一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头与流程

1.本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头。


背景技术：

2.增材制造技术采用逐层叠加的方式成形三维实体，相比于传统的车削、铣削加工，能快速成形具有复杂内部结构的物体。经过多年的发展，现有增材制造技术已经有出现很多种，选区激光熔化，光固化，熔融沉积，数字光处理，激光近净成形技术。其中熔融沉积成型(fused deposition modeling，fdm)技术具有操作方便、原理简单、运行安全、维护简单、所用原材料利用率高等优点，受到广泛研究，但成形的原材料为聚乳酸(pla)等高分子，强度及力学性能相对较低，故而一般应用于模型展示，艺术创作，创客教育等行业。
3.为了将fdm成形零件应用于工业领域，有学者提出打印聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，peek)等高性能高分子材料，包括将碳纤维包裹进pla等高分子间形成成形丝材，通过以上处理，成形的零件具有更优异的性能，但还有很多需要解决的问题，如碳纤维等强化丝材和pla之间的界面结合弱导致成形件性能不佳，短纤维对pla丝材的强化能力较弱，连续纤维在成形复杂零件时需要剪断操作。虽然专利cn 110158076 a提出了应用于激光熔覆中的激光断丝方法，但该方法操作复杂，需要调整焦点，意味着整个聚焦装置需要配备移动装置，激光的焦点本来就小，移动过程中精度保持的问题变得尤为显著。
4.现有连续纤维增材制造方式，常见的是纤维铺放，但这种方式只能进行凸形成形，无法进行具有凹面形状零件的成形。在采用fdm方式进行连续纤维成形时，有预浸料和同步进料两种方式，但两种方式都存在堵喷头的问题。美国arevo公司研制了复合材料沉积技术，激光作用在已成形面和待成形丝材之间，难以对丝材道与道之间的结合处进行后处理。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，解决连续纤维不适用激光成型以及喷头堵塞的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，该喷头包括：进料单元、加热单元和激光发射单元，其中：
7.所述进料单元用于将供给连续纤维丝材原料；
8.所述加热单元设置在所述进料单元的一侧，用于将从所述进料单元输出的连续纤维丝材进行预热；
9.所述激光发射单元设置在竖直方向，一方面用于在竖直方向发射激光，以此熔融所述连续纤维丝材，进而进行熔融沉积成型，另一方面提供冲击力，以此提高待成型对象之间的结合力。
10.进一步优选地，所述喷头用于成型复合丝材，该复合丝材内部为连续纤维，包覆在连续纤维上的为热塑性高分子。
11.进一步优选地，所述激光发射单元上设置有连接单元，该连接单元用于连接所述进料单元，所述加热单元设置在所述进料单元出口端。
12.进一步优选地，所述激光发射单元还用于在每个切片层成型后，对零件的轮廓及每道成形丝材之间的结合部分进行激光扫描，以此提高连续纤维与高分子之间的结合力，提升成形件的性能。
13.进一步优选地，所述激光发射单元为光纤激光器，在成型过程中随着成型喷头的移动而移动。
14.进一步优选地，所述加热单元采用电阻加热或电磁感应加热。
15.进一步优选地，所述进料单元上设置有间距调节机构，用于适应不同直径的丝材。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
17.1.本发明中对于连续纤维的成形，选择与现有技术fdm不同的成型方法，对于连续纤维的原料供给不是将原料进行铺放，然后经高分子材料熔融加热进而成形相比，本申请直接采用复合材料进行成形，不需要分为两个步骤；
18.2.本发明中将复合丝材的熔融过程和送丝过程分开为两个单元进行，分别为进料单元和激光发射单元，与现有技术相比，避免送丝的同时进行熔融导致的喷头的堵塞以及漏料；
19.3.本发明激光设置在竖直方向，同时激光发射单元中激光位置可以灵活控制，对于结合力弱的位置，激光可进行局部的再次熔融，例如切片层之间，轮廓处以及丝材与丝材之间的衔接处，均可以采用激光再次局部熔融以此提高连续纤维与高分子之间的结合力，提升成形件的性能。
附图说明
20.图1是按照本发明的优选实施例所构建的喷头的结构示意图；
21.图2是按照本发明的优选实施例所构建的喷头的实物图；
22.图3是采用本发明提供的喷头制备的产品。
23.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
24.1-激光发射单元，2-固定及连接单元，3-进料单元，4-加热单元
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.如图1所示，一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，该喷头置包括：激光发射单元1，固定及连接单元2，进料单元3，加热单元4。
27.所述激光发射单元1发射激光作用于成型丝材使其熔融沉积成型或分解剪断，使用聚焦镜进行聚焦，采用水冷机对激光发射单元进行降温，保证激光发射单元能稳定工作，该激光器作为成型喷头的能量输入源，在成形过程中会随着成型喷头的移动而移动，因此
采用光纤激光器，光纤是柔性的且光纤头质量较轻为成型喷头的高精度移动提供了支撑。
28.所述固定及连接单元2将所述激光发射单元1、进料单元3及加热单元4连接固定，确保进料单元3进给的成型丝材与激光发射单元1发射的激光汇聚同一点；
29.所述进料单元3可以调整进给的距离，从而能给不同直径的成型丝材提供稳定的进给力，实现不同类型成型丝材的稳定进给；
30.所述加热单元4对所述进料单元3进给的成型丝材进行预热，使成型丝材在后续激光作用下更易熔融沉积成型，提高打印质量，在沉积过程中通入保护气体防止预热的成型丝材被氧化。
31.当每层被加工完成后，采用所述的激光发射单元1对零件轮廓及每层成型丝材连接部分进行激光处理，提升每层及每道之间的结合力，改善成型丝材和连续纤维的结合力，最终提升零件的力学性能。
32.本发明采用激光作为主加工能量源，在加工连续纤维成型丝材时，能根据需要，提高激光能量密度达到切断连续成型丝材的目的，保证成形过程的顺利进行；采用距离可调的进料单元，能实现不同成型丝材直径材料的稳定进给，使得打印过程能根据需要选取不同直径的成型丝材；通过改进成型喷头前端结构，改进热源方式，解决了增材制造成形成型喷头易堵，易漏料的难题。
33.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，该喷头包括：进料单元(3)、加热单元(4)和激光发射单元(1)，其中：所述进料单元(3)用于将供给连续纤维丝材原料；所述加热单元(4)设置在所述进料单元的一侧，用于将从所述进料单元输出的连续纤维丝材进行预热；所述激光发射单元(1)设置在竖直方向，一方面用于在竖直方向发射激光，以此熔融所述连续纤维丝材，进而进行熔融沉积成型，另一方面提供冲击力，以此提高待成型对象之间的结合力。2.如权利要求1所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述喷头用于成型复合丝材，该复合丝材内部为连续纤维，包覆在连续纤维上的为热塑性高分子。3.如权利要求1或2所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述激光发射单元(1)上设置有固定及连接单元，该固定及连接单元用于连接所述进料单元，所述加热单元设置在所述进料单元出口端。4.如权利要求1或2所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述激光发射单元(1)还用于在每个切片层成型后，对零件的轮廓及每道成形丝材之间的结合部分进行激光扫描，以此提高连续纤维与高分子之间的结合力，提升成形件的性能。5.如权利要求1或2所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述激光发射单元(1)为光纤激光器，在成型过程中随着成型喷头的移动而移动。6.如权利要求1或2所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述加热单元(4)采用电阻加热或电磁感应加热。7.如权利要求1或2所述的一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头，其特征在于，所述进料单元(3)上设置有间距调节机构，用于适应不同直径的丝材。

技术总结
本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头。该喷头包括：进料单元、加热单元和激光发射单元，其中：所述进料单元用于将供给连续纤维丝材原料；所述加热单元设置在所述进料单元的一侧，用于将从所述进料单元输出的连续纤维丝材进行预热；所述激光发射单元设置在竖直方向，一方面用于在竖直方向发射激光，以此熔融所述连续纤维丝材，进而进行熔融沉积成型，另一方面提供冲击力，以此提高待成型对象之间的结合力。通过本发明，解决连续纤维不适用激光成型以及喷头堵塞的问题。用激光成型以及喷头堵塞的问题。用激光成型以及喷头堵塞的问题。


技术研发人员：闫春泽 刘主峰 李昭青 杨磊 陈鹏 伍宏志 史玉升
受保护的技术使用者：深圳华中科技大学研究院
技术研发日：2021.12.17
技术公布日：2022/4/1