本发明属于增材制造技术领域，更具体地说，是涉及一种纤维铺设装置及采用该纤维铺设装置的复合材料增材制造设备及铺丝方法。
背景技术：
增材制造(3d打印)技术在个性化、小批量及复杂零件成形过程中具有重要的作用，但其成形材料较为单一。近年来，该技术由单一金属、陶瓷或高分子材料向复合材料和梯度材料成形方向发展。但是现有连续纤维增强金属基或陶瓷基复合材料增材制造设备难以实现非束纤维组成的多根纤维铺丝自动化。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纤维铺设装置，旨在解决现有复合材料激光熔覆沉积增材制造技术存在的难以实现铺丝自动化的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种纤维铺设装置，包括用于缠绕纤维的绕丝机构、用于固定纤维外端的夹丝机构、用于将夹丝机构处的纤维从绕丝机构中拉出的拉丝机构以及用于将所述夹丝机构处的纤维切断的切断机构。
进一步地，所述绕丝机构包括丝箱壳体、设置在所述壳体内的绕丝辊以及用于固定所述壳体的固定板。
进一步地，所述夹丝机构包括夹丝支架、设置在所述夹丝支架内的第一夹丝板、用于连接所述第一夹丝板和所述夹丝架的第一弹簧以及设置在所述夹丝架上的用于固定所述第一夹丝板的电磁铁。
进一步地，所述拉丝机构包括底座、设置在所述底座上的丝杠、用于带动所述丝杠转动的步进电机、用于和所述丝杠螺纹连接的滑块、设置在所述滑块上的拉丝架、设置在所述拉丝架内的第二夹丝板以及用于连接所述第二夹丝板和所述拉丝架的第二弹簧，所述拉丝架上还设有用于固定所述第二夹丝板的电磁铁，所述滑块与所述底座滑动配合。
进一步地，所述底座上设有用于和所述滑块滑动配合的导轨，所述滑块通过连接板与拉丝架固定连接。
进一步地，所述丝杠通过轴承固定在底座上，与丝杠通过连接套相连的电机也固定在底座上，固定在底座上的两条导轨平行并分居丝杠两侧。
进一步地，所述绕丝机构、所述夹丝机构均固定在底架上，所述底架上还设有可升降的用于熔覆的工作平台，所述纤维位于所述工作平台的上方。
进一步地，所述拉丝机构位于远离所述夹丝机构的预设位置时，所述工作平台位于所述夹丝机构和所述拉丝机构之间。
本发明提供的纤维铺设装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明纤维铺设装置，通过将纤维缠绕固定在绕丝机构中，然后通过夹丝机构将纤维的外端固定，通过拉丝机构的移动以及将夹丝机构处的限位丝固定，然后夹丝机构松开，则可以将纤维从绕丝机构中拉出，然后和夹丝机构共同进行固定，当将纤维进行预设处理后再通过切断机构将纤维从夹丝机构处切断，实现铺丝自动化。与手动铺丝的方式相比，该方式高效精确，并能够实现惰性环境下连续制造，省时省力。与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构和夹丝机构共同固定纤维还可以对纤维施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题，利于提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。
本发明还提供一种复合材料增材制造设备，包括任意一项上述的纤维铺设装置，还包括用于将目标材质熔覆在纤维上的熔覆装置。
本发明提供的复合材料增材制造设备的有益效果在于：与现有技术相比，本发明复合材料增材制造设备，通过将纤维缠绕固定在绕丝机构中，然后通过夹丝机构将纤维的外端固定，通过拉丝机构的移动以及将夹丝机构处的限位丝固定，然后夹丝机构松开，则可以将纤维从绕丝机构中拉出，然后和夹丝机构共同进行固定，当将纤维通过熔覆装置进行熔覆后再通过切断机构将纤维从夹丝机构处切断，实现铺丝自动化，大大提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。
本发明还提供一种铺丝方法，其特征在于：包括以下步骤，
(a)将纤维缠绕在绕丝辊上，并将纤维装夹在夹丝机构上；
(b)拉丝机构沿移动到左侧夹丝机构处；
(c)拉丝机构夹紧纤维，夹丝机构松开纤维，拉丝机构夹紧纤维移动到右侧；
(d)夹丝机构夹紧纤维，拉丝机构和夹丝机构同时作用将纤维拉紧；
(e)对纤维进行预设处理；
(f)通过切断机构将纤维靠近所述夹丝机构右侧的位置切断，同时拉丝机构将纤维松开。
本发明提供的铺丝方法的有益效果在于：通过将纤维缠绕固定在绕丝机构中，然后通过夹丝机构将纤维的外端固定，通过拉丝机构的移动以及将夹丝机构处的限位丝固定，然后夹丝机构松开，则可以将纤维从绕丝机构中拉出，然后和夹丝机构共同进行固定，当将纤维进行预处理后再通过切断机构将纤维从夹丝机构处切断，实现铺丝自动化。与手动铺丝的方式相比，该方式高效精确，并能够实现惰性环境下连续制造，省时省力。与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构和夹丝机构共同固定纤维还可以对纤维施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题，利于提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的纤维铺设装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例采用的绕丝机构的立体结构示意图；
图3为本发明实施例采用的绕丝机构的内部结构示意图；
图4为本发明实施例采用的夹丝机构的立体结构示意图；
图5为本发明实施例采用的拉丝机构的立体结构示意图；
图6为纤维在成型件中的规则排列示意图；
图7为本发明实施例提供的复合材料增材制造设备的立体结构示意图。
图中：1、绕丝机构；11、丝箱壳体；12、绕丝辊；13、固定板；2、夹丝机构；21、夹丝支架；22、第一夹丝板；23、第一弹簧；24、夹丝电磁铁；25、支撑板；3、拉丝机构；31、底座；311、导轨；32、丝杠；33、步进电机；34、滑块；35、拉丝架；36、第二夹丝板；37、第二弹簧；38、拉丝电磁铁；39、支架板；4、工作平台；5、纤维；6、熔覆装置；7、底架；8、成型件。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的纤维铺设装置进行说明。所述纤维铺设装置，包括用于缠绕纤维5的绕丝机构1、用于固定纤维5外端的夹丝机构2、用于将夹丝机构2处的纤维5从绕丝机构1中拉出的拉丝机构3以及用于将夹丝机构2处的纤维5切断的切断机构。切断机构可以是激光头等切割纤维的机构。
本发明提供的纤维铺设装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明纤维铺设装置，通过将纤维5缠绕固定在绕丝机构1中，然后通过夹丝机构2将纤维5的外端固定，通过拉丝机构3的移动以及将夹丝机构2处的限位丝固定，然后夹丝机构2松开，则可以将纤维5从绕丝机构1中拉出，然后和夹丝机构2共同进行固定，当将纤维5进行预设处理后再通过切断机构将纤维5从夹丝机构2处切断，实现铺丝自动化。与手动铺丝的方式相比，该方式高效精确，并能够实现惰性环境下连续制造，省时省力。与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构3和夹丝机构2共同固定纤维5还可以对纤维5施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题，利于提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。
进一步地，请参阅图1至图3，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，绕丝机构1包括丝箱壳体11、设置在壳体内的绕丝辊12以及用于固定壳体的固定板13。绕丝辊12通过轴承与固定壳体连接，固定壳体包括上壳和下壳，上壳和下壳为可拆卸连接，方便进行再绕丝辊12上设置纤维5。固定壳体上还设有丝线出口。
进一步地，请参阅图1及图4，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，夹丝机构2包括夹丝支架21、设置在夹丝支架21内的第一夹丝板22、用于连接第一夹丝板22和夹丝架的第一弹簧23以及设置在夹丝架上的用于固定第一夹丝板22的夹丝电磁铁24。夹丝电磁铁24通电后可以吸附第一夹丝板22能够将纤维5夹持固定，绕丝辊12上纤维5端部均夹持固定在第一夹丝板22和夹丝电磁铁24之间，当夹丝电磁铁24断电后，在第一弹簧23的作用下，第一夹丝板22和夹丝电磁铁24分离，松开纤维5，便于自动化操作。
进一步地，请参阅图1及图5，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，拉丝机构3包括底座31、设置在底座31上的丝杠32、用于带动丝杠32转动的步进电机33、用于和丝杠32螺纹连接的滑块34、设置在滑块34上的拉丝架35、设置在拉丝架35内的第二夹丝板36以及用于连接第二夹丝板36和拉丝架35的第二弹簧37，拉丝架35上还设有用于固定第二夹丝板36的拉丝电磁铁38，滑块34与底座31滑动配合。通过滑块34的滑动带动拉丝架35左右运动，同时拉丝电磁铁38可以控制第二夹丝板36在夹丝机构2处夹紧纤维5的端部，并通过拉丝架35的左右移动将纤维5从绕丝机构1中拉出。拉丝架35通过支架板39连接固定在滑块34上。
进一步地，请参阅图1及图5，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，底座31上设有用于和滑块34滑动配合的导轨311，滑块34通过连接板与拉丝架35固定连接。设置导轨311，滑动更加稳定。
进一步地，请参阅图1及图5，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，丝杠32通过轴承固定在底座31上，与丝杠32通过连接套相连的步进电机33也固定在底座31上，固定在底座31上的两条导轨311平行并分居丝杠32两侧。滑动更加稳定，精确。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，绕丝机构1、夹丝机构2均固定在底架7上，底架7上还设有可升降的用于熔覆的工作平台4，纤维5位于工作平台4的上方。底座31、固定板13均固定连接在底架7上。
进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，拉丝机构位于远离夹丝机构2的预设位置时，工作平台4位于夹丝机构2和拉丝机构3之间。设置工作平台4便于熔覆操作。工作平台4可以升降，方便进行多层熔覆操作。
进一步地，请参阅图1至图5，作为本发明提供的纤维铺设装置的一种具体实施方式，轴承固接在丝箱壳体11之间，绕丝辊12穿过轴承与其内圈相连。纤维5规则地缠绕在绕丝辊上。绕丝辊12直径能够满足纤维缠绕其上而不折断的要求。夹丝机构2固接在绕丝机构1的固定板13上，夹丝电磁铁24固定在支撑板25上，支撑板25连接在固定板13上，第一弹簧23和第一夹丝板22固接在一块，固定在夹丝电磁铁24上方。夹丝机构2的夹丝电磁铁24在通电时能够将第一夹丝板22吸下，将纤维5夹紧。拉丝机构3的丝杠32通过轴承固定在底座31上，与丝杠32通过连接套相连的步进电机33也固定在底座31上，固定在底座31上的两条导轨311平行并分居丝杠32两侧，丝杠32上螺接有丝杠32滑块34，滑轨上穿有滑块34，滑块34盖板固定在滑块34上。丝杠32传动装置能够实现拉丝机构3的y向(即右向)运动。拉丝机构3的支架板39固接在滑块34盖板上，电磁铁箱与连接板固接，拉丝机构3的拉丝电磁铁38放入电磁箱内，第二夹丝板36和第二弹簧37固接后固定在电磁铁箱上方。拉丝机构3的拉丝电磁铁38在通电时能够把第二夹丝板36吸下将纤维5夹紧。
本发明还提供一种复合材料增材制造设备，参阅图7，包括任意一项上述的纤维铺设装置，还包括用于将目标材质熔覆在纤维5上的熔覆装置6。熔覆装置6上还可以设置激光头作为切断机构。复合材料增材制造设备生产的材料为金属基或陶瓷基复合材料。
本发明提供的复合材料增材制造设备的有益效果在于：与现有技术相比，本发明复合材料增材制造设备，通过将纤维5缠绕固定在绕丝机构1中，然后通过夹丝机构2将纤维5的外端固定，通过拉丝机构3的移动以及将夹丝机构2处的限位丝固定，然后夹丝机构2松开，则可以将纤维5从绕丝机构1中拉出，然后和夹丝机构2共同进行固定，当将纤维5通过熔覆装置6进行熔覆后再通过切断机构将纤维5从夹丝机构2处切断，实现铺丝自动化，大大提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。将长纤维规则地铺放在工作平面上，利用同步送粉激光熔覆装置6在纤维5上快速熔凝金属或陶瓷粉末，形成纤维增强金属基或陶瓷基复合材料，实现铺丝自动化。与手动铺丝的方式相比，该方式高效精确，并能够实现惰性环境下连续制造，省时省力。与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构3还可以对纤维施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题。该方式为高效生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料奠定基础。参阅图6，为纤维5在成型件8中的规则排列示意图。
本发明还提供一种铺丝方法，其特征在于：包括以下步骤，
(a)将纤维5缠绕在绕丝辊上，并将纤维5装夹在夹丝机构2上；
(b)拉丝机构3沿移动到左侧夹丝机构2处；
(c)拉丝机构3夹紧纤维5，夹丝机构2松开纤维5，拉丝机构3夹紧纤维5移动到右侧；
(d)夹丝机构2夹紧纤维5，拉丝机构3和夹丝机构2同时作用将纤维拉紧；
(e)对纤维5进行预设处理；
(f)通过切断机构将纤维5靠近夹丝机构2右侧的位置切断，同时拉丝机构3将纤维5松开。
本发明提供的铺丝方法的有益效果在于：通过将纤维5缠绕固定在绕丝机构1中，然后通过夹丝机构2将纤维5的外端固定，通过拉丝机构3的移动以及将夹丝机构2处的限位丝固定，然后夹丝机构2松开，则可以将纤维5从绕丝机构1中拉出，然后和夹丝机构2共同进行固定，当将纤维5进行预处理后再通过切断机构将纤维5从夹丝机构2处切断，实现铺丝自动化。与手动铺丝的方式相比，该方式高效精确，并能够实现惰性环境下连续制造，省时省力。与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构3和夹丝机构2共同固定纤维5还可以对纤维5施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题，利于提高生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料的品质和效率。
进一步地，作为本发明提供的铺丝方法的一种具体实施方式，纤维铺设方法包括以下步骤：
(a)纤维缠绕在绕丝辊上，并由丝箱壳体11上的出丝通道穿出，穿过夹丝机构2夹丝板和电磁铁之间的空隙；
(b)熔覆平台5沿z向运动到指定位置，拉丝机构34沿y向移动到左侧夹丝机构22附件；
(c)拉丝机构3的拉丝电磁铁38通电，夹紧纤维，并沿y向移动到右侧；
(d)夹丝机构2的夹丝电磁铁24通电，夹紧纤维；拉丝机构3和夹丝机构2同时作用将纤维拉紧；
(e)利用激光熔覆装置6在纤维表面增材制造金属或陶瓷材料；
(f)当前层激光熔覆完毕后将纤维切断；
(g)重复(b)步至(f)步，形成纤维增强金属基或陶瓷基复合材料。
与单根纤维植入方式相比，该方式效率高。另外，拉丝机构3还可以对纤维施加张力，可以解决纤维在熔覆过程中容易出现的纤维上浮问题。该方式为高效生产纤维增强金属基或陶瓷基复合材料奠定基础。本发明中拉丝机构3的传动方式可为所有已知传动方式的任意一种。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。