角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机及方法技术

一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机，包括：加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头、修型刀，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；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，可以实现铺丝、喷树脂、加快凝固以及智能调节功能；修型刀用于剪断每一层加工结束时工件与穿丝板之间连接的碳纤维丝以及去除工件表面毛刺，同时在加工结束后还可以类似于机床主轴的刀具一样对工件表面进行精确修型；加工平台中升降平台的上下移动使得每一层材料铺设方便快捷。

【技术实现步骤摘要】
角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机及方法
本专利技术属于纤维增强3D打印
，尤其涉及一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机及方法。
技术介绍
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、汽车赛车、机器人和医疗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。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。目前，人们在纤维增强复合材料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。专利CN201410325650.3提出了一种基于3D打印机原理的铺丝喷丝设备进行纤维增强复合材料的3D打印，该设备仅能提供最基础的3D打印设想，由于对于铺丝过程没有更进一步的技术处理，比如不能增强纤维丝的强度，导致在实际使用时，强度要求不能很好实现，只能作为一种理想状态的构思。CN201810422931.9提供了一种用于打印纤维增强复合材料的打印喷头，但该喷头不能进行全角度铺丝，不能满足实际生产中对于纤维铺放方向的要求，功能不完善。CN201711345896.7在打印时不能自由的改变所利用的平台大小，会导致材料的使用浪费。CN201711050843.2同样设计出了圆盘旋转平台，但该设备喷头不能旋转，旋转平台的运动仅弥补喷头的运动不足，而不能实现纤维丝的拉紧，功能较单一。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机及方法，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。一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机，包括：加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头、修型刀；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、修型刀移动架、推拉电机、加工平台移动架a和加工平台移动架b，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，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；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，铺丝喷头、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a上的推拉电机采用螺纹连接，加工平台移动架a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；所述修型刀以球面副连接在修型刀移动架上，修型刀移动架与固定安装在加工平台移动架b上的推拉电机采用螺纹连接，避免修型刀与纤维树脂多功能喷头干涉，加工平台移动架b具有沿x、y方向移动的自由度。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。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。前述的一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机的使用方法，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，安装高度调节圆片，打印过程中无二次安装；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，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，加热喷头开始工作，加速材料凝固，材料凝固后，修型刀剪断与穿丝板相连的同一层纤维丝，同时去除工件表面毛刺完成对工件的初步修型；步骤5、切断碳纤维丝后，启动穿丝板电机，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，以进行下一层的加工，重复步骤4、5直至目标工件打印完毕；步骤7、对工件进行精确修型，根据用户需求利用修型刀进行一定程度的表面加工，进而达到精确修型或者提高表面质量的目的。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机及方法，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；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带动使得上下部分穿丝板夹紧碳纤维，保证了碳纤维丝的拉紧，同时由于单层穿丝板及升降平台圆盘式的设计可以保证碳纤维的角度任意性；同时升降平台的上下移动使得每一层材料铺设方便快捷。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为图1的侧视图；图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机，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、修型刀；/n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、修型刀移动架、推拉电机、加工平台移动架a和加工平台移动架b，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；/n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，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；/n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，铺丝喷头、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a上的推拉电机采用螺纹连接，加工平台移动架a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；/n所述修型刀以球面副连接在修型刀移动架上，修型刀移动架与固定安装在加工平台移动架b上的推拉电机采用螺纹连接，避免修型刀与纤维树脂多功能喷头干涉，加工平台移动架b具有沿x、y方向移动的自由度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机，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、修型刀；
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、修型刀移动架、推拉电机、加工平台移动架a和加工平台移动架b，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，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；
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，铺丝喷头、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a上的推拉电机采用螺纹连接，加工平台移动架a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；
所述修型刀以球面副连接在修型刀移动架上，修型刀移动架与固定安装在加工平台移动架b上的推拉电机采用螺纹连接，避免修型刀与纤维树脂多功能喷头干涉，加工平台移动架b具有沿x、y方向移动的自由度。


2.根据权利要求1所述的角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印修型机，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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，陆鹏旭，郑如昊，王文煜，刘洋，任旭辉，闻邦椿，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21