的殼1332和1334覆蓋。如圖中所示，殼1332和1334可以完全覆蓋下面的由層1328和1330形成的芯，參見部分1336，或者一個(gè)或多個(gè)殼可以僅覆蓋在下面的芯的一部分上。例如，在部分1338中，殼1332覆蓋在層1328和1330二者上。但是，殼1334不完全覆蓋層1328，并且產(chǎn)生了圖中所示臺(tái)階式結(jié)構(gòu)。圖30C示出替代實(shí)施方案，其中添加支撐材料1340以相對(duì)于構(gòu)建壓板或其他支撐表面升高零件，以使得三維打印機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頭在零件和支撐表面之間具有間隙，已能夠?qū)?342沉積到下面的零件芯的層1344上。
[0186]以上描述的打印頭還可以用于形成包括不同的連續(xù)芯增強(qiáng)絲取向的離散子部分。一個(gè)子部分中的連續(xù)芯增強(qiáng)絲方向可以基本上在XY方向，而另一個(gè)子部分中的方向可以在XZ或YZ方向。
[0187]本發(fā)明打印方法可以使用這樣的填充方式，其在所選擇區(qū)域使用高強(qiáng)度復(fù)合材料，在其他位置使用填充材料(例如，較低強(qiáng)度的復(fù)合材料或純樹脂，例如尼龍)，參見圖30D-30G，其描繪了橫截面中層的堆疊。圖30D描繪了完全由填充材料1350形成的零件。在圖30E中，復(fù)合材料1352徑向向外沉積在零件的大部分上，并且向內(nèi)延伸期望距離以提供期望的剛度和強(qiáng)度的增加。零件的其余部分由填充材料1350形成。如圖30D-30G的一系列圖示出的，用戶可以從零件的多個(gè)角或多或少地延伸復(fù)合材料相對(duì)于填充材料的使用。例如，由控制器20控制的控制算法可以在規(guī)定數(shù)量的同心填充過程的使用同心填充方式追蹤零件的外部角和壁部分，然后使用期望的填充材料填充零件的其余部分。
[0188]圖31A-31C示出了示例性翼型的多個(gè)實(shí)施方案的橫截面，其僅作為可以在不同子部分內(nèi)利用部分纖維取向來形成的一種形狀。本文的“翼型”可以與“在不同方向和沿著不同表面具有不同強(qiáng)度的3D形狀”互換使用。
[0189]圖31A示出了在同一平面上利用塑料沉積來構(gòu)建三維零件的每一個(gè)部分的方法。具體地，部分1350、1352和1354均在相同的XY平面取向構(gòu)建。描繪的部分在相鄰界面連接，為了說明目的，放大了其邊界。
[0190]在圖31B中，零件利用獨(dú)立部分1362、1364和1366構(gòu)建，其中部分1362和部分1366的纖維取向1368和1372與部分1364的纖維取向1370正交。通過使部分1364中的纖維相對(duì)于其他部分正交取向，所得零件在Z方向具有大得多的結(jié)合強(qiáng)度。此外，通過以這種方式構(gòu)建零件，設(shè)計(jì)師可以確定每個(gè)部分的相對(duì)厚度，以規(guī)定沿著每個(gè)方向的強(qiáng)度。
[0191]圖31C描繪了與包括不同纖維取向的子部分組合的殼。在本實(shí)施方案中，部分1374、1376和1378在相同方向沉積以形成芯，之后在正交方向打印殼1386。殼1386可以是單層或多個(gè)層。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，除了與下面的芯方向正交外，殼1386的多個(gè)層可以包括各種取向角度。雖然本實(shí)施方案示出了具有全部在相同方向1380、1382和1384的纖維取向的內(nèi)部部分，但是明顯的是，子部分1374、1376和1378也可以設(shè)置有與圖31B類似的不同纖維取向。
[0192]圖32描繪了具有可選擇打印頭的三維打印機(jī)的任選實(shí)施方案。在所描繪的實(shí)施方案中，打印臂1400能夠通過萬(wàn)向連接1404附接到打印頭140 2。合適的消耗材料1406(例如連續(xù)芯增強(qiáng)絲)可能已經(jīng)進(jìn)給至打印頭1402中，或者可以在其附接至打印機(jī)1400上后進(jìn)給至打印機(jī)。當(dāng)期望另一種打印材料時(shí)，打印臂1400將打印頭1402返回到相關(guān)聯(lián)的支架上。隨后，打印機(jī)1400可以撿起打印頭1408或1410，后者能夠打印尺寸不同和/或包含不同材料的消耗材料以提供差異。
[0193]雖然本發(fā)明的一個(gè)形式使用熱塑性基質(zhì)，但是混合系統(tǒng)也是可能的。增強(qiáng)絲可以使用通過固化周期完成的基質(zhì)，例如使用熱、光、激光和/或輻射。例如，連續(xù)碳纖維嵌入部分固化的環(huán)氧樹脂，以使得擠出的組件粘連在一起，但是需要后固化以充分硬化。同樣的，雖然本發(fā)明的一個(gè)形式使用連續(xù)芯增強(qiáng)絲，但是在一些實(shí)施方案中，可以通過將樹脂基質(zhì)和實(shí)心連續(xù)芯在加熱的擠出噴嘴中組合來形成連續(xù)芯增強(qiáng)絲。樹脂基質(zhì)和實(shí)心連續(xù)芯能夠組合而不沿著截面形成空隙，這是因?yàn)榕c多纖維絲芯中的多界面相比，利用實(shí)心連續(xù)芯時(shí)樹脂易于潤(rùn)濕實(shí)芯的連續(xù)周長(zhǎng)。因此，這樣的實(shí)施方案特別可用于期望改變沉積材料的性質(zhì)的地方。
[0194]圖33描繪了混合多元件打印頭1500，其能夠選擇性擠出材料進(jìn)給選項(xiàng)纖維或線1502、第一基質(zhì)1504和第二基質(zhì)1506，以及任選切割器8。更具體地，多元件打印頭1500作為單個(gè)元件或組合時(shí)能夠選擇性沉積任意材料進(jìn)給選項(xiàng)1502、1504和1506。例如，材料1502是通過中央管進(jìn)給的連續(xù)銅線;材料1504是結(jié)合性樹脂如尼龍塑料;材料1506是不同的結(jié)合性樹脂，例如可溶解或可溶載體支撐材料。打印頭1500—次擠出所有元件，例如，銅線1502在底部表面由尼龍粘合劑1504包圍，在頂部表面由可溶解支撐材料1506包圍，參見部分1508。打印頭1500還可以沉積單獨(dú)涂覆有尼龍粘合劑1504或可溶支撐材料1506的銅線1502，見部分1510和1514?；蛘?，多元件打印頭1500可以沉積單獨(dú)沉積上述材料選項(xiàng)以用于任意數(shù)量的目的，參見部分1512處的裸銅線。
[0195]打印頭1500任選地包括空氣噴管1508，其能夠預(yù)加熱打印區(qū)域和/或快速冷卻擠出的材料，參見圖33?？諝鈬姽?508可允許形成結(jié)構(gòu)如跨線(flying lead)、間隙橋接和無(wú)支撐特征。例如，可以通過多元件打印頭1500擠出傳導(dǎo)性芯材料以及共擠出的絕緣塑料，以形成打印零件的跡線(trace)。然后跡線的末端可以以跨線或豬尾線(pigtail)結(jié)線束。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以升高多元件打印頭，同時(shí)相稱地?cái)D出傳導(dǎo)性芯和絕緣夾套。多元件打印頭還可以任選地利用空氣噴管1508冷卻絕緣夾套。然后能夠?qū)⒕€的末端打印成“剝離線”，其中擠出傳導(dǎo)性芯而無(wú)絕緣夾套。然后切割8可以中斷傳導(dǎo)性芯。以上述方式形成的跨線可用于消除組裝期間的下游剝離步驟。
[0196]圖34描繪了部分的混合系統(tǒng)，其使用立體光刻(和/或選擇性激光燒結(jié))來提供嵌入的纖維周圍的基質(zhì)，即，通過聚焦輻射固化線束(激光、UV)在期望的層結(jié)構(gòu)中掃描來時(shí)液體或粉末形式的連續(xù)樹脂逐層固化的過程。為了提供與包括實(shí)心材料和多纖維絲材料二者的不同類型連續(xù)芯絲相關(guān)的強(qiáng)度和功能性的增加，可以將與沉積每一層相關(guān)的立體光刻過程修改成兩步過程，其能夠構(gòu)建包括期望位置和方向的連續(xù)芯絲的復(fù)合材料組件。可以將連續(xù)芯或纖維沉積在待打印層內(nèi)的期望位置和方向，所述層完全或部分沉浸在樹脂中。在連續(xù)纖維沉積在期望的位置和方向后，使相鄰的樹脂固化以在纖維周圍變硬。這可以隨著連續(xù)纖維的沉積進(jìn)行，或者可以在連續(xù)纖維沉積后進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施方案中，用單個(gè)連續(xù)纖維打印整個(gè)層而不需要切割連續(xù)纖維。在另一些實(shí)施方案中，可以在打印層的不同部分以不同取向提供增強(qiáng)纖維。為了有利于使連續(xù)纖維沉積在多個(gè)位置和方向，可以使用本文所述切割器或者通過用于固化樹脂的激光使連續(xù)纖維中斷。
[0197]圖34描繪了正在使用立體光刻法在壓板1602上構(gòu)建的零件1600。將零件1600沉浸在包含在托盤1606中的液態(tài)樹脂(光聚合物)材料1604中。在形成零件1600的過程中，在每一層形成后，將壓板1602移動(dòng)依次更低的一個(gè)層厚度，以保持零件1600沉浸。在形成每一層的過程中，連續(xù)芯絲1608被進(jìn)給通過噴管1610并且沉積在零件1600上?？刂茋姽?610以在正形成的層中的期望位置以及以期望方向沉積連續(xù)芯絲1608。連續(xù)芯絲1608的進(jìn)給速率可以等于噴管1610的速度，以避免干擾已經(jīng)沉積的連續(xù)芯絲。隨著連續(xù)芯絲1608沉積，合適的電磁輻射(例如，激光1612)使噴管1610運(yùn)行路徑背后的位置1614中的連續(xù)芯絲1608周圍的樹脂固化。可以選擇位置1614和噴管1610之間的距離以使得固化前連續(xù)芯絲完全沉浸在液態(tài)樹脂內(nèi)。激光由源1616產(chǎn)生并且由可控制的鏡1618引導(dǎo)。三維打印機(jī)還包括切割器1620，以能夠如上所述終止連續(xù)芯絲。
[0198]任選地，在沉積額外的芯材料時(shí)，通過一個(gè)或多個(gè)“軌道”將沉積的絲保持在適當(dāng)位置，所述“軌道”是使連續(xù)芯絲保持在適當(dāng)位置的足夠量的硬化樹脂材料。如圖35中描繪的，隨著連續(xù)芯絲通過噴嘴(未示出)沉積，在多個(gè)離散點(diǎn)1622通過激光1612使連續(xù)絲1608固定在適當(dāng)位置。在連續(xù)芯絲1608的一部分或全部沉積后，通過預(yù)定方式引導(dǎo)激光1612以使液態(tài)樹脂材料1604固化并且形成當(dāng)前層。與上面的系統(tǒng)類似，合適的電磁輻射(例如，激光1612)由源1616產(chǎn)生并且由可控制的鏡1618引導(dǎo)?？梢詫⒉牧系钠胶馓幑袒允瓜噜従€束之間的最大交聯(lián)盡可能大，例如當(dāng)足夠數(shù)目的線束已經(jīng)沉積到層上并且固定在適當(dāng)位置后，可以在與連續(xù)絲的沉積線束的方向垂直的珠中使樹脂固化。與沉積線束垂直的方向中樹脂的固化可以提供相鄰線束之間增加的結(jié)合，以改善零件在與連續(xù)絲的沉積線束方向垂直的方向的強(qiáng)度。如果層的獨(dú)立部分包括朝向不同方向的連續(xù)絲的線束，固化圖案可以包括在層的每一部分中與連續(xù)纖維芯材料的線束方垂直或平行的線。
[0199]為了避免在立體光刻過程中在沿著連續(xù)芯絲和數(shù)值基質(zhì)之間的界面形成空隙，可能期望的是有利于潤(rùn)濕或滲入?？梢酝ㄟ^將液態(tài)樹脂材料保持在升高的溫度下一定量的時(shí)間，在連續(xù)絲上使用潤(rùn)濕劑，向系統(tǒng)施加真空和，或者任意其他合適的方法來促進(jìn)連續(xù)纖維的潤(rùn)濕和樹脂滲入連續(xù)絲橫截面中。
[0200]除了使用連續(xù)芯增強(qiáng)絲通過纖維取向來形成在期望方向具有性能的多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以外，在一些實(shí)施方案中，期望在纖維方向以外的方向提供額外強(qiáng)度。例如，連續(xù)芯增強(qiáng)絲可以包含額外的復(fù)合材料以增強(qiáng)材料的整體強(qiáng)度或者材料在除纖維芯方向以外的方向的強(qiáng)度。例如，碳纖維芯材料可以包含基本垂直負(fù)載的碳納米管。在芯上基本垂直地負(fù)載小纖維元件增加了復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度，并且有利地增加了所得零件在與纖維方向基本垂直的方向上的強(qiáng)度。這樣的實(shí)施方案可以有助于降低零件沿著給定層脫層的傾向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于添加制造零件的方法，所述方法包括: 供應(yīng)未熔纖維增強(qiáng)復(fù)合絲，其包括在所述絲的基質(zhì)材料內(nèi)延伸的至少一個(gè)軸向纖維線束； 以進(jìn)給速率進(jìn)給所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲； 在橫向壓力區(qū)中將所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲加熱到高于所述基質(zhì)材料的熔化溫度的溫度，以熔化間隙地在所述絲內(nèi)的所述基質(zhì)材料； 隨著所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲以結(jié)合排沉積到所述零件上，利用熨燙唇向所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲的所述熔化的基質(zhì)材料和所述至少一個(gè)軸向纖維線束施加熨燙力；以及 以在所述熨燙唇和所述零件之間的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲中維持中性至正性張力的打印速率與所述零件相鄰著平移所述熨燙唇，所述中性至正性張力是小于將結(jié)合排與所述零件分離所需張力的張力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述供應(yīng)未熔纖維增強(qiáng)復(fù)合絲包括供應(yīng)在所述基質(zhì)材料內(nèi)不具有大量空氣間隙的未熔無(wú)空隙絲，以及所述進(jìn)給所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲包括沿著阻止所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲屈曲的間隙配合區(qū)進(jìn)給所述未熔纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基質(zhì)材料包含未熔極限抗拉強(qiáng)度為大約10至10MPa并且熔化極限抗拉強(qiáng)度小于1MPa的熱塑性樹脂，并且所述至少一個(gè)軸向線束包括極限抗拉強(qiáng)度為大約200-100000MPa的線束材料。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其還包括在非接觸區(qū)加熱所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲，以及控制進(jìn)給速率和打印速率中的至少一者以在所述熨燙唇和所述零件之間的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲中維持中性至正性張力，其主要通過沿著所述絲的所述至少一個(gè)軸向纖維線束內(nèi)的張力實(shí)現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在所述間隙配合區(qū)、所述非接觸區(qū)、所述橫向壓力區(qū)中以及隨著結(jié)合排附著到工件上時(shí)維持所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲基本恒定的橫截面積。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述絲具有大于IX 10—5平方英寸并且小于2X10—3平方英寸的橫截面積。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述至少一個(gè)軸向線束在任何橫截面積中包括100至6000個(gè)平行的連續(xù)軸向線束。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括在所述間隙配合區(qū)或所述熨燙唇之一處或者與所述間隙配合區(qū)或所述熨燙唇之一相鄰切割所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其還包括: 拖曳所述橫向壓力區(qū)中與所述零件的第一部分連接的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲； 將所述橫向壓力區(qū)平移通過自由空間；以及 熨燙以將所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲再連接到所述零件的第二部分。10.—種用于添加制造零件的方法，所述方法包括: 供應(yīng)未熔無(wú)空隙纖維增強(qiáng)復(fù)合絲，其包括在所述絲的基質(zhì)材料內(nèi)延伸的至少一個(gè)軸向纖維線束，在所述基質(zhì)材料內(nèi)不具有大量空氣間隙； 沿著阻止所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲屈曲的間隙配合區(qū)以進(jìn)給速率進(jìn)給所述未熔纖維增強(qiáng)復(fù)合材料； 將所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲穿線以接觸橫向壓力區(qū)中的所述零件； 相對(duì)于并且相鄰著所述零件以打印速率平移所述橫向壓力區(qū)，以將所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲的末端帶到熔化位置；以及 在所述熔化位置熔化間隙地在所述絲內(nèi)的所述基質(zhì)材料。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述熔化還包括隨著所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲被以結(jié)合排擠壓到所述零件上，通過利用加熱到高于所述基質(zhì)材料熔化溫度的溫度的熨燙唇施加熨燙力來熨燙所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲的所述熔化基質(zhì)材料和所述至少一個(gè)軸向纖維線束，且所述平移所述橫向壓力區(qū)以在所述熨燙唇和所述結(jié)合排之間的所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲中維持中性至正性張力的打印速率平移所述熨燙唇，所述中性至正性張力為小于將結(jié)合排與所述零件分離所需張力的張力。12.根據(jù)權(quán)利要去11所述的方法，其還包括控制所述打印唇距離所述零件的頂部的高度小于所述絲的直徑。13.根據(jù)權(quán)利要去10所述的方法，其中所述基質(zhì)材料包含未熔彈性模量為大約0.1至5GPa并且熔化彈性模量小于0.1GPa的熱塑性樹脂，并且所述至少一個(gè)軸向纖維線束包括彈性模量為大約5-1000GPa的線束材料。14.根據(jù)權(quán)利要去10所述的方法，其還包括在熨燙立即上游的非接觸區(qū)加熱所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以及控制進(jìn)給速率和打印速率中的至少一者以在所述非接觸區(qū)內(nèi)誘導(dǎo)沿著所述絲的壓縮，其主要通過沿著所述絲延伸的所述至少一個(gè)軸向纖維線束內(nèi)的軸向壓縮力實(shí)現(xiàn)。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其還包括控制進(jìn)給速率和打印速率中的至少一者以壓縮所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲，并且平移所述絲的末端以側(cè)向地緊靠熨燙唇下面的待通過施加熱和壓力熨燙的所述零件。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述間隙配合區(qū)包括在所述纖維增強(qiáng)復(fù)合絲周圍形成間隙配合的至少一個(gè)通道，并且在整個(gè)所述至少一個(gè)通道中，所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料維持在低于所述基質(zhì)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度。17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括在所述間隙配合區(qū)處或與所述間隙配合區(qū)相鄰切割所述未熔纖維增強(qiáng)絲。18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括阻止所述絲接觸限定了所述非接觸區(qū)的腔的加熱壁。19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括使所述絲接觸所述橫向壓力區(qū)中的加熱熨燙唇以熔化所述絲的基質(zhì)材料。20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括: 將所述熔化的基質(zhì)材料和所述至少一個(gè)軸向纖維線束在所述橫向壓力區(qū)壓入所述零件以形成橫向及垂直的結(jié)合排，以及 通過利用所述熨燙唇向所述熔化的基質(zhì)材料和所述至少一個(gè)軸向纖維線束施加熨燙力，以及向所述熔化的基質(zhì)材料和所述至少一個(gè)軸向纖維線束施加作為來自所述零件本身的法向反作用力的相反的再成形力，來在至少兩側(cè)壓扁所述結(jié)合排。
【專利摘要】描述了涉及三維打印機(jī)、增強(qiáng)絲及其使用方法的多個(gè)實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，將無(wú)空隙增強(qiáng)絲進(jìn)給至擠出噴嘴中。增強(qiáng)絲包括芯和圍繞芯的基質(zhì)材料，芯可以是連續(xù)的或半連續(xù)的。將增強(qiáng)絲加熱到高于基質(zhì)材料的熔化溫度并且低于芯的熔化溫度的溫度，然后從擠出噴嘴擠出絲。
【IPC分類】D01D5/08
【公開號(hào)】CN105556008
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201480044287
【發(fā)明人】格雷戈里·托馬斯·馬克
【申請(qǐng)人】馬克弗巨德有限公司
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2014年6月5日
【公告號(hào)】CA2914512A1, EP3004435A2, US9370896, US20140361460, WO2014197732A2, WO2014197732A3