[发明专利]一种面向纤维增强复合材料自由曲面构件的内外温度联控3D打印装置

说明书

本发明属于纤维增强复合材料3D打印技术领域，提供了一种面向纤维增强复合材料自由曲面构件的内外温度联控3D打印装置。该装置包括打印装置与平台、外部辅助加热系统、内部加热系统和控制系统；多自由度机械臂运动进而实现自由曲面构件的3D打印；内部加热系统使得成形材料处于合适的熔融温度范围，外部辅助加热系统升高打印平台上已铺放复合材料表层温度，便于同下一层结合；控制系统对喷头内温度信号和打印构件层间温差信号进行处理，协同联控内部加热温度和外部辅助加热温度，获得适宜的层间温差。本发明实现了在纤维增强复合材料自由曲面构件的3D打印过程中，通过内外温度协同联控来提高构件层间结合强度，大幅提升构件层间结合质量。

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料3D打印技术领域，具体涉及一种面向纤维增强复合材料自由曲面构件的内外温度联控3D打印装置。

背景技术

纤维增强复合材料轻质高强，能够满足航空航天等领域高端装备构件高可靠性且轻的性能需求。此领域广泛存在形状复杂的自由曲面构件，如飞机机翼，若采用传统工艺制造，工艺链长且难以实现一体化制造。纤维增强复合材料3D打印技术具有质量高及能实现复杂构件的一体化成形等优良特性，已成为实现此类构件高质量制造的优选技术，在高端装备制造领域地位日益突出。

3D打印的纤维增强复合材料构件，由于树脂和纤维仅在打印喷嘴加热后，简单地在平台上进行堆积成形，因此Z向上的结合强度主要依靠树脂间的粘合力，故层间结合强度较低，特别对于曲面构件更是如此。针对这些问题，国内外众多学者对其展开深入的探索。李志刚等人的专利号为CN 114248437A的发明“一种连续纤维编织体增强纤维复合材料3D打印方法”利用了针刺工艺，对已铺放层用上述工艺进行处理，使得纤维之间相互交错，进而提升层间结合强度。但该方法使用针刺破坏了纤维的连续性，降低了纤维的强度。此外，其无法实现自由曲面构件成形。田小永等人的发明专利号CN 113733555 A，发明名称为“一种高性能聚合物及其复合材料低压3D打印方法与装置”的专利，该发明利用真空泵抽取成形腔室中的空气，使得其为真空状态进而创造低压环境，使得3D打印构件层间结合强度提升。但是由于该装置限制了打印区域为一个可控的密闭空间内，缩小了打印的应用范围，对设备密闭性要求较高，结构复杂，不易实现，且未考虑打印过程中喷头内温度和外部打印层间温度对于构件层间结合强度也有很大影响，也无法实现自由曲面构件成形。

因此，开发一种可以实现纤维增强复合材料自由曲面构件的3D打印，且实时考虑打印过程中喷头内温度和外部打印层间温度对于构件层间结合强度协同影响的装置，进而提升纤维增强复合材料3D打印自由曲面构件的层间结合质量，已经成为本领域亟待攻克的一个难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有的难题，提出了一种面向纤维增强复合材料自由曲面构件的内外温度联控3D打印装置。该装置中多自由度的机械臂可实现自由曲面构件的3D打印。此外，该装置能够实现3D打印过程中，喷头内温度和打印构件层间的温度联控，且通过内部调控加热棒和风扇来和外部调控辅助加热来实时调整成形构件层间温差，并通过反馈控制使该温差为适宜值，提高打印构件层间结合强度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种面向纤维增强复合材料自由曲面构件的内外温度联控3D打印装置，包括打印装置与平台A、外部辅助加热系统B、内部加热系统C和控制系统D；

打印装置与平台A包括机械臂A1、打印平台A2、打印喷头A3、法兰盘A4和底板A5；底板A5与打印喷头A3通过法兰盘A4安装在机械臂A1的末端，打印平台A2固定于地面；通过机械臂A1的多自由度移动，打印喷头A3的位置随其变化，实现自由曲面构件的3D打印；

外部辅助加热系统B包括外热源B1、夹持机构B2和红外热像仪B3；外热源B1通过夹持机构B2固定于底板A5上打印喷头A3一侧，打印时先辅助加热已铺放层，再铺放新的复合材料；调节外热源B1的功率大小，加热复合材料表面至不同的温度，使其树脂粘度降低，同下一打印层结合；红外热像仪B3固定于地面上，其对准打印的构件，实时测量打印过程中构件的温度场；