一種纖維增強複合材料多自由度3d印表機及其列印方法
2023-07-20 11:41:36 3
一種纖維增強複合材料多自由度3d印表機及其列印方法
【專利摘要】一種纖維增強複合材料多自由度3D印表機及其列印方法，利用了機械手的靈活性，從而可以以任意角度和任意運動軌跡進行3D列印，其上安裝的3D列印頭，既能夠進行高強度短纖維增強複合材料的3D列印，也可以進行連續樹脂基長纖維的拼接和編織，從而製造出連續纖維增強樹脂基複合材料結構體，本發明可以精確地控制3D列印過程中增強纖維在複合材料零件中纖維的取向，可以實現具有特定機械、電和熱性能的具有複雜結構複合材料零件的快速製造；同時，該過程中無需預先定製模具以及預先處理過的纖維預浸帶，不僅適用於大型零件的製造，也適合小型零件的大批量製造，大大地減少了製造成本和生產周期，進一步推動複合材料零件的廣泛應用。
【專利說明】一種纖維增強複合材料多自由度3D印表機及其列印方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及纖維增強3D列印【技術領域】，具體涉及一種纖維增強複合材料多自由 度3D印表機及其列印方法。
【背景技術】
[0002] 纖維增強複合材料由於其高比強度、高比模量、耐燒蝕和抗侵蝕等一系列優點在 當代製造業中得到普遍認可，已經成為現代工業，尤其是航天航空、國防軍事、汽車賽車、機 器人和醫療領域的一種重要的結構用材，其發展十分迅速。近年來，各種複合材料製造技術 應運而生，其中，纖維鋪放技術在航空、航天等高性能複合材料零件製造中的應用得到了各 界的廣泛關注。複合材料纖維鋪放成型技術是20世紀70年代作為對纖維纏繞和自動鋪帶 技術的改革而發展起來的一種全自動複合材料加工技術，也是近年來發展最快、效率最高 的複合材料自動化成型製造技術之一，具有生產速度較快、產品質量比較穩定、可靠性高等 優勢。
[0003] 然而，儘管複合材料纖維鋪放技術消除了傳統複合材料製造工藝中的纖維編織問 題，可實現複雜曲面結構的鋪放，但是該工藝必須要有預先定製的模具，而大型模具的製造 成本昂貴，同時，纖維鋪放裝備極其複雜，一般需要價格昂貴的電子束或雷射作為熱源進行 固化，這就造成設備本身的製造成本非常高，進一步拉高了纖維鋪放工藝所製備的複合材 料零件的價格，且纖維鋪放工藝只適合規則表面複合材料結構鋪放成形，很難實現具有三 維複雜結構複合材料零件的製造，大大阻礙了纖維增強複合材料在更廣泛的領域得到應 用。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述現有複合材料成形技術的缺點，本發明的目的在於提供一種纖維增 強複合材料多自由度3D印表機及其列印方法，採用6自由度工作平臺實現三維自由空間的 3D列印，可以實現材料以任意角度和任意運動軌跡進行沉積實現3D列印製造，其上可以安 裝經特殊設計的3D列印頭，能夠進行高強度短纖維增強複合材料的3D列印，也可以安裝能 夠進行連續樹脂基長纖維拼接和編織的3D列印頭，從而製造出連續纖維增強的複合材料 結構體，同時，採用該方法可以精確地控制3D列印工藝，實現纖維增強複合材料零件中長 纖維取向的可控制造，獲得特定力學性能的複合材料零件，與傳統工藝相比，又能夠大大地 減少製造成本和時間，提商了生廣效率和經濟性。
[0005] 為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案：
[0006] -種纖維增強複合材料多自由度3D印表機，包括3D列印頭7, 3D列印頭7連接在 六自由度機械手13上，六自由度機械手13和計算機14連接，3D列印頭7外部設有剪切裝 置18,剪切裝置18和計算機14連接，3D列印頭7下方設有可移動工作檯1，可移動工作檯 1通過其上的調平螺釘2和加熱底板3連接，加熱底板3上面連接有列印平臺4 ;
[0007] 所述的3D列印頭7包括螺杆9,螺杆9內設有中空孔道，螺杆9外連接有螺杆外 殼8,螺杆9、螺杆外殼8的端頭連接有噴嘴12,螺杆9的根部連接減速器16,減速器16與 步進電機15連接，螺杆外殼8的根部連接有絲材導向管6,絲材5通過絲材導向管6的導向 纏繞在螺杆9上，連續樹脂基長纖維10經過張緊裝置11張緊後，通過螺杆9的中空孔道， 到達噴嘴12,螺杆外殼8和噴嘴12的連接處設有加熱裝置17。
[0008] 所述的印表機的列印方法，包括下列步驟：
[0009] 1)準備好可移動工作檯1，調整其上的調平螺釘2,使調平螺釘2上的加熱底板3 以及列印平臺4處於3D列印頭7下方的相應位置，給加熱底板3通電以開始進行預熱； [0010] 2)如果進行短纖維增強複合材料的3D列印，則絲材5是預先製作出來的短纖維增 強複合材料，此時只需將該材料通過絲材導向管6的導向供給到3D列印頭7中，並纏繞在 螺杆9上；
[0011] 3)如果進行連續樹脂基長纖維增強複合材料的3D列印，則絲材5是塑料絲材，同 樣需要將該材料通過絲材導向管6的導向供給到3D列印頭7中，穿過螺杆外殼8,並纏繞 在螺杆9上，同時，還需將連續樹脂基長纖維10經過張緊裝置11張緊後，供給給3D列印頭 7,穿過其螺杆9的中空孔道，到達噴嘴12 ;
[0012] 4) 3D列印頭7固連在六自由度機械手13上，六自由度機械手13根據計算機14輸 出的模型數據，按照相應路徑帶動3D列印頭7在三維空間中進行運動；
[0013] 5)同時，3D列印頭7上的步進電機15不斷輸出旋轉運動，經過減速器16帶動螺 杆9進行旋轉，將纏繞螺杆9上的絲材5以及連續樹脂基長纖維10不斷向前進給，經過加 熱裝置17的熔融，最終從噴嘴12處被擠出，冷卻沉積在列印平臺4上；
[0014] 6)當六自由度機械手13要進行長距離空跳運動或執行停止任務時，計算機14發 出信號給剪切裝置18,剪切裝置18將切斷噴嘴12出口處的材料；
[0015] 7)經過以上過程，完成零件多自由度的3D列印，當工作完成時，將零件隨著可移 動工作檯1一起移至後處理臺。
[0016] 本發明的列印方法具有六個自由度，利用了機械手的靈活性，從而可以以任意角 度和任意運動軌跡進行3D列印，其上可以安裝的3D列印頭7,既能夠進行高強度短纖維增 強複合材料的3D列印，也可以進行連續樹脂基長纖維的拼接和編織，從而製造出連續纖維 增強樹脂基複合材料結構體。由於本發明所提的方法可以進行多自由度的3D列印，因此， 可以更精確地控制3D列印纖維增強複合材料零件中纖維的取向，可以得到特定機械、電和 熱性能，更輕、更強、更持久的零件；同時，該過程中無需預先定製模具以及預先處理過的纖 維預浸帶，大大地減少了複合材料零件的製造成本和生產周期。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明印表機的結構示意圖。
[0018] 圖2是本發明3D列印頭7的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0020] 參照圖1，一種纖維增強複合材料多自由度3D印表機，包括3D列印頭7, 3D列印頭 7連接在六自由度機械手13上，六自由度機械手13和計算機14連接，3D列印頭7外部設 有剪切裝置18,剪切裝置18和計算機14連接，3D列印頭7下方設有可移動工作檯1，可移 動工作檯1通過其上的調平螺釘2和加熱底板3連接，加熱底板3上面連接有列印平臺4 ;
[0021] 參照圖2,所述的3D列印頭7包括螺杆9,螺杆9內設有中空孔道，螺杆9外連接 有螺杆外殼8,螺杆9、螺杆外殼8的端頭連接有噴嘴12,螺杆9的根部連接減速器16,減速 器16與步進電機15連接，螺杆外殼8的根部連接有絲材導向管6,絲材5通過絲材導向管 6的導向纏繞在螺杆9上，連續樹脂基長纖維10經過張緊裝置11張緊後，通過螺杆9的中 空孔道，到達噴嘴12,螺杆外殼8和噴嘴12的連接處設有加熱裝置17。
[0022] 所述的印表機的列印方法，包括下列步驟：
[0023] 1)參照圖1，準備好可移動工作檯1，調整其上的調平螺釘2,使調平螺釘2上的加 熱底板3以及列印平臺4處於3D列印頭7下方的相應位置，給加熱底板3通電以開始進行 預熱；
[0024] 2)參照圖2,如果進行短纖維增強複合材料的3D列印，則絲材5是預先製作出來 的短纖維增強複合材料，此時只需將該材料通過絲材導向管6的導向供給到3D列印頭7 中，並纏繞在螺杆9上；
[0025] 3)參照圖2,如果進行連續樹脂基長纖維增強複合材料的3D列印，則絲材5是塑 料絲材，同樣需要將該材料通過絲材導向管6的導向供給到3D列印頭7中，穿過螺杆外殼 8,並纏繞在螺杆9上，同時，還需將連續樹脂基長纖維10經過張緊裝置11張緊後，供給給 3D列印頭7,穿過其螺杆9的中空孔道，到達噴嘴12 ;
[0026] 4)參照圖1，3D列印頭7固連在六自由度機械手13上，六自由度機械手13根據計 算機14輸出的模型數據，按照相應路徑帶動3D列印頭7在三維空間中進行運動；
[0027] 5)參照圖2,同時，3D列印頭7上的步進電機15不斷輸出旋轉運動，經過減速器16 帶動螺杆9進行旋轉，將纏繞螺杆9上的絲材5以及連續樹脂基長纖維10不斷向前進給， 經過加熱裝置17的熔融，最終從噴嘴12處被擠出，冷卻沉積在列印平臺4上；
[0028] 6)參照圖1，當六自由度機械手13要進行長距離空跳運動或執行停止任務時，計 算機14發出信號給剪切裝置18,剪切裝置18將切斷噴嘴12出口處的材料；
[0029] 7)經過以上過程，完成零件多自由度的3D列印，當工作完成時，將零件隨著可移 動工作檯1一起移至後處理臺。
[0030] 本發明的列印方法具有六個自由度，利用了機械手的靈活性，從而可以以任意角 度和任意運動軌跡進行3D列印，其上可以安裝的3D列印頭7,既能夠進行高強度短纖維增 強複合材料的3D列印，也可以進行連續樹脂基長纖維的拼接和編織，從而製造出連續纖維 增強樹脂基複合材料結構體。由於本發明所提出的方法可以進行多自由度的3D列印，因 此，可以精確地控制3D列印過程中增強纖維在複合材料零件中纖維的取向，可以實現具有 特定機械、電和熱性能的具有複雜結構複合材料零件的快速製造；同時，該過程中無需預先 定製模具以及預先處理過的纖維預浸帶，不僅適用於大型零件的製造，也適合小型零件的 大批量製造，大大地減少了製造成本和生產周期，進一步推動複合材料零件的廣泛應用。
【權利要求】
1. 一種纖維增強複合材料多自由度3D印表機，包括3D列印頭（7)，其特徵在於：3D打 印頭⑵連接在六自由度機械手（13)上，六自由度機械手（13)和計算機（14)連接，3D打 印頭（7)外部設有剪切裝置（18)，剪切裝置（18)和計算機（14)連接，3D列印頭（7)下方 設有可移動工作檯（1)，可移動工作檯（1)通過其上的調平螺釘（2)和加熱底板（3)連接， 加熱底板（3)上面連接有列印平臺（4); 所述的3D列印頭（7)包括螺杆（9)，螺杆（9)內設有中空孔道，螺杆（9)外連接有螺 杆外殼（8)，螺杆（9)、螺杆外殼（8)的端頭連接有噴嘴（12)，螺杆（9)的根部連接減速器 (16)，減速器（16)與步進電機（15)連接，螺杆外殼（8)的根部連接有絲材導向管￠)，絲材 (5)通過絲材導向管（6)的導向纏繞在螺杆（9)上，連續樹脂基長纖維（10)經過張緊裝置 (11)張緊後，通過螺杆（9)的中空孔道，到達噴嘴（12)，螺杆外殼⑶和噴嘴（12)的連接 處設有加熱裝置（17)。
2. 根據權利要求1所述的一種纖維增強複合材料多自由度3D印表機的列印方法，其特 徵在於，包括下列步驟： 1) 準備好可移動工作檯（1)，調整其上的調平螺釘（2)，使調平螺釘（2)上的加熱底板 (3)以及列印平臺（4)處於3D列印頭（7)下方的相應位置，給加熱底板（3)通電以開始進 行預熱； 2) 如果進行短纖維增強複合材料的3D列印，則絲材（5)是預先製作出來的短纖維增強 複合材料，此時只需將該材料通過絲材導向管（6)的導向供給到3D列印頭（7)中，並纏繞 在螺杆（9)上； 3) 如果進行連續樹脂基長纖維增強複合材料的3D列印，則絲材（5)是塑料絲材，同樣 需要將該材料通過絲材導向管（6)的導向供給到3D列印頭（7)中，穿過螺杆外殼（8)，並纏 繞在螺杆（9)上，同時，還需將連續樹脂基長纖維（10)經過張緊裝置（11)張緊後，供給給 3D列印頭（7)，穿過其螺杆（9)的中空孔道，到達噴嘴（12); 4) 3D列印頭（7)固連在六自由度機械手（13)上，六自由度機械手（13)根據計算機 (14)輸出的模型數據，按照相應路徑帶動3D列印頭（7)在三維空間中進行運動； 5) 同時，3D列印頭（7)上的步進電機（15)不斷輸出旋轉運動，經過減速器（16)帶動 螺杆（9)進行旋轉，將纏繞螺杆（9)上的絲材（5)以及連續樹脂基長纖維（10)不斷向前進 給，經過加熱裝置（17)的熔融，最終從噴嘴（12)處被擠出，冷卻沉積在列印平臺（4)上； 6) 當六自由度機械手（13)要進行長距離空跳運動或執行停止任務時，計算機（14)發 出信號給剪切裝置（18)，剪切裝置（18)將切斷噴嘴（12)出口處的材料； 7) 經過以上過程，完成零件多自由度的3D列印，當工作完成時，將零件隨著可移動工 作臺（1) 一起移至後處理臺。
【文檔編號】B29C67/00GK104097326SQ201410325554
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】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