一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法制造方法及图纸

一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法，包括3D打印机框架及其上安装的双喷头打印模块；双喷头打印模块包括喷头支撑板20，喷头支撑板20上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；2个打印头分别安装在喷头支撑板的中心线两侧，在喷头导向机构的驱动下，实现一个打印头下移时，另一个打印头上移同等距离；剪切机构为平面四连杆机构，安装在打印头的下方，通过对剪切机构的控制，实现一个剪切机构对两个打印头上的连续纤维复合材料的剪切；3D打印机框架包括X、Y、Z三轴运动机构及其上安装的打印平台，X、Y、Z三轴运动机构上的外部支撑框架顶部安装有2个收卷轮；本发明专利技术打印混杂连续纤维增强复合材料构件和复杂结构。

【技术实现步骤摘要】
一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法
本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法。
技术介绍
3D打印技术是采用层层累加的原理，每层按照既定的打印路径铺放材料，最终堆叠成形来制造三维零件。目前将3D打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料已经成为一种新兴的复合材料制造工艺，利用3D打印技术打印出的连续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。连续纤维增强复合材料3D打印由于受限于打印过程中纤维的连续特性，目前仅能实现简单构件的打印，很难满足一些复杂结构的打印要求；同时打印的零件通常只含有一种连续纤维，因此通常无法满足多种性能要求。混杂纤维增强树脂基复合材料是指两种或两种以上纤维增强同一种树脂基体的复合材料，这种复合材料充分发挥了各种纤维的优势，除了具有单一纤维增强复合材料的特点外，还具有一些其它的特殊性能，克服了单种材料无法满足多种性能要求的缺点；此外，纤维的多样性也增加了复合材料的可设计性，降低了成本，大大拓展了其使用范围。连续纤维增强树脂基复合材料3D打印技术已经实现，但现有的连续纤维增强3D打印机只能打印单一连续纤维，还没有可打印混杂连续纤维构件的多喷头混杂连续纤维增强3D打印装置公开。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法，可用于打印混杂连续纤维增强复合材料构件，以及一些复杂结构。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，包括3D打印机框架及其上安装的双喷头打印模块；所述的双喷头打印模块包括喷头支撑板20，喷头支撑板20上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；2个打印头分别安装在喷头支撑板的中心线两侧，在喷头导向机构的驱动下，实现一个打印头下移时，另一个打印头上移同等距离；剪切机构为平面四连杆机构，安装在打印头的下方，通过对剪切机构的控制，实现一个剪切机构对两个打印头上的连续纤维复合材料的剪切；3D打印机框架包括X、Y、Z三轴运动机构，Y轴运动机构上安装有打印平台38，X、Y、Z三轴运动机构安装在外部支撑框架26上，外部支撑框架26顶部安装有2个收卷轮27。所述的打印头包括打印头电机2，打印头电机2安装在电机座1上，电机座1和零件安装板3固定在一起，电机座1侧壁上设有侧耳101，打印头电机2输出轴上连接有主动轮4，主动轮4和从动轮5啮合，从动轮5安装在零件安装板3上，从动轮5上的从动轮轴51一端和对挤轮6接触，对挤轮6安装在外壳盖12的轮轴上，且位于从动轮轴51的水平偏心处；对挤轮6和从动轮轴51之间穿过有纤维丝束11，纤维丝束11再依次穿过喉管7、加热块8和喷嘴9，加热块8上装有树脂进料管10。所述的剪切机构包括剪刀，剪刀由2根连杆17和2个细长剪切刀片18铰接成一个平面四连杆机构；两细长剪切刀片18通过其中部的螺纹孔安装在剪切支座19的刀片安装轴191上，形成一把剪刀似的X型机构，刀片安装轴191位于两打印头的喷嘴9中心线上；细长剪切刀片18的剪切端用于剪断纤维丝束11，细长剪切刀片18的另一端分别与两连杆17铰接，两连杆17的另一端铰接在剪切滑块16的连杆安装轴161上，剪切滑块16安装在剪切螺杆14和剪切导向杆15上，剪切螺杆14和剪切导向杆15均安装在剪切支座19上，剪切螺杆14端头与剪切电机13的输出轴连接，剪切电机13安装在剪切支座19上。所述的剪切机构在打印零件表面上方1mm处，不会对打印零件表面造成干涉；所述的细长剪切刀片18的厚度为1mm，当2个细长剪切刀片18闭合后，细长剪切刀片18的剪切端刚好能到达喷嘴9处，实现纤维丝束11的切断；当剪切滑块16在剪切螺杆14上左右滑动时，细长剪切刀片18的剪切端会绕刀片安装轴191旋转，从而能实现两个打印头中的两根纤维丝束11的剪切。所述的喷头导向机构包括安装在喷头支撑板20竖直中心线处的两个同步轮22，两个同步轮22之间通过同步带23连接；上方的同步轮22安装在同步轮驱动电机21的输出轴上，同步轮驱动电机21安装在喷头支撑板20上，下方的同步轮22安装在喷头支撑板20上连接的带轮支撑轴201上；同步轮22两侧等距安装有导向杆支撑座24，每个导向杆支撑座24上安装有2根导向杆25；在同步轮22两侧的导向杆25上安装打印头，两个打印头通过侧耳101固定在同步带23的两侧上；当同步带运动时会出现一个打印头向上移动，而另一个打印头向下移动相同距离。所述的3D打印机框架包括X、Y、Z三轴运动机构，Y轴运动机构包括Y轴滑块，Y轴滑块安装在Y轴螺杆37上，Y轴螺杆37端头和Y轴驱动电机36输出轴连接，Y轴螺杆37、Y轴驱动电机36固定在Y轴框架上；Y轴框架上连接有Z轴运动机构，Z轴运动机构包括外部支撑框架26，外部支撑框架26底部两侧连接在Y轴框架上，外部支撑框架26的竖直段安装有Z轴螺杆29和Z轴导向杆30，Z轴螺杆29和Z轴导向杆30上安装有Z轴滑块31，Z轴螺杆29和Z轴驱动电机28输出轴连接，Z轴驱动电机28安装在外部支撑框架26顶部水平段；两个Z轴滑块31之间连接有X轴运动机构，X轴运动机构包括X轴导向杆33、X轴螺杆32，X轴导向杆33、X轴螺杆32连接在两个Z轴滑块31之间，X轴导向杆33、X轴螺杆32上安装有X轴滑块34，X轴螺杆32端头和X轴驱动电机35输出轴连接，X轴驱动电机35固定在一个Z轴滑块31的外侧；Y轴滑块上安装有打印平台38，X轴滑块34上安装双喷头打印模块；外部支撑框架26顶部水平段安装有2个收卷轮27。所述纤维丝束11为任意材料的连续纤维，两个打印头中的纤维丝束11种类不同；所述树脂为热塑性树脂或者热固性树脂，两个打印头中的树脂种类相同或者不同；树脂的形态是液态或固态。所述的加热块8设有2个加热孔83、1个树脂进料孔82、1个连续纤维进料孔81，加热孔83用于安装加热棒，纤维丝束11在加热块8内与树脂发生浸渍。基于一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：1)开始打印时，双喷头打印模块上打印碳纤维复合材料的第一个喷嘴9在同步轮22驱动下向下移动到打印模块底部，则打印玻璃纤维的第二个喷嘴9向上移动，此时剪切机构的剪刀处于打开状态，然后双喷头打印模块进行X向和Z向移动，打印平台38进行Y向移动；2)当第一个喷嘴9到达打印平面时，打印头电机2开始驱动，开始打印模型第一层；当第一层打印完后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第一个喷嘴9中的纤维丝束11，之后剪切滑块16再移动，使剪刀打开；3)同步带23带动第一个喷嘴9继续上移，则第二个喷嘴9到达打印模块底部时停止；然后打印模块上移一层的距离，打印模块开始进行平面移动，第二个喷嘴9开始进行第二层玻璃纤维复合材料的打印，第二层打本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：包括3D打印机框架及其上安装的双喷头打印模块；所述的双喷头打印模块包括喷头支撑板(20)，喷头支撑板(20)上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；2个打印头分别安装在喷头支撑板(20)的中心线两侧，在喷头导向机构的驱动下，实现一个打印头下移时，另一个打印头上移同等距离；剪切机构为平面四连杆机构，安装在打印头的下方，通过对剪切机构的控制，实现一个剪切机构对两个打印头上的连续纤维复合材料的剪切；/n3D打印机框架包括X、Y、Z三轴运动机构，Y轴运动机构上安装有打印平台(38)，X、Y、Z三轴运动机构安装在外部支撑框架(26)上，外部支撑框架(26)顶部安装有2个收卷轮(27)。/n

【技术特征摘要】
1.一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：包括3D打印机框架及其上安装的双喷头打印模块；所述的双喷头打印模块包括喷头支撑板(20)，喷头支撑板(20)上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；2个打印头分别安装在喷头支撑板(20)的中心线两侧，在喷头导向机构的驱动下，实现一个打印头下移时，另一个打印头上移同等距离；剪切机构为平面四连杆机构，安装在打印头的下方，通过对剪切机构的控制，实现一个剪切机构对两个打印头上的连续纤维复合材料的剪切；
3D打印机框架包括X、Y、Z三轴运动机构，Y轴运动机构上安装有打印平台(38)，X、Y、Z三轴运动机构安装在外部支撑框架(26)上，外部支撑框架(26)顶部安装有2个收卷轮(27)。


2.根据权利要求1所述的一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的打印头包括打印头电机(2)，打印头电机(2)安装在电机座(1)上，电机座(1)和零件安装板(3)固定在一起，电机座(1)侧壁上设有侧耳(101)；打印头电机(2)输出轴上连接有主动轮(4)，主动轮(4)和从动轮(5)啮合，从动轮(5)安装在零件安装板(3)上，从动轮(5)上的从动轮轴(51)一端和对挤轮(6)接触，对挤轮(6)安装在外壳盖(12)的轮轴上，且位于从动轮轴(51)的水平偏心处；对挤轮(6)和从动轮轴(51)之间穿过有纤维丝束(11)，纤维丝束(11)再依次穿过喉管(7)、加热块(8)和喷嘴(9)，加热块(8)上设有树脂进料管(10)，纤维丝束(11)在加热块(8)内和树脂发生浸渍。


3.根据权利要求2所述的一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的剪切机构包括剪刀，剪刀由2根连杆(17)和2个细长剪切刀片(18)铰接成一个平面四连杆机构；两细长剪切刀片(18)通过其中部的螺纹孔安装在剪切支座(19)的刀片安装轴(191)上，形成一把剪刀似的X型机构，刀片安装轴(191)位于两打印头的喷嘴(9)中心线上；细长剪切刀片(18)的剪切端用于剪断纤维丝束(11)，细长剪切刀片(18)的另一端分别与两连杆(17)铰接，两连杆(17)的另一端铰接在剪切滑块(16)的连杆安装轴(161)上，剪切滑块(16)安装在剪切螺杆(14)和剪切导向杆(15)上，剪切螺杆(14)和剪切导向杆(15)均安装在剪切支座(19)上，剪切螺杆(14)端头与剪切电机(13)的输出轴连接，剪切电机(13)安装在剪切支座(19)上。


4.根据权利要求3所述的一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的剪切机构在打印零件表面上方1mm处，不会对打印零件表面造成干涉；所述的细长剪切刀片(18)的厚度为1mm，当2个细长剪切刀片(18)闭合后，细长剪切刀片(18)的剪切端刚好能到达喷嘴(9)处，实现纤维丝束(11)的切断；当剪切滑块(16)在剪切螺杆14上左右滑动时，细长剪切刀片(18)的剪切端会绕刀片安装轴(191)旋转，从而能实现一个剪切机构对两个打印头中的两根纤维丝束(11)的剪切。


5.根据权利要求1所述的一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置，其特征在于：所述的喷头导向机构包括安装在喷头支撑板(20)竖直中心线处的两个同步轮(22)，两个同步轮(22)之间通过同步带(23)连接；上方的同步轮(22)安装在同步轮驱动电机(21)的输出轴上，同步轮驱动电机(21)安装在喷头支撑板(20)上，下方的同步轮(22)安装在喷头支撑板(20)上连接的带轮支撑轴(201)上；
同步轮(22)两侧等距安装有导向杆支撑座(24)，每个导向杆支撑座(24)上安装有2根导向杆(25)；在同步轮(22)两侧的导向杆(25)上安装打印头，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖鸿，李婷，明越科，郭文辉，段玉岗，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61