【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热固性复合材料3d打印，具体涉及一种具有高频压实功能的热固性复合材料3d打印头及压力控制方法。
技术介绍
1、目前3d打印纤维增强热固性复合材料的主流技术是在3d打印头中将丝材加热至热固性树脂预聚物的粘流化温度以上，高温固化剂开始引发热固化反应的临界温度以下，使材料成熔融状态穿过打印头，丝束一经挤出并附着在打印平台上立即通风冷却，随即在打印平台上凝固定型，并在紫外光源的辅助辐照下实现预固化；该工艺在熔融丝材挤出后，仅靠自身重力和粘合力与已定型丝材贴合然后预固化，丝材间的贴合强度低，最终成型构件层间孔隙率高，层间剪切强度差；且喷嘴中丝材挤出方向与打印面呈90°，丝材与喷嘴间不断发生摩擦，导致丝材中的连续纤维磨损，严重影响最终构件的成型质量与性能。
2、中国专利(申请号：202110288334.3，名称为一种可变形热压3d打印装置)使用压辊向丝材施加压力进行压实的定型方法，压辊通过轴承连接，与丝材之间发生滚动摩擦，但在碳纤维增强热固性复合材料3d打印工艺过程中，熔融态的材料会不断粘留在轴承上，预固化后导致轴承失效，滚动摩擦变为滑动摩擦，对纤维丝束产生较大磨损，影响构件性能。
技术实现思路
1、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一种具有高频压实功能的热固性复合材料3d打印头及压力控制方法，通过使用高频直线往复压实机构对打印出的丝材进行压实，借助压实频率与运动速度之间的耦合关系，实现丝材连续平整定型，同时通风冷却辅助定型和随动紫外光源照射预固化
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种具有高频压实功能的热固性复合材料3d打印头，用于纤维增强热固性复合材料3d打印，包括整体安装架6，整体安装架6顶部连接有旋转模块5，整体安装架6上安装有可调喷头2和压实机构4；缠绕在放料机构1上的纤维丝束9经重送对辊3提供驱动力使纤维丝束9进入可调喷头2，可调喷头2内部设有加热装置，纤维丝束9加热至设定温度后从可调喷头2挤出，在冷却前通过压实机构4的高频直线往复运动压实定型，压实机构4上连接的随动紫外光源8辐照纤维丝束9预固化，完成打印动作；压实机构4和外围控制系统7连接。
4、所述纤维增强热固性复合材料由增强材料和基体材料组成；增强材料是纤维状固体，为碳纤维、玻璃纤维、尼龙中的一种；基体材料是热固性树脂，为酚醛树脂或环氧树脂。
5、所述可调喷头2包括高温打印喷嘴202，高温打印喷嘴202安装在熔池201底部，高温打印喷嘴202和熔池201内部腔体贯通，熔池201侧壁嵌入安装有加热棒204；熔池201通过可调定位螺钉203连接在整体安装架6上的弧形槽上，熔池201经弧形槽能够使高温打印喷嘴202出丝点旋转，旋转角度包含45°-80°范围。
6、所述弧形槽以高温打印喷嘴202出丝点为圆心。
7、所述压实机构4包括高频直线往复运动元件401，高频直线往复运动元件401下部移动部件与顶部固定部件之间连接有环形压力传感器404，高频直线往复运动元件401下部移动部件底部安装有压靴基体403，压靴基体403上包覆安装有柔性压靴402；压靴基体403连接在滚珠滑块405上，滚珠滑块405安装在滚珠滑轨406上，滚珠滑轨406连接在整体安装架6上；环形压力传感器404、高频直线往复运动元件401和外围控制系统7连接组成压力控制系统。
8、所述高频直线往复运动元件401是频率至少可达10hz的电气元件，包括电磁推杆、电动推杆或伺服电缸；高频直线往复运动元件401直线往复运动频率可调，行程可调、推力可调。
9、所述柔性压靴402是柔性材料，包括高分子材料或橡胶；柔性压靴402底面为矩形平面或波浪型曲面，宽度至少大于2倍的单根纤维丝束9的直径；柔性压靴402为冷压靴，内部为通道式镂空结构，表面设置一个进气口和一个出气口，进气口和出气口分别和冷气管407连接，冷气管407安装在整体安装架6上；柔性压靴402的初始高度高于高温打印喷嘴202。
10、所述高频直线往复运动元件401的往复运动频率f、柔性压靴402的有效定型长度l和打印速度v满足关系：即柔性压靴402的有效定型长度大于压实机构4作一次往复运动消耗时间内可调喷头2送出的纤维丝束9的长度，保证纤维丝束9的100％压实率；有效定型长度l为所述柔性压靴402矩形底面的长度。
11、所述旋转模块5是可编程控制的驱动元件，包括伺服电机或舵机；旋转模块5轴线垂直于水平面并通过高温打印喷嘴202的出丝点。
12、所述一种具有高频压实功能的热固性复合材料3d打印头的压力控制方法，包括以下步骤：
13、步骤一，在压实机构4悬空状态下运行高频直线往复运动元件401，记录环形压力传感器404测得的峰值力的均值为f0；
14、步骤二，调节压实机构4的高度，使压实机构4与打印底板接触，环形压力传感器404测得此时的峰值力的均值为fk；
15、步骤三，通过外围控制系统7接收并计算得到实际输出压力f'n,f'n＝f0-fk；
16、步骤四，利用高频直线往复运动元件401电压恒定情况下压实力与电流成正比的关系，重复步骤一到步骤三，分别标定出不同电流下实际输出压力f'n的变化曲线；
17、步骤五，外围控制系统7借助标定的实际输出压力f'n变化曲线，根据设定压力调节电流实现压力控制。
18、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
19、1)本专利技术采取压实机构4对丝材进行压实，柔性压靴402为冷压靴，通过压力和冷却的耦合作用使树脂定型，辅助紫外光辐照预固化，解决了现有主流纤维增强热固性复合材料3d打印技术中无压力冷却定型造成的纤维层间致密性差的问题，具有制备构件孔隙率低，层间强度好的优点。
20、2)本专利技术采取高频直线往复运动元件401作为压实机构4的驱动元件，在定型过程中，柔性压靴402与纤维丝束9接触时间短，发生摩擦少，解决了压辊式定型方法轴承易失效的问题，具有可靠性高、压实效果好和纤维损伤少的优点。
21、3)本专利技术压实机构4采用闭环反馈控制输出压实力，控制效果好，压实效果一致性高，有益于提高构件的综合性能。
22、4)本专利技术可调喷嘴2送丝角度可调，可以根据实际情况调整送丝角度，解决了垂直送丝丝束与喷嘴相互磨损的问题，具有纤维损伤少、空间适应性强的优点。
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1.一种具有高频压实功能的热固性复合材料3D打印头，用于纤维增强热固性复合材料3D打印，包括整体安装架(6)，其特征在于：整体安装架(6)顶部连接有旋转模块(5)，整体安装架(6)上安装有可调喷头(2)和压实机构(4)；缠绕在放料机构(1)上的纤维丝束(9)经重送对辊(3)提供驱动力使纤维丝束(9)进入可调喷头(2)，可调喷头(2)内部设有加热装置，纤维丝束(9)加热至设定温度后从可调喷头(2)挤出，在冷却前通过压实机构(4)的高频直线往复运动压实定型，压实机构(4)上连接的随动紫外光源(8)辐照纤维丝束(9)预固化，完成打印动作；压实机构(4)和外围控制系统(7)连接。
2.根据权利要求1所述的3D打印头，其特征在于：所述纤维增强热固性复合材料由增强材料和基体材料组成；增强材料是纤维状固体，为碳纤维、玻璃纤维、尼龙中的一种；基体材料是热固性树脂，为酚醛树脂或环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的3D打印头，其特征在于：所述可调喷头(2)包括高温打印喷嘴(202)，高温打印喷嘴(202)安装在熔池(201)底部，高温打印喷嘴(202)和熔池(201)内部腔体
4.根据权利要求3所述的3D打印头，其特征在于：所述弧形槽以高温打印喷嘴(202)出丝点为圆心。
5.根据权利要求1所述的3D打印头，其特征在于：所述压实机构(4)包括高频直线往复运动元件(401)，高频直线往复运动元件(401)下部移动部件与顶部固定部件之间连接有环形压力传感器(404)，高频直线往复运动元件(401)下部移动部件底部安装有压靴基体(403)，压靴基体(403)上包覆安装有柔性压靴(402)；压靴基体(403)连接在滚珠滑块(405)上，滚珠滑块(405)安装在滚珠滑轨(406)上，滚珠滑轨(406)连接在整体安装架(6)上；环形压力传感器(404)、高频直线往复运动元件(401)和外围控制系统(7)连接组成压力控制系统。
6.根据权利要求5所述的3D打印头，其特征在于：所述高频直线往复运动元件(401)是频率至少可达10Hz的电气元件，包括电磁推杆、电动推杆或伺服电缸；高频直线往复运动元件(401)直线往复运动频率可调，行程可调、推力可调。
7.根据权利要求5所述的3D打印头，其特征在于：所述柔性压靴(402)是柔性材料，包括高分子材料或橡胶；柔性压靴(402)底面为矩形平面或波浪形曲面，宽度至少大于2倍的单根纤维丝束(9)的直径；柔性压靴(402)为冷压靴，内部为通道式镂空结构，表面设置一个进气口和一个出气口，进气口和出气口分别和冷气管(407)连接，冷气管(407)安装在整体安装架(6)上；柔性压靴(402)的初始高度高于高温打印喷嘴(202)。
8.根据权利要求5所述的3D打印头，其特征在于：所述高频直线往复运动元件(401)的往复运动频率f、柔性压靴(402)的有效定型长度l和打印速度v满足关系：即柔性压靴(402)的有效定型长度大于压实机构(4)作一次往复运动消耗时间内可调喷头(2)送出的纤维丝束(9)的长度，保证纤维丝束(9)的100％压实率；有效定型长度l为所述柔性压靴(402)矩形底面的长度。
9.根据权利要求3所述的3D打印头，其特征在于：所述旋转模块(5)是可编程控制的驱动元件，包括伺服电机或舵机；旋转模块(5)轴线垂直于水平面并通过高温打印喷嘴(202)的出丝点。
10.权利要求1-9任一项所述的3D打印头的压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种具有高频压实功能的热固性复合材料3d打印头，用于纤维增强热固性复合材料3d打印，包括整体安装架(6)，其特征在于：整体安装架(6)顶部连接有旋转模块(5)，整体安装架(6)上安装有可调喷头(2)和压实机构(4)；缠绕在放料机构(1)上的纤维丝束(9)经重送对辊(3)提供驱动力使纤维丝束(9)进入可调喷头(2)，可调喷头(2)内部设有加热装置，纤维丝束(9)加热至设定温度后从可调喷头(2)挤出，在冷却前通过压实机构(4)的高频直线往复运动压实定型，压实机构(4)上连接的随动紫外光源(8)辐照纤维丝束(9)预固化，完成打印动作；压实机构(4)和外围控制系统(7)连接。
2.根据权利要求1所述的3d打印头，其特征在于：所述纤维增强热固性复合材料由增强材料和基体材料组成；增强材料是纤维状固体，为碳纤维、玻璃纤维、尼龙中的一种；基体材料是热固性树脂，为酚醛树脂或环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的3d打印头，其特征在于：所述可调喷头(2)包括高温打印喷嘴(202)，高温打印喷嘴(202)安装在熔池(201)底部，高温打印喷嘴(202)和熔池(201)内部腔体贯通，熔池(201)侧壁嵌入安装有加热棒(204)；熔池(201)通过可调定位螺钉(203)连接在整体安装架(6)上的弧形槽上，熔池(201)经弧形槽能够使高温打印喷嘴(202)出丝点旋转，旋转角度包含45°-80°范围。
4.根据权利要求3所述的3d打印头，其特征在于：所述弧形槽以高温打印喷嘴(202)出丝点为圆心。
5.根据权利要求1所述的3d打印头，其特征在于：所述压实机构(4)包括高频直线往复运动元件(401)，高频直线往复运动元件(401)下部移动部件与顶部固定部件之间连接有环形压力传感器(404)，高频直线往复运动元件(401)下部移动部件底部安装有压靴基体(403)，压靴基...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛志博，肖涵，赵亚涛，段玉岗，张翰林，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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