WO2019070150A1 - Производство изделий из композитных материалов методом 3d печати - Google Patents

Производство изделий из композитных материалов методом 3d печати Download PDF

Info

Publication number
WO2019070150A1
WO2019070150A1 PCT/RU2017/000955 RU2017000955W WO2019070150A1 WO 2019070150 A1 WO2019070150 A1 WO 2019070150A1 RU 2017000955 W RU2017000955 W RU 2017000955W WO 2019070150 A1 WO2019070150 A1 WO 2019070150A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
extruder
thermoplastic material
composite
composite fiber
thermoplastic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2017/000955
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Андрей Валерьевич АЗАРОВ
Федор Константинович АНТОНОВ
Михаил Валерьевич ГОЛУБЕВ
Алексей Равкатович ХАЗИЕВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anisoprint SARL
Original Assignee
Anisoprint SARL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anisoprint SARL filed Critical Anisoprint SARL
Priority to US16/652,686 priority Critical patent/US11673322B2/en
Priority to CN201780095584.7A priority patent/CN111163921B/zh
Priority to EP17927980.7A priority patent/EP3693151A4/en
Priority to JP2020519123A priority patent/JP7017269B2/ja
Publication of WO2019070150A1 publication Critical patent/WO2019070150A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/218—Rollers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/232—Driving means for motion along the axis orthogonal to the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/236—Driving means for motion in a direction within the plane of a layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/295—Heating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/336—Feeding of two or more materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing

Definitions

  • the invention relates to the field of additive technologies and can be used for the manufacture of parts and structures made of composite materials, such as brackets, fittings, body elements, wearable products, mesh and honeycomb structures for use in aviation, rocket and space technology, medicine, automotive and other industries.
  • the composite fiber as filler includes continuous or semi-continuous fibers, such as reinforcing fibers, optical fibers, conductive threads, etc.
  • Matrix is a thermoplastic material. When printing, the fiber is heated to a temperature that is higher than the melting point of the matrix material.
  • the described printing method is implemented in a three-dimensional printer containing an extruder of a special design, into which the above-mentioned composite fiber is fed.
  • the manufacture of composite fiber is carried out using a special device into which continuous fiber and matrix material is fed and co-extruded.
  • the fiber can be pre-evacuated (to eliminate air and moisture), pass through the rollers that make the fiber bundle flat, with the aim of better impregnation, or create pressure that helps to embed the matrix material into the fiber bundle, be exposed to surface-activating substances, steam , ozone, etc. to improve the connection of the fiber with the matrix.
  • the disadvantage of the described solution is the difficulty of ensuring the high-quality impregnation of the fiber bundle with thermoplastics, which is associated with the extremely high viscosity of their melts.
  • the resulting material may have high porosity, and the fibers will not work together.
  • the proposed method involves feeding pre-impregnated composite fiber into the extruder with a predetermined ratio of the volume fractions of the fibers and the matrix, which does not allow to vary the volume fraction of the fibers in the printing process.
  • thermosetting binder with low viscosity and are interconnected by thermoplastic.
  • the technical problem to which the invention is directed is the manufacture by the method of three-dimensional printing of functional parts from composite materials with a complex shape and internal structure, possessing high physicomechanical characteristics; manufacture of parts with increased specific strength characteristics of the material in relation to the density, exceeding the characteristics of aluminum alloys (AMgb, D16, etc.), usually used in aircraft manufacturing and rocket and space technology.
  • Agb, D16, etc. aluminum alloys
  • the technical result of the invention is to increase the specific strength characteristics of the material, physico-mechanical characteristics, reducing porosity with a uniform internal structure by varying the volume fraction of fibers and the matrix in the printing process.
  • the technical result is achieved due to the claimed method of manufacturing products from a composite material reinforced with continuous fibers by the method of three-dimensional printing, including the manufacture of composite fiber, in which a bundle of fibers is impregnated with a thermosetting binder with a volume fraction of 15-60% and subjected to temperature treatment until the binder is cured; feeding the composite fiber into the extruder in the form of a thread and a thermoplastic material; heating the extruder to a temperature above the melting point of the thermoplastic material and the glass transition temperature of the thermosetting binder, while the thermoplastic material is combined with the composite fiber; movement of the extruder along the programmed path and extrusion of the composite material obtained by joining the thermoplastic material with the composite fiber through the nozzle onto the table surface, where the composite fiber, when cooled, becomes rigid, and the melt of the thermoplastic material hardens, tying the composite fibers together, forming the product; in the process of forming the product using the trimming mechanism, the composite fiber is trimmed and the extruder goes without extrud
  • thermosetting binder thermosetting plastics based on phenol-formaldehyde, polyester, epoxy, urea, epoxy-phenolic, organosilicon, polyimide, bmaleic binder are used.
  • the thermoplastic material is supplied in the form of a yarn or granules or powder.
  • thermoplastic material Acrylonitrile butadiene styrene, polylactide, polyamide, polyetherimide, polyethylene terephthalate, polyacetal, polysulfone, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate glycol are used as thermoplastic material.
  • the movement of the extruder is carried out using at least three coordinate movement mechanism that allows it to be moved relative to the table surface along a programmed path.
  • the movement of the extruder along the programmed path is synchronized with the feed of the composite fiber and thermoplastic material using a control system, which additionally maintains the set temperature of the extruder, the table and turns on the trimming mechanism at specified points.
  • a control system which additionally maintains the set temperature of the extruder, the table and turns on the trimming mechanism at specified points.
  • the manufacture of composite fiber it is additionally covered with a layer of thermoplastic material.
  • thermoplastic material is additionally supplied to the additional second extruder, heated to a temperature higher than the melting temperature of the thermoplastic material, and alternately extruding the composite material from the extruder and the thermoplastic material from the additional second extruder onto the table surface, at the same time carry out trimming of the composite material, if necessary, a temporary cessation of its extrusion from extra dera.
  • thermoplastic material is additionally supplied to the additional second extruder, it is heated to a temperature above the melting point thermoplastic material, and also serves additional thermoplastic material, which is able to dissolve in substances that do not dissolve thermoplastic material and thermosetting binder of the composite fiber, into an additional third extruder, which is heated to a temperature above the melting point of the additional thermoplastic material, and then carry out alternate extrusion a composite material from an extruder, a thermoplastic material from an additional second extruder, and additional thermoplastic material from an additional third extruder to the surface of the table, while cutting the composite material when it is necessary to temporarily stop its extrusion from the extruder.
  • the movement of the extruder, the additional second and third extruders, is carried out with the help of at least three coordinate displacement mechanisms allowing them to be moved relative to the table surface along the programmed path.
  • the technical result is also achieved due to the claimed device for the production of articles made of a composite material reinforced with continuous fibers by the method of three-dimensional printing, comprising: an extruder with inlet channels for the composite fiber in the form of a thread and a thermoplastic material, while containing a heater, a chamber, a temperature sensor and a nozzle for yield of composite material; feed mechanisms of thermoplastic material and composite fiber in the form of a thread; the mechanism of trimming the reinforcing thread; table; at least a three-coordinate displacement mechanism allowing the extruder to be moved relative to the table surface along a programmed path.
  • the technical result is achieved due to the fact that the feed mechanism of the composite fiber in the form of a thread is made in the form of rollers.
  • the feed mechanism of a thermoplastic material is made in the form of rollers, and when applying a thermoplastic material in the form of granules or powder, the feed mechanism of a thermoplastic material is made in the form of a screw.
  • the device further comprises a second extruder with an inlet channel for a thermoplastic material, while containing a heater, a chamber, a temperature sensor and a nozzle to exit the thermoplastic material, and also contains an additional third extruder with an inlet channel for an additional thermoplastic material, containing a heater, a chamber, a temperature sensor and a nozzle for the release of an additional thermoplastic material, which is capable of dissolving in substances in which the thermoplastic material does not dissolve and the thermosetting binder of the composite fiber.
  • the device additionally contains at least a three-coordinate displacement mechanism that allows the extruder to be moved, additional second and third extruders relative to the table surface along a programmed path.
  • the created method of three-dimensional printing is based on the use of a composite fiber, which is a bundle of fibers, impregnated with a binder and cured. It is essential that the material with which the impregnation is carried out is a thermoset, unlike the previously mentioned analog.
  • Reactor plastics have good technological properties, in particular, low viscosity and good adhesion to all currently used types of reinforcing fibers, which allows to provide high-quality impregnation of a bundle of reinforcing fibers with a matrix with no pores and voids and, therefore, the joint work of the fiber and the matrix.
  • FIG. 1 composite fiber section (1A - composite fiber, 1 B - composite fiber with a thermoplastic coating);
  • FIG. 2 is a diagram of an installation for three-dimensional printing of products made of composite materials reinforced with fibers
  • FIG. 3 scheme of the extruder nozzle (FOR - spherical or conical nozzle, BZ - nozzle with a pad);
  • FIG. 4 cross section of a multilayer composite material obtained by the Zy-printing method (4A - composite material with rectangular styling, 4B - composite material with hexagonal styling);
  • FIG. 5 - a fragment of a multi-layer composite part manufactured by the RR printing method
  • thermoplastic material thermoplastic
  • thermoplastic coating composite fiber (tow of fibers impregnated with matrix material) and coated with thermoplastic);
  • thermoplastic thread 10 - a thread of thermoplastic material (thermoplastic thread);
  • 19 - extruder chamber (chamber for melt, in which the combination of reinforcing thread and thermoplastic occurs);
  • ⁇ is the composite fiber laying angle
  • thermoplastic material 39 a thread of a thermoplastic material for printing supporting structures (an additional thermoplastic material);
  • thermoplastic material 41 - layer of thermoplastic material
  • Composite fiber 4 is a bundle of fibers, impregnated with a matrix material 1 and cured.
  • the tow can contain continuous reinforcing fibers 2, such as carbon, glass, aramid, basalt, boric, metallic, and also functional fibers 3, such as optical and / or electrically conductive, for example, copper.
  • a tow can contain a different number of fibers, for example, 2, 100, 1000, 3000, 6000, and so on.
  • Matrix material 1 which is impregnated, is a thermosetting plastic (thermosetting plastic) based on phenol-formaldehyde, polyester, epoxy, urea, epoxy-phenolic, silicone, polyimide, bismaleic and other binders or a mixture of thermosetting binder with a thermoplastic binder.
  • Reactor plastics have good technological properties, in particular, low viscosity and good adhesion to all currently used types of reinforcing fibers, which allows to provide high-quality impregnation of a bundle of reinforcing fibers with a matrix with no pores and voids and, therefore, the joint work of the fiber and the matrix.
  • the volume fraction of the binder is 15-60%.
  • the ratio of the volume fraction of fibers and matrix material may be in the range from 85%: 15% to 40%: 60%.
  • the volume fractions of fibers and matrix material may have a ratio of 60%: 40%, 70%: 30%, 80%: 20%, or other.
  • the impregnated tow is then heat treated until the matrix material cures. Temperature and curing time depend on the specific type and brand of matrix material.
  • thermoplastic material 5 such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactide (PLA), polyamide (PA), polyetherimide (PEI), polyethylene terephthalate (PET), polyacetal, polysulfone, polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate glycol or other thermoplastic.
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • PLA polylactide
  • PA polyamide
  • PEI polyetherimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEEK polyetheretherketone
  • thermoplastic material 5 is supplied in the form of a thermoplastic yarn 10; however, this implementation of the claimed invention is not limited to the use of a thermoplastic yarn, i.e.
  • thermoplastic in the form of granules or powder is fed to the extruder instead of a thermoplastic in the form of a thread.
  • the filing of the reinforcing yarn 7 is carried out from the coil 8 by means of the feeding mechanism of the reinforcing yarn 12, made in the form of rollers, during the rotation of which the yarn is fed, and the tension of the reinforcing yarn is controlled.
  • the supply of thermoplastic material 5 in the form of a thread of thermoplastic 10 is carried out from the coil 11 by means of a thermoplastic feed mechanism 13, made in the form of rollers, during rotation of which the thread is fed.
  • the feed is carried out from the hopper using a thermoplastic feed mechanism made in the form of an auger.
  • Feed mechanisms 12 and 13 may be located at different distances from the extruder, for example, 1 mm, 10 mm, 50 mm, 100 mm, 300 mm, and so on. If the feed mechanisms are located at a distance from the extruder, the thermoplastic material 5 (i.e., the yarn 10 or the thermoplastic granules or powder) is fed into the extruder 9 through the feed tube 16, and the reinforcing thread through the feed tube 15.
  • the thermoplastic material 5 i.e., the yarn 10 or the thermoplastic granules or powder
  • the extruder 9 is heated with a heater 17 to a temperature higher than the melting point of thermoplastic yarn 10 and the glass transition temperature of thermosetting matrix material 1 of reinforcing yarn 7, while the temperature should not exceed the temperature of destruction of matrix material 1 of reinforcing yarn 7.
  • Heater 17 can be of various types, for example , cartridge, clamp, flat and other type. Temperature control is carried out using a sensor 18, for example, a thermocouple or a thermistor. At this temperature, the thermoplastic filament 10 melts and fills the extruder chamber 19, where it is connected to the reinforcing filament 7. In case the reinforcing filament 7 represents a composite fiber with a thermoplastic coating 6 (Fig.
  • thermoplastic coating thermoplastic 5
  • composite material 23 composite fiber 4 surrounded by a thermoplastic melt
  • the feed mechanism rollers 13 rotate and move the thermoplastic filament 10, pushing it into the extruder chamber 19 through the thermoplastic feed channel.
  • a screw when used as a feed mechanism, it also rotates and moves (pushes) the thermoplastic in the form of granules or powder into the extruder chamber 19.
  • the feed mechanism rollers 12 rotate and move the reinforcing thread 7, feeding it into the extruder chamber 19 through the input channel for feeding the reinforcing thread.
  • the pressure of the melt of the thermoplastic is created and the composite fiber, together with the thermoplastic, is extruded through the nozzle 20 onto the surface of the table 21 (working surface) in the form of a composite material 23 (reinforced thermoplastic).
  • the extruder moves relative to the table 21 in accordance with the shape of the product.
  • the extruder and the table can be mounted on at least 3-axis displacement mechanism, preferably, on the six-coordinate mechanism (the so-called positioning system). Under the action of heating, the matrix material 1 of the composite fiber 4 softens, which allows it to bend and fit on the table 21, repeating the trajectory of the extruder.
  • thermoplastic melt solidifies, and the composite fiber 4, being cooled, becomes hard again, forming a layer of composite material 22, which has high mechanical characteristics.
  • the composite fiber 4 with a thermoplastic layer is attached to the surface of the table 21 or the previous layers of the product. Table 21 can be heated for more reliable attachment to it of a composite fiber with a thermoplastic layer.
  • the tension of the reinforcing yarn can be created to straighten the fibers 2 and / or 3 and improve the mechanical characteristics of the material.
  • the tension of the reinforcing yarn can be reduced to prevent it from slipping in case its path has a greater curvature.
  • the matrix material 1 of the composite fiber 4 does not melt, but only softens, and the fibers 2 and / or 3 of the reinforcing rope located inside the composite fiber 4 retain their location.
  • the feeding mechanism instead of the feed rollers contains an auger that captures the granules or powder from the hopper and feeds them into the heated extruder.
  • the pressure in the chamber 19 is created by pushing the thermoplastic filament with the help of rollers or by pushing the granules or powder with the aid of an auger.
  • the installation includes a trimming mechanism 24, which is intended for trimming the reinforcing yarn 7 at the transition between parts of the product, between the layers of the composite material 22, at the end of printing the product.
  • the trimming mechanism 24 may be located either between the feed mechanism 12 and the extruder 9, or after exiting the nozzle 20. In the latter case, the composite material 23 is trimmed, i.e. composite fiber 4 surrounded by a melt of thermoplastic 5. In this case, the moving parts of the trimming mechanism 24, for example, knives, should be located above or away from the nozzle 20 so as not to interfere printing process.
  • the extruder 9 rises, and the trimming mechanism is set in motion, cutting the composite material 22 between the nozzle section 20 and the product.
  • the installation contains a control system that provides a synchronous programmed movement of the mechanism for moving the extruder 9 relative to the table 21, the feed mechanisms 12 and 13, maintaining the set temperature of the extruder 9 and the table 21, turning on the trimming mechanism 24 at specified points.
  • One of the main features of the proposed method is the ability to control the volumetric ratio of composite fibers 4 and thermoplastic in the printing process. This is done by adjusting the feed rate to the extruder 9 shown in FIG. 2, the threads of thermoplastic 10 using the feed mechanism 13 and the feed speed of the reinforced thread 7 using the feed mechanism 12. Thus, it is possible to vary the thermoplastic pressure in the extruder chamber 19 and, accordingly, the amount of plastic in the composite material 23 coming out of the nozzle 20. Speed rotation of the feed rollers 12 and 13 is controlled by the control system so that the volume fraction of thermoplastic in the material to be extruded (composite material 23) is 20-70%.
  • volume content of the composite fibers 4 in the resulting composite material 23 can be 30-80%, which corresponds to the volume content of fibers 2 and / or 3 in the composite material 23 from 12 to 68%.
  • the thermoplastic thread is not fed into the extruder, but the thermoplastic in the form of granules or powder, the thermoplastic volume content is controlled by adjusting the speed of rotation of the feeding screw.
  • the rollers can slow down, increasing the tension of the reinforcing yarn 7, and on curvilinear sections accelerate, reducing its tension in order to avoid slipping of the reinforcing yarn 7 from the printing trajectory.
  • nozzles having a special shape are used, as shown in Fig. 3.
  • the nozzle may have a smooth spherical shape, as shown in FIG. BEHIND.
  • the lateral surface of the nozzle 27 has the shape of a sphere, and a toroidal surface forms at the nozzle section, which slides on the surface of the laid composite material during printing, applying contact pressure to it similarly to the stitching rollers of the laying machines.
  • thermoplastic such as, for example, PEEK
  • PEEK polyethacrylate
  • the nozzle shown in FIG. ST having a pad 28 around the nozzle outlet.
  • the heated platform provides heating of the reinforced thermoplastic around the nozzle outlet, which leads to a better fusion of the laid out layer 22 to the previous one.
  • FIG. 5 shows a fragment of a composite product that can be made by the method in question. Laying angle ⁇ of composite fiber 4 may be different in different parts of the product 29.
  • thermoplastic thread 10 or thermoplastic in the form of granules or powder
  • This feature provides a flexible management of the structure of the material and its optimization in order to obtain more durable and lightweight products.
  • this method allows you to strengthen the weak points of the product, such as the holes 32, edging them along the contour with one or several rows of 33 composite fibers.
  • FIG. 6 shows a structure consisting of intersecting longitudinal 34 and transverse 35 edges, however, real structures of this type can contain any number of edges directed along different paths, both straight and curvilinear.
  • the ribs are composed of layers of composite material 22 and contain composite fibers 4. To implement this design, it is necessary that the volume content of composite fibers 4 in the layer of composite material 22 be different at the intersection of the ribs 36 and in the rib sections between the intersection nodes, and the volume content of the composite fibers 4 in the rib material between the intersections it was less than 50%, preferably 40%.
  • the material thickness in the intersection zone 36 will be greater than in the ribs 34 and 35, and there will be a bending of the fibers in the intersection zone 36, which will reduce the strength of the structure.
  • This design can be made in this way.
  • the feed rate of the plastic thread 10 to the extruder 9 must be set so that the volume content of the composite fibers 4 in the composite material being formed is less than 50% (preferably 40%), and that of the thermoplastic 5 is more than 50% (preferably 60%), and when the extruder passes the intersection zone 36, the feed rate of the plastic thread 10 sharply decreases, stops, or is fed into the opposite direction for a sharp decrease in pressure of the plastic in the chamber of the extruder 19, which leads to a decrease in the volume fraction of thermoplastic 5 in the intersection zone 36 to a value from 0 to 20% (preferably 20%). If the ribs have a small thickness (up to 3 mm), changing the feed rate of plastic yarn 10 when passing the intersection node 36 is optional, since the excess
  • an installation that implements this method of printing must contain at least one extruder 9 described above and intended for printing with a composite material, for which plastic thread 10 (or a thermoplastic in the form of granules or powder) and reinforcing thread 7.
  • it may contain an additional second 37 and / or an additional third 38 extruders, which are known extruders for printing plastic ohm
  • An additional second extruder 37 is designed for printing with clean plastic, for which plastic thread 10 (thermoplastic material) is fed into it, the same as that supplied to the first extruder 9 (or a thermoplastic in the form of pellets or powder, the same as in the first extruder ).
  • An additional third extruder 38 is designed for printing supporting structures 42, for which additional thermoplastic material 39 (in the form of a plastic thread, or in the form of powder or granules) is fed into it for printing supporting structures 42, which after manufacture of the product can be removed in a manner that does not damage the rest of the product (namely, non-damaging thermoplastic material and thermosetting composite fiber binder), for example, chemically, and thus serving to create temporary supporting structures ur
  • articles 40 (FIG. 7) may be made, consisting partly of composite material 23, partly of pure plastic 41, partly of support material 42, which is subsequently removed. At the same time to create the product does not require technological equipment, as in the case of applying the known methods of winding and laying.
  • extruders 9 and 37 can be fed with thermoplastic yarn containing various inclusions, such as chopped reinforcing fibers (carbon, glass, etc.), or various particles. Such inclusions serve to further enhance the mechanical product characteristics, increase its hardness, thermal conductivity, reduce the coefficient of thermal expansion or for other purposes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов. Устройство содержит экструдер с входными каналами, нагреватель, камеру, датчик температуры, сопло для выхода материала, механизмы подачи материала и композитного волокна в виде нити, механизм обрезки нити, стол, трехкоординатный механизм перемещения. Способ включает изготовление композитного волокна, подачу его и термопластичного материала в экструдер, разогрев экструдера, при этом термопластичный материал соединяется с композитным волокном. Затем осуществляют экструдирование композитного материала на поверхность стола, где композитное волокно, охлаждаясь, становится жестким, а расплав термопластичного материала застывает, связывая композитные волокна между собой и формируя изделие. При этом в процессе формирования изделия осуществляют обрезку композитного волокна и переход экструдера к следующему участку траектории.

Description

ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ из композитных
МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ 3D ПЕЧАТИ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов, таких как кронштейны, фитинги, корпусные элементы, носимые изделия, сетчатые и сотовые конструкции для применения в авиационной, ракетно-космической технике, медицине, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Уровень техники
Известны способы и устройства 3-D печати с использованием композитного волокна. Наиболее близкие аналоги описаны в заявках компании Mark Forged (США):
[1] заявка US20140291886 - Three dimensional printing (Трехмерная печать), МПК В29С47/00, опубликованная 02.10.2014;
[2] заявка US20140328963 - Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing (Аппарат для аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С67/00, опубликованная 06.11.2014;
[3] заявка US20140328964 - Three dimensional printing (Трехмерная печать), МПК В29С67/00, опубликованная 06.11.2014;
[4] заявка US20140361460 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С65/40, В29С67/00, опубликованная 11.12.2014;
[5] заявка US20150108677 - Three dimensional printer with composite filament fabrication (Трехмерный принтер с печатью композитным волокном), МПК В29С67/00, опубликованная 23.04.2015;
[6] заявка US20150165691 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С67/00, опубликованная 18.06.2015;
В заявках описан способ ЗО-печати с использованием композитного волокна, состоящего из ядра (наполнителя) и пластикового покрытия (матрица). В композитное волокно в качестве наполнителя входят непрерывные или полунепрерывные волокна, такие как армирующие волокна, оптоволокно, электропроводящие нити и т.д. Матрица представляет собой термопластичный материал. При печати волокно подвергается нагреву до температуры, которая выше температуры плавления матричного материала. Описанный способ печати реализуется в трехмерном принтере, содержащем экструдер специальной конструкции, в который подается указанное выше композитное волокно.
Изготовление композитного волокна производится при помощи специального устройства, в которое подается непрерывное волокно и матричный материал и происходит их совместная экструзия. Для улучшения процесса пропитки волокно может предварительно вакуумироваться (для устранения воздуха и влаги), проходить через ролики, делающие пучок волокон плоским, с целью лучшей пропитки, либо создающие давление, помогающее внедрить матричный материал в пучок волокон, подвергаться воздействию поверхностно- активирующих веществ, пара, озона, и т.д. для улучшения связи волокна с матрицей.
Недостатком описанного решения является сложность обеспечения качественной пропитки пучка волокон термопластами, что связано с крайне высокой вязкостью их расплавов. Получаемый материал может обладать высокой пористостью, и волокна не будут работать совместно. Для того чтобы реализовать качественную пропитку, необходимо подвергать материал воздействию высокого давления (до 50 атмосфер), однако в этом случае возможно повреждение волокон и внутренняя структура материала может быть неравномерной. Кроме того, предлагаемый метод предполагает подачу в экструдер предварительно пропитанного композитного волокна с заранее определенным соотношением объемных долей волокон и матрицы, что не позволяет варьировать объемную долю волокон в процессе печати.
Для того чтобы избежать сложностей, связанных с пропиткой пучка волокон термопластом, может быть использован двухматричный материал, в котором пучки волокон пропитаны термореактивным связующим, обладающим низкой вязкостью, и связаны между собой термопластом. Такой материал описан в патентах:
[7] RU 2107622 - Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты), опубликован 27.03.1998.
[8] US 006077580 - Composite shell shaped as a body of revolution and a method of forming the same (Композитная оболочка в виде тела вращения и метод ее изготовления), опубликован 20.06.2000. Однако описанный в патентах способ формирования материала применим только для изготовления тел вращения, таких как трубопроводы и баллоны давления, методом намотки.
Сущность изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является изготовление методом трехмерной печати функциональных деталей из композитных материалов со сложной формой и внутренней структурой, обладающих высокими физико-механическими характеристиками; изготовление деталей с повышенными удельными прочностными характеристиками материала по отношению к плотности, превышающих характеристики алюминиевых сплавов (АМгб, Д16 и др.), обычно применяемых в авиастроении и ракетно-космической технике. Для достижения таких характеристик обеспечивается качественная пропитка жгута армирующих волокон матрицей с отсутствием пор и пустот.
Технический результат изобретения заключается в повышении удельных прочностных характеристик материала, физико-механических характеристик, снижение пористости с равномерной внутренней структурой при варьировании объемной доли волокон и матрицы в процессе печати.
Технический результат достигается за счет заявленного способа производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами методом трехмерной печати, включающего изготовление композитного волокна, при котором жгут из волокон пропитывают термореактивным связующим с объемной долей 15-60% и подвергают температурной обработке до отверждения связующего; подачу в экструдер композитного волокна в виде нити и термопластичного материала; разогрев экструдера до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала и температуру стеклования термореактивного связующего, при этом термопластичный материал соединяется с композитным волокном; движение экструдера по запрограммированной траектории и экструдирование композитного материала, полученного при соединении термопластичного материала с композитным волокном, через сопло на поверхность стола, где композитное волокно, охлаждаясь, становится жестким, а расплав термопластичного материала застывает, связывая композитные волокна между собой, формируя изделие; при этом в процессе формирования изделия при помощи механизма обрезки осуществляют обрезку композитного волокна и переход экструдера без экструдирования композитного волокна и термопластичного материала к следующему участку траектории, затем возобновляют экструдирование композитного волокна и термопластичного материала.
Также технический результат достигается за счет использования в качестве волокон армирующих и/или функциональных волокон. В качестве армирующих волокон используют углеродные и/или стеклянные и/или арамидные и/или базальтовые и/или борные и/или металлические волокна. В качестве функциональных волокон используют оптические и/или электропроводящие волокна. В качестве термореактивного связующего используют термореактивную пластмассу на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, карбамидных, эпокси-фенольных, кремнийорганических, полиимидных, бисмалеидных связующих. Термопластичный материал подают в виде нити или гранул или порошка. В качестве термопластичного материала используют акрилонитрилбутадиенстирол, полилактид, полиамид, полиэфиримид, полиэтилентерефталат, полиацеталь, полисульфон, полиэфирэфиркетон, полиэтилентерефталатгликоль. Движение экструдера осуществляют при помощи, по меньшей мере, трех координатного механизма перемещения, позволяющего перемещать его относительно поверхности стола по запрограммированной траектории. Движение экструдера по запрограммированной траектории синхронизируют с подачей композитного волокна и термопластичного материала при помощи системы управления, которая дополнительно осуществляет поддержание заданной температуры экструдера, стола и включение в заданные моменты механизма обрезки. При изготовлении композитного волокна его дополнительно покрывают слоем термопластичного материала.
Также технический результат достигается за счет того, что дополнительно подают термопластичный материал в дополнительный второй экструдер, разогревают его до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала, и осуществляют поочередное экструдирование композитного материала из экструдера, а также термопластичного материала из дополнительного второго экструдера на поверхность стола, при этом осуществляют обрезку композитного материала при необходимости временного прекращения его экструдирования из экструдера.
Также технический результат достигается за счет того, что дополнительно подают термопластичный материал в дополнительный второй экструдер, разогревают его до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала, а также подают дополнительный термопластичный материал, который способен растворяться в веществах, в которых не растворяется термопластичный материал и термореактивное связующее композитного волокна, в дополнительный третий экструдер, который разогревают до температуры, превышающей температуру плавления дополнительного термопластичного материала, и далее осуществляют поочередное экструдирование композитного материала из экструдера, термопластичного материала из дополнительного второго экструдера и дополнительного термопластичного материала из дополнительного третьего экструдера на поверхность стола, при этом осуществляют обрезку композитного материала при необходимости временного прекращения его экструдирования из экструдера.
Движение экструдера, дополнительного второго и третьего экструдеров осуществляют при помощи, по меньшей мере, трех координатного механизма перемещения, позволяющего перемещать их относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
Технический результат также достигается за счет заявленного устройства производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами, методом трехмерной печати, содержащего: экструдер с входными каналами для композитного волокна в виде нити и термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода композитного материала; механизмы подачи термопластичного материала и композитного волокна в виде нити; механизм обрезки армирующей нити; стол; по меньшей мере, трехкоординатный механизм перемещения, позволяющий перемещать экструдер относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
Также технический результат достигается за счет того, что механизм подачи композитного волокна в виде нити выполнен в виде роликов. При подаче термопластичного материала в виде нити, механизм подачи термопластичного материала выполнен в виде роликов, а при подаче термопластичного материала в виде гранул или порошка, механизм подачи термопластичного материала выполнен в виде шнека. Устройство дополнительно содержит второй экструдер с входным каналом для термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода термопластичного материала, а также содержит дополнительный третий экструдер с входным каналом для дополнительного термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода дополнительного термопластичного материала, который способен растворяться в веществах, в которых не растворяется термопластичный материал и термореактивное связующее композитного волокна. Устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, трехкоординатный механизм перемещения, позволяющий перемещать экструдер, дополнительные второй и третий экструдеры относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
Созданный способ трехмерной печати основан на использовании композитного волокна, представляющего собой жгут из волокон, пропитанный связующим и отвержденный. Существенным является то, что материал, которым осуществляется пропитка, является реактопластом, в отличие от приведенного ранее аналога. Реактопласты обладают хорошими технологическими свойствами, в частности, низкой вязкостью и хорошей адгезией ко всем применяемым в настоящее время типам армирующих волокон, что позволяет обеспечить качественную пропитку жгута армирующих волокон матрицей с отсутствием пор и пустот и, следовательно, совместную работу волокна и матрицы. При этом для обеспечения качественной пропитки не требуется приложения давления, наличия роликов, деформирующих жгут, каналов изогнутой формы, предварительного активирования поверхности волокна и других действий, которые используются для решения этой задачи в приведенном ранее аналоге.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - сечение композитного волокна (1А - композитное волокно, 1 Б - композитное волокно с термопластичным покрытием);
Фиг. 2 - схема установки для трехмерной печати изделий из композитных материалов, армированных волокнами;
Фиг. 3 - схема сопла экструдера (ЗА - сопло сферической или конической формы, ЗБ - сопло с площадкой); Фиг. 4 - сечение многослойного композитного материала, получаемого методом Зй-печати (4А - композиционный материал с прямоугольной укладкой, 4Б - композиционный материал с гексагональной укладкой);
Фиг. 5 - фрагмент многослойной композитной детали, изготовленной методом ЗР-печати;
Фиг.6 - фрагмент ребристой композитной детали, изготовленной методом Зй-печати;
Фиг.7 - печать изделий со сложной структурой;
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: 1 -матричный материал;
2 - армирующее волокно;
3 - функциональное волокно;
4 - композитное волокно (жгут волокон, пропитанный матричным материалом);
5 - термопластичный материал (термопласт)
6 - композитное волокно с термопластичным покрытием (композитное волокно (жгут волокон, пропитанный матричным материалом) и покрытый термопластом);
7 - армирующая нить (композитное волокно либо композитное волокно с термопластичным покрытием);
8 - катушка с армирующей нитью;
9 - экструдер;
10 - нить термопластичного материала (нить термопласта);
11 - катушка с нитью термопласта;
12 - механизм подачи армирующей нити;
13 - механизм подачи термопласта;
15 - трубка подачи армирующей нити;
16 - трубка подачи нити термопласта;
17- нагреватель;
18 - датчик температуры;
19 - камера экструдера (камера для расплава, в которой происходит совмещение армирующей нити и термопласта);
20 - сопло;
21 - стол (рабочая поверхность);
22 - слой композитного материала;
23 - композитный материал (армированный термопласт, выходящий из сопла экструдера);
24 - механизм обрезки армирующей нити;
26 - округление на выходе из сопла;
27 - боковая сферическая поверхность сопла;
28 - площадка сопла; 29 - пример изделия;
30 - участок с малым шагом композитных волокон (большое объемное содержание композитных волокон);
31 - участок с большим шагом композитных волокон (малое объемное содержание композитных волокон);
32 - отверстие в детали;
33 - ряды композитных волокон, усиливающие отверстие;
φ - угол укладки композитного волокна;
34 - продольное ребро;
35 - поперечное ребро;
36 - узел пересечения ребер;
37 - дополнительный второй экструдер для печати чистым термопластом или термопластом, армированным дискретными волокнами;
38 - дополнительный третий экструдер для печати поддерживающих структур;
39 - нить термопластичного материала для печати поддерживающих структур (дополнительный термопластичный материал);
40 - изделие сложной формы;
41 - слой термопластичного материала;
42 - поддерживающая структура.
Осуществление изобретения
Созданный способ трехмерной печати основан на использовании композитного волокна (Фиг. 1А). Композитное волокно 4, представляет собой жгут из волокон, пропитанный матричным материалом 1 и отвержденный. Жгут может содержать непрерывные армирующие волокна 2, такие как углеродные, стеклянные, арамидные, базальтовые, борные, металлические, а также функциональные волокна 3, такие как оптические и/или электропроводящие, например, медные. Жгут может содержать в себе различное число волокон, например, 2, 100, 1000, 3000, 6000 и так далее. Матричный материал 1 , которым осуществляется пропитка, является термореактивной пластмассой (реактопласт) на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, карбамидных, эпокси- фенольных, кремнийорганических, полиимидных, бисмалеидных и других связующих или смесью термореактивного связующего с термопластичным связующим. Реактопласты обладают хорошими технологическими свойствами, в частности, низкой вязкостью и хорошей адгезией ко всем применяемым в настоящее время типам армирующих волокон, что позволяет обеспечить качественную пропитку жгута армирующих волокон матрицей с отсутствием пор и пустот и, следовательно, совместную работу волокна и матрицы. Для изготовления композитного волокна 4 жгут пропитывается связующим таким образом, чтобы объемная доля связующего составляла 15-60%. Таким образом, соотношение объемных долей волокон и матричного материала может находиться в диапазоне от 85%: 15% до 40%:60%. Например, объемные доли волокон и матричного материала могут иметь соотношение 60%:40%, 70%:30%, 80%:20% или другое. Затем пропитанный жгут подвергается температурной обработке до отверждения матричного материала. Температурный режим и длительность отверждения зависят от конкретного типа и марки матричного материала.
Возможна реализация, в которой после отверждения композитное волокно 4 покрывают термопластичным материалом 5 (термопластом), таким как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полилактид (ПЛА), полиамид (ПА), полиэфиримид (ПЭИ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиацеталь, полисульфон, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полиэтилентерефталатгликоль или другим термопластом. Для этого отвержденное композитное волокно 4 проходит через камеру с расплавленным термопластом 5 и выходит через фильеру, которая обеспечивает заданный диаметр и форму композитного волокна с термопластичным покрытием 6 (Фиг. 1Б).
Изготовление изделия (детали) происходит при помощи установки, показанной на Фиг. 2. При печати используется экструдер 9, в который подается армирующая нить 7 (т.е. композитное волокно в виде нити), которая представляет собой композитное волокно 4 или композитное волокно с термопластичным покрытием 6 (Фиг. 1А или Фиг. 1Б), и термопластичный материал 5, такой как АБС, ПЛА, ПА, ПЭИ, полиацеталь, ПЭТ, полисульфон, ПЭЭК или другого термопласта. На Фиг. 2 термопластичный материал 5 подается в виде нити термопласта 10, однако данная реализация заявляемого изобретения не ограничивается использованием нити термопласта, т.е. возможна также реализация, при которой в экструдер вместо термопласта в виде нити подается термопласт в виде гранул или порошка. Подача армирующей нити 7 осуществляется с катушки 8 при помощи механизма подачи армирующей нити 12, выполненного в виде роликов, при вращении которых осуществляется подача нити, а также контролируется натяжение армирующей нити. Подача термопластичного материала 5 в виде нити термопласта 10 осуществляется с катушки 11 при помощи механизма подачи термопласта 13, выполненного в виде роликов, при вращении которых осуществляется подача нити. При использовании термопластичного материала 5 в виде гранул или порошка, подачу осуществляют из бункера при помощи механизма подачи термопласта, выполненного в виде шнека.
Механизмы подачи 12 и 13 могут быть расположены на различном расстоянии от экструдера, например, 1 мм, 10 мм, 50 мм, 100 мм, 300 мм и так далее. В случае если механизмы подачи расположены на расстоянии от экструдера, подача термопластичного материала 5 (т.е. нити 10 или гранул или порошка термопласта) в экструдер 9 может осуществляться через подающую трубку 16, а армирующей нити - через подающую трубку 15.
Экструдер 9 при помощи нагревателя 17 разогревается до температуры, превышающей температуру плавления нити термопласта 10 и температуру стеклования термореактивного матричного материала 1 армирующей нити 7, при этом температура не должна превышать температуру деструкции матричного материала 1 армирующей нити 7. Нагреватель 17 может быть различного типа, например, патронный, хомутовый, плоский и другого типа. Контроль температуры осуществляется при помощи датчика 18, например, термопары или терморезистора. При данной температуре нить термопласта 10 расплавляется и заполняет камеру экструдера 19, где соединяется с армирующей нитью 7. В случае если армирующая нить 7 представляет композитное волокно с термопластичным покрытием 6 (Фиг. 1 Б), то также расплавляется термопластичное покрытие (термопласт 5) композитного волокна. Таким образом, из камеры экструдера выходит композитный материал 23 (композитное волокно 4, окруженное расплавом термопласта). Ролики механизма подачи 13 вращаются и перемещают нить термопласта 10, проталкивая ее в камеру 19 экструдера через входной канал для подачи термопласта. При этом когда в качестве механизма подачи используется шнек, он также вращается и перемещает (проталкивает) термопласт в виде гранул или порошка в камеру 19 экструдера. Ролики механизма подачи 12 вращаются и перемещают армирующую нить 7, подавая ее в камеру 19 экструдера через входной канал для подачи армирующей нити. В камере 19 создается давление расплава термопласта и композитное волокно вместе с термопластом экструдируется через сопло 20 на поверхность стола 21 (рабочую поверхность) в виде композитного материала 23 (армированного термопласта). Одновременно с работой механизмов подачи 12 и 13, экструдер перемещается относительно стола 21 в соответствии с формой изделия. Для перемещения экструдера относительно стола, экструдер и стол могут быть установлены, по меньшей мере, на 3-х координатный механизм перемещения, предпочтительно, на шести координатный механизм (так называемая система позиционирования). Под действием нагрева матричный материал 1 композитного волокна 4 размягчается, что позволяет ему изгибаться и укладываться на стол 21, повторяя траекторию экструдера. После выхода из экструдера, расплав термопласта застывает, а композитное волокно 4, охлаждаясь, вновь становится жестким, образуя слой композитного материала 22, обладающий высокими механическими характеристиками. При этом после охлаждения композитное волокно 4 при помощи термопластичной прослойки прикрепляется к поверхности стола 21 или предыдущим слоям изделия. Стол 21 может подогреваться для более надежного прикрепления к нему композитного волокна с термопластичной прослойкой.
Таким образом, уменьшая скорость подачи армирующей нити 7 роликами механизма подачи 12 по сравнению со скоростью перемещения экструдера 9 относительно стола 21 , можно создавать натяжение армирующей нити для выпрямления волокон 2 и/или 3 и повышения механических характеристик материала. Наоборот, увеличивая скорость подачи армирующей нити 7, можно уменьшить натяжение армирующей нити для предотвращения ее сползания в случае, если его траектория имеет большую кривизну.
Существенно, что матричный материал 1 композитного волокна 4 не расплавляется, а лишь размягчается, и волокна 2 и/или 3 армирующего жгута, расположенные внутри композитного волокна 4, сохраняют свое расположение.
В случае если в экструдер подается не термопластичная нить, а термопласт в виде гранул или порошка, механизм подачи вместо подающих роликов содержит шнек, который захватывает гранулы или порошок из бункера и подает их в разогретый экструдер. Давление в камере 19 создается за счет проталкивания нити термопласта при помощи роликов или за счет проталкивания гранул или порошка при помощи шнека.
Установка содержит механизм обрезки 24, который предназначен для обрезки армирующей нити 7 при переходе между частями изделия, между слоями композитного материала 22, при окончании печати изделия. Механизм обрезки 24 может быть расположен либо между механизмом подачи 12 и экструдером 9, либо после выхода из сопла 20. В последнем случае производится обрезка композитного материала 23, т.е. композитного волокна 4, окруженного расплавом термопласта 5. При этом движущиеся части механизма обрезки 24, например, ножи, должны находиться выше или в стороне от сопла 20, чтобы не мешать процессу печати. При обрезке экструдер 9 поднимается, а механизм обрезки приводиться в движение, обрезая композитный материал 22 между срезом сопла 20 и изделием.
Установка содержит систему управления, обеспечивающую синхронное запрограммированное движение механизма перемещения экструдера 9 относительно стола 21 , механизмов подачи 12 и 13, поддержание заданной температуры экструдера 9 и стола 21 , включение в заданные моменты механизма обрезки 24.
Одной из основных особенностей предложенного способа является возможность управлять объемным соотношением композитных волокон 4 и термопласта в процессе печати. Это производится путем регулировки скорости подачи в экструдер 9, изображенный на Фиг. 2, нити термопласта 10 при помощи механизма подачи 13 и скорости подачи армированной нити 7 при помощи механизма подачи 12. Таким образом, можно варьировать давление термопласта в камере 19 экструдера и, соответственно, количество пластика в композитном материале 23, выходящем из сопла 20. Скорость вращения роликов механизмов подачи 12 и 13 регулируется системой управления таким образом, чтобы объемная доля термопласта в экструдируемом материале (композитном материале 23) составляла 20-70%. При этом объемное содержание композитных волокон 4 в получаемом композитном материале 23 может составлять 30-80%, что соответствует объемному содержанию волокон 2 и/или 3 в композитном материале 23 от 12 до 68%. Таким образом, возможно изготавливать детали, в которых объемное содержание композитных волокон 4 будет различно в различных частях изделия. В случае если в экструдер подается не термопластичная нить, а термопласт в виде гранул либо порошка, управление объемным содержанием термопласта осуществляется путем регулировки скорости вращения подающего шнека. Также ролики механизма подачи 12, подающие армирующую нить 7, путем изменения скорости своего вращения относительно скорости перемещения экструдера, регулируют натяжение армирующей нити 7 и, соответственно, композитного волокна 4 в композитном материале 23, выкладываемом на стол 21. На прямых участках траектории, ролики могут замедляться, увеличивая натяжение армирующей нити 7, а на криволинейных участках - ускоряться, уменьшая его натяжение во избежание сползания армирующей нити 7 с траектории печати. Для того чтобы максимизировать характеристики получаемого композитного материала 23, применяются сопла, имеющие специальную форму, как показано на Фиг 3. В связи с тем, что матричный материал 1 композитного волокна 4 не расплавляется, а лишь размягчается, композитное волокно 4 не может претерпевать резкие перегибы, приводящие к его перелому, поэтому для того, чтобы исключить резкий перегиб и повреждение композитного волокна 4 на выходе из сопла канал должен иметь округление или фаску 26. Для снижения пористости и уплотнения укладки волокон в получаемом изделии, сопло может иметь гладкую сферическую форму, как показано на Фиг. ЗА. В этом случае боковая поверхность сопла 27 имеет форму сферы, и у среза сопла образуется тороидальная поверхность, которая при печати скользит по поверхности выложенного композитного материала, прикладывая к нему контактное давление аналогично прикаточным роликам выкладочных машин. В случае если для печати применяется высокотемпературный термопласт, такой, например, как ПЭЭК, для того, чтобы обеспечить хорошее сплавление слоев композитного материала 22 между собой, необходимо прогревать материал в окрестностях места выкладки нового слоя. Для этого может быть использовано сопло, показанное на Фиг. ЗБ, имеющее площадку 28 вокруг выходного отверстия сопла. Разогретая площадка обеспечивает подогрев армированного термопласта вокруг выходного отверстия сопла, что приводит к лучшему приплавлению выкладываемого слоя 22 к предыдущему.
В связи с тем, что при печати композитный материал (армированный термопласт) 23 формируется путем выкладки одного композитного волокна диаметром 0,2-1 ,0 мм, данный метод, в отличие от известных методов намотки и выкладки, позволяет более гибко управлять внутренней структурой композитного материала, то есть расположением композитных волокон 4, укладывая их, например, прямоугольно, как показано на Фиг. 4А, то есть, располагая композитные волокна 4 в термопластичной матрице 5 друг над другом, или гексагонально, как показано на Фиг. 4Б, то есть, располагая композитные волокна 4 в матрице 5 со смещением, что дает возможность повысить объемное содержание композитных волокон и, соответственно, увеличить механические характеристики изделия.
Также возможно гибко управлять траекторией укладки композитных волокон 4 в слое. На Фиг. 5 показан фрагмент композитного изделия, который может быть изготовлен рассматриваемым способом. Угол укладки φ композитного волокна 4 может быть различным в различных частях изделия 29. Кроме того, путем изменения скорости подачи в экструдер 9 армирующей нити 7 и нити термопласта 10 (либо термопласта в виде гранул либо порошка), а также расстояния между композитными волокнами 4 при их выкладке, можно изменять объемное содержание композитных волокон 4 и термопласта 5 в получаемом композитном материале и создавать изделия, в которых будут присутствовать участки 30 с большим содержанием волокон и участки 31 с меньшим содержанием волокон. Данная возможность обеспечивает гибкое управление структурой материала и ее оптимизацию с целью получения более прочных и легких изделий. Кроме того, рассматриваемый способ позволяет усиливать слабые места изделия, такие как отверстия 32, окантовывая их по контуру одним или несколькими рядами 33 композитных волокон.
Описанная выше возможность контроля объемной доли композитных волокон 4 в композитном материале позволяет изготавливать ребристые, подкрепленные или сетчатые композитные конструкции. Фрагмент такой конструкции показан на Фиг. 6. В качестве примера, на Фиг 6 показана конструкция, состоящая из пересекающихся продольных 34 и поперечных 35 ребер, однако реальные конструкции такого вида могут содержать любое количество ребер, направленных по различным траекториям, как прямолинейным, так и криволинейным. Ребра состоят из слоев композитного материала 22 и содержат композитные волокна 4. Для реализации такой конструкции необходимо, чтобы объемное содержание композитных волокон 4 в слое композитного материала 22 различалось в узле пересечения ребер 36 и на участках ребер между узлами пересечения, и объемное содержание композитных волокон 4 в материале ребра между пересечениями было менее 50%, предпочтительно - 40%. В противном случае, толщина материала в зоне пересечения 36 будет больше, чем в ребрах 34 и 35, и возникнет изгиб волокон в зоне пересечения 36, что снизит прочность конструкции. Данная конструкция может быть изготовлена рассматриваемым способом. Для этого при прохождении экструдером участка ребра между пересечениями скорость подачи пластиковой нити 10 в экструдер 9 должна быть установлена таким образом, чтобы объемное содержание композитных волокон 4 в формируемом композитном материале было менее 50% (предпочтительно 40%), а термопласта 5 - более 50% (предпочтительно 60%), а при прохождении экструдером зоны пересечения 36, скорость подачи пластиковой нити 10 резко уменьшается, останавливается, или осуществляется подача в обратном направлении для резкого уменьшения давления пластика в камере экструдера 19, что приводит к снижению объемной доли термопласта 5 в зоне пересечения 36 до величины от 0 до 20% (предпочтительно - 20%). В случае если ребра имеют небольшую толщину (до 3 мм), изменение скорости подачи пластиковой нити 10 при прохождении узла пересечения 36 необязательно, так как излишки термопласта 5 могут при печати выдавливаться за пределы пересечения 36.
Для изготовления изделий сложной формы установка, реализующая данный способ печати, должна содержать, по крайней мере, один экструдер 9, описанный выше и предназначенный для печати композитным материалом, для чего в него подается пластиковая нить 10 (либо термопласт в виде гранул или порошка) и армирующая нить 7. Для расширения возможностей установки по изготовлению изделий сложной формы, она может содержать дополнительный второй 37 и/или дополнительный третий 38 экструдеры, которые представляют собой известные экструдеры для печати пластиком. Дополнительный второй экструдер 37 предназначен для печати чистым пластиком, для чего в него подается пластиковая нить 10 (термопластичный материал), такая же, как и подаваемая в первый экструдер 9 (либо термопласт в виде гранул или порошка, такой же, как и в первый экструдер). Дополнительный третий экструдер 38 предназначен для печати поддерживающих структур 42, для этого в него подается дополнительный термопластичный материал 39 (в виде пластиковой нити, либо в виде порошка или гранул) для печати поддерживающих структур 42, который после изготовления изделия может быть удален способом, не повреждающим остальное изделие (а именно не повреждающий термопластичный материал и термореактивное связующее композитного волокна), например, химически, и, таким образом, служащим для создания временных поддерживающих структур. Таким образом, могут быть изготовлены изделия 40 (Фиг. 7), состоящие частично из композитного материала 23, частично из чистого пластика 41 , частично из материала поддержки 42, который в последующем удаляется. При этом для создания изделия не требуется технологическая оснастка, как в случае применения известных методов намотки и выкладки. Помимо подачи нити (либо порошка или гранул) из чистого пластика 10, в экструдеры 9 и 37 возможна подача нити термопласта, содержащей различные включения, например, рубленные армирующие волокна (углеродные, стеклянные и т.д), либо различные частицы. Такие включения служат для дальнейшего повышения механических характеристик изделия, повышения его твердости, теплопроводности, снижения коэффициента термического расширения или для других целей.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами, методом трехмерной печати, включающий:
• изготовление композитного волокна, при котором жгут из волокон пропитывают термореактивным связующим с объемной долей 15-60% и подвергают температурной обработке до отверждения связующего;
• подачу в экструдер композитного волокна в виде нити и термопластичного материала;
• разогрев экструдера до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала и температуру стеклования термореактивного связующего, при этом термопластичный материал соединяется с композитным волокном;
• движение экструдера по запрограммированной траектории и экструдирование композитного материала, полученного при соединении термопластичного материала с композитным волокном, через сопло на поверхность стола, где композитное волокно, охлаждаясь, становится жестким, а расплав термопластичного материала застывает, связывая композитные волокна между собой, формируя изделие;
• при этом в процессе формирования изделия при помощи механизма обрезки осуществляют обрезку композитного волокна и переход экструдера без экструдирования композитного волокна и термопластичного материала к следующему участку траектории, затем возобновляют экструдирование композитного волокна и термопластичного материала.
2. Способ по п. 1 , отличающийся тем, жгут, используемый для изготовления композитного волокна, содержит армирующие и/или функциональные волокна.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве армирующих волокон используют углеродные и/или стеклянные и/или арамидные и/или базальтовые и/или борные и/или металлические волокна.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве функциональных волокон используют оптические и/или электропроводящие волокна.
5. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что в качестве термореактивного связующего используют термореактивную пластмассу на основе фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных, карбамидных, эпокси- фенольных, кремнийорганических, полиимидных, бисмалеидных связующих.
6. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что термопластичный материал подают в виде нити или гранул или порошка.
7. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что в качестве термопластичного материала используют акрилонитрилбутадиенстирол, полилактид, полиамид, полиэфиримид, полиэтилентерефталат, полиацеталь, полисульфон, полиэфирэфиркетон, полиэтилентерефталатгликоль.
8. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что движение экструдера осуществляют при помощи, по меньшей мере, трехкоординатного механизма перемещения, позволяющего перемещать его относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
9. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что движение экструдера по запрограммированной траектории синхронизируют с подачей композитного волокна и термопластичного материала при помощи системы управления, которая дополнительно осуществляет поддержание заданной температуры экструдера, стола и включение в заданные моменты механизма обрезки.
10. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что при изготовлении композитного волокна его дополнительно покрывают слоем термопластичного материала.
11. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что дополнительно подают термопластичный материал в дополнительный второй экструдер, разогревают его до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала и осуществляют поочередное экструдирование композитного материала из экструдера, а также термопластичного материала из дополнительного второго экструдера на поверхность стола, при этом осуществляют обрезку композитного материала при необходимости временного прекращения его экструдирования из экструдера.
12. Способ по п. 11 , отличающийся тем, что движение экструдера и дополнительного второго экструдера осуществляют при помощи, по меньшей мере, трехкоординатного механизма перемещения, позволяющего перемещать их относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
13. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что дополнительно подают термопластичный материал в дополнительный второй экструдер, разогревают его до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала, а также подают дополнительный термопластичный материал, который способен растворяться в веществах, в которых не растворяется термопластичный материал и термореактивное связующее композитного волокна, в дополнительный третий экструдер, который разогревают до температуры, превышающей температуру плавления дополнительного термопластичного материала, и далее осуществляют поочередное экструдирование композитного материала из экструдера, термопластичного материала из дополнительного второго экструдера и дополнительного термопластичного материала из дополнительного третьего экструдера на поверхность стола, при этом осуществляют обрезку композитного материала при необходимости временного прекращения его экструдирования из экструдера.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что движение экструдера, дополнительного второго и третьего экструдеров осуществляют при помощи, по меньшей мере, трехкоординатного механизма перемещения, позволяющего перемещать их относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
15. Устройство производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами, методом трехмерной печати, содержащее:
• экструдер с входными каналами для композитного волокна в виде нити и термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода композитного материала;
• механизмы подачи термопластичного материала и композитного волокна в виде нити;
• механизм обрезки армирующей нити;
· стол;
• по меньшей мере, трехкоординатный механизм перемещения, позволяющий перемещать экструдер относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что механизм подачи композитного волокна в виде нити выполнен в виде роликов.
17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что при подаче термопластичного материала в виде нити, механизм подачи термопластичного материала выполнен в виде роликов, а при подаче термопластичного материала в виде гранул или порошка, механизм подачи термопластичного материала выполнен в виде шнека.
18. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй экструдер с входным каналом для термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода термопластичного материала.
19. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй экструдер с входным каналом для термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода термопластичного материала, а также содержит дополнительный третий экструдер с входным каналом для дополнительного термопластичного материала, при этом содержащий нагреватель, камеру, датчик температуры и сопло для выхода дополнительного термопластичного материала, который способен растворяться в веществах, в которых не растворяется термопластичный материал и термореактивное связующее композитного волокна.
20. Устройство* по п. 19, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, трехкоординатный механизм перемещения, позволяющий перемещать экструдер, дополнительные второй и третий экструдеры относительно поверхности стола по запрограммированной траектории.
PCT/RU2017/000955 2017-10-03 2017-12-20 Производство изделий из композитных материалов методом 3d печати Ceased WO2019070150A1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/652,686 US11673322B2 (en) 2017-10-03 2017-12-20 Production of articles made of composite materials by 3D-printing method
CN201780095584.7A CN111163921B (zh) 2017-10-03 2017-12-20 通过3d打印制造由复合材料制成的制品的方法
EP17927980.7A EP3693151A4 (en) 2017-10-03 2017-12-20 MANUFACTURING OF COMPOSITE MATERIAL PARTS BY 3D PRINTING
JP2020519123A JP7017269B2 (ja) 2017-10-03 2017-12-20 ３ｄプリント工程による複合材製品の製造方法及びその実施装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017134426A RU2674138C1 (ru) 2017-10-03 2017-10-03 Способ производства изделий из композитных материалов методом 3д-печати и устройство для его реализации
RU2017134426 2017-10-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019070150A1 true WO2019070150A1 (ru) 2019-04-11

Family

ID=64603789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000955 Ceased WO2019070150A1 (ru) 2017-10-03 2017-12-20 Производство изделий из композитных материалов методом 3d печати

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11673322B2 (ru)
EP (1) EP3693151A4 (ru)
JP (1) JP7017269B2 (ru)
CN (1) CN111163921B (ru)
RU (1) RU2674138C1 (ru)
WO (1) WO2019070150A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2582181A (en) * 2019-03-15 2020-09-16 Unitive Design And Analysis Additive manufacturing apparatus and method

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10730236B2 (en) 2017-08-02 2020-08-04 Ethicon Llc System and method for additive manufacture of medical devices
US11491719B2 (en) * 2019-01-31 2022-11-08 Fujifilm Business Innovation Corp. Shaping apparatus
RU2737262C2 (ru) * 2019-03-27 2020-11-26 Акционерное общество "Средне-Невский судостроительный завод" Термопластичная полиэфиримидная композиция с базальтовым волокном
RU2707599C1 (ru) * 2019-04-10 2019-11-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения полиэфиримидного композиционного материала
RU193256U1 (ru) * 2019-06-04 2019-10-21 Общество с ограниченной ответственностью "Карфидов Лаб" Устройство локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве
CN110355995B (zh) * 2019-08-19 2021-07-06 航天特种材料及工艺技术研究所 一种采用连续纤维进行3d打印成型方法以及由此成型得到的目标结构和应用
RU2724163C1 (ru) * 2019-08-28 2020-06-22 Общество с ограниченной ответственностью «АМТ» Экструдер строительных смесей для 3d принтера
CN111070720B (zh) * 2019-12-31 2021-12-17 中国人民解放军国防科技大学 一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置和方法
CN111873359A (zh) * 2020-06-04 2020-11-03 武义斯汀纳睿三维科技有限公司 一种连续纤维芯状复合线材的制备方法及3d打印头
EP3957480A1 (de) * 2020-08-21 2022-02-23 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur materialextrusion bei einer additiven fertigung eines dreidimensionalen druckobjekts
US11613080B2 (en) * 2020-09-11 2023-03-28 Continuous Composites Inc. Print head for additive manufacturing system
CN114193765B (zh) * 2020-09-18 2025-03-28 北京十维科技有限责任公司 一种增材制造装置
CN112757626A (zh) * 2020-12-13 2021-05-07 华融普瑞(北京)科技有限公司 一种连续碳纤维fdm 3d打印成型方法
JP7643085B2 (ja) * 2021-02-26 2025-03-11 セイコーエプソン株式会社 三次元造形物の製造方法、および、三次元造形装置
JP7631892B2 (ja) * 2021-02-26 2025-02-19 セイコーエプソン株式会社 三次元造形物の製造方法、および、三次元造形装置
CN115139520B (zh) * 2021-03-29 2024-11-12 碳塑科技股份有限公司 增材制造系统以及增材制造方法
CN112976567B (zh) * 2021-04-22 2021-12-28 西安交通大学 一种空心填充复合材料丝材的多功能增材制造装置及方法
CN114147958B (zh) * 2021-10-11 2023-05-09 航天特种材料及工艺技术研究所 一种高纤维含量的连续纤维增强复合材料及其3d打印方法
AT525649B1 (de) * 2021-12-21 2023-06-15 Baumit Beteiligungen Gmbh Vorrichtung zum Ausbringen eines hydraulisch aushärtenden Baustoffes sowie dessen Verwendung
IT202200009980A1 (it) * 2022-05-13 2023-11-13 Univ Della Calabria Dispositivo di estrusione e stampante 3D
CN115195106A (zh) * 2022-06-30 2022-10-18 上海酷鹰机器人科技有限公司 一种垂直方向堆叠成型的打印工艺
CN115366420A (zh) * 2022-08-30 2022-11-22 北京航空航天大学 一种适用于连续纤维复合材料的双喷头机构及打印系统
EP4665567A1 (en) * 2023-02-14 2025-12-24 Anisoprint 3D Printing Technology (Suzhou) Limited Heating unit for composite printing of articles
FR3156368B1 (fr) * 2023-12-06 2025-11-14 Michelin & Cie Carcasse optimisée d’un pneumatique sans air réalisée par fabrication additive utilisant un matériau renforcé avec des fibres longues
FR3156369B1 (fr) 2023-12-06 2025-11-14 Michelin & Cie Carcasse d’un pneumatique sans air réalisée par fabrication additive utilisant un matériau renforcé avec des fibres longues

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2107622C1 (ru) 1996-07-01 1998-03-27 Акционерное общество "Центр перспективных разработок" Акционерного общества "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты)
US6077580A (en) 1996-07-01 2000-06-20 Center Perspektivnykh Razrabotok Composite shell shaped as a body of revolution and a method of forming the same
US20140134335A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Evonik Industries Ag Use and production of coated filaments for extrusion-based 3d printing processes
US20140291886A1 (en) 2013-03-22 2014-10-02 Gregory Thomas Mark Three dimensional printing
US20140328963A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US20140328964A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20140361460A1 (en) 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20150108677A1 (en) 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20150165691A1 (en) 2013-03-22 2015-06-18 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
CN105367998A (zh) * 2015-11-20 2016-03-02 苏州光韵达光电科技有限公司 一种3d打印材料的制备方法
US20160067928A1 (en) * 2013-03-22 2016-03-10 Markforged, Inc. Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936861A (en) * 1997-08-15 1999-08-10 Nanotek Instruments, Inc. Apparatus and process for producing fiber reinforced composite objects
EP3150361B1 (en) * 2014-05-27 2020-12-16 Nihon University Three-dimensional printing system and three-dimensional printing method
US20170151728A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Ut-Battelle, Llc Machine and a Method for Additive Manufacturing with Continuous Fiber Reinforcements
US10335991B2 (en) * 2015-12-08 2019-07-02 Xerox Corporation System and method for operation of multi-nozzle extrusion printheads in three-dimensional object printers
RU2662015C1 (ru) * 2017-04-10 2018-07-23 Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт" Печатающая головка для аддитивного производства изделий

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2107622C1 (ru) 1996-07-01 1998-03-27 Акционерное общество "Центр перспективных разработок" Акционерного общества "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты)
US6077580A (en) 1996-07-01 2000-06-20 Center Perspektivnykh Razrabotok Composite shell shaped as a body of revolution and a method of forming the same
US20140134335A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Evonik Industries Ag Use and production of coated filaments for extrusion-based 3d printing processes
US20140291886A1 (en) 2013-03-22 2014-10-02 Gregory Thomas Mark Three dimensional printing
US20140328963A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US20140328964A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20150108677A1 (en) 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20150165691A1 (en) 2013-03-22 2015-06-18 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20160067928A1 (en) * 2013-03-22 2016-03-10 Markforged, Inc. Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing
US20140361460A1 (en) 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
CN105367998A (zh) * 2015-11-20 2016-03-02 苏州光韵达光电科技有限公司 一种3d打印材料的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3693151A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2582181A (en) * 2019-03-15 2020-09-16 Unitive Design And Analysis Additive manufacturing apparatus and method

Also Published As

Publication number Publication date
CN111163921A (zh) 2020-05-15
US20200230878A1 (en) 2020-07-23
CN111163921B (zh) 2022-09-27
EP3693151A1 (en) 2020-08-12
US11673322B2 (en) 2023-06-13
JP2020535993A (ja) 2020-12-10
RU2674138C1 (ru) 2018-12-04
EP3693151A4 (en) 2021-07-07
JP7017269B2 (ja) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2674138C1 (ru) Способ производства изделий из композитных материалов методом 3д-печати и устройство для его реализации
US12122097B2 (en) 3D printing system nozzle assembly for printing of fiber reinforced parts
US12070895B2 (en) Integrated robotic 3D printing system for printing of fiber reinforced parts
US10406750B2 (en) Fiber-reinforced 3D printing
US11192297B2 (en) Composite continuous filament for additive manufacturing
EP2781342B1 (en) Extrusion-based additive manufacturing method and apparatus
RU2662015C1 (ru) Печатающая головка для аддитивного производства изделий
US12269211B2 (en) Additive manufacturing process continuous reinforcement fibers and high fiber volume content
EP3395527B1 (en) Method and apparatus for the extruded deposition of fiber reinforced polymers
US11104120B2 (en) Three-dimensional printing system, three-dimensional printing method, molding device, fiber-containing object, and production method thereof
WO2018203768A1 (ru) Способ аддитивного производства изделий из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами
US20170015060A1 (en) Additive manufacturing continuous filament carbon fiber epoxy composites
IL263251B (en) Material deposition system for additive manufacturing
WO2021127129A1 (en) Manufacturing continuous fiber reinforced thermoplastic components with layers of unidirectional tape
US20200114544A1 (en) Method and Apparatus for Manufacturing Fiber Composite Parts Utilizing Direct, Continuous Conversion of Raw Materials
RU2776061C2 (ru) Способ изготовления изделий, армированных непрерывным волокном, с помощью аддитивных технологий и печатающая головка 3D-принтера для его осуществления
EP3441212B1 (en) Additive manufacturing fiber preform article
RU2855272C1 (ru) Способ формирования структуры изделия из двухматричного композитного материала при его изготовлении методом трёхмерной печати

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17927980

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020519123

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017927980

Country of ref document: EP

Effective date: 20200504