一种可空间连续排布纤维增强材料的3D打印装置及方法

本发明属于可降解纤维增强复合生物支架的制备与加工，具体涉及一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置及方法。

背景技术：

1、可降解生物材料具有良好的生物相容性，无毒副作用，是骨移植的理想材料，例如磷酸钙(又名骨水泥)和ha(羟基磷灰石)等，但因为生物材料所固有的脆性，容易发生脆性断裂，极大地限制了作为骨替代物的能力。可降解的连续纤维材料具有良好的力学性能和无毒性例如pga(聚乙醇酸)纤维、pla(聚乳酸)纤维和胶原蛋白纤维等，例如pga是一种高结晶，可生物降解的脂肪族聚合物，具有良好的生物相容性、加工性和机械性能，通过简单的水解实现生物降解然后生物再吸收，主要用于手术缝合线等领域，可以作为加强纤维提高生物支架的力学性能，完全降解无需二次手术。

2、但是现有技术中通常通过龙门模组结构直接进行水平面上的直角拐弯，此时由于连续纤维材料具有一定的韧性，会与喷嘴口产生较大的摩擦，导致纤维材料停止出料，或纤维材料分布于包裹材料一侧，造成3d打印成品存在缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置及方法，能够提高3d打印的精度和稳定性。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，包括龙门模组结构和设置于龙门模组结构端部的可旋喷嘴结构；

4、所述可旋喷嘴结构包括同轴设置的打印头外套、打印头内套和打印头主体，所述打印头内套底部设置有打印头主体，外壁套设有打印头外套，且打印头主体外壁与打印头外套底部内壁固接，所述打印头外套上部外壁齿轮连接有驱动装置；所述打印头主体内部固定设置有喷嘴。

5、进一步的，所述打印头内套内固设有第一进料段，所述打印头主体内固设有第二进料段，所述第二进料段一端旋接第一进料段底部，另一端固接喷嘴。

6、进一步的，所述第一进料段顶部固接有定位传动板，所述定位传动板上设置有步进电机，所述打印头外套上部外壁设置有花键环形带，步进电机输出端与花键环形带啮合。

7、进一步的，所述打印头外套内壁设置有限位凹槽，所述打印头内套外壁过盈设置有第一密封圈，所述第一密封圈卡接于限位凹槽内；所述打印头内套套设有轴承，所述轴承外壁止抵并卡接于打印头外套内壁，内壁止抵并卡接于打印头内套外壁。

8、进一步的，所述打印头内套底部设置有第二密封圈，并与打印头主体密封连接。

9、进一步的，还包括剪切结构，所述剪切结构包括呈u型结构的剪切支撑架和固设于剪切支撑架内的剪切电机，所述剪切电机输出端连接有剪切刀片；

10、所述剪切支撑架固设于打印头主体外壁底部，所述剪切刀片设置于喷嘴输出端侧。

11、进一步的，所述剪切刀片包括第一刀片和第二刀片，所述第二刀片固定端通过夹紧挡圈可旋贯穿剪切支撑架设置，所述第一刀片和第二刀片之前通过齿轮啮合连接。

12、进一步的，还包括固设于龙门模组框体顶部的穿丝结构，所述穿丝结构包括成直角连接的侧板和底板，所述侧板固接于龙门模组框体顶部，所述底板于水平面倾斜设置，且其上设置有滑轨和滑动设置于滑轨上的滑块，所述滑块连接有曲柄连杆结构一端，曲柄连杆结构另一端固接于侧板；

13、所述滑块靠近喷嘴进丝端设置有导丝棒，且导丝棒、滑轨和喷嘴平行设置。

14、进一步的，所述曲柄连杆结构包括首尾依次通过销钉连接的第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，所述第一连接杆连接滑块，所述第三连接杆通过销钉连接侧板。

15、一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印方法，包括以下步骤：

16、龙门模组结构带动可旋喷嘴结构至按照预设打印路径进行打印，若出现拐角，则根据拐角的大小与步进电机的步进角比值，得到步进电机旋转步进角次数，每旋转一个步进角，龙门模组结构的横纵轴联动控制喷嘴向拐点移动一个向量，直至步进电机完成旋转步进角次数，完成喷嘴的调整。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明提供一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置及方法，包括龙门模组结构和设置于龙门模组结构端部的可旋喷嘴结构；所述可旋喷嘴结构包括同轴设置的打印头外套、打印头内套和打印头主体，所述打印头内套底部设置有打印头主体，外壁套设有打印头外套，且打印头主体外壁与打印头外套底部内壁固接，所述打印头外套上部外壁齿轮连接有驱动装置；所述打印头主体内部固定设置有喷嘴；在打印过程中，龙门模组结构带动可旋喷嘴结构至按照预设打印路径进行打印，若出现拐角，则根据拐角的大小与步进电机的步进角比值，得到步进电机旋转步进角次数，每旋转一个步进角，龙门模组结构的横纵轴联动控制喷嘴向拐点移动一个向量，直至步进电机完成旋转步进角次数，完成喷嘴的调整；本申请通过多次小幅度角度调整，及龙门模组结构的横纵轴联动使得喷嘴复位，能够保证纤维材料、喷嘴和打印路径为同一直线，防止纤维材料的偏离和卡断，提高了3d打印的精度和稳定性。

19、进一步的，剪切结构包括呈u型结构的剪切支撑架和固设于剪切支撑架内的剪切电机，所述剪切电机输出端连接有剪切刀片；所述剪切支撑架固设于打印头主体外壁底部，所述剪切刀片设置于喷嘴输出端侧，结构简单，操作方便，当打印完成后，可直接剪断出料。

20、进一步的，穿丝结构包括成直角连接的侧板和底板，所述侧板固接于龙门模组框体顶部，所述底板于水平面倾斜设置，且其上设置有滑轨和滑动设置于滑轨上的滑块，所述滑块连接有曲柄连杆结构一端，曲柄连杆结构另一端固接于侧板；所述滑块靠近喷嘴进丝端设置有导丝棒，且导丝棒、滑轨和喷嘴平行设置；当纤维材料用尽时，通过龙门模组结构将喷嘴至预设位置，能够辅助将纤维丝传入喷嘴末端，提高补充纤维材料效率。

技术特征：

1.一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，包括龙门模组结构和设置于龙门模组结构端部的可旋喷嘴结构；

2.根据权利要求1所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述打印头内套(4)内固设有第一进料段(5)，所述打印头主体(1)内固设有第二进料段(6)，所述第二进料段(6)一端旋接第一进料段(5)底部，另一端固接喷嘴(14)。

3.根据权利要求2所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述第一进料段(5)顶部固接有定位传动板(7)，所述定位传动板(7)上设置有步进电机(8)，所述打印头外套(2)上部外壁设置有花键环形带(3)，步进电机(8)输出端与花键环形带(3)啮合。

4.根据权利要求1所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述打印头外套(2)内壁设置有限位凹槽，所述打印头内套(4)外壁过盈设置有第一密封圈(9)，所述第一密封圈(9)卡接于限位凹槽内；所述打印头内套(4)套设有轴承(10)，所述轴承(10)外壁止抵并卡接于打印头外套(2)内壁，内壁止抵并卡接于打印头内套(4)外壁。

5.根据权利要求1所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述打印头内套(4)底部设置有第二密封圈(11)，并与打印头主体(1)密封连接。

6.根据权利要求1所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，还包括剪切结构，所述剪切结构包括呈u型结构的剪切支撑架(26)和固设于剪切支撑架(26)内的剪切电机(30)，所述剪切电机(30)输出端连接有剪切刀片(29)；

7.根据权利要求6所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述剪切刀片(29)包括第一刀片(290)和第二刀片(291)，所述第二刀片(291)固定端通过夹紧挡圈(28)可旋贯穿剪切支撑架(26)设置，所述第一刀片(290)和第二刀片(291)之前通过齿轮啮合连接。

8.根据权利要求1所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，还包括固设于龙门模组框体顶部的穿丝结构，所述穿丝结构包括成直角连接的侧板(16)和底板(17)，所述侧板(16)固接于龙门模组框体顶部，所述底板(17)于水平面倾斜设置，且其上设置有滑轨(18)和滑动设置于滑轨(18)上的滑块(19)，所述滑块(19)连接有曲柄连杆结构一端，曲柄连杆结构另一端固接于侧板(16)；

9.根据权利要求8所述一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，其特征在于，所述曲柄连杆结构包括首尾依次通过销钉(24)连接的第一连接杆(20)、第二连接杆(21)和第三连接杆(23)，所述第一连接杆(20)连接滑块(19)，所述第三连接杆(23)通过销钉(24)连接侧板(16)。

10.一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印方法，其特征在于，基于权利要求1-9所述任意项一种可空间连续排布纤维增强材料的3d打印装置，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供一种可空间连续排布纤维增强材料的3D打印装置及方法，包括龙门模组结构和设置于龙门模组结构端部的可旋喷嘴结构；所述可旋喷嘴结构包括同轴设置的打印头外套、打印头内套和打印头主体，所述打印头内套底部设置有打印头主体，外壁套设有打印头外套，且打印头主体外壁与打印头外套底部内壁固接，所述打印头外套上部外壁齿轮连接有驱动装置；所述打印头主体内部固定设置有喷嘴；在打印过程中，本申请通过多次小幅度角度调整，及龙门模组结构的横纵轴联动使得喷嘴复位，能够保证纤维材料、喷嘴和打印路径为同一直线，防止纤维材料的偏离和卡断，提高了3D打印的精度和稳定性。

技术研发人员：赵雪妮,张宇,郭延宇,关金鑫,黄埼
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12