CN106217878A - 一种打印碳纤维的3d打印机 - Google Patents

Abstract

一种打印碳纤维的3D打印机，属于熔融堆积快速成型设备技术领域。包括底座，在底座上且位于底座朝向上的一侧设置有载物台；驱动机构，设在底座上；打印机构，设在驱动机构上，特点：打印机构包括打印头、用于向打印头喂送碳纤维丝的送丝装置和用于将由送丝装置送出的碳纤维丝剪断的碳纤维丝剪切装置，打印头设在驱动机构上，送丝装置在对应于打印头的上方的位置设在驱动机构上，碳纤维丝剪切装置伴随于送丝装置且在对应于送丝装置的一侧的位置设在驱动机构上。由送丝装置将作为打印用耗材的碳纤维丝稳定而可靠地向打印头的方向输送并且在输送过程中不会对碳纤维丝造成挤压变形；保障打印头顺利打印；能满足对碳纤维产品的打印要求。

Description

一种打印碳纤维的3D打印机

本申请是名称为：打印碳纤维的3D打印机、申请号为：201510040649.0、申请日为：2015年1月27日的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于熔融堆积快速成型设备技术领域，具体涉及一种打印碳纤维的3D打印机。

背景技术

由于3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸方面的前沿技术知识，使大规格的个性化生产成为可能并且引领着全球制造业经济的重大变革，因而广泛受到人们的关注。打印机构是3D打印的核心设备，其是以数字模型文件为基础运用耗材（耗材如：粉末状金属材料、塑料、陶瓷、砂之类的可粘合材料）通过逐层打印的方式构建物体，即在计算机的控制下根据工件的三维模型直接成形三维实体，无需传统的加工机床之类的装备及其工装模具、工装夹具等。就3D打印机即3D打印设备的种类而言，目前大体上分为三类：一为树脂熔融成型；二为光固化成型；三为缴光金属成型。

上面提及的碳纤维是一种含碳量约在95%以上的高强度、高模量新型纤维材料，由于其具有外柔内刚、质量比金属铝轻但强度却高于钢铁、耐腐蚀性能优异、比热及导电性介于非金属与金属之间、非氧化环境下耐超高温、耐疲劳、热膨胀系数小且各向异性好、导热性能优异以及电磁屏蔽性好等特点，因而在诸如航空航天、国防、汽车、风力发电、建筑、医疗器械和民用等领域得到了广泛的应用。以日常所见的并且应用于工业和建筑的碳纤维布（也称碳素纤维布）为例，其制造过程是：先将碳纤维浸胶，再逐层铺叠并加以压制，而后引入烘烤装置烘烤成型。该制造过程由于工艺环节多、效率低、能耗大，因而致使产品价格昂贵。尤其是当使用碳纤维制造复杂的零部件时，不仅成本高而且制造效率难以满足工业化放大生产要求。

在公开的中国专利文献中可见诸关于3D打印机的技术信息，如发明专利申请公布号CN103317726A推荐有“3D打印机的喷头传动机构及具有该机构的3D打印机”，又如授权公告号CN203485190U提供有“一种基于并联机构的3D打印机”，再如发明专利申请公布号CN103862679A介绍有“3D打印机”，等等。但是在迄今为止公开的中外专利和非专利文献中均未见诸得以打印碳纤维的3D打印机的技术信息。具体而言，如果有一种结构合理的能打印碳纤维的3D打印机，那么传统的碳纤维制造方式所存在的诸如前述的工艺烦琐、效率低、对复杂形状及构造的零部件的挑剔性、成本高之类的问题便可消除。从理论上讲，既然已有技术中的3D打印机对于打印PLA、ABS之类的材料并不存在技术障碍，那么将3D打印机打印碳纤维似乎也不会存在困惑。但是，经本申请人的实验表明，由于并非限于以下因素而务必对已有技术中的3D打印机的打印机构加以实质而非形式的改良；其一，作为打印材料的碳纤维是预浸过的碳纤维原丝，与PLA、ABS之类的材料差异较大；其二，在向打印机构的打印头送丝过程中不能出现挤压变形并且需要确保送丝稳定与可靠其三，由于碳纤维具有极高的耐温性例如不会在两三百度的温度下熔化，因而需要有节凑地分断喂入，例如通过剪切部件剪切后逐一喂送给打印头；其四，在打印头打印的同时需对碳纤维施加适度的压力，否则会出现分层现象，影响成型后的产品的整体结合效果，等等。

针对上述已有技术，本申请人作了积极而有效的设计，终于形成了下面将要介绍的技术方案，并且在采取了保密措施下进行了模拟试验，结果证明是切实可行的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种有助于稳定而可靠地将碳纤维丝向打印头的方向输送并且可避免造成碳纤维丝挤压变形、有利于在打印头打印的过程中将碳纤维丝剪切和有益于在打印头打印的同时对碳纤维丝施加适度压力的打印碳纤维的3D打印机。

本发明的任务是这样来完成的，一种打印碳纤维的3D打印机，包括一底座，在该底座上并且位于底座朝向上的一侧设置有一用于承载打印物的载物台；一驱动机构，该驱动机构设置在所述的底座上；一打印机构，该打印机构设置在所述的驱动机构上，特征在于：所述的打印机构包括打印头、用于向打印头喂送碳纤维丝的送丝装置和用于将由送丝装置送出的碳纤维丝剪断的碳纤维丝剪切装置，打印头设置在所述的驱动机构上，送丝装置在对应于打印头的上方的位置设置在驱动机构上，碳纤维丝剪切装置伴随于送丝装置并且在对应于送丝装置的一侧的位置设置在驱动机构上。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的驱动机构包括直线电机座、直线电机、旋转电机座、近端旋转电机、近端旋转臂、远端旋转电机和远端旋转臂，直线电机座以纵向状态固定在所述底座上，直线电机设置在直线电机座朝向近端旋转臂的一侧，旋转电机座固定在直线电机上，近端旋转电机固定在旋转电机座上，并且该近端旋转电机的近端旋转电机轴与近端旋转臂左端固定连接，远端旋转电机与近端旋转臂的右端固定，并且该远端旋转电机的远端旋转电机轴与远端旋转臂的左端固定连接，而远端旋转臂的右端以水平悬臂状态对应于所述载物台的上方，所述的打印机构的打印头设置在所述远端旋转臂的右端朝向下的一侧，而所述的送丝装置以及碳纤维丝剪切装置设置在远端旋转臂的右端朝向上的一侧。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的直线电机包括一组直线电机定子、直线电机动子和一对直线电机导轨，一组直线电机定子沿着所述直线电机座的高度方向自上而下间隔固定于直线电机座朝向所述近端旋转臂的一侧，直线电机动子在与所述的一组直线电机定子相配合的状态下与一对直线电机导轨滑动配合，而一对直线电机导轨彼此纵向并行并且在分别对应于一组直线电机定子的两侧的位置与所述直线电机座固定，所述的旋转电机座与直线电机动子朝向所述近端旋转臂的一侧固定。

在本发明的又一个具体的实施例中，在所述的直线电机动子上并且在对应于所述的一对直线电机导轨的位置固定有直线电机动子滑块，该直线电机动子滑块与一对直线电机导轨滑动配合；所述的一组直线电机定子为磁铁。

在本发明的再一个具体的实施例中，在所述远端旋转臂的右端并且在对应于所述打印机构的打印头的位置开设有一打印头固定柱孔，所述的打印头包括压轮架、压轮、加热器固定座、加热器和风扇，压轮通过压力轮轴转动地支承在压轮架上，在该压轮的长度方向的居中位置并且围绕压轮的圆周方向构成有一凹陷于压轮的表面的碳纤维丝槽，加热器固定座固定在压轮架朝向所述远端旋转臂的一侧，在该加热器固定座的上端以窄缩状态构成有一直径小于加热器固定座的直径的打印头固定柱，藉由该打印头固定柱探入所述打印头固定柱孔内而将压轮架与所述远端旋转臂的右端朝向下的一侧固定，在打印头固定柱的轴向中央开设有一碳纤维导引孔，该碳纤维导引孔途经开设在加热器固定座的轴向中央的孔与压轮架的压轮架腔相通，藉由该碳纤维导引孔将由所述送丝装置送出的并且由所述碳纤维剪切装置剪断的碳纤维丝引入所述的压轮，加热器的中央位置构成有一加热器固定孔，该加热器固定孔套置在所述加热器固定座上，风扇固定在远端旋转臂的右端朝向下的一侧，并且该风扇的风扇出风口与所述压轮的侧面相对应，所述的送丝装置与所述打印头固定柱孔的上方相对应，而所述的碳纤维丝剪切装置对应于打印头固定柱孔的左侧。

在本发明的还有一个具体的实施例中，在所述的加热器上配设有一根或以上的加热棒和一温度信号采集器；所述的风扇为压电喷射风扇。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的温度信号采集器为温度传感器。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的送丝装置包括基座、压电陶瓷固定座架、上限位压电陶瓷、驱动压电陶瓷、下限位压电陶瓷、碳纤维丝导向柱、定位套和弹簧，基座固定在所述远端旋转臂的右端朝向上的一侧，并且同时对应于所述打印头固定柱孔的右侧，压电陶瓷固定座架固定在基座的顶部，在该压电陶瓷固定座架朝向所述碳纤维丝剪切装置的一侧自上而下以水平悬臂状态依次固定有一上限位压电陶瓷支承臂、一第一柔性铰链和一第二柔性铰链，该上限位压电陶瓷支承臂、第一柔性铰链和第二柔性铰链彼此处于同一纵轴线上，上限位压电陶瓷设置在上限位压电陶瓷支承臂上，驱动压电陶瓷在对应于上限位压电陶瓷的下方的位置设在第一柔性铰链上并且与上限位压电陶瓷接触，下限位压电陶瓷在对应于驱动压电陶瓷的下方的位置设置在第二柔性铰链上并且与驱动压电陶瓷接触，碳纤维导向柱的顶部构成有一导向柱固定臂，该导向柱固定臂与所述基座的顶部固定，而碳纤维导向柱的下部与定位套相配合，并且在碳纤维导向柱的高度方向的中央位置开设有一导向柱导丝孔，定位套位于基座的左侧，并且对应于所述打印头固定柱孔的上方，该定位套的上端构成有一弹簧腔，下端的中央位置开设有一定位套导丝孔，该定位套导丝孔的上端与弹簧腔相通，下端构成为与外界相通的导丝孔出口，该导丝孔出口与所述的打印头固定柱孔相对应，并且同时与所述的碳纤维导引孔相对应，弹簧位于弹簧腔内并且套置在碳纤维导向柱的下部，所述碳纤维丝导向柱的下部探入所述弹簧腔内与定位套相配合。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，在所述碳纤维丝导向柱的下部延伸有一直径小于碳纤维导向柱的直径的柱头，该柱头与碳纤维丝导向柱的交界部位构成为弹簧支承台阶面，所述弹簧套置在柱头上，该弹簧的上端支承在弹簧支承台阶面上，而下端支承在所述弹簧腔的腔底壁上。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述的碳纤维丝剪切装置包括电机座、电机、第一、第二推刀导杆座和推刀，电机座固定在所述远端旋转臂上，电机以卧置状态固定在电机座上，该电机的电机螺杆轴朝向所述的基座，第一、第二推刀导杆座以彼此对应的状态固定在远端旋转臂上，并且分别对应于推刀的两侧，其中：在第一推刀导杆座上固定有一第一推刀导杆，而在第二推刀导杆座上固定有一第二推刀导杆，该第一、第二推刀导杆彼此横向并行，推刀朝向电机的一侧构成有一推刀连接座，该推刀连接座的中部与电机螺杆轴连接，推刀连接座朝向第一推刀导杆座的一端与第一推刀导杆滑动配合，而推刀连接座朝向第二推刀导杆座的一端与第二推刀导杆滑动配合，推刀朝向所述打印头固定柱孔的一侧构成有用于将碳纤维丝切断的推刀刀刃。

本发明提供的技术方案由送丝装置将作为打印用耗材的碳纤维丝稳定而可靠地向打印头的方向输送并且在输送过程中不会对碳纤维丝造成挤压变形；由于配备了碳纤维丝剪切装置，因而能将由送丝装置送出的碳纤维丝剪断而藉以保障打印头顺利打印；由于打印头在打印的过程中同时对碳纤维丝施加挤压力，因而能满足对碳纤维产品的打印要求。

附图说明

图1为本发明的实施例示意图。

图2为图1所示的打印机构的立体分解结构图。

图3为图2的局部剖视图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

在下面的描述中凡是涉及上、下、左、右、前和后的方向性（或者称方位性）的概念均是针对正在被描述的图所处的位置状态而言的，目的在于方便公众理解，因而不能将其理解为对本发明提供的技术方案的特别限定。

请参见图1，本发明提供的打印碳纤维的3D打印机的结构体系如下：包括一底座1，在该底座1上并且位于底座1朝向上的一侧设置有一用于承载打印物的载物台11，该载物平台11也可称打印平台，优选的方案还可在底座1的底部间隔设置一组底座腾空凸缘；一驱动机构2（也可称打印头驱动机构，以下同），该驱动机构2设置在底座1上；一打印机构3，该打印机构3设置在前述的驱动机构2上。在本实施例中，前述的底座1及其上的载物台11的形状均呈圆盘体的形状，但是也可采用其它形状，例如采用矩形体或正方体之类的形状，因而不能因底座1的几何形状的变化而限制本发明的技术内涵。

请继续见图1，前述的驱动机构2的优选而非绝对限于的结构如下：包括直线电机座21、直线电机22、旋转电机座23、近端旋转电机24、近端旋转臂25、远端旋转电机26和远端旋转臂27，直线电机座21在对应于前述底座1的边缘部位以纵向状态固定在底座1上，即垂直于底座1固定，直线电机22设置在直线电机座21朝向近端旋转臂25的一侧（图1所示位置状态的右侧），旋转电机座23通过旋转电机座螺钉231固定在直线电机22上，近端旋转电机24采用近端旋转电机固定螺钉242固定在旋转电机座23上，并且该近端旋转电机24的近端旋转电机轴241与近端旋转臂25左端固定连接，远端旋转电机26通过远端旋转电机固定螺钉262与近端旋转臂25的右端固定，并且该远端旋转电机26的远端旋转电机轴261与远端旋转臂27的左端固定连接，而远端旋转臂27的右端以水平悬臂状态对应于所述载物台11的上方，前述的打印机构3设置在远端旋转臂27的右端。由上述说明并且结合图1可知：前述的远端旋转臂27与近端旋转臂25彼此形成梯度关系，即远端旋转臂27的水平高度低于近端旋转臂25的水平高度。

由于本实施例使用了双旋转运动，即由于存在远、近端旋转臂27、25以及远、近端旋转电机26、24，因而使本发明表现出了多关节机器人极坐标的结构布局，通过控制远端旋转臂27的角度和近端旋转臂25的角度以及直线电机22的上下运动高度来实现3D打印，摒弃了传统的笛卡尔坐标式的运动模式，实现所需空间的3D打印。本发明的这种结构十分简洁紧凑，打印速度快并且空间利用率高。此外，可以将前述的驱动机构2的结构体系的直线电机座21视为打印工作台，近端旋转臂25以近端旋转电机24的近端旋转电机轴41为圆心作旋转运动，而远端旋转臂27以远端旋转电机26的远端旋转电机轴261为圆心作旋转运动。

继续见图1，前述的直线电机21包括一组直线电机定子221、直线电机动子222和一对直线电机导轨223，一组直线电机定子221沿着前述直线电机座21的高度方向自上而下（也可以称自下而上）间隔固定于直线电机座21朝向近端旋转臂25的一侧，直线电机动子222在与一组直线电机定子221相配合的状态下与一对直线电机导轨223滑动配合，而一对直线电机导轨223彼此纵向并行并且在分别对应于一组直线电机定子221的两侧的位置采用固定螺钉2231与直线电机座21固定，前述的旋转电机座螺钉231与直线电机动子222朝向近端旋转臂25的一侧固定。在前述的直线电机动子222上并且在对应于一对直线电机导轨223的位置固定有直线电机动子滑块2221（一对），该直线电机动子滑块2221与一对直线电机导轨223滑动配合。

通过上述说明，毫无疑问可以确定前述的一组直线电机定子221为磁铁。并且由于驱动机构2为双旋转式驱动机构（通过远、近端旋转电机26、24），因而本发明打印碳纤维的3D打印机表现为双旋转式的打印碳纤维的3D打印机。但是，也可以使本发明表现为单旋转式的打印碳纤维的3D打印机或者表现为非旋转式的打印碳纤维的3D打印机，等等。就单旋转式的打印碳纤维的3D打印机而言，可省去远端旋转电机26和远端旋转臂27，将前述的打印机构3转移至近端旋转臂25的右端。就非旋转式的打印碳纤维的3D打印机而言，撤去远、近端旋转臂27、25、远、近端旋转电机26、24并且将旋转电机座23作合理改进而藉以使前述的打印机构3设置于合理改进后的旋转电机座23上，在这种情况下，旋转电机座23实质上演变成了一端（如左端）与直线电机动子222固定而另一端（如右端）供设置打印机构3的打印机构支承板。由此可知，在本发明中，对于驱动机构2的结构体系并无特殊的限制，图1所示形式仅仅是一种优选而非唯一的形式，更具体地讲，只要将本发明在下面将要详细说明的打印机构3的结构形式用于3D打印机，那么都应当视为本发明的技术内容范畴。

请参见图2和图3并且结合图1，作为本发明提供的技术方案的技术要点，前述的打印机构3包括打印头31、用于向打印头31喂送碳纤维丝的送丝装置32和用于将由送丝装置32送出的碳纤维丝剪断（即切断）的碳纤维丝剪切装置33，打印头31设置在前述的驱动机构2的远端旋转臂27上，送丝装置32在对应于打印头31的上方的位置设置在驱动机构2的远端旋转臂27上，碳纤维丝剪切装置33伴随于送丝装置32并且在对应于送丝装置32的一侧的位置同样设置在驱动机构2的远端旋转臂27上。

由图2和图3所示，前述打印机构3的打印头31设置在前述远端旋转臂27的右端朝向下的一侧，而前述的送丝装置32以及碳纤维丝剪切装置33设置在远端旋转臂27的右端朝向上的一侧。

请重点见图2和图3，在前述远端旋转臂27的右端并且在对应于前述打印机构3的结构体系的打印头31的位置开设有一打印头固定柱孔271，打印头31包括压轮架311、压轮312、加热器固定座313、加热器314和风扇315，压轮312通过压力轮轴3121在对应于压轮架311的压轮架腔3111的位置转动地支承在压轮架311上，在该压轮312的长度方向的居中位置并且围绕压轮312的圆周方向构成有一凹陷于压轮312的表面的碳纤维丝槽3122，压轮312的材质优选使用聚四氟乙烯压轮或者表面涂有聚四氟乙烯涂层的压轮。加热器固定座313固定在压轮架311朝向远端旋转臂27的一侧（朝向上的一侧），在该加热器固定座313的上端以窄缩状态构成有一直径小于加热器固定座313的直径的打印头固定柱3131，藉由该打印头固定柱3131探入前述打印头固定柱孔271内而将压轮架311与前述远端旋转臂27的右端朝向下的一侧固定，在打印头固定柱3131的轴向中央开设有一碳纤维导引孔31311，该碳纤维导引孔31311途经开设在加热器固定座313的轴向中央的孔与前述压轮架311的压轮架腔3111相通，藉由该碳纤维导引孔31311将由前述送丝装置32送出的并且由前述碳纤维剪切装置33剪断的碳纤维丝引入压轮312，加热器314的中央位置构成有一加热器固定孔3141，该加热器固定孔3141套置在加热器固定座313上，风扇315通过风扇固定板3152并且采用风扇固定板螺钉31521固定在预设于远端旋转臂27的右端朝向下的一侧的风扇座272上，并且该风扇315的风扇出风口3151与前述压轮312的侧面（图示状态的左侧面）相对应。前述的送丝装置32与打印头固定柱孔271的上方相对应，而前述的碳纤维丝剪切装置33对应于打印头固定柱孔271的左侧。

由图2所示，在前述的加热器314上配设有一根（也可以是两根或以上）加热棒3142和一温度信号采集器3143。优选地，前述的风扇315为压电喷射风扇；优选地，前述的温度信号采集器3143为温度传感器，由线路与电气控制器电气控制连接，风扇315同样由线路与电气控制器电气控制连接，前述驱动机构2同例。

前述的压电喷射风扇使用的是双压电原理，因而可将其称为“双压电冷却喷射风扇”，又由于双压电冷却喷射风扇属于散热器范畴，因而可以将其理解为一个向电子设备喷射高速空气的微流风箱。这种压电喷射风扇是由美国通用电气GE公司率先推出的，简称DCJ（全称：DualPiezoelectrucCoolingJets），厚度仅为4㎜，功耗相对于轴承叶片式风扇可减少一倍以上，但散热效率提高了十倍以上，可用于下一代超薄型平板电脑和超薄型笔记本电脑中。本申请的发明人将其应用于3D打印机，经实验证明对于加快熔融材料的固化速度具有良好的积极意义。申请人需要说明的是：如果将叶片式风扇（即轴承叶片式风扇）替代压电喷射风扇，则应当视为等同替换。

前述打印机构3的结构体系的送丝装置32包括基座321、压电陶瓷固定座架322、上限位压电陶瓷323、驱动压电陶瓷324、下限位压电陶瓷325、碳纤维丝导向柱326、定位套327和弹簧328，基座321采用基座固定螺钉3211固定在前述远端旋转臂27的右端朝向上的一侧，并且同时对应于前述打印头固定柱孔271的右侧，压电陶瓷固定座架322在对应于预设在基座321的顶部的固定座架螺钉孔3212的位置用固定座架螺钉3224固定在基座321的顶部，在该压电陶瓷固定座架322朝向前述碳纤维丝剪切装置33的一侧（即图3所示位置状态的左侧）自上而下以水平悬臂状态依次固定有一上限位压电陶瓷支承臂3221、一第一柔性铰链3222和一第二柔性铰链3223，该上限位压电陶瓷支承臂3221、第一柔性铰链3222和第二柔性铰链3223彼此处于同一纵轴线上。依据图2图3所示，上限位压电陶瓷支承臂3221通过支承臂固定螺钉32211与压电陶瓷固定座架322固定；第一柔性铰链3222通过第一柔性铰链固定螺钉32221与压电陶瓷固定座架322固定；第二柔性铰链3223通过第二柔性铰链固定螺钉32231与压电陶瓷固定座架322固定。上限位压电陶瓷323设置在上限位压电陶瓷支承臂3221上，驱动压电陶瓷324在对应于上限位压电陶瓷323的下方的位置设在第一柔性铰链3222上并且与上限位压电陶瓷323接触，下限位压电陶瓷325在对应于驱动压电陶瓷324的下方的位置设置在第二柔性铰链3223上并且与驱动压电陶瓷324接触。上限位压电陶瓷323由上限位压电陶瓷控制线3231与上面提及的电气控制器电气控制连接；驱动压电陶瓷324由驱动压电陶瓷控制线3241与电气控制器电气控制连接；下限位压电陶瓷325由下限位压电陶瓷控制线3251与电气控制器电气控制连接。碳纤维导向柱326的顶部构成有一导向柱固定臂3261，该导向柱固定臂3261采用固定臂螺钉32611在对应于预设在基座321的顶部的固定臂螺钉孔3213的位置与基座321的顶部固定，而碳纤维导向柱326的下部与定位套327相配合，对定位套327作导向性限位，并且在碳纤维导向柱326的高度方向的中央位置开设有一导向柱导丝孔3262，定位套327位于基座321的左侧，并且对应于前述打印头固定柱孔271的上方，该定位套327的上端构成有一弹簧腔3271，下端的中央位置开设有一定位套导丝孔3272，该定位套导丝孔3272的上端与弹簧腔3271相通，下端构成为与外界相通的导丝孔出口32721，该导丝孔出口32721与前述的打印头固定柱孔271相对应，并且同时与前述的碳纤维导引孔31311相对应。弹簧328位于弹簧腔3271内并且套置在碳纤维导向柱326的下部，前述碳纤维丝导向柱326的下部探入所述弹簧腔3271内与定位套327相配合，对定位套327起挟持性的导向作用，因为在碳纤维丝剪切装置33对碳纤维丝4剪切时，定位套327是向上活动的，而在弹簧328的作用下是向下活动的。

在图2中，示出了上限位压电陶瓷323中央的上限位压电陶瓷引丝孔3232，在驱动压电陶瓷324以及下限位压电陶瓷325的中央并且在对应于上限位压电陶瓷引丝孔3232的位置同样分别开设有驱动压电陶瓷引丝孔和下限位压电陶瓷引丝孔（图中未示出）。

依据专业常识：压电陶瓷必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化（Poling）就是在压电陶瓷上加一强直流电场，使压电陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。

测试技术与理论分析表明，压电陶瓷的极化机理取决于其内部结构。压电陶瓷是由一颗颗小晶粒无规则地“镶嵌”而成。每个小晶粒可看为一个小单晶，其中原子（离子）都是有规则（周期性）的排列，形成晶格，晶格又由一个个重复单元即晶胞组成。因而称其为多晶体。晶胞在一定温度下（T＜TC）其正负电荷中心不重合，产生自发极化Ps，极化方向从负电荷中心指向正电荷中心。晶粒与晶粒的晶格方向不一定相同，从整体看，仍是混乱、无规则的。为了使压电陶瓷处于能量（静电能与弹性能）最低状态，晶粒中就会出现若干小区域，每个小区域内晶胞自发极化有相同的方向，但邻近区域之间的自发极化方向则不同。自发极化方向一致的区域称为电畴，整块陶瓷包括许多电畴。

人工极化处理的作用，就是在压电陶瓷上加一足够高的直流电场，并保持一定的温度和时间，迫使其电畴转向，或者说迫使其自发极化作定向排列。

极化前，各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化强度为零。极化处理时，晶粒可以形成单畴，自发极化尽量沿外场方向排列。极化处理后，外电场为零，由于内部回复力（如极化产生的内应力的释放等）作用，各晶粒自发极化只能在一定程度上按原外电场方向取向，陶瓷内的极化强度不再为零。这种极化强度，称为剩余极化强度。

由上述说明可知，极化条件只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，所以它是极化条件中的主要因素。极化电场越高，促使电畴排列的作用越大，极化越充分。

本发明前述送丝装置32的上限位压电陶瓷323是径向极化，外加直流电压后产生径向收缩，收缩时对由图2和图3示意的作为打印耗材的碳纤维丝4（预浸过环氧树脂的碳纤维原线）箍紧，使碳纤维4不能继续前进或抽出。据此，前述的上限位压电陶瓷引丝孔3232可以理解为收缩孔。前述的驱动压电陶瓷324是轴向极化，外加直流电压后可以轴向伸长，由于驱动压电陶瓷342的上部被上限位压电陶瓷323挡住（即限位），因而只能向下运动而推动下限位压电陶瓷325，由于驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325分别设置于（固定于）第一、第二柔性铰链3222、3223，因而在外力的作用下可自由地上下运动。下限位压电陶瓷325也是径向极化，在外加直流电压后可以径向收缩，收缩时箍紧碳纤维丝4。

前述碳纤维丝4由送丝装置32向打印头31输送的步骤如下：A).初始状态时，上限位压电陶瓷323、驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325均断电；B).上限位压电陶瓷323断电，驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325均通电，从而由下限位压电陶瓷对途经其下限位压电陶瓷引丝孔的碳纤维丝4箍紧，并且在驱动压电陶瓷324的推动下带着碳纤维丝4一起向下运动；C).驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325均断电，而上限位压电陶瓷323通电，此时驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325分别在前述第一、第二柔性铰链3222、3223的回弹力作用下回复至原位，同时由上限位压电陶瓷323将碳纤维丝4箍紧，防止在驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325回位时带动碳纤维丝4，如此重复步骤B)和步骤C)实现向打印头31平稳送丝。

在上面，申请人提及的第一柔性铰链3222和第二柔性铰链3223具有无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的长处，近年来，柔性铰链在精度优异的微动工作台中得到了广泛应用，例如日本工业技术设计院计量研究所利用柔性铰链原理研制的角度微调装置达到了千分之一度的稳定分辨率。总而言之，柔性铰链是一种实现小范围内偏转支承的具有良好弹性及其弹性恢复效果的部件，在诸如陀螺仪、加速度计、精密天平、仪器仪表中深受青睐。本发明的第一、第二柔性铰链3222、3223择用由中国广东省深圳市新时代精密器件有限公司生产的并且在本申请提出以前在市场销售的型号为CHS-ⅡA型铰链。

仍请参见图2和图3，在前述的碳纤维丝导向柱326的下部延伸有一直径小于碳纤维导向柱326的直径的柱头3263，该柱头3263与碳纤维丝导向柱326的交界部位构成为弹簧支承台阶面32631，前述的弹簧328套置在柱头3263上，该弹簧328的上端支承在弹簧支承台阶面32631上，而下端支承在所述弹簧腔3271的腔底壁上。优选地，将前述定位套327的下端构成圆锥头3273的形状。

前述打印机构3的结构体系的碳纤维丝剪切装置33包括电机座331、电机332、第一、第二推刀导杆座333、334和推刀335，电机座321采用电机座固定螺钉3311固定在远端旋转臂27上，并且与前述送丝装置32的基座321相对应，电机332以卧置状态固定在电机座331上，该电机332的电机螺杆轴3321朝向前述的基座321，第一、第二推刀导杆座333、334以彼此对应的状态固定在远端旋转臂27上，并且分别对应于推刀335的两侧，由图2所示，第一推刀导杆座333采用第一推刀导杆座固定螺钉3332与远端旋转臂27固定，第二推刀导杆座334采用第二推刀导杆座固定螺钉3342与远端旋转臂27固定。其中：在第一推刀导杆座333上固定有一第一推刀导杆3331，而在第二推刀导杆座334上固定有一第二推刀导杆3341，该第一、第二推刀导杆3331、3341彼此横向并行，推刀335朝向电机332的一侧构成有一推刀连接座3351，该推刀连接座3351的中部通过螺母孔3353（也可称螺杆轴孔）与电机螺杆轴3321连接，推刀连接座3351朝向第一推刀导杆座333的一端与第一推刀导杆3331滑动配合，而推刀连接座3351朝向第二推刀导杆座334的一端与第二推刀导杆3341滑动配合，推刀335朝向前述打印头固定柱孔271的一侧构成有用于将碳纤维丝切断的推刀刀刃3352。在前述的驱动压电陶瓷324和下限位压电陶瓷325向上位移的同时由推刀刀刃3352将碳纤维丝4切断（即剪断）。

前述的电机332与电气控制器电气控制连接，并且该电机332为具有正反转功能的电机，当电机332向顺时针工作时，由其电机螺杆轴3321带动推刀335向前述打印头固定柱孔271的方向位移，将碳纤维丝4切断，反之亦然。

在启用之始，以手工方式将预浸有环氧树脂的碳纤维丝4（碳纤维原丝）依次穿经上限位压电陶瓷引丝孔3232、驱动压电陶瓷324的驱动压电陶瓷引丝孔、下限位压电陶瓷325的下限位压电陶瓷引丝孔、导向柱导丝孔3262、定位套导丝孔3272和碳纤维导丝孔31311后引入压轮架腔3111，并且引至压轮312的碳纤维丝槽3122。在实施打印时，按设定的程序，由直线电机22使远、近端旋转臂25上下运动，由近端旋转电机24使近端旋转臂25作旋转运动，由远端旋转电机26使远端旋转臂27作旋转运动，从而由打印头31将引入的打印材料即碳纤维丝4在经加热器314的加热状态下在载物台11上打印出所需的零件。

在打印过程中，由于压轮架311上的孔3112的弯曲形状（图3示），因而能使碳纤维丝4顺利抵达压轮312（压轮312紧挨孔3112），又由于压轮312上的碳纤维丝槽3122的横截面形状呈V字形，因而正好将碳纤维丝4限定于碳纤维丝槽3122的中心位置，对碳纤维丝4进行准确定位，同时压轮312对碳纤维丝4施加一定的压力。由于碳纤维丝4预浸（浸渍）有环氧树脂，于是经过加热器34的加热，环氧树脂呈熔融状态，在压轮312的压力和风扇315的冷却下定位固化，同时避免了压轮312粘附环氧华脂。前述碳纤维丝剪切装置33的推刀335接触到定位套327后继续向前运动，由推刀刀刃3352部位的上侧在对应于圆锥头3273的圆锥头面的位置将定位套327顶起，弹簧328压缩而储能，碳纤维丝4露出，从而由推刀刀刃3352将碳纤维丝4切断。为了增加推刀335的耐用性和剪切的可靠性，推刀335采用工具钢制作。碳纤维丝4被推刀刀刃3352切断后，电机332反向工作，使推刀335的推刀刀就3352退离定位套327的圆锥头3273的部位，定位套327也在弹簧328的回复力作用下被弹回至与打印头固定柱孔271友好接触的状态。

综上所述，本发明提供的技术方案克服了已有技术中的欠缺，完成了发明任务，客观地体现了申请人在上面的技术效果栏中载述的技术效果，不失为是一个极致的技术方案。

Claims (7)

1.一种打印碳纤维的3D打印机，包括一底座(1)，在该底座(1)上并且位于底座(1)朝向上的一侧设置有一用于承载打印物的载物台(11)；一驱动机构(2)，该驱动机构(2)设置在所述的底座(1)上；一打印机构(3)，该打印机构(3)设置在所述的驱动机构(2)上，其特征在于：所述的打印机构(3)包括打印头(31)、用于向打印头(31)喂送碳纤维丝的送丝装置(32)和用于将由送丝装置(32)送出的碳纤维丝剪断的碳纤维丝剪切装置(33)，打印头(31)设置在所述的驱动机构(2)上，送丝装置(32)在对应于打印头(31)的上方的位置设置在驱动机构(2)上，碳纤维丝剪切装置(33)伴随于送丝装置(32)并且在对应于送丝装置(32)的一侧的位置设置在驱动机构(2)上；所述的驱动机构(2)包括直线电机座(21)、直线电机(22)、旋转电机座(23)、近端旋转电机(24)、近端旋转臂(25)、远端旋转电机(26)和远端旋转臂(27)，直线电机座(21)以纵向状态固定在所述底座(1)上，直线电机(22)设置在直线电机座(21)朝向近端旋转臂(25)的一侧，旋转电机座(23)固定在直线电机(22)上，近端旋转电机(24)固定在旋转电机座(23)上，并且该近端旋转电机(24)的近端旋转电机轴(241)与近端旋转臂(25)左端固定连接，远端旋转电机(26)与近端旋转臂(25)的右端固定，并且该远端旋转电机(26)的远端旋转电机轴(261)与远端旋转臂(27)的左端固定连接，而远端旋转臂(27)的右端以水平悬臂状态对应于所述载物台(11)的上方，所述的打印机构(3)的打印头(31)设置在所述远端旋转臂(27)的右端朝向下的一侧，而所述的送丝装置(32)以及碳纤维丝剪切装置(33)设置在远端旋转臂(27)的右端朝向上的一侧；所述的直线电机(21)包括一组直线电机定子(221)、直线电机动子(222)和一对直线电机导轨(223)，一组直线电机定子(221)沿着所述直线电机座(21)的高度方向自上而下间隔固定于直线电机座(21)朝向所述近端旋转臂(25)的一侧，直线电机动子(222)在与所述的一组直线电机定子(221)相配合的状态下与一对直线电机导轨(223)滑动配合，而一对直线电机导轨(223)彼此纵向并行并且在分别对应于一组直线电机定子(221)的两侧的位置与所述直线电机座(21)固定，所述的旋转电机座(23)与直线电机动子(222)朝向所述近端旋转臂(25)的一侧固定；所述的直线电机动子(222)上并且在对应于所述的一对直线电机导轨(223)的位置固定有直线电机动子滑块(2221)，该直线电机动子滑块(2221)与一对直线电机导轨(223)滑动配合；所述的一组直线电机定子(221)为磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于在所述远端旋转臂(27)的右端并且在对应于所述打印机构(3)的打印头(31)的位置开设有一打印头固定柱孔(271)，所述的打印头(31)包括压轮架(311)、压轮(312)、加热器固定座(313)、加热器(314)和风扇(315)，压轮(312)通过压力轮轴(3121)转动地支承在压轮架(311)上，在该压轮(312)的长度方向的居中位置并且围绕压轮(312)的圆周方向构成有一凹陷于压轮(312)的表面的碳纤维丝槽(3122)，加热器固定座(313)固定在压轮架(311)朝向所述远端旋转臂(27)的一侧，在该加热器固定座(313)的上端以窄缩状态构成有一直径小于加热器固定座(313)的直径的打印头固定柱(3131)，藉由该打印头固定柱(3131)探入所述打印头固定柱孔(271)内而将压轮架(311)与所述远端旋转臂(27)的右端朝向下的一侧固定，在打印头固定柱(3131)的轴向中央开设有一碳纤维导引孔(31311)，该碳纤维导引孔(31311)途经开设在加热器固定座(313)的轴向中央的孔与压轮架(311)的压轮架腔(3111)相通，藉由该碳纤维导引孔(31311)将由所述送丝装置(32)送出的并且由所述碳纤维剪切装置(33)剪断的碳纤维丝引入所述的压轮(312)，加热器(314)的中央位置构成有一加热器固定孔(3141)，该加热器固定孔(3141)套置在所述加热器固定座(313)上，风扇(315)固定在远端旋转臂(27)的右端朝向下的一侧，并且该风扇(315)的风扇出风口(3151)与所述压轮(312)的侧面相对应，所述的送丝装置(32)与所述打印头固定柱孔(271)的上方相对应，而所述的碳纤维丝剪切装置(33)对应于打印头固定柱孔(271)的左侧。

3.根据权利要求2所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于在所述的加热器(314)上配设有一根或以上的加热棒(3142)和一温度信号采集器(3143)；所述的风扇(315)为压电喷射风扇。

4.根据权利要求3所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于所述的温度信号采集器(3143)为温度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于所述的送丝装置(32)包括基座(321)、压电陶瓷固定座架(322)、上限位压电陶瓷(323)、驱动压电陶瓷(324)、下限位压电陶瓷(325)、碳纤维丝导向柱(326)、定位套(327)和弹簧(328)，基座(321)固定在所述远端旋转臂(27)的右端朝向上的一侧，并且同时对应于所述打印头固定柱孔(271)的右侧，压电陶瓷固定座架(322)固定在基座(321)的顶部，在该压电陶瓷固定座架(322)朝向所述碳纤维丝剪切装置(33)的一侧自上而下以水平悬臂状态依次固定有一上限位压电陶瓷支承臂(3221)、一第一柔性铰链(3222)和一第二柔性铰链(3223)，该上限位压电陶瓷支承臂(3221)、第一柔性铰链(3222)和第二柔性铰链(3223)彼此处于同一纵轴线上，上限位压电陶瓷(323)设置在上限位压电陶瓷支承臂(3221)上，驱动压电陶瓷(324)在对应于上限位压电陶瓷(323)的下方的位置设在第一柔性铰链(3222)上并且与上限位压电陶瓷(323)接触，下限位压电陶瓷(325)在对应于驱动压电陶瓷(324)的下方的位置设置在第二柔性铰链(3223)上并且与驱动压电陶瓷(324)接触，碳纤维导向柱(326)的顶部构成有一导向柱固定臂(3261)，该导向柱固定臂(3261)与所述基座(321)的顶部固定，而碳纤维导向柱(326)的下部与定位套(327)相配合，并且在碳纤维导向柱(326)的高度方向的中央位置开设有一导向柱导丝孔(3262)，定位套(327)位于基座(321)的左侧，并且对应于所述打印头固定柱孔(271)的上方，该定位套(327)的上端构成有一弹簧腔(3271)，下端的中央位置开设有一定位套导丝孔(3272)，该定位套导丝孔(3272)的上端与弹簧腔(3271)相通，下端构成为与外界相通的导丝孔出口(32721)，该导丝孔出口(32721)与所述的打印头固定柱孔(271)相对应，并且同时与所述的碳纤维导引孔(31311)相对应，弹簧(328)位于弹簧腔(3271)内并且套置在碳纤维导向柱(326)的下部，所述碳纤维丝导向柱(326)的下部探入所述弹簧腔(3271)内与定位套(327)相配合。

6.根据权利要求5所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于在所述碳纤维丝导向柱(326)的下部延伸有一直径小于碳纤维导向柱(326)的直径的柱头(3263)，该柱头(3263)与碳纤维丝导向柱(326)的交界部位构成为弹簧支承台阶面(32631)，所述弹簧(328)套置在柱头(3263)上，该弹簧(328)的上端支承在弹簧支承台阶面(32631)上，而下端支承在所述弹簧腔(3271)的腔底壁上。

7.根据权利要求6所述的一种打印碳纤维的3D打印机，其特征在于所述的碳纤维丝剪切装置(33)包括电机座(331)、电机(332)、第一、第二推刀导杆座(333、334)和推刀(335)，电机座(321)固定在所述远端旋转臂(27)上，电机(332)以卧置状态固定在电机座(331)上，该电机(332)的电机螺杆轴(3321)朝向所述的基座(321)，第一、第二推刀导杆座(333、334)以彼此对应的状态固定在远端旋转臂(27)上，并且分别对应于推刀(335)的两侧，其中：在第一推刀导杆座(333)上固定有一第一推刀导杆(3331)，而在第二推刀导杆座(334)上固定有一第二推刀导杆(3341)，该第一、第二推刀导杆(3331、3341)彼此横向并行，推刀(335)朝向电机(332)的一侧构成有一推刀连接座(3351)，该推刀连接座(3351)的中部与电机螺杆轴(3321)连接，推刀连接座(3351)朝向第一推刀导杆座(333)的一端与第一推刀导杆(3331)滑动配合，而推刀连接座(3351)朝向第二推刀导杆座(334)的一端与第二推刀导杆(3341)滑动配合，推刀(335)朝向所述打印头固定柱孔(271)的一侧构成有用于将碳纤维丝切断的推刀刀刃(3352)。