺12，工作臺12和升降裝置21連接，工作臺12的左右放置增強纖維I和塑料絲8的料盤2，增強纖維I經過張緊裝置3、纖維導向管4送入到3D打印頭5中，塑料絲材8經過塑料絲導向管9也送入到3D打印頭5中；
[0021]參照圖2，所述的3D打印頭5包括打印頭螺桿6，打印頭螺桿6的外部連接打印頭螺桿外殼10，打印頭螺桿6的根部和大傳動輪16連接，大傳動輪16通過傳動皮帶15、小傳動輪14和打印頭步進電機13連接，打印頭螺桿6、打印頭螺桿外殼10的端頭連接有噴嘴
7,打印頭螺桿6設有中空孔道，增強纖維I經過纖維導向管4穿過打印頭螺桿6的中空孔道，到達噴嘴7，打印頭螺桿外殼10的根部設有塑料絲導向管9，塑料絲材8經過塑料絲導向管9纏繞在打印頭螺桿6上，進入到噴嘴7處，打印頭螺桿外殼10靠近噴嘴7處連接有加熱裝置17和溫控器18，噴嘴7外設有剪切裝置20。
[0022]所述的打印機的打印方法，包括下列步驟:
[0023]I)參照圖1，增強纖維I從其料盤2中出發(fā)，經過張緊裝置3，由纖維導向管4供給3D打印頭5 ;結合圖2，增強纖維I穿過打印頭螺桿6的中空孔道，到達噴嘴7，所述的增強纖維I是玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維的復合材料增強用纖維；
[0024]2)參照圖1，塑料絲材8從其料盤2出發(fā)，經過塑料絲導向管9導向；參照圖2，塑料絲材8經過導向后，要穿過打印頭螺桿外殼10，纏繞在打印頭螺桿6上，進入到噴嘴7處；
[0025]3)參照圖1，當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺11，帶動3D打印頭5在工作臺12上，按照當前層模型的截面數據運動；
[0026]4)參照圖2，同時，打印頭步進電機13通過小傳動輪14、傳動皮帶15、大傳動輪16帶動打印頭螺桿6進行旋轉，將塑料絲材8不斷向噴嘴7處擠出，中間處的加熱裝置17與溫控器18保證塑料絲材8處于熔融狀態(tài)；
[0027]5)增強纖維I在噴嘴7處會與熔融的塑料絲材8相互混合形成復合絲材19，并且從噴嘴7出口被擠出；參照圖1，復合絲材19在工作臺12上冷卻沉積，由于增強纖維I具有很好的韌性且被粘附在了工作臺12上，因此能夠隨著二維運動平臺11的運動而不斷從纖維料盤2中被拉扯出；
[0028]6)參照圖1，當完成模型當前一層的截面后，剪切裝置20將會切斷噴嘴7出口處的復合絲材19，然后，升降裝置21將帶著工作臺12 —起下降一個分層厚度；
[0029]7)重復步驟3)?步驟6),直至零件完成。
[0030]由于本發(fā)明將3D打印技術與纖維增強復合材料成型技術結合，很好地控制成型方向，實現了樹脂基連續(xù)長纖維增強復合材料的3D打印；并且，該過程中無需預先定制的模具以及預先處理過的纖維預浸帶，大大降低了成本，也降低了工藝復雜度；同時，采用3D打印的方法，可以更加精確地控制所制造零件中增強纖維的方向，更容易得到具有定制性能的復合材料零件，可實現具有復雜結構的復合材料零件的快速制造；當然，相對于原有的復合材料纖維鋪放工藝，本方法不僅僅適用于大型零件的制造，也適合小型零件的大批量制造，可以應用的范圍更加廣泛、生產效率更高。
【權利要求】
1.一種連續(xù)長纖維增強復合材料3D打印機，包括3D打印頭(5)，3D打印頭(5)安裝在二維運動平臺(11)上，3D打印頭(5)的下方設有工作臺(12)，工作臺(12)和升降裝置(21)連接，工作臺(12)的左右連接有增強纖維(I)和塑料絲(8)的料盤(2)，增強纖維(I)經過張緊裝置(3)、纖維導向管(4)送入到3D打印頭(5)中，塑料絲材(8)經過塑料絲導向管(9)也送入到3D打印頭(5)中； 所述的3D打印頭(5)包括打印頭螺桿￠)，打印頭螺桿￠)的外部連接打印頭螺桿外殼(10)，打印頭螺桿￠)的根部和大傳動輪(16)連接，大傳動輪(16)通過傳動皮帶(15)、小傳動輪(14)和打印頭步進電機(13)連接，打印頭螺桿￠)、打印頭螺桿外殼(10)的端頭連接有噴嘴(7)，打印頭螺桿(6)設有中空孔道，增強纖維(I)經過纖維導向管(4)穿過打印頭螺桿(6)的中空孔道，到達噴嘴(7)，打印頭螺桿外殼(10)的根部設有塑料絲導向管(9)，塑料絲材(8)經過塑料絲導向管(9)纏繞在打印頭螺桿(6)上，進入到噴嘴(7)處，打印頭螺桿外殼(10)靠近噴嘴(7)處連接有加熱裝置(17)和溫控器(18)，噴嘴(7)外設有剪切裝置(20)。
2.根據權利要求1所述的打印機的打印方法，其特征在于，包括下列步驟: 1)增強纖維(I)從其料盤(2)中出發(fā)，經過張緊裝置(3)，由纖維導向管(4)供給3D打印頭(5)，增強纖維(I)穿過打印頭螺桿(6)的中空孔道，到達噴嘴(7)，所述的增強纖維(I)是玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維的復合材料增強用纖維； 2)塑料絲材(8)從其料盤(2)出發(fā)，經過塑料絲導向管(9)的導向，穿過打印頭螺桿外殼(10)，纏繞在打印頭螺桿(6)上，進入到噴嘴(7)處； 3)當進行零件3D打印工作時，程序控制二維運動平臺(11)，帶動3D打印頭(5)在工作臺(12)上，按照當前層模型的截面數據運動； 4)同時，打印頭步進電機(13)通過小傳動輪(14)、傳動皮帶(15)、大傳動輪(16)帶動打印頭螺桿(6)進行旋轉，將塑料絲材(8)不斷向噴嘴(7)處擠出，中間處的加熱裝置(17)與溫控器(18)保證塑料絲材(8)處于熔融狀態(tài)； 5)增強纖維(I)在噴嘴(7)處會與熔融的塑料絲材(8)相互混合形成復合絲材(19)，并且從噴嘴(7)出口被擠出，復合絲材(19)在工作臺(12)上冷卻沉積，由于增強纖維(I)具有很好的韌性且被粘附在了工作臺(12)上，因此能夠隨著二維運動平臺(11)的運動而不斷從纖維料盤(2)中被拉扯出； 6)當完成模型當前一層的截面后，剪切裝置(20)切斷噴嘴(7)出口處的復合絲材(19)，然后，升降裝置(21)將帶著工作臺(12) —起下降一個分層厚度； 7)重復步驟3)?步驟6)，直至零件完成。
【文檔編號】B29C67/00GK104149339SQ201410325650
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權日:2014年7月9日
【發(fā)明者】田小永, 楊春成, 曹毅, 同治強, 張瑩瑩, 李滌塵 申請人:西安交通大學