一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置的制作方法

本实用新型涉及一种碳纤维复材成形技术，尤其是一种碳纤维复材3D打印成形技术，具体地说是一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置。

背景技术：

先进热固性复合材料的使用量已成为衡量飞行器先进性的关键指标，但是我国飞行器的复材用量还远落后于现有国外先进飞行器。限制复材用量的重大技术瓶颈之一是复材制造技术，现有复材制造采用“铺放-固化-加工”三步制造法。该方法制造工序复杂，效率低，周期长，能耗高。

目前，针对上述问题，已有单位和机构提出了热塑性复合材料3D打印装置和方法，然而目前的热塑性复合材料还难以达到传统热固性树脂基复合材料的层间和界面强度。针对于热固性树脂基复合材料，由于树脂发生交联反应需要一定的保温时间，而3D打印工艺必须使得复合材料在极短的秒级时间内实现完全的成型，故目前的热固性复材的3D打印还难以完全意义上实现。例如，实用新型专利CN106739006A、CN107738441A公开了一种热固性复合材料3D打印机及其打印方法，实际上公开了一种自动铺丝+烘箱后固化的方法，未实现材料的秒级成型；又例如，实用新型专利CN108381908A公开了一种热固性复合材料3D打印工艺方法，实际上是一种通过紫外光辐照的光敏树脂基复合材料的3D打印方法；又例如，实用新型专利CN201721206902.6公开了一种热固性树脂基复合材料3D打印装置，利用低能电子束辐照固化复合材料，使其实现快速的交联固化成型，该技术解决本问题有潜在的技术优势，但由于设备投入昂贵，辐射防护措施繁琐，难以大规模推广；目前，还有部分报道通过利用激光、电子束、红外辐照、热风枪等方法实现局部点的高速加热，但这类高能束集中加热难以实现连续运行材料的长时间保温，故传统的高性能热固性树脂基复合材料难以在秒级时间内实现完全固化。所以截止目前，还未能有任何方法可以利用高性能热固性树脂基复材实现3D打印。

申请者团队前期保护了一种利用碳纤维自身综合电损耗发热固化复合材料的方法（公开号CN201710975475.6），该方法针对大型复合材料层合板铺放成型完成的后的固化过程，可以实现高质量、高效率、低能耗的固化。然而若将上述应用于层合板的方法直接应用于热固性复合材料3D打印成型过程中，虽然可以实现快速的升温过程，但是由于树脂反应或交联需要一段时间，因此无法在秒级时间内实现原位固化。故本实用新型提出一种碳纤维复材变角度电损耗自加热3D打印装置及其方法，以实现高性能热固性树脂基复合材料的3D打印。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有的碳纤维复材3D打印时成型速度慢，无法实现秒级原位固化的问题，实用新型一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，它利用碳纤维本身的导电特性，通过多级电压辊的接触电能输入，使得碳纤维复材可在打印头中完成多级动态传输纤维的分段非等温加热，最终再送料实现热固性碳纤维复材的3D打印，能实现稳定、可靠地将碳纤维预浸料多级加热，使其在经过加热电极、辊轮后实现秒级固化，以完成碳纤维复材的3D打印过程。

本实用新型的技术方案是：

一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，包括打印头，其特征在于所述的打印头安装在变角度摆动机构1的下部，该变角度摆动机构1连接于运动执行机构的支撑末端并以主电压辊12与面板接触点的垂线为摆动中轴；所述的打印头包括碳纤维复材丝束放卷2、收膜辊轮3、收衬纸辊轮7、导向轮8、多级自润滑导电辊轮9、张力控制器10、纤维切断装置11、主电压辊12、副电压辊6和温度传感器5，多级自润滑导电辊轮(9)设置在碳纤维复材丝束放卷2的下部，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7分置在导向轮8二侧，导向轮8紧邻碳纤维复材丝束放卷2布置，自润滑导电辊轮9和主电压辊12的芯轴固定于打印头主体上，且主电压辊12位于打印头主体的最下部并与面板相接触，副电压辊6安装在主电压辊12的出料侧为复材层间提供压实力；张力控制器10安装在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内，非接触式的温度传感器5安装在打印头主体上对经过导电辊轮9、副电压辊6和主电压辊12的材料表面温度进行实时监测并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度；纤维切断装置11安装在主电压辊12和副电压辊6之间用于对秒级原位固化的打印成型的热固性碳纤维复材进行切断。

所述的变角度摆动机构1采用电机直驱的方式，其旋转的角度依据打印轨迹中相邻两端插补直线的夹角，并在插补直线出现夹角变化的时候连续平稳旋转，所述的主电压辊与面板接触点始终处于变角度旋转的中心点，所述的副电压辊在变角度旋转过程中时刻与已打印的复合材料段相接触并利用弹簧4提供压实作用力，与碳纤维复材不发生滑动摩擦。

所述的碳纤维复材丝束放卷2主要针对于带有衬纸和隔离膜的复合材料预浸料，收膜辊轮3、收衬纸辊轮7呈一定角度布置，保证纤维可以无阻碍的与隔膜及衬纸剥离进入阶梯状布置的导电辊轮9中，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7均轴接有电机，电机带动收膜辊轮3和收衬纸辊轮7，进而驱动碳纤维复材丝束放卷2持续旋转和放卷。

所述的导电辊轮9为自润滑接触式加热电辊轮，它以电的良导体铜套筒作为主体，所述主体上开有若干均布接触孔，孔内镶嵌有石墨块，所述套筒接触于金属支撑芯轴，芯轴固定在打印头主体上的轴承孔中，金属芯轴的外侧接有快拔式传输线缆，线缆为金属芯轴通以电流，连续纤维与套筒接触后形成电通路，各条电通路上的纤维段的体积电阻，大于自润滑接触式加热电辊轮的接触电阻的总和。

所述温度传感器5为非接触式温度传感器：多组非接触式温度传感器构成温度监测反馈装置，温度传感器5分别布置在形成温度梯度的多段加热区内，温度传感器5与带状预浸料不发生接触，每组两个传感器分别置于预浸料两侧，二者在正反两面同时测温，并且反馈给温控器，温控器将实时温度与目标温度比较，生成的自适应温控信号送往不同的电压控制器，各级电压控制器增大或减小各对电极中的输入电压，整个装置一直处于动态平衡的状态。

碳纤维预浸料在张力控制器作用下以牵拉方式出料，张力控制器位于带状预浸料容易发生松脱的转折处以及两支撑辊轮较远的区段内，控制器主要构成部分为张紧轮，张紧轮能在一个方向上前后移动。

所述的纤维切断装置布置于主电压辊和副电压辊间，可采用超声波刀片式切裁法剪断纤维，切裁过程不影响正常打印进程。

所述的收膜辊轮3和衬纸辊轮7可全部安装或安装其中之一。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型首次实现了传统热固性复材的秒级打印成型，可为复杂结构热固性复材构件的成型提供技术方案，大幅提高3D打印热固性复合材料的质量和成型效率。

附图说明

图1是一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置原理示意图。

图2是铜-石墨自润滑接触式加热电极示意图。

图3是一种具体实施的复材变角度电损耗自加热3D打印装置外形结构图。

图中：1、摆动机构；2、放卷装置；3、收膜辊轮；4、弹簧；5、非接触式温度传感器；6、副电压辊；7、收衬纸辊轮；8、导向辊轮；9、多级自润滑导电辊轮；10、张力调控器；11切断装置；12、主电压辊；13、石墨自润滑辊轮；14、自润滑辊轮芯轴；15、快拔线缆。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下述实施例仅用于说明本实用新型的某些实施特例，并不用于限制本实用新型的保护范围。此外，本实用新型公开后，本领域技术人员基于本实用新型中碳纤维复材变角度电损耗自加热3D打印装置的原理做出任何的修改或变化，都属于本申请权利要求书中所限定保护的范围。

如图1-2所示。

一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，包括打印头，所述的打印头安装在变角度摆动机构1的下部，该变角度摆动机构1连接于运动执行机构的支撑末端并以主电压辊12与面板接触点的垂线为摆动中轴；所述的打印头包括碳纤维复材丝束放卷2、收膜辊轮3、收衬纸辊轮7、导向轮8、多级自润滑导电辊轮9、张力控制器10、纤维切断装置11、主电压辊12、副电压辊6和温度传感器5，所述的收膜辊轮3和衬纸辊轮7可全部安装或安装其中之一。多级自润滑导电辊轮9设置在碳纤维复材丝束放卷2的下部，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7分置在导向轮8二侧，导向轮8紧邻碳纤维复材丝束放卷2布置，自润滑导电辊轮9和主电压辊12的芯轴固定于打印头主体上，且主电压辊12位于打印头主体的最下部并与面板相接触，副电压辊6安装在主电压辊12的出料侧为复材层间提供压实力；张力控制器10安装在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内，非接触式的温度传感器5安装在打印头主体上对经过导电辊轮9、副电压辊6和主电压辊12的材料表面温度进行实时监测并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度；纤维切断装置11安装在主电压辊12和副电压辊6之间用于对秒级原位固化的打印成型的热固性碳纤维复材进行切断。如图1所示，所述的变角度摆动机构1采用电机直驱的方式，其旋转的角度依据打印轨迹中相邻两端插补直线的夹角，并在插补直线出现夹角变化的时候连续平稳旋转，所述的主电压辊与面板接触点始终处于变角度旋转的中心点，所述的副电压辊在变角度旋转过程中时刻与已打印的复合材料段相接触并利用弹簧4提供压实作用力，与碳纤维复材不发生滑动摩擦。所述的碳纤维复材丝束放卷2主要针对于带有衬纸和隔离膜的复合材料预浸料，收膜辊轮3、收衬纸辊轮7呈一定角度布置，保证纤维可以无阻碍的与隔膜及衬纸剥离进入阶梯状布置的导电辊轮9中，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7均轴接有电机，电机带动收膜辊轮3和收衬纸辊轮7，进而驱动碳纤维复材丝束放卷2持续旋转和放卷。所述的导电辊轮9为自润滑接触式加热电辊轮，它以电的良导体铜套筒作为主体，所述主体上开有若干均布接触孔，孔内镶嵌有石墨块，所述套筒接触于金属支撑芯轴，芯轴固定在打印头主体上的轴承孔中，如图2所示，金属芯轴的外侧接有快拔式传输线缆，线缆为金属芯轴通以电流，连续纤维与套筒接触后形成电通路，各条电通路上的纤维段的体积电阻，大于自润滑接触式加热电辊轮的接触电阻的总和。所述温度传感器5为非接触式温度传感器：多组非接触式温度传感器构成温度监测反馈装置，温度传感器5分别布置在形成温度梯度的多段加热区内，温度传感器5与带状预浸料不发生接触，每组两个传感器分别置于预浸料两侧，二者在正反两面同时测温，并且反馈给温控器，温控器将实时温度与目标温度比较，生成的自适应温控信号送往不同的电压控制器，各级电压控制器增大或减小各对电极中的输入电压，整个装置一直处于动态平衡的状态。碳纤维预浸料在张力控制器作用下以牵拉方式出料，张力控制器位于带状预浸料容易发生松脱的转折处以及两支撑辊轮较远的区段内，控制器主要构成部分为张紧轮，张紧轮能在一个方向上前后移动。所述的纤维切断装置布置于主电压辊和副电压辊间，可采用超声波刀片式切裁法剪断纤维，切裁过程不影响正常打印进程。使用时应先将带材从放卷辊2上拉出绕过中间轮后压在主压电辊12和副压电辊6下部。

详述如下：

如图1所示，本实用新型以打印头-面板接触点垂直向上轴线为中轴，设置变角度摆动机构1，该机构连接于运动执行机构与电损耗自加热3D打印模块之间，所述模块内设置碳纤维复材丝束放卷2、收膜辊轮3,收衬纸辊轮7，碳纤维复材去除薄膜后，顺次进入呈阶梯状分布的多对自润滑接触式加热电辊轮9，多对电辊轮实现逐层、逐级加热，各电辊轮芯轴固定于所述模块的壁面，在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内安装有张力控制器10，在打印头末端设有与面板接触的主电压辊12和变角度副电压辊6，所述副压辊在中轴所在平面内可做上下变角度，其一直与复材接触，为复材层间提供压实力，各电辊轮为与其接触的不同位置碳纤维复材输入多对可控电压，温度监测反馈装置实时监测预浸料温度并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度，最终实现碳纤维复材在3D打印过程中的秒级固化成型，所述电辊轮间设有纤维切断装置11，在大变角打印与多层打印换向时做切断处理。

实例1。

一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，如图1所示，所述的装置包括摆动机构1、放卷装置2、隔离膜收卷装置3、加热电辊轮9、主电压辊12、副电压辊6以及衬纸收卷装置7，所述的碳纤维复材预浸料卷曲在放卷装置2上，由整个打印装置的移动来使未打印复材随已打印复材持续拉出，按预定形状打印在工作台上，同时，隔离膜收卷装置3以及衬纸收卷装置7同向异步收集复材剥除后的配材，加热电辊轮9对碳纤维复材分段进行加热。

如图2所示，所述的铜-石墨自润滑接触式加热电辊轮13主体是电的良导体铜套筒，主体上开有若干均布接触孔，将石墨块镶嵌于孔内，套筒与金属支撑芯轴14直接接触，二者产生相对滑动，石墨与铜均起到导电作用，其中石墨又起到润滑作用，电压辊的电流来源于固定在3D打印模块壁板的轴承孔上的芯轴，金属芯轴的外侧接有快拔式传输线缆15，在线缆上通入电流，连续纤维与套筒接触后形成电通路，各条电通路上的纤维段的体积电阻，大于自润滑接触式加热电辊轮的接触电阻的总和，从而可以将所产生的焦耳能最大限度的聚集到各纤维段上，实现“秒级”到达碳纤维复材所需固化温度。

所述的变角度摆动机构采用电机直驱的方式，其旋转的角度取打印轨迹中相邻两端插补直线的夹角，并在插补直线出现夹角变化的时候连续平稳旋转，实现带状碳纤维复材表面不产生褶皱、内部不产生附加应力的平滑过渡，所述的主电压辊与面板接触点为中心点，所述的副电压辊在变角度过程中绕其旋转，并时刻与已打印的复合材料段相接触提供压实作用力，与碳纤维复材不发生滑动摩擦。

所述的碳纤维复材丝束放卷收膜辊轮主要针对于带有衬纸和隔离膜的复合材料预浸料，衬纸收卷辊轮和薄膜收卷辊轮呈一定角度布置，保证纤维可以无阻碍的与隔膜及衬纸剥离，持续不断的进入阶梯状电辊轮中，衬纸收卷辊轮轴由步进电机驱动，电机带动衬纸收卷辊轮旋转，驱动纤维复材原料收集辊轮的持续旋转放卷。

所述的自润滑接触式加热电辊轮的主体是电的良导体铜套筒，主体上开有若干均布接触孔，将石墨块镶嵌于孔内，套筒与金属支撑芯轴接触，芯轴固定于所述3D打印模块壁板的轴承孔上，金属芯轴的外侧接有快拔式传输线缆，在线缆上通入电流，连续纤维与套筒接触后形成电通路，各条电通路上的纤维段的体积电阻，大于自润滑接触式加热电辊轮的接触电阻的总和，从而可以将所产生的焦耳能最大限度的聚集到各纤维段上。

温度监测反馈装置由多组非接触式温度传感器构成，分别布置在形成温度梯度的多段加热区内，传感器与带状预浸料不发生接触，每组由两个传感器组成，在送料过程中，二者在预浸料正反两面同时测温，并反馈给温控器，温控器将实时温度与目标温度比较，生成的自适应温控信号送往不同的电压控制器，各级电压控制器增大或减小各对电极中的输入电压，使整个装置一直处于动态平衡的状态，即加热温度一直在碳纤维复材固化所需温度上下小范围浮动。

所述碳纤维预浸料在张力控制器作用下以牵拉方式出料，即张力控制器位于带状预浸料容易发生松脱的转折处以及两支撑辊轮较远的区段内，控制器主要构成部分为张紧轮，张紧轮可在一个方向上前后移动，当预浸料某处发生松脱时，张紧轮可向松脱相反方向移动，来保持预浸料的张紧状态。

所述的纤维切断装置布置于主电压辊和副电压辊间，可采用超声波刀片式切裁法剪断纤维，切裁过程不影响正常打印进程。所述的碳纤维复材预浸料为带状的由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，带宽1mm-20mm，厚度0.1mm。

实例2。

一种碳纤维复材变角度电损耗自加热3D打印方法，所述的方法是具体使用所述装置的步骤，

步骤1:铺放准备与初步送料：有机溶剂清洗打印面板表面，均匀涂覆脱模剂，保证料带与打印面板间绝缘，将料带末端首先送入3D打印模块，在放卷装置2上装载碳纤维复材预浸料，碳纤维复材预浸料在开始打印之前应该穿入3D打印装置。

步骤2:张紧料带与设置温控程序：根据带的松紧情况移动张紧轮，保证料带处于张紧状态；根据所使用的材料体系，设置各级电辊轮间温度控制曲线，检测反馈装置的位置，确保准确采集料带各段温度。

步骤3:检验各电通路通断信号：将每组电极引出的快拔线缆分别接入多输入直流电源，各级温度控制器、电流控制器引出线缆分别接入电脑的信号输出端，通入试验信号，保证各级电辊轮间正常连通。

步骤4：设置打印轨迹：通过3D打印几何模型切片获得碳纤维复合材料的打印代码，通过后置处理生成带有变角度打印和自适应控温的最终打印代码，利用数据传输介质导入打印装置中，做好打印程序准备。

步骤5:施加压力开始打印：利用打印装置Z向运动来对料带施加压力，启动打印装置，，卷曲在放卷装置2上的预浸料首先由隔离膜收卷装置3剥去上表面隔离膜，接着经过加热电辊轮9，裸露的碳纤维复材与电辊轮相接触；加热电压辊13由外接快拔式线缆15分别通入电流，电流大小分别为0.5A和1A，在经过初级加热之后，碳纤维复材预浸料接触主电压辊12，在此处，最后，已固化并贴附在工作台上的预浸料由副电压辊6压实，压力大小为0.6MPa，摆动机构1可带动打印模块做平滑稳定的曲线运动，以满足最终成品的精度以及外观要求。

步骤6:脱模与修整：脱模后，按照设计构件的轮廓对其进行切割修整，获得最终的碳纤维复合材料构件。

实例3。

如图3所示，本实施例是一种特定的变角度电损耗自加热3D打印装置，所述铺带压辊机构包括副压辊16，主压辊17，压辊摇臂18和弹簧19，所述装置壳体底部开有通孔，所述通孔的内部设置有主压辊17，所述装置壳体腔外两侧各设置一压辊摇臂18，所述压辊摇臂18一端连接弹簧19，所述压辊摇臂18远离弹簧一端设置有副压辊16。所述的碳纤维复合材料3D打印头,其特征在于：所述电极辊轮组包括加热电极辊子单元，所述加热电极辊子单元包括石墨铜套20和螺纹心轴一21，所述装置壳体背板开有螺纹孔，所述螺纹孔的内部螺纹设置有螺纹心轴一21，所述心轴在装置壳体内侧的光轴转动安装所述石墨铜套20，所述加热电极辊子单元的数量至少为5个。所述覆膜衬纸导向辊组包括导向辊单元，所述棍导向单元包括尼龙辊子22，螺纹心轴五23，所述装置壳体背板上相应位置开有螺纹孔，所述螺纹孔内部的螺纹设置有螺纹心轴五23，螺纹心轴五中端转动安装有尼龙辊子22，所述导向辊单元数量至少为四个。所述料带张紧机构包括橡胶辊子24，心轴二25，螺纹心轴四26，螺纹心轴三27，张紧摇臂28，电磁阻尼器29和齿轮传动机构30，所述装置壳体背板开有螺纹孔一，所述螺纹孔一的内部螺纹设置有螺纹心轴三27，所述螺纹心轴三27中端设置有张紧摇臂28，所述张紧摇臂28中端与电磁阻尼器29固定连接，所述齿轮传动机构30与所述电磁阻尼器29固定安装，所述摇臂远离螺纹心轴三27一端开有通孔，所述通孔的内设置有心轴二25，所述心轴二25远离所述装置壳体一端固定连接齿轮传动机构30，所述心轴二25中端固定16安装有橡胶辊子24，所述装置壳体背板与心轴二25运动路径对应位置处开有滑槽，所述装置壳体背板开有螺纹孔二，所述螺纹孔二内部设置有螺纹心轴四26，所述螺纹心轴四26中端转动安装有橡胶辊子24。所述支撑机构包括轴承31，垫块32和轴承支架33，所述装置壳体两侧各固定连接一垫块32，所述垫块32远离装置壳体一侧镶嵌连接轴承31的内圈，所述轴承支架镶嵌连接轴承33的外圈。所述料带收放机构包括收料盘38，放料盘39，转轴40，带传动机构41，直流减速电机42，所述壳体背板中部固定安装有直流减速电机42，所述直流减速电机42的一端固定连接有带传动装置41，所述带传动装置另一端固定连接有转轴40，所述壳体相应位置开有滑槽，所述收料盘38内嵌电磁阻尼器，所述电磁阻尼器通孔固定连接转轴，所述电磁阻尼外壁固定连接收料盘38，所述转轴40中端转动安装一放料盘39。所述回转机构包括法兰盘34，电滑环35，步进电机36和电机支架37，所述装置壳体顶部固定连接一法兰盘34，所述法兰盘34回转轴处开有通孔，所述通孔固定连接一步进电机36出轴，所述步进电机36出轴滚动安装一电滑环35，所述电机底部固定安装一电机支架37。所述电滑环35内层出线与所述各螺纹心轴一21，所述直流减速电机42和所述步进电机36电性连接，所述电滑环35外层出线与外部控制设备电性连接。

本实用新型未涉及部分现与有技术相同或可采用现有技术加以实现。