本发明涉及熔融沉积技术领域，尤其涉及一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头及使用方法。
背景技术：
3d打印(3dp)即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
而现有技术中并未使用连续纤维增强材料，连续纤维增强材料是一种柔性的线材，一般以丝状呈现，其具有高模量、高强度、低比重、耐磨损等优异特性，在航空航天、国防军工以及民用工业等领域有着重要的应用前景。
传统的连续纤维增强材料成型工艺有热压成型、rtm成型、缠绕成型、拉挤成型、层压成型等，对推动连续纤维增强材料的发展应用起到了十分重要的作用，但一直以来都存在一些缺点无法克服，例如大部分成型工艺需要专用的模具，成型过程复杂且加工成本高，很难实现复杂结构件的快速制造，大大限制了连续纤维增强材料的应用范围。近年来3d打印技术的快速发展使复杂纤维复合材料制品快速生产成为可能，3d打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给连续纤维增强材料应用注入了新的活力。
然而，目前针对连续纤维增强材料3d打印工艺的研究还处于起步阶段，仍然存在一些不足：
1、现有连续纤维增强材料3d打印技术方案，基本都是利用滚动轮来输送打印材料，但是由于连续纤维增强材料是一种柔性的线材，通过滚动轮输送容易出现由于材料刚性不足而变形，最终导致线材送进出现误差甚至失败，大大影响了送料的稳定性和精确性；
2、在热塑性材料和连续纤维增强材料混合送料打印时，由于纤维增强材料的物理特性，喷嘴往往在使用一段时间后就会堵塞，需要疏通或更换才能继续进行打印做工，十分不便。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头及使用方法，主要解决以主从动轮机构作为连续纤维耗材挤出的动力来源导致打印稳定性差、精度不足以及连续纤维增强材料和热塑性耗材混合打印过程中喷嘴容易堵塞的问题。
为解决上述技术问题，本发明一方面公开了一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，包括基架，所述基架上安装有平行设置的连续纤维耗材打印头以及热塑性耗材打印头；
所述连续纤维耗材打印头包括螺杆导料套管和导料螺杆，所述螺杆导料套管内部具有沿长度方向设置的第一腔体，所述第一腔体内安装有导料螺杆，所述螺杆导料套管的末端收窄形成打印头，所述螺杆导料套管的侧壁设有开孔，所述开孔用于连续纤维耗材进入所述第一腔体内；
所述基架上还安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述导料螺杆的一端连接。
在一些实施方式中，所述基架包括第一平面板和第二平面板，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，所述第一平面板上设置有所述驱动电机，所述第二平面板上设置有所述螺杆导料套管，所述第二平面板与所述螺杆导料套管的连接处为所述第一腔体的顶端入口，所述第一腔体的顶端入口设置在所述驱动电机的正下方。
在一些实施方式中，所述第二平面板还设有第二腔体，所述第二腔体与所述开孔同轴，所述第二腔体内设有导料管，所述导料管的一端与所述开孔连接，所述导料管用于引导连续纤维耗材沿导料管进入第一腔体。
在一些实施方式中，所述热塑性耗材打印头包括喉管、加热管和喷嘴，所述喉管安装在所述第二平面板上，所述加热管套设在所述喉管的外壁，所述喷嘴连接在所述喉管的下端。
在一些实施方式中，还包括送料机构，所述送料机构包括主动送料轮和从动送料轮，所述主动送料轮和所述从动送料轮安装在所述第一平面板上，所述主动送料轮和所述从动送料轮的转动轴心均与所述第二平面板所在的平面平行，所述主动送料轮和所述从动送料轮转动配合将所述热塑性耗材垂直递送至所述喉管的顶端入口。
在一些实施方式中，还包括调节装置，所述调节装置包括固定块、调节弹簧和把手，所述固定块通过所述第一平面板上设置的卡槽安装在所述第一平面板上，所述固定块的一端与所述从动送料轮连接，所述固定块的另一端与所述把手连接，所述固定块和第一平面板之间设有所述调节弹簧。
本发明另一方面公开了一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头使用方法，所述方法用于上述的3d打印挤出头，包括连续纤维耗材打印使用方法以及热塑性耗材打印使用方法，所述连续纤维耗材打印使用方法以及所述热塑性耗材打印使用方法同时进行，连续纤维耗材与热塑性耗材分别通过独立的送料机构挤出并在同一打印层进行混合打印成型；
所述连续纤维耗材打印使用方法具体为：驱动电机驱动导料螺杆旋转，带动连续纤维耗材沿导料管进入第一腔体，螺杆导料套管下端挤出连续纤维耗材；
所述热塑性耗材打印使用方法具体为：热塑性耗材通过主动送料轮和所述从动送料轮驱动进入喉管，经加热管加热后形成熔融状态并从喷嘴挤出。
本发明的有益效果为：连续纤维耗材采用螺杆式送料机构送进，避免柔性的连续纤维耗材(即连续纤维增强材料)送进过程中刚性不足导致的移动距离误差，大大提高了送料的稳定性和精确性；同时，连续纤维耗材与热塑性耗材分别采用独立的机构送料，极大降低了喷嘴堵塞的风险。
附图说明
图1为本发明实施例公开的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头的立体图；
图2为本发明实施例公开的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头的剖视图；
图3为图2沿a线范围内的局部放大图；
图4为连续纤维耗材和热塑性耗材混合打印的示意图。
其中：1-螺杆导料套管，2-导料螺杆，3-第一腔体，4-开孔，5-驱动电机，6-联轴器，7-第一平面板，8-第二平面板，9-第二腔体，10-导料管，11-喉管，12-加热管，13-喷嘴，14-主动送料轮，15-从动送料轮，16-固定块，17-调节弹簧，18-把手，19-卡槽，20-连续纤维耗材，21-热塑性耗材，22-轴承。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
参阅图1、2、3，本实施例提出了一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，包括基架，基架上安装有平行设置的连续纤维耗材打印头以及热塑性耗材打印头；
连续纤维耗材打印头包括螺杆导料套管1和导料螺杆2，螺杆导料套管1内部具有沿长度方向设置的第一腔体3，第一腔体3内安装有导料螺杆2，螺杆导料套管1的末端收窄形成打印头，螺杆导料套管1的侧壁设有开孔4，开孔4用于连续纤维耗材20进入第一腔体3内；
基架上还安装有驱动电机5，驱动电机5的输出轴通过联轴器6与导料螺杆2的一端连接，导料螺杆2和螺杆导料套管1通过轴承22连接。
本发明中，连续纤维耗材20采用螺杆式送料机构送进，避免柔性的连续纤维耗材20送进过程中刚性不足导致的移动距离误差，大大提高了送料的稳定性和精确性；同时，连续纤维耗材20与热塑性耗材21分别采用独立的机构送料，极大降低了喷嘴堵塞的风险。其中，连续纤维耗材20与热塑性耗材21分开送料挤出后在同一打印层进行混合打印。
实施例二
在以上实施例一的基础上，基架包括第一平面板7和第二平面板8，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，第一平面板7上设置有驱动电机5，第二平面板8上设置有螺杆导料套管1，第二平面板8与螺杆导料套管1的连接处为第一腔体3的顶端入口，第一腔体3的顶端入口设置在驱动电机5的正下方。
作为本实施例的优选实施方案，通过在第一平面板7上预先设置一块电机固定板，驱动电机5安装在电机固定板上，间接安装在第一平面板7上。
第二平面板8还设有第二腔体9，第二腔体9与开孔4同轴，第二腔体9内设有导料管10，导料管10的一端与开孔4连接，导料管10用于引导连续纤维耗材20沿导料管10进入第一腔体3。
实施例二与实施例一的其中一个显著区别在于，实施例二采用了导料管10，由于连续纤维耗材20在挤出期间存在顺畅的需求，应当避免连续纤维耗材20的原料被对折超过90°，故增加倾斜的导料管10后(从图2中可见，导料管10与螺杆导料套管1形成了一个钝角)，连续纤维耗材20的原料不会因为重力下垂产生直角或者锐角。另外，该导料管10以第二平面板8上钻空的第二腔体9作为容纳腔，继而与螺杆导料套管1管壁的开孔4连接，增强了机械强度。
热塑性耗材打印头包括喉管11、加热管12和喷嘴13，喉管11安装在第二平面板8上，加热管12套设在喉管11的外壁，喷嘴13连接在喉管11的下端。
还包括送料机构，送料机构包括主动送料轮14和从动送料轮15，主动送料轮14和从动送料轮15安装在第一平面板7上，主动送料轮14和从动送料轮15的转动轴心均与第二平面板8所在的平面平行，主动送料轮14和从动送料轮15转动配合将热塑性耗材21垂直递送至喉管11的顶端入口。
作为本实施例的优选实施方案，送料机构上可以增设一个热塑性耗材固定装置，避免热塑性耗材在传送的过程中脱轨。再有，主动送料轮14的转动轴与可调速电机的输出轴连接，该可调速电机设置在第一平面板7的背面(图中未示)，作为主动送料轮14的动力来源。
实施例三
在以上实施例二的基础上，还包括调节装置，调节装置包括固定块16、调节弹簧17和把手18，固定块16通过第一平面板7上设置的卡槽19安装在第一平面板7上，固定块16的一端与从动送料轮15连接，固定块16的另一端与把手18连接，固定块16和第一平面板7之间设有调节弹簧17，调节弹簧17给与从动送料轮15提供一个固定块16方向的反作用力，避免从动送料轮15产生松动。以上的调节装置主要用于调节从动送料轮15与主动送料轮14之间预紧力的松紧，或者说是调节从动送料轮15与主动送料轮14之间的间距，以兼容多种不同直径的热塑性耗材21。
实施例四
一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头使用方法，方法用于上述实施例三的3d打印挤出头，包括连续纤维耗材打印使用方法以及热塑性耗材打印使用方法，连续纤维耗材打印使用方法以及热塑性耗材打印使用方法同时进行，连续纤维耗材20与热塑性耗材21分别通过独立的机构送料挤出后在同一打印层进行混合打印。
连续纤维耗材打印使用方法具体为：驱动电机5驱动导料螺杆2旋转，带动连续纤维耗材20沿导料管10进入第一腔体3，螺杆导料套管1下端挤出连续纤维耗材20；
热塑性耗材打印使用方法具体为：热塑性耗材21通过送料主动送料轮14和从动送料轮15进入喉管11，加热管12加热热塑性耗材21，形成熔融状态并从喷嘴挤出。
参阅图4，其为连续纤维耗材20和热塑性耗材21混合打印的示意图，可见连续纤维耗材20是连续的，作为打印模型的增强材料，而热塑性耗材21则以连续纤维耗材20为基础进行填充，可以预料，打印模型成型后其内部存在一整根连续纤维耗材20，能极大提高打印模型强度。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
1.一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，包括基架，其特征在于，所述基架上安装有平行设置的连续纤维耗材打印头以及热塑性耗材打印头；
所述连续纤维耗材打印头包括螺杆导料套管和导料螺杆，所述螺杆导料套管内部具有沿长度方向设置的第一腔体，所述第一腔体内安装有导料螺杆，所述螺杆导料套管的末端收窄形成打印头，所述螺杆导料套管的侧壁设有开孔，所述开孔用于连续纤维耗材进入所述第一腔体内；
所述基架上还安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述导料螺杆的一端连接。
2.如权利要求1所述的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，其特征在于，所述基架包括第一平面板和第二平面板，两平面板至少有一边相连接且两平面板沿该连接边呈直角设置，所述第一平面板上设置有所述驱动电机，所述第二平面板上设置有所述螺杆导料套管，所述第二平面板与所述螺杆导料套管的连接处为所述第一腔体的顶端入口，所述第一腔体的顶端入口设置在所述驱动电机的正下方。
3.如权利要求2所述的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，其特征在于，所述第二平面板还设有第二腔体，所述第二腔体与所述开孔同轴，所述第二腔体内设有导料管，所述导料管的一端与所述开孔连接，所述导料管用于引导连续纤维耗材沿导料管进入第一腔体。
4.如权利要求3所述的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，其特征在于，所述热塑性耗材打印头包括喉管、加热管和喷嘴，所述喉管安装在所述第二平面板上，所述加热管套设在所述喉管的外壁，所述喷嘴连接在所述喉管的下端。
5.如权利要求4所述的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，其特征在于，还包括送料机构，所述送料机构包括主动送料轮和从动送料轮，所述主动送料轮和所述从动送料轮安装在所述第一平面板上，所述主动送料轮和所述从动送料轮的转动轴心均与所述第二平面板所在的平面平行，所述主动送料轮和所述从动送料轮转动配合将所述热塑性耗材垂直递送至所述喉管的顶端入口。
6.如权利要求5所述的螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头，其特征在于，还包括调节装置，所述调节装置包括固定块、调节弹簧和把手，所述固定块通过所述第一平面板上设置的卡槽安装在所述第一平面板上，所述固定块的一端与所述从动送料轮连接，所述固定块的另一端与所述把手连接，所述固定块和第一平面板之间设有所述调节弹簧。
7.一种螺杆式连续纤维增强材料3d打印挤出头使用方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求6所述的3d打印挤出头，包括连续纤维耗材打印使用方法以及热塑性耗材打印使用方法，所述连续纤维耗材打印使用方法以及所述热塑性耗材打印使用方法同时进行，连续纤维耗材与热塑性耗材分别通过独立的送料机构挤出并在同一打印层进行混合打印成型；
所述连续纤维耗材打印使用方法具体为：驱动电机驱动导料螺杆旋转，带动连续纤维耗材沿导料管进入第一腔体，螺杆导料套管下端挤出连续纤维耗材；
所述热塑性耗材打印使用方法具体为：热塑性耗材通过主动送料轮和所述从动送料轮驱动进入喉管，经加热管加热后形成熔融状态并从喷嘴挤出。
技术总结