一种连续纤维增强复合材料3D打印头装置及3D打印机的制作方法

一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置及3d打印机
技术领域
1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置及3d打印机。


背景技术：

2.增材制造以构建数字建模为基础，通过对制造件进行二维分层，然后逐层打印的方式来完成制造过程。其具有节省材料、可控性好、可实现快速制造复杂构件等优点，因而被广泛地应用在工业生产中。其中，连续纤维增强复合材料因其优异的性能在增材制造技术领域备受青睐。
3.纤维增强复合材料比强度高、比模量大，材料性能具有可设计性，抗腐蚀性和耐久性能好，热膨胀系数与混凝土相近。这些特点使得纤维增强复合材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要,同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求,因此被广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。其中，复合材料界面是连接增强纤维与树脂基体之间的微观区域，是复合材料所特有的而且非常重要的组成部分，对复合材料的各方面性能起着重要作用。在复合材料增材制造成形过程中，纤维与树脂在打印喷头中融合，两者接触时间短，树脂预浸料很难均匀浸渗入纤维丝束中，导致复合材料界面存在孔隙等缺陷，严重影响其力学性能。
4.因此亟需一种可以将树脂溶液和连续纤维快速且充分融合的设备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置3d打印机，以解决相关技术中预浸料溶液和连续纤维无法快速且充分融合的问题。
6.一方面，本发明提供一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置，该连续纤维增强复合材料3d打印头装置包括：
7.壳体，所述壳体内设置有熔腔，所述熔腔可以将内部的预浸料融化，所述壳体沿竖直方向设置有第一孔和第二孔，所述第一孔和所述第二孔同轴线设置；
8.振动组件，包括振动件和振动支架，所述振动支架从所述第一孔部分伸入所述熔腔内且与所述第二孔所在的所述壳体的内壁间隙配合，所述振动支架与所述第一孔同轴线且间隙配合，所述振动件设置于所述壳体外且驱动所述振动支架沿水平方向振动，所述振动支架为管状结构且其管壁上间隔设置有通孔；
9.打印头组件，设置于所述第二孔远离所述振动支架的一侧。
10.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述振动件包括振动器和振动管，所述振动管插设于所述第一孔且与所述第一孔的内壁间隙配合，所述振动器驱动所述振动管沿水平方向振动，所述振动支架插设于所述振动管且与所述振动管固接。
11.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述第一孔为锥形孔，所述振动管插入所述第一孔的部分为锥形结构。
12.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述振动管远离所述壳体的一侧设置有两个送丝滚轮，两个所述送丝滚轮间隔设置，且两个所述送丝滚轮的间隙与所述振动支架相对。
13.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述振动器包括振动发生器和变幅杆，所述振动发生器与所述壳体固接，所述变幅杆一端与所述振动发声器固接，另一端与所述振动管固接；
14.所述变幅杆为双曲抛物面结构。
15.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述打印头组件包括喷头和两个挤压滚轮，两个所述挤压滚轮间隔设置且位于所述喷头和所述壳体之间，两个所述挤压滚轮之间的间隙同时与所述第二孔和所述喷头的入料口相对。
16.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述壳体包括隔热层和位于所述隔热层内部的加热层，所述加热层围设成所述熔腔。
17.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述壳体还包括温度传感器，所述温度传感器用于检测所述熔腔内的温度。
18.作为连续纤维增强复合材料3d打印头装置的优选技术方案，所述壳体还设置有透气孔。
19.另一方面，本发明提供一种3d打印机，包括上述任一方案中的连续纤维增强复合材料3d打印头装置。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明提供一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置，该连续纤维增强复合材料3d打印头装置包括壳体、振动组件和打印头组件，壳体内设置有熔腔，熔腔可以将内部的预浸料融化，壳体沿竖直方向设置有第一孔和第二孔，第一孔和所述第二孔同轴线设置；振动组件包括振动件和振动支架，振动支架从第一孔部分伸入熔腔内且与第二孔所在的壳体的内壁间隙配合，振动支架与第一孔同轴线且间隙配合，振动件设置于壳体外且驱动振动支架沿水平方向振动，振动支架为管状结构且其管壁上间隔设置有通孔；打印头组件设置于第二孔远离振动支架的一侧。该装置工作时，熔腔将位于其内的预浸料融化成预浸料溶液，连续纤维从振动支架位于融腔外的一端伸入，依次穿过振动支架、第二孔和打印头组件。此时，预浸料溶液从振动支架的通孔进入振动支架内且与连续纤维接触，为增强连续纤维与预浸料溶液的浸润效果及浸润效率，通过振动件沿水平方向振动振动支架，可以使振动支架带动连续纤维在预浸料溶液中振动，进而可以提升连续纤维与预浸料溶液的浸润效果及浸润效率。
附图说明
22.图1为本发明实施例中连续纤维增强复合材料3d打印头装置的结构示意图。
23.图中：
24.100、连续纤维；
25.11、第一孔；12、第二孔；13、熔腔；14、透气孔；15、隔热层；16、加热层；
26.21、振动件；211、振动发生器；212、变幅杆；213、振动管；22、振动支架；
27.3、打印头组件；31、喷头；32、挤压滚轮；4、送丝滚轮。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.如图1所示，本实施例提供一种连续纤维增强复合材料3d打印头装置，该连续纤维增强复合材料3d打印头装置包括包括壳体、振动组件和打印头组件3，壳体内设置有熔腔13，熔腔13可以将内部的预浸料融化，壳体沿竖直方向设置有第一孔11和第二孔12，第一孔11和所述第二孔12同轴线设置；振动组件包括振动件21和振动支架22，振动支架22从第一孔11部分伸入熔腔13内且与第二孔12所在的壳体的内壁间隙配合，振动支架22与第一孔11同轴线且间隙配合，振动件21设置于壳体外且驱动振动支架22沿水平方向振动，振动支架22为管状结构且其管壁上间隔设置有通孔；打印头组件3设置于第二孔12远离振动支架22的一侧。该结构工作时，熔腔13将位于其内的预浸料融化成预浸料溶液，连续纤维100从振动支架22位于融腔外的一端伸入，依次穿过振动支架22、第二孔12和打印头组件3。此时，预浸料溶液从振动支架22的通孔进入振动支架22内且与连续纤维100接触，为增强连续纤维100与预浸料溶液的浸润效果及浸润效率，通过振动件21沿水平方向振动振动支架22，可以使振动支架22带动连续纤维100在预浸料溶液中振动，进而可以提升连续纤维100与预浸料溶液的浸润效果及浸润效率。
33.本实施例中，预浸料为树脂，树脂在常温下为固体，所以需要熔腔的融化。在其他实施例中，预浸料为液体时，则省去将预浸料融化成液体的步骤。
34.具体地，振动器振动可以为单一方向的振动，也可以是多方向的振动，也可以是圆周振动(振动方向为沿圆周单方向振动或顺时针或逆时针方向振动)。
35.可选地，振动件21包括振动器和振动管213，振动管213插设于第一孔11且与第一
孔11的内壁间隙配合，振动器驱动振动管213沿水平方向振动，振动支架22插设于振动管213且与振动管213固接。本实施例中，振动管213与振动支架22过盈配合，振动管213可以提升振动支架22振动的稳定性。
36.可选地，第一孔11为锥形孔，振动管213插入第一孔11的部分为锥形结构。本实施例中，连续纤维100在振动支架22内滑动时，连续纤维100会带动振动支架22沿竖直方向振动，进而使连续纤维100无法以恒定的速度在振动支架22内滑动，为解决这一问题，将第一孔11和振动管213伸入第一孔11的形状均设置为锥形结构，进而第一孔11的孔壁可以阻止震动管沿竖直方向的大幅度振动。
37.可选地，振动管213远离壳体的一侧设置有两个送丝滚轮4，两个送丝滚轮4间隔设置，且两个送丝滚轮4的间隙与振动支架22相对。本实施例中，两个送丝轮可以将连续纤维100夹紧并送入振动支架22内。
38.可选地，打印头组件3包括喷头31和两个挤压滚轮32，两个挤压滚轮32间隔设置且位于喷头31和壳体之间，两个挤压滚轮32之间的间隙同时与第二孔12和喷头31的入料口相对。本实施例中，两个挤压滚轮32不仅可以与送丝滚轮4配合将连续纤维100拉紧拉直，牵引连续纤维100持续运动，还可以在连续纤维100从熔腔13穿出时及时挤掉连续纤维100上多余的预浸料溶液，使预浸料的粗细质量均匀稳定。
39.可选地，振动器包括振动发生器211和变幅杆212，振动发生器211与壳体固接，变幅杆212一端与振动发声器固接，另一端与振动管213固接；变幅杆212为双曲抛物面结构。变幅杆212主要作用是改变换能器的振幅、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。本实施例中，将变幅杆212设计为双曲抛物面结构可以将超声振动更均匀地传导至振动管213上。
40.可选地，壳体包括隔热层15和位于隔热层15内部的加热层16，加热层16围设成熔腔13。本实施例中，加热层16产生热量，进而对其围设成的熔腔13内的预浸料进行加热融化。隔离层防止加热层16产生的热量流失，同时也可以防止加热层16的热量对周围其他物体造成破坏。在其他实施例中，预浸料为液体时，则省去通过加热层将预浸料融化成液体的步骤。
41.可选地，壳体还包括温度传感器，温度传感器用于检测熔腔13内的温度。本实施例中，加热层16根据温度传感器所检测出的温度，进而实现加热层16的启动、关闭和熔腔13内温度的调节。
42.可选地，壳体还设置有透气孔14。本实施例中，透气孔14可以平衡熔腔13的内外气压，同时也可以通过透气孔14添加预浸料。
43.本实施例还提供一种3d打印机，包括上述方案中的连续纤维增强复合材料3d打印头装置。
44.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。