3D打印零件中的连续和随机增强制造技术

本发明专利技术涉及组合的连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括在纤维增强复合丝的基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及在相同的基质材料内至少部分地随机延伸的多个短切纤维棒，连续/随机纤维增强复合丝是通过沉积头3D打印的，沉积头包括导管，该导管连续地过渡到在末端处具有熨烫唇的基本圆形的出口，熨烫唇被驱动以朝向零件的先前沉积部分平坦化纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝还包括基质材料，短切纤维棒的第一部分在由熨烫唇散布的轴向纤维线束之间以填充间隙的方式流动。朝向零件的先前沉积部分压迫短切纤维棒的第二部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】3D打印零件中的连续和随机增强
本专利技术涉及三维打印技术。
技术介绍
“三维打印”领域包括诸如立体光固化(Stereolithography，SLA)和熔丝制造(FusedFilamentFabrication，FFF)等各种方法。SLA用于制造通常不耐用或不耐紫外线的高精细度零件且用于概念验证工作；而FFF通过喷嘴挤出ABS或类似聚合物的连续丝珠(continousfilamentbead)。在“复合铺叠(CompositeLay-up)”领域中，将浸渍有树脂粘结剂的预浸渍(“预浸(prepreg)”)复合织物片材叠层至模具中、加热并固化。在“复合丝缠绕(CompositeFilamentWinding)”中，在定制的芯轴周围缠绕包括数千根独立碳线束(carbonstrand)的粘性“丝束(tow)”，以形成旋转对称零件。目前不存在任何用于在添加制造(additivemanufacturing)期间定向纤维以各向异性地改善成品零件的特性的商业性或实验性技术。
技术实现思路
根据本专利技术实施例的一方面，一种用于制造零件的方法包括：提供连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。在切割器中接收连续/随机纤维增强复合丝，并且在切割器中进行切割。在喷嘴中接收切割后的连续/随机纤维增强复合丝。从零件经由轴向纤维线束而不是经由分散的纤维棒施加拖曳力。利用喷嘴施加压力，以将连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在零件中，并且朝向零件的先前沉积部分连续地嵌入短切纤维棒的一部分。替代地或附加地，可以迫使零件的先前沉积层的表面处或附近的纤维棒与填充材料、基质材料、轴向纤维线束或邻近的纤维棒中的一者或多者相互作用。可选地，连续/随机纤维增强复合丝被提供有形成连续/随机纤维增强复合丝的1-20％体积比例的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有不同于纤维棒的材料的轴向纤维线束，并且/或者被提供有由玻璃形成的轴向纤维线束和由碳形成的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有在随机方向上定位的纤维棒，并且/或者被提供有至少部分地非随机定向的纤维棒。连续/随机纤维增强复合丝被提供有孔径比为20:1-200:1的纤维棒，并且/或者被提供有包括被短切至0.05-10mm长的纤维的纤维棒(优选长度为0.2至2mm，也可被控制为稍大一点，例如，0.25至2.5mm直径，喷嘴无堵塞)。进一步可选地，可以驱动沉积头，以迫使纤维棒的第二部分桥接连续/随机纤维增强复合丝的连续层。在本专利技术实施例的另一方面中，连续/随机纤维增强复合丝类似地被提供有基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒，分散的纤维棒中的至少一部分纤维棒定向为横向于轴向纤维线束。与连续/随机纤维增强复合丝分开地提供填充材料，填充该材料包括长度在0.2-10mm之间的第二分散纤维棒。将连续/随机纤维增强复合丝沉积在第一区域内，其中，第一区域形成在零件的向外部分中，向外部分离零件的外壁比离零件的形心更近，并且将填充材料沉积在第二区域内，第二区域形成在零件的相对于第一区域向内的部分中。施加加热压力，以连续地融化并散布芯增强丝，并且/或者朝向先前沉积的连续/随机纤维增强复合丝连续地嵌入第一分散纤维棒的一部分，并且/或者连续地嵌入第一分散纤维棒的一部分。在本专利技术实施例的又一方面中，一种用于添加制造零件的三维打印机包括：连续/随机纤维增强复合丝的提供部，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。打印机还包括：沉积头，其包括过渡到熨烫唇的导管；沉积头驱动器，其用于驱动所述熨烫唇；和丝驱动器，其用于推动连续/随机纤维增强复合丝的上游部分以迫使丝的未附接末端在熨烫唇处离开导管。控制器可操作地连接到丝驱动器和沉积头驱动器，控制器驱动沉积头以朝向零件的先前沉积部分散布连续/随机纤维增强复合丝，使得(a)纤维棒的第一部分和基质材料在轴向纤维线束之间以填充间隙的方式流动，并且/或者(b)朝向零件的先前沉积部分压迫纤维棒的第二部分。在本专利技术实施例的再一方面中，一种用于制造零件的方法包括以下步骤：提供连续/随机纤维增强复合丝，连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒。可以将连续/随机纤维增强复合丝沉积在连续层中。可以施加压力，以将连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融化至先前沉积层并且朝向先前沉积层连续地嵌入短切纤维棒的一部分。可以通过向连续/随机纤维增强复合丝的连续层施加压力来形成纤维增强预制体，并且将纤维增强预制体插入到模具中。可以将纤维增强预制体包覆成型成纤维增强成型体。在本专利技术实施例的另一方面中，可以提供连续纤维增强复合丝，连续纤维增强复合丝包括基质材料、在基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束。在切割器中接收连续纤维增强复合，并且在切割器中切割连续纤维增强复合。在喷嘴中接收切割后的连续纤维增强复合。可以施加压力，以使连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在零件中。可以在零件的连续层中形成负轮廓，并且通过负轮廓插入用于桥接零件的多个连续层的连续增强柱。附图说明图1A是连续芯增强丝沉积和填充材料丝挤出打印机的示意性图。图1B是复合挤出和纤维打印头组件的横截面图示意性图。图1C是纤维打印头组件的特写横截面和一组不同的可能压制/固结形状。图1D是这里讨论的适用于所有实施例的三维打印机的框图和示意性表示。图1E至图1G是可以通过本专利技术的方法和打印机沉积的3D打印结构的横截面，其中，图1E示出了通过3D打印机(例如，FDM、SLA或其它技术)连同聚合物、陶瓷或金属填充材料一起沉积的连续/随机芯纤维增强丝；图1F示出了利用聚合物、陶瓷包覆成型或注射或其它模型体或连续(基本非分层的或微分层的)添加制造包覆成型的连续/随机芯纤维增强丝；并且图1G示出了连同聚合物、陶瓷或金属填充材料(包括一定比例(例如，5-20％)的短切(例如，1/10至2mm长)纤维(例如，碳、玻璃或芳纶等))一起沉积且相互作用的连续/随机芯纤维增强丝。图2A至图2C是使用连续芯增强丝的三维打印系统连同立体光固化或选择激光烧结的示意性表示，其中，图2A和图2B是连续芯增强丝-SLA/SLS打印机的示意性图，并且图2C是定位处理的示意性图。图2D是用于在可嵌入在这里披露的增强成型体中的印刷电路板中形成多个层的三维打印系统的示意性表示。图2E是包括跟随供给和压制辊的可旋转打印喷嘴的示意性表示。图2F是多喷嘴三维打印机的示意性表示。图2G是包括打印臂(例如，具有4个以上自由度的机械手)和可选择的打印头的三维打印系统的示意性表示。图2H是打印系统中使用的多组分打印头的示意性表示。图3是说明图3的3D打印机的整体操作的流程图。图4A至图4C示出了对比方向上的示例性六轴壳铺叠(six-axisshelllayup)。图4D至图4G示出了根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2‑10mm之间的多个纤维棒；在切割器中接收所述连续/随机纤维增强复合丝；切割所述连续/随机纤维增强复合丝；在喷嘴中接收切割后的所述连续/随机纤维增强复合丝；经由所述轴向纤维线束但不经由分散的所述纤维棒从所述零件施加拖曳力；利用所述喷嘴施加压力，以将所述连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在所述零件中；以及利用所述喷嘴施加压力，以朝向所述零件的先前沉积部分连续地嵌入一部分短切的所述纤维棒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.15 US 62/279,657;2016.12.02 US 62/429,7111.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒；在切割器中接收所述连续/随机纤维增强复合丝；切割所述连续/随机纤维增强复合丝；在喷嘴中接收切割后的所述连续/随机纤维增强复合丝；经由所述轴向纤维线束但不经由分散的所述纤维棒从所述零件施加拖曳力；利用所述喷嘴施加压力，以将所述连续/随机纤维增强复合丝连续地散布并融合在所述零件中；以及利用所述喷嘴施加压力，以朝向所述零件的先前沉积部分连续地嵌入一部分短切的所述纤维棒。2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：迫使所述零件的先前沉积层的表面处或附近的所述纤维棒与填充材料、基质材料、轴向纤维线束或邻近的纤维棒中的一者或多者相互作用。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有形成所述连续/随机纤维增强复合丝的1-20％体积比例的纤维棒。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有不同于所述纤维棒的材料的轴向纤维线束。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有由玻璃形成的所述轴向纤维线束和由碳形成的所述纤维棒。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有在随机方向上定向的所述纤维棒。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有至少部分地非随机定向的所述纤维棒。8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：驱动所述沉积头，以迫使所述纤维棒的第二部分桥接所述连续/随机纤维增强复合丝的连续层。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有具有20:1-200:1的孔径比的纤维棒。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连续/随机纤维增强复合丝被提供有包括被短切至0.05-10mm长的纤维的所述纤维棒。11.一种用于制造零件的方法，所述方法包括：提供连续/随机纤维增强复合丝，所述连续/随机纤维增强复合丝包括基质材料、在所述基质材料内基本上连续延伸的多条轴向纤维线束以及分散在整个所述基质材料中的长度在0.2-10mm之间的多个纤维棒，分散的所述纤维棒中的至少一部分定向成横向于所述轴向纤维线束；与所述连续/随机纤维增强...

【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