[go: up one dir, main page]

RU2674138C1 - Способ производства изделий из композитных материалов методом 3д-печати и устройство для его реализации - Google Patents

Способ производства изделий из композитных материалов методом 3д-печати и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
RU2674138C1
RU2674138C1 RU2017134426A RU2017134426A RU2674138C1 RU 2674138 C1 RU2674138 C1 RU 2674138C1 RU 2017134426 A RU2017134426 A RU 2017134426A RU 2017134426 A RU2017134426 A RU 2017134426A RU 2674138 C1 RU2674138 C1 RU 2674138C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermoplastic material
extruder
composite
composite fiber
fibers
Prior art date
Application number
RU2017134426A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Равкатович Хазиев
Михаил Валерьевич Голубев
Федор Константинович Антонов
Андрей Валерьевич Азаров
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт"
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 Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт"
Priority to RU2017134426A priority Critical patent/RU2674138C1/ru
Priority to CN201780095584.7A priority patent/CN111163921B/zh
Priority to EP17927980.7A priority patent/EP3693151A4/en
Priority to US16/652,686 priority patent/US11673322B2/en
Priority to JP2020519123A priority patent/JP7017269B2/ja
Priority to PCT/RU2017/000955 priority patent/WO2019070150A1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2674138C1 publication Critical patent/RU2674138C1/ru

Links

Images

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 [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D 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 [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D 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 [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D 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 [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D 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

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)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов. Способ производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами методом трехмерной печати, включает 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. Устройство производства изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами, методом трехмерной печати содержит: 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. Изобретение позволяет повысить удельные прочностные характеристики материала, физико-механические характеристики, снизить пористость с равномерной внутренней структурой при варьировании объемной доли волокон и матрицы в процессе печати. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

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 B29C47/00, опубликованная 02.10.2014;
[2] заявка US20140328963 – Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing (Аппарат для аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК B29C67/00, опубликованная 06.11.2014;
[3] заявка US20140328964 – Three dimensional printing (Трехмерная печать), МПК B29C67/00, опубликованная 06.11.2014;
[4] заявка US20140361460 – Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК B29C65/40, B29C67/00, опубликованная 11.12.2014;
[5] заявка US20150108677 – Three dimensional printer with composite filament fabrication (Трехмерный принтер с печатью композитным волокном), МПК B29C67/00, опубликованная 23.04.2015;
[6] заявка US20150165691 – Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК B29C67/00, опубликованная 18.06.2015;
В заявках описан способ 3D-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 (АМг6, 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, 1Б – композитное волокно с термопластичным покрытием);
Фиг. 2 – схема установки для трехмерной печати изделий из композитных материалов, армированных волокнами;
Фиг. 3 - схема сопла экструдера (3А – сопло сферической или конической формы, 3Б – сопло с площадкой);
Фиг. 4 – сечение многослойного композитного материала, получаемого методом 3D-печати (4А – композиционный материал с прямоугольной укладкой, 4Б – композиционный материал с гексагональной укладкой);
Фиг. 5 – фрагмент многослойной композитной детали, изготовленной методом 3D-печати;
Фиг.6 – фрагмент ребристой композитной детали, изготовленной методом 3D-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 – скругление 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, эпоксифенольных, 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. 1Б), 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 шестикоординатный 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 скругление или фаску 26. Для снижения пористости и уплотнения укладки волокон в получаемом изделии, сопло может иметь гладкую сферическую форму, как показано на Фиг. 3А. 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. 3Б, 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 (29)

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, что 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, эпоксифенольных, 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;
- дополнительный 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;
- по меньшей мере, трехкоординатный механизм перемещения, позволяющий перемещать экструдер, дополнительные второй и третий экструдеры 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.
RU2017134426A 2017-10-03 2017-10-03 Способ производства изделий из композитных материалов методом 3д-печати и устройство для его реализации RU2674138C1 (ru)

Priority Applications (6)

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
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
US16/652,686 US11673322B2 (en) 2017-10-03 2017-12-20 Production of articles made of composite materials by 3D-printing method
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
PCT/RU2017/000955 WO2019070150A1 (ru) 2017-10-03 2017-12-20 Производство изделий из композитных материалов методом 3d печати

Applications Claiming Priority (1)

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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2674138C1 true RU2674138C1 (ru) 2018-12-04

Family

ID=64603789

Family Applications (1)

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

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 (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU193256U1 (ru) * 2019-06-04 2019-10-21 Общество с ограниченной ответственностью "Карфидов Лаб" Устройство локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве
CN110355995A (zh) * 2019-08-19 2019-10-22 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
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
CN111070720A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 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
RU2724163C1 (ru) * 2019-08-28 2020-06-22 Общество с ограниченной ответственностью «АМТ» Экструдер строительных смесей для 3d принтера
EP3689582A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-05 Fuji Xerox Co., Ltd Shaping apparatus
WO2020188253A1 (en) * 2019-03-15 2020-09-24 Unitive Design And Analysis Additive manufacturing apparatus and method
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
RU2737262C2 (ru) * 2019-03-27 2020-11-26 Акционерное общество "Средне-Невский судостроительный завод" Термопластичная полиэфиримидная композиция с базальтовым волокном
RU2775993C1 (ru) * 2021-07-13 2022-07-12 Общество с ограниченной ответственностью "Новые аддитивные технологии" Способ и устройство для аддитивного производства изделий

Families Citing this family (17)

* 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
EP3957480A1 (de) * 2020-08-21 2022-02-23 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zur materialextrusion bei einer additiven fertigung eines dreidimensionalen druckobjekts
US11813793B2 (en) * 2020-09-11 2023-11-14 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
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
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
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
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
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

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134335A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Evonik Industries Ag Use and production of coated filaments for extrusion-based 3d printing processes
US20150108677A1 (en) * 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
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 (12)

* 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
US5936861A (en) * 1997-08-15 1999-08-10 Nanotek Instruments, Inc. Apparatus and process for producing fiber reinforced composite objects
US9579851B2 (en) 2013-03-22 2017-02-28 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US9694544B2 (en) 2013-03-22 2017-07-04 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
AU2014235848B2 (en) 2013-03-22 2018-11-08 Gregory Thomas Mark Three dimensional printing
US9149988B2 (en) 2013-03-22 2015-10-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
CA2914512C (en) 2013-06-05 2020-10-20 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
JP6061261B2 (ja) * 2014-05-27 2017-01-18 学校法人日本大学 三次元プリンティングシステム、三次元プリンティング方法、成形装置、繊維入りオブジェクト及びその製造方法
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 (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140134335A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Evonik Industries Ag Use and production of coated filaments for extrusion-based 3d printing processes
US20150108677A1 (en) * 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20160067928A1 (en) * 2013-03-22 2016-03-10 Markforged, Inc. Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing
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

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11491719B2 (en) 2019-01-31 2022-11-08 Fujifilm Business Innovation Corp. Shaping apparatus
EP3689582A1 (en) * 2019-01-31 2020-08-05 Fuji Xerox Co., Ltd Shaping apparatus
WO2020188253A1 (en) * 2019-03-15 2020-09-24 Unitive Design And Analysis Additive manufacturing apparatus and method
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
CN110355995A (zh) * 2019-08-19 2019-10-22 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
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
WO2021040578A1 (ru) * 2019-08-28 2021-03-04 Общество С Ограниченной Ответственностью "Амт" Экструдер строительных смесей для 3d принтера
CN111070720A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 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
RU2776061C2 (ru) * 2020-12-11 2022-07-13 Общество с ограниченной ответственностью "СТЕРЕОТЕК" Способ изготовления изделий, армированных непрерывным волокном, с помощью аддитивных технологий и печатающая головка 3D-принтера для его осуществления
RU2780176C1 (ru) * 2021-07-02 2022-09-20 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" Сборочный кондуктор для изготовления каркасов многомерно армированных углерод-углеродных композиционных материалов
RU2775993C1 (ru) * 2021-07-13 2022-07-12 Общество с ограниченной ответственностью "Новые аддитивные технологии" Способ и устройство для аддитивного производства изделий
RU2792100C1 (ru) * 2022-03-23 2023-03-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Способ получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3d-печати методом послойного наплавления
RU2783519C1 (ru) * 2022-03-26 2022-11-14 Общество с ограниченной ответственностью "Новые композиционные материалы" Способ получения полиэфиримидного композиционного материала для 3D-печати
RU2844474C1 (ru) * 2024-08-02 2025-07-31 Публичное акционерное общество "Яковлев" Печатающая головка для аддитивного производства изделий (варианты)
RU2847857C1 (ru) * 2025-02-04 2025-10-15 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Способ изготовления изделий из термопластичных композитных материалов методом двухматричной трёхмерной печати и устройство для его реализации

Also Published As

Publication number Publication date
JP7017269B2 (ja) 2022-02-08
US20200230878A1 (en) 2020-07-23
EP3693151A1 (en) 2020-08-12
JP2020535993A (ja) 2020-12-10
CN111163921B (zh) 2022-09-27
US11673322B2 (en) 2023-06-13
WO2019070150A1 (ru) 2019-04-11
EP3693151A4 (en) 2021-07-07
CN111163921A (zh) 2020-05-15

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
US12269211B2 (en) Additive manufacturing process continuous reinforcement fibers and high fiber volume content
US11192297B2 (en) Composite continuous filament for additive manufacturing
CN111032314B (zh) 用于增材制造物品的打印头
EP3395527B1 (en) Method and apparatus for the extruded deposition of fiber reinforced polymers
US10406750B2 (en) Fiber-reinforced 3D printing
US10300659B2 (en) Material deposition system for additive manufacturing
JP6475232B2 (ja) 繊維強化付加製造方法
US20170015060A1 (en) Additive manufacturing continuous filament carbon fiber epoxy composites
US11117362B2 (en) 3D printed continuous fiber reinforced part
WO2018203768A1 (ru) Способ аддитивного производства изделий из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами
US20220143913A1 (en) Methods to produce low-defect composite filaments for additive manufacturing processes
EP3290192A1 (en) Method of locally influencing resin permeability of a dry preform
RU2722944C1 (ru) Способ трехмерной печати термопластичным композиционным материалом
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
RU2844474C1 (ru) Печатающая головка для аддитивного производства изделий (варианты)
RU2792100C1 (ru) Способ получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3d-печати методом послойного наплавления
RU2773665C2 (ru) 3d-печать армирующими волокнами
Muchhala et al. Additive Manufacturing of Continuous Fibers Reinforced Polymeric Composites—A Review

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20220425