机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统
阅读说明：本技术 机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统 (Robot-assisted large-scale fiber-reinforced heterogeneous multi-material in-situ additive manufacturing system ) 是由 沈洪垚 牛成成 姚鑫骅 栾丛丛 徐冠华 傅建中 谈学锋 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统,包括：多功能打印平台、机械臂以及与机械臂末端固定的纤维增强的多材料打印头,所述的多材料打印头上设有多路冷却系统；所述的机械臂在靠近末端的位置设有控制板,通过控制板控制多材料打印头在多功能打印平台上进行打印；所述多材料打印头包括：上连接板、与上连接板通过固定柱连接的下连接板、设置在上连接板和下连接板之间的四个树脂料盘和一个纤维料盘、与上连接板上端面固定的旋转机构、与下连接板下端面固定的喷嘴；所述喷嘴的进料端设有分别与四个树脂料盘和一个纤维料盘对应的五个进料口。利用本发明,可以实现大范围连续纤维与多种树脂的原位浸渍打印。(The invention discloses a robot-assisted large-scale fiber-reinforced heterogeneous multi-material in-situ additive manufacturing system, which comprises: the device comprises a multifunctional printing platform, a mechanical arm and a fiber-reinforced multi-material printing head fixed at the tail end of the mechanical arm, wherein a multi-path cooling system is arranged on the multi-material printing head; the mechanical arm is provided with a control panel at a position close to the tail end, and the multi-material printing head is controlled by the control panel to print on the multifunctional printing platform; the multi-material printhead includes: the device comprises an upper connecting plate, a lower connecting plate connected with the upper connecting plate through a fixing column, four resin trays and a fiber tray which are arranged between the upper connecting plate and the lower connecting plate, a rotating mechanism fixed with the upper end face of the upper connecting plate, and a nozzle fixed with the lower end face of the lower connecting plate; the feed end of the nozzle is provided with five feed inlets corresponding to the four resin material trays and the fiber material tray respectively. By utilizing the invention, the in-situ impregnation printing of the continuous fibers and various resins in a large range can be realized.)
技术领域
本发明涉及连续纤维增强树脂技术领域，尤其是涉及一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统。
背景技术
碳纤维具有高比强度、高比模量，耐高温等优点，尤其是以连续碳纤维增强塑料为代表的复合材料，已经广泛应用于航空航天，交通运输，压力容器、体育用品以及其他高端制造领域。在碳纤维增强树脂复合材料中，主要分为短碳纤维增强和连续纤维增强两大部分，其中短纤维增强的复合材料打印的样件表面精度更高，但其机械性能提升并不明显，于此不同的是，连续纤维增强的复合材料的机械性能更优，其主要取决于复合材料中纤维的体积分数。
但目前连续碳纤维增强树脂以单种树脂和碳纤维复合的研究较多，涉及的塑料包括热塑性塑料(聚乳酸,丙烯腈丁二烯苯乙烯,聚碳酸酯，聚醚酰亚胺，聚亚苯基砜和聚醚醚酮树脂等)和热固性塑料(环氧树脂等)。
如公开号为CN111791515A的中国专利文献公开了一种大丝束长碳纤维热塑性复合材料及其制备方法，大丝束碳纤维受到上压辊和下支撑辊的牵引，从入模口进入模具，同时从出模口离开模具，树脂熔体从模腔上部进入模具，在重力作用下自上而下浸没大丝束碳纤维，二者可以充分接触，实现热塑性树脂熔体与大丝束碳纤维良好浸渍。
公开号为CN105348768A的中国专利文献公开了一种碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造方法，首先将碳纤维表面上浆剂的去除，再进行镀金属处理，水洗、表面热处理后以开纤状态导入到含有熔融热塑性树脂的浸渍模头中，使热塑性树脂熔融包覆在碳纤维表面，再经过冷却、切粒后，制成碳纤维增强热塑性树脂复合材料。
但是，现有的技术大多以单种树脂和碳纤维复合为主，连续碳纤维与多种树脂材料的复合较少出现。
发明内容
本发明提供了一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统，可以实现大范围连续纤维与多种树脂的原位浸渍打印。
一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统，包括：多功能打印平台、机械臂以及与机械臂末端固定的纤维增强的多材料打印头，所述的多材料打印头上设有多路冷却系统；所述的机械臂在靠近末端的位置设有控制板，通过控制板控制多材料打印头在多功能打印平台上进行打印；
所述多材料打印头包括：上连接板、与上连接板通过固定柱连接的下连接板、设置在上连接板和下连接板之间的四个树脂料盘和一个纤维料盘、与上连接板上端面固定的旋转机构、与下连接板下端面固定的喷嘴；所述喷嘴的进料端设有分别与四个树脂料盘和一个纤维料盘对应的五个进料口。
进一步地，所述喷嘴的进料端设有一个纤维进料口和四个树脂进料口；其中，纤维进料口位于中心，四个树脂进料口均匀布置在纤维进料口的四周，与纤维进料口的间距为15～25mm；
喷嘴在纤维进料口和树脂进料口之间的位置设有加热模块和温控模块；
所述喷嘴的出料端设有一个纤维出料口和四个树脂出料口，四个树脂出料口均匀布置在纤维出料口的四周，与纤维出料口的间距为0.2～2.5mm。
进一步地，所述下连接板的下端面固定有四个挤出电机，四个挤出电机的输入端分别与四个树脂料盘一一对应，四个挤出电机的输出端分别与喷嘴的四个树脂进料口连接。
所述的旋转机构包括：
与机械臂末端固定的固定法兰盘、与固定法兰盘下端固定的旋转电机、与旋转电机输出端连接的轴向连接件，所述轴向连接件的下端与上连接板固定，所述的旋转电机的外部设有电刷，电刷的上端与固定法兰盘固定。
通过设置旋转机构，可以使多材料打印头绕其自身轴线无限旋转，而不会出现导线的缠绕问题。
进一步地，所述的上连接板与下连接板之间至少设有两根固定柱，所述的下连接板上还设有至少一根竖杆；所述的固定柱和竖杆上均设有水平支撑杆，所述的树脂料盘和纤维料盘可转动的套设在对应的水平支撑杆上。
优选地，所述的纤维料盘设置在四个树脂料盘的中间位置。纤维料盘置于靠中间的位置，使得纤维料盘中的纤维进入喷嘴中心的纤维进料口时阻力更小，更顺畅。
所述的多路冷却系统包括：多路分气块、气泵、减压阀以及若干冷却管；
所述的多路分气块固定在固定柱上，所述多路分气块的进气端通过带减压阀的气管与气泵连接，所述多路分气块的出气端与若干冷却管固定连接，所述的若干冷却管的末端出气孔分别对应控制板和四个挤出电机。
可选择地，所述的四个树脂料盘内装填的材料包括但不限于聚乳酸、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮和聚亚苯基砜树脂；
可选择地，所述的纤维料盘内装填的材料包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和玄武岩纤维。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过对打印平台、纤维增强的多材料打印头、冷却系统设计组合，同时结合机械臂的大范围运动空间，可以实现大范围连续纤维与多种树脂的原位浸渍的打印系统。
2、本发明通过设置旋转机构，使多材料打印头绕其自身轴线无限旋转，而不会出现导线的缠绕问题；喷嘴配合四个树脂料盘和一个纤维料盘，可同时实现树脂材料的四进四出以及连续纤维的进出；喷嘴上的加热模块和温控模块可以将树脂材料加热到指定温度，更好的与连续纤维复合；多路冷却系统可同时输出压缩气体对挤出电机和控制板进行冷却。
附图说明
图1为本发明一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统的整体结构示意图；
图2为机械臂的结构示意图；
图3为多材料打印头的结构示意图；
图4为多材料打印头另一方向的结构示意图；
图5为多材料打印头中喷嘴的结构示意图；
图6为多材料打印头中喷嘴的出料端示意图；
图7为多路冷却系统的结构示意图；
图8为多路冷却系统安装在多材料打印头上的结构示意图；
图9为本发明实施例中打印的连续碳纤维增强的多材料复合结构的截面图；
图10为本发明系统的打印原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统，主要由多功能打印平台1、多路冷却系统2、纤维增强的多材料打印头3、控制板4和机械臂5构成。多材料打印头3固定在机械臂5的末端，多材料打印头3上设有多路冷却系统2；机械臂5在靠近末端的位置设有控制板4，通过控制板4控制多材料打印头3在多功能打印平台1上进行打印。
如图2和图3所示，机械臂5通过机械臂底座501固定在水平面上。机械臂5末端的法兰盘502和多材料打印头3的固定法兰盘303固定连接。
如图3、图4所示，多材料打印头3主要包括上连接板311、下连接板312、树脂料盘313、纤维料盘314、旋转电机315、轴向连接件301、电刷302、固定法兰盘303、固定柱304、挤出电机一305、挤出电机二306、喷嘴307、挤出电机三308、挤出电机四309和风扇310。风扇310用于对喷嘴307冷却。
上连接板311与下连接板312通过固定柱304连接，上连接板311和下连接板312之间的设有四个树脂料盘313和一个纤维料盘314。具体的，上连接板311与下连接板312之间至少设有两根固定柱304，下连接板312上还设有至少一根竖杆316。固定柱304和竖杆316上均设有水平支撑杆，树脂料盘313和纤维料盘314可转动的套设在对应的水平支撑杆上。本实施例中，纤维料盘314设置在四个树脂料盘313的中间位置。
如图5所示，喷嘴307的进料端设有一个纤维进料口41和四个树脂进料口42；其中，纤维进料口41位于中心，四个树脂进料口42均匀布置在纤维进料口41的四周，靠近喷嘴进料端的边缘，与纤维进料口的间距为15～25mm。喷嘴307在纤维进料口41和树脂进料口42之间的位置设有三个加热模块安装孔43和一个温控模块安装孔44，用于安装加热模块和温控模块。
如图6所示，喷嘴307的出料端设有一个纤维出料口45和四个树脂出料口46，四个树脂出料口46均匀布置在纤维出料口45的四周，与纤维出料口45的间距为0.2～2.5mm。
挤出电机一305、挤出电机二306、挤出电机三308和挤出电机四309固定在下连接板312的下端面，四个挤出电机的输入端分别与四个树脂料盘313一一对应，四个挤出电机的输出端分别与喷嘴307的四个树脂进料口42连接。
旋转电机315固定在固定法兰盘303的下端，旋转电机315的输出端与轴向连接件301的上端连接，轴向连接件301的下端与上连接板311固定，旋转电机315的外部设有电刷302，电刷302的上端与固定法兰盘303固定。
如图7和图8所示，多路冷却系统2主要由多路分气块205、冷却管一201、冷却管二202、冷却管三203、冷却管四204、冷却管五206、冷却管六207、气管接头208、气管一209、减压阀210、气管二211和气泵212组成。
气泵212与气管二211固定连接，气管二211与减压阀210固定连接，减压阀210与气管一209固定连接，气管一209与气管连接件208固定连接，冷却管一201、冷却管二202、冷却管三203、冷却管四204、冷却管五206、冷却管六207分别与多路冷却块205固定连接。
多路冷却系统2冷却原理为：气泵212产生压缩空气，经由气管二211到达减压阀210，通过减压阀210调节气体压强，之后压缩空气通过气管一209到达多路分气块205，在多路分气块205中分别从冷却管一201、冷却管二202、冷却管三203、冷却管四204、冷却管五206、冷却管六207流出。其中冷却管一201、冷却管四204、冷却管二202和冷却管三203分别对挤出电机四309、挤出电机三308、挤出电机二306和挤出电机一305散热。冷却管五206和冷却管六207对控制板4散热。其中风扇310对喷嘴307冷却。
如图9所示，为本发明实施例中连续碳纤维增强的多材料复合结构的截面图，四个树脂进料口42分别对应三种树脂材料，分别为材料一11、材料二12、材料三13、材料二12，即材料一11和材料三13正对，两个材料二12正对，连续纤维碳14从纤维进料口41进入。
打印过程中，材料一11和材料二12，材料二12和材料三13之间加热后冷却固化在一起，材料二12浸渍并包裹连续碳纤维14。
如图10所示，为本发明系统的打印原理。单层打印路径中要求连续碳纤维增强的多材料复合结构与打印路径保持垂直。喷嘴307挤出连续碳纤维增强的多材料复合结构，喷嘴037沿着打印路径进行移动，同时绕自身轴线旋转一定角度，保证在打印路径上，打印出的连续碳纤维增强的多材料复合结构与打印路径垂直。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。