连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头及其打印方法

本发明属于先进制造，尤其涉及连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头及其打印方法。

背景技术：

1、连续纤维增强树脂基复合材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性好等优势，在航空航天、轨道交通等领域具有广阔的应用前景。连续纤维增材制造主要是基于熔融沉积原理，利用打印喷头将热塑性树脂加热至熔融状态并挤出堆积，在此过程中将连续纤维添加到树脂中去作为增强体，然后通过层层堆积，最终固化成形。根据打印原理的不同，连续纤维增材制造工艺主要分为两类：连续纤维/基体材料在机实时加热混合打印工艺和将材料复合工序前置的连续纤维预浸丝材打印工艺。前者虽可实现纤维含量的调控，但后者较前者可有效改善纤维浸渍水平，且制件纤维含量更高。故在实际研究应用中以连续纤维预浸丝材打印工艺居多。为克服传统平面分层过程造成的结构层间性能较差、阶梯效应造成的表面质量缺陷等局限性，基于更高自由度的机械臂打印平台逐渐成为研究热点。

2、研究表明连续纤维张力对复合材料制品的表面质量、纤维含量和力学性能有较大影响。对于机械臂打印平台，机械臂末端执行点速度与挤出机速度的匹配性造成的连续纤维预浸丝材张力变化则直接影响成形质量。但目前针对连续纤维张力控制的研究大多以织造、缠绕成型工艺为背景，关于连续纤维增材制造张力控制的极少，且见于连续纤维/基体材料在机实时加热混合打印工艺中，以连续纤维干丝为控制对象。连续纤维预浸丝材打印工艺受限于丝材脆性较大(特别是常见碳纤维预浸丝材)和实际应用中打印头体积限制，并不适合常用滑轮式张力传感器。

3、因此开发一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头对于基于连续纤维预浸丝打印工艺的机械臂打印平台具有显著的实际工程应用价值。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，目的是实现预浸丝材挤出机送丝速度与打印头运动速度的自适应匹配，以容限实际打印中两者速度的匹配误差；实现打印送进中预浸丝材张力的定值调控。最终以实现连续纤维预浸丝材的高质量成形。

2、一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，包括上固定板、中固定板、下固定板，上固定板与机械臂末端法兰连接、预浸丝材挤出机连接、支撑结构件及加热管连接。

3、上、中、下固定板通过四根光轴固定连接，其中上固定板与下固定板被四根光轴固定位置，中固定板则在内侧两个光轴导向下，具有上下运动自由度可浮动，作用是通过这个结构可以将打印中丝材张力转化为压力.

4、但中固定板上侧的两个固定块设定了中固定板的上运动限位；中固定板固定有预浸丝材挤出机，预浸丝材挤出机进料口由导向软管引出，导向软管由预浸丝材挤出机左上方安装的固定器支撑固定；中固定板下侧依次设有支撑弹簧、弹簧固定台、压力传感器、支撑结构件；压力传感器上安装有弹簧固定台，并固定在支撑结构件上；支撑结构件上留有送丝导向孔位，该处安装有导向直管，相邻一侧安装有固定舵机及其所控制驱动的断丝刀片，断丝刀片可在支撑结构件下端面处对预浸丝材进行断丝动作。

5、加热管通过螺纹固定在下固定板上，其外壁绕有加热线圈对控温加热，下端则通过螺纹装配有可替换规格的喷嘴；预浸丝材由导向软管送入预浸丝材挤出机后至喷嘴送出保持树脂线性状态送出打印。

6、进一步的，所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头的打印方法，包括以下主要步骤：

7、步骤1：将目标模型导入3d打印切片软件，设置打印速度及其他参数，获得挤出机送丝速度、打印头运动速度以及打印路径等其他指令信息；

8、步骤2：在打印系统中设置丝材张力f值；

9、步骤3：将指令信息导入打印系统，在线读取指令，开始实时打印动作；挤出机送丝速度与打印头运动速度的匹配性决定预浸渍丝材的张力，以压力传感器数值实时显示；打印系统以丝材张力f值为目标值，实时反馈调节挤出机送丝速度指令，使得压力传感器数值为f，完成样件打印。

10、进一步的，所述的打印头结构可实现预浸丝材挤出机送丝速度与打印头运动速度的自适应匹配：当预浸丝材挤出机送丝速度与打印头运动速度相匹配时，支撑弹簧受压变形一定，此时压力传感器显示为一稳定标称值f0；当预浸丝材挤出机送丝速度与打印头运动速度不匹配，即压力传感器显示标称值f波动，此时压力信号反馈调节预浸丝材挤出机速度以主动调节与打印头运动速度相匹配。

11、进一步的，所述的打印头结构可通过调节预浸丝材挤出机速度与打印头运动速度的匹配度，反馈支撑弹簧受压变形量，作用为压力传感器信号，以实现打印送进中预浸丝材张力的定值调控。

12、本发明的有益效果如下：

13、该打印头结构通过挤出机的柔性压力反馈固定机构，容限挤出机送丝速度和打印头运动速度的匹配误差造成的连续纤维预浸丝的拖拽损伤，同时基于挤出机位移变化影响的压力传感器数值量化挤出机送丝速度和打印头运动速度的匹配度，并反馈调节挤出机送丝速度，使其与打印头运动速度实现自适应匹配。除此之外，也可通过设定不同的压力值，以实现打印送进中预浸丝材张力的定值调控。最终实现连续纤维预浸丝材的高质量成形。

技术特征：

1.一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，包括上固定板(001)、下固定板(017)和固定在下固定板(017)底部的喷嘴(019)；其中上固定板(001)与下固定板(017)被四根光轴(002)固定位置；其特征在于，其中上固定板(001)和下固定板(017)之间设有中固定板(005)；中固定板(005)则在内侧两个光轴(002)导向下，具有上下运动自由度可浮动；中固定板(005)固定有预浸丝材挤出机(011)，预浸丝材挤出机(011)进料口由导向软管(003)引出，中固定板(005)下侧依次设有支撑弹簧(006)、弹簧固定台(014)、压力传感器(015)和支撑结构件(016)；支撑结构件(016)上留有送丝导向孔位，该处安装有导向直管(013)，相邻一侧安装有固定舵机(007)及其所控制驱动的断丝刀片(008)，断丝刀片(008)可在支撑结构件(016)下端面处对预浸丝材(012)进行断丝动作；加热管(018)通过螺纹固定在下固定板(017)上，其外壁绕有加热线圈(009)对其控温加热，下端则通过螺纹装配有可替换规格的喷嘴(019)。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，其特征在于：中固定板(005)上侧的两个固定块(004)设定了中固定板(005)的上运动限位。

3.根据权利要求1所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，其特征在于：导向软管(003)由预浸丝材挤出机(011)左上方安装的固定器(010)支撑固定

4.根据权利要求1所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，其特征在于：其中上固定板(001)与机械臂末端法兰连接。

5.根据权利要求1所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头的打印方法，其特征在于，包括以下主要步骤：

6.根据权利要求1所述的一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头的打印方法，其特征在于，当预浸丝材挤出机(011)送丝速度与打印头运动速度相匹配时，支撑弹簧(006)受压变形量一定，此时压力传感器(015)显示为一稳定标称值f0；当预浸丝材挤出机(011)送丝速度与打印头运动速度不匹配，即压力传感器(015)显示标称值f波动，此时压力信号反馈调节预浸丝材挤出机(011)速度以主动调节与打印头运动速度相匹配。

技术总结
本发明提供一种连续纤维送进直压式张力在线控制的打印头，该打印头结构通过由光轴、支撑弹簧、弹簧固定台、压力传感器等部件构成的挤出机柔性压力反馈固定机构，容限挤出机送丝速度和打印头运动速度的匹配误差造成的连续纤维预浸丝的拖拽损伤，同时基于挤出机位移变化影响的压力传感器数值量化挤出机送丝速度和打印头运动速度的匹配度，并反馈调节挤出机送丝速度，使其与打印头运动速度实现自适应匹配。除此之外，也可通过设定不同的压力值，以实现打印送进中预浸丝材张力的定值调控。最终实现连续纤维预浸丝材的高质量成形。

技术研发人员：单忠德,宋亚星,宋文哲,范聪泽,郑菁桦,陈意伟,许家勋
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14