基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置
技术领域
1.本发明涉及3d打印装置技术领域，具体为基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置。
背景技术：2.与传统的注塑成型﹑压模成型和纤维缠绕等纤维增强复合材料制造成型技术相比，fdm作为一种快速原型制造技术﹐具有个性化可定制特点﹐克服了生产模具成本高、工艺复杂﹑成型时间长等制造局限性,在工程和医学领域设计制造、视觉辅助﹑演示、教育和装配模型等方面有着广阔的应用前景,可节省大量的时间和制造成本。
3.现有fdm3d打印机一般均为三轴打印机，打印碳纤维增强复合材料结构件效果较差，在打印回转截面时需要x、y两轴联动划出圆或椭圆轨迹，但两轴联动会使打印精度下降。在打印薄壁体时，打印时的挤出料容易塌落,在不加支撑的情况下允许向外延伸的角度有限，仅有三轴移动的打印机构无法满足更多的打印需求。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，包括壳体，所述壳体内部下端固定设置有底板10，所述底板10上端两侧均固定设置有窗体，所述窗体上端固定设置有内壁，所述内部上端固定设置有上支撑板，所述壳体内部在上支撑板上端设置有用于3d打印时进行移动的导轨机构，所述壳体内部在导轨机构下端设置有用于3d打印的喷头机构，所述壳体内部在喷头打印机构下端设置有可以沿着两个方向进行转动的旋转机构。
6.优选的，所述导轨机构x轴导轨、y轴导轨、z轴导轨，所述上支撑架上端固定设置有x轴导轨，所述x轴导轨上端设置有y轴导轨，所述y轴导轨表面设置有z轴导轨，通过导轨组件可以方便带动需要打印的喷头在三个方向进行自由移动。
7.优选的，所述喷头机构包括加热头零件、喷头支架、加热块、喷头风扇、喷头、挤出机，所述z轴导轨下端固定设置有加热头零件，所述加热头零件外侧表面固定设置有喷头支架，所述喷头支架内部设置有喷头风扇，所述喷头支架下端设置有喷头，所述喷头外侧表面固定设置有加热块，所述z轴导轨上端设置有挤出机，所述挤出机内部与喷头之间通过软管相互连通；通过喷头机构可以方便进行3d打印工作。
8.优选的，所述旋转机构包括轴承盖、轴承、侧支撑轴、立柱、转台，所述内壁表面固定设置有立柱，所述立柱外侧表面上端设置有轴承盖，所述轴承盖内部活动设置有轴承，所述轴承内侧中设置有侧支撑轴，所述侧支撑轴外侧表面中部固定设置有c轴罩，所述侧支撑轴表面在c轴罩一侧固定设置有c轴壳，所述侧支撑轴中部在c轴罩、c轴罩之间通过转轴活动设置有转台；为了方便后续记忆与使用先将侧支撑轴的可以转动方向记为b轴，而转台所
在转轴记为c轴，b轴与y轴导轨同向，可以带动转台围绕y轴进行转动，c轴与z轴导轨同向，c轴可以带动转台绕z轴方向转动；从而可以在进行3d打印时，相对于传统的打印技术使得喷头除了可以在x、y、z轴移动之外，还可以相对产品在c轴、b轴上进行移动。
9.优选的，所述上支撑板下端固定设置有灯条；通过灯条可以方便使用者观察加工区域。
10.优选的，所述内壁表面一侧固定设置有后侧挡板；通过后侧挡板可以对加工区域进行隔离，从而可以提高加工效果。
11.优选的，所述x轴导轨、y轴导轨、z轴导轨内部均设置有丝杆组件，y轴导轨通过x轴导轨内部的丝杆组件的螺母可以沿着x轴进行前后平移，z轴导轨通过y轴内部丝杆组件的螺母可以在y轴上进行左右平移，而z轴内部的丝杆组件可以带动z轴导轨整体在z轴竖直方向上进行上下平移。
12.优选的，所述y轴导轨、z轴导轨、x轴导轨表面一侧设置有步进电机所述步进电机的输出轴端通过联轴器与y轴导轨、z轴导轨、x轴导轨内部丝杆组件的丝杆传动连接；同时步进电机还多设置有两个分别与b、c两个转轴进行传动相连，如此可以带动喷头沿着x、y、z进行轴向运动，而通过步进电机带动b、c两个转轴可以带动转动盘上端需要打印的物品再进行两个轴向的运动。
13.优选的，所述后侧挡板表面一侧固定设置有温控器，所述后侧挡板表面在温控器一侧固定设置有edr-150-24v电源，所述后侧挡板表面在edr-150-24v电源一侧固定设置有edr-240-24v电源，所述后侧挡板上端表面固定设置有机柜通风过滤网组，所述edr-150-24v电源表面固定设置有电源接头，所述机柜通风过滤网组表面一侧固定设置有步进电机驱动器，所述步进电机驱动器与步进电机之间电性连接；所述后侧挡板表面一侧固定设置有侧门，所述壳体固定设置有急停开关。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.1、本发明通过增加旋转轴实现五轴运动，降低打印曲面件的难度，缩短打印时间。通过pc-based框架实现碳纤维增强复合材料的特殊角度铺层，为打印各种碳纤维增强复合材料薄壁件节约支撑材料，提高材料成型后的力学性能和利用率，达到绿色、高效的打印效果。
附图说明
16.图1为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置整体结构示意图；
17.图2为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置壳体32内部后视图；
18.图3为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置整体结构视图；
19.图4为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置导轨组件的整体结构图；
20.图5为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置转台的整体结构示意图；
21.图6为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置z轴丝杆的结构示意图；
22.图7为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置控制方案总体设计图；
23.图8为本发明基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置打印系统工作流程图。
24.图中：1、加热头零件；2、喷头支架；3、喷头风扇；4、喷头；5、加热块；6、挤出机；7、c轴罩；8、c轴壳；9、灯条；10、底板；11、窗体；12、内壁；13、轴承盖；14、轴承；15、侧支撑轴；16、立柱；17、转台；18、后侧挡板；19、z轴导轨；20、y轴导轨；21、x轴导轨；22、上支撑板；23、步进电机；24、温控器；25、edr-150-24v电源；26、edr-240-24v电源；27、机柜通风过滤网组；28、电源接头；29、步进电机驱动器；30、侧门；31、急停开关；32、壳体。
具体实施方式
25.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，所描述的实施例仅仅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做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。
26.请参阅图1-8所示，基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，如图1与图2所示，底板10设置在壳体32底部，窗体11连接在底板10两侧，内壁12通过螺栓连接在两侧窗体11的l型凹槽上，立柱16将窗体11与内壁挡板12进行同步固定，侧支撑轴15的两端通过轴承14与立柱16连接，轴承14外侧连接有轴承盖13，侧支撑轴15一端固定设置有c轴罩7和c轴壳8，而侧支撑轴15起到了连接和固定的作用；侧支撑轴15一端与步进电机23传动连接，可以在步进电机23的带动下转动，此转动方向记为b轴；c轴罩7和c轴壳8中部设置有转台17，在初始状态下该转台的旋转轴记为c轴，c轴被c轴罩7与c轴壳8保护，c轴绕z轴方向转动，具体地见图5转台的结构示意图；转台上设置有打印工作转台17，内壁12上侧设置有上支撑板22，两条平行对称的x轴导轨21设置在上支撑板22的两侧，且一端与步进电机23固连从而驱动内部的丝杆组件运动；y轴导轨20通过连接臂与x轴导轨21连接，且一端与步进电机23连接从而驱动内部的丝杆组件运动；z轴导轨21通过连接臂与y轴导轨22螺纹连接，且一端与步进电机23连接从而驱动导轨运动；挤出机6固定在z轴导轨21上，打印耗材进入进料管后通过挤出机6运送到喷头4处进行加热，喷头支架2固定在z轴导轨21底部，喷头支架2内设置有喷头风扇3，可以在控制面板调节风扇大小，加热块5设置在喷头支架2底部，喷头4与加热块5螺纹连接，设置在加热块5底部，打印机的外型如图三所示，打印机壳体32将主要工作部件与供能部件保护起来，壳体32上方设置有三组打印料架与料盘，壳体32正前方设置有前门与显示屏幕，本发明实现对于回转体类的实体打印，在原有xyz三维直角坐标打印结构的基础上，增加了转台的两个转动自由度，从而可以提高装置的打印效果。
27.请参阅图7、图8所示，本发明还公开了一种与本装置配套的打印控制系统，包括面板后的内板上方水平并排放置的6个闭环步进电机驱动器29，分别作用于x轴导轨电机、y轴导轨电机、z轴导轨电机、b轴电机、c轴转台电机、挤出机，edr-150-24v电源25和edr-240-24v电源26两个电源安置在内板下方，温控箱24安置在电源旁，相关导线均由线槽安置整
理，机柜通风过滤网27设置在壳体32后方，用于工作空间的换气与过滤，上位机系统通过网口与ethercat架构直接连接，上位机软件在调试过程中完成对打印机硬件的调试，打印中通过执行切片软件生成统一标准的g代码完成打印过程。步进电机23驱动模块由6个步进电机驱动器组成，ethercat架构完成对x、y、z、b、c轴步进电机23以及挤丝步进电机23的控制驱动。x、y、z、b、c限位开关通过工控机调试ethercat架构实现3d打印机对于x、y、z、b、c轴限位的寻找。温度控制模块包含喷头温度传感器、温控仪、继电器和热床温度传感器、温控仪、继电器，温度传感器连接于加热块和热床用于实时监测温度并反馈给温控仪和继电器以实现在给定温度时进行加热的过程。散热风扇连接于电源组件并由控制软件进行调节，散热风扇帮助喉管在打印过程中冷却。当检测到打印指令时开始加热热床、加热喷头4，若达到打印温度，则接收解析g代码，执行零件的打印，打印结束后关闭加热模块，打印平台与喷头复位结束打印。
28.打印开始前，碳纤维增强复合材料通过导料管输入到材料挤出机构内，材料接近加热块5后融化，到达喷头4部位处于熔融状态，已熔融的材料从喷头4流出，在转台17上的打印工作平台成型，喷头4根据pc-based系统框架读取的g代码指令沿轨迹运动，打印结束后喷头4自动复位。于pc-based的温控系统可以连续反馈材料熔融温度，使丝材在打印过程中具有较好的层粘合性与低翘曲性，实现丝材的高精度叠层与曲线纤维铺层，得到符合要求的纤维复合材料打印件，本发明可以更好地进行打印过程中碳纤维增强复合材料在打印结构中的填充，能够有效打印出具有复杂曲面、特殊铺层结构的碳纤维增强复合材料结构件，使打印结构件具有高比刚度、高比强度的性能，实现碳纤维增强复合材料的在熔融沉积领域的广泛应用。
29.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。
30.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：1.一种基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，包括壳体(32)，其特征在于：所述壳体(32)内部下端固定设置有底板(10)，所述底板(10)上端两侧均固定设置有窗体(11)，所述窗体(11)上端固定设置有内壁(12)，所述内部上端固定设置有上支撑板(22)，所述壳体(32)内部在上支撑板(22)上端设置有用于3d打印时进行移动的导轨机构，所述壳体(32)内部在导轨机构下端设置有用于3d打印的喷头(4)机构，所述壳体(32)内部在喷头(4)打印机构下端设置有可以沿着两个方向进行转动的旋转机构。2.根据权利要求1所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述导轨机构x轴导轨(21)、y轴导轨(20)、z轴导轨(19)，所述上支撑架上端固定设置有x轴导轨(21)，所述x轴导轨(21)上端设置有y轴导轨(20)，所述y轴导轨(20)表面设置有z轴导轨(19)。3.根据权利要求2所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述喷头(4)机构包括加热头零件(1)、喷头支架(2)、加热块(5)、喷头风扇(3)、喷头(4)、挤出机(6)，所述z轴导轨(19)下端固定设置有加热头零件(1)，所述加热头零件(1)外侧表面固定设置有喷头支架(2)，所述喷头支架(2)内部设置有喷头风扇(3)，所述喷头支架(2)下端设置有喷头(4)，所述喷头(4)外侧表面固定设置有加热块(5)，所述z轴导轨(19)上端设置有挤出机(6)，所述挤出机(6)内部与喷头(4)之间通过软管相互连通。4.根据权利要求1所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述旋转机构包括轴承盖(13)、轴承(14)、侧支撑轴(15)、立柱(16)、转台(17)，所述内壁(12)表面固定设置有立柱(16)，所述立柱(16)外侧表面上端设置有轴承盖(13)，所述轴承盖(13)内部活动设置有轴承(14)，所述轴承(14)内侧中设置有侧支撑轴(15)，所述侧支撑轴(15)一端固定设置有c轴罩(7)，所述侧支撑轴(15)表面在c轴罩(7)一侧固定设置有c轴壳(8)，所述c轴罩(7)、c轴壳(8)之间通过转轴活动设置有转台(17)。5.根据权利要求1所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述上支撑板(22)下端固定设置有灯条(9)。6.根据权利要求1所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述内壁(12)表面一侧固定设置有后侧挡板(18)。7.根据权利要求2所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述x轴导轨(21)、y轴导轨(20)、z轴导轨(19)内部均设置有丝杆组件。8.根据权利要求2所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述y轴导轨(20)、z轴导轨(19)、x轴导轨(21)表面一侧设置有步进电机(23)，所述步进电机(23)的输出轴端通过联轴器与y轴导轨(20)、z轴导轨(19)、x轴导轨(21)内部丝杆组件的丝杆传动连接。9.根据权利要求1所述的基于pc-based的碳纤维增强复合材料五轴3d打印装置，其特征在于：所述后侧挡板(18)表面一侧固定设置有温控器(24)，所述后侧挡板(18)表面在温控器(24)一侧固定设置有edr-150-24v电源(25)，所述后侧挡板(18)表面在edr-150-24v电源(25)一侧固定设置有edr-240-24v电源(26)，所述后侧挡板(18)上端表面固定设置有机柜通风过滤网组(29)，所述edr-150-24v电源(25)表面固定设置有电源接头(28)，所述机柜通风过滤网组(29)表面一侧固定设置有步进电机(23)驱动器(29)，所述步进电机(23)驱动器(29)与步进电机(23)之间电性连接；所述后侧挡板(18)表面一侧固定设置有侧门(30)，
所述壳体(32)固定设置有急停开关(31)。
技术总结本发明公开了基于PC-Based的碳纤维增强复合材料五轴3D打印装置，包括壳体，所述壳体内部下端固定设置有底板，所述底板上端两侧均固定设置有窗体，所述窗体上端固定设置有内壁，所述内部上端固定设置有上支撑板，所述壳体内部在上支撑板上端设置有用于3D打印时进行移动的导轨机构，所述壳体内部在导轨机构下端设置有用于3D打印的喷头机构。本发明增加一个转台转动和一个轴转动的布局方式，通过三个直线运动和两个回转运动实现五个自由度的组合运动可以很大程度上提高碳纤维增强复合材料打印件的力学性能，增加底盘的两个转动自由度可以解决2.5D制造中台阶效应和支撑等问题，提高打印效率与打印精度。提高打印效率与打印精度。
技术研发人员：周蕊 岳扬 杨利 张芳芳
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1
