[发明专利]一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维丝嵌入技术，特别涉及一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法和装置。

背景技术

碳纤维(Carbon Fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良的性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳、腐蚀性好，热膨胀系数小且具有各向异性及良好的导电导热性能等。碳纤维丝在拉应变下其电阻随应变呈正比例增加，在压应变下电阻随应变的增加而呈正比例减小，呈现出良好的导电性和压阻效应，具有良好的自感知特性。

例如公开号为CN103422587A的专利文献公开了一种碳纤维电阻传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层电极和碳纤维智能传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述碳纤维智能传感层位于GFRP约束段内，碳纤维智能传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，碳纤维智能传感层与耗能钢芯之间留有间隙，碳纤维智能传感层与传感层电极连接，碳纤维智能传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫。上述装置具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。

基于现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上发展起来的快速成形制造技术(Rapid Manufacturing，简称RM)可以无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计(CAD)数据，直接、快速、精确地制造出具有一定功能的新产品原型或直接制造零件。其基本原理是“分层制造，逐层叠加”，将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列的层片，大大降低了加工难度，同时也为嵌入式加工制造创造了有利的条件。

三维打印技术作为快速成形制造技术的一种，其打印结构的强度一直是众多用户和科学研究者长期关注的问题。将碳纤维丝嵌入到打印结构中可有效解决该问题。图1为打印的PLA塑料结构中有无纤维丝的标准试样抗弯实验对比效果，可见通过嵌入纤维丝可有效提高打印结构抗弯强度，同样的抗拉强度也相应大幅提高。此外，碳纤维丝自感知功能可实现对打印的结构状态实时监测，从而实时了解打印结构的形变或破坏等情况。

但目前通过碳纤维丝增强打印结构的强度方式一般为打印材料使用碳纤维或者在完成打印后包覆碳纤维丝等方式，尚缺乏将碳纤维丝直接嵌入到三维打印结构的有效手段，因此，建立一种能够自动铺设碳纤维丝并可施加预紧力的装置对于提升三维打印结构品质具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，操作简单，可以有效增强打印结构的强度以及嵌入具有实时监测功能的碳纤维敏感元。

一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的方法，包括以下步骤：

(1)采用三维打印进行打印结构制造，每制造一层后进行判断是否需要进行纤维丝的铺设，如果需要铺设纤维丝则进入步骤(2)，如果不需要则进入步骤(3)；

(2)将预张紧的碳纤维丝铺设在最新一层的打印结构上；

(3)进行三维打印下一层制造。

本发明还提供了一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，一种基于三维打印的嵌入预张紧碳纤维的装置，包括：

工作台；

储丝模块；

纤维丝预张紧模块，用于拉伸来自储丝模块的纤维丝；

升降和平移模块，安装在工作台上用于驱动纤维丝预张紧模块将预张紧的纤维丝运嵌入打印结构的任一叠加层上；

断丝模块，用于切断嵌入三维打印结构中的纤维丝的尾部。为了便于进行断丝，所述断丝模块包括断丝剪和伸缩缸；当拉伸纤维丝时，所述伸缩缸带动断丝剪缩回，避免干涉纤维丝；当铺丝结束时，所述伸缩缸带动断丝剪伸出至纤维丝并将其剪断。

本发明装置和方法是基于三维打印技术的，将已经施加预紧力的碳纤维嵌入打印结构中，解决碳纤维在三维打印制造过程中的自动铺设问题，同时可实现碳纤维丝预紧力大小可调，实现制造出的结构带有自监测功能。

拉伸纤维丝的方式很多，为了提高拉伸的稳定性，优选的，所述纤维丝预张紧模块包括：

平移轨道，安装在升降和平移模块上且带有驱动机构；驱动机构可以采用滚珠丝杆等平移结构，具有结构简单、运行稳定的优点，驱动机构还可以是驱动轮结构，直接安装在第一安装座和第二安装座上，通过电机带动驱动轮转动从而带动平移轨道上的第一安装座和第二安装座至少一个移动。