CN104097326B - 一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机及其打印方法，利用了机械手的灵活性，从而可以以任意角度和任意运动轨迹进行3D打印，其上安装的3D打印头，既能够进行高强度短纤维增强复合材料的3D打印，也可以进行连续树脂基长纤维的拼接和编织，从而制造出连续纤维增强树脂基复合材料结构体，本发明可以精确地控制3D打印过程中增强纤维在复合材料零件中纤维的取向，可以实现具有特定机械、电和热性能的具有复杂结构复合材料零件的快速制造；同时，该过程中无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，不仅适用于大型零件的制造，也适合小型零件的大批量制造，大大地减少了制造成本和生产周期，进一步推动复合材料零件的广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强3D打印技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机及其打印方法。
背景技术
纤维增强复合材料由于其高比强度、高比模量、耐烧蚀和抗侵蚀等一系列优点在当代制造业中得到普遍认可，已经成为现代工业，尤其是航天航空、国防军事、汽车赛车、机器人和医疗领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。近年来，各种复合材料制造技术应运而生，其中，纤维铺放技术在航空、航天等高性能复合材料零件制造中的应用得到了各界的广泛关注。复合材料纤维铺放成型技术是20世纪70年代作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的一种全自动复合材料加工技术，也是近年来发展最快、效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一，具有生产速度较快、产品质量比较稳定、可靠性高等优势。
然而，尽管复合材料纤维铺放技术消除了传统复合材料制造工艺中的纤维编织问题，可实现复杂曲面结构的铺放，但是该工艺必须要有预先定制的模具，而大型模具的制造成本昂贵，同时，纤维铺放装备极其复杂，一般需要价格昂贵的电子束或激光作为热源进行固化，这就造成设备本身的制造成本非常高，进一步拉高了纤维铺放工艺所制备的复合材料零件的价格，且纤维铺放工艺只适合规则表面复合材料结构铺放成形，很难实现具有三维复杂结构复合材料零件的制造，大大阻碍了纤维增强复合材料在更广泛的领域得到应用。
发明内容
为了克服上述现有复合材料成形技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机及其打印方法，采用6自由度工作平台实现三维自由空间的3D打印，可以实现材料以任意角度和任意运动轨迹进行沉积实现3D打印制造，其上可以安装经特殊设计的3D打印头，能够进行高强度短纤维增强复合材料的3D打印，也可以安装能够进行连续树脂基长纤维拼接和编织的3D打印头，从而制造出连续纤维增强的复合材料结构体，同时，采用该方法可以精确地控制3D打印工艺，实现纤维增强复合材料零件中长纤维取向的可控制造，获得特定力学性能的复合材料零件，与传统工艺相比，又能够大大地减少制造成本和时间，提高了生产效率和经济性。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机，包括3D打印头7，3D打印头7连接在六自由度机械手13上，六自由度机械手13和计算机14连接，3D打印头7外部设有剪切装置18，剪切装置18和计算机14连接，3D打印头7下方设有可移动工作台1，可移动工作台1通过其上的调平螺钉2和加热底板3连接，加热底板3上面连接有打印平台4；
所述的3D打印头7包括螺杆9，螺杆9内设有中空孔道，螺杆9外连接有螺杆外壳8，螺杆9、螺杆外壳8的端头连接有喷嘴12，螺杆9的根部连接减速器16，减速器16与步进电机15连接，螺杆外壳8的根部连接有丝材导向管6，丝材5通过丝材导向管6的导向缠绕在螺杆9上，连续树脂基长纤维10经过张紧装置11张紧后，通过螺杆9的中空孔道，到达喷嘴12，螺杆外壳8和喷嘴12的连接处设有加热装置17。
所述的打印机的打印方法，包括下列步骤：
1)准备好可移动工作台1，调整其上的调平螺钉2，使调平螺钉2上的加热底板3以及打印平台4处于3D打印头7下方的相应位置，给加热底板3通电以开始进行预热；
2)如果进行短纤维增强复合材料的3D打印，则丝材5是预先制作出来的短纤维增强复合材料，此时只需将该材料通过丝材导向管6的导向供给到3D打印头7中，并缠绕在螺杆9上；
3)如果进行连续树脂基长纤维增强复合材料的3D打印，则丝材5是塑料丝材，同样需要将该材料通过丝材导向管6的导向供给到3D打印头7中，穿过螺杆外壳8，并缠绕在螺杆9上，同时，还需将连续树脂基长纤维10经过张紧装置11张紧后，供给给3D打印头7，穿过其螺杆9的中空孔道，到达喷嘴12；
4)3D打印头7固连在六自由度机械手13上，六自由度机械手13根据计算机14输出的模型数据，按照相应路径带动3D打印头7在三维空间中进行运动；
5)同时，3D打印头7上的步进电机15不断输出旋转运动，经过减速器16带动螺杆9进行旋转，将缠绕螺杆9上的丝材5以及连续树脂基长纤维10不断向前进给，经过加热装置17的熔融，最终从喷嘴12处被挤出，冷却沉积在打印平台4上；
6)当六自由度机械手13要进行长距离空跳运动或执行停止任务时，计算机14发出信号给剪切装置18，剪切装置18将切断喷嘴12出口处的材料；
7)经过以上过程，完成零件多自由度的3D打印，当工作完成时，将零件随着可移动工作台1一起移至后处理台。
本发明的打印方法具有六个自由度，利用了机械手的灵活性，从而可以以任意角度和任意运动轨迹进行3D打印，其上可以安装的3D打印头7，既能够进行高强度短纤维增强复合材料的3D打印，也可以进行连续树脂基长纤维的拼接和编织，从而制造出连续纤维增强树脂基复合材料结构体。由于本发明所提的方法可以进行多自由度的3D打印，因此，可以更精确地控制3D打印纤维增强复合材料零件中纤维的取向，可以得到特定机械、电和热性能，更轻、更强、更持久的零件；同时，该过程中无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，大大地减少了复合材料零件的制造成本和生产周期。
附图说明
图1是本发明打印机的结构示意图。
图2是本发明3D打印头7的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参照图1，一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机，包括3D打印头7，3D打印头7连接在六自由度机械手13上，六自由度机械手13和计算机14连接，3D打印头7外部设有剪切装置18，剪切装置18和计算机14连接，3D打印头7下方设有可移动工作台1，可移动工作台1通过其上的调平螺钉2和加热底板3连接，加热底板3上面连接有打印平台4；
参照图2，所述的3D打印头7包括螺杆9，螺杆9内设有中空孔道，螺杆9外连接有螺杆外壳8，螺杆9、螺杆外壳8的端头连接有喷嘴12，螺杆9的根部连接减速器16，减速器16与步进电机15连接，螺杆外壳8的根部连接有丝材导向管6，丝材5通过丝材导向管6的导向缠绕在螺杆9上，连续树脂基长纤维10经过张紧装置11张紧后，通过螺杆9的中空孔道，到达喷嘴12，螺杆外壳8和喷嘴12的连接处设有加热装置17。
所述的打印机的打印方法，包括下列步骤：
1)参照图1，准备好可移动工作台1，调整其上的调平螺钉2，使调平螺钉2上的加热底板3以及打印平台4处于3D打印头7下方的相应位置，给加热底板3通电以开始进行预热；
2)参照图2，如果进行短纤维增强复合材料的3D打印，则丝材5是预先制作出来的短纤维增强复合材料，此时只需将该材料通过丝材导向管6的导向供给到3D打印头7中，并缠绕在螺杆9上；
3)参照图2，如果进行连续树脂基长纤维增强复合材料的3D打印，则丝材5是塑料丝材，同样需要将该材料通过丝材导向管6的导向供给到3D打印头7中，穿过螺杆外壳8，并缠绕在螺杆9上，同时，还需将连续树脂基长纤维10经过张紧装置11张紧后，供给给3D打印头7，穿过其螺杆9的中空孔道，到达喷嘴12；
4)参照图1，3D打印头7固连在六自由度机械手13上，六自由度机械手13根据计算机14输出的模型数据，按照相应路径带动3D打印头7在三维空间中进行运动；
5)参照图2，同时，3D打印头7上的步进电机15不断输出旋转运动，经过减速器16带动螺杆9进行旋转，将缠绕螺杆9上的丝材5以及连续树脂基长纤维10不断向前进给，经过加热装置17的熔融，最终从喷嘴12处被挤出，冷却沉积在打印平台4上；
6)参照图1，当六自由度机械手13要进行长距离空跳运动或执行停止任务时，计算机14发出信号给剪切装置18，剪切装置18将切断喷嘴12出口处的材料；
7)经过以上过程，完成零件多自由度的3D打印，当工作完成时，将零件随着可移动工作台1一起移至后处理台。
本发明的打印方法具有六个自由度，利用了机械手的灵活性，从而可以以任意角度和任意运动轨迹进行3D打印，其上可以安装的3D打印头7，既能够进行高强度短纤维增强复合材料的3D打印，也可以进行连续树脂基长纤维的拼接和编织，从而制造出连续纤维增强树脂基复合材料结构体。由于本发明所提出的方法可以进行多自由度的3D打印，因此，可以精确地控制3D打印过程中增强纤维在复合材料零件中纤维的取向，可以实现具有特定机械、电和热性能的具有复杂结构复合材料零件的快速制造；同时，该过程中无需预先定制模具以及预先处理过的纤维预浸带，不仅适用于大型零件的制造，也适合小型零件的大批量制造，大大地减少了制造成本和生产周期，进一步推动复合材料零件的广泛应用。
Claims (2)
1.一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机，包括3D打印头(7)，其特征在于：3D打印头(7)连接在六自由度机械手(13)上，六自由度机械手(13)和计算机(14)连接，3D打印头(7)外部设有剪切装置(18)，剪切装置(18)和计算机(14)连接，3D打印头(7)下方设有可移动工作台(1)，可移动工作台(1)通过其上的调平螺钉(2)和加热底板(3)连接，加热底板(3)上面连接有打印平台(4)；
所述的3D打印头(7)包括螺杆(9)，螺杆(9)内设有中空孔道，螺杆(9)外连接有螺杆外壳(8)，螺杆(9)、螺杆外壳(8)的端头连接有喷嘴(12)，螺杆(9)的根部连接减速器(16)，减速器(16)与步进电机(15)连接，螺杆外壳(8)的根部连接有丝材导向管(6)，丝材(5)通过丝材导向管(6)的导向缠绕在螺杆(9)上，连续树脂基长纤维(10)经过张紧装置(11)张紧后，通过螺杆(9)的中空孔道，到达喷嘴(12)，螺杆外壳(8)和喷嘴(12)的连接处设有加热装置(17)。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机的打印方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)准备好可移动工作台(1)，调整其上的调平螺钉(2)，使调平螺钉(2)上的加热底板(3)以及打印平台(4)处于3D打印头(7)下方的相应位置，给加热底板(3)通电以开始进行预热；
2)如果进行短纤维增强复合材料的3D打印，则丝材(5)是预先制作出来的短纤维增强复合材料，此时只需将该材料通过丝材导向管(6)的导向供给到3D打印头(7)中，并缠绕在螺杆(9)上；
3)如果进行连续树脂基长纤维增强复合材料的3D打印，则丝材(5)是塑料丝材，同样需要将该材料通过丝材导向管(6)的导向供给到3D打印头(7)中，穿过螺杆外壳(8)，并缠绕在螺杆(9)上，同时，还需将连续树脂基长纤维(10)经过张紧装置(11)张紧后，供给给3D打印头(7)，穿过其螺杆(9)的中空孔道，到达喷嘴(12)；
4)3D打印头(7)固连在六自由度机械手(13)上，六自由度机械手(13)根据计算机(14)输出的模型数据，按照相应路径带动3D打印头(7)在三维空间中进行运动；
5)同时，3D打印头(7)上的步进电机(15)不断输出旋转运动，经过减速器(16)带动螺杆(9)进行旋转，将缠绕螺杆(9)上的丝材(5)以及连续树脂基长纤维(10)不断向前进给，经过加热装置(17)的熔融，最终从喷嘴(12)处被挤出，冷却沉积在打印平台(4)上；
6)当六自由度机械手(13)要进行长距离空跳运动或执行停止任务时，计算机(14)发出信号给剪切装置(18)，剪切装置(18)将切断喷嘴(12)出口处的材料；
7)经过以上过程，完成零件多自由度的3D打印，当工作完成时，将零件随着可移动工作台(1)一起移至后处理台。
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