一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法

摘要

本发明涉及了一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法，打印机包括加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头，打印时可根据工件大小自主选择单层穿丝板直径大小，且穿丝板结构的层数可由加工工件的大小来决定，选择合适的穿丝板结构层数可以有效节省碳纤维丝，同时提高穿丝的效率；穿丝板结构包括可拆卸的裁丝剪，安装在工作过程中最上层的穿丝板下半部分上，用于在每层穿丝结束后切断碳纤维丝，纤维树脂多功能喷头包括铺丝喷头、热塑性材料喷头、喷头转换器、加热喷头。本方法能够实现任意角度的碳纤维铺设，并能够增强碳纤维丝的强度，且该方法节约材料，加工效率高。

权利要求

1.一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，其特征在于：包括加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头；

所述加工平台包括升降电机、联轴器、丝杠、蜗轮、蜗杆、推力轴承、升降平台、喷头移动架、推拉电机、加工平台移动架，升降平台通过丝杠与加工平台下层固定，蜗轮安装在推力轴承之间与蜗杆啮合，蜗杆与升降电机连接，丝杆穿过推力轴承，受蜗轮控制，通过电机运转使蜗杆运动，带动蜗轮转动，控制丝杆的升降，进而控制升降平台的升降；

所述穿丝板结构包括若干单层穿丝板、若干金属连杆、穿丝板传动齿轮、穿丝板电机、裁丝剪，其中，单层穿丝板包括穿丝板上半部分和穿丝板下半部分，穿丝板传动齿轮与第一层穿丝板下半部分啮合，穿丝板电机安装在加工平台上层下表面与穿丝板传动齿轮相对应的位置、可拆卸的裁丝剪安装在工作过程中最上层的穿丝板下半部分上；

所述纤维树脂多功能喷头包括铺丝喷头、热塑性材料喷头、喷头转换器、加热喷头，其中，热塑性材料喷头通过喷头转换器固定在具有z方向自由度的喷头移动架上，喷头移动架与固定在加工平台移动架上的推拉电机采用螺纹连接，加工平台移动架拥有沿x、y方向移动的自由度，加热喷头在该移动架下方位置支出，铺丝喷头与热塑性材料喷头上分别安装传感器；

每层穿丝板上半部分包括360个位错小孔，每两个相邻的位错小孔相距1°，每层穿丝板下半部分包括540个位错小孔，每两个相邻的位错小孔相距2/3°。

2.根据权利要求1所述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，其特征在于：所述穿丝板结构的层数由加工工件的大小来决定，越高层的单层穿丝板直径越小，用于加工尺寸较小的工件；越低层的单层穿丝板直径越大，用于加工尺寸较大的工件，当选用高层的单层穿丝板加工小尺寸工件时，添加高度调节圆片来补偿高底层单层穿丝板之间的高度差；第一层穿丝板下半部分安装在加工平台上层中央，每单层穿丝板上半部分通过楔形结构与该层穿丝板下半部分咬合。

3.根据权利要求1所述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，其特征在于：所述铺丝喷头与热塑性材料喷头上安装的传感器为粘性流体流量传感器，其可实时测试热塑性材料喷出时对应的流量和流速。

4.根据权利要求1所述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，其特征在于：所述铺丝喷头内部包括限位管、压紧轮以及与限位管连接的fluke电流测试仪，可以判断纤维丝是否处于伸直状态，并通过压紧轮保证其处于拉紧伸直状态。

5.权利要求1所述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、打印开始前，预装碳纤维丝，导入图纸，根据打印目标大小自主选择穿丝板结构层数以及高度调节圆片的尺寸，一旦安装高度调节圆片后，打印过程中无需第二次安装；

步骤2、执行编程好的3D打印程序及数控进给程序，铺丝喷头开始放出一部分碳纤维丝穿过最上层穿丝板上下贯通的位错小孔，启动穿丝板电机使穿丝板下半部分转过1/3°，保证至少有一对位错小孔是上下贯通的，以便将碳纤维丝的一端夹紧；

步骤3、每次穿丝结束，穿丝板下半部分都将转过1/3°，使上下部分下一对位错小孔贯通，同时夹紧已穿过的碳纤维丝，铺丝喷头也会按给定方向进给，重复执行该步骤直至一层碳纤维丝铺设完毕；

步骤4、当一层碳纤维丝全部铺设完毕，关闭穿丝板电机，进行热塑性材料树脂的铺设，当一层的碳纤维丝与树脂全部铺设完毕后，加热喷头开始工作，加速材料凝固，材料凝固后，重新启动穿丝板电机，使穿丝板下半部分按原铺丝方向旋转一周，以便于安装在穿丝板下半部分的裁丝剪剪断与穿丝板相连的同一层纤维丝；

步骤5、待裁丝剪切断碳纤维丝后，反向启动穿丝板电机，使穿丝板下半部分面向步骤3中转动的反方向转动，转动角度为铺设上一层碳纤维丝时转动的角度与裁丝剪剪丝旋转角度之和，使第一对位错小孔恢复贯通状态，同时放松夹紧于穿丝板上下部分间的残留碳纤维丝；

步骤6、启动升降电机，使升降平台下降工件纤维丝单层厚度的高度，以进行下一层的

3D打印，重复步骤4、5直至目标工件打印完毕。

说明书

一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法

技术领域

[0001] 本发明属于纤维增强3D打印技术领域，尤其涉及一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法。

背景技术

[0002] 纤维增强复合材料由于其高比强度、高比模量、耐烧蚀和抗侵蚀等一系列优点在当代制造业中得到普遍认可，已经成为现代工业，尤其是航天航空、国防军事、船舶工业、机器人等领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。近年来，各种复合材料制造技术应运而生，其中，纤维铺放技术在航天、航空等高性能复合材料零件制造中的应用得到了各界的广泛关注。复合材料纤维铺放成型技术是20世纪70年代作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的一种全自动复合材料加工技术，也是近年来发展最快、效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一，具有生产速度较快、产品质量比较稳定、可靠性高等优势。

[0003] 然而，尽管复合材料纤维铺放技术消除了传统复合材料制造工艺中的纤维编织问题，可实现复杂的曲面结构的铺放，但是该工艺必须要有预先定制的模具，而大型模具的制造成本非常昂贵，同时，纤维铺放装备极其复杂，一般需要价格昂贵的电子束或激光作为热源进行固化，这就造成设备本身的制造成本非常高，进一步拉高了纤维铺放工艺所制备的复合材料零件的价格，且纤维铺放工艺只适合规则表面复合材料结构铺放成型，很难实现具有三维复杂结构的复合材料零件的制造，大大阻碍了纤维增强复合材料在更广泛的领域得到应用。

[0004] 目前，人们在纤维增强复合材料的3D打印领域已经进行了深入的研究，已经设计了一些纤维增强复合材料的打印设备，但依旧存在一些问题。例如，专利CN201811374788.7提出了一种基于3D打印机原理的铺丝喷丝设备，对于浸润、固化连续纤维有了新的构思，但该设备的打印方式并无改进，仅能提供最基础的3D打印设想，不能高效满足一些特殊需要。CN201711050843.2提出了一种利用回转，高速铺丝的打印机，但该发明在满足高速高效的同时不能很好地满足对于纤维丝强度的要求，导致在实际使用时，材料的强度不能很好地保证，只能作为一种提高效率的设备雏形。CN201810422931.9提供了一种用于打印纤维增强复合材料的打印喷头，但该喷头不能对丝是否拉直进行测定，不能保证打印机出丝的正确性，以及打印成品的完成程度，功能有待完善。CN 201711345896.7在打印时不能自由地改变所配设平台的大小，会导致材料的使用浪费。CN201711050843.2虽然设计出了圆盘旋转平台，但该设备喷头不能旋转，旋转平台的运动仅仅弥补了喷头运动的不足，却不能实现纤维丝的拉紧，打印功能依旧有待完善。CN201810422931.9采用了增材制造，但在处理余丝时不能将余丝有效去除，成品完成度不高。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法，能够实现任意角度的碳纤维铺设，并能够增强碳纤维丝的强度，且该方法节约材料，加工效率高。

[0006] 一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，包括加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头；

[0007] 所述加工平台包括升降电机、联轴器、丝杠、蜗轮、蜗杆、推力轴承、升降平台、喷头移动架、推拉电机、加工平台移动架，升降平台通过丝杠与加工平台下层固定，蜗轮安装在推力轴承之间与蜗杆啮合，蜗杆与升降电机连接，丝杆穿过推力轴承，受蜗轮控制，通过电机运转使蜗杆运动，带动蜗轮转动，控制丝杆的升降，进而控制升降平台的升降；

[0008] 所述穿丝板结构包括若干单层穿丝板、若干金属连杆、穿丝板传动齿轮、穿丝板电机、裁丝剪，其中，单层穿丝板包括穿丝板上半部分和穿丝板下半部分，穿丝板传动齿轮与第一层穿丝板下半部分啮合，穿丝板电机安装在加工平台上层下表面与穿丝板传动齿轮相对应的位置、可拆卸的裁丝剪安装在工作过程中最上层的穿丝板下半部分上；

[0009] 所述纤维树脂多功能喷头包括铺丝喷头、热塑性材料喷头、喷头转换器、加热喷头，其中，热塑性材料喷头通过喷头转换器固定在具有z方向自由度的喷头移动架上，喷头移动架与固定在加工平台移动架上的推拉电机采用螺纹连接，加工平台移动架拥有沿x、y方向移动的自由度，加热喷头在该移动架下方位置支出，铺丝喷头与热塑性材料喷头上分别安装传感器。

[0010] 所述穿丝板结构的层数由加工工件的大小来决定，越高层的单层穿丝板直径越小，用于加工尺寸较小的工件；越低层的单层穿丝板直径越大，用于加工尺寸较大的工件，当选用高层的单层穿丝板加工小尺寸工件时，添加高度调节圆片来补偿高底层单层穿丝板之间的高度差；每层穿丝板上半部分包括360个位错小孔，每两个相邻的位错小孔相距1°，每层穿丝板下半部分包括540个位错小孔，每两个相邻的位错小孔相距2/3°，第一层穿丝板下半部分安装在加工平台上层中央，每单层穿丝板上半部分通过楔形结构与该层穿丝板下半部分咬合。

[0011] 所述铺丝喷头与热塑性材料喷头上安装的传感器为粘性流体流量传感器，其可实时测试热塑性材料喷出时对应的流量和流速。

[0012] 所述铺丝喷头内部包括限位管、压紧轮以及与限位管连接的fluke电流测试仪，可以判断纤维丝是否处于伸直状态，并通过压紧轮保证其处于拉紧伸直状态。

[0013] 前述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机的使用方法，包括以下步骤：

[0014] 步骤1、打印开始前，预装碳纤维丝，导入图纸，根据打印目标大小自主选择穿丝板结构层数以及高度调节圆片的尺寸，一旦安装高度调节圆片后，打印过程中无需第二次安装；

[0015] 步骤2、执行编程好的3D打印程序及数控进给程序，铺丝喷头开始放出一部分碳纤维丝穿过最上层穿丝板上下贯通的位错小孔，启动穿丝板电机使穿丝板下半部分转过1/3°，保证至少有一对位错小孔是上下贯通的，以便将碳纤维丝的一端夹紧；

[0016] 步骤3、每次穿丝结束，穿丝板下半部分都将转过1/3°，使上下部分下一对位错小孔贯通，同时夹紧已穿过的碳纤维丝，铺丝喷头也会按给定方向进给，重复执行该步骤直至一层碳纤维丝铺设完毕；

[0017] 步骤4、当一层碳纤维丝全部铺设完毕，关闭穿丝板电机，进行热塑性材料树脂的铺设，当一层的碳纤维丝与树脂全部铺设完毕后，加热喷头开始工作，加速材料凝固，材料凝固后，重新启动穿丝板电机，使穿丝板下半部分按原铺丝方向旋转一周，以便于安装在穿丝板下半部分的裁丝剪剪断与穿丝板相连的同一层纤维丝；

[0018] 步骤5、待裁丝剪切断碳纤维丝后，反向启动穿丝板电机，使穿丝板下半部分面向步骤3中转动的反方向转动，转动角度为铺设上一层碳纤维丝时转动的角度与裁丝剪剪丝旋转角度之和，使第一对位错小孔恢复贯通状态，同时放松夹紧于穿丝板上下部分间的残留碳纤维丝；

[0019] 步骤6、启动升降电机，使升降平台下降工件纤维丝单层厚度的高度，以进行下一层的3D打印，重复步骤4、5直至目标工件打印完毕。

[0020] 本发明的有益效果是：本发明提供一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法，穿丝板结构可以自由拆卸与安装，可以根据打印目标大小自主选择单层穿丝板直径的大小，穿丝板结构的层数也可由加工工件的大小来决定，节约了材料；此外，由于每单层穿丝板的位错小孔作用，使碳纤维穿入并通过穿丝板传动齿轮的带动，使得上下部分穿丝板可有效夹紧碳纤维丝，保证了碳纤维丝的拉紧，确保了材料打印的强度；安装在穿丝板下层的裁丝剪可以裁剪余丝，方便余丝从穿丝板位错小孔排出。铺丝喷头内部结构可以充分保证纤维丝的拉直，使得打印效果更好；同时，由于采用了单层穿丝板及升降平台圆盘式的设计，可保证碳纤维铺放时的角度任意性；同时升降平台的上下移动，也可使每一层材料在铺设时，更加方便、快捷。

附图说明

[0021] 图1为本发明整体结构示意图；

[0022] 图2为图1的侧视图；

[0023] 图3为图1的俯视图；

[0024] 图4为本发明中穿丝板不同层之间连接方式的示意图；

[0025] 图5为本发明中穿丝板上半部分相互固定的示意图；

[0026] 图6为本发明中穿丝板下半部分相互固定的示意图；

[0027] 图7为本发明中穿丝板上下部分发生相对转动夹紧碳纤维丝的示意图；

[0028] 图8为本发明中通过改变铺丝喷头的进给方向进而改变加工工件内部碳纤维丝方向的示意图；

[0029] 图9为本发明中可根据工件尺寸大小选择穿丝板层数的示意图；

[0030] 图10为本发明中利用不同大小的高度调节圆片补偿不同层穿丝板高度差的示意图；

[0031] 图11为本发明中纤维树脂多功能喷头示意图；

[0032] 图12为本发明中铺丝喷头内部结构示意图；

[0033] 图13为本发明中裁丝剪安装示意图；

[0034] 其中，

[0035] 1穿丝板下半部分，2穿丝板上半部分，3金属连杆，4位错小孔，5喷头转换器，6热塑性材料喷头，7铺丝喷头，8加热喷头，9穿丝板传动齿轮，10限位管，11压紧轮，12穿丝板结构，13纤维树脂多功能喷头，14升降平台，15穿丝板电机，16升降电机，17喷头移动架，18加工平台移动架，19裁丝剪，20高度调节圆片，21丝杠，22蜗轮，23蜗杆，24推拉电机。

具体实施方式

[0036] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

[0037] 如图1-3所示，一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，包括：加工平台、穿丝板结构12、纤维树脂多功能喷头13；

[0038] 所述加工平台包括升降电机16、联轴器、丝杠21、蜗轮22、蜗杆23、推力轴承、升降平台14、喷头移动架17、推拉电机24、加工平台移动架18和，升降平台14通过丝杠21与加工平台下层固定，蜗轮22安装在推力轴承之间与蜗杆23啮合，蜗杆23与升降电机16连接，丝杠21穿过推力轴承，受蜗轮22控制，升降电机16运转使蜗杆23运动，带动蜗轮22转动，控制丝杠21的升降，进而控制升降平台14的升降，加工时通过控制升降平台14的升降实现对于加工工件不同纤维层的精细加工。

[0039] 所述穿丝板结构12包括若干单层穿丝板、若干金属连杆3、穿丝板传动齿轮9、穿丝板电机15、裁丝剪19，其中，单层穿丝板包括穿丝板上半部分2和穿丝板下半部分1，第一层穿丝板下半部分1安装在加工平台上层中央，如图4-6所示，每单层穿丝板上半部分2通过楔形结构与该层穿丝板下半部分1咬合，每两单层穿丝板之间由金属连杆3连接，分别连接相邻两单层穿丝板的下平面与上平面，穿丝板传动齿轮9与第一层穿丝板下半部分1啮合，穿丝板电机15安装在加工平台上层下表面与穿丝板传动齿轮9相对应的位置。穿丝板电机15带动穿丝板传动齿轮9旋转，进而带动穿丝板下半部分1运动，实现各层穿丝板上下部分发生相对运动，如图7所示，穿丝板上半部分2和穿丝板下半部分1具有位错小孔4，穿丝过程开始前，上下板位错小孔4在同一竖直位置实现贯通，当需要夹紧时，穿丝板电机15带动穿丝板传动齿轮9从而带动穿丝板下半部分1转动，穿丝板下半部分1每次都将转过1/3°，运动方向如图中箭头所示，使得原本贯通的位错小孔4发生位错，依靠上下板之间的压力产生摩擦力进而夹紧碳纤维丝，实现碳纤维丝的拉紧，提高加工工件的强度。需要注意的是，通过金属连杆3的连接，各层穿丝板上半部分2在加工过程中始终与加工平台保持相对固定，各层穿丝板下半部分1之间相互固定。其中裁丝剪19，如图13所示，安装在穿丝板下半部分上。

[0040] 如图9所示，打印工件时可根据工件大小选择单层穿丝板直径大小，且穿丝板结构12的层数由加工工件的大小来决定，越高层的单层穿丝板直径越小，用于加工尺寸较小的工件，越低层的单层穿丝板直径越大，用于加工尺寸较大的工件，加工时利用最上层单层穿丝板进行加工，其余层单层穿丝板起传动作用，选择合适的穿丝板结构12层数可以有效节省碳纤维丝，同时提高穿丝的效率。但是如图10所示，本实施例以打印花瓶为例，穿丝板结构层数选择三层，当选用高层的单层穿丝板加工小尺寸工件时，需要添加高度调节圆片20来补偿高底层单层穿丝板之间的高度差，高度调节圆片高度系列为13mm、26mm、39mm，在本实施例中所采用的高度为26mm。

[0041] 如图11所示，所述纤维树脂多功能喷头13包括铺丝喷头7、热塑性材料喷头6、喷头转换器5、加热喷头8，可以实现铺丝、喷树脂、加快凝固以及智能调节功能。铺丝喷头7、热塑性材料喷头6通过喷头转换器5固定在具有z方向自由度的喷头移动架17上，喷头转换器5可以实现铺丝喷头7和热塑性材料喷头6的交替使用，相比于两个喷头单独安装更加节省空间，且喷头转换器5与水平面有一定夹角，可以在转动过程中使铺丝喷头7或热塑性材料喷头6始终垂直于水平加工平台，避免待使用喷头转动过程中与加工面接触到，造成工件的损坏；喷头移动架17与固定安装在加工平台移动架18上的推拉电机24采用螺纹连接，加工平台移动架18拥有沿x、y方向移动的自由度的；加热喷头8在喷头移动架17下方位置支出，在铺完一层热固性树脂之后可以对其加热，加速树脂的凝固，从而缩短等待凝固再进行下一层铺丝的时间，提高加工效率；铺丝喷头7与热塑性材料喷头6上另外安装粘性流体流量传感器，型号为FL32、FL40、FL55、FL70及FL80的粘性流体Settima流量传感器均可，在本实施例中所采用的型号为FL32；铺丝喷头传感器可以实时监测纤维丝的用量并向电脑传递信号，当纤维丝余量不足满仓10％时会声音报警提醒操作者并且程序停止打印，操作者人工补装纤维丝，传感器监测余量满足要求后，程序开始打印；热塑性材料喷头传感器可以根据打印要求实时监测碳纤维丝在喷头中的流速与流量并向电脑传递信号，当流速流量不符合额定要求，程序会自动调节流速与流量直到符合要求，以适应不同高度间隔的碳纤维层的要求以及不同材料的特性。喷头移动架17与加工平台移动架18的共同作用使得在加工时，三种喷头在x、y、z方向皆能实现任何角度任何方向的运动，可以满足对于碳纤维铺设平面内不同铺设角度以及方向的要求，如图8所示，是通过改变铺丝喷头的进给方向进而改变加工工件内部碳纤维丝方向的示意图。

[0042] 如图12所示，所述铺丝喷头内部结构包括限位管10、压紧轮11以及与限位管连接的fluke电流测试仪(图中未显示)，限位管10由普通喷管在管壁安装限位器构成，本实施例采用SMC限位器，fluke电流测试仪的型号为T5。限位管10可以对纤维丝在喷头内部是否接触管壁进行测量，如果有纤维丝接触到管壁的限位器，fluke电流测试仪会监测到产生电流脉冲，从而得知内部纤维丝没有处于拉直状态，但由于实际加工中的外界因素影响，仅凭借限位管10不能完全保证纤维丝的拉直，因此，采用了在喷头内部入丝口处安装2个压紧轮11，可通过调整压紧轮的位置使纤维丝拉紧伸直。

[0043] 所述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机的使用方法，包括以下步骤：

[0044] 步骤1、打印开始前，预装碳纤维丝，导入图纸，根据打印目标大小自主选择穿丝板12层数以及高度调节圆片20的尺寸，安装高度调节圆片，打印过程中无二次安装；

[0045] 步骤2、执行编程好的3D打印程序及数控进给程序，铺丝喷头开始放出一部分碳纤维丝穿过最上层穿丝板上下贯通的位错小孔4，启动穿丝板电机15使穿丝板上下部分转过1/3°，保证至少有一对位错小孔4是上下贯通的，将碳纤维丝的一端夹紧，以达到铺丝喷头7进给时碳纤维丝始终拉紧的目的，同时由于穿丝板圆盘式的设计可以保证碳纤维的角度任意性；

[0046] 步骤3、每次穿丝结束，穿丝板下半部分1都将转过1/3°，使上下部分下一对位错小孔4贯通，同时夹紧已穿过的碳纤维丝，铺丝喷头7按给定方向进给，重复执行此步骤直至一层碳纤维丝铺设完毕；

[0047] 步骤4、当一层碳纤维丝全部铺设完毕，关闭穿丝板电机15，进行热塑性材料树脂的铺设，当一层的碳纤维丝与树脂全部铺设完毕，加热喷头8开始工作，加速材料凝固，材料凝固后，重新启动穿丝板电机15，使穿丝板下半部分按原铺丝方向旋转一周，以便于安装在穿丝板下半部分的裁丝剪19剪断与穿丝板相连的同一层纤维丝；

[0048] 步骤5、待裁丝剪19切断碳纤维丝后，反向启动穿丝板电机15，使穿丝板下半部分朝步骤3中转动的反方向转动，转动角度为铺设上一层碳纤维丝时转动的角度与裁丝剪剪丝旋转角度之和，使第一对位错小孔4恢复贯通状态，同时放松夹紧于穿丝板上下部分的残留碳纤维丝，以防止下一层穿丝因残留碳纤维丝阻塞受到影响；

[0049] 步骤6、启动升降电机16，使升降平台14下降工件纤维丝单层厚度的高度，以进行下一层的加工，此时当前层穿丝板依旧与铺丝喷头7之间有碳纤维丝相连，故无需再次使碳纤维丝的一端夹紧于穿丝板，重复步骤4、5直至目标工件打印完毕。