CN206733596U - 一种连续碳纤维3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种连续碳纤维3D打印装置。该装置包括喷腔、喷嘴、纤维丝、供液泵、树脂罐以及激光器；其中，喷腔为具有空腔的柱状结构，喷腔具有第一端和第二端，第一端的直径大于第二端的直径；第一端上部设有第一入口，第二端下部设有喷腔出口，第一端侧面设有第二入口，第二入口与第一入口以及喷腔出口连通构成三通结构；喷嘴与喷腔的出口连接；纤维丝贯穿喷腔；树脂罐通过软管与供液泵入口连接，供液泵的出口与喷腔的第二入口连接；喷腔的第二端包覆有加热线圈，在喷嘴附近喷腔的第二端还设有支架，支架一端与喷腔固定连接，支架另一端与准直镜固定连接；激光器通过光纤与准直镜连接。本实用新型的装置可实现快速连续打印。

Description

一种连续碳纤维3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及增材制造领域，更具体地涉及一种连续碳纤维3D打印装置。

背景技术

增材制造技术是制造业领域内正在快速发展的一项新兴技术，被称为“具有第三次工业革命重要标志意义的制造技术”，各主要发达国家将其列为战略发展的关键技术。目前，增材制造技术依托多个学科领域尖端技术，在航空航天技术、汽车家电制造生产、生物医药、食品加工等领域得到了一定应用。与传统制造技术相比，增材制造三维快速成型制造技术省略了产品模具的加工制造，从而在时间上极大的缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低生产成本。经济效益与前景方面有非常大的发展潜力，根据国际快速制造行业权威报告《Wohlers Report 2011》发布的调查结果显示，全球3D打印产业产值在1988 年到2010年之间以26.2％的年均速度增长。报告预测，3D打印产业未来仍将会保持着较快地增长速度，到2020年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到52亿美元。在2012年的国际新技术发展趋势调查中，3D打印制造技术居首位。目前，现有的增材制造技术还面临着诸多方面的瓶颈和探索，因此，需要进一步深入研究，扩大其应用领域。

利用增材制造技术打印出的纤维增强复合材料制品，不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且可以控制纤维的分布方向，从而控制制品的性能。纤维增强复合材料的增材制造技术无论是在民用还是军事上都具有重大的意义。例如，利用碳纤维复合材料制作汽车零部件，提升汽车性能并降低油耗；碳纤维复合材料产品涵盖航天光学遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。依靠打印材料的快速发展和增材制造技术的日益成熟，基于纤维增强复合材料的增材制造技术将会应用到各行各业，推动制造产业的快速发展。

但是目前的连续纤维增强复合材料增材制造技术研究较少，尚处于研发阶段，存在诸多问题。比如，树脂无法充分进入纤维丝带内部，无法将各个纤维丝通过树脂粘结在一起，从而在打印工件内部形成空洞，严重降低了工件的力学性能，连续纤维增强复合材料增材制造容易堵头，从而导致纤维无法出丝或树脂从喷头内部往外溢出。此外，由于一般树脂固化比较慢，影响成型速度。

因此，本领域急需开发一种新的能够实现快速连续打印碳纤维的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适用于连续纤维增强复合材料增材制造的装置，可以提高树脂与纤维的粘结效果，并且快速固化树脂，实现连续纤维的快速打印。

在本实用新型中，本实用新型提供了一种连续碳纤维3D打印装置，所述装置包括喷腔、喷嘴、纤维丝、供液泵、树脂罐以及激光器；

其中，所述喷腔为具有空腔的柱状结构，所述喷腔具有第一端和第二端，所述第一端的直径大于所述第二端的直径；所述第一端上部设有第一入口，所述第二端下部设有喷腔出口，所述第一端侧面设有第二入口，所述第二入口与所述第一入口以及所述喷腔出口连通，构成一三通结构；

所述喷嘴与所述喷腔的出口连接；所述纤维丝贯穿所述喷腔；

所述树脂罐通过软管与所述供液泵的入口连接，所述供液泵的出口与所述喷腔的第二入口连接；

所述喷腔的所述第二端包覆有加热线圈，在所述喷嘴附近所述喷腔的所述第二端还设有支架，所述支架的一端与所述喷腔固定连接，所述支架的另一端与一准直镜固定连接；

所述激光器通过光纤与所述准直镜连接。

所述准直镜在所述支架上的安装角度使得从所述准直镜射出的激光光束与所述纤维丝对准。

在另一优选例中，在所述喷腔的所述第一端内设有密封环。

在另一优选例中，在所述喷腔的所述第一入口之前，所述纤维丝上设有导轮。

所述喷嘴由耐高温材料制成。

在另一优选例中，所述喷嘴由陶瓷材料制成。

在另一优选例中，所述喷嘴与喷腔为可拆卸连接。

在另一优选例中，所述供液泵为耐腐蚀液体泵。

在另一优选例中，所述激光器为激光功率可调的二极管激光器。

所述密封环由橡胶类柔性材料制成。

在一优选例中，所述导轮为主动轮。

在另一优选例中，所述导轮为从动轮。

应理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文 (如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本实用新型的3D打印装置的结构示意图。

附图中各标记：

1-喷嘴；2-加热线圈；3-支架；4-喷腔；5-密封环；6-导轮；7-软管；8- 供液泵；9-树脂罐；10-激光器；11-光纤；12-准直镜；13-激光光线；20-基体；30-纤维丝；91-第一入口；92-喷腔出口；93-第二入口；41-第一端；42- 第二端。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种适用于连续纤维增强复合材料3D打印的装置。该装置包括喷腔、喷嘴以及激光器等部件，纤维丝和树脂在所述喷腔中混合后从所述喷嘴中挤出，然后用激光烧结。所述喷腔外设有加热线圈，对喷腔内的纤维丝和树脂混合体进行加热，使其很好地互相浸润。利用激光器对准喷嘴，迅速加热固化树脂，实现快速连续打印。在此基础上完成了本实用新型。

术语

如本文所用，术语“增材制造”指通过逐渐累加材料的方法实现制造过程，又称为“快速原型制造”、“3D打印”或者“实体自由制造”。

在本文中，“上部”和“下部”是相对而言的，指本实用新型的装置在工作状态时的上部或者下部。

本实用新型的主要优点包括：

(a)本实用新型的装置可实现长纤维连续打印，在碳纤维轻量化领域具有广泛的用途；

(b)本实用新型的装置采用热固的方式，较为成熟，树脂可以与纤维很好的浸润，避免了热塑性树脂与纤维浸润不透的问题；

(c)本实用新型的装置采用激光加热固化，实现了快速固化，有利于打印快速进行；

(d)本实用新型的装置采用陶瓷喷嘴，有利于减少喷嘴内孔磨损。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例

如图1所示，本实用新型一种典型的碳纤维3D打印装置结构示意图。该装置包括喷嘴1、加热线圈2、支架3、喷腔4、供液泵8、树脂罐9、激光器 10、和准直镜12。

喷腔4包括第一端41和第二端42，且第一端41的直径大于第二端42的直径；该喷腔为类似于三通结构，喷腔4有两个入口(第一入口91,第二入口 93)，一个喷腔出口92，第二入口93设于第一端41侧面，喷腔4的第一入口内91设置有密封环5。喷腔4的第一入口91之前还设有导轮6。供液泵8的出口与喷腔4的第二入口93连接，供液泵8的进口通过软管7与树脂罐9连接，喷腔4的出口92与喷嘴1连接，加热线圈2设置于喷腔4的第二端42，支架3设置于喷嘴1附近，准直镜12固定于支架3上，激光器10通过光纤11 与准直镜12相连接，从准直镜12射出的激光光束13正好对准纤维丝30。所述喷嘴由陶瓷材料制成。

纤维丝30通过导轮6进入喷腔4的第一入口93，再穿过密封环5进入喷腔4内部，而来自树脂罐9的树脂，通过软管7、供液泵8和喷腔4的第二入口93进入喷腔4内部，树脂和纤维丝30在喷腔4内充分浸润，在喷腔4下侧的加热线圈2的加热作用下，加速树脂的固化反应，当树脂和纤维丝30挤出喷嘴1时，受到激光光束13的照射，树脂固化反应加剧，当纤维丝30到达基体20时，纤维丝30与基体20紧密结合，纤维丝30受到基体20的拉力，打印持续不断进行。

此外应理解，在阅读了本实用新型的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种连续碳纤维3D打印装置，其特征在于，所述装置包括喷腔、喷嘴、纤维丝、供液泵、树脂罐以及激光器；

其中，所述喷腔为具有空腔的柱状结构，所述喷腔具有第一端和第二端，所述第一端的直径大于所述第二端的直径；所述第一端上部设有第一入口，所述第二端下部设有喷腔出口，所述第一端侧面设有第二入口，所述第二入口与所述第一入口以及所述喷腔出口连通，构成一三通结构；

所述喷嘴与所述喷腔的出口连接；所述纤维丝贯穿所述喷腔；

所述树脂罐通过软管与所述供液泵的入口连接，所述供液泵的出口与所述喷腔的第二入口连接；

所述喷腔的第二端包覆有加热线圈，在所述喷嘴附近所述喷腔的所述第二端还设有支架，所述支架的一端与所述喷腔固定连接，所述支架的另一端与一准直镜固定连接；

所述激光器通过光纤与所述准直镜连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直镜在所述支架上的安装角度使得从所述准直镜射出的激光光束与所述纤维丝对准。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述喷腔的所述第一端内设有密封环。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述喷腔的所述第一入口之前，所述纤维丝上设有导轮。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴由耐高温材料制成。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴与喷腔为可拆卸连接。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供液泵为耐腐蚀液体泵。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器为激光功率可调的二极管激光器。

9.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述密封环由橡胶类柔性材料制成。

10.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述导轮为主动轮或从动轮。