用于增材制造的复合原料带材及其形成方法技术

本申请提供了用于增材制造的复合原料带材和形成此类带材的方法。复合原料带材可包括彼此平行延伸并平行于该带材的主轴线的连续单向纤维。该纤维的连续性产生优越的机械性能，诸如沿着带材的主轴线的拉伸强度。复合原料带材可通过在平行于纤维的方向裁切复合材料层压片来制成。在一些实施例中，裁切带材的横截面形状可通过至少在带材的表面上再归属材料和/或通过用另一种材料涂覆该裁切带材来改变。这种横截面形状变化可在不扰乱该带材内的连续纤维的情况下执行。在带材内的纤维的横截面分布可为不均匀的，其中，接近该带材的主轴线的纤维具有更高的密度，例如以帮助增材制造。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
增材制造(additivemanufacturing)为形成三维(3D)对象材料(如塑料和金属)添加层的过程。该过程往往依赖计算机系统，并且更具体地，依赖计算机辅助设计(CAD)来设计每层和整个叠层过程。增材制造对于很多情况下用在例如航空应用中的复杂、低产量部件特别有吸引力。立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)为目前用于进行增材制造部件的三种主要方法。通常，作为没有任何结构支撑物(例如，纤维)的材料的净树脂被用于该目的。将结构支撑物结合到增材制造原料被证明是困难的并且通常受限于小颗粒和短纤维。然而，这种类型的结构支撑物并不产生与连续纤维相关联的机械性能。此外，用于制造复合原料的当前技术，诸如挤出，会在原料中引起空隙和其它缺陷。最终，制造复合原料的挤出和其它类似技术倾向于使用结构支撑物堵塞。
技术实现思路
提供了用于增材制造的复合原料带材和形成此类带材的方法。复合原料带材可包括彼此平行延伸并平行于该带材的主轴线的连续单向纤维。该纤维的连续性产生优越的机械性能，诸如沿着带材的主轴线的拉伸强度。复合原料带材可通过在平行于纤维的方向裁切复合材料层压件来制成。在一些实施例中，裁切带材的横截面形状可通过至少在带材的表面上再归属/再归因(reattribute)材料和/或通过用另一种材料涂覆该裁切带材来改变。这种横截面形状变化可在不扰乱该带材内的连续纤维的情况下被执行。在带材内的纤维的横截面分布可为不均匀的，其中，接近该带材的主轴线具有更高密度的纤维，例如以辅助增材制造。提供了形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法。在一些实施例中，该方法包括裁切片材成复合原料带材并被涂覆复合原料带材的外表面。例如，外表面可被涂覆有包含第二树脂的材料。这种涂覆过程形成在复合原料带材表面上的涂覆层。这种涂覆层和复合原料带材的组合可被称为被涂覆复合原料带材。用于裁切的片材可包含第一树脂和在该片材内彼此平行延伸的连续纤维。裁切可沿着平行于该片材内的连续纤维的方向来执行，从而保留该纤维的连续性。涂覆可使用十字头挤出涂覆技术或任何其它合适的技术(诸如粉末涂覆或基于溶液的涂覆技术)来执行。在一些实施例中，在涂覆这些带材之前，在复合原料带材的整个横截面上的连续纤维的分布为均匀的。这种纤维分布在裁切期间得以保留。因此，在用于裁切的片材的整个横截面上的连续纤维的分布也可为均匀的。不过，一旦裁切带材被涂覆，则由于没有连续纤维可被用在涂覆材料(例如第二树脂)中，所以这种横截面分布会变化。在一些实施例中，第二树脂可包括不同类型的纤维或其它类型的填料或可基本上不含任何纤维或填料。例如，在涂覆材料中的非树脂组分的密度可小于5％体积或甚至小于1％体积。替代性地，涂覆材料可包括从由纤维、颗粒和薄片组成的组中选择的填料。例如，填料可包含短纤维，该短纤维至少基于其纵横比而不同于片材的连续纤维和复合原料带材的纤维。填料可选自由以下项组成的组：热敏增材、矿物增强物、热稳定剂、紫外线(UV)稳定剂、润滑剂、阻燃剂、导电助剂和颜料。在一些实施例中，第一树脂和第二树脂中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。第一树脂和第二树脂为相同的。例如，第一树脂和第二树脂两者可均为聚醚酮酮(PEKK)。在一些实施例中，在复合原料带材的外表面上形成的涂覆层的厚度为均匀的。这种类型的涂覆也可被称为共形涂覆。厚度变化可小于20％或甚至小于10％。在这些实施例中，被涂覆复合原料带材的横截面可表示在涂覆之前复合原料带材的横截面的放大变化。在一些实施例中，在涂覆这些带材之前，在复合原料带材的整个横截面上的连续纤维的密度至少为约40％体积。由于在裁切过程中未添加或去除纤维，所以裁切成连续带材的片材的纤维密度可为相同的。这种密度可在制成片材的过程中(例如通过选择用于层压的层片)来控制。在一些实施例中，在用材料被涂覆复合原料带材的外表面的同时，复合原料带材的横截面，或更具体地，横截面轮廓保持相同。换句话说，涂覆过程可以不会扰乱复合原料带材。在一些实施例中，未涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形、正方形和梯形组成的组。被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。在一些实施例中，该方法另外包括形成用于裁切的片材。该操作在裁切片材之前执行并且可涉及形成包括含纤维层片的叠层，之后层压该叠层。在一些实施例中，叠层的所有片材为含纤维层片。在这些实施例中，在层压片材内的连续纤维的体积分数可为恒定的。替代性地，叠层可由一个或多个含纤维层片以及一个或多个树脂层片形成。该树脂层片可不含纤维或任何其它填料。在这些替代实施例中，在层压片材内的连续纤维的体积分数可在该层压片材的整个厚度上变化。例如，在层压片材内的连续纤维的体积分数在沿该层压片材的厚度的层压片材的中心处大于在该层压片材的一个表面处的体积分数。在一些实施例中，在被涂覆复合原料带材的外表面之前，该方法可包含改变该复合原料带材中每个的横截面轮廓。例如，未涂覆复合原料带材可包括不含连续纤维的表面部分并且来自这些表面部分的材料可被重新分布，从而形成新的横截面轮廓。还提供了用于增材制造的被涂覆复合原料带材。在一些实施例中，被涂覆复合原料带材包含复合原料带材和设置在该复合原料带材的外表面上的涂覆层。复合原料带材包含第一树脂和在片材内彼此平行延伸的连续纤维。涂覆层可在复合原料带材周围形成完整或局部的壳体。这些和其它实施例在下面参考附图进一步描述。附图说明图1A为根据一些实施例的对应于形成用于增材制造的复合原料带材的方法的过程流程图。图1B为根据一些实施例的对应于形成包括涂覆层的复合原料带材的另一方法的过程流程图。图2A为根据一些实施例的包括多个树脂层片和含纤维层片的叠层的示意性横截面图。图2B为根据一些实施例的在图2A中示出的叠层的一部分的示意性透视图，该图示出含纤维层片中的一个层片中的纤维取向。图2C为根据一些实施例的只包括含纤维层片的叠层的示意性横截面图。图2D为根据一些实施例的包括树脂层片以及含纤维层片的叠层的示意性横截面图，其中该叠层的外层片为含纤维层。图3A为根据一些实施例的由如图2A所示的叠层形成的层压片材的示意性横截面图。图3B为根据一些实施例的示出作为沿层压片材的厚度的位置的函数的纤维体积分数的示意性曲线图。图3C为根据一些实施例的示出在层压片材内的纤维的恒定体积分数的另一曲线图。图3D为根据一些实施例的示出裁切方向的如图3A所示的层压片材的示意性透视图。图4A为根据一些实施例的由如图3D所示的层压片材形成的复合原料带材的示意性透视图。图4B为根据一些实施例的复合原料带材的示意性横截面图。图4C为根据一些实施例的如图4B所示的复合原料带材的示意性透视图。图5A为根据一些实施例的用于改变复合原料带材的横截面轮廓的液化器的示意图。图5B为根据一些实施例的进入如图5A所示的液化器的复合原料带材的示意性横截面图。图5C为根据一些实施例的离开如图5A所示的液化器的复合原料带材的示意性横截面图。图5D-5F为未涂覆复合原料带材的不同示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法，所述方法包括：将片材裁切为复合原料带材，所述片材包含第一树脂和在所述片材内彼此平行延伸的纤维；沿平行于所述片材内的所有所述纤维的方向执行裁切；并且用包含第二树脂的材料涂覆所述复合原料带材的外表面，从而形成包含设置在所述复合原料带材上的涂覆层的被涂覆复合原料带材。

【技术特征摘要】
2015.08.25 US 14/835,323;2016.02.23 US 15/051,2851.一种形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法，所述方法包括：将片材裁切为复合原料带材，所述片材包含第一树脂和在所述片材内彼此平行延伸的纤维；沿平行于所述片材内的所有所述纤维的方向执行裁切；并且用包含第二树脂的材料涂覆所述复合原料带材的外表面，从而形成包含设置在所述复合原料带材上的涂覆层的被涂覆复合原料带材。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述片材内彼此平行延伸的所述纤维为连续纤维。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面的分布是均匀的。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的密度为至少约40％体积。5.根据权利要求1所述的方法，其中，在用所述材料涂覆所述复合原料带材的所述外表面的同时，所述复合原料带材的横截面保持相同。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂覆层在所述复合原料带材的所述外表面上的厚度是均匀的。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形、正方形和梯形组成的组，并且其中，所述被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在裁切所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·C·沃尔德罗普三世，M·S·汤普森，M·W·海因斯，S·R·海因茨，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US