[发明专利]可变半径的多打印头一体式桁架3D打印机及其使用方法

说明书

可变半径的多打印头一体式桁架3D打印机及其使用方法，包括机架、棱边成形模块、环绕成形模块和角度调节模块，环绕成形模块、角度调节模块连接在机架上，环绕成形模块、角度调节模块和棱边成形模块连接；环绕成形模块由自下而上的第一顺周期环绕子模块、第二顺周期环绕子模块、逆周期环绕子模块组成；角度调节模块由安装在机架上的上、下调节模块组成，上、下调节模块分别有三组，沿机架中轴线等距阵列分布，下调节模块与对应的上调节模块处于同一竖直平面内；棱边成形模块共有三组，沿机架中轴线等距阵列分布；本发明实现变截面尺寸的高性能复合材料桁架的一体式快速成形制造，具有桁架长度充足、承载性能高、能被航天器承载升空的优点。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及可变半径的多打印头一体式桁架3D打印机及其使用方法。

背景技术

高性能复合材料桁架一般由连续纤维增强热塑性复合材料制得，一般呈现出具有三角形单元的三棱柱空间结构，三角形单元则由桁架上的各个杆件连接形成，杆件间的结合点称为节点，节点通过复合材料中的热塑性基体材料自然连接。高性能复合材料桁架除具有先进复合材料优异的机械性能以外，如比强度、比模量高，还具有突出的抗弯刚度效率，在航空航天领域的减重设计方面能起到重要作用，可作为支撑结构件，用于建造大功率太阳能面板、高增益卫星天线等大型航天器组件。

目前可用于制造高性能复合材料桁架的技术手段，主要是依靠通用的、高端的复合材料自动化铺放设备，如多轴的铺带机、铺丝机等，这类设备的结构主要有铺放头、模具和多轴机械臂，由此可形成铺放头与模具之间灵活的相对运动，可用于成形形状复杂的结构件。在成形过程中，使用模具作为铺设复合材料的支撑件，铺放头在模具表面按照桁架的结构形状受控移动并输出材料，材料被精确定位在模具表面并实现定型。然而该技术手段成形高性能复合材料具有以下缺点：

1)模具有尺寸极限，尤其是限制了高性能复合材料桁架的长度，未来在太空中建造大型航天器组件所需高性能复合材料桁架的体量巨大，并且单根桁架的长度可达上百米，现有技术难以满足整体成形的要求，若通过分段连接，又降低了桁架的力学性能；2)模具有形状限制，铺放设备难以成形具有较多的不同的棱边倾斜夹角的桁架结构件，而空间建造中需使用有各种倾斜夹角的变截面尺寸的桁架，以充分利用有限的材料实现更好的承载性能；3)铺放设备笨重，不能被航天器承载升空，而桁架具有形状分散的结构特点，航天运载空间利用率低，形成了矛盾。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供可变半径的多打印头一体式桁架3D打印机及其使用方法，实现变截面尺寸的高性能复合材料桁架的一体式快速成形制造，具有桁架长度充足、承载性能高、能被航天器承载升空的优点。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种可变半径的多打印头一体式桁架3D打印机，包括机架4、棱边成形模块1、环绕成形模块和角度调节模块，环绕成形模块、角度调节模块连接在机架4上，环绕成形模块、角度调节模块和棱边成形模块1连接；

所述的环绕成形模块由三组相同机械结构的子模块组成，自下而上分别是第一顺周期环绕子模块21、第二顺周期环绕子模块22、逆周期环绕子模块23；

所述的角度调节模块由上调节模块31和下调节模块32组成，上调节模块31固定安装在机架4上部，下调节模块32固定安装在机架4下部，上调节模块31和下调节模块32共有三组，沿机架4中轴线等距阵列分布，下调节模块32与对应的上调节模块31处于同一竖直平面内；

所述的棱边成形模块1共有三组，沿机架4中轴线等距阵列分布。

所述的上调节模块31包括和第一伸缩模块5-1连接的悬臂支架311，悬臂支架311与棱边成形模块1的上部铰接；下调节模块32包括和第二伸缩模块5-2连接的铰接底座321，铰接底座321与电动推拉杆322一端铰接，电动推拉杆322另一端与棱边成形模块1的下部铰接。