一個(gè)軸向纖維線束，在基質(zhì)材料內(nèi)不具有大量空空氣間隙。在本實(shí)施例中，纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2是推-拉擠預(yù)浸料，其包括浸漬數(shù)百或數(shù)千根連續(xù)碳纖維線束6A的尼龍基質(zhì)4A。
[0112]本文討論的“區(qū)域”是從卷軸(未示出)到零件的絲的整個(gè)軌跡的一段。從動(dòng)輥42和空轉(zhuǎn)輥40以阻止絲屈曲的進(jìn)給速率(任選地可變地由控制器20(未示出)控制，并且任選地小于打印速率，這些速率之間的任何差異由滑動(dòng)離合器或單向軸承沿著絲吸收)沿著間隙隙配合區(qū)3010、3020進(jìn)給或推動(dòng)未熔絲。在非接觸腔或非接觸區(qū)714，可以加熱復(fù)合絲的基質(zhì)材料。隨著輥42、40的進(jìn)給力或推力通過(guò)未熔基質(zhì)傳遞到沿著間隙配合區(qū)3010、3020的纖維，內(nèi)部的纖維6A在穿線階段或打印過(guò)程開(kāi)始時(shí)可以處于軸向壓縮之下。
[0113]“穿線”是推送預(yù)浸料或推-拉擠預(yù)浸料通過(guò)出口的方法，其中在縫合操作的時(shí)標(biāo)(time scale)上，預(yù)浸料或推-拉擠預(yù)浸料的剛性與粘附/阻力相比足夠大(以防止預(yù)浸料或推-拉擠預(yù)浸料屈曲或擴(kuò)口 /堵塞)。最初，在穿線階段，絲2的熔化基質(zhì)材料6A和軸向纖維線束4A被軸向壓縮壓進(jìn)零件中，隨著構(gòu)建壓板和打印頭彼此相對(duì)著平移，絲的末端接觸熨燙唇726并且隨后在橫向壓力區(qū)3040被連續(xù)熨燙以在零件14上形成結(jié)合排。橫向壓力意指絲一側(cè)的壓力，在本文中也討論為“熨燙”。如箭頭所示，該橫向壓力區(qū)3040(以及打印頭附著的零件)可以以打印速率與零件14相鄰著平移(或者打印速率可以是壓板16和打印頭兩者或之一平移的結(jié)果)。
[0114]在本實(shí)施例中，就拉伸和壓縮彈性模量而言，基質(zhì)材料是熱塑性樹(shù)脂，未熔彈性模量為大約0.1至5GPa，熔化彈性模量小于0.16?&，纖維線束是彈性模量為大約5-10006?&的線束材料。以這種方式，當(dāng)基質(zhì)熔化時(shí)，纖維線束足以抵抗變形，以便能夠?qū)⒄z以有限的摩擦力“推送”通過(guò)小間隙，甚至通過(guò)自由空間。對(duì)于極限拉伸強(qiáng)度，基質(zhì)材料優(yōu)選未熔極限拉伸強(qiáng)度為大約10至10MPa并且熔化極限拉伸強(qiáng)度小于1MPa的熱塑性樹(shù)脂，并且至少一個(gè)軸向線束包含極限拉伸強(qiáng)度為大約200-100000MPa的線束材料。以這種方式，纖維的內(nèi)部線束足以抵抗拉伸或拉斷，以能夠?qū)慕Y(jié)合排延伸通過(guò)自由空間的顯著距離上的整個(gè)絲維持在中性至正性(即，從零張力到較高量的張力)張力，在一些情況下在基質(zhì)完全固化之前。大部分絲具有大于I X 10—5(1 X 10E-5)英寸并且小于2 X 10—3(2 X 10E-3)英寸的橫截面積。在多線束纖維的情況下，絲在任何橫截面積中可以包含100至6000個(gè)重疊的軸向線束或平行的連續(xù)軸向線束(特別是在碳纖維線束的情況下)。
[0115]打印頭或噴管708或者構(gòu)建平臺(tái)16之一或二者可以平移，例如，控制進(jìn)給速率和/或打印速率以在穿線階段維持絲中的壓縮，以及在打印操作中維持中性至正性張力。可以在非接觸區(qū)3030加熱并熔化絲2的基質(zhì)材料4A(特別地，以使得較小機(jī)會(huì)粘附到噴管708的壁上)，但是在熨燙唇或尖726熔化或液化。較大或發(fā)散的非接觸區(qū)直徑任選地阻止絲接觸限定非接觸區(qū)加熱壁714?？梢员O(jiān)測(cè)或控制進(jìn)給或打印速率以維持無(wú)支撐區(qū)中的壓縮、中性張力或正性張力，以及主要通過(guò)沿著絲延伸的纖維線束內(nèi)的軸向壓縮或拉伸力。
[0116]如圖1B中所示，橫向壓力區(qū)3040包括對(duì)絲2再成形的熨燙唇726。此熨燙唇726可以是將絲2壓緊或擠壓到零件中以成為結(jié)合排的元件。熨燙唇726還從加熱壁714或其他熱源傳導(dǎo)的熱，以在橫向壓力區(qū)3040中熔化或液化絲2的基質(zhì)材料4A。任選地，隨著絲2沉積到結(jié)合排中，橫向壓力區(qū)3040中的熨燙唇726將熔化絲2在頂部壓平，向熔化的基質(zhì)材料和軸向纖維線束施加熨燙力。這可以通過(guò)確保熨燙唇726的底部到下方層的頂部的高度小于絲的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)在再成形力是與熨燙唇726隔開(kāi)并且相對(duì)地施加在熔化的基質(zhì)材料和軸向纖維鏈上的來(lái)自零件本身的法向反作用力。隨著熔化的基質(zhì)材料4A和軸向纖維線束6A在橫向壓力區(qū)3040中被壓進(jìn)零件14，這在至少兩側(cè)壓平結(jié)合排，以形成橫向和垂直結(jié)合的排(即，熨燙也推動(dòng)結(jié)合排到相鄰排中)。
[0117]因此，熨燙唇726和來(lái)自零件本身的法向反作用力彼此相對(duì)并且將熔化的復(fù)合絲夾在或擠壓在它們之間以在零件14中形成結(jié)合排。熨燙施加的壓力和熱提高了擴(kuò)散和顯微向相鄰排中滲透。
[0118]如圖1B中所示，在此實(shí)施例中，在間隙配合區(qū)3010、3020或與間隙配合區(qū)3010、3020相鄰處切割未熔纖維增強(qiáng)絲。可以如圖1A中所示，在導(dǎo)管72(具有間隙配合)和噴管708之間的間隙62中切割，或者在噴管708內(nèi)(例如，非接觸區(qū)3030上游)切割。替代地或另外，可以通過(guò)位于間隙配合區(qū)3010、3020或熨燙唇725處或與他們相鄰的切割器8切割芯增強(qiáng)絲。間隙配合區(qū)3010、3020包括在纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2周圍形成間隙配合的任選中斷的通道，并且優(yōu)選轉(zhuǎn)動(dòng)配合或間隙定位配合之一，在任何情況下足夠的間隙以允許將絲向推送，即使在軸向壓縮下也是如此，而無(wú)粘附以及無(wú)屈曲。
[0119]沿著軸向方向的推送/進(jìn)給以及橫向壓力區(qū)3040內(nèi)的熨燙未必是形成結(jié)合排的僅有的力。替代地或另外，橫向壓力區(qū)3040和/或熨燙唇726分別以在熨燙唇726和零件14的結(jié)合排之間的纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2中維持中性至正性張力的打印速率向零件14平移，該張力小于使結(jié)合排與零件14分離所需的力。
[0120]例如，在通過(guò)熨燙尖或唇726熔化基質(zhì)材料6A后，可以通過(guò)控制器20控制進(jìn)給和/或打印速率以在熨燙唇726和零件14的結(jié)合排之間的纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2中維持中性至正性張力，其主要通過(guò)沿著絲2延伸的纖維線束4A內(nèi)的拉伸力實(shí)現(xiàn)。這在結(jié)合排結(jié)線束并且轉(zhuǎn)向以便以相反方向開(kāi)始新的相鄰排時(shí)尤其如此，因?yàn)榭梢葬尫艁?lái)自熨燙唇到零件14的壓力。這還可用于形成通過(guò)開(kāi)放空間的橋，例如，通過(guò)拉伸來(lái)自與零件14的第一位置連接的橫向壓力區(qū)3040中的纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2;然后平移橫向壓力區(qū)3040通過(guò)開(kāi)放空間；然后熨燙以將纖維增強(qiáng)復(fù)合絲2再連接到零件14的第二位置。
[0121]不同于真實(shí)的擠出過(guò)程，絲2的橫截面積在整個(gè)時(shí)間中基本維持，并且沒(méi)有線、基質(zhì)或絲2明顯變長(zhǎng)或縮短。纏繞的推-拉擠預(yù)浸料的進(jìn)給速率和結(jié)合排的形成速率(打印速率)基本相同(但是對(duì)于一部分運(yùn)輸或進(jìn)給，滑動(dòng)離合器或單向軸承可以允許松弛、堆積或差異化)。有時(shí)，進(jìn)給速率和壓縮速率可以臨時(shí)地并且差異性地控制，以平衡熨燙唇726下游足夠的中性至正性軸向張力，或者可以使用滑動(dòng)離合器以允許進(jìn)給速率或打印速率滑動(dòng)。但是，在間隙配合區(qū)、無(wú)支撐區(qū)、橫向壓力區(qū)以及隨著結(jié)合排附著到工件或零件14上，保持了纖維增強(qiáng)復(fù)合絲基本恒定的橫截面積。
[0122]圖2示出了使用圖1A或IB描述的系統(tǒng)和控制器的三維打印工藝的示意性流程圖。在圖2中，以虛線和“A”后綴表示本發(fā)明的任選步驟，其可以單獨(dú)地或以任意組合來(lái)改變圖2中公開(kāi)的本發(fā)明的一些形式，但是沒(méi)有那些示出的步驟是單獨(dú)關(guān)鍵的或者以示出的特定順序，除非本身需要。最初，在步驟S103中，供應(yīng)(例如，由卷軸，作為推-拉擠預(yù)浸料)連續(xù)芯或多線束纖維增強(qiáng)絲2。如步驟S103A中所示，以墨盒形式供應(yīng)可能是重要的，因?yàn)槠湓试S推-拉擠預(yù)浸料過(guò)程和打印過(guò)程之間的完全獨(dú)立性。即，推-拉擠預(yù)浸料或打印均可以是限速因素，并且通過(guò)使用制備的可互換絲的墨盒或輥，二者均可以獨(dú)立制備。在步驟S105中，將絲2從供應(yīng)器或卷軸(例如，通過(guò)輥)中抽出并且未熔的相對(duì)剛性狀態(tài)進(jìn)給通過(guò)間隙配合或者連續(xù)的間隙配合，所述間隙配合阻止絲隨著推送和進(jìn)給的屈曲。任選地，如步驟S105A中所示，在穿線或縫合過(guò)程中，以在進(jìn)給至加熱噴管708的下游絲2中保持軸向壓縮的方式(注意的是，這可能變成在側(cè)向擠壓步驟Slll后可選步驟S113A中的軸向中性或正性張力)進(jìn)給絲。
[0123]在步驟S107中，將絲(以及因此基質(zhì)材料)加熱到高于樹(shù)脂的熔化溫度并且低于步驟S107中的連續(xù)芯或絲的熔化溫度的期望溫度。該步驟的這種實(shí)現(xiàn)可以不用于圖2中示出的順序，即，熨燙唇726或其他加熱區(qū)的加熱可能在步驟S107開(kāi)始，但是實(shí)際熔化可能進(jìn)在步驟SllA發(fā)生。另外，加熱區(qū)可以是沿著路徑的最終區(qū)域，S卩，任選步驟S107A中示出的熨燙唇或非接觸區(qū)。該步驟使全部基質(zhì)材料熔化并且允許絲的形狀改變，例如，隨著其裝/壓入零件，從圓形橫截面或橢圓橫截面變成正方形或矩形橫截面，但是同時(shí)保持了基本類似或相同的橫截面積。如任選步驟S107A，中指出的，該加熱可以在噴管尖的熨燙尖726中或處發(fā)生。此外，在非接觸區(qū)714或3030中，噴管708的壁距離絲2足夠遠(yuǎn)以使得即使加熱成塑料、玻璃化轉(zhuǎn)變或粘性形式，絲也不會(huì)粘附到壁上。在步驟S108中，三維打印機(jī)1000、3001的控制器20控制(任選地在步驟S108A中使用本文所述的傳感器)噴管708相對(duì)于構(gòu)建壓板16或零件的位置、速度或加速度，并且可以監(jiān)測(cè)其之間的距離以及每個(gè)區(qū)域處或每個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度特性。
[0124]在步驟SllO中，在控制加熱噴管708的位置和運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，控制器20在穿線階段或運(yùn)輸階段控制進(jìn)給速率、打印速率、切割器8和/或溫度以在封閉的間隙配合區(qū)3010或3020(切割器8的上游和下游)以及加熱區(qū)和/或非接觸區(qū)714、3030中維持逐項(xiàng)壓縮;和/或控制區(qū)域3040內(nèi)的擠壓、壓縮或壓平壓力或力;和/或在打印階段控制零件14內(nèi)的結(jié)合排和側(cè)向或橫向壓力區(qū)3040和/或熨燙唇208、508和/或726之間絲內(nèi)的軸向中性至正性張力。
[0125]在步驟Slll中，在控制器120的控制之下，絲(基質(zhì)和纖維)2被壓入零件14。任選地，如圖SlllA所示，這利用熨燙唇或尖208、508和/或726進(jìn)行，其可以光滑，但是也可以更像刮刀(對(duì)于耐磨纖維，例如芳族聚酰胺)。同時(shí)，在步驟S113中將加壓區(qū)3040和/或構(gòu)建壓板或平臺(tái)16相對(duì)于彼此平移(任選地在3個(gè)軸上，進(jìn)一步任選地在3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上旋轉(zhuǎn))。任選地如任選步驟SI 13A中所示，在該步驟SI 13中，維持和/或提高尖208、508和/或726與零件14之間絲內(nèi)的中性或正性張力。
[0126]在步驟S115中，熨燙(加壓和加熱)和相對(duì)平移(或相對(duì)打印動(dòng)作，對(duì)于多軸設(shè)備)粘附絲2中的熔化基質(zhì)的底部和側(cè)面以在零件14中形成結(jié)合排。如本文討論的以及在步驟S115A中示出的，這些排可以任選地為緊密的左右交互(boustrophedon)排，可以是圓形、橢圓或扁圓環(huán)(例如，對(duì)于長(zhǎng)零件的跑道形狀)，可以在“Zamboni”圖案中以小的拐彎前進(jìn)，并且在任意這些以及其他圖案中，可以相繼鋪層以使得一層平行于或重疊于下面的層，或者橫向于(垂直或成角度)下面的層。
[0127]在步驟SI17中，在到達(dá)期望的終點(diǎn)后，可以切割連續(xù)芯增強(qiáng)絲。如在步驟SI 17和S117A中討論的，“切割”包括在壓縮區(qū)3010、3020內(nèi)一定位置，特別是噴管8的上游，并且熱別是在基質(zhì)材料的未熔玻璃態(tài)切割絲?！扒懈睢边€包括在噴管708的下游或者與噴管708相鄰的位置切割。另外，對(duì)于其中連續(xù)線束在絲內(nèi)以離散的獨(dú)立段形成的實(shí)施方案，“切割”可以包括將噴管708和構(gòu)建壓板16彼此拉開(kāi)以在連續(xù)纖維的一個(gè)段與另一個(gè)段相鄰的地方分離基質(zhì)材料。然后控制器20確定三維零件是否完成。如果打印過(guò)程未完成，控制器可以返回步驟S108，在此期間其在連續(xù)芯增強(qiáng)絲的下一個(gè)片沉積之前感應(yīng)噴管的當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)。如果零件完成，可以從構(gòu)建壓板上移除最終零件?；蛘?，可以使用第二打印頭S121在零件上沉積任選的涂層，以為最終零件人提供保護(hù)涂層和/或施加數(shù)字或圖像。
[0128]圖3A-3D可用于本發(fā)明的不同絲的示意圖，但是其未必是按比例的。圖3A和3B描繪了具有實(shí)心連續(xù)芯6a(例如，纖維玻璃纖維)和周圍的熱塑性聚合物4或樹(shù)脂的橫截面，分別地按照橫截基面積樹(shù)脂大于70%以及樹(shù)脂小于30% (分別按照橫截面積)。圖3C和3D描繪了具有被熱塑性樹(shù)脂包圍和滲入/潤(rùn)濕的多線束纖維，分別地樹(shù)脂大于60%并且所有纖維為1/4直徑或更大從周界；以及樹(shù)脂小于30 %，纖維分布在整個(gè)絲內(nèi)并且從周界突出。圖4描繪了與圖3D類似的橫截面，但是包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的第二功能性線束6c和6d(具有電、光、熱或流體傳導(dǎo)特性以傳導(dǎo)電、信號(hào)、熱和/或流體，以及用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及其他期望的功能)。對(duì)于碳纖維，用于以推-拉擠預(yù)浸料方式打印的樹(shù)脂量為30-90%(S卩，按照橫截面積10-70% 纖維)。
[0129]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)形式，將聚合物材料預(yù)浸成推-拉擠預(yù)浸料，以使得熔化聚合物或樹(shù)脂在材料的初始產(chǎn)生過(guò)程中滲入增強(qiáng)纖維，任選地多纖維絲的整個(gè)橫截面。任選地根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面，可以用涂料或試劑如增塑劑，通過(guò)輻射施加能量，施加溫度、壓力或超聲來(lái)預(yù)處理纖維線束，以有助于聚合物或樹(shù)脂無(wú)空隙的滲入多纖維絲芯的橫截面。與在較低粘度下實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕、滲入、固定或間隙滲透所需的溫度或能量相比，區(qū)3030中打印過(guò)程中的加熱溫度可以為較低溫度和/或熔化材料的較高粘性下，以填充空隙。將推-拉擠預(yù)浸料制備為無(wú)空隙預(yù)浸料允許確定絲的寬度和其他特性(例如，剛度、光滑度)，減少了對(duì)于不同絲(相同類型或不同類似)的復(fù)雜測(cè)量和變量控制的需要。
[0130]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)形式，在噴管708的加熱部分714中提供真空以在基質(zhì)熔化的同時(shí)移除空氣(包括空隙)。這種結(jié)構(gòu)甚至在真空下可以用于包含實(shí)心或多纖維絲芯的內(nèi)部具有空氣孔隙的絲(例如，生坯材料)。替代或除了本發(fā)明空隙的真空移除之外，可以迫使絲通過(guò)曲折路徑(其可以通過(guò)偏移輥或其他設(shè)備提供)以機(jī)械地除去截留空氣。
[0131]圖5描繪了本領(lǐng)域中不知道的假設(shè)和理論的問(wèn)題，其中本發(fā)明考慮了是否可以將已知的收斂噴嘴用于預(yù)浸絲束或其他嵌入式纖維復(fù)合絲。作為聚合物的基質(zhì)材料具有更大的熱膨脹系數(shù)(甚至在聚合物纖維如芳族聚酰胺的情況下)。隨著基質(zhì)材料加熱，認(rèn)為在收斂噴嘴的有限空間內(nèi)基質(zhì)材料由于更大的膨脹而相對(duì)于纖維加速。在噴嘴入口附近，基質(zhì)材料流速V基質(zhì)小于纖維材料流速V纖維，而在出口，基質(zhì)材料流速V’基質(zhì)等于纖維材料流速V纖維。如圖5所示，收斂噴嘴內(nèi)基質(zhì)材料和纖維不匹配的流速可能導(dǎo)致沉積過(guò)程中纖維在噴嘴內(nèi)聚集，導(dǎo)致沉積中至少堵塞和差的均勻性。雖然本發(fā)明人并不認(rèn)為收斂噴嘴是最佳方案，但是其也在本發(fā)明的實(shí)施方案內(nèi)。
[0132]圖6A至6C示出了貫穿整個(gè)噴管保持匹配的纖維材料線束6b和聚合物基質(zhì)4速度(至少基質(zhì)不在里面積累)的一系列直噴管和發(fā)散噴管。圖6A示出了具有與基質(zhì)材料的熱膨脹相匹配的增加的噴管喉直徑的發(fā)散噴嘴200，所述噴管200包括具有直徑Dl的入口 202，具有增加的直徑204的部分，以及具有直徑D2的出口 206，所述D2大于直徑Dl?；蛘?，在基質(zhì)材料和纖維線束具有相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)(例如，碳纖維和液晶聚合物)時(shí)，噴管200可以包括具有基本相同的直徑D3的入口 202和出口 206，參見(jiàn)圖6B。噴管200或708還可以包括圓形出口 208或726，如圖6C所示。例如，圓形出口 208可以呈現(xiàn)為向外延伸的唇、倒角(chamfer)、凸起(filet)、圓弧或提供從出口光滑過(guò)渡的其他合適的幾何形狀，其可以有助于避免打印時(shí)絲的斷裂、施加應(yīng)力和/或刮擦。
[0133]圖7示出了本領(lǐng)域中不知道的假設(shè)和理論的問(wèn)題，其中打印頭300形成零件302，其具有沉積的材料層304的最后一部分。打印頭300接觸擠出的塑料的頂部，未留下用于切割器的部分。如果打印頭是本文討論的推-拉擠打印機(jī)但是缺少本文討論的任選的切割器8、8A，打印頭將在零件中打印不作為模型(S卩，隨后除去)的尾端超出部分(tag-end over-run)306。在一些情況下，這可能是期望的(例如，用于傳導(dǎo)纖維)。在另一些情況下，這將產(chǎn)生不期望的尾端超出部分，如圖7中所示，許多堅(jiān)硬安裝凸起部308中的每一個(gè)在凸起部?jī)?nèi)的每一次層都將具有尾端超出部分306。
[0134]圖8描繪了用于三維打印機(jī)的切割器的兩個(gè)實(shí)施方案。參考例如圖1A或IB描述的相同元件基本類似。如圖所示，絲2或2a由卷軸38供應(yīng)，并且通過(guò)為絲2a提供指向下游方向的力的傳動(dòng)輥40和空轉(zhuǎn)輪42抽出并且進(jìn)給。該區(qū)(3010或3020)中未加熱或者在環(huán)境溫度或室溫下或者在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的任何情況下，在施加力時(shí)絲2a的基質(zhì)為固態(tài)或“玻璃”態(tài)