一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3d打印頭及其使用方法
【專利摘要】一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭，包括3D打印頭支座，3D打印頭支座與3D打印頭桁架連接，3D打印頭桁架中間連接有喉管，喉管兩端分別與散熱架與加熱塊連接，散熱架和熱塑性基體材料連接，熱塑性基體材料通過散熱架與喉管形成的第一內(nèi)孔道，加熱塊上連接有針管、銅嘴、加熱管、熱敏傳感器，連續(xù)纖維束通過針管與銅嘴形成的第二內(nèi)孔道，連續(xù)纖維束與熔融狀態(tài)下的熱塑性基體材料在銅嘴前端復(fù)合在一起，并從銅嘴出口被擠出，實現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零件的快速制造。
【專利說明】一種連續(xù)纖維増強智能復(fù)合材料3D打印頭及其使用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強復(fù)合材料3D打印【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭及其使用方法。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)纖維增強復(fù)合材料制造的零件具有比強度高，比模量大，材料性能具有可設(shè)計性，抗腐蝕性和耐久性能好等優(yōu)點，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)，尤其是航天航空、國防軍事、汽車賽車、機器人和醫(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。目前先進的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料零件制造的方式多采用復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)，即按零件結(jié)構(gòu)所確定的鋪層方向和鋪層厚度要求，采用多自由度的鋪放頭將多組纖維預(yù)浸紗束或窄帶自動鋪放在模具表面。而智能纖維的出現(xiàn)，更為纖維增強復(fù)合材料增加了智能特性。智能纖維是指能夠感知環(huán)境的變化或刺激，如機械、熱、化學(xué)、光、濕度、電和磁等，并能夠做出判斷并進行適當(dāng)處理的，本身具有可執(zhí)行能力的纖維，它主要包含傳感器、執(zhí)行器和可能含有的中央處理器，從而使它具有傳感、執(zhí)行、調(diào)節(jié)適應(yīng)的功能。
[0003]3D打印技術(shù)是指打印頭在程序控制下，按照當(dāng)前層的截面信息進行材料填充制造，然后再通過層層累加快速制造出所需零件，由于其可制造任意復(fù)雜零件以及擁有較好的打印自由度，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中越來越具有實際應(yīng)用價值。
[0004]然而，目前，在所提領(lǐng)域中出現(xiàn)了以下三個問題:
[0005]一、雖然智能纖維的出現(xiàn)與發(fā)展已經(jīng)有一段時間了，但是，其依舊沒有很好地被應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)生活，其主要原因在于其利用形式的欠缺；
[0006]二、在傳統(tǒng)復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)中，需要采用預(yù)先處理完成的纖維預(yù)浸料以及成本極高的模具，不適合具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維增強零件批量制造，也會對智能纖維利用造成困擾；
[0007]三、在國內(nèi)外也少見可以實現(xiàn)纖維增強復(fù)合材料零件制造的3D打印機及相關(guān)研宄工作，更未發(fā)現(xiàn)成熟的連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D打印相關(guān)裝置，因此這大大限制了 3D打印技術(shù)在纖維增強復(fù)合材料零件制造領(lǐng)域的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭及其使用方法，可以很好地用熱塑性基體材料將連續(xù)纖維包覆其中，并直接擠出連續(xù)纖維增強復(fù)合材料絲材，實現(xiàn)邊擠出復(fù)合材料絲材邊進行3D打印成型零件。
[0009]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0010]一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭，包括3D打印頭支座1，3D打印頭支座I與3D打印頭桁架2連接，3D打印頭桁架2中間連接有喉管3，喉管3兩端分別與散熱架5的內(nèi)螺紋與加熱塊9的內(nèi)螺紋連接，散熱架5和熱塑性基體材料8連接，散熱架5與喉管3形成第一內(nèi)孔道，熱塑性基體材料8從第一內(nèi)孔道穿過；
[0011]加熱塊9上連接有針管11、銅嘴12、加熱管13、熱敏傳感器15，針管11與銅嘴12形成第二內(nèi)孔道，連續(xù)纖維束16從第二內(nèi)孔道穿過，其中，連續(xù)纖維束16是碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維或智能纖維中的單一纖維，或是它們其中幾種復(fù)合在一起的纖維束。
[0012]所述3D打印頭的使用方法，包括下列步驟:
[0013]I)將3D打印頭通過3D打印頭支座I安裝到3D打印機中，并裝入熱塑性基體材料8與連續(xù)纖維16，為加熱管13與熱敏傳感器15提供電源；
[0014]2)熱塑性基體材料8通過散熱架5與喉管3形成的第一內(nèi)孔道，在加熱管13加熱熔融下，進入到加熱塊9中的銅嘴12里；
[0015]3)碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維、智能纖維中的一種或多種在3D打印頭外復(fù)合形成連續(xù)纖維束16，并送入到3D打印頭中；
[0016]4)連續(xù)纖維束16通過針管11與銅嘴12形成的第二內(nèi)孔道，與熔融狀態(tài)下的熱塑性基體材料8在銅嘴12前端復(fù)合在一起，并從銅嘴12出口被擠出；
[0017]5)隨著3D打印機的打印過程，連續(xù)纖維增強材料按照3D打印方法成型零件。
[0018]采用本發(fā)明所提出的3D打印頭及其使用方法，可以很好地將連續(xù)纖維用熱塑性基體材料包覆起來，并擠出成復(fù)合材料絲材，絲材中可以擁有智能纖維，而且，在擠出復(fù)合材料的同時，可以利用3D打印技術(shù)直接利用材料成型零件，因此，可以更加精確地控制所制造零件中增強纖維的方向，更容易得到具有定制性能的復(fù)合材料零件，可實現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零件的快速制造，且打印出來的零件可以通過控制軟件使其具有能夠自診斷、自傳感、自處理的智能特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明3D打印頭整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明3D打印頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0022]參照圖1，一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭，包括3D打印頭支座1，3D打印頭支座I與3D打印頭桁架2連接，3D打印頭桁架2中間連接喉管3，桁架緊定螺釘4將喉管3緊固在3D打印頭桁架2上，喉管3兩端分別與散熱架5的內(nèi)螺紋與加熱塊9的內(nèi)螺紋連接，散熱架5和熱塑性基體材料8連接，散熱架5與喉管3形成第一內(nèi)孔道，熱塑性基體材料8從第一內(nèi)孔道穿過；
[0023]參照圖2，加熱塊緊定螺釘10將喉管3緊固在加熱塊9上，加熱塊9上連接有針管11、銅嘴12、加熱管13、熱敏傳感器15，加熱管緊定螺釘14將加熱管13緊固在加熱塊9上，針管11與銅嘴12形成第二內(nèi)孔道，連續(xù)纖維束16從第二內(nèi)孔道穿過，連續(xù)纖維束16是碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維或智能纖維中的單一纖維，或是它們其中幾種復(fù)合在一起的纖維束。
[0024]所述3D打印頭的使用方法，包括下列步驟:
[0025]參照圖1，將3D打印頭通過3D打印頭支座I安裝到3D打印機中，并裝入熱塑性基體材料8與連續(xù)纖維16，為加熱管13與熱敏傳感器15提供電源；
[0026]I)參照圖2，熱塑性基體材料8通過橡膠內(nèi)墊7、接口 6、散熱架5與喉管3形成的內(nèi)孔道，在加熱管13加熱熔融下，進入到加熱塊9中的銅嘴12里；
[0027]2)參照圖2，碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維、智能纖維中的一種或多種在3D打印頭外復(fù)合形成連續(xù)纖維束16，并送入到3D打印頭中；
[0028]3)參照圖2，連續(xù)纖維束16通過針管11與銅嘴12形成的第二內(nèi)孔道，與熔融狀態(tài)下的熱塑性基體材料8在銅嘴12前端復(fù)合在一起，并從銅嘴12出口被擠出；
[0029]4)隨著3D打印機的打印過程，連續(xù)纖維增強材料按照3D打印方法成型零件。
[0030]本發(fā)明提供了一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭及其使用方法，可以很好地將連續(xù)纖維用熱塑性基體材料包覆起來，并擠出成復(fù)合材料絲材，絲材中可以擁有智能纖維，而且，在擠出復(fù)合材料的同時，可以利用3D打印技術(shù)直接利用材料成型零件?？梢钥闯觯景l(fā)明很好地為3D打印技術(shù)與纖維增強復(fù)合材料成型技術(shù)的結(jié)合提供了一個實現(xiàn)渠道，可以很好地控制成型方向，實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的3D打印，該過程中無需預(yù)先定制的模具以及預(yù)先處理過的纖維預(yù)浸帶，大大降低了成本，也降低了工藝復(fù)雜度，同時，采用3D打印的方法，可以更加精確地控制所制造零件中增強纖維的方向，更容易得到具有定制性能的復(fù)合材料零件，可實現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零件的快速制造；同時打印出來的零件可以具有智能特性，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境的變化。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)纖維增強智能復(fù)合材料3D打印頭，包括3D打印頭支座(I)，其特征在于:3D打印頭支座(I)與3D打印頭桁架⑵連接，3D打印頭桁架⑵中間連接有喉管(3)，喉管(3)兩端分別與散熱架(5)的內(nèi)螺紋與加熱塊(9)的內(nèi)螺紋連接，散熱架(5)和熱塑性基體材料(8)連接，散熱架(5)與喉管(3)形成第一內(nèi)孔道，熱塑性基體材料(8)從第一內(nèi)孔道穿過； 加熱塊(9)上連接有針管(11)、銅嘴(12)、加熱管(13)、熱敏傳感器(15)，針管(11)與銅嘴(12)形成第二內(nèi)孔道，連續(xù)纖維束(16)從第二內(nèi)孔道穿過，其中，連續(xù)纖維束(16)是碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維或智能纖維中的單一纖維，或是它們其中幾種復(fù)合在一起的纖維束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述3D打印頭的使用方法，其特征在于，包括下列步驟: 1)將3D打印頭通過3D打印頭支座(I)安裝到3D打印機中，并裝入熱塑性基體材料(8)與連續(xù)纖維(16)，為加熱管(13)與熱敏傳感器(15)提供電源； 2)熱塑性基體材料(8)通過散熱架(5)與喉管(3)形成的第一內(nèi)孔道，在加熱管(13)加熱熔融下，進入到加熱塊(9)中的銅嘴(12)里； 3)碳纖維、玻璃纖維、聚芳酰胺纖維、智能纖維中的一種或多種在3D打印頭外復(fù)合形成連續(xù)纖維束(16)，并送入到3D打印頭中； 4)連續(xù)纖維束(16)通過針管(11)與銅嘴(12)形成的第二內(nèi)孔道，與熔融狀態(tài)下的熱塑性基體材料(8)在銅嘴(12)前端復(fù)合在一起，并從銅嘴(12)出口被擠出； 5)隨著3D打印機的打印過程，連續(xù)纖維增強材料按照3D打印方法成型零件。
【文檔編號】B29C67/00GK104441658SQ201410706201
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】田小永, 楊春成, 李滌塵, 王建設(shè) 申請人:西安交通大學(xué), 河南力邁科技發(fā)展有限公司