CN112810151B - 一种增材制造执行头的展纱与裁切装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造执行头的展纱与裁切装置，包括主板和出纱组件；浸渍装置，通过浆液溶体浸渍连续纤维形成树脂纤维束；展纱装置，用于控制所述树脂纤维束的宽度；牵引装置，用于克服所述树脂纤维束在展纱工序中产生的阻力，进行牵引送料；纤维束裁切装置，与出纱组件配合，用于控制裁切位置、裁剪所述树脂纤维束。本发明通过精确可控的展纱工序，提升了制件的整体纤维含量，从而实现了纤维增强复合材料的整体力学性能提升；同时通过正确控制纤维裁切位置，减少因纤维头裁切位置不合理而影响后续的打印精度，实现了连续自动化作业。

Description

一种增材制造执行头的展纱与裁切装置

技术领域

本发明涉及复合材料增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造执行头的展纱与裁切装置。

背景技术

增材制造(俗称3D打印)技术是将原材料采用逐层累加的方法制造零件的技术，相较于传统复合材料制造技术，具有不需要模具、刀具、夹具及其它加工工序。增材制造技术直接利用三维设计数据在设备上精确快速制造任意复杂结构的特点，缩短了制造周期、降低了制造成本。

现阶段，热塑性树脂打印技术仍以纯树脂或添加增强颗粒的热塑性树脂打印为主，为了能够提高材料的力学承载，国内外研究机构研发出熔融打印连续纤维的制件；但连续树脂纤维增强复合材料经增材制造技术制造的制件层间性能差、纤维含量控制难、剪切位置控制难的问题尚未解决。

公开号为CN 111941836 A的说明书公开了一种铺丝成型剪裁一体化的复材3D打印多孔喷头及方法，一种铺丝成型剪裁一体化的复材3D打印多孔喷头及方法，喷头包括纤维树脂多孔送丝喷头、碳纤维丝剪裁机构、纤维丝铺设中止机构，所述纤维树脂多孔送丝喷头包括喷头基础架、多孔送丝喷嘴，多孔送丝喷嘴穿过喷头基础架向下延展出多孔铺丝头和树脂加热喷头；碳纤维丝剪裁机构能够实现对纤维丝的部分剪裁和修型，纤维丝铺设中止机构能够在剪裁前对纤维丝进行夹紧。本发明中高粘度的树脂难以完全浸透碳纤维丝，会影响制造质量；同时无法调整碳纤维丝的剪切位置，可能导致裁切位置不合理。

公开号为CN 108297404 B的说明书公开了供一种连续纤维3D打印装置和方法，包括纤维辊、浸胶部以及打印部，所述的浸胶部具有一注有树脂溶液的壳体，壳体内部依次设置有张紧辊、浸胶对开辊以及牵引辊，所述的张紧辊置于树脂溶液液面以上，用于在摩擦力的作用下为“干”纤维提供部分预紧力，所述的浸胶对开辊置于树脂液面以下并与所述的张紧辊呈夹角设置，所述的牵引辊置于树脂液面以上，用以提供牵引力；其中，所述的“干”纤维经纤维辊进入浸胶部，依次经所述的张紧辊、浸胶对开辊和牵引辊完成浸胶，之后经打印部进行打印。该发明只涉及浸渍方面的技术，而与其相对应的展纱宽度、纤维导向等都没有涉及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造执行头的展纱与裁切装置，提升了连续纤维树脂基复合材料增材制造的整体力学性能及加工精度。

一种增材制造执行头的展纱与裁切装置，包括主板和出纱组件；

浸渍装置，通过浆液溶体浸渍连续纤维形成树脂纤维束；

展纱装置，用于控制所述树脂纤维束的宽度；

牵引装置，用于克服所述树脂纤维束在展纱工序中产生的阻力，进行牵引送料；

纤维束裁切装置，与出纱组件配合，用于控制裁切位置、裁剪所述树脂纤维束。

所述的连续纤维进入浸渍装置形成树脂纤维束，所述树脂纤维束通过展纱装置和牵引装置的相互配合形成打印设定的宽度并送入出纱组件；完成打印后，由纤维束裁切装置动作对树脂纤维束进行定位裁切。

所述的浸渍装置包括上纱卷组件、过纱孔板、定位过渡凹轮和浸渍盒；所述的连续纤维盘绕于所述上纱卷组件，连续纤维通过过纱孔板进入定位过渡凹轮，定位过渡凹轮将连续纤维传递至浸渍盒。所述连续纤维经浸渍形成树脂纤维束从浸渍盒的出口输出，所述过纱孔板和定位过渡凹轮的配合控制了连续纤维的走向和位置。

优选地，所述上纱卷组件包括若干个上纱卷单体，上纱卷单体盘绕有连续纤维，所述连续纤维的材质根据制造需求可选择相同材质或是不同材质。

所述展纱装置包括设有封闭辊和限位凹轮的定位辊组、设有固定辊与加力辊的展纱轮组和设于出纱组件上的导纱环组，所述定位辊组设于展纱轮组的上方，所述加力辊和主板通过腰孔连接，通过调节加力辊的位置调树脂纤维束的展纱张力和展纱宽度，导纱环组包括多个同轴的导纱环；导纱环的环面与出纱组件的轴向相切。树脂纤维束通过封闭辊和限位凹轮之间进行定位，再进入展纱轮组进行展纱。

优选地，所述导纱环的直径不同，按照中间大两边小的原则布置于出纱组件的侧面，树脂纤维束通过不同直径的导纱环，利用不同直径产生张紧力，产生展纱效果。

优选地，所述固定辊与加力辊交叉分布，树脂纤维束通过所述的定位辊组后先进入加力辊，再进入固定辊。

所述牵引装置包括设于展纱装置上方的第一牵引辊组件和设于展纱装置下方的第二牵引辊组件；第一牵引辊组件包括第一牵引辊、通过主板与第一牵引辊连接的第一驱动；第二牵引辊组件包括第二牵引辊、第二牵引辅助辊、通过主板与第二牵引辊连接的第二驱动。

所述牵引装置根据不同的工况选择第一牵引辊组件或/和第二牵引辊组件工作，不同材质的树脂纤维束的粘度不同，在牵引装置中产生的摩擦力不同，故选择性地开启第一牵引辊或第二牵引辊或两者同时开启。

优选地，所述的第二牵引辅助辊连接有第一加力杆，第一加力杆的另一端通过穿过主板的连接轴与第二加力杆首尾固定，第二加力杆的另一端固定有牵引辅助辊驱动，牵引辅助辊驱动工作时，通过第一加力杆和第二加力杆作用于第二牵引辅助辊，使得第二牵引辅助辊与第二牵引辊之间产生压力，挤压树脂纤维束加大摩擦力，保证树脂纤维束的输出；同时第二牵引辅助辊在主板上可调节位置，适应不同材质的树脂纤维束输送。

优选地，第一牵引辊的下方设有与辊表面接触的软性刮桨板，所述浸渍盒的顶端设有位于软性刮桨板下方的接盘，所述软性刮桨板防止粘纱且除去粘连在树脂纤维束上的多余的树脂及杂物，刮除的树脂及杂物收集在所述接盘内，防止多余的树脂及杂物进入制造工作面影响打印质量。

所述第一牵引辊、第二牵引辊和第二牵引辅助辊的表面均设有不粘材料，防止树脂粘辊。

所述纤维束裁切装置包括工位调节组件、剪刀张合组件和剪刀，所述工位调节组件包括基座支架、竖直驱动、第一支架、斜向驱动和第二支架；竖直驱动通过基座支架固定于主板的下部，驱动第一支架竖直移动，所述斜向驱动固定于第一支架，驱动第二支架靠近树脂纤维束或远离树脂纤维束；所述剪刀张合组件包括与第二支架连接的链接板、固定于链接板上的剪切驱动和驱动剪刀运动的连杆滑块机构，所述连杆滑块机构的连杆连接剪切驱动，滑块与剪刀的外缘相抵；所述剪刀与链接板固定。

所述斜向驱动的驱动轴向下倾斜1°～45°固定于第一支架，驱动第二支架向下倾斜靠近树脂纤维束或向上倾斜远离树脂纤维束；

所述链接板设有10°～45°斜角的导轨与所述滑块配合，滑块的下端设有沿剪刀外缘做下压运动的凹槽；剪切驱动运行时，通过连杆驱动滑块沿链接板的导轨下压剪刀，实现剪刀的剪切动作。

优选地，所述第二支架和链接板之间、所述基座支架和主板之间均采用多组安装孔位与长腰孔配合。

优选地，所述的牵引辅助辊驱动、竖直驱动和剪切驱动均为气动执行元件，主板上设有与气动执行元件配合的气源处理元件及与气源处理元件连接的控制各个气动执行元件的气源控制元件组。

优选地，所述剪刀自带弹性开口、刀口设置有防滑凹槽、防止剪断树脂纤维束时产生滑移。

本发明设计了一种增材制造执行头的展纱与裁切装置，相比现有技术，本发明的优点在于：

1.通过精确可控的展纱工序，提升了制件的整体纤维含量，从而实现了纤维增强复合材料的整体力学性能提升；

2.通过正确控制纤维裁切位置，减少因纤维头裁切位置不合理而影响后续的打印精度，实现了连续自动化作业。

附图说明

图1为本发明实施例增材制造执行头的展纱与裁切装置的结构示意图；

图2为图1所示增材制造执行头的展纱与裁切装置的后视结构示意图；

图3为图1所示纤维束裁切装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，增材制造执行头的展纱与裁切装置，包括主板1和出纱组件2；

浸渍装置3，通过浆液溶体浸渍连续纤维形成树脂纤维束；

展纱装置4，用于控制树脂纤维束的宽度；

牵引装置5，用于克服树脂纤维束在展纱工序中产生的阻力，进行牵引送料；

纤维束裁切装置6，与出纱组件2配合，用于控制裁切位置、裁剪所述树脂纤维束。

浸渍装置3包括上纱卷组件31、过纱孔板32、定位过渡凹轮33和浸渍盒34；连续纤维盘绕于上纱卷组件31，过纱孔板32位于上纱卷组件31和定位过渡凹轮33之间，定位过渡凹轮33位于浸渍盒34的上方，过纱孔板32和定位过渡凹轮33的配合控制了连续纤维的走向和位置。

上纱卷组件31包括两个上纱卷单体311，上纱卷单体311盘绕有连续纤维，连续纤维的材质根据制造需求可选择相同材质或是不同材质。展纱装置4包括设有封闭辊411和限位凹轮412的定位辊组41、设有固定辊421与加力辊422的展纱轮组42和设于出纱组件2上的导纱环组43，定位辊组41设于展纱轮组42的上方，加力辊422和主板1通过腰孔连接，通过调节加力辊422的位置调树脂纤维束的展纱张力和展纱宽度，导纱环组43包括三个同轴的导纱环；导纱环的环面与出纱组件2的轴向相切。

树脂纤维束通过封闭辊411和限位凹轮412之间进行定位，再进入展纱轮组42进行展纱。

三个导纱环的直径不同，按照中间大两边小的原则布置于出纱组件2的侧面，树脂纤维束通过不同直径的导纱环，利用不同直径产生张紧力，产生展纱效果。

固定辊421与加力辊422均为2个且交叉分布，树脂纤维束通过定位辊组41后先进入加力辊422，再进入固定辊421。

如图1、图2所示，牵引装置5包括设于展纱装置4上方的第一牵引辊组件51和设于展纱装置4下方的第二牵引辊组件52；第一牵引辊组件51包括第一牵引辊511、通过主板与第一牵引辊511连接的第一驱动512；第二牵引辊组件52包括第二牵引辊521、第二牵引辅助辊522、通过主板与第二牵引辊521连接的第二驱动523。

第二牵引辅助辊522连接有第一加力杆525，第一加力杆525的另一端通过穿过主板1的连接轴与第二加力杆524首尾固定，第二加力杆524的另一端固定有牵引辅助辊驱动526，牵引辅助辊驱动526工作时，通过第一加力杆525和第二加力杆524作用于第二牵引辅助辊522，使得第二牵引辅助辊522与第二牵引辊521之间产生压力，挤压树脂纤维束加大摩擦力，保证树脂纤维束的输出；同时第二牵引辅助辊522在主板1上可调节位置，适应不同材质的树脂纤维束输送。

第一牵引辊511的下方设有与辊表面接触的软性刮桨板，浸渍盒34的顶端设有位于软性刮桨板下方的接盘341。

第一牵引辊511、第二牵引辊521和第二牵引辅助辊522的表面均设有不粘材料，防止树脂粘辊。

如图3所示，纤维束裁切装置6包括工位调节组件61、剪刀张合组件62和剪刀63；

工位调节组件61包括基座支架611、竖直驱动612、第一支架613、斜向驱动614和第二支架615；

竖直驱动612通过基座支架611固定于主板1下部，驱动第一支架竖直移动613，斜向驱动614的驱动轴向下倾斜1°～45°固定于第一支架613，驱动第二支架615向下倾斜靠近树脂纤维束或向上倾斜远离树脂纤维束；

剪刀张合组件62包括与第二支架615连接的链接板621、固定于链接板621上的剪切驱动622和驱动剪刀运动的连杆滑块机构623，连杆滑块机构623的连杆624连接剪切驱动622，滑块625与剪刀63的外缘相抵；

剪刀63与链接板621固定。

链接板621设有10°～45°斜角的导轨与滑块625配合，滑块625的下端设有沿剪刀63外缘做下压运动的凹槽，剪切驱动622运行时，通过连杆624驱动滑块625沿链接板621的导轨下压剪刀63，实现剪刀63的剪切动作。

第二支架614和链接板621之间、基座支架611和主板1之间均采用多组安装孔位与长腰孔配合，使纤维束裁切装置6实现了三向调节。

牵引辅助辊驱动526、竖直驱动612和剪切驱动622均为气动执行元件，主板上设有与气动执行元件配合的气源处理元件7及与气源处理元件7连接的控制各个气动执行元件的气源控制元件组8。

剪刀63自带弹性开口，刀口设有防滑凹槽，防止剪断树脂纤维束时产生滑移。

连续纤维从上纱卷组件31通过过纱孔板32进入定位过渡凹轮33，定位过渡凹轮33将连续纤维传递至浸渍盒34的入口处，连续纤维通过浸渍盒34中的浆液溶体浸渍形成树脂纤维束从浸渍盒34的出口输出。

树脂纤维束绕过第一牵引辊511，调整第一牵引辊511的下端的软性刮桨板与第一牵引辊511的表面接触，除去多余树脂及杂物，防止粘辊。

启动第一驱动512驱动第一牵引辊511旋转，工作中树脂纤维束以绷紧状态绕过第一牵引辊511产生摩擦力，通过摩擦力作用使得树脂纤维束随着第一牵引辊511牵引输出。

树脂纤维束通过第一牵引辊511进入封闭辊411和限位凹轮412之间，控制树脂纤维束的位置，防止其发生移位；树脂纤维纱束通过展纱轮组42输出到第二牵引辊组件52。

启动第二驱动523驱动第二牵引辊521转动，使树脂纤维束穿过第二牵引辊521和第二牵引辅助辊522之间。

再启动牵引辅助辊驱动526产生压力通过第一加力杆525和第二加力杆524作用于第二牵引辅助辊522，通过旋转产生牵引力，牵引树脂纤维束输出。

制造工作完成后，启动气源处理元件7，通过气源控制元件组8，驱动竖直驱动612工作，剪刀63沿竖直方向伸出至所需位置；

通过气源控制元件组8，驱动斜向驱动614工作，剪刀63斜插入剪切树脂纤维束而不碰到已经打印件；

再通过气源控制元件组8，驱动剪切驱动622，通过连杆滑块机构623，驱动剪刀63闭合，达到剪切目的；

最后，气源控制元件组8驱动竖直驱动612和斜向驱动614，使剪刀63回到原始的等待工位，完成剪切工作。

Claims (9)

1.一种增材制造执行头的展纱与裁切装置，包括主板（1）和出纱组件（2），其特征在于，还包括：

浸渍装置（3），通过浆液溶体浸渍连续纤维形成树脂纤维束；

展纱装置（4），用于控制所述树脂纤维束的宽度；

牵引装置（5），用于克服所述树脂纤维束在展纱工序中产生的阻力，进行牵引送料；

纤维束裁切装置（6），与出纱组件（2）配合，用于控制裁切位置、裁剪所述树脂纤维束；

所述展纱装置（4）包括设有封闭辊（411）和限位凹轮（412）的定位辊组（41）、设有固定辊（421）与加力辊（422）的展纱轮组（42）和设于出纱组件（2）上的导纱环组（43），所述定位辊组（41）设于展纱轮组（42）的上方，所述加力辊和主板（1）通过腰孔连接，固定辊（421）与加力辊（422）交叉分布，导纱环组（43）包括多个同轴的导纱环，导纱环的环面与出纱组件（2）的轴向相切；所述导纱环的直径不同，按照中间大两边小的原则布置于出纱组件的侧面。

2.根据权利要求1所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述的浸渍装置（3）包括上纱卷组件（31）、过纱孔板（32）、定位过渡凹轮（33）和浸渍盒（34）；所述的连续纤维盘绕于所述上纱卷组件（31），连续纤维通过过纱孔板（32）进入定位过渡凹轮（33），定位过渡凹轮（33）将连续纤维传递至浸渍盒（34）。

3.根据权利要求1所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述牵引装置（5）包括设于展纱装置（4）上方的第一牵引辊组件（51）和设于展纱装置（4）下方的第二牵引辊组件（52）；第一牵引辊组件（51）包括第一牵引辊（511）、通过主板（1）与第一牵引辊（511）连接的第一驱动（512）；第二牵引辊组件（52）包括第二牵引辊（521）、第二牵引辅助辊（522）、通过主板（1）与第二牵引辊（521）连接的第二驱动（523）。

4.根据权利要求3所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述的第二牵引辅助辊（522）连接有第一加力杆（525），第一加力杆（525）的另一端通过穿过主板（1）的连接轴与第二加力杆（524）首尾固定，第二加力杆（524）的另一端固定有牵引辅助辊驱动（526）。

5.根据权利要求4所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述纤维束裁切装置（6）包括工位调节组件（61）、剪刀张合组件（62）和剪刀（63），所述工位调节组件（61）包括基座支架（611）、竖直驱动（612）、第一支架（613）、斜向驱动（614）和第二支架（615）；竖直驱动（612）通过基座支架（611）固定于主板（1）的下部，所述斜向驱动（614）固定于第一支架（613）；所述剪刀张合组件（62）包括与第二支架（615）连接的链接板（621）、固定于链接板（621）上的剪切驱动（622）和驱动剪刀（63）运动的连杆滑块机构（623），所述连杆滑块机构（623）的连杆（624）连接剪切驱动（622），滑块（625）与剪刀（63）的外缘相抵；所述剪刀（63）与链接板（621）固定。

6.根据权利要求5所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述斜向驱动（614）的驱动轴向下倾斜1°~45°固定于第一支架（613）。

7.根据权利要求5所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述链接板（621）设有10°~45°斜角的导轨与所述滑块（625）配合，滑块（625）的下端设有沿剪刀（63）外缘做下压运动的凹槽。

8.根据权利要求5所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述第二支架（615）和链接板（621）之间、所述基座支架（611）和主板（1）之间均采用多组安装孔位与长腰孔配合。

9.根据权利要求5所述的增材制造执行头的展纱与裁切装置，其特征在于，所述的牵引辅助辊驱动（526）、竖直驱动（612）和剪切驱动（622）均为气动执行元件，主板（1）上设有与气动执行元件配合的气源处理元件（7）及与气源处理元件（7）连接的控制各个气动执行元件的气源控制元件组（8）。

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