用于纤维增强添加制造的方法技术

描述了涉及三维打印机、增强丝及其使用方法的多个实施方案。在一个实施方案中，将无空隙增强丝进给至挤出喷嘴中。增强丝包括芯和围绕芯的基质材料，芯可以是连续的或半连续的。将增强丝加热到高于基质材料的熔化温度并且低于芯的熔化温度的温度，然后从挤出喷嘴挤出丝。

A method of fiber reinforced addition manufacturing

Several embodiments involving three dimensional printers, reinforcing wires and their usage are described. In one embodiment, no void reinforcement wire is fed to the extrusion nozzle. The reinforcing wire comprises a core material and a matrix material around the core, and the core can be continuous or semi continuous. The reinforcing wire is heated to a melting temperature higher than that of the matrix material and below the melting temperature of the core, and then extruded from the extrusion nozzle.

【技术实现步骤摘要】
用于纤维增强添加制造的方法相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2013年6月5日提交的美国临时申请序列号61/831,600、2013年7月17日提交的美国临时申请序列号61/847,113、2013年9月15日提交的美国临时申请序列号61/878,029、2013年9月24日提交的美国临时申请序列号61/881,946以及2013年11月10日提交的美国临时申请序列号61/902,256的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。本申请是中国专利申请第201480044287.6号的分案申请，第201480044287.6号的专利申请其申请日是2014年6月5日，专利技术名称是“用于纤维增强添加制造的方法”。
一些方面涉及三维打印。
技术介绍
“三维打印”作为一种技术包括多种方法，例如立体光刻法(Stereolithography，SLA)和“熔丝制造(FusedFilamentFabrication，FFF)。SLA产生高分辨率零件，其通常不是耐用的或UV稳定的，用于概念验证工作；而FFF通过喷嘴挤出ABS或类似聚合物的连续丝珠粒。“复合铺层(CompositeLay-up)”通常与三维打印无关。在这个技术中，将织物的预浸(“prepreg”)复合片用树脂粘合剂浸渍成二维图案。然后将一个或多个独立片铺层成模型并且加热以使结合树脂液化并且使最终零件固化。“复合丝缠绕”也通常与三维打印无关。在这个技术中，包括数千个独立碳线束(carbonstrand)的粘性“丝束(tow)”缠绕在常规心轴上以形成旋转对称零件。丝缠绕通常限于凸形，因为拉紧的丝“桥接”了任何凹形。没有提供复合铺层或复合丝缠绕的益处的商业化或实验三维“打印”技术。
技术实现思路
根据本专利技术的第一个形式，用于添加制造(additivemanufacturing)零件的步骤的一种组合包括：供应未熔无空隙纤维增强复合丝(unmeltedvoidfreefiberreinforcedcompositefilament)，其包括在丝的基质材料内延伸的一个或多个轴向纤维线束(fiberstrand)，在基质材料内不具有大量空气间隙。未熔复合丝沿着阻止丝屈曲的间隙配合区以进给速率进给，直至丝到达喷管(nozzlet)的屈曲部分(即，与零件相对的喷管末端，任选地在喷管端和零件之间具有丝直径或更小的间隙)。尤其是在横向压力区(transversepressurezone)，将丝加热到高于基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在丝内部的基质材料。随着纤维增强复合丝以结合排(bondedrank)沉积到零件上，利用熨烫唇(ironinglip)向纤维增强复合丝的熔化的基质材料和一个或多个轴向纤维线束施加熨烫力。在这种情况下，熨烫唇以在熨烫唇和零件之间的纤维增强复合丝中维持中性至正性张力的打印速率与零件相邻着平移，这种中性至正性(即，无张力至有一些张力)张力小于将结合排与零件分离所需的张力。根据本专利技术的第二个形式，用于添加制造零件的步骤的另一种额外的或替代的组合包括上述供应步骤，以及纤维增强复合丝以进给速率进给。将丝类似地加热，特别是在横向压力区。将复合丝的熔化的基质材料和所述至少一个轴向纤维线束穿线(threaded)(例如，以未熔状态通过加热的打印头)以接触横向压力区中的零件。该横向压力区相对于并且相邻着零件以打印速率平移，以将丝末端(包括纤维和基质)带到熔化位置。丝末端可任选地变形或弯曲以到达该位置。在熔化位置，基质材料间隙地在丝内部熔化。根据本专利技术的第三个形式，用于添加制造零件的三维打印机包括未熔无空隙纤维增强复合丝的纤维复合丝供应器(例如，丝轴或离散丝段的盒)，所述未熔无空隙纤维增强复合丝包括在丝的基质材料内延伸的一个或多个轴向纤维线束，在基质材料内不具有大量空气间隙。一个或多个线性进给机构(例如，驱动摩擦辊或传送机、进给轨道、重力、液压或其他压力等，任选地包括滑动离合器或单向轴承以允许材料进给速度和打印速度之间的速度差)使未熔复合丝以进给速率前进，任选地沿着引导丝沿路径或轨道前进和/或阻止丝屈曲的间隙配合通道(例如，管、导管、固体零件内的引导通道、传送机辊或球)。打印头可以包括(全部任选地和/或替代地)加热器元件和/或热区和/或热腔，一个或多个丝引导件，冷进给区和/或冷却器，和/或再成形唇、挤压尖、熨烫尖和/或熨烫板，和/或线性和/或转动制动器，以使打印头在X、Y、Z任意方向和/或额外地以一至三个旋转自由度移动。构建压板(buildplaten)可以包括构建表面，并且可以包括一个或多个线性制动器，以使构建压板在X、Y、Z任意方向和/或额外地以一至三个旋转自由度移动。加热器(例如，辐射加热器、感应加热器、热空气喷射或流体喷射、电阻加热器、使用发射的或辐射的电磁辐射，任选地加热熨烫尖)将丝特别是基质材料加热至大于基质材料的熔化温度的温度(以熔化丝内单纤维周围的或在多个线束的情况下间隙地在线束之间的基质材料)。打印头和/或构建压板的线性制动器和/或旋转制动器可以各自单独地和/或协作地限定打印速率，后者是形成连接排的速度。控制器任选地通过传感器监测加热器、丝的温度和/或加热器消耗的能量。在本专利技术的该第三个形式和任选地本专利技术的其他形式中，进给机构、间隙配合通道、构建压板的线性或旋转制动器和/或打印头的线性和旋转制动器、引导件、热腔和/或再成形或熨烫唇或尖可任选地协作(其任意组合或排列或者全部)作为横向压力区，将丝挤压和/或熔化到构建压板上或被打印零件内。任选地，打印头和/或构建压板的线性或旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以沿着丝的轴向线束(例如，进给辊直径的切线)施加压缩力和/或施加来自构建压板或被打印零件的反作用力，以将熔化基质丝挤压在构建压板上或者零件之前的层上或内，以形成结合排(即，粘附在下面基本平坦的表面或其一侧的基本矩形的排)。完全任选地另外或替代地，打印头和/或构建压板的线性或旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以向熔化的基质丝的一侧施加横向、向侧面、向下的熨烫和/或熨烫力(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板)，以将熔化的基质丝挤压和/或熨烫到构建压板上或者零件之前形成的层上或内以形成结合排。完全任选地另外或替代地，打印头和/或构建压板的线性和旋转制动器和/或一个或多个线性进给机构可以由监测力、位移和/或速度传感器的控制器控制，以在再成形唇和零件之间的纤维增强复合丝内维持中性至正性张力的打印速率与零件相邻着施加中性至正性张力，所述张力通过丝的线束和未熔基质和/或在构建压板、之前沉积的结合排和打印头或进给机构之间(任选地使用打印头的表面或与打印头相邻的表面，其可以是再成形和/或熨烫唇、尖或板，并且进一步任选地使用打印头或引导件的内表面，和/或进给机构离合器、滑动件、电机驱动、空载(idling)、电机内阻和/或小电阻电流)。这种张力任选地为小于将结合排与零件分离所需力的中性至正性张力，以维持结合排的形成，并且进一步任选地和/或替代地，可以足够分离或切断通过熔化基质连接在打印头上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于添加制造零件的方法，所述方法包括：进给未熔纤维增强复合丝，其包括在基质材料内延伸的多个线束；在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度，以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料；随着所述纤维增强复合丝以结合排沉积到所述零件上，向所述纤维增强复合丝施加压扁力；以及在所述压扁力和所述零件之间的所述纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，所述中性至正性张力是小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力。

【技术特征摘要】
2013.06.05 US 61/831,600;2013.07.17 US 61/847,113;1.一种用于添加制造零件的方法，所述方法包括：进给未熔纤维增强复合丝，其包括在基质材料内延伸的多个线束；在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度，以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料；随着所述纤维增强复合丝以结合排沉积到所述零件上，向所述纤维增强复合丝施加压扁力；以及在所述压扁力和所述零件之间的所述纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，所述中性至正性张力是小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述进给未熔纤维增强复合丝包括沿着阻止所述纤维增强复合丝屈曲的间隙配合区进给所述未熔纤维增强复合丝。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基质材料包含未熔极限抗拉强度为大约10至100MPa并且熔化极限抗拉强度小于10MPa的热塑性树脂，并且所述多个线束中的至少一个包括极限抗拉强度为大约200-100000MPa的线束材料。4.根据权利要求3所述的方法，其还包括在非接触区加热所述纤维增强复合丝，以及维持中性至正性张力主要通过所述多个线束内的张力实现。5.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述横向压力区中随着结合排附着到所述零件上时维持所述纤维增强复合丝基本恒定的横截面积。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述纤维增强复合丝具有大于1×10-5平方英寸并且小于2×10-3平方英寸的横截面积。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个线束中的至少一个在任何横截面积中包括100至6000个平行的连续轴向线束。8.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述压扁力处或者与所述压扁力相邻切割所述纤维增强复合丝。9.根据权利要求1所述的方法，其还包括：拖曳所述横向压力区中与所述零件的第一部分连接的所述纤维增强复合丝；将所述横向压力区平移通过自由空间；以及压扁以将所述纤维增强复合丝再连接到所述零件的第二部分。10.根据权利要求1所述的方法，其中在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的玻璃化转变温度的温度，以使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。11.根据权利要求1所述的方法，其中在横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔化温度的温度以熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料包括：在所述横向压力区中将所述纤维增强复合丝加热到高于所述基质材料的熔点温度的温度，以使间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料流动。12.一种用于添加制造零件的方法，所述方法包括：供应未熔纤维增强复合丝，其包括在所述纤维增强复合丝的基质材料内延伸的多个线束；将所述纤维增强复合丝向前穿线以接触横向压力区中的所述零件；相对于并且相邻着所述零件平移所述横向压力区，以将所述纤维增强复合丝的末端带到熔化位置；以及在所述熔化位置熔化间隙地在所述纤维增强复合丝内的所述基质材料。13.根据权利要求12所述的方法，其还包括：随着所述纤维增强复合丝被以结合排挤压到所述零件上，利用压扁力来压扁所述纤维增强复合丝；以及在所述压扁力和所述结合排之间的所述纤维增强复合丝中维持中性至正性张力，所述中性至正性张力为小于将结合排与所述零件分离所需张力的张力。14.根据权利要求13所述的方法，其还包括在压扁期间控制所述压扁力距离所述零件的顶部的高度小于所述纤维增强复合丝的直径。15.根据权利要求12所述的方法，其中所述基质材料包含未熔弹性模量为大约0.1至5GPa并且熔化弹性模量小于0.1GPa的热塑性树脂，并且所述多个线束中的至少一个包括弹性模量为大约5-1000GPa的线束材料。16.根据权利要求12所...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷戈里·托马斯·马克，
申请(专利权)人：马克弗巨德有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US