[发明专利]一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法

说明书

本发明涉及了一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法，打印机包括加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头，打印时可根据工件大小自主选择单层穿丝板直径大小，且穿丝板结构的层数可由加工工件的大小来决定，选择合适的穿丝板结构层数可以有效节省碳纤维丝，同时提高穿丝的效率；穿丝板结构包括可拆卸的裁丝剪，安装在工作过程中最上层的穿丝板下半部分上，用于在每层穿丝结束后切断碳纤维丝，纤维树脂多功能喷头包括铺丝喷头、热塑性材料喷头、喷头转换器、加热喷头。本方法能够实现任意角度的碳纤维铺设，并能够增强碳纤维丝的强度，且该方法节约材料，加工效率高。

技术领域

本发明属于纤维增强3D打印技术领域，尤其涉及一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法。

背景技术

纤维增强复合材料由于其高比强度、高比模量、耐烧蚀和抗侵蚀等一系列优点在当代制造业中得到普遍认可，已经成为现代工业，尤其是航天航空、国防军事、船舶工业、机器人等领域的一种重要的结构用材，其发展十分迅速。近年来，各种复合材料制造技术应运而生，其中，纤维铺放技术在航天、航空等高性能复合材料零件制造中的应用得到了各界的广泛关注。复合材料纤维铺放成型技术是20世纪70年代作为对纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的一种全自动复合材料加工技术，也是近年来发展最快、效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一，具有生产速度较快、产品质量比较稳定、可靠性高等优势。

然而，尽管复合材料纤维铺放技术消除了传统复合材料制造工艺中的纤维编织问题，可实现复杂的曲面结构的铺放，但是该工艺必须要有预先定制的模具，而大型模具的制造成本非常昂贵，同时，纤维铺放装备极其复杂，一般需要价格昂贵的电子束或激光作为热源进行固化，这就造成设备本身的制造成本非常高，进一步拉高了纤维铺放工艺所制备的复合材料零件的价格，且纤维铺放工艺只适合规则表面复合材料结构铺放成型，很难实现具有三维复杂结构的复合材料零件的制造，大大阻碍了纤维增强复合材料在更广泛的领域得到应用。

目前，人们在纤维增强复合材料的3D打印领域已经进行了深入的研究，已经设计了一些纤维增强复合材料的打印设备，但依旧存在一些问题。例如，专利CN201811374788.7提出了一种基于3D打印机原理的铺丝喷丝设备，对于浸润、固化连续纤维有了新的构思，但该设备的打印方式并无改进，仅能提供最基础的3D打印设想，不能高效满足一些特殊需要。CN201711050843.2提出了一种利用回转，高速铺丝的打印机，但该发明在满足高速高效的同时不能很好地满足对于纤维丝强度的要求，导致在实际使用时，材料的强度不能很好地保证，只能作为一种提高效率的设备雏形。CN201810422931.9提供了一种用于打印纤维增强复合材料的打印喷头，但该喷头不能对丝是否拉直进行测定，不能保证打印机出丝的正确性，以及打印成品的完成程度，功能有待完善。CN 201711345896.7在打印时不能自由地改变所配设平台的大小，会导致材料的使用浪费。CN201711050843.2虽然设计出了圆盘旋转平台，但该设备喷头不能旋转，旋转平台的运动仅仅弥补了喷头运动的不足，却不能实现纤维丝的拉紧，打印功能依旧有待完善。CN201810422931.9采用了增材制造，但在处理余丝时不能将余丝有效去除，成品完成度不高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机及方法，能够实现任意角度的碳纤维铺设，并能够增强碳纤维丝的强度，且该方法节约材料，加工效率高。

一种角铺设碳纤维/树脂复合材料制品3D打印机，包括加工平台、穿丝板结构、纤维树脂多功能喷头；

所述加工平台包括升降电机、联轴器、丝杠、蜗轮、蜗杆、推力轴承、升降平台、喷头移动架、推拉电机、加工平台移动架，升降平台通过丝杠与加工平台下层固定，蜗轮安装在推力轴承之间与蜗杆啮合，蜗杆与升降电机连接，丝杆穿过推力轴承，受蜗轮控制，通过电机运转使蜗杆运动，带动蜗轮转动，控制丝杆的升降，进而控制升降平台的升降；