本發(fā)明屬于3d打印，具體涉及一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、為了滿足制造業(yè)快速生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需求，3d打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注；然而，現(xiàn)有3d打印材料在工程應(yīng)用中的耐用性不足，加之3d打印設(shè)備硬件性能的局限性，使得該技術(shù)的應(yīng)用仍主要集中于原型制作階段。為將3d打印工藝擴(kuò)展至最終產(chǎn)品制造階段，以聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)和聚苯硫醚(pps)為代表的高性能半結(jié)晶聚合物正逐步成為高性能3d打印的首選材料，這些材料憑借優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能，適用于極端工作環(huán)境下零部件的制造，并與現(xiàn)有的3d打印系統(tǒng)具有較好的兼容性。

2、當(dāng)前，高性能3d打印技術(shù)的主要挑戰(zhàn)在于其層間結(jié)合強(qiáng)度較低。為提高打印件的力學(xué)性能，研究人員提出了一些改進(jìn)措施，如專利申請“一種太空環(huán)境3d打印的地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備”(公開號：cn105716892a)真空環(huán)境下的3d打印、專利申請“基于半開放式高溫回轉(zhuǎn)打印裝置及工藝”(公開號：cn118163354a)高溫3d打印等方式，通過調(diào)整加工環(huán)境來改善打印件的力學(xué)性能；此外，另有專利申請“一種可變形熱壓3d打印裝置”(cn112873830a)引入熱軋輥裝置，通過增加打印過程中的壓力以改善打印件的機(jī)械性能。雖然這些方法能夠在一定程度上提升3d打印件的力學(xué)性能，但它們存在應(yīng)用場景受限、設(shè)備要求較高等問題?，F(xiàn)有的熱壓裝置使用固定的熱軋輥，限制了打印的方向和路徑選擇，且無法在打印過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓力大小與纖維張力，導(dǎo)致力學(xué)性能提升效果不顯著。

3、綜上所述，現(xiàn)階段缺乏一種適用于多種場合且具備低成本、高效可控性的打印裝置，用以有效提高3d打印樣件層間結(jié)合性能，該技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了高性能3d打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是高性能零部件制造中的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)及方法，通過可旋轉(zhuǎn)熱軋輥實(shí)現(xiàn)熱壓方向與打印路徑的精確匹配，并通過力控反饋裝置實(shí)現(xiàn)熱軋輥壓力與纖維張緊力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，有效減少打印過程中可能產(chǎn)生的缺陷，顯著提升打印樣件的機(jī)械性能。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)，包括纖維張緊裝置1，纖維張緊裝置1固定在龍門打印臺橫梁2上，龍門打印臺橫梁2通過連接件3與力控反饋裝置4相連，力控反饋裝置4底部連接有熱壓裝置5。

4、所述的纖維張緊裝置1包括固定筒12，固定筒12兩端支撐在左纖維支架13與右纖維支架14上，固定筒12的一端連接有磁性阻尼器15；固定筒12上套有連續(xù)碳纖維11。

5、所述的力控反饋裝置4包括與連接件3連接的絲杠導(dǎo)軌42，絲杠導(dǎo)軌42上連接第一步進(jìn)電機(jī)41，絲杠導(dǎo)軌42上連接滑塊44，第一步進(jìn)電機(jī)41用于驅(qū)動(dòng)滑塊44進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)；滑塊44通過第一異形鈑金件45與中空旋轉(zhuǎn)平臺410連接，第一異形鈑金件45通過l形鈑金件46與張力傳感器47相連；中空旋轉(zhuǎn)平臺410下方和熱壓裝置5之間連接有第一壓力傳感器48和第二壓力傳感器49；中空旋轉(zhuǎn)平臺410上方連接有第二步進(jìn)電機(jī)411，第二步進(jìn)電機(jī)411驅(qū)動(dòng)熱壓裝置5的旋轉(zhuǎn)；絲杠導(dǎo)軌42通過第二異形鈑金件43和加熱塊413連接，加熱塊413與中空旋轉(zhuǎn)平臺410位于同一軸線上，且在熱壓裝置5的上方，加熱塊413下方連接有打印噴嘴412。

6、所述的熱壓裝置5包括連接板51，連接板51的下方連接有u形鈑金件52，u形鈑金件52通過加熱棒與熱軋輥53連接。

7、所述的熱軋輥53上開設(shè)有凹槽，以便在纖維轉(zhuǎn)向時(shí)固定纖維位置。

8、利用一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)的方法，包括下列步驟：

9、1)生成打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印路徑，并設(shè)置相應(yīng)的第二步進(jìn)電機(jī)411脈沖值，使之在打印方向變化時(shí)通過中空旋轉(zhuǎn)平臺410驅(qū)動(dòng)熱壓裝置5旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在任意打印方向上有效熱壓；

10、2)第一步進(jìn)電機(jī)41驅(qū)動(dòng)滑塊44下降到一定高度，通過第一壓力傳感器48和第二壓力傳感器49監(jiān)測初始壓力；

11、3)調(diào)節(jié)磁性阻尼器15的阻尼大小，使連續(xù)纖維11在磁性阻尼器15與熱軋輥53壓實(shí)的約束下張緊，通過張力傳感器47監(jiān)測當(dāng)前張力；

12、4)根據(jù)打印要求，設(shè)定熱軋輥53與加熱塊413的溫度；

13、5)打印過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測打印壓力與纖維張力，實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的多傳感器實(shí)時(shí)反饋和閉環(huán)控制；

14、6)重復(fù)步驟1)～步驟5)，打印下一零件。

15、所述步驟5)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測是指建立基于深度學(xué)習(xí)的多傳感器實(shí)時(shí)反饋和閉環(huán)控制，建立打印壓力、纖維張力與層間剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，找到最優(yōu)力學(xué)組合。

16、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

17、由于本發(fā)明可旋轉(zhuǎn)熱軋輥采取了力控反饋裝置，通過多傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測與閉環(huán)控制，能夠在打印過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱壓方向和壓力，確保纖維張力的精確控制，因此具有有效減少微觀孔隙、提升打印件表面質(zhì)量和力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，打印過程中的靈活性和制造精度得以大幅提升，降低了整體制造成本，為高性能3d打印在工業(yè)應(yīng)用中的推廣提供了新的解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)，包括纖維張緊裝置(1)，其特征在于：纖維張緊裝置(1)固定在龍門打印臺橫梁(2)上，龍門打印臺橫梁(2)通過連接件(3)與力控反饋裝置(4)相連，力控反饋裝置(4)底部連接有熱壓裝置(5)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的纖維張緊裝置(1)包括固定筒(12)，固定筒(12)兩端支撐在左纖維支架(13)與右纖維支架(14)上，固定筒(12)的一端連接有磁性阻尼器(15)；固定筒(12)上套有連續(xù)碳纖維(11)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的力控反饋裝置(4)包括與連接件(3)連接的絲杠導(dǎo)軌(42)，絲杠導(dǎo)軌(42)上連接第一步進(jìn)電機(jī)(41)，絲杠導(dǎo)軌(42)上連接滑塊(44)，第一步進(jìn)電機(jī)(41)用于驅(qū)動(dòng)滑塊(44)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)；滑塊(44)通過第一異形鈑金件(45)與中空旋轉(zhuǎn)平臺(410)連接，第一異形鈑金件(45)通過l形鈑金件(46)與張力傳感器(47)相連；中空旋轉(zhuǎn)平臺(410)下方和熱壓裝置(5)之間連接有第一壓力傳感器(48)和第二壓力傳感器(49)；中空旋轉(zhuǎn)平臺(410)上方連接有第二步進(jìn)電機(jī)(411)，第二步進(jìn)電機(jī)(411)驅(qū)動(dòng)熱壓裝置(5)的旋轉(zhuǎn)；絲杠導(dǎo)軌(42)通過第二異形鈑金件(43)和加熱塊(413)連接，加熱塊(413)與中空旋轉(zhuǎn)平臺(410)位于同一軸線上，且在熱壓裝置(5)的上方，加熱塊(413)下方連接有打印噴嘴(412)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的熱壓裝置(5)包括連接板(51)，連接板(51)的下方連接有u形鈑金件(52)，u形鈑金件(52)通過加熱棒與熱軋輥(53)連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于：所述的熱軋輥(53)上開設(shè)有凹槽，以便在纖維轉(zhuǎn)向時(shí)固定纖維位置。

6.利用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種用于連續(xù)纖維3d打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括下列步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述步驟5)中的實(shí)時(shí)監(jiān)測是指建立基于深度學(xué)習(xí)的多傳感器實(shí)時(shí)反饋和閉環(huán)控制，建立打印壓力、纖維張力與層間剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，找到最優(yōu)力學(xué)組合。

技術(shù)總結(jié)
一種用于連續(xù)纖維3D打印的可旋轉(zhuǎn)熱軋輥系統(tǒng)及方法，包括纖維張緊裝置，纖維張緊裝置固定在龍門打印臺橫梁上，龍門打印臺橫梁與力控反饋裝置相連，力控反饋裝置底部連接熱壓裝置；力控反饋裝置包括絲杠導(dǎo)軌，絲杠導(dǎo)軌上連接第一步進(jìn)電機(jī)，絲杠導(dǎo)軌上連接滑塊；滑塊與中空旋轉(zhuǎn)平臺、張力傳感器相連；中空旋轉(zhuǎn)平臺下方和熱壓裝置之間連接壓力傳感器；中空旋轉(zhuǎn)平臺上方連接驅(qū)動(dòng)熱壓裝置的旋轉(zhuǎn)的第二步進(jìn)電機(jī)，絲杠導(dǎo)軌和加熱塊連接，加熱塊在熱壓裝置的上方，加熱塊下方連接打印噴嘴；本發(fā)明通過可旋轉(zhuǎn)熱軋輥實(shí)現(xiàn)熱壓方向與打印路徑的精確匹配，并通過力控反饋裝置實(shí)現(xiàn)熱軋輥壓力與纖維張緊力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，顯著提升打印樣件的機(jī)械性能。

技術(shù)研發(fā)人員：田小永,劉明良,張燦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9