一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，属于光纤铺设技术领域。本发明专利技术包括外壳、光纤铺设旋转平台、六自由度打印头、光纤铺设机械组件和光纤收纳组件。光纤铺设机械组件包括可升降的机械手组件、导轨平台、水平导轨、可伸缩的机械臂和两尖柔喙夹头。通过六自由度3D打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，实现在平面360

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，属于光纤铺设


技术介绍

[0002]3D打印技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术等先进技术以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。由于3D打印技术是依靠堆积原理来制造结构件，在堆积过程中内部偶尔会出现缺陷。而且在堆积过程中，若第一层材料冷却过快，则第二层材料与第一层材料就无法完全结合，整体结构的强度就会受到影响。与此同时随着我国3D打印技术的快速发展，3D打印技术已经广泛应用于医学治疗、房屋建筑、航空航天、汽车制造等领域，由于3D打印结构件的特殊性，对于结构件内部损伤的监测变得尤其重要。
[0003]为了解决上述问题，现有的方法一般将用于监测的传感器粘贴于3D打印结构件的表面，通过对结构件表面温度、应变的监测以及相关数据处理算法对结构件内部损伤进行监测。但是这种方法一方面存在较大的监测误差，另一方面结构件使用的时间较长时容易出现传感器脱落现象。近几年虽然也出现了在3D打印结构件内部铺设光纤的一些方法及设备，但是这些技术只实现了在二维平面内铺设光纤且结构复杂。而在实际的工程应用中往往需要对3D打印结构件进行多方向监测。如何在3D打印的同时进行光纤的三维铺设就成为了亟待解决的问题。过去的3D打印技术温度较高，往往会导致嵌入3D打印结构件内部的电子元件损坏，而随着光纤制造技术的发展，耐高温光纤可承受的温度越来越高，使得在3D打印结构件内部嵌入耐高温光纤成为可能。同时美国的FABRISONIC公司提出了一种超声波增材制造(UAM)技术实现了在低温环境下的3D打印，使得在打印结构件内部嵌入的电子器件不会损坏，也使得在3D打印结构件内部嵌入普通光纤成为可能。所以本专利技术利用光纤作为传感器埋入3D打印结构件监测内部损伤与缺陷，不仅精度得到了保证而且自动化程度较高，可以节约大量的人工成本与铺设时间。
[0004]专利技术人发现：目前很多3D打印结构件损伤检测或监测的方法都是在3D打印结构件表面粘贴传感器，通过对3D打印结构件表面的形变量、应力、应变等变化推测其内部缺陷或损伤，而现有的内埋光纤的技术也只能在水平方向上铺设光纤，对3D打印结构件无法实现竖直方向上的监测。

技术实现思路

[0005]为了解决现有光纤铺设技术无法在竖直方向铺设光纤，导致信息采集不全的问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过六自由度3D打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，能够实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3D打印结构件内部铺设光纤，并能够在竖直平面内铺设单根光纤并预留部分光纤作
为熔接接头。通过本专利技术还能够将3D打印结构件变为智能结构件，实时监测打印过程中结构件的形变，提高打印的质量。同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3D打印结构件健康监测系统提供支撑。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，包括外壳、光纤铺设旋转平台、位于光纤铺设旋转平台正上方的六自由度打印头、固定于光纤铺设旋转平台的光纤铺设机械组件和光纤收纳组件。
[0008]所述光纤铺设机械组件包括可升降的机械手组件、导轨平台、水平导轨、可伸缩的机械臂和两尖柔喙夹头。所述可升降的机械手组件主要由底座、伸缩机构、顶部三部分组成，底座固定在导轨平台上，通过伸缩机构将顶部升高。导轨平台沿水平导轨滑动；可伸缩的机械臂一端与顶部固定连接，另一端安装有两尖柔喙夹头。
[0009]所述光纤收纳组件包括安装于光纤收纳盒内部的光纤滚轴、位于光纤滚轴正前方的两尖柔喙夹头、光纤切割装置；所述光纤收纳组件还包括安装于光纤切割装置末端的光纤切割刀。
[0010]所述光纤铺设机械组的两尖柔喙夹头将光纤从收纳装置中取出；光纤铺设旋转平台带动光纤铺设机械组转动，通过六自由度打印头，实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3D打印结构件内部铺设光纤；通过所述可升降的机械手底座的伸缩机构将光纤升高，实现竖直方向上平面内光纤的铺设，在竖直方向上平面内铺设光纤后预留部分光纤作为熔接接头。
[0011]通过实时监测打印过程中结构件的形变，提高3D打印的质量。同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3D打印结构件健康监测系统提供支撑。
[0012]作为优选，所述的光纤铺设旋转平台与光纤铺设机械手所用的电机均为伺服电机；所述的光纤铺设旋转平台包含第一伺服电机与第二伺服电机，第一伺服电机用于驱动旋转平台在水平面转动，第二伺服电机用于驱动旋转平台在竖直方向升降；所述的光纤铺设机械组件内包含第三伺服电机、第四伺服电机与第五伺服电机，第三伺服电机安装于机械手底座用于驱动机械手在竖直方向上升降，第四伺服电机用于驱动机械手在导轨上水平移动，第五伺服电机用于驱动机械手伸长与收缩。
[0013]作为优选，所述的光纤收纳组件位于旋转平台上且与光纤铺设机械组件呈直角安装。
[0014]作为优选，散热系统包括安装于光纤收纳盒下部的散热风扇，同时在3D打印耗材进料器与热熔器之间还安装有散热片，用来实现在耗材融化过程中与打印过程中的散热，避免3D打印结构件的温度过高对光纤产生不利影响。
[0015]作为优选，光纤切割装置位于光纤滚轴前端，光纤切割刀由小型直流电机控制，实现对光纤的切割。
[0016]本专利技术公开的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设方法，基于所述一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置实现，包括如下步骤：
[0017]S1:通过计算机建立需要打印结构的模型，并生成打印程序；
[0018]S2:准备进行3D打印，光纤铺设旋转平台下降到最低处，光纤铺设机械手回到导轨的初始位置，避免阻碍打印；
[0019]S3:热熔器与热床开始预热，当打印喷头与热床达到预设温度时，开始进行3D打印；
[0020]34:六自由度打印头在控制组件的控制下，在工作面上移动，耗材进料器将所需要的耗材送入打印头，打印头将耗材喷出，进行第一层打印。每打印完一个平面后，六自由度机械臂带动打印头上升一个高度单位，开始打印下一层，同时散热装置工作，加速打印结构件散热；
[0021]S5:当打印头打印到需要铺设光纤的层面时，六自由度打印头停止喷出耗材，并回到打印前的初始位置，避免阻碍光纤铺设机械组件工作。光纤铺设旋转平台开始上升，当上升到需要铺设光纤的高度时停止并开始带动铺设机械手旋转。在平面铺设光纤时，机械手旋转到与光纤铺设方向垂直的位置时停止旋转，机械手开始沿水平导轨移动。机械手移动到光纤收纳组件前端时，两尖柔喙夹头夹取光纤。随后机械手沿水平导轨缓慢反向移动，将光纤拉出。在水平导轨上标记有开始施加光纤预应力的位置，当机械手回到此位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：包括外壳、光纤铺设旋转平台、位于光纤铺设旋转平台正上方的六自由度打印头、固定于光纤铺设旋转平台的光纤铺设机械组件和光纤收纳组件；所述光纤铺设机械组件包括可升降的机械手组件、导轨平台、水平导轨、可伸缩的机械臂和两尖柔喙夹头；所述可升降的机械手组件主要由底座、伸缩机构、顶部三部分组成，底座固定在导轨平台上，通过伸缩机构将顶部升高；导轨平台沿水平导轨滑动；可伸缩的机械臂一端与顶部固定连接，另一端安装有两尖柔喙夹头；所述光纤收纳组件包括安装于光纤收纳盒内部的光纤滚轴、位于光纤滚轴正前方的两尖柔喙夹头、光纤切割装置；所述光纤收纳组件还包括安装于光纤切割装置末端的光纤切割刀。2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：所述光纤铺设机械组的两尖柔喙夹头将光纤从收纳装置中取出；光纤铺设旋转平台带动光纤铺设机械组转动，通过六自由度打印头，实现在平面360
°
的范围内边打印结构件边在3D打印结构件内部铺设光纤；通过所述可升降的机械手底座的伸缩机构将光纤升高，实现竖直方向上平面内光纤的铺设，在竖直方向上平面内铺设光纤后预留部分光纤作为熔接接头。3.如权利要求2所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：通过实时监测打印过程中结构件的形变，提高3D打印的质量；同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3D打印结构件健康监测系统提供支撑。4.如权利要求3所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：所述的光纤铺设旋转平台与光纤铺设机械手所用的电机均为伺服电机；所述的光纤铺设旋转平台包含第一伺服电机与第二伺服电机，第一伺服电机用于驱动旋转平台在水平面转动，第二伺服电机用于驱动旋转平台在竖直方向升降；所述的光纤铺设机械组件内包含第三伺服电机、第四伺服电机与第五伺服电机，第三伺服电机安装于机械手底座用于驱动机械手在竖直方向上升降，第四伺服电机用于驱动机械手在导轨上水平移动，第五伺服电机用于驱动机械手伸长与收缩。5.如权利要求3所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：所述的光纤收纳组件位于旋转平台上且与光纤铺设机械组件呈直角安装。6.如权利要求3所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：散热系统包括安装于光纤收纳盒下部的散热风扇，同时在3D打印耗材进料器与热熔器之间还安装有散热片，用来实现在耗材融化过程中与打印过程中的散热，避免3D打印结构件的温度过高对光纤产生不利影响。7.如权利要求3所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，其特征在于：光纤切割装置位于光纤滚轴前端，光纤切割刀由小型直流电机控制，实现对光纤的切割。8.一种基于3D打印的旋转式光纤铺设方法，基于如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置实现，其特征在于：包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：于翀，宋昊，刘宇，刘春红，付佳豪，赵启迪，王浩天，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：