體或粉末形式基質(zhì)的其他方面的前體或平行過程。推-拉擠可以嵌入由這些基本無空隙零件的這些方式制備的零件內(nèi)或周圍，使得整個零件表現(xiàn)出增強的強度。
[0027]如果使用推-拉擠過程來鋪設具有一個或多個優(yōu)勢方向的結合排，這些方向可任選地在局部和整體二者表現(xiàn)出各向異性強度。結構內(nèi)增強的方向性或各向異性可以任選地在期望的位置和方向提供增強的零件強度，以滿足特定設計要求或能夠制造更輕和/或更強的零件。
[0028]任選地在任何上述發(fā)明中，切割器可以提供期望長度復合絲和/或結合排的選擇性沉積。切割器任選地定位在芯材料的進給機構和噴管出口之間。另外的或替代的切割器可以定位在噴管出口處。替代地或另外，并且任選地在任何上述發(fā)明中，基本上無空隙的材料可進給通過成形噴管以提供期望形狀，尤其是扁平的。噴管可以包括熨燙唇，其包括用于形成結合排的頂表面或側表面的形狀，特別是彎曲唇或倒角、直唇或倒角或者正方形或矩形再成形表面。
[0029]任選地在任何上述發(fā)明中，基質(zhì)材料可以是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、環(huán)氧樹脂、乙烯基化合物、尼龍、聚醚酰亞胺(PE I))、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)或液晶聚合物。芯或芯的線束可以在結構上、傳導性上(電和/或熱)、絕緣性上(電和/或熱)、光學上和/或以提供流體運輸?shù)姆绞皆鰪?。芯或芯的線束可以包括(特別是用于結構增強)碳纖維、芳族聚酰胺或高強度尼龍纖維、纖維玻璃。另外，多種連續(xù)芯或線束可以在單個連續(xù)芯增強絲中組合以提供多種功能性，例如電和光性質(zhì)二者。
[0030]任選地在任何上述發(fā)明或本發(fā)明的形式中，具有不同樹脂纖維比的纖維增強復合絲可以在零件的不同部分中提供不同性質(zhì)，例如，在不同階段利用不同打印頭打印。同樣任選地，“低樹脂”纖維增強復合絲骨架纖維可用于內(nèi)部結構以最大化強度重量比(例如，按橫截面積計30%樹脂/70%纖維)。“低樹脂”意指按橫截面積計樹脂百分比為30%至50%。同樣任選地，“高樹脂”纖維增強復合絲殼涂層(例如，按橫截面積計90%樹脂/10%纖維)可用于防止下面的芯或芯的單個纖維線束可能的透印。另外，在本發(fā)明的一些實施方案和形式中，消耗材料可以具有零纖維含量，并且是常規(guī)FFF的專用樹脂和/或打印。
[0031]任選地在任何上述發(fā)明或本發(fā)明的方面中，未熔復合絲以進給速率沿著阻止絲屈曲的間隙配合區(qū)進給，直到所述絲到達噴管的屈曲部分(出口)。
[0032]所有列出的選項單獨地或以任何可操作排列或組合適用于本發(fā)明第一、第二、第三以及其他形式中的每一個，包括如本領域技術人員理解的利用本文公開的儀器設備結構實施的動作或步驟，以及如本領域技術人員理解的執(zhí)行本文公開的動作或步驟的設備結構。在所有情況下，貫穿本發(fā)明，術語“可以”表示本發(fā)明的任選的另外或替代材料、結構、動作或發(fā)明。
【附圖說明】
[0033]圖1A和IB是使用連續(xù)芯增強絲的三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0034]圖2是三維打印過程的代表性流程圖；
[0035]圖3A-3D是連續(xù)芯增強絲2的芯結構的多個實施方案的示意圖；
[0036]圖4是具有第二功能性線束的連續(xù)芯增強絲的芯結構的示意圖；
[0037]圖5是假設的收斂噴嘴內(nèi)纖維聚束的示意圖。
[0038]圖6A-6C是打印系統(tǒng)的一些實施方案中使用的噴管的示意圖；
[0039]圖7是三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0040]圖8是包括切割器的三維打印系統(tǒng)以及橋接開放空間的打印過程的示意圖；
[0041]圖9是由三維打印系統(tǒng)和/或過程形式的包括經(jīng)封閉開放空間的零件的示意圖；
[0042]圖10是包括引導管的三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0043]圖11是包括引導管的三維打印系統(tǒng)的照片；
[0044]圖12A和12B是分別在第一和第二索引位置的剪切頭的示意圖；
[0045]圖13是包括剪切的多噴管打印頭的示意圖；
[0046]圖14A-14C分別是噴嘴和圓形出口噴嘴的示意圖；
[0047]圖15A是與噴管尖整合的切割器的示意性橫截面圖；
[0048]圖15B是圖14A中描繪的與噴管尖整合的切割器的旋轉(zhuǎn)90°的示意性橫截面圖；
[0049]圖15C-1?是與噴管尖整合的切割器的實施方案的底視圖；
[0050]圖16是與噴管尖整合的切割器的示意性橫截面圖；
[0051]圖17A是在零件形成過程中施加壓緊壓力的三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0052]圖17B是沉積之前的待用于打印系統(tǒng)的連續(xù)芯增強絲的示意圖；
[0053]圖17C是使用壓緊壓力沉積后連續(xù)芯增強絲和材料周圍珠的示意圖；
[0054]圖18A是現(xiàn)有技術嗔嘴的不意圖；
[0055]圖18B是擴散噴嘴的示意圖；
[0056]圖18C是在向前進給清潔周期中示出的圖18B的擴散噴嘴的示意圖；
[0057]圖19A是用直噴嘴打印的連續(xù)芯絲的示意圖；
[0058]圖19B是用直噴嘴打印的預浸絲束胚料(greentowpreg)的示意圖；
[0059]圖19C-19E是用擴散噴嘴穿線和打印的連續(xù)芯絲的示意圖；
[0060]圖20A是具有低摩擦冷進給區(qū)的多材料噴管的示意圖；
[0061 ]圖20B是包括低摩擦冷進給區(qū)的稍微收斂噴管的示意圖；
[0062]圖21A是現(xiàn)有技術嗔嘴的不意圖；
[0063]圖21B-21D代表了噴嘴幾何結構的多個實施方案；
[0064]圖22是抗滴嗔嘴和減壓系統(tǒng)的不意圖；
[0065]圖23A是位于噴嘴內(nèi)的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0066]圖23B是位于噴嘴內(nèi)的具有重疊線束的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0067]圖23C是具有對齊的線束并且位于噴嘴內(nèi)的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0068]圖24A是多纖維絲連續(xù)芯的示意圖；
[0069]圖24B是具有偏移線束的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0070]圖24C是具有對齊線束的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0071]圖24D是具有對齊線束和一個或多個連續(xù)線束的半連續(xù)芯絲的示意圖；
[0072]圖25是使用半連續(xù)芯絲的填充模式的示意圖；
[0073]圖26是由三維打印系統(tǒng)和/或過程形成的多打印層的示意圖，具有包括不同纖維方向的不同層和層的不同部分；
[0074]圖27A是用于形成第一取向的組件的三維打印過程的示意圖；
[0075]圖27B是和圖27A的零件一起使用的設備的示意圖；
[0076]圖27C是用于在圖27A零件上形成第二個取向的組件的三維打印過程的示意圖；
[0077]圖28A是在第一個取向使用多軸系統(tǒng)的三維打印過程的示意圖；
[0078]圖28B是在圖28A的零件上形成另一個取向的組件的示意圖；
[0079]圖29是使用連續(xù)芯增強絲的三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0080]圖30A是包括使用三維打印過程應用于側面的殼的零件的示意圖；
[0081 ]圖30B是包括使用三維打印過程應用于頂部和側面的殼的零件的示意圖；
[0082]圖30C是包括已偏離下面支撐表面的殼的零件的示意圖；
[0083]圖30D是利用填充材料形成的零件的示意圖；
[0084]圖30E是利用從角落向內(nèi)延伸的復合材料和填充在內(nèi)部的聚合物形成的零件的示意圖；
[0085]圖30F是利用從角落向內(nèi)延伸的復合材料和填充在內(nèi)部的聚合物形成的零件的示意圖；
[0086]圖30G是利用從角落向內(nèi)延伸的復合材料和填充在內(nèi)部的聚合物形成的零件的示意圖；
[0087]圖31A是利用包括同一方向的纖維取向的離散段形成的翼型的示意圖；
[0088]圖31B是利用包括不同方向的纖維取向的離散段形成的翼型的示意圖；
[0089]圖31C是利用離散段和形成于其上的殼形成的翼型的示意圖；
[0090]圖32是包括打印壁和可選擇打印頭的三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0091 ]圖33是用于打印系統(tǒng)的多元件打印頭的示意圖；
[0092]圖34是包括沉積的增強纖維的立體光刻法三維打印過程的示意圖；以及
[0093]圖35是包括沉積的增強纖維的立體光刻法三維打印過程的示意圖。
【具體實施方式】
[0094]在添加制造和復合鋪層二者相對近的技術中，新創(chuàng)詞變得很常見。例如“預浸料(prepreg)”是預浸復合材料，其中樹脂基質(zhì)和纖維線束提前制備為復合原材料?！邦A浸絲束(towpreg)”是由“絲束(tow)”(數(shù)百至數(shù)千個纖維線束的捆，具有非常高纖維百分比，例如95%)和粘性(室溫下)樹脂的組合形成的“預浸料”，通常主要是浸漬絲束的纖維(例如，75%纖維線束)，粘性樹脂被浸漬為在絲纏繞過程中在松松相鄰的纖維線束之間傳遞剪切的手段并且將預浸絲束粘附到旋轉(zhuǎn)元件上?！袄瓟D”是制備絲束的方法之一，其中絲束穿過樹脂拉出以形成(完全在張力下進行的過程)包括嵌入樹脂的絲束的延長并且通常堅硬的復合材料。
[0095]本文使用的“擠出”應具有其常規(guī)含義，例如，將原料擠壓穿過模具以具有比原材料減小的橫截面積的特定形狀的方法。恪絲制造(FFF)是一種擠出方法。同樣地，“噴嘴”應具有其常規(guī)含義，例如，被設計來控制流體流動的方向或特性，尤其是隨著流體流動離開(或進入)封閉室增加速度和/或限制橫截面積的裝置。
[0096]相比之下，本發(fā)明使用新創(chuàng)詞“推-拉擠(push-pultrus1n)”來描述根據(jù)本發(fā)明的整體上的新過程，其中不同于擠出，纖維增強復合打印材料的前進運動包括:開始、穿線或壓縮的初始化階段，然后是嵌入的纖維線束的拉伸，以及隨著打印材料在構建桌上以及相繼地在零件內(nèi)形成結合排，貫穿打印頭的基質(zhì)的融化/固化和未熔/未融化狀態(tài)。本發(fā)明還使用了新創(chuàng)詞“噴管(nozzlet)”來描述根據(jù)本發(fā)明的末端打印頭，其不同于FFF噴嘴，沒有顯著的背壓以及在打印材料中產(chǎn)生的額外速度，并且打印材料(包括基質(zhì)和嵌入纖維)的橫截面積在整個過程(甚至隨著沉積在零件的結合排上)中保持基本類似。
[0097]本發(fā)明還使用了新創(chuàng)詞“推-拉擠預浸料(推-拉擠預浸料)”來描述可用于推-拉擠的材料，其不同于常規(guī)預浸絲束，該樹脂優(yōu)選地為熱塑性樹脂:(i)提供足夠摩擦力和暴露的樹脂材料，以通過輥或其他摩擦進給方式進給，(ii)具有足夠的剛性(即，正常未熔彈性模量)，以被推動穿過間隙配合管或通道而無未熔“玻璃”態(tài)的屈曲，剛性由嵌入的纖維線束提供，較長程度上由未熔基質(zhì)樹脂提供，(iii)和/或在環(huán)境條件下沒有可感知的“粘著性(tack)”/分子擴散，即在環(huán)境或甚至溫暖條件下為“玻璃”態(tài)，因此可以容易地推過這樣的管而不粘著。
[0098]在用于用樹脂浸漬纖維的過程中，固結(consolidat1n)通常有利于除去因樹脂不能完全地取代來自纖維線束、絲束或粗紗的空氣而導致的空隙。通常通過在高壓釜中加熱以及壓緊加壓來使預浸料的單獨浸漬粗紗、絲束、層片或?qū)庸探Y。固結步驟通常需要應用非常高的壓力和真空下非常高的溫度相對長的時間。此外，使用高壓釜或烘箱的固結過程不走需要“裝袋”操作來為鋪層提供在工具上的密封膜以允許施加真空用于移除空氣，以及提供在高壓釜中產(chǎn)生固結所需的壓差。。該過程步驟還減少復合材料零件操作的總生產(chǎn)率。因此，對于熱塑性復合材料，有利的是原位固結成低空隙復合材料，同時利用ATL/AFP機器將條帶層壓大量基底上。該過程通常稱為原位ATL/AFP，并且該過程中使用的材料稱為原位級條帶。
[0099]最后，在三維打印領域，“絲”通常是指纏繞的構建材料的整個橫截面積，而在復合材料領域，“絲”是指例如碳纖維的單纖維(其中，例如，“1K絲束”將具有1000根單線束)。為了本發(fā)明的目的，“絲”應保持來自三維打印的含義，“線束”應意指單纖維，所述單纖維例如嵌入基質(zhì)并且與之一起形成整個復合“絲”。
[0100]添加制造方法通常導致相對于常規(guī)模塑方法降低強度和耐久性。例如，由于沉積材料的相鄰帶(例如，結合排)之間較弱的結合以及氣穴(air pocket)和空隙，恪絲制造得到的零件表現(xiàn)出比注射模塑零件低的強度。
[0101]預浸片復合材料構建方法是耗時并且困難的，因此較昂貴。此外，將預浸片圍繞曲線彎曲可能造成纖維重疊、屈曲(buckle)和/或扭曲(distort)，導致不期望的軟點。
[0102]由于非常柔韌和高摩擦力(粘性)構建物，將市售纖維“預浸絲束”輸送通過塑料浴來添加基質(zhì)材料，然后進一步輸送通過常規(guī)打印頭并不得到可行的附加過程。此外，該過程將這種復合材料的制造速度與其運輸四度(即使可以打印)結合在了一起。預浸絲束通常需要并且出售時具有“粘性”(在其沉積在工具或鋪層傾向于上后，足以保護絲束位置的室溫粘附水平)。此外，絲束“胚”料截留空氣并且包含空氣空隙，其僅通過高張力和/或隨后真空和/或加熱步驟除去。這些步驟也降低了打印過程的速度。
[0103]因此，需要復合材料添加制造方法，其比鋪層或纏繞更快速;降低或阻止在結合排中截留空氣，避免了大部分真空或加熱后處理;提供了在凹型中沉積復合材料的能力和/或在表面或復合材料殼上構建離散特特征的能力。
[0104]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，其描述了所公開材料和三維打印方法的具體實施方案。
[0105]圖1A描繪了在應用纖維增強復合絲2構建結構之前的三維打印機3000的實施方案。纖維增強復合絲2(在本文也稱為連續(xù)芯增強絲)可以是推-拉擠預浸料，其基本上不含空穴并且包括涂覆或浸漬內(nèi)部連續(xù)單芯或多線束芯6的聚合物或樹脂4。
[0106]將纖維增強復合絲2進給通過被加熱(例如，通過帶式加熱器或盤管式加熱器)到用于基質(zhì)材料的所選擇受控推-拉擠溫度的噴管10，以維持預定粘度和/或結合片的預定量的粘附力和/或表面光潔度。推-拉擠可以高于聚合物4的熔化溫度，低于聚合物4的分解溫度并且低于芯6的熔化或分解溫度。
[0107]在于噴管10中加熱并且基質(zhì)材料或聚合物4基本熔化后，將連續(xù)芯增強絲2施加到構建壓板16上以構建連續(xù)層14，以便形成三維結構。通過控制器20控制(i)構建壓板16的位置和方向或者(ii)噴管10的位置和取向來在期望的位置和方向沉積連續(xù)芯增強絲2。位置和方向控制機構包括框架系統(tǒng)、機械臂和/或H框架，這些中任一個均裝配有對于控制器10的位置和/或唯一傳感器，以監(jiān)測噴管10相對于構建壓板16和/或所構建零件的層14的相對位置或速度?？刂破?0可以使用感知的X、Y和/或Z位置和/或位移或速度矢量來控制噴管10或壓板16隨后的運動。例如，三維打印機1000可以包括測量到壓板16的距離的測距儀15、三個平移軸和/或三個旋轉(zhuǎn)軸中任意一個上的位移傳感器、距離積分器和/或監(jiān)測噴管10相對于構建壓板16的位置或運動的加速計。如圖1A中描繪的，(例如，激光)距離傳感器15可以掃描噴管10前面的部分，以便校正噴管10的Z高度或者所需的填充體積以匹配期望的沉積輪廓。該測量還可用于填充零件中檢測的空隙。測距儀15還在絲施加后測量零件以確認沉積的結合排的深度和位置。
[0108]三維打印機1000可以包括由控制器20控制的切割器8，其在沉積過程中切割連續(xù)芯增強絲(例如，不形成尾巴)，以便(i)在結構上形成獨立的特征和組件，以及(ii)控制多個部分和層中沉積材料和/結合排的方向性或各向異性。如所描繪的，切割器8是與位于噴管出口的背板12相關聯(lián)的切割刀片。其他切割器包括激光、高壓空氣或流體，或者剪切。
[0109]圖1A還描繪了三維打印機1000中任選使用的至少一個第二打印頭18以在硬件上打印例如保護涂層，包括100 %樹脂F(xiàn)FF擠出的耐UV或耐劃傷涂層。
[0110]圖1B描繪了施加纖維增強復合絲2構建接頭的三維打印機3001的實施方案。相同的編號特征與關于圖1A描述的那些類似。
[0111]如圖1B中所述的，從動輥42和空轉(zhuǎn)輥40的上游，卷軸(未示出)在中等張力下供應未熔無空隙纖維增強復合絲。絲包括在絲的基質(zhì)材料內(nèi)延伸的至少