本發(fā)明涉及碳纖維絲嵌入技術(shù)，特別涉及一種基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的方法和裝置。

背景技術(shù)：
碳纖維(CarbonFiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95％以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維具有許多優(yōu)良的性能，如軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞、腐蝕性好，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能等。碳纖維絲在拉應(yīng)變下其電阻隨應(yīng)變呈正比例增加，在壓應(yīng)變下電阻隨應(yīng)變的增加而呈正比例減小，呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)，具有良好的自感知特性。例如公開號為CN103422587A的專利文獻(xiàn)公開了一種碳纖維電阻傳感層智能監(jiān)測免維護(hù)屈曲約束支撐，包括耗能鋼芯、GFRP約束段、波形節(jié)、成型泡沫、傳感層電極和碳纖維智能傳感層，所述GFRP約束段的兩端設(shè)有波形節(jié)，GFRP約束段和波形節(jié)的內(nèi)部中心設(shè)有耗能鋼芯，GFRP約束段沿耗能鋼芯對稱布置，所述碳纖維智能傳感層位于GFRP約束段內(nèi)，碳纖維智能傳感層平行設(shè)置在耗能鋼芯的長邊兩側(cè)，碳纖維智能傳感層與耗能鋼芯之間留有間隙，碳纖維智能傳感層與傳感層電極連接，碳纖維智能傳感層與GFRP約束段連接形成整體結(jié)構(gòu)的空隙內(nèi)填充有成型泡沫。上述裝置具有結(jié)構(gòu)合理、自重輕、耐腐蝕、免維護(hù)、能智能監(jiān)控的特點(diǎn)?；诂F(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的快速成形制造技術(shù)(RapidManufacturing，簡稱RM)可以無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)，直接、快速、精確地制造出具有一定功能的新產(chǎn)品原型或直接制造零件。其基本原理是“分層制造，逐層疊加”，將一個實(shí)體的復(fù)雜的三維加工離散成一系列的層片，大大降低了加工難度，同時也為嵌入式加工制造創(chuàng)造了有利的條件。三維打印技術(shù)作為快速成形制造技術(shù)的一種，其打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度一直是眾多用戶和科學(xué)研究者長期關(guān)注的問題。將碳纖維絲嵌入到打印結(jié)構(gòu)中可有效解決該問題。圖1為打印的PLA塑料結(jié)構(gòu)中有無纖維絲的標(biāo)準(zhǔn)試樣抗彎實(shí)驗(yàn)對比效果，可見通過嵌入纖維絲可有效提高打印結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度，同樣的抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)大幅提高。此外，碳纖維絲自感知功能可實(shí)現(xiàn)對打印的結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，從而實(shí)時了解打印結(jié)構(gòu)的形變或破壞等情況。但目前通過碳纖維絲增強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度方式一般為打印材料使用碳纖維或者在完成打印后包覆碳纖維絲等方式，尚缺乏將碳纖維絲直接嵌入到三維打印結(jié)構(gòu)的有效手段，因此，建立一種能夠自動鋪設(shè)碳纖維絲并可施加預(yù)緊力的裝置對于提升三維打印結(jié)構(gòu)品質(zhì)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的方法，操作簡單，可以有效增強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及嵌入具有實(shí)時監(jiān)測功能的碳纖維敏感元。一種基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的方法，包括以下步驟：(1)采用三維打印進(jìn)行打印結(jié)構(gòu)制造，每制造一層后進(jìn)行判斷是否需要進(jìn)行纖維絲的鋪設(shè)，如果需要鋪設(shè)纖維絲則進(jìn)入步驟(2)，如果不需要則進(jìn)入步驟(3)；(2)將預(yù)張緊的碳纖維絲鋪設(shè)在最新一層的打印結(jié)構(gòu)上；(3)進(jìn)行三維打印下一層制造。本發(fā)明還提供了一種基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的裝置，一種基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的裝置，包括：工作臺；儲絲模塊；纖維絲預(yù)張緊模塊，用于拉伸來自儲絲模塊的纖維絲；升降和平移模塊，安裝在工作臺上用于驅(qū)動纖維絲預(yù)張緊模塊將預(yù)張緊的纖維絲運(yùn)嵌入打印結(jié)構(gòu)的任一疊加層上；斷絲模塊，用于切斷嵌入三維打印結(jié)構(gòu)中的纖維絲的尾部。為了便于進(jìn)行斷絲，所述斷絲模塊包括斷絲剪和伸縮缸；當(dāng)拉伸纖維絲時，所述伸縮缸帶動斷絲剪縮回，避免干涉纖維絲；當(dāng)鋪絲結(jié)束時，所述伸縮缸帶動斷絲剪伸出至纖維絲并將其剪斷。本發(fā)明裝置和方法是基于三維打印技術(shù)的，將已經(jīng)施加預(yù)緊力的碳纖維嵌入打印結(jié)構(gòu)中，解決碳纖維在三維打印制造過程中的自動鋪設(shè)問題，同時可實(shí)現(xiàn)碳纖維絲預(yù)緊力大小可調(diào)，實(shí)現(xiàn)制造出的結(jié)構(gòu)帶有自監(jiān)測功能。拉伸纖維絲的方式很多，為了提高拉伸的穩(wěn)定性，優(yōu)選的，所述纖維絲預(yù)張緊模塊包括：平移軌道，安裝在升降和平移模塊上且?guī)в序?qū)動機(jī)構(gòu)；驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以采用滾珠絲桿等平移結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)還可以是驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，直接安裝在第一安裝座和第二安裝座上，通過電機(jī)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動從而帶動平移軌道上的第一安裝座和第二安裝座至少一個移動。第一安裝座，安裝在平移軌道上；轉(zhuǎn)動動力源，安裝在第一安裝座上，動力輸出端安裝有所述的儲絲模塊，所述儲絲模塊為纖維絲卷；轉(zhuǎn)動動力源一般采用驅(qū)動電機(jī)，固定在第一安裝座上，其動力輸出端與纖維絲卷支架轉(zhuǎn)軸固定連接，用于控制纖維絲卷轉(zhuǎn)動或鎖緊；驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)時帶動纖維絲卷旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)送絲，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，纖維絲卷鎖緊，暫停送絲，形成纖維絲一固定端。第二安裝座，與第一安裝座間隔地安裝在平移軌道上，所述第一安裝座和第二安裝座中至少一個通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動移動；夾緊頭，安裝在第二安裝座夾緊來自纖維絲卷的纖維絲前端，在轉(zhuǎn)動動力源輸出所需長度的纖維絲停轉(zhuǎn)后，所述第二安裝座與第一安裝座相對運(yùn)動拉伸纖維絲以使纖維絲預(yù)張緊。為了便于測定預(yù)緊力的大小，優(yōu)選的，所述夾緊頭上設(shè)有力傳感器，用于檢測纖維絲所受拉力大小以控制第二安裝座與第一安裝座相對運(yùn)動距離。為了方便使用和制造，優(yōu)選的，升降和平移模塊包括：兩根立柱，間隔地固定在工作臺上，至少一根立柱上設(shè)有升降機(jī)構(gòu)，所述平移軌道安裝在兩根立柱通過升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下移動；第一水平移動機(jī)構(gòu)，安裝在第一安裝座，動力輸出端安裝有所述的轉(zhuǎn)動動力源；第二水平移動機(jī)構(gòu)，安裝在第二安裝座，動力輸出端安裝有所述的夾緊頭。為了方便控制移動機(jī)構(gòu)的水平位移大小，優(yōu)選的，第一水平移動機(jī)構(gòu)和第二水平移動機(jī)構(gòu)采用伸縮缸。為了實(shí)現(xiàn)對纖維絲施加預(yù)緊力和預(yù)浸處理，優(yōu)選的，所述裝置還包括布置在儲絲模塊的出絲端用于對纖維絲進(jìn)行預(yù)處理的預(yù)浸模塊。為了節(jié)約用料，優(yōu)選的，所述預(yù)浸模塊包括：出膠機(jī)構(gòu)，設(shè)有多個淋膠孔，與供膠裝置連通；為了減輕預(yù)浸模塊重量，所述預(yù)浸樹脂膠由外部供膠裝置供給，如采用氣泵泵入的方式。接膠盒，布置在纖維絲和出膠機(jī)構(gòu)的下方。優(yōu)選的，所述出膠機(jī)構(gòu)包括一對上下貼靠的滾筒，纖維絲通過兩滾筒之間的縫隙；其中上滾筒為空心結(jié)構(gòu)，周壁上設(shè)有所述的淋膠孔，一端設(shè)有連接供膠裝置的進(jìn)膠口。滾筒結(jié)構(gòu)出膠均勻且不易堵塞。優(yōu)選的，所述預(yù)浸模塊還包括擠壓來自所述對滾筒的纖維絲的一對壓輥。該對壓輥再次擠壓纖維絲，除去多余膠，使涂膠更均勻。為了更好地將纖維絲與三維打印結(jié)構(gòu)結(jié)合更好，優(yōu)選的步驟(2)中將預(yù)張緊的碳纖維絲鋪設(shè)在最新一層的打印結(jié)構(gòu)上的具體步驟如下：2-1、將纖維絲拉直；2-2、將步驟2-1的纖維絲覆蓋在三維打印結(jié)構(gòu)的最新一層結(jié)構(gòu)上；2-3、將步驟2-2中的纖維絲拉伸至所設(shè)的預(yù)緊力大小；2-4、繼續(xù)打印下一層結(jié)構(gòu)。相比與先拉伸至所設(shè)的預(yù)緊力大小后再嵌入三維打印結(jié)構(gòu)的最新一層結(jié)構(gòu)上，上述嵌入方式的效果更好。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的裝置和方法可以快速有效地將預(yù)張緊纖維絲嵌入三維打印結(jié)構(gòu)中，有效提高三維打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)具有自監(jiān)測功能。附圖說明圖1是打印的PLA塑料結(jié)構(gòu)中有無纖維絲的標(biāo)準(zhǔn)試樣抗彎實(shí)驗(yàn)對比效果示意圖。圖2是本發(fā)明的基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的儲絲、預(yù)浸及斷絲模塊的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的平移軌道的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的夾緊頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明裝置基于delta三維打印機(jī)使用時的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各附圖標(biāo)記為：1.工作臺，2.立柱，3.固定座，4.伸縮缸，5.驅(qū)動電機(jī)，6.纖維絲預(yù)張緊模塊，7.纖維絲，8.伸縮缸，9.立柱，10.滑塊導(dǎo)軌，11.橫梁，12.驅(qū)動電機(jī)，13.移動座，14.連接頭，15.銷孔，16.箱體，17.箱蓋，18.座體，19.伸縮缸，20.驅(qū)動電機(jī)，21.滾筒支架，22.斷絲剪，23.纖維絲卷，24.淋膠孔，25.上滾筒，251.下滾筒，252.上壓輥，253.下壓輥，26.接膠盒，27.凸臺，28.進(jìn)膠管，29.座體，30.平移軌道，31.驅(qū)動輪，32.支架，33.夾緊頭，34.托板，35.打印頭，36.打印機(jī)底盤。具體實(shí)施方式下面結(jié)合各附圖，對本發(fā)明做詳細(xì)描述：本實(shí)施例配合delta三維打印機(jī)使用為例。如圖2所示，本實(shí)施例的基于三維打印的嵌入預(yù)張緊碳纖維的裝置包括：工作臺1；升降和平移模塊，安裝在工作臺1上，包括間隔固定在工作臺1上的立柱2和立柱9以及伸縮缸4和伸縮缸8；橫梁11，橫梁11上設(shè)有平移軌道30，兩端分別安裝在立柱2上的驅(qū)動端和立柱9上的滑塊導(dǎo)軌10上；纖維絲預(yù)張緊模塊6，包括安裝在平移軌道30上的固定座3和移動座13，固定座3上安裝有伸縮缸4，移動座13上安裝有伸縮缸8；斷絲模塊，用于切斷嵌入三維打印結(jié)構(gòu)中的纖維絲7的尾部。如圖3所示，纖維絲預(yù)張緊模塊6還包括：連接頭14，與伸縮缸4的移動輸出端通過銷孔15固定連接；箱體16，固定在連接頭14上；纖維絲卷支架，安裝在箱體16上，用于安裝纖維絲卷23；驅(qū)動電機(jī)20，固定在箱體16一側(cè)面上，其動力輸出端與纖維絲卷支架轉(zhuǎn)軸固定連接，用于控制纖維絲卷23轉(zhuǎn)動或鎖緊；驅(qū)動電機(jī)20旋轉(zhuǎn)時帶動纖維絲卷23旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)送絲，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)20停止轉(zhuǎn)動時，纖維絲卷23鎖緊，暫停送絲，形成纖維絲一固定端；滾筒支架21，固定在箱體16前方；上滾筒25和下滾筒251，安裝在滾筒支架21上，纖維絲從兩者的縫隙中通過，兩滾筒同時滾動，其中靠近纖維絲卷23一側(cè)的上滾筒25設(shè)有淋膠孔24，對纖維絲7進(jìn)行預(yù)浸；上壓輥252和下壓輥253，承接來自上滾筒25和下滾筒251的纖維絲，再次擠壓纖維絲使纖維絲預(yù)浸均勻，除去多余的膠。進(jìn)膠管28，與設(shè)有淋膠孔24的上滾筒25連接，不斷輸送預(yù)浸樹脂膠，預(yù)浸樹脂膠由外部設(shè)備供給；倒梯形凸臺27，設(shè)置在箱體16前側(cè)下方；接膠盒26，安裝在倒梯形凸臺27上。箱蓋17，設(shè)置在箱體16上；座體18，安裝在箱蓋17上；伸縮缸19，安裝在座體18上；斷絲夾22，安裝在伸縮缸19末端。如圖4所示，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)包括：座體29，安裝在平移軌道30上；移動座13，與座體29固定連接；驅(qū)動輪31，安裝在移動座13上，橫跨橫梁11中部且與橫梁11滾動接觸；驅(qū)動電機(jī)12，安裝在移動座13上，動力輸出軸與其中一對驅(qū)動輪31連接，提供動力源；如圖5所示，座體32固定在座體29上，伸縮缸8固定在座體32上，夾緊頭33固定在伸縮缸8末端，且設(shè)有力傳感器。如圖6所示，本實(shí)施例配合delta三維打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖，在打印機(jī)旁設(shè)置本實(shí)施例裝置即可實(shí)現(xiàn)自動鋪設(shè)纖維絲及施加預(yù)緊力，工作過程如下：將托板34安裝到打印機(jī)底盤36上，啟動delta三維打印機(jī)開始打印所需要的結(jié)構(gòu)，當(dāng)打印至需要鋪設(shè)纖維絲層時，夾緊頭33夾住纖維絲一端，并在驅(qū)動電機(jī)12的作用下沿橫梁11水平運(yùn)動至設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)(根據(jù)要鋪設(shè)的纖維絲長度設(shè)定)；伸縮缸4和伸縮缸8同時伸出，將纖維絲送至待鋪設(shè)三維結(jié)構(gòu)表面上方；驅(qū)動電機(jī)5驅(qū)動橫梁11下降至纖維絲7接觸待鋪設(shè)三維結(jié)構(gòu)表面；驅(qū)動電機(jī)12驅(qū)動伸縮缸8移動，待夾緊頭33上力傳感器檢測到拉力與設(shè)定值相等時，驅(qū)動電機(jī)12停止移動，鋪絲過程結(jié)束；打印頭35繼續(xù)打印，待纖維絲嵌入后，伸縮缸19驅(qū)動斷絲剪22剪斷纖維絲末端；伸縮缸4和8縮回；驅(qū)動電機(jī)12驅(qū)動伸縮缸8回到起始位置，等待下一次鋪絲指令。根據(jù)打印結(jié)構(gòu)大小，鋪絲過程可以不中斷打印過程也可以在鋪絲時中斷打印，等鋪絲完成時繼續(xù)進(jìn)行打印。例如在同時打印多個橫梁結(jié)構(gòu)件時，可在打印頭打印其他結(jié)構(gòu)件時完成鋪絲過程，但當(dāng)只打印一個尺寸較小的結(jié)構(gòu)件時，只能中斷打印，待鋪絲完成后恢復(fù)打印過程或者在需要打印的結(jié)構(gòu)旁邊設(shè)置一個過渡打印結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋪絲時去打印該結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)鋪絲而不至?xí)和４蛴∵^程。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此即限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡是運(yùn)用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。