本发明属于3D打印机结构设计领域，涉及一种集进给、切断、熔融及冷却功能为一体的同层连续纤维复合材料3D熔融打印机喷头结构。该打印头上部的进给机构通过电机驱动主动轮，带动从动轮，从而带动复合材料纤维丝沿着主从轮的切线方向运动，实现进给功能；进给机构下部是切断机构，该机构通过伺服模块带动四连杆机构，进而带动连杆上面的刀片运动切断复合材料纤维丝；切断机构下部的熔融机构通过加热棒加热使加热块变热，使其里面裹有碳纤维或玻璃纤维的外围高分子热塑材料处于熔融状态后喷出；而冷却机构主要通过安装在风扇壳里的电风扇来实现，风扇壳的特殊设计使得风可以直接吹在喷出的复合材料纤维丝上；整体结构通过钣金外壳包装。
1.一种同层连续纤维复合材料3D打印机喷头装置，其主要特征为：该喷头是集进给、切断、熔融和冷却功能为一体的复合材料3D打印机喷头；其进给功能是通过电动机(1)提供动力，驱动主动轮(2)转动，主动轮(2)是齿轮或者摩擦轮，主动轮(2)带动从动轮(3)转动，从动轮(3)是一个带有凹槽的平轮，主动轮(2)固定在电动机(1)的转轴上，从动轮(3)通过螺栓固定在一弹簧杠杆机构上，杠杆(4)一端有一弹簧(5)，通过调节弹簧(5)上部的螺栓(6)来调节弹簧(5)的伸缩量，从而调节主动轮(2)与从动轮(3)的压紧程度，从而得到一合适的预紧力，将内部为碳纤维或玻璃纤维外部裹有高分子热塑性材料复合材料纤维丝(7)放置于主、从动轮之间，同时将其置于从动轮(3)的凹槽内，由于从动轮(3)通过压紧装置紧贴在主动轮(2)上，因此复合材料纤维丝(7)被压紧在从动轮(3)的凹槽内，主动轮(2)带动从动轮(3)转动，由于复合材料纤维丝(7)压紧在两轮之间，使得复合材料纤维丝(7)沿着主从轮的切线方向运动，从而使复合材料纤维丝(7)完成进给功能；其切断功能的实现基于一四连杆结构的原理，通过伺服模块(8)提供动力，伺服模块(8)固定在中间板(9)上，伺服模块(8)的输出轴上有一带孔的轮，伺服模块(8)通过连在其轮上的一连杆(10)与刀具固定件(11)连接，通过两个螺栓将切割复合材料纤维丝(7)的刀片(12)固定在刀具固定件(11)上，刀具固定件(11)通过定位轴(13)与中间板(9)连接，定位轴(13)一端为螺纹结构，拧紧在中间板(9)上，另一端穿过刀具固定件(11)，下面通过一卡簧定位，上管道(14)固定在中间板(9)上，下管道(15)固定在加热块(16)上，复合材料纤维丝(7)从上管道(14)顺下，然后进入下管道(15)里，上管道(14)和下管道(15)中间留有一缝隙，刀片(12)通过在缝隙中来回运动来切断其里面的复合材料纤维丝(7)，这样伺服模块(8)上的输出轮的转动带动连杆机构运动，从而带动刀具固定件(11)在定位轴(13)上摆动，刀具固定件(11)上的刀片(12)跟随刀具固定件(11)的摆动来切断缝隙中复合材料纤维丝(7)，从而达到切断复合材料纤维丝的目的；其熔融功能主要通过固定在加热块(16)上的加热棒(17)来对加热块(16)进行加热，加热块(16)上部是连接进复合材料纤维丝(7)的下管道(15)，下面连接的是出复合材料纤维丝(7)的喷嘴(18)，这样通过加热棒(17)加热使加热块(16)变热，从而传递热量到下管道(15)及其喷嘴(18)，使复合材料纤维丝(7)的外层高分子热塑性材料处于熔融状态后再喷出，温度的检测通过连接在加热块(16)上的温度传感器(19)来检测，压板(20)与加热块定位板(21)之间的加热块(16)通过两个螺栓来定位，而加热块定位板(21)通过中间定位轴(22)与中间板(9)连接，中间定位轴(22)两端为螺纹，一端拧紧在加热块定位板(21)上，另一端穿过中间板(9)后通过螺母固定住；其冷却功能的实现主要通过电风扇(23)来实现，电风扇(23)安装在风扇壳(24)里，风扇壳(24)通过两个螺栓固定在中间板(9)上，风扇壳(24)的设计使得风扇吹出的风可以直接吹在喷出的复合材料纤维丝(7)上，起到冷却作用。
一种同层连续纤维复合材料3D打印机喷头装置
技术领域
[0001] 本发明属于3D熔融打印机设计、制造领域，一种用于同层连续纤维复合材料3D打印喷头装置，其主要特征为：该喷头是集进给、切断、熔融和冷却功能为一体的复合材料3D打印机喷头。
背景技术
[0002] 目前国内外市场上的3D成型技术主要为：金属粉末直接激光烧结、选择性激光烧结、三维打印黏结成型、和熔融沉积成型(FDM)。其中应用最广泛的当属熔融沉积成型(FDM)，国内目前用于它的打印材料主要为热塑性材料，如ABS和PLA。由于热塑性材料强度低，往往在使用时不能满足强度要求，因此为了增强这种材料的强度，韧性等，通常向其中加入强化纤维，如玻璃纤维，碳纤维等，使其成为复合材料；复合材料中的纤维形式有短纤维，长纤维及连续纤维3种，其中连续纤维对复合材料的强度、韧性等指标的增强效果远远超过其它两种纤维形式；连续纤维复合材料3D打印过程是这样的：首先打印数层基体高分子热塑性材料(如ABS，PLA，或nylon等)，然后开始打印纤维层，也即将含有纤维(碳纤维或玻璃纤维)的复合材料纤维丝铺设在基体材料层上，由于复合材料纤维丝外层包裹有基体高分子热塑性材料，内部为纤维丝，复合材料纤维丝喷出时外部基体高分子热塑性材料处于熔融高粘度液体状态，因此很容易与已有的基体材料粘结成一体。通常零件的同一层截面内无法全部布满复合材料纤维丝，空隙部分依然由基体材料填充，因此打印过程中需要不断地切换打印头才能完成同层复合材料与基体材料混合铺设。当由连续纤维复合材料的3D打印头切换至基体材料打印头时，必须切断连续复合材料纤维丝，以便于基体打印头进行打印；用于基体高分子热塑性材料打印头，目前市面上已有销售，且技术成熟，然而，目前国内的3D打印机还无法打印连续纤维的复合材料，而在美国，这种打印技术也是刚刚起步，虽然已经有打印复合材料的3D打印机，但是其进给、切断与喷头是分离的系统，导致复合材料纤维丝太长，只能打印大件物品，不能打印小件物品，打印小件物品时无法铺丝；这款集进给、切断、熔融和冷却为一体的3D打印喷头能够解决上述问题；本发明可以广泛用于汽车、航空、航天等领域。
发明内容
[0003] 本发明的目的就是针对上述已有的技术问题和缺陷，设计一种能够连续喷吐复合材料纤维丝的3D打印机喷头，该喷头集进给、切断、熔融和冷却功能为一体，结构紧凑，方便实用。
[0004] 本发明属于3D打印机结构设计领域，涉及一种3D熔融打印机喷头结构，特别涉及一种具有切断功能且能够连续喷吐复合材料纤维丝的3D熔融打印机喷头结构。本发明所采用的技术方案是：设计一种3D熔融打印机喷头结构，此喷头将会连续喷吐内部为碳纤维或玻璃纤维，外部裹有高分子热塑性材料(如尼龙、ABS、PLA、PC、PPSF等)的复合材料纤维丝。打印头最上部是复合材料纤维丝的连续进给机构，进给机构通过电机提供动力，驱动主动轮转动，带动从动轮转动，主动轮固定在电机轴上，从动轮上有一凹槽，复合材料纤维丝置于两轮接触面的凹槽内，随着电动机的运转使得复合材料纤维丝沿着主从轮的切线方向运动，从而使复合材料纤维丝完成进给功能；进给机构下部是切断机构，切断机构是一套四连杆机构，其中一连杆上固定有刀片，通过伺服模块驱动四连杆机构运动，使其上面固定的刀片切断复合材料纤维丝；切断机构下部是熔融及冷却机构，熔融机构中的加热主要通过固定在加热块上的加热棒来对加热块进行加热，这样通过加热棒加热使加热块变热，从而传递热量到管道及其喷嘴，使复合材料纤维丝的外层高分子热塑性材料处于熔融状态后再喷出；冷却机构主要通过电风扇来实现，电风扇安装在风扇壳里，风扇壳固定在中间板上，风扇壳的设计使得风扇吹出的风可以直接吹在喷出的复合材料纤维丝上。最后的整体结构通过钣金外壳包装。
[0005] 该喷头使用时，先由进给机构将复合材料纤维丝进给至熔融机构，熔融机构对其进行加热，将裹在玻璃纤维或碳纤维等纤维丝外表面的热塑性高分子材料，如ABS，PLA等熔融，然后将其与纤维丝一同喷出，由于热塑性材料具是粘性，将纤维丝直接粘结在所打印的物体上，再由冷却机构使热塑性材料快速冷却，这样就将纤维丝固化在所打印的物体中，起到强化作用；合理的规划铺丝轨迹，将纤维丝布满同一打印层，然后控制切断机构切断这一层的纤维丝；然后进行下一层的打印，直至3D物体打印完成。
附图说明
[0006] 图1、图2、图3、图4为本发明整体装配图，图5为四连杆机构模块。
[0007] 图中件号说明：
[0008] 1.电动机，2.主动轮，3.从动轮，4.杠杆，5.弹簧，6.螺栓，7.复合材料纤维丝，8.伺服模块，9.中间板，10.连杆，11.刀具固定件，12.刀片，13.定位轴，14.上管道，15.下管道，16.加热块，17.加热棒，18.喷嘴，19.温度传感器，20.压板，21.加热块定位板，22.中间定位轴，23.风扇，24.风扇壳
具体实施方式
[0009] 下面结合附图对本发明的实施方案进行详细描述说明。
[0010] 本发明属于同层连续纤维复合材料的3D打印机喷头结构，该喷头是集进给、切断、熔融和冷却功能为一体的复合材料3D打印机喷头。
[0011] 进给功能是通过电动机1提供动力，驱动主动轮2转动，主动轮2是齿轮或者是摩擦轮，主动轮2带动从动轮3转动，从动轮3是一个带有凹槽的平轮，主动轮2固定在电动机1的转轴上，从动轮3通过螺栓固定在一弹簧杠杆机构上，杠杆4一端有一弹簧5，通过调节弹簧5上部的螺栓6来调节弹簧5的伸缩量，从而调节主动轮2与从动轮3的压紧程度，从而得到合适的预紧力，将内部为碳纤维或玻璃纤维外部裹有高分子热塑性材料(如尼龙、ABS、PLA、PC、PPSF等)复合材料纤维丝7放置于主、从动轮之间，同时将其置于从动轮3的凹槽内，由于从动轮3通过压紧装置紧贴在主动轮2上，因此复合材料纤维丝7被压紧在从动轮3的凹槽内，主动轮2带动从动轮3转动，由于复合材料纤维丝7压紧在两轮之间，使得复合材料纤维丝7沿着主、从动轮的切线方向运动，从而使复合材料纤维丝7完成进给功能。
[0012] 切断功能的实现基于一四连杆结构的原理，通过伺服模块8提供动力，伺服模块8固定在中间板9上，伺服模块8的输出轴上有一带孔的轮，伺服模块8通过连在其轮上的一连杆10与刀具固定件11连接，通过两个螺栓将切割复合材料纤维丝7的刀片12固定在刀具固定件11上，刀具固定件11通过定位轴13与中间板9连接，定位轴13一端为螺纹结构，拧紧在中间板9上，另一端穿过刀具固定件11，下面通过一卡簧定位，复合材料纤维丝7从固定在中间板9上的一管道14顺下，然后进入固定在加热块16上的管道15里，两块管道中间留有一缝隙，刀片12就是通过在缝隙中来回运动来切断其里面的复合材料纤维丝7，这样伺服模块8上的输出轮的转动带动连杆机构运动，从而带动刀具固定件11在定位轴13上摆动，刀具固定件11上的刀片12跟随刀具固定件11的摆动来切断缝隙中复合材料纤维丝7，从而达到切断复合材料纤维丝的目的。
[0013] 熔融功能主要通过固定在加热块16上的加热棒17来对加热块16进行加热，加热块16上部是连接进复合材料纤维丝7的管道15，下面连接的是出复合材料纤维丝7的喷嘴18，这样通过加热棒17加热使加热块16变热，从而传递热量到管道15及其喷嘴18，使复合材料纤维丝7的外围高分子热塑性材料处于熔融状态后再喷出，温度的检测通过连接在加热块
16上的温度传感器19来检测，压板20与加热块定位板21之间的加热块16通过两个螺栓来定位，而加热块定位板21通过中间定位轴22与中间板9连接，中间定位轴22两端为螺纹，一端拧紧在加热块定位板21上，另一端穿过中间板9后通过螺母固定住。
[0014] 冷却功能的实现主要通过电风扇23来实现，电风扇23安装在风扇壳24里，风扇壳24通过两个螺栓固定在中间板9上，风扇壳24的设计使得风扇吹出的风可以直接吹在喷出的复合材料纤维丝7上，起到很好的冷却作用。
[0015] 本发明明显提高了3D打印机打印件的机械性能(比如强度及韧性)，最大的优势就是该3D打印机打印头装置是集进给、切断、熔融及其冷却功能为一体的结构，其结构紧凑，方便实用，大大提高了连续纤维复合材料3D打印机的应用范围。
