[发明专利]碳纤维增强复合材料结构件五自由度3D打印成型装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印装置设计技术领域，具体涉及一种碳纤维增强复合材料结构件五自由度3D打印成型装置及方法。

背景技术

纤维增强材料由于具有高比强度、高比模量等一系列优点，已成为现代工业尤其是航空航天、高级跑车、机器人、医疗领域等的一种重要结构用材。然而现阶段，碳纤维复合材料结构件多采用模压工艺成型，该成型工艺流程复杂，成型设备投资高，生产能耗大，因此制造成本较高、周期长，不适用于结构件的单件小批生产。另外，传统的铺放/模压碳纤维复合材料结构件在装配生产使用前还需要进行修边、打孔等多道工序，由于其硬度高、刚性大属于难加工材料，成型后的复合材料结构难以用传统的冲裁工艺进行修边和冲孔工序加工，现有的铣削和钻削工艺又存在切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈，而且切削过程中因为碳纤维拉断撕裂、切屑卷曲缠绕等问题而影响表面加工质量。因此采用热塑性树脂基碳纤维增强复合材料丝材进行3D打印成型，不需要模具设计、铺放、真空等工艺条件，可快速、低成本成型形状复杂的结构件。

现有3D打印平台多为3自由度运动平台，是以线到面，由面堆积成体的堆增材制造方法，存在打印件结构简单、层间连接强度低等问题；针对三维空间复杂结构件，无法使纤维取向沿受力方向布置；从而大大限制了碳纤维复合材料3D打印技术在工业产品中的应用。

发明内容

针对背景技术中提出的问题，本发明提供了一种碳纤维增强复合材料结构件五自由度3D打印成型装置，包括有底板、支架、X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台、工件支撑板、材料挤出机构，所述支架、X轴滑台、Y轴滑台设置在底板上；

所述工件支撑板通过第一旋转台安装在所述Y轴滑台上，所述第一旋转台带动所述工件支撑板绕Z轴旋转运动，所述Y轴滑台可带动所述工件支撑板和所述旋转台同时沿Y轴方向移动；所述Y轴滑台设置在X轴滑台上，所述X轴滑台可带动所述Y轴滑台沿X轴方向移动；

所述Z轴滑台竖直设置在所述支架上且位于所述工件支撑板上方，所述材料挤出机构通过第二旋转台安装在所述Z轴滑台上，所述第二旋转台带动所述材料挤出机构绕X轴旋转运动，所述Z轴滑台滑动带动所述材料挤出机构同时沿Z轴方向移动。

较佳地，所述工件支撑板下侧设置有加热装置。

较佳地，所述支架采用龙门式框架，所述龙门式框架包括两对称设置的竖板和设置在两竖板上端之间的一横梁，所述横梁平行于Y轴滑台；所述X轴滑台、Y轴滑台设置在两竖板之间，所述Z轴滑台竖直设置在所述横梁上。

较佳地，所述竖板与所述底板之间设置有加强肋。

较佳地，所述材料挤出机构包括有进料口结构和挤出头，所述进料口结构连接导料管，所述挤出头设置在所述进料口结构上，所述进料口结构通过一悬臂安装在第二旋转台上。

本发明还提供了一种碳纤维增强复合材料结构件五自由度3D打印成型方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述的碳纤维增强复合材料结构件五自由度3D打印成型装置，该方法包括以下步骤：

(1)通过计算机控制五自由度3D打印成型装置中的各机构，使X轴滑台、Y轴滑台、Z轴滑台、第一旋转台、第二旋转台回零，回到初始位置，再调整工件支撑台使其处于指定位置来使打印区域范围最大；

(2)启动加热装置，使得工件支撑板达到预热温度；

(3)将碳纤维增强复合材料通过导料管输入到材料挤出机构内，材料先在导料管内融化，到达挤出头部位处于熔融状态，随着不断进料，已熔融的材料从挤出头挤出形成熔丝，在工件支撑板上成型；

(4)挤出头根据计算机输出的模型数据信息走出打印运动轨迹；

(5)经过以上过程，完成五自由度3D打印。

较佳地，挤出头能够实现五自由度运动，包括X轴方向、Y轴方向、Z轴方向三个直线运动和绕X、Z轴旋转两个旋转运动。

较佳地，通过控制打印过程中的铺层路径来控制纤维复合材料的取向，从而得到不同复杂程度纤维复合材料结构件。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：