一种仿生3D打印设备的制作方法

一种仿生3d打印设备
技术领域
[0001]
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种仿生3d打印设备。


背景技术：

[0002]
自然界中动植物结构大多存在各向异性、分级结构，例如翅膀、贝壳、骨头、树叶等，受此启发采用连续纤维增强复合材料分别打印出定制骨架结构及基体，使打印的产品具有可定制强度、分级结构的特点，同时具备轻量化、高强度、仿生的优势，采用该方法及设备打印的仿生结构对军事侦查、海洋监测具有极重要的意义。
[0003]
当前尚未发现采用该方法及设备打印仿生结构，同时采用先增强骨架后基体的方式可避免3d打印支撑的困扰，实现真正的无支撑结构，对打印出的仿生产品可应用于航空航天、医疗卫生、轨道交通等各领域，其应用产品将会对社会的发展起到极大的推动作用。
[0004]
现今，面临国内外复杂局势，快速制备出价格低廉、可定制化强度的轻量化仿生产品急迫且十分必要，填补国内空白。


技术实现要素：

[0005]
本发明实施例提供一种仿生3d打印设备，以解决在先技术中无法快速打印价格低廉、可定制化强度的轻量化各项异性仿生结构。
[0006]
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0007]
一种仿生3d打印设备，用于打印连续纤维增强树脂基可定制强度、多级仿生结构，包括增强系统、基体系统和平台系统，所述增强系统和所述基体系统分别固定在所述平台系统上；
[0008]
所述增强系统包括机械臂模块、增强物料供给模块和增强打印头模块，所述增强打印头模块与所述机械臂模块连接，所述基体系统与所述打印头模块通过软管连通，并提供基体物料给所述增强打印头模块，所述增强物料供给模块将增强物料提供给所述增强打印头模块，所述增强打印头模块将增强物料缠绕在所固化的基体物料上，以形成连续纤维增强骨架结构；
[0009]
所述基体系统包括光学模块、基体物料供给模块、成型旋转模块，成型旋转模块与所述基体物料供给模块通过所述软管连通，所述基体物料供给模块为所述成型旋转模块提供基体物料，所述光学模块将紫外光投影照射到所述成型旋转模块基体物料表面，在连续纤维增强骨架结构的基础上打印出树脂基体仿生结构；
[0010]
其中，所述平台系统包括控制单元，以控制各控制开关完成模型打印。
[0011]
可选地，所述增强打印头模块包含树脂打印单元、纤维缠绕单元、连接法兰，所述连接法兰两端分别与所述机械臂模块、所述树脂打印单元连接；
[0012]
其中，所述树脂打印单元包含内层本体、中层旋转体、外层固定罩，所述连接法兰与所述内层本体连接，所述内层本体与所述外层固定罩连接，其中，所述内层本体和所述外层固定罩相互套设在所述中层旋转体的内层和外层，套设层间用轴承配合，所述中层旋转
体相对于所述内层本体和所述外层固定罩可自由旋转。
[0013]
可选地，所述树脂打印单元还包括紫外灯、基体物料接口、打印喷头，在所述外层固定罩端部均布设有多个所述紫外光灯；
[0014]
所述内层本体分别与所述基体物料接口、所述打印喷头连通，所述基体物料接口与所述基体系统通过所述软管连通。
[0015]
可选地，所述纤维缠绕单元包含缠绕拨片、缠绕动力单元、气动剪刀和纤维供给头，所述中层旋转体一端与所述缠绕拨片连接，所述中层旋转体另一端与所述缠绕动力单元连接，所述缠绕动力单元与所述连接法兰连接，所述缠绕动力单元带动所述缠绕拨片旋转，使连续纤维按照设定方向缠绕在树脂骨架外侧，形成纤维增强骨架结构；
[0016]
所述气动剪刀和所述纤维供给头分别与所述外层固定罩连接，所述气动剪刀可对所述纤维供给头提供的所述增强物料剪断；
[0017]
其中，所述纤维供给头至少包含一组，所述纤维供给头包括微型电机、驱动轮、从动轮，所述微型电机与所述驱动轮连接，所述增强物料通过所述驱动轮与所述从动轮旋转挤压挤出。
[0018]
可选地，所述增强物料供给模块包括增强供给平台、纤维原料单元和界面增强单元，所述增强供给平台与所述平台系统连接，所述纤维原料单元位于所述增强供给平台上，且所述纤维原料单元相对于所述增强供给平台可自由旋转；
[0019]
所述界面增强单元包括增强箱体、旋转辊轮，所述增强箱体与所述旋转辊轮连接，所述旋转辊轮相对于所述增强箱体可自由转动，所述增强箱体内设有碳纳米管树脂分散液体，所述纤维原料单元经过所述碳纳米管树脂分散液体浸润后将增强物料输送给所述增强打印头模块中的所述纤维供给头。
[0020]
可选地，所述纤维原料单元为连续纤维，材料为碳纤维丝束或玻璃纤维或芳纶纤维或金属纤维或碳纳米管纤维丝束，所述增强物料为连续纤维经过所述碳纳米管树脂分散液体浸润后纤维。
[0021]
可选地，所述光学模块包含升降平台、反光镜、dlp数字光机单元，所述dlp数字光机单元将紫外光投影面投影到所述反光镜上，所述反光镜与所述升降平台连接，所述反光镜相对于所述升降平台可上下移动，投影到所述反光镜上的紫外光反射到所述成型旋转模块中的光敏树脂表面。
[0022]
可选地，成型旋转模块包括旋转电机、旋转单元、成型箱、成型台，所述旋转电机与所述旋转单元连接，所述旋转单元与所述成型箱连接，所述成型箱与所述成型台连接，所述成型台相对所述成型箱自由转动，所述旋转电机带动所述旋转单元转动，所述旋转单元带动所述成型台旋转；
[0023]
其中所述成型箱包括成型槽和成型罩，所述成型槽与所述成型罩螺纹连接，所述成型槽与所述平台系统连接。
[0024]
可选地，所述基体物料供给模块至少包含一个基体物料箱及三组流量控制单元，所述基体物料箱存储所述增强物料，所述增强物料为光敏树脂；
[0025]
所述流量控制单元包括微型磁力泵、压力控制器及电磁阀，所述所述微型磁力泵和所述压力控制器电连接，所述压力控制器与所述电磁阀连接，所述流量控制单元的两侧与所述软管连接；
[0026]
所述三组流量控制单元中其中一组用于与所述基体物料接口通过所述软管连通，另外两组与所述成型槽通过软管连接。
[0027]
在本发明实施例中，通过增强打印头模块打印出纤维增强结构，改变丝束缠绕单元缠绕方式可打印出不同类型的纤维增强结构，同时纤维结构具有多级仿生特性，界面增强单元可有效提高树脂与纤维结合力，通过光学模块投影面有效提高基体打印速度，成型旋转模块旋转与光敏树脂液面上升形成基体螺旋成型，打印出的纤维增强树脂基仿生结构具有强度可控，在同等产品结构强度条件下，成本低的优势。同时，利用该方法打印可无需支撑，可打印定制内嵌导线结构。本发明实施例解决了在先技术中层间强度低、打印成本较高、无法实现强度可定制化各项异性仿生结构的问题。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1表示本发明实施例提供的仿生3d打印设备的结构示意图；
[0030]
图2表示本发明实施例提供的增强打印头模块结构示意图；
[0031]
图3表示本发明实施例提供的增强打印头模块剖视图；
[0032]
图4表示本发明实施例提供的纤维供给头结构示意图；
[0033]
图5表示本发明实施例提供的界面增强单元结构示意图；
[0034]
图6表示本发明实施例提供的成型箱结构示意图；
[0035]
图7表示本发明实施例提供的基体物料供给模块结构示意图；
[0036]
图8表示本发明实施例提供的成型旋转模块结构示意图。
[0037]
附图标记说明：
[0038]
10.增强系统；11.机械臂模块；12.增强物料供给模块；121.增强供给平台；122.纤维原料单元；123.界面增强单元；1231.旋转辊轮；1232.增强箱体；13.增强打印头模块；131.树脂打印单元；1311.内层本体；1312.中层旋转体；1313.外层固定罩；1314.轴承；1315.紫外灯；1316.基体物料接口；1317.打印喷头；132.纤维缠绕单元；1321.缠绕拨片；1322.缠绕动力单元；1323.气动剪刀；1324.纤维供给头；1325.微型电机；1326.驱动轮；1327.从动轮；133.连接法兰；20.基体系统；21.光学模块；211.升降平台；212.反光镜；213.dlp数字光机单元；22.基体物料供给模块；221.基体物料箱；222.流量控制单元；223.电磁阀；224.微型磁力泵；225.压力控制器；226.软管；23.成型旋转模块；231.旋转电机；232.旋转单元；233.成型箱；2332.成型槽；2331.成型罩；234.成型台；30.平台系统；31.控制单元；
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
[0040]
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
[0041]
参见图1至图8，本发明一实施例提供了一种仿生3d打印设备，用于打印连续纤维增强树脂基可定制强度、多级仿生结构，包括增强系统10、基体系统20和平台系统30，所述增强系统10和所述基体系统20分别固定在所述平台系统30上；
[0042]
所述增强系统10包括机械臂模块11、增强物料供给模块12和增强打印头模块13，所述增强打印头模块13与所述机械臂模块11连接，所述基体系统20与所述打印头模块13通过软管226连通，并提供基体物料给所述增强打印头模块13，所述增强物料供给模块12将增强物料提供给所述增强打印头模块13，所述增强打印头模块13将增强物料缠绕在所固化的基体物料上，以形成连续纤维增强骨架结构；
[0043]
所述基体系统20包括光学模块21、基体物料供给模块22、成型旋转模块23，成型旋转模块23与所述基体物料供给模块22通过所述软管226连通，所述基体物料供给模块22为所述成型旋转模块23提供基体物料，所述光学模块21将紫外光投影照射到所述成型旋转模块23基体物料表面，在连续纤维增强骨架结构的基础上打印出树脂基体仿生结构；
[0044]
其中，所述平台系统30包括控制单元31，以控制各控制开关完成模型打印。
[0045]
在本发明实施例中，通过增强系统10的设置可以打印出不同缠绕结构类型的连续纤维增强骨架结构，通过更换不同型号打印喷头1317可使树脂骨架变粗或变细；通过改变缠绕动力单元1322的速度及纤维供给头1324的数量，可调节纤维缠绕的疏密，通过调整骨架单元的粗细、数量、方向及连续纤维的疏密最终实现强度的可定制化。
[0046]
需要说明的是，该成型结构具有多根连续纤维树脂骨架，每根纤维树脂骨架包含多组缠绕纤维束，每组纤维束包含上千根纤维丝，类似仿生多级结构；
[0047]
需要说明的是，通过基体系统20的设置可以在连续纤维增强骨架结构的基础上打印出树脂基体仿生结构，同时该设备也可以单独打印连续纤维结构或单独打印基体结构。
[0048]
需要说明的是，机械臂模块11为六自由度机械臂，可实现多方向任意打印，同时节省空间。
[0049]
需要说明的是，所有电子、电气控制开关与所属电子、电气设备电连接，并统一接入控制单元31以实现对模型的控制打印。
[0050]
需要说明的是，导入的连续纤维增强骨架结构三维模型是在基体模型的基础上抽取的骨架结构，打印的基体模型是原始设计的三维模型。
[0051]
需要说明的是，先用机械臂打印纤维增强树脂骨架，然后用dlp投影打印基体可以实现无支撑结构打印。
[0052]
需要说明的是，若将增强物料换成碳纳米管纤维，该设备还可打印定制化内嵌导线的结构件，对打印具有导电的功能产品起到有益效果。
[0053]
可选地，本发明实施例中，所述增强打印头模块13包含树脂打印单元131、纤维缠绕单元132、连接法兰133，所述连接法兰133两端分别与所述机械臂模块11、所述树脂打印单元131连接；
[0054]
其中，所述树脂打印单元131包含内层本体1311、中层旋转体1312、外层固定罩1313，所述连接法兰133与所述内层本体1311连接，所述内层本体1311与所述外层固定罩1313连接，其中，所述内层本体1311和所述外层固定罩1313相互套设在所述中层旋转体1312的内层和外层，套设层间用轴承1314配合，所述中层旋转体1312相对于所述内层本体1311和所述外层固定罩1313可自由旋转。
[0055]
在本发明实施例中，树脂打印单元131的设置主要用于树脂的打印使之产生骨架，便于纤维缠绕，纤维缠绕单元132的设置主要用于对结构增强，通过机械臂的设置实现骨架结构的任意方向的打印。
[0056]
需要说明的是，树脂打印单元131采用内、中、外三层套设，使中层旋转体1312旋转，便于增强物料的可控缠绕。
[0057]
可选地，本发明实施例中，所述树脂打印单元131还包括紫外灯1315、基体物料接口1316、打印喷头1317，在所述外层固定罩1313端部均布设有多个所述紫外光灯1315；
[0058]
所述内层本体1311分别与所述基体物料接口1316、所述打印喷头1317连通，所述基体物料接口1316与所述基体系统20通过所述软管226连通。
[0059]
在本发明实施例中，紫外灯1315均布设置可以使喷头流出的树脂快速、均匀固化，打印喷头1317打印的基体物料从基体系统20中提供更加节约、更容易计算物料消耗。
[0060]
需要说明的是，所述紫外灯控制开关设置在所述控制单元31上，多个所述紫外光灯(1315)与所述紫外灯控制开关电连接。
[0061]
可选地，本发明实施例中，所述纤维缠绕单元132包含缠绕拨片1321、缠绕动力单元1322、气动剪刀1323和纤维供给头1324，所述中层旋转体1312一端与所述缠绕拨片1321连接，所述中层旋转体1312另一端与所述缠绕动力单元1322连接，所述缠绕动力单元1322与所述连接法兰133连接，所述缠绕动力单元1322带动所述缠绕拨片1321旋转，使连续纤维按照设定方向缠绕在树脂骨架外侧，形成纤维增强骨架结构；
[0062]
所述气动剪刀1323和所述纤维供给头1324分别与所述外层固定罩1313连接，所述气动剪刀1323可对所述纤维供给头1324提供的所述增强物料剪断；
[0063]
其中，所述纤维供给头1324至少包含一组，所述纤维供给头1324包括微型电机1325、驱动轮1326、从动轮1327，所述微型电机1325与所述驱动轮1326连接，所述增强物料通过所述驱动轮1326与所述从动轮1327旋转挤压挤出。
[0064]
在本发明实施例中，纤维缠绕单元132的设置目的是使增强物料更加均匀地缠绕在树脂骨架表面。
[0065]
需要说明的是，所述气动剪刀1323的控制开关设置在所述控制单元31上，所述气动剪刀1323与所述剪刀控制开关电连接，所述气动剪刀1323与压缩机连通。
[0066]
需要说明的是，所述微型电机1325的控制开关设置在所述控制单元31上，所述微型电机1325与所述微型电机控制开关电连接。
[0067]
需要说明的是，缠绕拨片1321与纤维供给头1324挤出增强物料的速度一致。
[0068]
可选地，本发明实施例中，所述增强物料供给模块12包括增强供给平台121、纤维原料单元122和界面增强单元123，所述增强供给平台121与所述平台系统30连接，所述纤维原料单元122位于所述增强供给平台121上，且所述纤维原料单元122相对于所述增强供给平台121可自由旋转；
[0069]
所述界面增强单元123包括增强箱体1232、旋转辊轮1231，所述增强箱体1232与所述旋转辊轮1231连接，所述旋转辊轮1231相对于所述增强箱体1232可自由转动，所述增强箱体1232内设有碳纳米管树脂分散液体，所述纤维原料单元122经过所述碳纳米管树脂分散液体浸润后将增强物料输送给所述增强打印头模块13中的所述纤维供给头1324。
[0070]
在本发明实施例中，采用浸润碳纳米管树脂分散液体的连续纤维有利于在纤维表面形成粗糙表面，增加纤维与树脂的摩擦，增强界面，不容易开裂与分层，有利于纤维与树脂的界面结合。
[0071]
需要说明的是，碳纳米管树脂分散液体中，碳纳米管与光敏树脂含量的比例小于1:5。
[0072]
可选地，本发明实施例中，所述纤维原料单元122为连续纤维，材料为碳纤维丝束或玻璃纤维或芳纶纤维或金属纤维或碳纳米管纤维丝束，所述增强物料为连续纤维经过所述碳纳米管树脂分散液体浸润后纤维。
[0073]
可选地，本发明实施例中，所述光学模块21包含升降平台211、反光镜212、dlp数字光机单元213，所述dlp数字光机单元213将紫外光投影面投影到所述反光镜212上，所述反光镜212与所述升降平台211连接，所述反光镜212相对于所述升降平台211可上下移动，投影到所述反光镜212上的紫外光反射到所述成型旋转模块21中的光敏树脂表面。
[0074]
在本发明实施例中，反光镜212投影到光敏树脂表面呈现一定的角度，因此需要在软件控制中按照比例设置投影面，使投影到光敏树脂表面的轮廓与待打印物体的轮廓一致。
[0075]
可选地，本发明实施例中，成型旋转模块23包括旋转电机231、旋转单元232、成型箱233、成型台234，所述旋转电机231与所述旋转单元232连接，所述旋转单元232与所述成型箱233连接，所述成型箱233与所述成型台234连接，所述成型台234相对所述成型箱233自由转动，所述旋转电机231带动所述旋转单元232转动，所述旋转单元232带动所述成型台234旋转；
[0076]
其中所述成型箱233包括成型槽2332和成型罩2331，所述成型槽2332与所述成型罩2331螺纹连接，所述成型槽2332与所述平台系统30连接。
[0077]
在本发明实施例中，由于投影呈现倾斜，势必存在打印的骨架结构阴影区存在无法固化的情况，因此成型台234旋转可以有效避免因阴影遮挡而无法固化的情况。
[0078]
需要说明的是，模型完成打印后，基体物料供给模块22将成型槽2332内的光敏树脂收回，并依次取下成型罩2331及成型台234即可，具有纤维增强树脂基仿生结构的产品位于成型台上。
[0079]
可选地，本发明实施例中，所述基体物料供给模块22至少包含一个基体物料箱221及三组流量控制单元222，所述基体物料箱221存储所述增强物料，所述增强物料为光敏树脂；
[0080]
所述流量控制单元222包括微型磁力泵224、压力控制器225及电磁阀223，所述所述微型磁力泵224和所述压力控制器225电连接，所述压力控制器225与所述电磁阀223连接，所述流量控制单元的两侧与所述软管226连接；
[0081]
所述三组流量控制单元222中其中一组用于与所述基体物料接口1316通过所述软管226连通，另外两组与所述成型槽2132通过软管226连接。
[0082]
在本发明实施例中，设置三组流量控制单元222，实现光敏树脂的不同作用，其中一组用于打印树脂骨架，便于增强物料的缠绕，另外两组与成型槽2132连通，其中一组用于基体物料输入，另一组用于基体物料输出，主要用于控制打印基体时，光敏树脂液面的上升或下降，从而实现基体的分层打印。
[0083]
需要说明的是，至少三组所述电磁阀223控制开关设置在所述控制单元31上，多个所述电磁阀223与所述电磁阀控制开关电连接。
[0084]
本发明的工作原理和工作过程如下：
[0085]
将光敏树脂加入基体物料箱221，将配好的碳纳米管树脂分散液倒入增强箱体1232，碳纳米管树脂分散液至少需漫过旋转辊轮1231，将纤维原料单元122与增强供给平台121连接；
[0086]
将纤维原料单元122上的连续纤维穿过旋转辊轮1231下方，并连接到纤维供给头1324，调平成型台234；
[0087]
将骨架三维模型导入控制单元31，点击控制单元31上的增强打印按钮，模型开始打印连续纤维增强树脂骨架；
[0088]
打印过程中，程序首先打开连通到增强系统20的微型磁力泵224，基体物料箱221中的树脂经过流量控制单元222到达打印喷头1317，并将树脂喷出，与此同时，程序打开紫外光灯控制开关控制紫外光灯1315打开，照射打印喷头1317处的树脂使之固化；
[0089]
程序根据模型需要将控制单元31上的微型电机控制开关打开，纤维供给头1324中的微型电机1325带动驱动轮1326、从动轮1327转动，实现增强物料的挤出，挤出的增强物料与打印喷头1317喷出的树脂在紫外光灯1315的照射下固化，在增强物料挤出的同时带动纤维原料单元122和旋转辊轮1231旋转，使连续纤维浸润后变成增强物料输送给纤维供给头1324；
[0090]
缠绕动力单元1322带动中层旋转体1312旋转，中层旋转体1312带动缠绕拨片1321旋转，缠绕拨片1321带动增强物料完成在树脂骨架外表面的缠绕；
[0091]
完成一根骨架打印后，与增强系统10相连通的流量控制单元222中的电磁阀223关闭，打印喷头1317不再出料，控制气动剪刀1323将纤维供给头1324附近的增强物料剪断，完成一根连续纤维增强树脂骨架的打印；
[0092]
根据模型的形状，在成型台234上重复以上过程完成所有骨架结构的打印；
[0093]
在成型槽2332上安装成型罩2331，打开与成型槽2332连通的一组流量控制单元222，用于基体物料进入成型槽2332中，直到与成型台234平齐，关闭该组流量控制单元222中的电磁阀223；
[0094]
导入基体模型，点击控制单元31开始基体打印，旋转电机231带动旋转单元232，进而带动成型台234开始旋转；
[0095]
同时，与成型槽2332连通的一组流量控制单元222中的电磁阀223打开，基体物料继续向成型槽2332提供，成型槽2332中的液面逐步升高，与此同时，dlp数字光机单元213打开，投影到成型槽2332中的液面上，dlp数字光机单元213逐步上升与液面上升速度一致，螺旋式逐步完成基体逐层打印，该电磁阀223关闭；
[0096]
基体打印完成后，打开与成型槽2332连通的另一组流量控制单元222中的电磁阀223，成型槽2332中的未固化的基体物料逐步流回基体物料箱221中，直到未固化的基体物
料液面处于成型台以下，则与成型槽2332连通的一组流量控制单元222中的电磁阀223关闭。取下成型罩2331，则连续纤维增强树脂基仿生结构模型呈现在成型台234上。
[0097]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0098]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对在先技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0099]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。