连续纤维增强复合材料3D打印的纤维丝剪断装置和方法

本发明涉及复合材料3d打印技术领域，具体涉及一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置和方法。

背景技术：

复合材料具有优异的使用性能，其比强度高、比刚度高、破损安全高、阻尼减震性好、抗疲劳性能好、可设计性强、耐腐蚀、便于大面积整体成型等独特优点，使其应用范围不断扩大，在航空航天等高技术领域得到了广泛的应用。

目前随着3d打印技术的快速发展，将3d打印技术应用到复合材料领域，从而诞生了连续纤维增强复合材料3d打印技术，不仅降低了复合材料的制造成本，而且有效的提高了其制造效率。但目前专门针对于复合材料3d打印技术开发的剪断装置还比较少，现有的剪断设备通常在打印头前面斩断纤维丝，然后通过二次重送完成接下来的打印过程，存在可靠性差，结构复杂，价格昂贵等缺点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置和方法，装置结构简单，可靠性高，价格低廉，对常见的纤维增强复合材料均适用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架1及其上面安装的步进电机模块2，打印头支架1和打印机连接；步进电机模块2给剪切单元3提供动力，剪切单元3位于步进电机模块2的下方，剪切单元3安装在滑块4上，滑块4在直线滑轨5上面滑动，直线滑轨5通过固定架7安装在打印头支架1上；剪切单元3下方设有打印头6，打印头6固定在打印头支架1上。

所述的滑块4和直线滑轨5共有两对，分别安装在剪切单元3的左右两侧。

所述的步进电机模块2包括步进电机21，步进电机21安装在电机安装板22上，电机安装板22连接在打印头支架1上，步进电机21电机轴和传动螺母23配合连接，传动螺母23连接在传动支架24上，传动支架24和剪切单元3连接。

所述的步进电机21的电机轴为丝杠，传动螺母23与电机轴之间通过螺纹传递动力，将电机轴旋转运动转化成传动螺母23的直线运动。

所述的剪切单元3包括气缸32，气缸32固定在剪切支架31上，剪切支架31和传动支架24连接；气缸32的活塞杆有螺纹孔，与u型支架33连接，u型支架33两端与左右两侧的剪切滑块35连接，剪切滑块35沿剪切滑轨34滑动，剪切滑轨34固定在剪切支架31上；剪切滑块35与连杆36上端通过固定轴37连接，连杆36能够绕固定轴37转动；连杆36另一端通过另一个固定轴37与弧形刀头39连接；弧形刀头39安装在壳体38上，壳体38固定在剪切支架31上。

所述的固定轴37与弧形刀头39、剪切滑块35上面的安装孔采用过盈配合安装，与连杆36之间为间隙配合，实现连杆36绕固定轴37的转动。

所述的壳体38内部设有滑道，弧形刀头39在壳体38的内部左右滑动，且壳体38为耐磨材料制作，并且在接触的位置添加润滑油。

所述的连杆36和与之连接的剪切滑块35、弧形刀头39共同构成一套双滑块结构，将来自气缸(32)的纵向运动转化成横向运动，实现弧形刀头(39)的开合。

所述的弧形刀头39由左弧形刀头391和右弧形刀头392组成，进行剪切时两个刀头对向运动，形成剪切力。

利用一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置的方法，包括以下步骤：

1)将打印头支架1上移；

2)启动步进电机21带动剪切单元3向下运动，打印头6中引出的纤维丝进入弧形刀头39中间；

3)电磁阀控制气缸32推动弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；

4)纤维丝剪断后，电磁阀控制气缸32使弧形刀头39张开；

6)步进电机21带动剪切单元3向上运动复位，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点；

7)将打印头支架1下移，开始执行剩余的打印指令。

本发明的有益效果是：

本发明创造性的提出了使用弧形刀头39剪切预浸纤维丝，在进行剪切过程中，首先将打印头支架1上移；启动步进电机21带动剪切单元3向下运动，打印头6中引出的纤维丝进入弧形刀头39中间；电磁阀控制气缸32使弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；由于纤维丝的横截面为圆形，在进行剪切时弧形刀头39相对于直刃剪刀受力更加均匀，能够更好保证剪断后的纤维截面保持原形状，不被压扁。

本发明使用双滑块机构传递剪切力，通过对双滑块机构的受力分析可知，当气缸32的推力一定时，剪刀的剪切力大小会随着弧形刀头39的闭合逐渐变大，所以双滑块机构能产生更大的剪切力，较好解决剪断不彻底的问题，并且对于常见的纤维都有较好地剪切效果。

本发明结构简单，布置更加合理，用纵向布置的方式实现了横向剪切，节约了打印头6位置的空间，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点，剪切单元3不会对二次打印造成干扰，确保3d打印连续性的技术效果。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置步进电机模块的示意图。

图3是本发明装置剪切单元的示意图。

图4是本发明装置壳体与弧形刀头安装的示意图。

图5是图4的a-a的剖面图。

图6是本发明装置剪切支架的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1，一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置，包括打印头支架1及其上安装的步进电机模块2、剪切单元3、滑块4、直线滑轨5、打印头6和固定架7，打印头支架1通过螺栓和打印机连接；步进电机模块2给剪切单元3提供动力，剪切单元3位于步进电机模块2的下方，剪切单元3连接在滑块4上，滑块4可以沿直线滑轨5滑动，直线滑轨5通过固定架7安装在打印头支架1上，滑块4和直线滑轨5共有两对，分别安装在剪切单元3的左右两侧；剪切单元3下方设有打印头6，打印头6通过螺栓固定在打印头支架1上，打印头6内部安装有加热棒和测温探头，可以将打印头6加热到设定的温度并保持温度恒定。

参照图2，所述的步进电机模块2包括步进电机21、电机安装板22、传动螺母23和传动支架24，步进电机21安装在电机安装板22上，电机安装板22通过螺栓连接固定在打印头支架1上，步进电机21电机轴和传动螺母23配合连接，传动螺母23连接在传动支架24上，传动支架24和剪切单元3连接。

所述的步进电机21的电机轴为丝杠，传动螺母23与电机轴之间通过螺纹传递动力，将电机轴旋转运动转化成传动螺母23的直线运动，传动螺母23通过传动支架24将运动传递给剪切单元3，从而使剪切单元3实现抬起下降动作。

参照图3、图4、图5和图6，所述的剪切单元3包括剪切支架31、气缸32、u型支架33、剪切滑轨34、剪切滑块35、连杆36、固定轴37、壳体38和弧形刀头39；气缸32固定在剪切支架31上，剪切支架31和传动支架24通过螺栓连接；气缸32的活塞杆有螺纹孔，并通过螺栓与u型支架33连接，u型支架33两端通过螺栓与左右两侧的剪切滑块35连接，将气缸32的伸缩运动传递给剪切滑块35；剪切滑块35沿剪切滑轨34滑动，剪切滑轨34固定在剪切支架31上；剪切滑块35与连杆36上端通过固定轴37连接，连杆36可以绕固定轴37转动；连杆36另一端通过另一固定轴37与弧形刀头39连接；弧形刀头39安装在壳体38上，壳体38通过螺栓固定在剪切支架31上，起到支撑作用；剪切支架31两侧通过滑块4、直线滑轨5与打印头支架1连结，在步进电机21的推动下可以实现上下滑动。

所述的固定轴37与弧形刀头39、剪切滑块35上面的安装孔采用过盈配合安装，与连杆36之间为间隙配合，实现连杆36绕固定轴37转动。

所述的壳体38内部设计有滑道，弧形刀头39在壳体38的内部左右滑动，且壳体38为耐磨材料制作，并且在接触的位置应该添加适量的润滑油，减小相对滑动时产生的摩擦阻力。

所述的连杆36和与之连接的剪切滑块35、弧形刀头39共同构成一套双滑块结构，将来自气缸32的纵向运动转化成横向运动，实现弧形刀头39的开合。

参照图5，所述的弧形刀头39由左弧形刀头391和右弧形刀头392组成，进行剪切时两个刀头对向运动，形成剪切力。

打印时，剪切单元3处于抬起状态；剪切时，步进电机21推动剪切单元3向下移动到达剪切位置，气缸32推动剪切滑块35向下运动，通过连杆36将纵向位移转变为横向位移，弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；剪切后，气缸32拉动剪切滑块35向上运动，弧形刀头39张开，步进电机21拉动剪切单元3上移，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点，完成剪切过程。

利用一种连续纤维增强复合材料3d打印的纤维丝剪断装置的方法，包括以下步骤：

1)将打印头支架1上移；

2)启动步进电机21带动剪切单元3向下运动，打印头6中引出的纤维丝进入弧形刀头39中间；

3)电磁阀控制气缸32推动弧形刀头39闭合，剪断纤维丝；

4)纤维丝剪断后，电磁阀控制气缸32使弧形刀头39张开；

6)步进电机21带动剪切单元3向上运动复位，复位后的剪切单元3最低点高于打印头6最低点；

7)将打印头支架1下移，开始执行剩余的打印指令。

3d打印玻璃纤维丝增强树脂基复合材料，到剪切点时，打印头支架1升高5mm，剪切单元3下降7mm，分别以3、4、5、6kgf/cm²的气压进行剪切，结果发现气缸32压力为3kgf/cm²时，纤维丝完全没有被剪断；气缸32压力为4、5kgf/cm²时，只有部分纤维丝被剪断，切口处有较多毛刺；气缸32压力为6kgf/cm²时，纤维丝完全被剪断，断口处比较平整，因此当气缸压力为6kgf/cm²时，玻璃纤维增强树脂基复合材料丝材剪断效果最好。