一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置及方法，装置包括3D打印头，还包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。本发明专利技术解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本发明专利技术方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。

A device and method for increasing the elastic elongation of fiber in continuous fiber 3D printing

The invention discloses a device and a method for improving fiber elastic elongation of continuous fiber 3D printing, 3D printing device comprises a head, also including the original fiber supply module, fiber and fiber with helical module of collecting and supplying module; the fiber module includes: spiral fiber clamping head, used for the spiral from the original fiber fiber supply module and clamped along the axial direction through the spiral fiber to be added to stay around to limit spiral fiber rotation; and screw driving mechanism for driving the fiber clamping head around the fiber axial rotation; a pressing roller, a pressing roller for two has been added through and pressed fiber spiral fibers to limit the fiber rotation around the axis. The invention solves the problem of insufficient elastic elongation of some continuous fibers, and at the same time, regulates the degree of fiber plus screw, and has two working modes of synchronization and asynchronism plus screw. The method and device of the invention can widen the application of flexible fibers, such as carbon fiber, carbon nanotube fiber and so on, in flexible intelligent structures.

【技术实现步骤摘要】
一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置和方法
本专利技术涉及连续纤维3D打印
，具体涉及一种提高3D打印连续纤维弹性伸长量的装置和方法。
技术介绍
3D打印技术常用增材制造的方式，一般是将液态、熔融态或颗粒状态的材料，通过层层堆积、层层固化的方式加工成型，而近年出现了连续纤维3D打印技术，包括将碳纤维、碳纳米管纤维等高熔点连续纤维，利用3D打印的方式将其打印在结构体内部或表面，其作用主要包括两个方面，其一是用于增强结构体强度，碳纤维等高模量纤维铺设在结构体内部或表面时，可以显著增强结构体强度，其二是作为感知材料，碳纤维、碳纳米管纤维等导电纤维，发生形变时电阻等电学参数会发生相应的变化，可感知结构体的应力、应变等参数。3D打印柔性智能结构，是利用3D打印技术打印出柔性材料或结构，其具有较大的弹性变形量，并在结构中布置碳纤维、碳纳米管纤维等感知材料，感知结构体的应力、应变等参数，可用于柔性传感器、柔性可穿戴设备等多个领域。而包括碳纤维、碳纳米管纤维等在内的感知纤维材料，轴向弹性伸长量较小，难以承受大轴向变形，布置在柔性材料或柔性结构中发生较大变形时，会发生塑性变形或直接断裂而失效。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于3D打印技术的连续纤维弹性增强方法和装置，通过加螺旋的方法提高连续纤维的弹性伸长量，并设计了一个自动加螺旋的装置，解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可以调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本专利技术方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。原纤维供应模块，用于供应需要提高弹性伸长量的原纤维；纤维加螺旋模块，用于在原纤维上加上螺旋，来提高其弹性伸长量；纤维收集与供给模块，用于和加螺旋模块配合，在加螺旋的同时收集加上螺旋的纤维或将加螺旋的纤维直接供应给3D打印头；3D打印头，常用的连续纤维3D打印头，一般包括多个进料口，用于将加好螺旋的纤维打印在结构体内部或表面上。加螺旋驱动电机，用于带动待加螺旋的纤维段绕轴向转动；纤维夹持头，安装在驱动电机主轴上，用于夹持待加螺旋的纤维。优选地，所述纤维夹紧头包括一体成型的：连接部，与所述加螺旋驱动机构的主轴相连；纤维夹持部，包括两块夹板、位于两块夹板之间的弹性体以及连接两块夹板的夹紧螺栓，弹性体带有供待加螺栓纤维从弹性体中通过的轴孔。纤维夹持头安装在驱动电机主轴上，随主轴带动纤维一起绕轴向转动，另外，夹紧头上安装有弹性体如橡胶材料和夹紧螺栓，弹性体上开了具有轴向纹理的孔用于纤维穿过，同时使纤维难于绕轴线转动而易于沿轴向窜动，夹紧螺栓用于调节对弹性体的压紧力，通过调节压紧力的大小保证在其在电机驱动下转动时可带动纤维一起转动，另外压紧力不易过大，保证纤维在弹性体中可沿轴向运动，使纤维可以连续的进入加螺旋区域；所述的原纤维供应模块，安装在加螺旋电机的主轴上，随电机主轴一起转动，保证原纤维在进入加螺旋阶段前保持不变；优选地，所述原纤维供应模块包括：与所述纤维夹紧头同轴转动的中空原纤维架；安装在中空原纤维架上可自由转动的原纤维卷筒，原纤维缠绕在该原纤维卷筒上。原纤维卷筒的轴向与纤维夹紧头绕其转动的轴向相垂直；原纤维卷筒的两端通过轴承与中空原纤维架连接。进一步优选地，所述加螺旋驱动机构为双头电机且采用中空主轴，所述中空主轴的一端与所述中空原纤维架同轴固定连接，中空原纤维架带有供纤维自由通过的通孔，所述原纤维卷筒的轴向与所述中空主轴轴向相垂直；所述中空主轴的另一端与纤维夹紧头的连接部同轴固定连接，中空原纤维架和纤维夹紧头均随主轴转动。加螺旋驱动电机采用双头电机，一端用于安装原纤维供应模块，另一端用于安装纤维夹持头，另外电机主轴应采用中空结构，保证纤维可以穿过；原纤维架采用中空结构保证纤维可以穿过，其一端安装在驱动电机主轴上随电机主轴一起转动，另一端用于安装原纤维卷筒；原纤维卷筒，原纤维缠绕在卷筒上，用于供应原纤维，两端可通过轴承安装在原纤维支架上，保证其可以自由转动，达到供应原纤维的目的。优选地，所述压紧辊轴的表面由弹性软质材料制成，且带有供加螺旋纤维通过且限制加螺旋纤维轴向转动的凹槽。压紧辊轴，用于压紧纤维；压紧辊轴包括上下两部分，可沿轴向转动，表面应用弹性软质材料制作，用于压紧加螺旋的纤维，保证其无法绕轴向转动，同时易于沿轴向运动。优选地，所述纤维收集与供给模块包括：螺旋纤维卷筒；将螺旋纤维绕置在所述螺旋纤维卷筒上的收纤维驱动电机；以及将绕置在螺旋纤维卷筒上的螺旋纤维输送给3D打印头的供纤维驱动电机。进一步优选地，所述螺旋纤维卷筒与供纤维驱动电机的主轴同轴固定；所述收纤维驱动电机的主轴顶端固定用于引导纤维缠绕在螺旋纤维卷筒上的收纤维臂，所述收纤维臂上带有供螺旋纤维穿过的小孔。更进一步优选地，所述收纤维臂包括互成90°连接的两部分，一部分与收纤维驱动电机的主轴固定、另一部分延伸至螺旋纤维卷筒中部外侧且与螺旋纤维筒轴线相平行，小孔位于与螺旋纤维筒轴线相平行的部分的顶部，且小孔的轴向与螺旋纤维卷筒的轴向相垂直。更进一步优选地，所述供纤维驱动电机上固定有供纤维架，供纤维架上带有供纤维通过的通孔，该通孔与3D打印头的输入孔之间设置纤维引导管。供纤维架安装在电机支架上，用于安装纤维引导管。螺旋纤维卷筒用于收集加好螺旋的纤维，同时可供应加好螺旋的纤维给3D打印头；收纤维驱动电机用于驱动收纤维臂绕轴向转动；收纤维臂固定在驱动电机上，用于引导纤维绕在收集卷筒上；供纤维驱动电机，用于驱动纤维收集卷筒绕轴向转动；收集驱动电机的转速应和加螺旋电机按照特定的速比转动，此时供纤维驱动电机不转动，加螺旋后的纤维被收集在纤维卷筒上，调节速比可调节纤维的加螺旋程度，即可调节单位长度加螺旋的圈数；收纤维臂安装在收集驱动电机主轴上，由随其主轴转动，采用折弯结构，保证前端的引导环可以绕着纤维卷筒转动，带动纤维沿轴向运动，绕在卷筒上实现纤维收集；供纤维驱动电机，与加螺旋驱动电机按照一定的速比同时转动，可通过调节速比来调节单位长度加螺旋的圈数，此时收集驱动电机停止转动，实现给纤维加螺旋的同时提供给3D打印头，并带动纤维沿轴向移动；供纤维架，用于安装供纤维装置与3D打印头之间的纤维引导软管，以此起到引导纤维的作用；供纤维卷筒，安装在供纤维驱动电机的主轴上，随其转动或静止。3D打印头为常用的连续纤维3D打印头，包括两个进料口，一个进料口通纤维引导软管与供纤维支架相连，加好螺旋的纤维通过此进料口进入3D打印头，另一个进料口进常用的3D打印材料，包括PLA或ABS等，加好螺旋的纤维，随常用3D打印材料在工作台或已打印层上固化而使纤维拖拽，实现纤维持续供料。加螺旋驱动电机的主轴水平布置；供纤维驱动电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，，其特征在于，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。

【技术特征摘要】
1.一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，，其特征在于，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述纤维夹紧头包括一体成型的：连接部，与所述加螺旋驱动机构的主轴相连；纤维夹持部，包括两块夹板、位于两块夹板之间的弹性体以及连接两块夹板的夹紧螺栓，弹性体带有供待加螺栓纤维从弹性体中通过的轴孔。3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述原纤维供应模块包括：与所述纤维夹紧头同轴转动的中空原纤维架；安装在中空原纤维架上可自由转动的原纤维卷筒，原纤维缠绕在该原纤维卷筒上。4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述加螺旋驱动机构为双头电机且采用中空主轴，所述中空主轴的一端与所述中空原纤维架同轴固定连接，中空原纤维架带有供纤维自由通过的通孔，所述原纤维卷筒的轴向与所述中空主轴轴向相垂直；所述中空主轴的另一端与纤维夹紧头的连接部同轴固定连接，中空原纤维架和纤维夹紧头均随主轴转动。5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述压紧辊轴的表面由弹性软质材料制成，且带有供加螺旋纤维通过且限制加螺旋纤维轴向转动的凹槽。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鑫骅，刘加朋，栾丛丛，兰刘健，刘丞哲，傅建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33