本发明专利技术属于增材制造技术领域，具体公开一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置及方法，成形装置包括打印平台、载物台、连杆装置、夹紧装置和打印装置，其中；载物台设置于打印平台上，且能在打印平台上平移；打印装置设置在载物台上方，并能沿三维方向移动，其连接有流动料筒和连续纤维料筒，用于在载物台上沿预设路径打印纤维预浸丝材；连杆装置设置于打印平台一侧，用于驱动抓取结构抓取预设的增强纤维，使增强纤维能与每层纤维预浸丝材交叉编织，且增强纤维在相邻两层纤维预浸丝材上编织成S形；夹紧装置用于固定与纤维预浸丝材编织后的增强纤维。本发明专利技术能提升打印零件沿三维方向的强度。向的强度。向的强度。
【技术实现步骤摘要】
各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置及方法
[0001]本专利技术属于增材制造
，更具体地，涉及一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置及方法。
技术介绍
[0002]连续纤维增强复合材料是纤维经过一系列热处理与树脂等基体复合而成的材料，其强度高，耐热性好，有优秀的抗腐蚀和辐射性能，是一种力学性能十分优异的材料。目前纤维增强复合材料构件的发展趋势是轻量化、复杂化、整体化。增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了CAD、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过逐层堆积的方式，制造出实体物品的制造技术。增材制造技术是成形复杂纤维增强复合材料构件的有效方法之一。
[0003]目前，在纤维增强复合材料领域中，最常使用熔融沉积(Fused Deposition Manufacturing,FDM)技术。FDM是一种将丝材通过逐层熔融并累加的方式得到整体零件的增材制造工艺，适合复杂结构的快速成形，具有运行成本低、材料利用率高，处理简单等优点，但采用FDM方法制备出的复合材料存在各异性程度高，尤其是沿z轴方向的强度较低的问题。
[0004]在专利CN202011097298.4中，名称为一种利用微波辐照修复FDM增材制造制品层与层之间粘接强度的方法，将通过在增材制造打印制品中引入强吸波材料，运用微波辐照修复FDM技术打印制品层与层之间粘结较弱的问题，提高打印制品强度，为成形件性能优化提供理论和实验依据。但该专利技术很难改善FDM成形的连续纤维增强复合材料构件的各向异性问题。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形方法与装置，在零件打印过程中利用增强纤维在打印的材料上三维方向的缠绕，来提升零件沿三维方向的强度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置，所述成形装置包括打印平台、载物台、连杆装置、夹紧装置和打印装置，其中；
[0007]所述载物台设置于所述打印平台上，且能在所述打印平台上平移；
[0008]所述打印装置设置在所述载物台上方，并能沿三维方向移动，其连接有流动料筒和连续纤维料筒，用于在所述载物台上沿预设路径打印纤维预浸丝材；
[0009]所述连杆装置设置于所述打印平台一侧，其包括连杆组件和设置在所述连杆组件上的抓取结构；所述连杆组件用于驱动所述抓取结构抓取预设的增强纤维，使所述增强纤维能与每层所述纤维预浸丝材交叉编织，且所述增强纤维在相邻两层纤维预浸丝材上编织成S形；
[0010]所述夹紧装置用于固定与所述纤维预浸丝材编织后的增强纤维。
[0011]进一步的，所述连杆组件包括导向杆、导向块、第一连杆和第二连杆，其中，所述导向杆竖直设置在所述打印平台下，并能左右平移；所述导向块设置在所述导向杆上，且能在所述导向杆上上下移动；所述第一连杆的一端与所述导向块相连，其另一端与所述第二连杆的一端相连；所述第二连杆的另一端与所述导向杆的一端相连，且连接点位于所述导向块的上方。
[0012]进一步的，所述抓取结构设置在所述第一连杆与所述第二连杆的连接位置处，工作时，所述导向块向上运动，驱动所述第一连杆绕其与所述导向块的连接点旋转，进而带动所述第二连杆绕其与所述导向杆的连接点旋转，进一步驱动所述抓取结构旋转；优选的，所述导向杆能在所述工作平台上平移。
[0013]进一步的，所述打印平台上设置有导轨，所述载物台设置在所述导轨上，并能沿所述导轨前后平移。
[0014]进一步的，多层纤维预浸丝材上缠绕的增强纤维形成由多个S形组成的波浪线，且所述波浪线与竖直方向平行或与水平面方向成锐角；优选的，所述波浪线所在的平面垂直于水平面。
[0015]进一步的，预设的所述增强纤维有多根，且对应的所述波浪线有多条，且多条所述波浪线位于同一平面上。
[0016]进一步的，所述夹紧装置包括两个前后设置且可相互分离或抵靠的夹持单元。
[0017]根据本专利技术的另一个方面，还提供一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形方法，所述方法能在如前任一所述的一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置上实现，所述方法包括：
[0018]获取待增强纤维预浸丝材的位置信息，并基于所述位置信息预先布置增强纤维；
[0019]利用打印装置基于预设路径在载物台上打印纤维预浸丝材，每次打印到所述增强纤维处时，使流动料筒不动，停止打印，并使连续纤维料筒反向旋转以回抽纤维丝；
[0020]然后驱动所述载物台运动到连杆组件旁，所述连杆组件驱动抓取结构抓取所述增强纤维，并使所述增强纤维与已打印的纤维预浸丝材在水平面呈交叉编织；
[0021]交叉编织后，使对应侧的夹紧装置固定所述增强纤维，再使所述载物台和所述打印装置复位重新开始打印，且相邻两层所述纤维预浸丝材之间的增强纤维呈S型编织，直至打印完毕。
[0022]进一步的，所述位置信息的获取方法包括：
[0023]对待增强纤维预浸丝材的三维模型进行分层切片以获取每一层的成形高度；
[0024]再对切片后的每一层进行体素切片，以得到每一层的位置信息点集。
[0025]进一步的，所述连杆组件驱动抓取结构抓取所述增强纤维线，先使所述连杆组件运动到未夹持所述增强纤维的夹紧装置一侧，再执行抓取动作。
[0026]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
[0027]1.本专利技术提供的增材成形装置，其载物台与打印装置能实现三维方向上的相对移动，打印装置还连接有流动料筒和连续纤维料筒，能在载物台上沿预设路径实现纤维预浸丝材的增材制造；同时在打印平台上设置了连杆装置，该连杆装置能使预先设置在载物台上的增强纤维，按照预定位置缠绕到打印出的每一层纤维预浸丝材上，且增强纤维在相邻两层纤维预浸丝材上缠绕成S形，使得打印的纤维预浸丝材与增强纤维实现混合编织，使得
最终打印的零件在各个方向上的强度大约相同，提升零件整体强度。
[0028]2、本专利技术提供的增材成形装置，使得多层纤维预浸丝材中编织有S形的增强纤维，且多个S形组成的波浪形增强纤维所在的平面垂直于水平面，且单条的波浪线与竖直方向平行或与水平面方向成锐角，以使得纤维预浸丝材被增强纤维缠绕后沿竖直方向被强化或者沿与水平方向成锐角的方向被强化；前述的波浪形增强纤维有多条，各条波浪线处于同一平面上，从而加强打印出的零件的整体强度。
[0029]3、本专利技术提供的增材成形方法，通过设置简单的连杆结构与夹紧装置，当增材打印装置按照预设轨迹打印出纤维预浸丝材，并打印到预设增强纤维位置时，连杆组件不断左右翻转，以将增强纤维丝从一端牵拉到另一端，使其覆盖在打印出纤维预浸丝材上，并用对应侧的夹紧装置将牵拉到另一端的增强纤维丝夹紧，实现一层交叉编织；随后打印喷头继续该打印层的增材打印，之后在打印第二层时，若打印到预置强化纤维位置时，连杆组件再进行翻转，以使增强纤维丝再本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置，其特征在于，所述成形装置包括打印平台(6)、载物台(7)、连杆装置、夹紧装置(8)和打印装置，其中；所述载物台(7)设置于所述打印平台(6)上，且能在所述打印平台(6)上平移；所述打印装置设置在所述载物台(7)上方，并能沿三维方向移动，所述打印装置连接有流动料筒(10)和连续纤维料筒(11)，用于在所述载物台(7)上沿预设路径打印纤维预浸丝材；所述连杆装置设置于所述打印平台(6)一侧，其包括连杆组件和设置在所述连杆组件上的抓取结构(61)；所述连杆组件用于驱动所述抓取结构(61)抓取预设的增强纤维，使所述增强纤维能与每层所述纤维预浸丝材交叉编织，且所述增强纤维在相邻两层纤维预浸丝材上编织成S形；所述夹紧装置(8)用于固定与所述纤维预浸丝材编织后的增强纤维。2.如权利要求1所述的一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置，其特征在于，所述连杆组件包括导向杆(5)、导向块(1)、第一连杆(2)和第二连杆(3)，其中，所述导向杆(5)竖直设置在所述打印平台(6)下，并能左右平移；所述导向块(1)设置在所述导向杆(5)上，且能在所述导向杆(5)上上下移动；所述第一连杆(2)的一端与所述导向块(1)相连，其另一端与所述第二连杆(3)的一端相连；所述第二连杆(3)的另一端与所述导向杆(5)的一端相连，且连接点位于所述导向块(1)的上方。3.如权利要求2所述的一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置，其特征在于，所述抓取结构(61)设置在所述第一连杆(2)与所述第二连杆(3)的连接位置处，工作时，所述导向块(1)向上运动，驱动所述第一连杆(2)绕其与所述导向块(1)的连接点旋转，进而带动所述第二连杆(3)绕其与所述导向杆(5)的连接点旋转，进一步驱动所述抓取结构(61)旋转；优选的，所述导向杆(5)能在所述工作平台上平移。4.如权利要求1所述的一种各向同性连续纤维增强复合材料的成形装置，其特征在于，所述打印平台(6)上设置有导轨(4)，所述载物台(7)设置在所述导轨(4)上，并能沿所述导轨(4)前后平移。5.如...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨磊，周磊，闫春泽，苏彬，夏治刚，王文波，史玉升，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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