用于增加3D零件的强度的跨层纤维缠结制造技术

本发明专利技术题为“用于增加3D零件的强度的跨层纤维缠结”。本发明专利技术公开了一种打印片材纤维缠结装置，该装置将来自相邻打印纤维层(例如，片材)的纤维彼此缠结。在构建打印纤维片材的堆叠时，定期抵靠堆叠的顶片材加载多孔板。导向板可以使片材在配准销上方向下移动，并且然后将刺针阵列推入堆叠中。通过最靠近导向板的打印片材，将具有面向上和/或面向下的倒刺的针的阵列通过导向板中的孔推入堆叠中。当针推动到堆叠中或从堆叠抽出时，刺针上的倒刺将来自纤维片材的纤维通过打印标记材料缠绕并且将纤维与相邻片材缠绕。针阵列可以在多个推入之间稍微平移，使得后续针刺推入可出现在稍微新的位置。

【技术实现步骤摘要】
用于增加3D零件的强度的跨层纤维缠结
本公开整体涉及用于基于复合材料的增材制造的系统和方法，并且更具体地讲，涉及致使构建单独层压体层以形成和/或制造三维对象、零件和部件(3D对象)的此类过程。
技术介绍
通常包括对输出产品进行模制或机加工的各种形式的传统对象、零件和部件制造过程已扩展到包括全球范围内称为“增材制造”或AM技术的一类新技术的商业实施方式。这些AM技术通常涉及替代地被称为“固态自由形式制造(SFF)”或“3D打印”的过程，其中根据特定的材料沉积和固化方案，将处于未完成状态的添加剂材料层(有时有毒或其他危险)依次沉积在进程中的3D对象上。在3D对象形成过程中添加每一个层时，新材料层将被添加并粘附到一个或多个已经存在的层。然后，在3D对象构建过程中沉积任何下一个AM层之前，可以至少部分地分别固化每个AM层。贯穿3D工作行程的这种连续层材料添加/接合是在各种复杂级别的自动控制下执行的。AM制造技术包括但不限于已被广泛地称为可用于生产3D打印对象的“3D打印”技术的那些技术。3D打印技术采用一种或多种过程，这些过程改良自并且在一些方面看来类似于众所周知的用于在图像接收介质衬底上形成二维(2D)打印图像的过程。通过3D打印技术生产的输出结构的显著差异通常基于(1)用于从3D打印机形成输出3D打印对象的沉积材料的组合物；和/或(2)“打印”头在沉积相对大量的连续(且非常薄)的沉积材料层以将层构建成输出3D打印对象的形式时进行的扫描遍数。许多基于粉末的AM技术已经被商业化。这些技术包括选择性激光烧结(SLS)，以及用于3D打印的基于调色剂的2D打印技术的某些适配。本领域技术人员认识到，在这些实施方式中的某些实施方式中，通常不需要单独的支持结构来支持某些复杂形状的创建。在这些过程中的某些过程中，粉末材料被选择性地固结成3D对象，同时多余粉末被手动移除。例如，在SLS过程中，薄粉末层沉积在工作空间容器中，并且然后使用跟踪期望横截面形状的激光束将粉末融合在一起。通过沉积粉末层来重复该过程，从而以这种方式逐层构建3D对象。在典型的基于调色剂的3D打印过程中，在通常用于将粘结剂以3D对象横截面形状打印在每个粉末层上的打印技术中，粘结剂材料选择性地粘结沉积在层中的粉末。现在可以使用数量越来越多的AM或3D打印过程和技术。这些AM或3D打印过程的多样性之间的主要区别特性是沉积层以创建输出3D对象的方式、以及用于形成输出3D对象的材料。某些AM技术(贯穿本公开的其余部分将使用此术语来指代各种3D对象分层和构建技术，包括3D打印)熔化或软化材料，以使用技术(诸如通过施加热的对输入材料的选择性激光熔化或烧结)来生产构建层。其他AM制造技术使用用于沉积液体材料的技术(诸如喷射(油墨)材料“打印”技术)来沉积和固化液体材料。一些3D打印机使用以下过程：以零件横截面图像将塑料打印到纤维片材(诸如碳纤维)上，然后堆叠许多片材以形成堆叠，该堆叠在加热堆叠以熔化或固化塑料并压缩堆叠后将成为3D零件。多余的未粘结纤维片材经由喷砂或其他方法来移除。零件强度主要由纤维强度决定。层间强度主要由塑料粘结剂强度决定。增加3D零件的层间强度将是有益的。
技术实现思路
本公开中体现的前述和/或其他方面和效用可以通过提供打印片材纤维缠结装置来实现，该打印片材纤维缠结装置用于缠结来自增材制造系统的堆叠打印纤维片材，其中打印片材纤维缠结装置具有底板、配准销、导向板、针板和刺针阵列。底板可以支撑打印纤维片材的堆叠，其中每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔。配准销与底板对准并且延伸通过配准孔以维持堆叠的打印纤维片材在底板上对准。导向板与底板对准并具有垂直延伸通过其的孔阵列。导向板可以朝向底板往复运动至抵靠打印纤维片材堆叠的第一位置，并且远离底板往复运动至允许将附加打印纤维片材放置到堆叠上的第二位置。针板邻近与底板相对的导向板。刺针阵列由针板保持并朝向底板延伸，其中刺针阵列与导向板孔阵列对准。刺针被设置用于在导向板处于第一位置时通过孔阵列插入，并且进一步用于通过邻近导向板的多个打印纤维片材插入。刺针在其外围表面上具有倒刺，该倒刺被配置为将纤维从堆叠的多个打印纤维片材中的一者移动到堆叠的相邻打印纤维片材。根据本文所示的方面，描述了用于使打印纤维片材纤维缠结以粘结打印纤维片材堆叠的示例性方法。方法可以包括将打印纤维片材放置在另一个打印纤维片材的顶部上以在底板上形成打印纤维片材的堆叠，其中每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔，并且打印片材中的一者在其中具有纤维。打印纤维片材的放置包括经由配准销将打印纤维片材与打印纤维片材对准，该配准销与底板对准并且延伸通过打印纤维片材的配准孔。方法还可以包括在导向板处于抵靠打印纤维片材堆叠按压的第一位置时，向打印纤维片材堆叠施加压力，导向板具有垂直延伸通过其中的孔阵列；以及使由针板保持并朝向底板延伸的刺针阵列往复运动通过导向板孔阵列和邻近导向板的多个打印纤维片材。往复运动包括当导向板处于第一位置时将刺针通过孔阵列插入，并且进一步通过邻近导向板的多个打印纤维片材插入刺针。往复运动还包括将刺针从打印纤维片材的堆叠抽出，其中刺针具有倒刺，该倒刺被配置为在往复运动期间将来自堆叠的多个打印纤维片材中的一者的纤维与堆叠的相邻打印纤维片材的纤维缠绕。根据本文所述的方面，增材制造系统的堆叠器子系统包括冲头保持器、模具保持器、冲头板、底板、配准销、导向板、针板和刺针阵列。冲头保持器与模具保持器对准，其中冲头保持器被配置为沿横向于在冲头保持器和模具保持器之间馈送的打印衬底幅材的输送路径的方向朝向和远离模具保持器往复运动。冲头保持器在其中具有空腔，其中空腔开口邻近模具保持器。模具保持器具有与冲头保持器的空腔相对应的穿过其中的通道，其中冲头保持器和模具保持器被配置为在其之间接收打印衬底幅材。打印衬底幅材具有多个打印纤维片材，其中每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔。冲头板以外围间隔关系滑动地接收在空腔内，其中冲头板被配置为沿横向于打印衬底幅材的输送路径的方向，在冲头保持器中的凹陷位置与延伸到模具保持器的通道中的切割位置之间往复运动以从打印衬底幅材切断衬底片材。冲头板具有限定孔的内周壁。底板被配置为支撑切断的打印纤维片材的堆叠。配准销与底板对准并且延伸通过配准孔以维持堆叠的切断的打印纤维片材在底板上对准。导向板与底板对准并具有垂直延伸通过其的孔阵列。导向板被配置为朝向底板往复运动至促使切断的打印纤维片材抵靠切断的打印纤维片材的堆叠的第一位置，并且远离底板往复运动至允许将附加的切断打印纤维片材放置到堆叠上的第二位置。针板邻近与底板相对的导向板。刺针阵列由针板保持并朝向底板延伸，其中刺针阵列与导向板孔阵列对准。刺针被设置用于在导向板处于第一位置时通过孔阵列插入，并且还用于通过邻近导向板的多个切断的打印纤维片材插入。刺针在其外围表面上具有倒刺，该倒刺被配置为将纤维从堆叠的多个切断打印纤维片材中的一者移动到堆叠的相邻切断打印纤维片材。附图说明...

【技术保护点】
1.一种用于缠结来自增材制造系统的堆叠打印纤维片材的打印片材纤维缠结装置，包括：/n被配置为支撑打印纤维片材堆叠的底板，每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔，所述打印片材中的至少一个在其中具有纤维；/n配准销，所述配准销与所述底板对准并且延伸通过所述配准孔以维持所述堆叠的所述打印纤维片材在所述底板上对准；/n与所述底板对准并具有垂直延伸通过其的孔阵列的导向板，所述导向板被配置为朝向所述底板往复运动至抵靠所述打印纤维片材堆叠的第一位置，并且远离所述底板往复运动至允许将附加打印纤维片材放置到所述堆叠上的第二位置；/n针板，所述针板邻近与所述底板相对的所述导向板；和/n由所述针板保持并朝向所述底板延伸的刺针阵列，其中所述刺针阵列与所述导向板孔阵列对准，所述刺针被设置用于在所述导向板处于所述第一位置时经由通过所述孔阵列插入而往复运动通过邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材，并且进一步用于通过邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材插入，所述刺针在其外围表面上具有倒刺，所述倒刺被配置为将来自所述堆叠的多个打印纤维片材中的一者的纤维通过所述打印纤维片材上的打印标记材料缠绕并且将所述纤维与所述堆叠的相邻打印纤维片材的纤维缠绕。/n...

【技术特征摘要】
20190329 US 16/3698541.一种用于缠结来自增材制造系统的堆叠打印纤维片材的打印片材纤维缠结装置，包括：
被配置为支撑打印纤维片材堆叠的底板，每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔，所述打印片材中的至少一个在其中具有纤维；
配准销，所述配准销与所述底板对准并且延伸通过所述配准孔以维持所述堆叠的所述打印纤维片材在所述底板上对准；
与所述底板对准并具有垂直延伸通过其的孔阵列的导向板，所述导向板被配置为朝向所述底板往复运动至抵靠所述打印纤维片材堆叠的第一位置，并且远离所述底板往复运动至允许将附加打印纤维片材放置到所述堆叠上的第二位置；
针板，所述针板邻近与所述底板相对的所述导向板；和
由所述针板保持并朝向所述底板延伸的刺针阵列，其中所述刺针阵列与所述导向板孔阵列对准，所述刺针被设置用于在所述导向板处于所述第一位置时经由通过所述孔阵列插入而往复运动通过邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材，并且进一步用于通过邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材插入，所述刺针在其外围表面上具有倒刺，所述倒刺被配置为将来自所述堆叠的多个打印纤维片材中的一者的纤维通过所述打印纤维片材上的打印标记材料缠绕并且将所述纤维与所述堆叠的相邻打印纤维片材的纤维缠绕。


2.根据权利要求1所述的装置，其中所述倒刺是被配置为拉动所述纤维的面向上的倒刺。


3.根据权利要求1所述的装置，其中所述刺针中的一个的倒刺是被配置为拉动所述纤维的面向上的倒刺，并且所述刺针中的与所述刺针中的一个相邻的第二刺针的倒刺是被配置为推动所述纤维的面向下的倒刺。


4.根据权利要求1所述的装置，还包括堆叠设备，所述堆叠设备包括基部、所述底板和所述配准销，所述配准销附接到所述基部并通过所述底板朝向所述导向板延伸以维持所述底板和所述基部的操作对准。


5.根据权利要求1所述的装置，其中所述导向板孔阵列的所述孔跨所述底板的表面平面具有细长狭槽形状，并且所述针板被配置为在将所述刺针阵列从所述打印纤维片材堆叠抽出之后相对于所述导向板横向地平移以用于随后通过所述多个打印纤维片材插入。


6.根据权利要求1所述的装置，其中所述导向板和所述针板均被配置为在将所述刺针阵列从所述打印纤维片材堆叠抽出之后相对于所述打印纤维片材堆叠横向地平移以用于随后通过所述多个打印纤维片材插入。


7.根据权利要求1所述的装置，其中所述纤维是凯夫拉尔纤维、尼龙纤维和聚酯纤维中的一种。


8.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个打印片材是具有碳和纤维的混合纤维片材，所述纤维是凯夫拉尔纤维、尼龙纤维和聚酯纤维中的一种。


9.一种用于缠结来自增材制造系统的堆叠打印纤维片材的方法，包括：
将打印纤维片材放置在另一个打印纤维片材的顶部上以在底板上形成所述打印纤维片材的堆叠，每个打印纤维片材被图案化以用于期望3D对象的切片并且包括配准孔，所述打印片材中的至少一个在其中具有纤维，放置所述打印纤维片材包括经由配准销将所述打印纤维片材与所述另一个打印纤维片材对准，所述配准销与所述底板对准并且延伸通过所述打印纤维片材的所述配准孔；
在导向板处于抵靠所述打印纤维片材堆叠按压的第一位置时，向所述打印纤维片材堆叠施加压力，所述导向板具有垂直延伸通过其中的孔的阵列；
使由针板保持并朝向所述底板延伸的刺针阵列往复运动通过所述导向板孔阵列和邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材，所述往复运动包括当所述导向板处于所述第一位置时将所述刺针通过所述孔阵列插入，并且进一步通过邻近所述导向板的多个所述打印纤维片材插入所述刺针，所述往复运动还包括将所述刺针从所述打印纤维片材的堆叠抽出，所述刺针具有倒刺，所述倒刺被配置为在所述往复运动期间将来自所述堆叠的多个打印纤维片材中的一者的纤维通过所述打印纤维片材上的打印标记材料缠绕并且将所述纤维与所述堆叠的相邻打印纤维片材的纤维缠绕。


10.根据权利要求9所述的方法，还包括所述倒刺，所述倒刺是面向上的倒刺，其将来自所述堆叠的所述多个打印纤维片材中的一者的所述纤维拉到所述堆叠的更靠近所述导向板的所述相邻打印纤维片材中。


11.根据权利要求9所述的方法，使所述刺针阵列往复运...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·M·弗罗姆，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：美国;US