注射式三通道进料系统复合材料3D打印机及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机及其控制方法，系统通过使用注射式三通道的进料系统，可以添加多种树脂和填料与纤维复合，达到彩色和改性的效果；通过设计温控装置，可调控温度范围在－10℃

Injection three channel feeding system composite 3D printer and its control method

【技术实现步骤摘要】
注射式三通道进料系统复合材料3D打印机及其控制方法


[0001]本专利技术涉及3D打印
，更具体地，涉及一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机及其控制方法。

技术介绍

[0002]目前连续纤维增强FDM式3D打印技术所添加树脂种类单一，一般为树脂线材，或者添加一种填料和树脂线材，这限制了其他状态树脂的使用，难以满足各行业需求。目前，短切纤维树脂基复合材料的打印工艺比较成熟，但是连续纤维增强树脂基复合材料的工艺并部成熟，还存在很多问题，最首要的就是纤维的含量不高，目前纤维的含量只在百分之二十左右，这很难使得最后的打印制件能够生产应用。
[0003]连续纤维增强的打印机一般也是使用的熔融树脂浸渍，由于浸渍时间短且流动性等原因，使得树脂浸渍效果差，复合材料的孔隙率比较高，导致力学性能比较差。并且，一般打印头内的融腔都需要加热到150
‑
300℃，打印机才能开始运作，另外，这种必须加热熔融的3D打印机限制了对于温度敏感、需要在低温进行打印的树脂的使用，例如双环戊二烯。而且，现在连续纤维树脂的3D打印，纤维是直接被拉出来，然后靠树脂结合粘结在平板上，靠着这个拖曳力将纤维拉出来，这对于一些粘度不高或者液体树脂是不行的，纤维是难以固定在平板上的，这样也会影响纤维和树脂的粘结性能。
[0004]现有技术中公开了一种新型连续纤维复合材料3D打印头，包括打印头，所述打印头的内部安装有内管，所述内管上安装有内管齿轮，所述内管齿轮的一侧安装有传动齿轮，所述传动齿轮的上方安装有微型电机，所述内管上靠近底端位置处安装有转动套，所述转动套的一侧安装有纤维方向控制器，所述纤维方向控制器的底部安装有固定架，所述固定架的顶部设置有卡槽，所述固定架上安装有滚轮，所述打印头的底端安装有纤维束出口。该专利在传统的打印头上安装有可通过软件精密控制的纤维方向控制器，且在其底部安装有滚轮，通过其可以避免纤维与打印头成一定角度时，纤维与打印口的摩擦造成断丝，又可以施加一定压力。然而，该专利未涉及任何有关如何改善粘性大的树脂的流动性，并提高树脂浸渍纤维的效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机，该装置可实现克服原料单一、高粘度树脂流动性差。
[0006]本专利技术的又一目的在于提供一种上述注射式三通道进料系统复合材料3D打印机的控制方法。
[0007]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机，包括机械系统和控制系统，所述机械系统包括纤维料盘，所述纤维料盘旁为主动轮和从动轮，所述主动轮和从动轮下方为纤维导管，所述纤维导管左侧为树脂进料装置，所述进料装置上方为驱动气缸，所述驱动气
缸下方连接着气管，气管的另一侧连接着三个活塞杆，所述三个活塞杆下方分别连接着三个料筒，所述三个料筒外部都包裹了一层温控装置，所述三个料筒下方为打印头，所述打印头最外层包裹着温控装置，温控装置内部为喉管，喉管内部设置了一层PTFE管，所述PTFE管下方为喷嘴，所述喷嘴处有一个温度传感器，所述喷嘴下方为成型平板，所述成型平板的右上角设计有一个固定夹，所述成型平板下方连接着运动轴Y轴杆，所述Y轴杆上连接着Y轴步进电机，由步进电机控制传送带传动沿着Y轴运动，所述打印头连接着运动轴X轴杆，所述X轴杆上连接着X轴步进电机，由步进电机控制经过传送带传动沿着X轴运动，所述X轴杆连接着运动轴Z轴杆，所述Z轴杆上连接着Z轴步进电机，由步进电机控制打印头沿着Y轴进行螺旋运动；
[0009]所述主动轮和从动轮引导纤维料盘的纤维丝束经纤维导管、喉管、喷嘴；所述驱动气缸推动活塞杆将从进料装置加入的树脂经料筒推入打印头与纤维丝束进行充分浸渍结合；
[0010]所述控制系统包括电源模块、通讯模块、出料系统控制模块、运动控制模块和人机交互模块；电源模块、出料系统控制模块、运动控制模块和人机交互模块均与通讯模块连接；操作人员在人机交互模块设置出料系统控制模块和运动控制模块的工作参数通过通讯模块分别传到出料系统控制模块和运动控制模块上，出料系统控制模块控制三个料筒的出料，运动控制模块控制X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机的运动；电源模块通过通讯模块对出料系统控制模块、运动控制模块和人机交互模块供电。
[0011]进一步地，所述主动轮和从动轮引导纤维运行路径，纤维途径导引管道、PTFE管和喷嘴，一开始使用固定夹将纤维固定在平板右上角，防止纤维随意移动，使得纤维与树脂能同步出料。
[0012]优选地，所述温度传感器是热敏电阻传感器；从进料装置加入的树脂是液态DCPD树脂。
[0013]进一步地，所述通讯模块通过USB与电源模块、出料系统控制模块、运动控制模块和人机交互模块连接。
[0014]一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机的控制方法，包括以下步骤：
[0015]S1：开启电源模块，在人机交互模块中输入参数；
[0016]S2：纤维料盘上的纤维丝束通过主动轮和从动轮，纤维进入纤维导管、喉管、喷嘴；
[0017]S3：进料装置中加入树脂、填料、着色剂分别进入三个料筒，通过温控装置使料筒内的树脂达到所需的粘度并维持在这一状态；
[0018]S4：打开驱动气缸，推动活塞杆将调控好的树脂挤入打印头内部，纤维途径纤维导管、打印头、喷嘴、成型平板；
[0019]S5：先用固定夹将纤维固定在平板上，在打印头内树脂和纤维可以进行浸渍，然后树脂/纤维从喷嘴中挤出，成型平板上通过温度的调节，引发挤出的树脂，接着反应进行自蔓延，使树脂快速固化，与纤维很好的结合；
[0020]S6：通过运动控制模块，控制X轴步进电机和Z轴步进电机使打印头在X上进行传送带传递，在Z轴上螺纹传动，纤维树脂基在成型平板上，Y轴步进电机控制成型平板沿着Y轴方向螺纹传动，完成打印后，关闭电源模块。
[0021]进一步地，进料装置中加入的树脂是树脂线材、液体、具有粘度或凝胶状态的树
脂。
[0022]优选地，进料装置中加入的着色剂是铬酸盐、偶氮颜料、酞花菁、喹哪酮、异吲哚酮、蒽醌或硫靛；进料装置中加入的填料是碳纳米管、短切纤维、炭黑、二氧化硅或碳化硅晶须。
[0023]进一步地，对成型平板进行加热来引发树脂反应，引发之后关闭加热，使得树脂进行自蔓延反应，与纤维相结合形成复合材料。
[0024]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0025]本专利技术通过使用注射式三通道的进料系统，可以添加多种树脂和填料与纤维复合，达到彩色和改性的效果；通过设计温控装置，可调控温度范围在
‑
10℃
‑
300℃，可以控制树脂的粘度和状态，使得树脂在打印机内是一个稳定的状态，且高温适用树脂线材，低温适用于液体或凝胶树脂；另外，在喷嘴内部设计了齿轮结构，大部分剪切变烯的树脂都可以使用，能够改善粘性大的树脂的流动性，并提高树脂浸渍纤维的效果，从而提高打印制件的力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种注射式三通道进料系统复合材料3D打印机，其特征在于，包括机械系统和控制系统，所述机械系统包括纤维料盘(1)，所述纤维料盘(1)旁为主动轮(2)和从动轮(3)，所述主动轮(2)和从动轮(3)下方为纤维导管(6)，所述纤维导管(6)左侧为树脂进料装置(7)，所述进料装置(7)上方为驱动气缸(4)，所述驱动气缸(4)下方连接着气管(5)，气管(5)的另一侧连接着三个活塞杆(8)，所述三个活塞杆(8)下方分别连接着三个料筒(9)，所述三个料筒(9)外部都包裹了一层温控装置(11)，所述三个料筒(9)下方为打印头(10)，所述打印头(10)最外层包裹着温控装置(11)，温控装置(11)内部为喉管(12)，喉管(12)内部设置了一层PTFE管(13)，所述PTFE管(13)下方为喷嘴(15)，所述喷嘴(15)处有一个温度传感器(14)，所述喷嘴(15)下方为成型平板(16)，所述成型平板(16)的右上角设计有一个固定夹(23)，所述成型平板(16)下方连接着运动轴Y轴杆(18)，所述Y轴杆(18)上连接着Y轴步进电机(21)，由步进电机控制传送带传动沿着Y轴运动，所述打印头连接着运动轴X轴杆(17)，所述X轴杆(17)上连接着X轴步进电机(20)，由步进电机控制经过传送带传动沿着X轴运动，所述X轴杆(17)连接着运动轴Z轴杆(19)，所述Z轴杆上(19)连接着Z轴步进电机(22)，由步进电机控制打印头沿着Y轴进行螺旋运动；所述主动轮(2)和从动轮(3)引导纤维料盘(1)的纤维丝束经纤维导管(6)、喉管(12)、喷嘴(15)；所述驱动气缸(4)推动活塞杆(8)将从进料装置(7)加入的树脂经料筒(9)推入打印头(10)与纤维丝束进行充分浸渍结合；所述控制系统包括电源模块(25)、通讯模块(26)、出料系统控制模块(27)、运动控制模块(28)和人机交互模块(29)；电源模块(25)、出料系统控制模块(27)、运动控制模块(28)和人机交互模块(29)均与通讯模块(26)连接；操作人员在人机交互模块(29)设置出料系统控制模块(27)和运动控制模块(28)的工作参数通过通讯模块(26)分别传到出料系统控制模块(27)和运动控制模块(28)上，出料系统控制模块(27)控制三个料筒(9)的出料，运动控制模块(28)控制X轴步进电机(20)、Y轴步进电机(21)和Z轴步进电机(22)的运动；电源模块(25)通过通讯模块(26)对出料系统控制模块(27)、运动控制模块(28)和人机交互模块(29)供电。2.根据权利要求1所述的注射式三通道进料系统复合材料3D打印机，其特征在于，所述主动轮(2)和从动轮(3)引导纤维运行路径，纤维途径导引管道(6)、PTFE管(13)和喷嘴(15)，一...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏茜茜，陈文多，李晶，江大志，陈壮鹏，魏少楠，黎子熙，冯志杰，符琼文，谢依浪，萧梵，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：