连续纤维增强复合材料制造技术

一种连续纤维增强复合材料

【技术实现步骤摘要】
连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法


[0001]本专利技术属于连续纤维增强复合材料
3D
打印
，特别是连续纤维增强复合材料
3D
打印装置及方法
。

技术介绍

[0002]连续纤维增强复合材料
3D
打印技术可摆脱模具的限制，制造任意复杂结构，在个性化制造领域具有广阔应用前景
。
现有
3D
打印机结构大多将纤维丝束和热塑性材料的打印喷嘴集成在一个打印头上，无法自由调整纤维增强材料和热塑性材料的层高及增强纤维占比，无法裁切短距离纤维，工艺自由度较低，无法充分发挥纤维增强复合材料的可设计性
。

技术实现思路

[0003]为了解决现有
3D
打印机的技术问题，本专利技术提供了连续纤维增强复合材料
3D
打印装置及方法，能够灵活调整增强丝束和基体材料的打印工艺参数，实现增强材料和基体材料的独立控制，适用于裁剪任意长度的连续纤维，扩展
3D
打印连续纤维复合材料的应用范围
。
[0004]连续纤维增强复合材料
3D
打印装置包括：
[0005]打印支架，其包括一对竖直的支撑柱和水平连接所述支撑柱顶端的横梁；
[0006]打印平台，其水平地支承于所述打印支架，打印平台上支承待
3D
打印的结构件；
[0007]升降导轨，其安装于所述打印支架且位于所述打印平台上方；
[0008]水平导轨，其安装于所述升降导轨以在垂直方向上升降，所述水平导轨位于所述打印平台上方；
[0009]基体材料打印头，其独立地可移动布置于水平导轨，基体材料打印头包括热塑性基体树脂丝材入口和朝向所述打印平台的第一喷嘴；
[0010]复合材料打印头，其独立地可移动布置于水平导轨，复合材料打印头包括连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口和朝向所述打印平台的第二喷嘴，复合材料打印头和基体材料打印头交替
3D
打印；
[0011]纤维裁剪机构，其包括，
[0012]齿轮齿条机构，其生成垂直方向上驱动；
[0013]直线电机，其连接所述齿轮齿条机构以在垂直方向上移动，直线电机具有水平移动的驱动端；
[0014]裁刀，其连接所述驱动端且在水平方向上移动以在靠近所述第二喷嘴端部的裁切位置处裁切来自第二喷嘴的连续纤维
。
[0015]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，打印平台经由二维可移动平台支承于打印支架上，所述二维可移动平台包括水平方向的移动部和垂直方向的升降部
。
[0016]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，升降导轨包括自所述横梁垂直向下延伸的丝杠和用于导向的位于丝杠两侧的光轴，水平导轨可升降地连接所述丝杠和光轴
。
[0017]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，所述水平导轨包括步进电机和连接所述步进电机的两个丝杠或同步带，其分别独立地传动连接基体材料打印头和复合材料打印头以独立地控制基体材料打印头和复合材料打印头水平运动
。
[0018]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，基体材料打印头经由打印头挂载平台安装于丝杠或同步带，复合材料打印头经由另一个打印头挂载平台安装于另一个丝杠或同步带基体材料打印头和复合材料打印头均包括层高调节装置
。
[0019]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，所述层高调节装置包括安装于打印头所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，所述复合材料打印头在连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口与位于底部的第二喷嘴之间设有加热的加热块，所述加热块上方设有喉管，所述喉管连通连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口与位于底部的第二喷嘴，所述喉管和连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口之间设有散热块
。
[0020]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，所述裁剪位置为距离第二喷嘴底部
0.5mm。
[0021]所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置中，还包括测量裁剪位置的位置传感器以及连接所述位置传感器和直线电机的控制器，所述控制器包括连接所述升降导轨
、
水平导轨和打印平台的运动控制装置，运动控制装置控制所述升降导轨
、
水平导轨和打印平台以执行复合材料打印头和基体材料打印头交替
3D
打印，响应于裁剪位置，控制器控制直线电机驱动使得纤维裁剪机构在所述裁剪位置进行裁剪运动
。
[0022]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，
[0023]升降导轨
、
水平导轨和打印平台运动以驱动复合材料打印头和基体材料打印头交替出现于打印位置；
[0024]执行复合材料打印头和基体材料打印头交替
3D
打印，其中，热塑性基体树脂由热塑性基体树脂丝材入口送入基体材料打印头且由第一喷嘴喷出，连续纤维和热塑性粘接树脂分别经由连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口进入复合材料打印头经加热后且由第二喷嘴共混喷出；
[0025]响应于裁剪位置，直线电机连接齿轮齿条机构以在垂直方向上移动，裁刀经由直线电机驱动在水平方向上移动以在靠近所述第二喷嘴端部的裁切位置处裁切来自第二喷嘴的连续纤维
。
[0026]和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0027]连续纤维增强复合材料
3D
打印装置可以实现连续纤维增强热塑性复合材料高自由度设计及制造，实现树脂基体材料和纤维增强材料层高的独立控制，继而提高打印效率和打印精度
。
采用独立裁剪装置可以实现任意长度纤维的铺设，适用于小尺寸区域的局部增强，达到更好的力学性能
。
扩大
3D
打印纤维增强复合材料的应用范围，且本设备易于维护
。
附图说明
[0028]附图示出了本专利技术的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本专利技术的原理，其中包括了这些附图以提供对本专利技术的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分
。
[0029]图1是本专利技术一个实施例中的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置的打印示意图；
[0030]图2是本专利技术一个实施例中的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置的结构示意图；
[0031]图3是本专利技术一个实施例中的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置的复合材料打印头的结构示意图
。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种连续纤维增强复合材料
3D
打印装置，其特征在于，其包括：打印支架，其包括一对竖直的支撑柱和水平连接所述支撑柱顶端的横梁；打印平台，其水平地支承于所述打印支架，打印平台上支承待
3D
打印的结构件；升降导轨，其安装于所述打印支架且位于所述打印平台上方；水平导轨，其安装于所述升降导轨以在垂直方向上升降，所述水平导轨位于所述打印平台上方；基体材料打印头，其独立地可移动布置于水平导轨，基体材料打印头包括热塑性基体树脂丝材入口和朝向所述打印平台的第一喷嘴；复合材料打印头，其独立地可移动布置于水平导轨，复合材料打印头包括连续纤维丝材入口
、
热塑性粘结树脂丝材入口和朝向所述打印平台的第二喷嘴，复合材料打印头和基体材料打印头交替
3D
打印；纤维裁剪机构，其包括，齿轮齿条机构，其生成垂直方向上驱动；直线电机，其连接所述齿轮齿条机构以在垂直方向上移动，直线电机具有水平移动的驱动端；裁刀，其连接所述驱动端且在水平方向上移动以在靠近所述第二喷嘴端部的裁切位置处裁切来自第二喷嘴的连续纤维
。2.
根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置，其特征在于，优选的，打印平台经由二维可移动平台支承于打印支架上，所述二维可移动平台包括水平方向的移动部和垂直方向的升降部
。3.
根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置，其特征在于，升降导轨包括自所述横梁垂直向下延伸的丝杠和用于导向的位于丝杠两侧的光轴，水平导轨可升降地连接所述丝杠和光轴
。4.
根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置，其特征在于，所述水平导轨包括步进电机和连接所述步进电机的两个丝杠或同步带，其分别独立地传动连接基体材料打印头和复合材料打印头以独立地控制基体材料打印头和复合材料打印头水平运动
。5.
根据权利要求4所述的连续纤维增强复合材料
3D
打印装置，其特征在于，基体材料打印头经由打印头挂载平台安装于丝杠或同步带，复合材料打印头经由另一个打印头挂载平台安装于另一个丝杠或同步带基体材料打印头和复合材料打印头均包括层高调节装置
。6.
根据权利要求5所述的连续纤维增强复合材料
...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄小飞，王盛，唐信安，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：