CN107962774A - 一种用于连续纤维3d打印的丝束压力实施机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，包括压力装置、空间运动机构、横向连接支架、固定在空间运动机构下方的喷头装置，用于控制压力装置和控制空间运动机构的控制系统一；所述压力装置固定在横向连接支架的一端，并在控制系统一的控制下相对于所述横向连接支架上下运动；所述空间运动机构固定在横向连接支架的另一端，空间运动机构运作时，带动所述横向连接支架绕空间运动机构旋转运动，同时带动压力装置一起旋转。本发明集压力、温度、空间垂直、旋转运动功能为一体，同时满足纤维3D打印的致密性、路径跳转、复杂路径高性能成型的需求，具有装置结构简易、参数可调、功能齐全的特点，为高性能纤维材料3D打印的实现提供基础。

Description

一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构

技术领域

本发明涉及一种用于连续纤维3D打印过程中对铺放丝束进行压力的实时实施机构，属于增材制造技术领域。

技术背景

3D打印技术用于连续纤维复合材料的三维成型，能够充分发挥3D打印无需模具、一体成型及纤维材料轻质高强的优势，改进了传统纤维铺放或缠绕成型方式对模具依赖性强、模型复杂度受限的不足，在航空航天、汽车工业、零部件制造等领域具有广阔前景。

传统的连续纤维铺放成型方式，采用简单固定式压轮装置对纤维丝束在模具上进行压紧。但对于以层层叠加增材制造为成型方式的3D打印技术，由于不需要模具支持且不受模型复杂性限制，因此需要针对成型件的力学性能需求及纤维连续性与方向性特点，规划合理的打印路径，保证高性能三维成型。一方面在3D打印过程中，需要对所打印丝束实时施加温度与压力，以增加各层之间的致密性；同时，对于复杂模型的空程路径或跳转点，需要能够实时抬起压力装置，提高打印速度和避免对所成型部分的干涉；另一方面，由于路径的复杂性，除了直线路径外，对于折线、曲线等不规则路径，压力装置还需要做到空间位置的实时跟踪和变换，以保证成型效果。因此，对于纤维3D打印的压力装置从压力温度实施、三维空间位置变换等方面提出了要求。

鉴于此，在连续纤维材料3D打印过程中，需要一种适合成型路径跳转、复杂路径空间跟踪能力的压力装置对纤维丝束进行实时压力实施，以提高成型零部件多层间的致密性，提升打印质量。

发明内容

本发明的目的在于针对连续纤维3D打印零部件致密性与性能的要求，提供一种能够对铺放纤维丝束轨迹实时跟踪的压紧机构。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，包括压力装置、空间运动机构、连接在压力装置和空间运动机构之间的横向连接支架、固定在空间运动机构下方的喷头装置，用于控制压力装置垂直方向运动和控制空间运动机构运作的控制系统一；

所述压力装置固定在横向连接支架的一端，并在控制系统一的控制下相对于所述横向连接支架垂直方向上下运动，所述压力装置向下运动的最低点低于所述喷头装置最低点；所述空间运动机构固定在横向连接支架的另一端，空间运动机构运作时，带动所述横向连接支架绕空间运动机构旋转运动，同时带动压力装置一起旋转。

进一步的，所述压力装置包括连接柱、普通磁铁支撑块、嵌入在普通磁铁支撑块中的普通磁铁、电磁铁支撑块、嵌入在电磁铁支撑块的电磁铁、连接在普通磁铁支撑块和电磁铁支撑块之间的弹簧、连接在普通磁铁支撑块外侧并向下延伸的支撑杆，还包括压轮和加热棒，所述电磁铁为失电性电磁铁；所述连接柱上端固定在所述横向连接支架的一端，连接柱的下端与电磁铁支撑块固定连接；所述加热棒穿过压轮并固定在支撑杆的下端；所述普通磁铁支撑块、普通磁铁及弹簧依次穿过连接柱并沿连接柱上下滑动，从而带动支撑杆上的压轮上下运动。

进一步的，所述空间运动机构包括大同步轮、小同步轮、连接大同步轮和小同步轮的皮带、电机轴，以及用于控制电机轴的电机，所述大同步轮固定在所述横向连接支架的另一端，小同步轮固定在电机轴上。

进一步的，所述喷头装置包括喷头支架、材料导管、加热铝块和固定在喷头支架下方的打印喷头，所述喷头支架固定在所述电机下方，所述加热铝块固定在打印喷头上，所述材料导管上端固定在横向连接支架上，同时穿过横向连接支架、大同步轮、喷头支架、加热铝块，下端与打印喷头连接。

进一步的，所述控制系统一分别控制压力装置中的电磁铁磁性和和空间运动机构的电机运作，电磁铁带磁性时，与普通磁铁的相互吸引力带动普通磁铁支撑块沿连接柱向下滑动，从而使得支撑杆上的压轮向下运动，压轮向下运动的最低位置低于打印喷头所在水平面；控制系统一控制电磁铁失去磁性时，普通磁铁回位带动普通磁铁支撑块沿连接柱向上滑动，从而使得支撑杆上的压轮向上运动，压轮向上运动的最高位置高于打印喷头所在水平面；控制系统一控制电机运作时，由电机轴带动小同步轮转动，小同步轮通过皮带将旋转角度信息传递给大同步轮，并由大同步轮带动横向连接支架做旋转运动，从而使压力装置旋转。

进一步的，所述压轮向下运动的最低位置低于打印喷头所在水平面0.2mm，压轮向上运动的最高位置高于打印喷头所在水平面0.2mm及以上。

进一步的，所述支撑杆为上部支撑杆、中部隔热块、下部支撑杆三段式一体成型，且支撑杆和普通磁铁支撑块为一体成型结构。

进一步的，还包括固定在所述支撑杆下端、临近加热棒的温度传感器，以及与温度传感器相连接并用于控制加热棒的控制系统二，当温度传感器检测到温度低于某一温度值时，由控制系统二控制加热棒升温；当温度传感器检测到温度高于某一温度值时，由控制系统二控制加热棒停止加热，自然降温。

进一步的，所述材料导管、压轮、下部支撑杆均为金属材质。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：本发明针对纤维材料3D打印致密性对压力、温度的需求，以及纤维连续性和方向性特性，压力装置需要能够适应路径跳转与对复杂路径实时跟踪能力的要求，通过基于失磁性电磁铁与普通磁铁的相互作用，完成压力的实施与路径跳转时压力的消除；通过压轮与加热棒一体化装置同时满足压力与温度的需要；通过围绕打印喷头的空间运动机构完成打印丝束的轨迹跟踪。本发明集压力、温度、空间垂直、旋转运动功能为一体，同时满足纤维3D打印的致密性、路径跳转、复杂路径高性能成型的需求，具有装置结构简易、参数可调、功能齐全的特点，为高性能纤维材料3D打印的实现提供基础。

附图说明

图1为本发明的结构正面示意图；

图2为本发明的结构侧面示意图；

图中：1、普通磁铁2、电磁铁3、普通磁铁支撑块4、电磁铁支撑块5、弹簧6、上部支撑杆7、下部支撑杆8、压轮9、加热棒10、连接柱11、横向连接支架12、材料导管13、大同步轮14、皮带15、电机轴16、电机17、喷头支架18、加热铝块19、打印喷头20、隔热块21、温度传感器22、小同步轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本实用型作进一步的描述：

本发明的结构如附图1和图2所示，包括普通磁铁1、电磁铁2、普通磁铁支撑块3、电磁铁支撑块4、弹簧5、上部支撑杆6、下部支撑杆7、压轮8、加热棒9、连接柱10、横向连接支架11、材料导管12、大同步轮13、皮带14、电机轴15、电机16、喷头支架17、加热铝块18、打印喷头19、隔热块20、温度传感器21、小同步轮22。

连接柱10、普通磁铁支撑块3、嵌入在普通磁铁支撑块中的普通磁铁1、电磁铁支撑块4、嵌入在电磁铁支撑块的电磁铁2、连接在普通磁铁支撑块3和电磁铁支撑块5之间的弹簧5、连接在普通磁铁支撑块3外侧并向下延伸的支撑杆，压轮8和加热棒9，构成压力装置；

大同步轮13、小同步轮22、连接大同步轮13和小同步轮22的皮带14、电机轴15，以及用于控制电机轴15的电机16，构成空间运动机构；

喷头支架19、材料导管12、加热铝块18和固定在喷头支架17下方的打印喷头19构成喷头装置。

连接柱10上端固定在横向连接支架11的一端，普通磁铁1嵌入到普通磁铁支撑块3中，普通磁铁1与支撑块3中间有孔，连接柱10上端穿过中间圆孔；电磁铁2嵌入到电磁铁支撑块4中，并与连接柱10下端固定；普通磁铁支撑块3与电磁铁支撑块4之间有弹簧5，同样穿过连接柱10，其共同构成压紧机构的空间垂直下降与抬起装置。普通磁铁支撑块3与上部支撑杆6、下部支撑杆7、中部隔热块20一体相连，通过螺钉固定，隔热块目的是阻止加热棒所产生的过多热量向上传递；下部支撑杆7为金属材质，其末端有孔，中间穿过加热棒9，压轮8为金属滚轮，加热棒9穿过压轮8，末端固定，用于给压轮8提供热量，施压过程中熔化部分高分子材料；温度传感器21插入到下部支撑杆7的末端孔内，温度传感器21为热敏电阻，用来检测加热棒9作用下压轮8的温度，温度传感器21检测的临界温度大小由具体的纤维复合材料所确定，如基于聚乳酸的纤维复合材料，基体材料聚乳酸熔化温度为180度，由于非封闭空间的散热作用，则设定温度传感器21检测到的合适温度为200度。如果加热温度高于200度，则在控制系统二作用下，加热棒8停止加热，自然冷却；如果加热温度低于200度，控制系统二发出加热指令，持续加热。控制系统一般采用PID(比例-积分-微分)控制算法，保证温度的稳定性，避免过快上升或下降。上述装置共同构成“压力-温度”实施机构。电磁铁2、电磁铁支撑块4、连接柱10相对位置保持固定，普通磁铁1、普通磁铁支撑块3、上部支撑杆6、下部支撑杆7、压轮8、加热棒9、隔热块20、温度传感器21保持一体，能够在电磁铁作用下，在连接柱上垂直上下运动。

具体工作过程：3D打印过程中，对压力装置的要求为：始终能够跟随打印喷头19所打印丝束的后方，低于打印喷头一定高度，进行温度作用下的压力作用；在路径跳转时，压力装置能够抬起避免干涉；在曲线路径时，压力装置能够变换角度，保持与打印丝束的相对位置。由于电磁铁2不能长期通电工作，故选择失电性电磁铁2，特性是通电时，磁力消失。在3D打印过程中，电磁铁2未通电，具有磁性，与上方普通磁铁1之间产生吸引力F，且引力F大于弹簧弹力K，在磁力作用下驱动压力装置下降，并低于喷头0.2mm，用于对打印丝束施压；当路径跳转空程运动时，控制系统一能够识别GCode指令中的跳转指令标志G0，输出高电平给电磁铁2通电，电磁铁2失去磁性，弹簧5压缩所产生的弹力F大于压力装置的自身重力G，则把压力装置向上抬起，喷头空程运动，压力装置不与已经打印的模型产生干涉，向上运动距离为0.2mm及以上即可。其中，吸引力F为普通磁铁1、电磁铁2之间所产生；压力机构重力G为普通磁铁1、普通磁铁支撑块3、上部支撑杆6、下部支撑杆7、压轮8、加热棒9、隔热块20、温度传感器21所产生；弹力K为弹簧5在磁铁吸引力作用下压缩所产生，三者之间的关系为：F>K>G。通过以上过程，满足压力装置的空间上下运动。

大同步轮13上端固定在横向连接支架11的另一端，围绕导管12进行旋转运动。小同步轮22固定在电机轴15上，通过皮带14与大同步轮相连接。电机16固定在喷头支架17上，金属材料导管12穿过横向支架11、大同步轮13、喷头支架17，加热铝块18与打印喷头19相连接。控制系统一在打印过程中，不断计算3D打印的GCode代码文件中两点间的位置信息，拟合其行走轨迹。如果线条上两点在一条直线上或有小幅度斜率变化，但线条变化距离在滚轮有效宽度的压力范围内，则压力装置相对于喷头位置不变；如果在3D打印曲线或空程路径跳转后，新的轨迹点相对于当前路径点超出压轮的有效作用范围，则计算新的轨迹与当前轨迹间的夹角变化，控制系统一向电机16发送运动指令，电机轴15旋转带动小同步轮22运动，小同步轮通过皮带14把旋转角度信息传递给大同步轮13，大同步轮带动横向支架11做旋转运动。在横向连接支架11的作用下，同时带动压轮等所组成的压力装置旋转，完成运动轨迹的空间旋转，满足3D打印丝束压力的实时跟随实施。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：包括压力装置、空间运动机构、连接在压力装置和空间运动机构之间的横向连接支架、固定在空间运动机构下方的喷头装置，用于控制压力装置垂直方向运动和控制空间运动机构运作的控制系统一；

所述压力装置固定在横向连接支架的一端，并在控制系统一的控制下相对于所述横向连接支架垂直方向上下运动，所述压力装置向下运动的最低点低于所述喷头装置最低点；所述空间运动机构固定在横向连接支架的另一端，空间运动机构运作时，带动所述横向连接支架绕空间运动机构旋转运动，同时带动压力装置一起旋转。

2.如权利要求1所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述压力装置包括连接柱、普通磁铁支撑块、嵌入在普通磁铁支撑块中的普通磁铁、电磁铁支撑块、嵌入在电磁铁支撑块的电磁铁、连接在普通磁铁支撑块和电磁铁支撑块之间的弹簧、连接在普通磁铁支撑块外侧并向下延伸的支撑杆，还包括压轮和加热棒，所述电磁铁为失电性电磁铁；所述连接柱上端固定在所述横向连接支架的一端，连接柱的下端与电磁铁支撑块固定连接；所述加热棒穿过压轮并固定在支撑杆的下端；所述普通磁铁支撑块、普通磁铁及弹簧依次穿过连接柱并沿连接柱上下滑动，从而带动支撑杆上的压轮上下运动。

3.如权利要求2所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述空间运动机构包括大同步轮、小同步轮、连接大同步轮和小同步轮的皮带、电机轴，以及用于控制电机轴的电机，所述大同步轮固定在所述横向连接支架的另一端，小同步轮固定在电机轴上。

4.如权利要求3所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述喷头装置包括喷头支架、材料导管、加热铝块和固定在喷头支架下方的打印喷头，所述喷头支架固定在所述电机下方，所述加热铝块固定在打印喷头上，所述材料导管上端固定在横向连接支架上，同时穿过横向连接支架、大同步轮、喷头支架、加热铝块，下端与打印喷头连接。

5.如权利要求4所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述控制系统一分别控制压力装置中的电磁铁磁性和和空间运动机构的电机运作，电磁铁带磁性时，与普通磁铁的相互吸引力带动普通磁铁支撑块沿连接柱向下滑动，从而使得支撑杆上的压轮向下运动，压轮向下运动的最低位置低于打印喷头所在水平面；控制系统一控制电磁铁失去磁性时，普通磁铁回位带动普通磁铁支撑块沿连接柱向上滑动，从而使得支撑杆上的压轮向上运动，压轮向上运动的最高位置高于打印喷头所在水平面；控制系统一控制电机运作时，由电机轴带动小同步轮转动，小同步轮通过皮带将旋转角度信息传递给大同步轮，并由大同步轮带动横向连接支架做旋转运动，从而使压力装置旋转。

6.如权利要求5所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述压轮向下运动的最低位置低于打印喷头所在水平面0.2mm，压轮向上运动的最高位置高于打印喷头所在水平面0.2mm及以上。

7.如权利要求2-6任一所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述支撑杆为上部支撑杆、中部隔热块、下部支撑杆三段式一体成型，且支撑杆和普通磁铁支撑块为一体成型结构。

8.如权利要求2-6任一所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：还包括固定在所述支撑杆下端、临近加热棒的温度传感器，以及与温度传感器相连接并用于控制加热棒的控制系统二，当温度传感器检测到温度低于某一温度值时，由控制系统二控制加热棒升温；当温度传感器检测到温度高于某一温度值时，由控制系统二控制加热棒停止加热。

9.如权利要求4所述的一种用于连续纤维3D打印的丝束压力实施机构，其特征在于：所述材料导管、压轮、下部支撑杆均为金属材质。