[发明专利]一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置和方法

说明书

本发明公开了一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置及方法，装置包括3D打印头，还包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块；所述纤维加螺旋模块包括：纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕转向转动；加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。本发明解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本发明方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。

技术领域

本发明涉及连续纤维3D打印技术领域，具体涉及一种提高3D打印连续纤维弹性伸长量的装置和方法。

背景技术

3D打印技术常用增材制造的方式，一般是将液态、熔融态或颗粒状态的材料，通过层层堆积、层层固化的方式加工成型，而近年出现了连续纤维3D打印技术，包括将碳纤维、碳纳米管纤维等高熔点连续纤维，利用3D打印的方式将其打印在结构体内部或表面，其作用主要包括两个方面，其一是用于增强结构体强度，碳纤维等高模量纤维铺设在结构体内部或表面时，可以显著增强结构体强度，其二是作为感知材料，碳纤维、碳纳米管纤维等导电纤维，发生形变时电阻等电学参数会发生相应的变化，可感知结构体的应力、应变等参数。

3D打印柔性智能结构，是利用3D打印技术打印出柔性材料或结构，其具有较大的弹性变形量，并在结构中布置碳纤维、碳纳米管纤维等感知材料，感知结构体的应力、应变等参数，可用于柔性传感器、柔性可穿戴设备等多个领域。

而包括碳纤维、碳纳米管纤维等在内的感知纤维材料，轴向弹性伸长量较小，难以承受大轴向变形，布置在柔性材料或柔性结构中发生较大变形时，会发生塑性变形或直接断裂而失效。

发明内容

本发明提供一种基于3D打印技术的连续纤维弹性增强方法和装置，通过加螺旋的方法提高连续纤维的弹性伸长量，并设计了一个自动加螺旋的装置，解决了部分连续纤维弹性伸长量不足的问题，同时可以调节纤维加螺旋的程度，并具有同步和异步加螺旋两种工作模式。利用本发明方法和装置可以拓宽碳纤维、碳纳米管纤维等柔性纤维在柔性智能结构中的应用。

一种用于连续纤维3D打印中提高纤维弹性伸长量的装置，包括原纤维供应模块、纤维加螺旋模块和纤维收集与供给模块，所述纤维收集与供给模块收集来自纤维加螺旋模块的加螺旋纤维并输送至3D打印头中；

所述纤维加螺旋模块包括：

纤维夹紧头，用于供来自原纤维供应模块的待加螺旋纤维沿轴向通过并夹持待加螺旋纤维限制待加螺旋纤维绕轴向转动；

加螺旋驱动机构，用于驱动所述纤维夹紧头绕纤维轴向转动；

一对压紧辊轴，两个压紧辊轴之间供已加螺旋纤维通过且压紧纤维以限制纤维绕轴线转动。

原纤维供应模块，用于供应需要提高弹性伸长量的原纤维；纤维加螺旋模块，用于在原纤维上加上螺旋，来提高其弹性伸长量；纤维收集与供给模块，用于和加螺旋模块配合，在加螺旋的同时收集加上螺旋的纤维或将加螺旋的纤维直接供应给3D打印头；3D打印头，常用的连续纤维3D打印头，一般包括多个进料口，用于将加好螺旋的纤维打印在结构体内部或表面上。

加螺旋驱动电机，用于带动待加螺旋的纤维段绕轴向转动；纤维夹持头，安装在驱动电机主轴上，用于夹持待加螺旋的纤维。

优选地，所述纤维夹紧头包括一体成型的：

连接部，与所述加螺旋驱动机构的主轴相连；

纤维夹持部，包括两块夹板、位于两块夹板之间的弹性体以及连接两块夹板的夹紧螺栓，弹性体带有供待加螺栓纤维从弹性体中通过的轴孔。