一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3D打印装置及方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置及方法。

背景技术：

3d打印技术是采用层层累加的原理，每层按照既定的打印路径铺放材料，最终堆叠成形来制造三维零件。目前将3d打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料已经成为一种新兴的复合材料制造工艺，利用3d打印技术打印出的连续纤维增强复合材料制品，不仅具备高强度、高刚度、质量轻等特点，而且可以控制纤维的分布方向，从而控制制品的性能。

连续纤维增强复合材料3d打印由于受限于打印过程中纤维的连续特性，目前仅能实现简单构件的打印，很难满足一些复杂结构的打印要求；同时打印的零件通常只含有一种连续纤维，因此通常无法满足多种性能要求。混杂纤维增强树脂基复合材料是指两种或两种以上纤维增强同一种树脂基体的复合材料，这种复合材料充分发挥了各种纤维的优势，除了具有单一纤维增强复合材料的特点外，还具有一些其它的特殊性能，克服了单种材料无法满足多种性能要求的缺点；此外，纤维的多样性也增加了复合材料的可设计性，降低了成本，大大拓展了其使用范围。

连续纤维增强树脂基复合材料3d打印技术已经实现，但现有的连续纤维增强3d打印机只能打印单一连续纤维，还没有可打印混杂连续纤维构件的多喷头混杂连续纤维增强3d打印装置公开。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置及方法，可用于打印混杂连续纤维增强复合材料构件，以及一些复杂结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置，包括3d打印机框架及其上安装的双喷头打印模块；所述的双喷头打印模块包括喷头支撑板20，喷头支撑板20上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；2个打印头分别安装在喷头支撑板的中心线两侧，在喷头导向机构的驱动下，实现一个打印头下移时，另一个打印头上移同等距离；剪切机构为平面四连杆机构，安装在打印头的下方，通过对剪切机构的控制，实现一个剪切机构对两个打印头上的连续纤维复合材料的剪切；

3d打印机框架包括x、y、z三轴运动机构，y轴运动机构上安装有打印平台38，x、y、z三轴运动机构安装在外部支撑框架26上，外部支撑框架26顶部安装有2个收卷轮27。

所述的打印头包括打印头电机2，打印头电机2安装在电机座1上，电机座1和零件安装板3固定在一起，电机座1侧壁上设有侧耳101，打印头电机2输出轴上连接有主动轮4，主动轮4和从动轮5啮合，从动轮5安装在零件安装板3上，从动轮5上的从动轮轴51一端和对挤轮6接触，对挤轮6安装在外壳盖12的轮轴上，且位于从动轮轴51的水平偏心处；对挤轮6和从动轮轴51之间穿过有纤维丝束11，纤维丝束11再依次穿过喉管7、加热块8和喷嘴9，加热块8上装有树脂进料管10。

所述的剪切机构包括剪刀，剪刀由2根连杆17和2个细长剪切刀片18铰接成一个平面四连杆机构；两细长剪切刀片18通过其中部的螺纹孔安装在剪切支座19的刀片安装轴191上，形成一把剪刀似的x型机构，刀片安装轴191位于两打印头的喷嘴9中心线上；细长剪切刀片18的剪切端用于剪断纤维丝束11，细长剪切刀片18的另一端分别与两连杆17铰接，两连杆17的另一端铰接在剪切滑块16的连杆安装轴161上，剪切滑块16安装在剪切螺杆14和剪切导向杆15上，剪切螺杆14和剪切导向杆15均安装在剪切支座19上，剪切螺杆14端头与剪切电机13的输出轴连接，剪切电机13安装在剪切支座19上。

所述的剪切机构在打印零件表面上方1mm处，不会对打印零件表面造成干涉；所述的细长剪切刀片18的厚度为1mm，当2个细长剪切刀片18闭合后，细长剪切刀片18的剪切端刚好能到达喷嘴9处，实现纤维丝束11的切断；当剪切滑块16在剪切螺杆14上左右滑动时，细长剪切刀片18的剪切端会绕刀片安装轴191旋转，从而能实现两个打印头中的两根纤维丝束11的剪切。

所述的喷头导向机构包括安装在喷头支撑板20竖直中心线处的两个同步轮22，两个同步轮22之间通过同步带23连接；上方的同步轮22安装在同步轮驱动电机21的输出轴上，同步轮驱动电机21安装在喷头支撑板20上，下方的同步轮22安装在喷头支撑板20上连接的带轮支撑轴201上；

同步轮22两侧等距安装有导向杆支撑座24，每个导向杆支撑座24上安装有2根导向杆25；在同步轮22两侧的导向杆25上安装打印头，两个打印头通过侧耳101固定在同步带23的两侧上；当同步带运动时会出现一个打印头向上移动，而另一个打印头向下移动相同距离。

所述的3d打印机框架包括x、y、z三轴运动机构，y轴运动机构包括y轴滑块，y轴滑块安装在y轴螺杆37上，y轴螺杆37端头和y轴驱动电机36输出轴连接，y轴螺杆37、y轴驱动电机36固定在y轴框架上；y轴框架上连接有z轴运动机构，z轴运动机构包括外部支撑框架26，外部支撑框架26底部两侧连接在y轴框架上，外部支撑框架26的竖直段安装有z轴螺杆29和z轴导向杆30，z轴螺杆29和z轴导向杆30上安装有z轴滑块31，z轴螺杆29和z轴驱动电机28输出轴连接，z轴驱动电机28安装在外部支撑框架26顶部水平段；两个z轴滑块31之间连接有x轴运动机构，x轴运动机构包括x轴导向杆33、x轴螺杆32，x轴导向杆33、x轴螺杆32连接在两个z轴滑块31之间，x轴导向杆33、x轴螺杆32上安装有x轴滑块34，x轴螺杆32端头和x轴驱动电机35输出轴连接，x轴驱动电机35固定在一个z轴滑块31的外侧；

y轴滑块上安装有打印平台38，x轴滑块34上安装双喷头打印模块；外部支撑框架26顶部水平段安装有2个收卷轮27。

所述纤维丝束11为任意材料的连续纤维，两个打印头中的纤维丝束11种类不同；所述树脂为热塑性树脂或者热固性树脂，两个打印头中的树脂种类相同或者不同；树脂的形态是液态或固态。

所述的加热块8设有2个加热孔83、1个树脂进料孔82、1个连续纤维进料孔81，加热孔83用于安装加热棒，纤维丝束11在加热块8内与树脂发生浸渍。

基于一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：

1)开始打印时，双喷头打印模块上打印碳纤维复合材料的第一个喷嘴9在同步轮22驱动下向下移动到打印模块底部，则打印玻璃纤维的第二个喷嘴9向上移动，此时剪切机构的剪刀处于打开状态，然后双喷头打印模块进行x向和z向移动，打印平台38进行y向移动；

2)当第一个喷嘴9到达打印平面时，打印头电机2开始驱动，开始打印模型第一层；当第一层打印完后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第一个喷嘴9中的纤维丝束11，之后剪切滑块16再移动，使剪刀打开；

3)同步带23带动第一个喷嘴9继续上移，则第二个喷嘴9到达打印模块底部时停止；然后打印模块上移一层的距离，打印模块开始进行平面移动，第二个喷嘴9开始进行第二层玻璃纤维复合材料的打印，第二层打印完后，第二个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第二个喷嘴9的纤维丝束11，之后剪切滑块16再移动，使剪刀打开；

4)同步带23带动第二个喷嘴9继续上移，则第一个喷嘴9下移，当第一个喷嘴9到达打印模块底部时停止，然后打印模块上移一层的距离，打印模块开始进行平面移动，第一个喷嘴9开始进行第三层的打印，该层打印完后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第一个喷嘴9中的纤维丝束11，之后剪切滑块16再反向移动，使剪刀打开；

5)循环步骤1)～步骤4)，直到完成整个构件的打印。

本发明的有益效果为：

(1)利用本发明装置可制备任意两种连续纤维复合材料的混杂3d打印零件，树脂为热固性或热塑性树脂，树脂的形态为液态或固态，树脂的具体种类、成分和形态均可根据实际需要进行变化。

(2)现有的多喷头3d打印机大多为热塑性丝材或者双螺杆挤出3d打印机，均不适合用于多种连续纤维复合材料的3d打印；采用本发明装置，可一次实现两种连续纤维增强相同或不同树脂复合材料的3d打印，也可实现层间混杂或层内混杂等多种混杂结构的3d打印，打印零件能够满足多种性能要求，也弥补了纯热塑性丝材和短切纤维3d打印零件的不足，大幅提升了打印零件的各项性能，增加了复合材料的可设计性。

(3)本发明装置的两个打印头安装在同一根运动轴上，相比不同打印头安装在不同运动轴上，本发明装置及方法的自由度更少，控制更加简单，只需要控制打印模块的同步轮驱动电机，就可实现打印头的切换；而相比起两个喷嘴固定在一个打印头上这种结构，本发明两个喷嘴之间不会相互影响，打印零件质量更好，精度更高，能够打印更加复杂的零件；本发明的双喷头打印模块也可安装在市面上的普通单喷头3d打印机上，通过对打印机的底层代码和g代码的编写，而不用更改打印机的其他结构，就可实现对混杂连续纤维3d打印构件的打印，打印零件能够满足多种性能要求。

(4)通过一个剪切机构就可实现两个打印头上连续纤维的切断，简化了打印头结构和减轻了打印模块的重量；传统连续纤维3d打印机受限于打印过程中纤维的连续特性，仅能实现简单零件的打印，采用本发明，则可满足一些复杂结构的打印要求，扩大连续纤维增强复合材料3d打印零件的应用领域。

附图说明

图1为本发明装置的整体装配图。

图2为本发明装置中的打印头立体图。

图3为本发明装置中的不加外壳盖的打印头正视图。

图4为本发明装置中的加热块剖面图。

图5为本发明装置中的剪切机构立体图。

图6为本发明装置中的双喷头打印模块正视图。

图7为本发明装置中的双喷头打印模块右视图。

图8为图6的a向视图。

图9为本发明装置中的打印机框架立体图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置，包括3d打印机框架及其移动轴上安装的双喷头打印模块；所述的双喷头打印模块包括喷头支撑板20，喷头支撑板20上安装有2个打印头、1个剪切机构以及喷头导向机构；

3d打印机框架包括x、y、z三轴运动机构，y轴运动机构上安装有打印平台38，x、y、z三轴运动机构安装在外部支撑框架26，外部支撑框架26顶部安装有2个收卷轮27。

如图1、图2、图3所示，所述的打印头包括打印头电机2，打印头电机2安装在电机座1上，电机座1和零件安装板3固定在一起，电机座1侧壁上设有侧耳101，打印头电机2输出轴上连接有主动轮4，主动轮4和从动轮5啮合，从动轮5安装在零件安装板3上，从动轮5上的从动轮轴51一端和对挤轮6接触，对挤轮6安装在外壳盖12的轮轴上，且位于从动轮轴51的水平偏心处；当打印头电机2转动时，带动主动轮4旋转，再带动从动轮5旋转，从而带动从动轮轴51旋转，由于从动轮轴51与对挤轮6接触，因此从动轮轴51和对挤轮6会形成对挤运动；纤维丝束11从对挤轮6和从动轮轴51之间穿过，再依次穿过喉管7、加热块8和喷嘴9，加热块8上设有树脂进料管10，纤维丝束11在加热块8内和树脂发生浸渍。

如图4所示，所述的加热块8设有2个加热孔83、1个树脂进料孔82、1个连续纤维进料孔81，加热孔83用于安装加热棒。

如图5所示，所述的剪切机构包括剪刀，剪刀由2根连杆17和2个细长剪切刀片18铰接成一个平面四连杆机构；两细长剪切刀片18通过其中部的螺纹孔安装在剪切支座19的刀片安装轴191上，形成一把剪刀似的x型机构，刀片安装轴191位于两打印头的喷嘴9中心线上；细长剪切刀片18的剪切端用于剪断纤维丝束11，细长剪切刀片18的另一端分别与两连杆17铰接，两连杆17的另一端铰接在剪切滑块16的连杆安装轴161上，剪切滑块16安装在剪切螺杆14和剪切导向杆15上，剪切螺杆14和剪切导向杆15均安装在剪切支座19上，剪切螺杆14端头与剪切电机13的输出轴连接，剪切电机13安装在剪切支座19上；当剪切电机13旋转时，剪切螺杆14旋转带动剪切滑块16做直线移动，从而带动平面四连杆剪刀机构实现开闭动作，完成纤维丝束11的切断。

参照图5、图8，所述的细长剪切刀片18的厚度为1mm，当2个细长剪切刀片18闭合后，细长剪切刀片18的剪切端刚好能到达喷嘴9处，实现纤维丝束11的切断；当剪切滑块16在剪切螺杆14上左右滑动时，细长剪切刀片18的剪切端会绕刀片安装轴191旋转，从而能实现一个剪切机构对两个打印头中的两根纤维丝束11的剪切。

如图6～8所示，所述的喷头导向机构包括安装在喷头支撑板20竖直中心线处的两个同步轮22，两个同步轮22之间通过同步带23连接；上方的同步轮22安装在同步轮驱动电机21的输出轴上，同步轮驱动电机21安装在喷头支撑板20上，下方的同步轮22安装在喷头支撑板20上连接的带轮支撑轴201上；

同步轮22两侧等距安装有导向杆支撑座24，每个导向杆支撑座24上安装有2根导向杆25；在同步轮22两侧的导向杆25上安装打印头，两个打印头通过侧耳101固定在同步带23的两侧上；当同步轮驱动电机21旋转时，带动同步轮22旋转，从而带动固定在同步带23上的打印头做上下直线运动，由于两个打印头分别安装在同步轮22两侧，所有当一个打印头向上移动时，另一个打印头会向下移动相同距离。

如图6～8所示，所述的剪切机构安装在打印头的下方，且剪切机构在打印零件表面上方1mm处，不会对打印零件表面造成干涉；当第一个喷嘴9完成一层打印后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16在剪切螺杆14的驱动下移动，剪刀闭合完成剪切动作，之后剪刀打开，同步带23带动第一个喷嘴9继续上移，则第二个喷嘴9下移，当第二个喷嘴9到达打印模块底部时停止，然后打印模块上移一层，第二个喷嘴9开始进行下一层打印。

如图9所示，所述的3d打印机框架包括x、y、z三轴运动机构，y轴运动机构包括y轴滑块，y轴滑块安装在y轴螺杆37上，y轴螺杆37端头和y轴驱动电机36输出轴连接，y轴螺杆37、y轴驱动电机36固定在y轴框架上；y轴框架上连接有z轴运动机构，z轴运动机构包括外部支撑框架26，外部支撑框架26底部两侧连接在y轴框架上，外部支撑框架26的竖直段安装有z轴螺杆29和z轴导向杆30，z轴螺杆29和z轴导向杆30上安装有z轴滑块31，z轴螺杆29和z轴驱动电机28输出轴连接，z轴驱动电机28安装在外部支撑框架26顶部水平段；两个z轴滑块31之间连接有x轴运动机构，x轴运动机构包括x轴导向杆33、x轴螺杆32，x轴导向杆33、x轴螺杆32连接在两个z轴滑块31之间，x轴导向杆33、x轴螺杆32上安装有x轴滑块34，x轴螺杆32端头和x轴驱动电机35输出轴连接，x轴驱动电机35固定在一个z轴滑块31的外侧；

y轴滑块上安装有打印平台38，通过对y轴驱动电机36的控制，打印平台38进行y向移动；x轴滑块34上安装双喷头打印模块，通过对x轴驱动电机35和z轴驱动电机28的控制，双喷头打印模块进行x和z轴的移动；

所述的外部支撑框架26顶部水平段安装有2个收卷轮27，用于收卷纤维丝束11。

基于一种双喷头混杂连续纤维增强复合材料3d打印装置的打印方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，两个打印头中的纤维丝束11分别为碳纤维和玻璃纤维，所用树脂均为热塑性树脂pla丝材；开始打印时，双喷头打印模块上打印碳纤维复合材料的第一个喷嘴9在同步轮22驱动下向下移动到打印模块底部，则打印玻璃纤维的第二个喷嘴9向上移动，此时剪切机构的剪刀处于打开状态，然后双喷头打印模块进行x向和z向移动，打印平台38进行y向移动；

2)当第一个喷嘴9到达打印平面时，打印头电机2开始驱动，开始打印模型第一层；当第一层打印完后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断碳纤维丝，之后剪切滑块16再移动，使剪刀打开；

3)同步带23带动第一个喷嘴9继续上移，则第二个喷嘴9到达打印模块底部时停止；然后打印模块上移一层的距离，打印模块开始进行平面移动，第二个喷嘴9开始进行第二层玻璃纤维复合材料的打印，第二层打印完后，第二个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第二个喷嘴9的玻璃纤维丝，之后剪切滑块16再移动，使剪刀打开；

4)同步带23带动第二个喷嘴9继续上移，则第一个喷嘴9下移，当第一个喷嘴9到达打印模块底部时停止，然后打印模块上移一层的距离，打印模块开始进行平面移动，第一个喷嘴9开始进行第三层的打印，该层打印完后，第一个喷嘴9在同步带23的带动下向上移动2mm，剪切滑块16移动，使剪刀闭合剪断第一个喷嘴9中的碳纤维丝，之后剪切滑块16再反向移动，使剪刀打开；

5)循环步骤1)～步骤4)，直到完成整个构件的打印；构件为碳-玻璃纤维增强pla层间混杂3d打印构件，具有碳纤维和玻璃纤维纤维的双重力学优势，适用于更多的应用场所。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。