一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3d打印機(jī)及其打印方法
【專(zhuān)利摘要】一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)及其打印方法，利用了機(jī)械手的靈活性，從而可以以任意角度和任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行3D打印，其上安裝的3D打印頭，既能夠進(jìn)行高強(qiáng)度短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，也可以進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維的拼接和編織，從而制造出連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體，本發(fā)明可以精確地控制3D打印過(guò)程中增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料零件中纖維的取向，可以實(shí)現(xiàn)具有特定機(jī)械、電和熱性能的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的快速制造；同時(shí)，該過(guò)程中無(wú)需預(yù)先定制模具以及預(yù)先處理過(guò)的纖維預(yù)浸帶，不僅適用于大型零件的制造，也適合小型零件的大批量制造，大大地減少了制造成本和生產(chǎn)周期，進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)合材料零件的廣泛應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)及其打印方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維增強(qiáng)3D打印【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由 度3D打印機(jī)及其打印方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量、耐燒蝕和抗侵蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)在 當(dāng)代制造業(yè)中得到普遍認(rèn)可，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)，尤其是航天航空、國(guó)防軍事、汽車(chē)賽車(chē)、機(jī) 器人和醫(yī)療領(lǐng)域的一種重要的結(jié)構(gòu)用材，其發(fā)展十分迅速。近年來(lái)，各種復(fù)合材料制造技術(shù) 應(yīng)運(yùn)而生，其中，纖維鋪放技術(shù)在航空、航天等高性能復(fù)合材料零件制造中的應(yīng)用得到了各 界的廣泛關(guān)注。復(fù)合材料纖維鋪放成型技術(shù)是20世紀(jì)70年代作為對(duì)纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶 技術(shù)的改革而發(fā)展起來(lái)的一種全自動(dòng)復(fù)合材料加工技術(shù)，也是近年來(lái)發(fā)展最快、效率最高 的復(fù)合材料自動(dòng)化成型制造技術(shù)之一，具有生產(chǎn)速度較快、產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定、可靠性高等 優(yōu)勢(shì)。
[0003] 然而，盡管復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)消除了傳統(tǒng)復(fù)合材料制造工藝中的纖維編織問(wèn) 題，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的鋪放，但是該工藝必須要有預(yù)先定制的模具，而大型模具的制造 成本昂貴，同時(shí)，纖維鋪放裝備極其復(fù)雜，一般需要價(jià)格昂貴的電子束或激光作為熱源進(jìn)行 固化，這就造成設(shè)備本身的制造成本非常高，進(jìn)一步拉高了纖維鋪放工藝所制備的復(fù)合材 料零件的價(jià)格，且纖維鋪放工藝只適合規(guī)則表面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪放成形，很難實(shí)現(xiàn)具有三 維復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的制造，大大阻礙了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng) 用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有復(fù)合材料成形技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)及其打印方法，采用6自由度工作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維自由空間的 3D打印，可以實(shí)現(xiàn)材料以任意角度和任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行沉積實(shí)現(xiàn)3D打印制造，其上可以安 裝經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的3D打印頭，能夠進(jìn)行高強(qiáng)度短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，也可以安裝能 夠進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維拼接和編織的3D打印頭，從而制造出連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)體，同時(shí)，采用該方法可以精確地控制3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件中長(zhǎng) 纖維取向的可控制造，獲得特定力學(xué)性能的復(fù)合材料零件，與傳統(tǒng)工藝相比，又能夠大大地 減少制造成本和時(shí)間，提商了生廣效率和經(jīng)濟(jì)性。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)，包括3D打印頭7, 3D打印頭7連接在 六自由度機(jī)械手13上，六自由度機(jī)械手13和計(jì)算機(jī)14連接，3D打印頭7外部設(shè)有剪切裝 置18,剪切裝置18和計(jì)算機(jī)14連接，3D打印頭7下方設(shè)有可移動(dòng)工作臺(tái)1，可移動(dòng)工作臺(tái) 1通過(guò)其上的調(diào)平螺釘2和加熱底板3連接，加熱底板3上面連接有打印平臺(tái)4 ;
[0007] 所述的3D打印頭7包括螺桿9,螺桿9內(nèi)設(shè)有中空孔道，螺桿9外連接有螺桿外 殼8,螺桿9、螺桿外殼8的端頭連接有噴嘴12,螺桿9的根部連接減速器16,減速器16與 步進(jìn)電機(jī)15連接，螺桿外殼8的根部連接有絲材導(dǎo)向管6,絲材5通過(guò)絲材導(dǎo)向管6的導(dǎo)向 纏繞在螺桿9上，連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10經(jīng)過(guò)張緊裝置11張緊后，通過(guò)螺桿9的中空孔道， 到達(dá)噴嘴12,螺桿外殼8和噴嘴12的連接處設(shè)有加熱裝置17。
[0008] 所述的打印機(jī)的打印方法，包括下列步驟：
[0009] 1)準(zhǔn)備好可移動(dòng)工作臺(tái)1，調(diào)整其上的調(diào)平螺釘2,使調(diào)平螺釘2上的加熱底板3 以及打印平臺(tái)4處于3D打印頭7下方的相應(yīng)位置，給加熱底板3通電以開(kāi)始進(jìn)行預(yù)熱； [0010] 2)如果進(jìn)行短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材5是預(yù)先制作出來(lái)的短纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料，此時(shí)只需將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管6的導(dǎo)向供給到3D打印頭7中，并纏繞在 螺桿9上；
[0011] 3)如果進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材5是塑料絲材，同 樣需要將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管6的導(dǎo)向供給到3D打印頭7中，穿過(guò)螺桿外殼8,并纏繞 在螺桿9上，同時(shí)，還需將連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10經(jīng)過(guò)張緊裝置11張緊后，供給給3D打印頭 7,穿過(guò)其螺桿9的中空孔道，到達(dá)噴嘴12 ;
[0012] 4) 3D打印頭7固連在六自由度機(jī)械手13上，六自由度機(jī)械手13根據(jù)計(jì)算機(jī)14輸 出的模型數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)路徑帶動(dòng)3D打印頭7在三維空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
[0013] 5)同時(shí)，3D打印頭7上的步進(jìn)電機(jī)15不斷輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速器16帶動(dòng)螺 桿9進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將纏繞螺桿9上的絲材5以及連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10不斷向前進(jìn)給，經(jīng)過(guò)加 熱裝置17的熔融，最終從噴嘴12處被擠出，冷卻沉積在打印平臺(tái)4上；
[0014] 6)當(dāng)六自由度機(jī)械手13要進(jìn)行長(zhǎng)距離空跳運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行停止任務(wù)時(shí)，計(jì)算機(jī)14發(fā) 出信號(hào)給剪切裝置18,剪切裝置18將切斷噴嘴12出口處的材料；
[0015] 7)經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，完成零件多自由度的3D打印，當(dāng)工作完成時(shí)，將零件隨著可移 動(dòng)工作臺(tái)1一起移至后處理臺(tái)。
[0016] 本發(fā)明的打印方法具有六個(gè)自由度，利用了機(jī)械手的靈活性，從而可以以任意角 度和任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行3D打印，其上可以安裝的3D打印頭7,既能夠進(jìn)行高強(qiáng)度短纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，也可以進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維的拼接和編織，從而制造出連續(xù)纖維 增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。由于本發(fā)明所提的方法可以進(jìn)行多自由度的3D打印，因此， 可以更精確地控制3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件中纖維的取向，可以得到特定機(jī)械、電和 熱性能，更輕、更強(qiáng)、更持久的零件；同時(shí)，該過(guò)程中無(wú)需預(yù)先定制模具以及預(yù)先處理過(guò)的纖 維預(yù)浸帶，大大地減少了復(fù)合材料零件的制造成本和生產(chǎn)周期。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明3D打印頭7的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 參照?qǐng)D1，一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)，包括3D打印頭7, 3D打印頭 7連接在六自由度機(jī)械手13上，六自由度機(jī)械手13和計(jì)算機(jī)14連接，3D打印頭7外部設(shè) 有剪切裝置18,剪切裝置18和計(jì)算機(jī)14連接，3D打印頭7下方設(shè)有可移動(dòng)工作臺(tái)1，可移 動(dòng)工作臺(tái)1通過(guò)其上的調(diào)平螺釘2和加熱底板3連接，加熱底板3上面連接有打印平臺(tái)4 ;
[0021] 參照?qǐng)D2,所述的3D打印頭7包括螺桿9,螺桿9內(nèi)設(shè)有中空孔道，螺桿9外連接 有螺桿外殼8,螺桿9、螺桿外殼8的端頭連接有噴嘴12,螺桿9的根部連接減速器16,減速 器16與步進(jìn)電機(jī)15連接，螺桿外殼8的根部連接有絲材導(dǎo)向管6,絲材5通過(guò)絲材導(dǎo)向管 6的導(dǎo)向纏繞在螺桿9上，連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10經(jīng)過(guò)張緊裝置11張緊后，通過(guò)螺桿9的中 空孔道，到達(dá)噴嘴12,螺桿外殼8和噴嘴12的連接處設(shè)有加熱裝置17。
[0022] 所述的打印機(jī)的打印方法，包括下列步驟：
[0023] 1)參照?qǐng)D1，準(zhǔn)備好可移動(dòng)工作臺(tái)1，調(diào)整其上的調(diào)平螺釘2,使調(diào)平螺釘2上的加 熱底板3以及打印平臺(tái)4處于3D打印頭7下方的相應(yīng)位置，給加熱底板3通電以開(kāi)始進(jìn)行 預(yù)熱；
[0024] 2)參照?qǐng)D2,如果進(jìn)行短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材5是預(yù)先制作出來(lái) 的短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，此時(shí)只需將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管6的導(dǎo)向供給到3D打印頭7 中，并纏繞在螺桿9上；
[0025] 3)參照?qǐng)D2,如果進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材5是塑 料絲材，同樣需要將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管6的導(dǎo)向供給到3D打印頭7中，穿過(guò)螺桿外殼 8,并纏繞在螺桿9上，同時(shí)，還需將連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10經(jīng)過(guò)張緊裝置11張緊后，供給給 3D打印頭7,穿過(guò)其螺桿9的中空孔道，到達(dá)噴嘴12 ;
[0026] 4)參照?qǐng)D1，3D打印頭7固連在六自由度機(jī)械手13上，六自由度機(jī)械手13根據(jù)計(jì) 算機(jī)14輸出的模型數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)路徑帶動(dòng)3D打印頭7在三維空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；
[0027] 5)參照?qǐng)D2,同時(shí)，3D打印頭7上的步進(jìn)電機(jī)15不斷輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速器16 帶動(dòng)螺桿9進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將纏繞螺桿9上的絲材5以及連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維10不斷向前進(jìn)給， 經(jīng)過(guò)加熱裝置17的熔融，最終從噴嘴12處被擠出，冷卻沉積在打印平臺(tái)4上；
[0028] 6)參照?qǐng)D1，當(dāng)六自由度機(jī)械手13要進(jìn)行長(zhǎng)距離空跳運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行停止任務(wù)時(shí)，計(jì) 算機(jī)14發(fā)出信號(hào)給剪切裝置18,剪切裝置18將切斷噴嘴12出口處的材料；
[0029] 7)經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，完成零件多自由度的3D打印，當(dāng)工作完成時(shí)，將零件隨著可移 動(dòng)工作臺(tái)1一起移至后處理臺(tái)。
[0030] 本發(fā)明的打印方法具有六個(gè)自由度，利用了機(jī)械手的靈活性，從而可以以任意角 度和任意運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行3D打印，其上可以安裝的3D打印頭7,既能夠進(jìn)行高強(qiáng)度短纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，也可以進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維的拼接和編織，從而制造出連續(xù)纖維 增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體。由于本發(fā)明所提出的方法可以進(jìn)行多自由度的3D打印，因 此，可以精確地控制3D打印過(guò)程中增強(qiáng)纖維在復(fù)合材料零件中纖維的取向，可以實(shí)現(xiàn)具有 特定機(jī)械、電和熱性能的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的快速制造；同時(shí)，該過(guò)程中無(wú)需預(yù)先 定制模具以及預(yù)先處理過(guò)的纖維預(yù)浸帶，不僅適用于大型零件的制造，也適合小型零件的 大批量制造，大大地減少了制造成本和生產(chǎn)周期，進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)合材料零件的廣泛應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1. 一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)，包括3D打印頭（7)，其特征在于：3D打 印頭⑵連接在六自由度機(jī)械手（13)上，六自由度機(jī)械手（13)和計(jì)算機(jī)（14)連接，3D打 印頭（7)外部設(shè)有剪切裝置（18)，剪切裝置（18)和計(jì)算機(jī)（14)連接，3D打印頭（7)下方 設(shè)有可移動(dòng)工作臺(tái)（1)，可移動(dòng)工作臺(tái)（1)通過(guò)其上的調(diào)平螺釘（2)和加熱底板（3)連接， 加熱底板（3)上面連接有打印平臺(tái)（4); 所述的3D打印頭（7)包括螺桿（9)，螺桿（9)內(nèi)設(shè)有中空孔道，螺桿（9)外連接有螺 桿外殼（8)，螺桿（9)、螺桿外殼（8)的端頭連接有噴嘴（12)，螺桿（9)的根部連接減速器 (16)，減速器（16)與步進(jìn)電機(jī)（15)連接，螺桿外殼（8)的根部連接有絲材導(dǎo)向管￠)，絲材 (5)通過(guò)絲材導(dǎo)向管（6)的導(dǎo)向纏繞在螺桿（9)上，連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維（10)經(jīng)過(guò)張緊裝置 (11)張緊后，通過(guò)螺桿（9)的中空孔道，到達(dá)噴嘴（12)，螺桿外殼⑶和噴嘴（12)的連接 處設(shè)有加熱裝置（17)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多自由度3D打印機(jī)的打印方法，其特 征在于，包括下列步驟： 1) 準(zhǔn)備好可移動(dòng)工作臺(tái)（1)，調(diào)整其上的調(diào)平螺釘（2)，使調(diào)平螺釘（2)上的加熱底板 (3)以及打印平臺(tái)（4)處于3D打印頭（7)下方的相應(yīng)位置，給加熱底板（3)通電以開(kāi)始進(jìn) 行預(yù)熱； 2) 如果進(jìn)行短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材（5)是預(yù)先制作出來(lái)的短纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料，此時(shí)只需將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管（6)的導(dǎo)向供給到3D打印頭（7)中，并纏繞 在螺桿（9)上； 3) 如果進(jìn)行連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印，則絲材（5)是塑料絲材，同樣 需要將該材料通過(guò)絲材導(dǎo)向管（6)的導(dǎo)向供給到3D打印頭（7)中，穿過(guò)螺桿外殼（8)，并纏 繞在螺桿（9)上，同時(shí)，還需將連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維（10)經(jīng)過(guò)張緊裝置（11)張緊后，供給給 3D打印頭（7)，穿過(guò)其螺桿（9)的中空孔道，到達(dá)噴嘴（12); 4) 3D打印頭（7)固連在六自由度機(jī)械手（13)上，六自由度機(jī)械手（13)根據(jù)計(jì)算機(jī) (14)輸出的模型數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)路徑帶動(dòng)3D打印頭（7)在三維空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)； 5) 同時(shí)，3D打印頭（7)上的步進(jìn)電機(jī)（15)不斷輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)減速器（16)帶動(dòng) 螺桿（9)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將纏繞螺桿（9)上的絲材（5)以及連續(xù)樹(shù)脂基長(zhǎng)纖維（10)不斷向前進(jìn) 給，經(jīng)過(guò)加熱裝置（17)的熔融，最終從噴嘴（12)處被擠出，冷卻沉積在打印平臺(tái)（4)上； 6) 當(dāng)六自由度機(jī)械手（13)要進(jìn)行長(zhǎng)距離空跳運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行停止任務(wù)時(shí)，計(jì)算機(jī)（14)發(fā) 出信號(hào)給剪切裝置（18)，剪切裝置（18)將切斷噴嘴（12)出口處的材料； 7) 經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，完成零件多自由度的3D打印，當(dāng)工作完成時(shí)，將零件隨著可移動(dòng)工 作臺(tái)（1) 一起移至后處理臺(tái)。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK104097326SQ201410325554
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】田小永, 楊春成, 曹毅, 同治強(qiáng), 張瑩瑩, 李滌塵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)