基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置，包括：工作台；升降和平移模块，安装在工作台上；水平移动台，用于安装和移动快速成形制造结构的任一叠加层；储丝模块；铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在快速成形制造的任一叠加层内牵引和嵌入来自储丝模块的纤维丝；断丝模块，用于切断嵌入快速成形结构中的纤维丝的尾部；纤维丝固定模块，用于在嵌入的起始位置固定纤维丝；本发明还公开了一种基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入方法；本发明通过设置铺丝模块和水平移动台，可以快速有效地将纤维丝自动化嵌入实体结构中，实现自监测智能结构的自动化制造。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维传感元嵌入技术，特别涉及基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置及方法。

背景技术

碳纤维(Carbon Fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良的性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳、腐蚀性好，热膨胀系数小且具有各向异性及良好的导电导热性能等。碳纤维丝在拉应变下其电阻随应变呈正比例增加，在压应变下电阻随应变的增加而呈正比例减小，呈现出良好的导电性和压阻效应，具有良好的自感知特性。

例如公开号为CN103422587A的专利文献公开了一种碳纤维电阻传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层电极和碳纤维智能传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述碳纤维智能传感层位于GFRP约束段内，碳纤维智能传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，碳纤维智能传感层与耗能钢芯之间留有间隙，碳纤维智能传感层与传感层电极连接，碳纤维智能传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫。上述装置具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。

基于现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上发展起来的快速成形制造技术(RapidManufacturing，简称RM)可以无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计(CAD)数据，直接、快速、精确地制造出具有一定功能的新产品原型或直接制造零件。其基本原理是“分层制造，逐层 叠加”，将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列的层片，大大降低了加工难度，同时也为嵌入式加工制造创造了有利的条件。

假肢是用工程技术的手段和方法，为弥补截肢者或肢体不完全缺损的肢体而专门设计和制作装配的人工假体，又称“义肢”。其主要作用是代替失去肢体的部分功能，使截肢者恢复一定的生活自理和工作能力。随着经济条件的转变和社会的发展，残疾患者对假肢的舒适度要求越来越高，同时医生对假肢实际使用状态的监测也至关重要。

因此，建立一种能够自监测的假肢对舒适度和使用寿命进行实时监测具有重要的意义，碳纤维自感知功能和快速成形制造技术有望推进自感知智能假肢的出现，但是目前市场上仍没有相关的制造装置或者方法。

发明内容

本发明提供了一种基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置，解决碳纤维在快速成形制造中自动铺设问题，使制造出的结构带有自监测功能。

一种基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置，包括：

工作台；

升降和平移模块，安装在工作台上；

水平移动台，用于安装和移动快速成形制造的任一叠加层；

储丝模块；

铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在快速成形制造的任一叠加层内牵引和嵌入来自储丝模块的纤维丝；

纤维丝固定模块，用于在嵌入的起始位置固定纤维丝；

断丝模块，用于切断嵌入快速成形结构中的纤维丝的尾部。

本发明装置适用于多种类型的快速成形制造技术，例如光固化成型技术，只要将光固化成型装置安装到水平移动台上，根据需要通过铺丝模块在实体结构的任一层中嵌入碳纤维，从而得到带有自监测功能的结构。

为了实现快速出丝，优选的，所述铺丝模块包括：

安装座，与升降和平移模块的动力输出端固定连接；

纤维丝驱动箱，固定在所述安装座上；

铺丝头，安装在所述纤维丝驱动箱下方，所述纤维丝驱动箱将储丝模块的纤维丝牵引至铺丝头并驱动纤维丝自该铺丝头出丝。

上述结构的铺丝模块结构简单，使用方便。

为了便于进行断丝和纤维丝固定，优选的，所述铺丝模块还包括安装在纤维丝驱动箱的下方且水平转动的转盘以及转盘驱动装置，所述转盘中间开设有过丝孔，所述纤维丝驱动箱输出的纤维丝穿过该过丝孔至铺丝头，所述断丝模块和纤维丝固定模块安装在所述转盘的周向边缘上。上述转盘的设置便于操控断丝模块和纤维丝固定模块到所需的位置进行工作，提高本发明装置的灵活性。

为了便于制造和使用，简化装置结构，优选的，所述转盘驱动装置包括：

齿轮盘，固定在转盘的下方；

内轴承，固定在纤维丝驱动箱的底部，所述齿轮盘安装在内轴承上；

蜗杆，与齿轮盘的周向轮齿啮合；

蜗杆座，用于安装蜗杆且与所述内轴承固定连接；

蜗杆转动动力源，动力源一般可以采用驱动电机。

优选的，所述铺丝头包括一对压辊以及用于安装压辊的支架，所述纤维丝驱动箱底部固定连接有连杆，所述支架水平转动安装在该连杆末端。支架水平转动安装满足曲线铺丝路径要求。

纤维丝初始位置固定可以采用胶粘、U型钉等方式，优选的，所述纤维丝固定模块包括升降杆以及固定在升降杆末端的排钉盒。U型钉装在所述排钉盒中。

优选的，还包括安装在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上的预浸模块。预浸模块一般采用预浸缸。

所述纤维丝驱动箱的进丝口和预浸缸的进出丝口均设有滚轮，避免因滑动摩擦导致纤维丝部分断裂。

本发明还提供了一种基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入方法，使用上述的基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置，包括 以下步骤：

(1)采用快速成形制造技术进行实体结构制造，在水平移动台上每制造一层后进行判断是否需要进行纤维丝的铺设，如果不需要则继续下一层制造，如果需要铺设纤维丝则进入步骤(2)；

(2)水平移动台将该层实体结构移动至铺丝模块下方，铺丝模块在该层嵌入来自储丝模块的纤维丝；

(3)水平移动台将完成嵌有纤维丝的实体结构移动回原位置继续进行快速成形制造。

在制造前，进行制造的控制代码通过以下方法得到：

根据需要创建实体模型，可以来源于已有目标实体通过扫描反求创建实体模型，也可以是直接设计的实体模型；对实体模型进行有限元分析确定需要布置纤维丝的最佳位置；对生成的模型控制代码优化，植入纤维丝铺丝路径控制代码，生成完整的控制代码，并导入控制主机中进行目标实体的制造，对制造好的结构添加电极电路等最终获得智能结构或产品。

本发明的有益效果：

本发明通过设置铺丝模块和水平移动台，可以快速有效地将纤维丝自动化嵌入实体结构中，实现自监测智能结构的自动化制造。

附图说明

图1是本发明的基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置的立体结构示意图。

图2是本发明的铺丝模块的立体结构示意图。

图3是纤维丝驱动箱的内部立体结构示意图。

图4是转盘及其驱动装置的立体结构示意图。

图5是转盘及其驱动装置另一个角度的立体结构示意图。

图6是预浸缸的内部立体结构示意图。

图7是图6中A部分的放大结构示意图。

图8是图1中的光固化平台的立体结构示意图。

图9是基于本发明装置制造的智能假肢的结构示意图。

图10是本发明制造方法的流程图。

图11是本发明装置制造过程的控制流程图。

图中各附图标记为：1.固定工作台，2.立柱，3.纤维丝卷，4.驱动电机，5.横梁，6.预浸缸，7.驱动电机，8.铺丝模块，9.驱动电机，10.立柱，11.立柱，12.驱动电机，13.横梁，14.光源，15.横柱，16.水平移动台，17.光固化平台，18.横柱，19.立柱，20.支架，21.机械手，22.机械臂，23.排钉盒，24.机械臂驱动箱，25.伸缩缸，26.驱动电机，27.纤维丝驱动箱，28.调整轮，29.预浸纤维丝，30.齿轮盘，31.驱动电机，32.蜗杆座，33.铺丝头，34.树脂箱，35.立柱，36.驱动电机，37.驱动电机，38.升降台，39.刮板，40.滚珠丝杠，41.固化树脂，61.过丝孔，62.张紧轮，63.张紧机构，64.预浸液，271.箱体，272.橡胶轮，273.轴承，274.凸台，275.螺纹孔，301.转盘，321.内轴承，322.蜗杆。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述：

本实施例中快速成形制造技术采用光固化成型技术，设有光固化装置。

如图1所示，本实施例的基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入装置，包括：

固定工作台1，作为整个装置的基体；

升降和平移模块，包括两根立柱(立柱2和立柱10)和两根横柱(横柱15和横柱18)，两根立柱上设有一根横梁5，横梁5和立柱2上设有驱动电机4和驱动电机9以及配合的滚珠丝杠，立柱10设有导轨滑块；

水平移动台16，通过滚珠丝杠和导轨滑块设置在固定工作台1的横柱15和横柱18上，驱动电机驱动滚珠丝杠控制水平移动台16做前后运动；

铺丝模块8，设置在固定工作台1的横梁5的移动输出端上，用于纤维丝的自动铺设；

断丝模块；

纤维丝固定模块；

预浸缸6，设置在安装有铺丝模块的横梁5上，用于盛放预浸液，对 纤维丝预浸，内部设有张紧轮，限制纤维丝始终能够通过预浸液；

支架20，设置在固定工作台1上，用于放置纤维丝卷3，组成储丝模块。

光固化装置包括：

两根立柱(立柱11和立柱19)，两根立柱上设有一根横梁13，横梁13和立柱19上设有驱动电机12和驱动电机7以及配合的滚珠丝杠，立柱11设有导轨滑块；

光固化平台17，设置在水平移动台16上；

激光光源14，设置在横梁13的移动输出端上，用于树脂固化；

如图2所示，铺丝模块8包括：纤维丝驱动箱27、齿轮盘30和铺丝头33；纤维丝驱动箱27设有进丝口和出丝口，进丝口设有调整轮28，调整轮28为一对压辊，纤维丝驱动箱27设有驱动纤维丝移动的驱动电机26，下部设有蜗杆座32，蜗杆座上设有内轴承，齿轮盘30与内轴承滑动连接，驱动电机31驱动蜗杆旋转从而带动齿轮盘30旋转；

纤维丝固定模块包括排钉盒23和伸缩缸25；断丝模块包括机械手21、机械臂22、机械臂驱动箱24；机械臂驱动箱24和伸缩缸25设置在与齿轮盘30固定连接的转盘301上；机械臂22一端与机械臂驱动箱24相连，另一端设有机械手21；机械手21在机械臂驱动箱24控制机械臂22运动下实现夹持和剪断两个功能；伸缩缸25的动力输出端设有排钉盒23，伸缩缸25可将排钉盒23驱动至纤维丝铺设起始位置并推出排钉，实现纤维丝初始位置固定。

如图3所示，纤维丝驱动箱27包括：箱体271，内部设有橡胶轮272，轴承273，箱体271下方设有带出丝孔的凸台274和螺纹孔275。

如图4和5所示，转盘及其驱动装置结构，包括：内轴承321、蜗杆322、驱动电机31和蜗杆座32，蜗杆座32和内轴承321螺纹固定连接，内轴承321通过螺栓与箱体271上的螺纹孔275连接，蜗杆322安装在蜗杆座32内，驱动齿轮盘30绕内轴承321旋转。

如图6和图7所示，预浸缸6的两侧设有过丝孔61和张紧轮62，内部设有张紧机构63，张紧机构63为张紧轮，限制纤维丝始终能够通过预浸液64。

如图8所示，光固化平台包括：树脂箱34、立柱35、驱动电机36、 驱动电机37、升降台38、刮板39和滚珠丝杠40，升降台38由驱动电机36驱动，可沿立柱35上下移动，每次移动距离为一个层厚；刮板39由驱动电机37驱动沿滚珠丝杠40前后运动，以确保每次升降台下降一个层厚时树脂液面始终能够保持平整。

如图9所示，通过本实施例的装置通过光固化成型的智能假肢结构，固化树脂41嵌入纤维丝29，纤维丝29两端悬出，用于和外界电路相连接，从而对假肢实现监测。

如图10所示，基于本实施例的装置的制造方法步骤包括：

(1)根据需要创建实体模型，可以来源于已有目标实体通过扫描反求创建实体模型，也可以是直接设计的实体模型；

(2)对实体模型进行有限元分析确定需要布置纤维丝的位置(最优的位置)；

(3)对生成的模型控制代码优化，植入纤维丝铺丝路径控制代码，生成完整的控制代码，并导入控制主机中进行目标实体的制造，对制造好的结构添加电极电路等最终获得智能结构或产品。

如图11所示，基于快速成形制造技术的碳纤维传感元嵌入方法，包括以下步骤：将上述生成的控制代码导入控制主机中，首先光固化平台控制到激光光源横梁下方，进行智能结构逐层叠加制造，每固化一层后进行判断是否需要进行碳纤维丝的铺设，如果不需要则继续进行光固化制造，如果需要铺设纤维丝则驱动水平移动台16将光固化平台17移至碳纤维铺丝模块8下方，进行纤维丝的铺设，铺丝结束后，将光固化平台17移回继续进行光固化制造，直至制造结束获得智能结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。