[發明專利]碳纖維增強復合材料結構件五自由度3D打印成型裝置及方法

在審

• 申請號: 201611039583.4
• 申請日: 2016-11-21
• 公開（公告）號: CN107914387A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 劉大利;李曉琴;彭福軍;周哲波
• 申請（專利權）人: 上海宇航系統工程研究所
• 主分類號: B29C64/10
• 分類號: B29C64/10;B29C64/227;B33Y30/00;B33Y70/00;B33Y10/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及3D打印裝置設計技術領域，具體涉及一種碳纖維增強復合材料結構件五自由度3D打印成型裝置及方法。

背景技術

纖維增強材料由于具有高比強度、高比模量等一系列優點，已成為現代工業尤其是航空航天、高級跑車、機器人、醫療領域等的一種重要結構用材。然而現階段，碳纖維復合材料結構件多采用模壓工藝成型，該成型工藝流程復雜，成型設備投資高，生產能耗大，因此制造成本較高、周期長，不適用于結構件的單件小批生產。另外，傳統的鋪放/模壓碳纖維復合材料結構件在裝配生產使用前還需要進行修邊、打孔等多道工序，由于其硬度高、剛性大屬于難加工材料，成型后的復合材料結構難以用傳統的沖裁工藝進行修邊和沖孔工序加工，現有的銑削和鉆削工藝又存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈，而且切削過程中因為碳纖維拉斷撕裂、切屑卷曲纏繞等問題而影響表面加工質量。因此采用熱塑性樹脂基碳纖維增強復合材料絲材進行3D打印成型，不需要模具設計、鋪放、真空等工藝條件，可快速、低成本成型形狀復雜的結構件。

現有3D打印平臺多為3自由度運動平臺，是以線到面，由面堆積成體的堆增材制造方法，存在打印件結構簡單、層間連接強度低等問題；針對三維空間復雜結構件，無法使纖維取向沿受力方向布置；從而大大限制了碳纖維復合材料3D打印技術在工業產品中的應用。

發明內容

針對背景技術中提出的問題，本發明提供了一種碳纖維增強復合材料結構件五自由度3D打印成型裝置，包括有底板、支架、X軸滑臺、Y軸滑臺、Z軸滑臺、工件支撐板、材料擠出機構，所述支架、X軸滑臺、Y軸滑臺設置在底板上；

所述工件支撐板通過第一旋轉臺安裝在所述Y軸滑臺上，所述第一旋轉臺帶動所述工件支撐板繞Z軸旋轉運動，所述Y軸滑臺可帶動所述工件支撐板和所述旋轉臺同時沿Y軸方向移動；所述Y軸滑臺設置在X軸滑臺上，所述X軸滑臺可帶動所述Y軸滑臺沿X軸方向移動；

所述Z軸滑臺豎直設置在所述支架上且位于所述工件支撐板上方，所述材料擠出機構通過第二旋轉臺安裝在所述Z軸滑臺上，所述第二旋轉臺帶動所述材料擠出機構繞X軸旋轉運動，所述Z軸滑臺滑動帶動所述材料擠出機構同時沿Z軸方向移動。

較佳地，所述工件支撐板下側設置有加熱裝置。

較佳地，所述支架采用龍門式框架，所述龍門式框架包括兩對稱設置的豎板和設置在兩豎板上端之間的一橫梁，所述橫梁平行于Y軸滑臺；所述X軸滑臺、Y軸滑臺設置在兩豎板之間，所述Z軸滑臺豎直設置在所述橫梁上。

較佳地，所述豎板與所述底板之間設置有加強肋。

較佳地，所述材料擠出機構包括有進料口結構和擠出頭，所述進料口結構連接導料管，所述擠出頭設置在所述進料口結構上，所述進料口結構通過一懸臂安裝在第二旋轉臺上。

本發明還提供了一種碳纖維增強復合材料結構件五自由度3D打印成型方法，其特征在于，采用權利要求1-5中任意一項所述的碳纖維增強復合材料結構件五自由度3D打印成型裝置，該方法包括以下步驟：

(1)通過計算機控制五自由度3D打印成型裝置中的各機構，使X軸滑臺、Y軸滑臺、Z軸滑臺、第一旋轉臺、第二旋轉臺回零，回到初始位置，再調整工件支撐臺使其處于指定位置來使打印區域范圍最大；

(2)啟動加熱裝置，使得工件支撐板達到預熱溫度；

(3)將碳纖維增強復合材料通過導料管輸入到材料擠出機構內，材料先在導料管內融化，到達擠出頭部位處于熔融狀態，隨著不斷進料，已熔融的材料從擠出頭擠出形成熔絲，在工件支撐板上成型；

(4)擠出頭根據計算機輸出的模型數據信息走出打印運動軌跡；

(5)經過以上過程，完成五自由度3D打印。

較佳地，擠出頭能夠實現五自由度運動，包括X軸方向、Y軸方向、Z軸方向三個直線運動和繞X、Z軸旋轉兩個旋轉運動。

較佳地，通過控制打印過程中的鋪層路徑來控制纖維復合材料的取向，從而得到不同復雜程度纖維復合材料結構件。

本發明由于采用以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：