用于连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备的制作方法

本技术涉及3d打印领域，更具体地，涉及一种用于连续纤维复合材料的3d打印头及3d打印设备。

背景技术：

1、目前，将3d打印技术应用于纤维增强树脂基复合材料成为了一种新兴的复合材料制造工艺，相比于传统的成形工艺，3d打印工艺过程简单，加工成本低，材料利用率高，降低了复合材料构件的制造成本，同时可实现复杂结构零件的一体化成形，无需模具与复合材料连接工艺，为轻质复杂结构的低成本快速制造提供了一个有效技术途径。

2、连续碳纤维复合材料3d打印最简易工艺模型由三部分组成，分别为材料本身、喷头区域、切片与控制。目前的连续碳纤维3d打印研究更多集中以碳纤维短纤维改性材料或连续碳纤维增强的热塑性树脂基复合材料上。而打印喷头方面，更多采用双喷头结构，其中一个喷头输送热塑性树脂，另一个喷头输送连续碳纤维线材，通过加热对热塑性树脂熔融，将碳纤维线材与热塑性基质材料混合后一起挤出，通过类似fdm工艺进行碳纤维复合材料的3d打印。且目前的连续纤维3d打印装备多为三轴打印机。现有的一些连续碳纤维打印通过将纤维线材与热塑性基质材料混合后一起挤出，由于连续碳纤维是连续不断的长丝，在打印过程中，丝材铺放路径将与打印头移动路径一致。但是在实际打印过程中，绝大多数所打印的零件无法实现碳纤维丝连续铺放不间断打印出零件，不可避免的需要出现打印过程中跳点打印，但目前打印设备在此过程中连续纤维不断，会影响所打印零件的质量，或在打印过程中出现与所需零件部分不符等问题。并且目前的连续纤维3d打印机多为三轴系统且打印平台范围相对较小，无法充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围。

技术实现思路

1、本实用新型为克服上述背景技术中所述的目前打印设备在此过程中连续纤维不断，会影响所打印零件的质量，或在打印过程中出现与所需零件部分不符等问题，提供一种连续纤维复合材料的3d打印头及3d打印设备。本实用新型能够实现灵活的跳点打印，保证打印质量。

2、为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于连续纤维复合材料的3d打印头，包括安装板以及位于所述安装板相对两侧的纤维喷头单元和树脂喷头单元，所述安装板上开设有安装孔，所述纤维喷头单元包括进丝机构和剪切机构，所述进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构、丝材驱动组件、喷出结构、纤维加热块以及纤维喷头，所述纤维喷头连接在所述纤维加热块的出口端，所述剪切机构包括剪刀以及用于带动所述剪刀完成剪切动作的剪切气缸，所述剪切气缸的缸体设于所述安装板上，所述剪刀连接于所述剪切气缸的输出端，所述剪刀的剪切口位于所述喷出结构与所述纤维加热块之间。

3、进一步的，所述进给结构包括第一导向柱、第一安装块和用于连接外部纤维输入源的转接头，所述第一安装块固定安装于所述安装板上，所述第一安装块上开设有贯通的第一通道，所述转接头对接在所述第一通道的入口端，所述第一导向柱对接在所述第一通道的出口端。

4、进一步的，所述丝材驱动组件包括同步轮、用于带动所述同步轮转动的驱动装置、与所述同步轮配合夹持住丝材的惰轮，所述驱动装置安装在所述安装孔中，所述同步轮与所述驱动装置的输出端连接，所述安装板上设有惰轮安装结构，所述惰轮安装结构的一端设有轴承，所述惰轮安装于所述轴承上，所述惰轮与所述同步轮相对且间隔设置。

5、进一步的，所述喷出结构包括散热管、第二安装块以及第二导向柱，所述第二安装块固定安装于所述安装板上，所述第二安装块开设有贯通的第二通道，所述散热管对接在所述第二通道的入口端，所述第二导向柱一端对接在所述第二通道的出口端、另一端正对所述纤维加热块的入口端。

6、进一步的，纤维喷头单元还包括用于散热的第一风扇组件，所述安装板在与所述剪刀正对的位置开设有若干进风口，所述第一风扇组件包括设于所述安装板上的第一安装座以及安装在所述第一安装座上的第一风扇，所述第一风扇的出风方向正对所述进风口。

7、进一步的，所述驱动装置为电机，所述同步轮连接在所述电机的输出轴上。

8、进一步的，所述树脂喷头单元包括滑台气缸、喷头安装板、树脂加热块、树脂喷头以及用于连接外部树脂输入源的树脂输入管，所述滑台气缸的缸体安装在所述安装板上，所述喷头安装板固定连接在所述滑台气缸的输出端，所述树脂加热块连接在所述喷头安装板上，所述树脂加热块上设有贯穿的通道，所述树脂输入管连接在所述树脂加热块的入口端，所述树脂喷头连接在所述树脂加热块的出口端，所述树脂输入管的外壁上套设有散热块。

9、进一步的，所述树脂喷头单元还包括用于散热的第二风扇组件，所述第二风扇组件包括第二风扇以及第二安装座，第二安装座垂直连接于所述安装板上，所述第二风扇安装于所述第二安装座上并正对所述散热块。

10、为了解决上述连续纤维3d打印机多为三轴系统且打印平台范围相对较小，无法充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围的问题。还提供一种用于连续纤维复合材料的3d打印设备，包括机器人底座、机械臂、安装架、送丝机构、打印平台、变位机以及上述的3d打印头，所述机械臂安装在所述机器人底座上，所述送丝机构设于所述机械臂上，所述安装架可拆卸连接于所述机械臂的端部，所述打印平台设于所述变位机的顶部，所述3d打印头上的安装板与所述安装架连接，所述3d打印头位于所述打印平台的上方。

11、进一步的，所述机械臂为六轴机械臂。

12、与现有技术相比，有益效果是：

13、1、本实用新型针对连续纤维打印连续不断的特殊性，在喷出结构和纤维加热块之间设置剪切机构，当需要跳点打印时，能够及时有效地剪断丝材，从而提升了路径规划自由度和产品的成形质量。

14、2、本实用新型采用机器人控制打印头的移动，实现了3d打印装备的多自由度打印，弱化了制件的各向异性缺陷，提高了制件的成形质量。并且充分发挥连续纤维轴向力学性能优势、一定程度上制约了复杂结构产品的成型质量及应用范围，而提高3d打印装备的运动自由度。

技术特征：

1.一种用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，包括安装板(10)以及位于所述安装板(10)相对两侧的纤维喷头单元和树脂喷头单元，所述安装板(10)上开设有安装孔(11)，所述纤维喷头(6)单元包括进丝机构和剪切机构(7)，所述进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构(2)、丝材驱动组件(3)、喷出结构(4)、纤维加热块(5)以及纤维喷头(6)，所述纤维喷头(6)连接在所述纤维加热块(5)的出口端，所述剪切机构(7)包括剪刀(72)以及用于带动所述剪刀(72)完成剪切动作的剪切气缸(71)，所述剪切气缸(71)的缸体设于所述安装板(10)上，所述剪刀(72)连接于所述剪切气缸(71)的输出端，所述剪刀(72)的剪切口位于所述喷出结构(4)与所述纤维加热块(5)之间。

2.根据权利要求1所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述进给结构(2)包括第一导向柱(23)、第一安装块(22)和用于连接外部纤维输入源的转接头(21)，所述第一安装块(22)固定安装于所述安装板(10)上，所述第一安装块(22)上开设有贯通的第一通道，所述转接头(21)对接在所述第一通道的入口端，所述第一导向柱(23)对接在所述第一通道的出口端。

3.根据权利要求2所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述丝材驱动组件(3)包括同步轮(33)、用于带动所述同步轮(33)转动的驱动装置(31)、与所述同步轮(33)配合夹持住丝材的惰轮(32)，所述驱动装置(31)安装在所述安装孔中，所述同步轮(33)与所述驱动装置(31)的输出端连接，所述安装板(10)上设有惰轮安装结构(35)，所述惰轮安装结构(35)的一端设有轴承(34)，所述惰轮(32)安装于所述轴承(34)上，所述惰轮(32)与所述同步轮(33)相对且间隔设置。

4.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述喷出结构(4)包括散热管(41)、第二安装块(42)以及第二导向柱(43)，所述第二安装块(42)固定安装于所述安装板(10)上，所述第二安装块(42)开设有贯通的第二通道，所述散热管(41)对接在所述第二通道的入口端，所述第二导向柱(43)一端对接在所述第二通道的出口端、另一端正对所述纤维加热块(5)的入口端。

5.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，纤维喷头单元还包括用于散热的第一风扇组件(8)，所述安装板(10)在与所述剪刀(72)正对的位置开设有若干进风口(83)，所述第一风扇组件(8)包括设于所述安装板(10)上的第一安装座(81)以及安装在所述第一安装座(81)上的第一风扇(82)，所述第一风扇(82)的出风方向正对所述进风口(83)。

6.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述驱动装置(31)为电机，所述同步轮(33)连接在所述电机的输出轴上。

7.根据权利要求3所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述树脂喷头单元包括滑台气缸(91)、喷头安装板(92)、树脂加热块(94)、树脂喷头(95)以及用于连接外部树脂输入源的树脂输入管(93)，所述滑台气缸(91)的缸体安装在所述安装板(10)上，所述喷头安装板(92)固定连接在所述滑台气缸(91)的输出端，所述树脂加热块(94)连接在所述喷头安装板(92)上，所述树脂加热块(94)上设有贯穿的通道，所述树脂输入管(93)连接在所述树脂加热块(94)的入口端，所述树脂喷头(95)连接在所述树脂加热块(94)的出口端，所述树脂输入管(93)的外壁上套设有散热块。

8.根据权利要求7所述的用于连续纤维复合材料的3d打印头，其特征在于，所述树脂喷头单元还包括用于散热的第二风扇组件(96)，所述第二风扇组件(96)包括第二风扇(98)以及第二安装座(97)，第二安装座(97)垂直连接于所述安装板(10)上，所述第二风扇(98)安装于所述第二安装座(97)上并正对所述散热块。

9.一种用于连续纤维复合材料的3d打印设备，其特征在于，包括机器人底座(200)、机械臂(201)、安装架(203)、送丝机构(202)、打印平台(300)、变位机(400)以及权利要求1至8任一所述的3d打印头(1)，所述机械臂(201)安装在所述机器人底座(200)上，所述送丝机构(202)设于所述机械臂(201)上，所述安装架(203)可拆卸连接于所述机械臂(201)的端部，所述打印平台(300)设于所述变位机(400)的顶部，所述3d打印头(1)上的安装板(10)(10)与所述安装架(203)连接，所述3d打印头(1)位于所述打印平台(300)的上方。

10.根据权利要求9所述的用于连续纤维复合材料的3d打印设备，其特征在于，所述机械臂(201)为六轴机械臂。

技术总结
本技术涉及3D打印领域，更具体地，涉及用于连续纤维复合材料的3D打印头及3D打印设备。一种用于连续纤维复合材料的3D打印头，包括安装板、纤维喷头单元和树脂喷头单元，纤维喷头单元包括进丝机构和剪切机构，进丝机构包括沿进丝路径依次设置的进给结构、丝材驱动组件、喷出结构、纤维加热块以及纤维喷头。还提供一种用于连续纤维复合材料的3D打印设备，包括机器人底座、机械臂、安装架、送丝机构、打印平台、变位机以及上述的3D打印头。本技术针对连续纤维打印连续不断的特殊性，在喷出结构和纤维加热块之间设置剪切机构，当需要跳点打印时，能够及时有效地剪断丝材，从而提升了路径规划自由度和产品的成形质量。

技术研发人员：王轩,罗盟,林梓楠,朱莎,陈其志,张文鑫,赵良兵,翁丰强
受保护的技术使用者：深圳云疆智造科技有限公司
技术研发日：20221212
技术公布日：2024/1/12