一种基于3D打印的光纤铺设装置及方法与流程

本发明涉及快速成型设备技术领域，具体而言，涉及一种基于3D打印的光纤铺设装置及方法。

背景技术：

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称；其基本原理是叠层制造形成3D实体。实体通常由打印所需的耗材通过热熔机融化再冷却凝固形成，但是耗材的硬度与强度不高，导致做出的实体易损坏。

为了解决上述问题，目前一般采用将传感器安置于实体上，通过传感器实时监测打印件的形变程度。通常的作法是将传感器粘贴于实件表面。当被检测的实体发生形变时，粘贴传感器的胶体也会发生形变；但是其胶体的弹性模量与被检实体的不同，因而传感器的测量结果产生误差导致打印出来的实体的废品率还是较高。

技术实现要素：

本发明实施例的目的之一在于提供一种基于3D打印的光纤铺设装置，其打印头组件与光纤铺设组件通过与第一导轨与第二导轨的滑动配合，能够实现在操作面上一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测实体从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形。该铺设装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明实施例的目的之二在于提供一种基于3D打印的光纤铺设方法，基于上述的光纤铺设装置，具备光纤铺设装置的特点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于3D打印的光纤铺设装置，包括第一导向总成、第二导向总成、第三导向总成、打印头组件、光纤铺设组件与支承装置；支承装置包括具有支承面的底座、设于支承面上的工作台以及围绕底座的四周设置的支架。工作台远离支承面的端面为操作面；第一导向总成包括至少两根相对设置于底座两端的第一导轨，第一导轨与支架连接且平行于操作面；第二导向总成包括至少两根间隔设置的第二导轨，第二导轨长度方向上的两端分别与设置于底座两端的第一导轨可滑动地连接；第三导向总成包括至少一根垂直设于支承面的第三导轨，用于支撑工作台。打印头组件可滑动地连接于第二导轨，用于沿第二导轨移动在操作面上打印出3D构件；光纤铺设组件包括铺设支座、以及设于铺设支座的固定件、铺设滚轴与光纤导轨；铺设滚轴通过滚轴支架设于铺设支座上；光纤导轨的两端分别连接于铺设滚轴与铺设支座；固定件具有相对的两端，其中第一端与铺设支座可转动地连接，另一端与光纤可分离地配合；光纤沿着光纤导轨延伸直至缠绕于铺设滚轴，并与固定件配合；铺设支座可滑动地连接于另一根第二导轨上，用于沿第二导轨移动将光纤嵌入3D构件。

发明人发现：目前一般采用将传感器安置于实体上实现实时监测形变量，通常的作法是将传感器粘贴于实件表面。但是其粘贴所用的胶体的弹性模量与被检实体的不同，因而传感器的测量结果产生误差导致打印出来的实体的废品率较高。

旨在解决上述情况，发明人设计了一种基于3D打印的光纤铺设装置，其打印头组件可滑动地连接于第二导轨，用于沿第二导轨移动在操作面上打印出3D构件；铺设支座可滑动地连接于另一根第二导轨上，用于沿第二导轨移动将光纤嵌入3D构件。第二导轨沿第一导轨滑动，从而带动打印头组件与光纤铺设组件在操作面移动。其操作面的升降运动通过第三导轨的滑动连接完成。其光纤铺设组件包括铺设支座以及设于该铺设支座上的固定件、铺设滚轴与光纤导轨；其中铺设滚轴是通过滚轴支架设于铺设支座上；而光纤导轨的两端分别连接于铺设滚轴与铺设支座。固定件具有相对的两端，其中一端与铺设支座可转动地连接。当光纤沿着光纤导轨延伸直至缠绕于铺设滚轴，固定件的另一端用于与光纤可分离地配合。该铺设装置结构简单，操作方便；通过把光纤埋入待测实体共同形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

在本发明的一种实施方式中：

第二导向总成还包括第一电机，第一电机用于驱动第二导轨沿第一导轨移动；第三导向总成还包括第三电机，第三电机用于驱动工作台沿第三导轨可升降地远离或靠近支承面。

在本发明的一种实施方式中：

打印头组件还设有第二电机，第二电机用于驱动打印头组件沿第二导轨移动；打印头组件包括喷头、散热器、热熔器与耗材进料器；耗材进料器设有第四电机与齿轮件，第四电机与齿轮件共同配合用于将耗材挤压进入热熔器；喷头与热熔器相连用于将融化的耗材喷出；散热器设于喷头处。

在本发明的一种实施方式中：

散热器包括至少一个散热风扇，散热风扇还设有对准喷头的出风口；耗材进料器与热熔器之间还设有散热片。

在本发明的一种实施方式中：

光纤铺设组件还包括光纤卷筒，光纤卷筒设于铺设支座远离铺设滚轴的端面上。

在本发明的一种实施方式中：

光纤卷筒还设有弹性件，弹性件与缠绕于光纤卷筒的光纤连接。

在本发明的一种实施方式中：

铺设支座与光纤导轨的连接处还设有用于固定光纤的第一固定环；工作台上还设有固定光纤的第二固定环。

在本发明的一种实施方式中：

光纤铺设组件还设有第五电机，第五电机用于驱动光纤铺设组件沿第二导轨移动。

在本发明的一种实施方式中：

操作面上还铺设有热床。

一种基于3D打印的光纤铺设方法，包括如下步骤：

S1：准备3D打印，工作台沿第三导轨上升远离支承面，直至达到限制的最大高度后停止；

S2：热熔器和热床开始预热，直到喷头和热床的温度达到预定温度时，开始打印工作；

S3：喷头通过第一电机与第二电机的配合沿第一导轨与第二导轨在工作台上的操作面移动；耗材进料器通过第四电机将打印所需的耗材挤压进入热熔器，并通过齿轮件共同施压将融化的耗材通过喷头喷出；喷头在热床上逐层打印，且每打印完一个层面；工作台便通过第三电机沿第三导轨下降一个高度单位，继续打印下一层面；

S4：当打印过程进行到需要光纤铺设层面时，喷头按照光纤铺设轨迹弯曲次数，将光纤铺设层面分成多个区域；每弯曲一次分成两个区域，构成容纳光纤的光纤槽与光纤铺设口；然后喷头退出操作面的工作区域，光纤铺设组件通过第一电机与第五电机的配合移动到操作面上方开始铺设光纤工作；光纤从光纤卷筒拉出，穿过第一固定环沿着光纤导轨缠绕于光纤滚轴上后，固定件将光纤固定按压进光纤槽；铺设好的光纤远离光纤卷筒的一端穿过工作台上的第二固定环，第五电机带动光纤铺设组件退出操作面的工作区域；喷头继续开始打印工作，在光纤铺设层面上逐层打印直至打印结束。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的实施例提供的一种基于3D打印的光纤铺设装置，其打印头组件与光纤铺设组件通过与第一导轨与第二导轨的滑动配合，能够实现在操作面上一边制造物体一边铺设光纤；通过把光纤埋入待测实体从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量，从而避免塑性变形。该铺设装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明的实施例提供的一种基于3D打印的光纤铺设方法，基于上述的光纤铺设装置，具备光纤铺设装置的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中光纤铺设装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中第二导轨的结构示意图；

图3为本发明实施例中打印头组件的结构示意图；

图4为本发明实施例中打印头组件内部的结构示意图；

图5为本发明实施例中光纤铺设组件的结构示意图。

图标：100-光纤铺设装置；10-支承装置；101-底座；102-支承面；103-支架；104-工作台；105-操作面；106-第二固定环；107-热床；201-第一导轨；202-第二导轨；203-第三导轨；30-打印头组件；301-喷头；302-散热器；303-热熔器；304-耗材进料器；305-耗材管；306-第四电机；307-齿轮件；308-出风口；309-散热片；40-光纤铺设组件；401-铺设支座；402-固定件；403-铺设滚轴；404-光纤导轨；405-滚轴支架；406-光纤卷筒；407-弹性件；408-第一固定环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

实施例

请参照图1，图1示出了本发明实施例提供的一种基于3D打印的光纤铺设装置100的具体结构，其包括第一导向总成、第二导向总成、第三导向总成、打印头组件30、光纤铺设组件40与支承装置10。

支承装置10包括具有支承面102的底座101以及围绕底座101的四周设置的支架103；其工作台104由第三导向总成支撑位于支承面102上的中心处。第三导向总成包括垂直连接于支承面102上的第三导轨203以及与第三导轨203传动连接的第三电机；第三电机驱动第三导轨203带动工作台104可升降地远离或靠近支承面102。其中工作台104远离支承面102的端面为操作面105；该操作面105平行于支承面102且在该操作面105还铺设有热床107。在工作台104靠近侧壁的边上还设有第二固定环106。需要说明的是，第三导轨203的数量不限；在本实施例中，第三导轨203为一根。为了方便加工制造，底座101与工作台104的形状可以为矩形、圆形等；在本实施例中，底座101与工作台104均为矩形，且工作台104的长度方向上的两端与底座101相对的两端延伸方向一致。

第一导向总成包括两根分别设置于底座101长度方向上的两端的第一导轨201；第一导轨201通过与支架103固定连接位于操作面105的上方，平行于操作面105且在底座101宽度方向上的两端延伸。第二导向总成包括两根间隔设置的第二导轨202以及第一电机；第二导轨202通过连接件与第一导轨201滑动连接，第一电机用于驱动第二导轨202沿第一导轨201移动。其具体表现为：第二导轨202长度方向的两端分别与位于底座101两端的第一导轨201上的滑座连接，第一电机与滑座传动连接从而带动第二导轨202沿第一导轨201移动。

为了实现一边制造物体一边铺设光纤的目的，打印头组件30与第二导轨202滑动连接，且通过相应配置的第二电机驱动得以沿第二导轨202移动，用于在操作面105上打印出3D构件。光纤铺设组件40与另一根第二导轨202滑动连接，且通过相应配置的第五电机驱动得以沿第二导轨202移动；用于将光纤嵌入3D构件，如此便可制造出一个具有光纤传感功能的构件。。需要说明的是，在本实施例中，第二导向总成为两根第二导轨202，打印头组件30与光纤铺设组件40分别一一与两根第二导轨202滑动连接；但是在其他具体实施例中，第二导轨202的数量不限。可以参照图2,图2示出了打印头组件30与两根第二导轨202滑动连接，光纤铺设组件40与第二导轨202的连接方式同理。

请参照图3所示的打印头组件30的具体结构图；打印头组件30为块状结构，具有作为载体的支架103。在支架103的外表处至少设有一个散热器302，以保证散热充分。在本实施例中，散热器302为散热风扇，用于降低打印头组件30的温度。作为核心部件的打印喷头301设于支架103的下端，其喷头301垂直于支架103表面且呈倒锥状用于对准操作面105。为了进一步优化散热效果，在喷头301处还设有一个小型的散热风扇，该风扇具有一个正对于喷头301的出风口308；其作用在于不仅降低了喷头301的的温度，而且还加快了从喷头301喷出的耗材凝固进而加快打印速度。

再参照图4结合图3，图4示出了打印头组件30内部设有的热熔器303、耗材管305与耗材进料器304。设于喷头301上方依次设有用于加热耗材的热熔器303与耗材进料器304。其耗材管305与喷头301连通，是输送耗材的通道；而耗材进料器304就是作为输送耗材的动力源，通过能提供一定扭力的第四电机306进行辅助进料。为了达到更高效的进料效果，除了在耗材管305的一侧设有第五电机的转子；另外在耗材管305相对的另一侧设有配有弹簧的齿轮件307；通过上述第四电机306的转子与齿轮件307的配合同步挤压耗材管305，将耗材压向喷头301。其中最靠近喷头301上方的是热熔器303，其作用在于将耗材融化；然后通过后面的耗材进料器304继续往前挤压，就可以让已融化的呈液态的耗材通过喷头301挤出来了；从而在操作面105上打印出3D构件。需要说明的是，在喷头301与热熔器303之间设有散热片309，其作用在于避免金属良好的导热性将上方待进的耗材提早融化，从而导致无法进料。

在本实施例中，耗材为常见的ABS塑料与PLA塑料，均具有高强度、韧性好、重量低且表面光滑等优点；在其他具体实施例中，耗材的材料不限于上述。

请参照图5，图5为光纤铺设组件40的具体结构；其包括铺设支座401、固定件402、弹性件407、光纤卷筒406、铺设滚轴403与光纤导轨404。

铺设支座401上远离第一机械臂的端面上设有用于固定铺设滚轴403的滚轴支架405，铺设滚轴403与滚轴支架405可转动地连接。光纤导轨404的两端分别延伸至铺设滚轴403与铺设支座401，且在光纤导轨404与铺设支座401的连接处还设有第一固定环408。光纤卷筒406设于铺设支座401的内部，光纤从光纤卷筒406拉出，从铺设支座401的表面伸出再穿过第一固定环408，并沿着光纤导轨404直至绕铺设滚轴403一圈拉出。固定件402具有相对的两端，其中一端与铺设支座401可转动地连接；另一端与光纤可分离地配合，其作用在于：光纤从铺设滚轴403拉出时并与3D构件的表面接触时，固定件402远离铺设支座401的一端用于向光纤施加一定的压力，将光纤嵌入3D构件内。

为了让光纤保持一定的张紧力且防止光纤从光纤卷筒406内拉出过多，在靠近光纤卷筒406处还设置有弹性件407。该弹性件407配设有与之弹性连接的旋转杆，该旋转杆其中的一端可旋转地连接，另一端设有扣环。光纤穿过扣环并外延伸时，会拉动旋转杆旋转，进而拉伸与旋转杆连接的弹性件407；弹性件407在拉伸过程中会克服本身的弹性力，反向作用于旋转杆让其往与原本的旋转方向相反的方向上旋转。需要说明的是，为了控制光纤从光纤卷筒406拉出的速度，在本实施例中，光纤卷筒406的外周面上设有带有一定摩擦阻力的防滑贴膜等阻尼件；在其他具体实施例中，也可以在光纤卷筒406相对的两端设有弹簧等弹性部件。

综上，本发明的实施例提供的一种基于3D打印的光纤铺设装置100，其打印头组件30可滑动地连接于第二导轨202，用于沿第二导轨202移动在操作面105上打印出3D构件；铺设支座401可滑动地连接于另一根第二导轨202上，用于沿第二导轨202移动将光纤嵌入3D构件。通过把光纤埋入待测的3D构件从而形成一个具有传感功能的构件，达到直接检测到待测实体的形变量从而避免塑性变形。该铺设装置结构简单，操作方便，适用面广；提高了测量精度且优化了打印效果，降低了打印件的废品率。

本发明的实施例还提供一种基于3D打印的光纤铺设装置100，基于上述的光纤铺设装置100，具备光纤铺设装置100的特点。包括如下步骤：

S1：热熔器303和热床107开始预热，直到喷头301和热床107的温度达到预定温度时，开始打印工作；

S2：喷头301通过第一机械臂对准热床107并调整好距离；耗材进料器304通过第五电机将打印所需的耗材挤压进入热熔器303，并通过齿轮件307共同施压将融化的耗材通过喷头301喷出；喷头301与第一机械手共同配合在热床107上移动开始逐层打印出3D构件；

S3：当打印过程进行到需要光纤铺设层面时，喷头301按照光纤铺设轨迹弯曲次数，将光纤铺设层面分成多个区域；每弯曲一次分成两个区域，构成容纳光纤的光纤槽与光纤铺设口；然后喷头301退出操作面105的工作区域，光纤铺设组件40通过第二机械手移动到操作面105上方开始铺设光纤工作；光纤从光纤卷筒406拉出，穿过第一固定环408沿着光纤导轨404缠绕于光纤滚轴上后，固定件402将光纤固定按压进光纤槽；铺设好的光纤远离光纤卷筒406的一端穿过工作台104上的第二固定环106，第二机械手带动光纤铺设组件40退出操作面105的工作区域，并向工作台104的下方移动以保持光纤的紧绷状态；喷头301继续开始打印工作，在光纤铺设层面上继续逐层打印直至打印结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。