CN107379539A - 一种连续纤维预浸料3d打印喷头及其3d打印机、打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续纤维预浸料3D打印喷头及其3D打印机、打印方法，该3D打印喷头包括转动机构、固定支座、散热装置、加热装置、导向通道和压轮，散热装置螺纹于固定支座的下端，加热装置连接于散热装置的下端，导向通道依次穿过固定支座、散热装置和加热装置，用于向下供给预浸料，压轮设置在加热装置的下端，并分布在导向通道的两侧，用于压实熔融态的连续纤维预浸料；固定支座上设有供料装置、剪断机构和剪断再供料装置，供料装置和剪断再供料装置用于提供向下供给的动力，剪断机构用于按需剪断预浸料。本发明实现了连续纤维预浸料3D打印，且提高了非金属3D打印的整体强度和层间剪切强度，降低了连续纤维预浸料结构件成型的技术难度。

Description

一种连续纤维预浸料3D打印喷头及其3D打印机、打印方法

技术领域

本发明属于连续纤维预浸料3D打印技术领域，特别涉及种连续纤维预浸料3D打印喷头及其3D打印机、打印方法。

背景技术

3D打印技术在加工过程中具有增加材料，减少原材料浪费和节约成本的优点。3D打印技术结合了材料、计算机、控制等不同学科，是一种以数字模型文件为基础，逐层粘合不同材料来构造物体的技术。按材料划分，3D打印技术可分为金属3D打印和非金属3D打印，非金属材料主要是一些热塑性树脂材料。由于原材料的关系，非金属3D打印的零件强度不高，不能直接使用，这也是没有工业级3D打印非金属产品的原因之一。

热塑性树脂基连续纤维复合材料相比于传统的热固性材料具有耐热性高、韧性好、弯曲强取高、层间剪切性能好、吸水率低、可重复利用等优点，因此，在航空、航天、汽车、军事、医疗等领域得到广泛应用。热塑性树脂基连续纤维复合材料通常先加工成连续纤维预浸料，然后经过多自由度机械臂带动铺放头在模具上成型，但是，该方法成本高、技术要求高。

国内外有不少科研人员为提高非金属3D打印的强度做了不少的努力，大多是通过改进熔融沉积成型3D打印喷头，将连续纤维和热塑性耗材在打印喷头处预浸然后进行打印成型，但这种方法由于热塑性树脂加热温度不能太高，因而，导致树脂流动性不好，而且由于预浸时间短、压力小等原因，使得连续纤维的预浸度不高，打印成型的零件强度没有得到本质性提高，造成连续纤维的浪费，大大限制了其在3D打印领域的应用与发展。

发明内容

为了解决上述提到的非金属3D打印零件强度低以及现有的连续纤维增强非金属3D打印零件强度提高不明显的缺点，本发明提供了一种连续纤维预浸料3D打印喷头及其3D打印及、打印方法，本发明将热塑性树脂基连续纤维预浸料借助3D打印的方法来加工成型复合材料零件，降低了传统的连续纤维预浸料的加工技术难度，大大提高了非金属3D打印的强度。

本发明的技术方案如下：

一种连续纤维预浸料3D打印喷头，包括固定支座、散热装置、加热装置、连续纤维预浸料导向通道和若干压轮，所述的散热装置螺纹连接于所述的固定支座的下端，所述加热装置螺纹连接于所述的散热装置的下端，所述的导向通道依次穿过所述的固定支座、所述的散热装置和所述的加热装置，用于向下供给连续纤维预浸料，所述压轮设置在所述的加热装置的下端，并分布在所述的导向通道的两侧；

所述的固定支座上设有供料装置、剪断机构和剪断再供料装置，所述的剪断机构设置在所述的供料装置和剪断再供料装置之间；

其中，所述的供料装置和剪断再供料装置包括主动齿轮和滑轮，且所述的主动齿轮和滑轮设置在所述的导向通道之间，提供向下传送连续纤维预浸料的动力；所述的剪断机构包括复位弹簧、复位压块、剪断刀片和气缸，在所述的导向通道一侧的所述的固定支座上固定连接所述的复位弹簧，所述的复位弹簧的另一端固定在所述的复位压块上，在所述的导向通道的另一侧设有所述的剪断刀片，所述的剪断刀片由所述的气缸提供剪断力。

优选为，在位于所述的导向通道两侧的所述的固定支座上设有用于设置所述的供料装置或所述的剪断再供料装置的凹槽。

优选为，两个所述的主动齿轮设置在所述的导向通道同一侧的凹槽上，并通过设置在所述的固定支座的同步带同步带动，所述的滑轮设置在所述的导向通道另一侧的凹槽上。

优选为，所述的固定支座上设有用于压缩所述的复位压块的空间(即复位弹簧所处的空间)，所述的空间从所述的固定支座的侧壁延伸并横跨所述的导向通道至另一侧所述的固定支座的侧壁上。

优选为，所述的复位弹簧设置所述的空间的侧壁上；在所述的空间的另一侧壁上设有所述的剪断刀片穿过的缝隙。

优选为，所述的加热装置包括加热套、传热合金管，所述的传热合金管位于所述的加热套的内侧，所述的传热合金管的内侧设有特氟龙管，用于减少摩擦。

优选为，所述的压轮通过通心轴设置所述的加热装置的下端。

优选为，还包括转动机构，所述的转向机构用于调整3D打印喷头的打印路径。本发明还公开了一种3D打印机，包括安装有上述的3D打印喷头。

本发明还公开了一种利用上述的3D打印喷头的打印方法，包括以下步骤：

(1)将权利要求1～8所述的3D打印喷头安装在3D打印机上，连续纤维预浸料穿过所述的导向通道，从所述的压轮处伸出约2～8mm，然后为所述的加热装置、所述的供料装置和所述的剪断再供料装置提供控制电源；

(2)在所述的供料装置和所述的剪断再供料装置的同步供给下，穿过所述的剪断机构，此时，所述的剪断机构没有接受控制信号，不动作；再穿过所述的散热装置，保持固态；进入所述的加热***，在加热下，连续纤维预浸料中的热塑性树脂受热变为能黏合的熔融态，通过所述的压轮的作用将熔融态的连续纤维预浸料按需要的路径压实在打印底板或下层连续纤维预浸料上；

(3)当连续纤维预浸料打印路径方向发生变化时，打印喷头在所述的转动机构的作用下发生转动，使得所述的压轮的转动方向始终与打印路径平行；

(4)当连续纤维预浸料需要剪断时，在控制信号的作用下使所述的气缸动作，然后传递到所述的剪断刀片上，所述的剪断刀片在所述的复位弹簧和复位压块的配合下切断连续纤维预浸料，然后所述的剪断刀片缩回，在所述的剪断再供料装置的作用下，继续行进；打印时，按需重复转动步骤(3)和剪断动作(4)，即完成高强度复合材料零件的打印。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

一、本发明的一种连续纤维预浸料3D打印喷头，通过设置供料装置和剪短再供料装置，实现将连续纤维预浸料向下供给打印；并在供料装置和剪短再供料装置之间设置剪短机构，随时按需剪短，以更好打印形状复杂的零件，和打印喷头设置提供转向机构，实现精确控制连续纤维打印方向和打印精度，此外，在加热装置的出口处设置压轮，提供了3D打印的层间剪切强度；

二、本发明的连续纤维预浸料3D打印方法，可实现连续纤维预浸料的3D打印，大大提高现有的非金属3D打印零件强度，解决现有的连续纤维3D打印浸渍度不够造成的强度提高不大、连续纤维浪费等问题。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的一种连续纤维预浸料的截面示意图；

图2为本发明的一种连续纤维预浸料3D打印喷头的结构示意图；

图3为本发明的一种连续纤维预浸料3D打印喷头的剖面图；

图4为本发明的一种连续纤维预浸料3D打印喷头的剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所述，本发明所采用的连续纤维预浸料11为连续纤维增强的热塑性树脂基复合材料，其截面形状为圆形，包括连续纤维111和热塑性树脂112，其中，连续纤维111为碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维等纤维中的一种，或由其中的几种纤维复合在一起的纤维束；热塑性树脂112为聚乳酸、ABS、尼龙或PEEK等热塑性树脂中的一种。

如图2～4所示，本发明的一种连续纤维预浸料3D打印喷头，可将其安装到普通的FDM型3D打印机上，使该连续纤维预浸料3D打印喷头在打印过程中按需移动，该3D打印喷头包括固定支座1、散热装置7、加热装置8、连续纤维预浸料导向通道2和两个压轮10，所述的散热装置7螺纹连接于所述的固定支座1的下端，所述加热装置8螺纹连接于所述的散热装置7的下端，所述的导向通道2依次穿过所述的固定支座1、所述的散热装置7和所述的加热装置8，用于向下供给连续纤维预浸料11，所述压轮10设置在所述的加热装置8的下端，并分布在所述的导向通道2的两侧，用于压实熔融态的连续纤维预浸料11，本发明优选将所述的压轮10通过通心轴设置所述的加热装置8的下端；

所述的固定支座1上设有供料装置3、剪断机构4和剪断再供料装置5，所述的剪断机构4设置在所述的供料装置3和剪断再供料装置5之间；

其中，所述的供料装置3和剪断再供料装置5包括提供动力的主动齿轮31(51)和提供导向作用的被动滑轮32(52)，且所述的主动齿轮31(51)和滑轮32(52)设置在所述的导向通道2之间，用于提供向下传送连续纤维预浸料11的动力，所述的主动齿轮31(51)通过步进电机获得持续动力，并和被动滑轮32(52)配合将连续纤维预浸料11按需向下供给，因此，剪断再供料装置与供料装置3通过同步带6同步运动，使连续纤维预浸料11获得向下的动力。

所述的剪断机构4包括复位弹簧42、复位压块45、剪断刀片43和气缸44，在所述的导向通道2一侧的所述的固定支座1上固定连接所述的复位弹簧42，所述的复位弹簧42的另一端固定在所述的复位压块45上，在所述的导向通道2的另一侧设有所述的剪断刀片43，所述的剪断刀片43由所述的气缸44提供足够的剪断力，用于剪断连续纤维预浸料11。

本发明为了将供料装置3、剪断机构4和剪断再供料装置5设置在固定支座1上，可优选为本实施例的一种设置方式，但又不限于此，本实施例在位于所述的导向通道2两侧的所述的固定支座1上设有用于设置所述的供料装置3或所述的剪断再供料装置5的凹槽12，两个所述的主动齿轮31(51)设置在所述的导向通道2同一侧的凹槽12上，并通过设置在所述的固定支座1的同步带6同步带动，所述的滑轮32(52)设置在所述的导向通道2另一侧的凹槽12上。

本实施例在所述的供料装置3和剪断再供料装置5之间的所述的固定支座1上设有用于压缩所述的复位压块45的空间(即复位弹簧42所处的位置)，所述的空间从所述的固定支座1的侧壁延伸并横跨所述的导向通道2至另一侧所述的固定支座1的侧壁上，保证剪断过程中复位弹簧42有足够的压缩空间，以确保彻底剪断连续碳纤维预浸料11，该处所述的固定支座1的上端为剪断入口41和下端为剪断出口46，剪断入口41的侧壁上设有凸台，凸台的高度应尽量靠近供料装置3，但不影响主动齿轮31和被动滑轮32的转动。

所述的复位弹簧42设置所述的空间的侧壁上；在所述的空间的另一侧壁上设有所述的剪断刀片43穿过的缝隙。剪断刀片43采用硬质合金钢刀片，气缸44采用微型气缸，且提供足够的剪断力，以剪断连续纤维预浸料11。

所述的散热装置7采用鱼鳍散热片散热，在该鱼鳍散热片靠近导向通道2的侧壁上设置凸台，该凸台正对剪断再供料装置5，且凸台的高度应在不影响主动齿轮51和滑轮52运动的前提下，应尽可能靠近再供料装置5。

所述的加热装置8包括加热套81、传热合金管83，所述的传热合金管83位于所述的加热套81的内侧，被其包覆，其中，在加热套81和传热合金管83之间设置温度传感器82，此外，为了减少摩擦，在所述的传热合金管83的内侧设有特氟龙管9。

所述的加热套81可为加热管、陶瓷加热或电磁加热等中的一种，所述的温度传感器82可为热敏电阻或热电偶等温度感应方式，整个加热过程为闭环控制。

本发明的一种利用上述的3D打印喷头的打印方法，包括以下步骤：

(1)将上述的3D打印喷头安装在FDM型3D打印机上，连续纤维预浸料11从所述的导向通道2穿过，在所述的压轮10处伸出约2～8mm，然后再为所述的加热装置8、所述的供料装置3和所述的剪断再供料装置5提供控制电源；

(2)在所述的供料装置3和所述的剪断再供料装置5的同步供给下，穿过所述的剪断机构4，此时，所述的剪断机构4没有接受控制信号，不动作；再穿过所述的散热装置7，保持固态；进入所述的加热***8，在加热下，连续纤维预浸料中的热塑性树脂受热变为能黏合的熔融态，通过所述的压轮10的作用，将熔融态的连续纤维预浸料10按需要的路径压实在打印底板或下层连续纤维预浸料上；

(3)当连续纤维预浸料打印路径方向发生变化时，打印喷头在所述的转动机构的作用下发生转动，使得所述的压轮10的转动方向始终与打印路径平行；

(4)当连续纤维预浸料需要剪断时，在控制信号的作用下使所述的气缸44动作，然后传递到所述的剪断刀片43上，所述的剪断刀片43在所述的复位弹簧42和复位压块45的配合下，切断在剪断机构4处保持固态的连续纤维预浸料11；然后剪断刀片43缩回，连续纤维预浸料11在复位弹簧42的作用下，恢复原来的行进方向，穿过剪断出口46，在剪断再供料装置5的作用下，继续行进；

(5)在3D打印过程中，连续纤维预浸料11在打印机的移动下，按照路径并重复步骤(2)在打印喷头内的活动，层层不断打印出复合材料零件；在遇到需要转向的位置时，重复步骤(3)，利用外置的转动机构发生转动，带动整个打印喷头转动一定角度；在遇到连续纤维需要剪断的位置时，重复步骤(4)所述的动作，将连续纤维剪断。

本发明的连续纤维预浸料3D打印方法，可以大大提高现有的非金属3D打印的强度，使用3D打印方法构造连续纤维增强的热塑性树脂基复合材料零件，可以降低使用机械臂来加工连续纤维预浸料的成本，减小加工连续纤维复合材料零件的技术难度；同时，本发明的连续纤维预浸料3D打印喷头，由于设置有剪断机构、转向机构及压轮，可以更精确的控制连续纤维的打印方向，更好地打印形状复杂的零件，增加3D打印的层间剪切强度。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，包括固定支座、散热装置、加热装置、连续纤维预浸料导向通道和若干压轮，所述的散热装置螺纹连接于所述的固定支座的下端，所述加热装置螺纹连接于所述的散热装置的下端，所述的导向通道依次穿过所述的固定支座、所述的散热装置和所述的加热装置，用于向下供给连续纤维预浸料，所述压轮设置在所述的加热装置的下端，并分布在所述的导向通道的两侧；

所述的固定支座上设有供料装置、剪断机构和剪断再供料装置，所述的剪断机构设置在所述的供料装置和剪断再供料装置之间；

其中，所述的供料装置和剪断再供料装置包括主动齿轮和滑轮，且所述的主动齿轮和滑轮设置在所述的导向通道之间，提供向下传送连续纤维预浸料的动力；所述的剪断机构包括复位弹簧、复位压块、剪断刀片和气缸，在所述的导向通道一侧的所述的固定支座上固定连接所述的复位弹簧，所述的复位弹簧的另一端固定在所述的复位压块上，在所述的导向通道的另一侧设有所述的剪断刀片，所述的剪断刀片由所述的气缸提供剪断力。

2.根据权利要求1所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，在位于所述的导向通道两侧的所述的固定支座上设有用于设置所述的供料装置或所述的剪断再供料装置的凹槽。

3.根据权利要求2所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，两个所述的主动齿轮设置在所述的导向通道同一侧的凹槽上，并通过设置在所述的固定支座的同步带同步带动，所述的滑轮设置在所述的导向通道另一侧的凹槽上。

4.根据权利要求1所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，所述的固定支座上设有用于压缩所述的复位压块的空间，所述的空间从所述的固定支座的侧壁延伸并横跨所述的导向通道至另一侧所述的固定支座的侧壁上。

5.根据权利要求4所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，所述的复位弹簧设置所述的空间的侧壁上；在所述的空间的另一侧壁上设有所述的剪断刀片穿过的缝隙。

6.根据权利要求1所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，所述的加热装置包括加热套、传热合金管，所述的传热合金管位于所述的加热套的内侧，所述的传热合金管的内侧设有特氟龙管，用于减少摩擦。

7.根据权利要求1所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，所述的压轮通过通心轴设置所述的加热装置的下端。

8.根据权利要求1所述的连续纤维预浸料3D打印喷头，其特征在于，还包括转动机构，所述的转向机构用于调整3D打印喷头的打印路径。

9.一种3D打印机，其特征在于，包括安装有权利要求1～8所述的3D打印喷头。

10.一种利用权利要求1～8所述的3D打印喷头的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将权利要求1～8所述的3D打印喷头安装在3D打印机上，连续纤维预浸料穿过所述的导向通道，从所述的压轮处伸出约2～8mm，然后为所述的加热装置、所述的供料装置和所述的剪断再供料装置提供电源；

(2)在所述的供料装置和所述的剪断再供料装置的同步供给下，穿过所述的剪断机构，此时，所述的剪断机构没有接受控制信号，不动作；再穿过所述的散热装置，保持固态；进入所述的加热***，在加热下，连续纤维预浸料中的热塑性树脂受热变为能黏合的熔融态，通过所述的压轮的作用将熔融态的连续纤维预浸料按需要的路径压实在打印底板或下层连续纤维预浸料上；

(3)当连续纤维预浸料打印路径方向发生变化时，打印喷头在所述的转动机构的作用下发生转动，使得所述的压轮的转动方向始终与打印路径平行；

(4)当连续纤维预浸料需要剪断时，在控制信号的作用下使所述的气缸动作，然后传递到所述的剪断刀片上，所述的剪断刀片在所述的复位弹簧和复位压块的配合下切断连续纤维预浸料，然后所述的剪断刀片缩回，在所述的剪断再供料装置的作用下，继续行进；打印时，按需重复转动步骤(3)和剪断动作(4)，即完成高强度复合材料零件的打印。