RU2847857C1 - Способ изготовления изделий из термопластичных композитных материалов методом двухматричной трёхмерной печати и устройство для его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области аддитивных технологий для производства деталей и конструкций из композитных материалов. Предложены способ изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, включающий этапы, на которых: одновременно подают в экструдер печатающей головки композитную нить, представляющую собой жгут непрерывных волокон, пропитанный термопластичным полимером, и пластиковую нить; нагревают экструдер до температуры, при которой пластиковая нить превращается в расплав, который покрывает композитную нить внутри экструдера; выполняют коэкструзию покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити через сопло экструдера и ее выкладку на рабочую поверхность устройства для трехмерной печати или на предыдущий слой изготавливаемого изделия; перемещают печатающую головку по заданной траектории синхронизированно с коэкструзией покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити; обрезают композитную нить и останавливают подачу пластиковой нити при завершении печати; печатающая головка для изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати и устройство для реализации способа изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, содержащее предложенную печатающую головку. Технический результат – повышение качества функциональных композитных изделий сложной формы и сложной внутренней структуры, армированных непрерывными волокнами, изготавливаемых методом композитной двухматричной трехмерной печати, а также повышение надежности процесса трехмерной печати и повышение производительности печатающего устройства. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для производства деталей и конструкций из композитных материалов.

Композитные детали и конструкции из них используются в различных отраслях промышленности и производства для улучшения характеристик и свойств конечных изделий. Такие детали и конструкции могут применяться в авиационной, ракетно-космической, медицинской, судостроительной, автомобильной сферах промышленности и народного хозяйства, в спорте, энергетике и других отраслях. В частности, изобретение может быть использовано для изготовления кронштейнов, корпусов самолетов и космических аппаратов, лопастей винтов, деталей двигателей и турбин, фитингов, элементов кузовов, бамперов, капотов, дверей, крыш и т.д., элементов мостов, эстакад, зданий и сооружений, носимых изделий, ортезов, протезов, элементов или частей конечностей и т.д., решетчатых, сетчатых и сотовых конструкций, спортивного инвентаря и т.д.

Из уровня техники известны различные способы трехмерной печати и устройства с использованием композитного волокна.

Из уровня техники известны способы трехмерной печати, описанные в следующих патентных документах: US20140291886 «Three dimensional printing», опубл. 02.10.2014, US9149988B2 «Three dimensional printing», опубл. 06.11.2014, US9370896B2 «Methods for fiber reinforced additive manufacturings, опубл. 11.12.2014, US9156205B2 «Three dimensional printer with composite filament fabrications, опубл. 23.04.2015, US9694544B2 «Methods for fiber reinforced additive manufacturings, опубл. 18.06.2015, RU 2674138 «Способ производства изделий из композитных материалов методом 3D-печати и устройство для его реализации», опубл. 04.12.2018.

В приведенных источниках описан способ трехмерной печати с использованием композитного волокна, состоящего из наполнителя и пластикового покрытия, так называемой матрицы. В качестве наполнителя в композитное волокно входят непрерывные или полунепрерывные армирующие волокна, оптоволокно, электропроводящие нити и т.д. В ряде описанных технических решений матрица представляет собой термопластичный полимерный материал, а в ряде - термореактивный полимер. При печати волокно подвергается нагреву до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного матричного материала, либо температуру стеклования термореактивного матричного материала.

Кроме того, известен материал, используемый в аддитивных технологиях, в котором пучки волокон пропитаны термореактивным связующим, обладающим низкой вязкостью, и связаны между собой термопластом. Он известен из патентных документов RU 2107622 «Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты)», опубл. 27.03.1998; US6077580A «Composite shell shaped as a body of revolution and a method of forming the same», опубл. 20.06.2000. В источниках описаны способы формирования материала, которые применимы только для изготовления тел вращения, таких как трубопроводы и баллоны давления, методом намотки.

Известен также материал RU 2640553 «Композитная армирующая нить, препрег, лента для 3D печати и установки для их изготовления», опубл. 09.01.2018. В этом документе описана двухматричная композитная нить, представляющая собой жгут волокон, пропитанный термореактивным полимерным составом и покрытый термопластичным полимером, которая используется для трехмерной печати методом послойного наплавления.

Недостатком описанных решений является то, что вследствие недостаточной технологичности термореактивной композитной нити из-за низкой способности повторного формования под действием температуры сильно повышается пористость материала из-за высоких деформаций, возникающих в композитной нити, в процессе печати. Это приводит к снижению механических свойств материала и увеличивает их разброс.

Также из-за недостаточной податливости при температуре печати материал с термореактивным связующим не обеспечивает гибкую траекторию укладки материала и не позволяет добиваться высокого разрешения печати, что значительно снижает качество внутренней структуры и поверхности изделия, а также снижает скорость печати.

Наиболее близким аналогом является печатающая головка, известная из патента RU 2662015 «Печатающая головка для аддитивного производства изделий», опубл. 23.07.2018, содержащая механизм подачи пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для пластиковой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок. При этом нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, два входных канала - канал для армирующего волокна и канал для пластиковой нити, и сопло с выходным каналом для армированного пластика. Причем канал для пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна, внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика и имеет диаметр, превышающий диаметр армирующего волокна не более чем в 1,5-2 раза. Описанная в приведенном документе печатающая головка имеет ряд недостатков. Например, канал подачи композитной нити в горячей зоне избыточно длинный, что приводит к потере устойчивости композитной нити внутри горячего блока при температурном воздействии, а также канал подачи пластиковой нити имеет L-образную форму, в переломе, которого возникают застойные зоны пластика, в которых пластик деградирует. Кроме того, канал такой формы не обеспечивает эффективной обратной подачи пластика (ретракт), и он продолжает оставаться в канале при ретракте. Горячий экструдер печатающей головки имеет камеру с расплавом пластика около канала подачи армирующей нити, продолжающуюся до выхода из сопла. Это существенно увеличивает инертность печатающей головки. В процессе печати часть пластика может вытекать из камеры расплава через сопло, поэтому при последующей подаче пластика он, сначала заполняет опустевшее пространство камеры и только потом выходит из сопла. Входной диаметр сопла в горячей камере существенно больше выходного диаметра сопла, что способствует возможному отклонению хода композитной нити в горячей зоне и последующей закупорке экструдера с аварийным остановом печати. Длина пассивно выкладываемой нити после обрезки требует значительного уменьшения скорости печати на участке выкладки, а также снижает качество печати. Удаленная подача композитной нити приводит к заметному снижению качества печати из-за инертности такой подачи и не обеспечивает достаточного контроля выкладки нити, что влечет отклонение фактической траектории выкладки от плановой.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка метода композитной двухматричной трехмерной печати (послойного наплавления армированного пластика) посредством коэкструзии армирующей термопластичной композитной нити, которая представляет собой жгут углеродных, стеклянных, базальтовых, арамидных, натуральных или других волокон, предварительно пропитанный термопластичным связующим (матрицей), для изготовления деталей с высокими удельными механическими характеристиками материала по отношению к плотности, превышающими характеристики алюминиевых сплавов (АМг6, Д16 и др.), обычно применяемых в авиастроении, ракетно-космической технике, медицине, строительстве и т.д., а также разработка печатающей головки и печатающего устройства, реализующих способ изготовления изделий методом термопластичной композитной двухматричной трехмерной печати.

Технический результат изобретения заключается повышение качества функциональных композитных изделий сложной формы и сложной внутренней структуры, армированных непрерывными волокнами, изготавливаемых методом композитной двухматричной трехмерной печати, а именно в улучшении их внешнего вида, повышении удельных механических характеристик, в снижении пористости и повышении межслоевой адгезии, снижении разброса указанных характеристик. Вместе с этим, техническим результатом изобретения является значительное повышение надежности процесса трехмерной печати и повышение производительности печатающего устройства.

Технический результат достигается способом изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, включающим этапы, на которых одновременно подают в экструдер печатающей головки композитную нить, представляющую собой жгут непрерывных волокон, пропитанный термопластичным полимером, и пластиковую нить; нагревают экструдер до температуры, при которой пластиковая нить превращается в расплав, который покрывает композитную нить внутри экструдера; выполняют коэкструзию покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити через сопло экструдера и ее выкладку на рабочую поверхность устройства для трехмерной печати или на предыдущий слой изготавливаемого изделия; перемещают печатающую головку по заданной траектории, синхронизировано с коэкструзией покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити; обрезают композитную нить и останавливают подачу пластиковой нити при завершении печати.

Технический результат достигается использованием печатающей головки для изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, содержащей экструдер с соплом и нагревателем; механизм подачи композитной нити и механизм обрезки композитной нити; блок охлаждения пластиковой нити и вентилятор его обдува; канал подачи композитной нити и канал подачи пластиковой нити, соединяющиеся в экструдере. Экструдер выполнен с возможностью обеспечения коэкструзии и выкладки композитной нити, покрытой слоем термопластичного полимера, при одновременной подаче в него композитной нити, представляющую собой жгут непрерывных волокон, пропитанный термопластичным полимером, и пластиковой нити, образующей при нагреве расплавленный пластик. Канал подачи композитной нити выполнен минимальной длины, обеспечивающей нагрев композитной нити до температуры переработки на выходе из сопла. Канал подачи пластиковой нити выполнен с прямолинейной осью и соединен с каналом подачи композитной нити внутри экструдера под наклоном. Механизм обрезки композитной нити размещен непосредственно над входом в канал подачи композитной нити и отделен от экструдера воздушным зазором, причем точка обрезки в механизме обрезки размещена на минимальном расстоянии от экструдера, обеспечивающем минимальную длину пассивной укладки композитной нити после обрезки, при этом механизм подачи композитной нити размещен над механизмом ее обрезки.

Технический результат достигается устройством для реализации способа изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, состоящим из системы позиционирования и перемещения; рабочей поверхности; по меньшей мере, одной печатающей головки; механизмов подачи пластиковой нити в количестве, необходимом для подачи материала в печатающие головки; системы управления. По меньшей мере, одна печатающая головка устройства выполнена в виде вышеописанной.

Устройство может содержать систему контроля контактного усилия между печатающей головкой и рабочей поверхностью.

Устройство может содержать систему контроля натяжения и подсчета длин композитной и пластиковой нитей.

Устройство может содержать систему обнаружения аварийной закупорки печатающей головки.

Устройство может содержать автоматическую систему смены печатающей головки.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами, на которых изображено: на Фиг. 1-3 - печатающая головка.

Цифрами обозначены следующие позиции:

1 - механизм подачи композитной нити;

2 - механизм обрезки композитной нити;

3 - блок охлаждения пластиковой нити;

4 - вентилятор обдува блока охлаждения пластиковой нити

5 - экструдер;

6 - сопло;

7 - вентилятор обдува формируемой детали;

8 - вертикальный канал подачи композитной нити.

Принцип предложенного способа производства изделий из композитных материалов основан на применении 3D-печати композитным материалом с непрерывными армирующими волокнами с помощью устройства, включающего в себя, по меньшей мере, одну печатающую головку, в которую одновременно по двум каналам подаются термопластичная композитная нить (жгут непрерывных волокон, пропитанный термопластичным полимерным материалом) и пластиковая (термопластичная) нить, а далее через единое сопло одновременно (коэкструзия) выкладываются на рабочую поверхность или на предыдущий слой детали в виде двухматричного композитного материала. Для обеспечения высокого уровня эстетических характеристик изделия рекомендуется использование двух типов печатающих головок - пластиковой печатающей головки (реализующей технологию FFF - Fused Filament Fabrication), и заявляемой печатающей головки, которая далее названа композитной печатающей головкой, однако для обеспечения повышенного качества механических характеристик функциональных композитных изделий, не требующих обеспечения качества поверхности, достаточно использования только композитных печатающих головок.

Под матрицей в композите в рамках настоящей заявки понимается связующий материал или связующее, а сам композит является двухматричный, так как в композитной нити присутствует своя матрица (первая), которая связывает между собой армирующие волокна. После печати композитные нити связываются в детали второй матрицей - расплавом пластиковой нити.

Композитная нить представляет собой жгут из волокон, пропитанный термопластичным полимером. Жгут состоит из непрерывных армирующих волокон, таких как углеродные, стеклянные, арамидные, базальтовые, борные, металлические, натуральные и др. Допустимо использование гибридной нити, включающей несколько видов волокон. Жгут может содержать в себе различное число волокон, например, 3, 50, 80, 1000, 1500, 3000, 3500, 6500 и так далее.

Матричными материалами для композитной нити являются любые термопластичные полимеры, например, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат (органическое стекло); поливинилацетат, поливиниловый спирт, полиамиды (ПА), поликарбонат, полиэтилентерефталат (лавсан), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полилактид (ПЛА), полиэфиримид (ПЭИ), полиимид, полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиацеталь, полисульфон, полиэфирэфиркетон, (ПЭЭК), полиэтилентерефталатгликоль и др.

Полимерными материалами для пластиковой нити, используемыми для двухматричной композитной печати, являются также любые термопластичные полимеры (термопласты), применяемые в технологии FFF-печати, например, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат (органическое стекло); поливинилацетат, поливиниловый спирт, полиамиды (ПА), поликарбонат, полиэтилентерефталат (лавсан), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), полилактид (ПЛА), полиэфиримид (ПЭИ), полиимид, полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиацеталь, полисульфон, полиэфирэфиркетон, (ПЭЭК), полиэтилентерефталатгликоль и др. Они могут быть представлены в виде пластиковой нити, гранул или порошка. Нить может, использована, например, ПА12 фирмы РЭК диаметром 1,75 мм и др.

Термопласты обладают рядом преимуществ. Благодаря тому, что термопластичные полимеры могут повторно подвергаться формованию при действии температуры, это позволяет существенно снизить пористость материала воздействием контактного давления сопла. В результате повышаются механические свойства материала, и снижается их разброс. Также при температуре печати нить с термопластичным связующим становится податливее, чем нить с термореактивным связующим. Это обеспечивает более гибкую траекторию укладки материала и более высокое по оси Z разрешение печати, что повышает качество внутренней структуры и поверхности изделия. Следствием является возможность повышения производительности печати за счет использования термопластичных композитных нитей большего поперечного сечения в сравнении термореактивными композитными нитями. Так, например, термопластичная композитная нить на основе углеродного жгута 3к (3000 моноволокон), имея площадь поперечного сечения в два раза большую, чем термореактивная композитная нить на основе углеродного жгута 1,5к (1500 моноволокон), обеспечивает такое же разрешение печати по оси Z, как указанная термореактивная композитная нить, при той же скорости печати (движения печатающей головки). Таким образом, за один и тот же промежуток времени материала с термопластичной композитной нитью 3к укладывается приблизительно в два раза больше, чем материала с термореактивной композитной нитью 1,5к. В качестве композитной нити может быть использована, например, НУП 3к-ПА12, которая представляет собой углеродный жгут Юматекс UMT42S, состоящий из 3000 моноволокон и пропитанный конструкционным низкотемпературным термопластом - полиамидом ПА12. Такая нить может быть применима в диапазоне температур печати от 250°С до 270°С. ПА12 обладает минимальной гигроскопичностью из всех полиамидов, низкой плотностью и высокими химической стойкостью и трещи но стой костью.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства трехмерной печати, содержащего одну или несколько печатающих головок с экструдерами, в которые подается указанная выше композитная нить (совместно с пластиковой).

Печатающая головка является ключевым элементом в процессе создания изделий из композитных материалов методом двухматричной трехмерной печати. Она обеспечивает точность и надежность процесса печати, позволяя создавать сложные и функциональные изделия с высокой степенью детализации.

В композитную печатающую головку единовременно подаются два типа материалов - термопластичная композитная нить с непрерывными армирующими волокнами и пластиковая (термопластичная) нить. При этом входы для обоих материалов в печатающей головке раздельны. Печатающая головка (Фиг. 1-3) представляет собой сложную сборочную единицу, оснащенную механизмом подачи (далее - податчик) композитной нити (1), механизмом обрезки композитной нити (2) (далее - обрезчик), блоком охлаждения пластиковой нити (3), вентилятором обдува блока охлаждения пластиковой нити (4), экструдером (5) с соплом (6) и вентилятором обдува формируемой детали (7). Экструдер (5) оснащен нагревателем, который может быть различного типа, например, индукционный, ультразвуковой, патронный, хомутовый, плоский и другого типа. Контроль температуры осуществляется при помощи температурного датчика, например, термопары или терморезистора.

В процессе трехмерной печати экструдер (5) под воздействием нагревателя разогревается до температуры переработки термопласта пластиковой нити или несколько выше, но не превышающей температуру деструкции термопласта и матричного материала термопластичной композитной нити. Под температурой переработки понимается температура, при которой термопластичная нить (некомпозитная или композитная) становится способной к формованию, как правило, выше температуры плавления полимера. Экструдер (5) имеет два канала - вертикальный канал подачи композитной нити (8), соединяющий вход для материала с выходом из сопла (6), и наклонный канал подачи пластика (9), соединяющий вход для материала с каналом подачи композитной нити (8) внутри экструдера. Принципиальным отличием является то, что ось канала подачи пластика (9) имеет прямолинейную форму вплоть до соединения с каналом подачи композитной нити (8), а экструдер не имеет никаких камер плавления пластика. Такая конструктивная особенность экструдера минимизирует его инертность при печати, т.е. выход пластика из сопла (6) происходит с минимальной временной задержкой после подачи пластиковой нити на вход экструдера. Кроме того, прямолинейность оси канала подачи пластика (9) обеспечивает качественный обратный отвод материала (ретракт), требуемый непосредственно перед свободным перемещением печатающей головки (без осуществления печати) или при останове процесса печати композитом с целью предотвращения нештатного вытекания расплавленного пластика из сопла под действием сил тяжести. Желательным является минимально возможный угол уклонения оси канала подачи пластика (9) от вертикали (с учетом конструктивных особенностей печатающей головки). Это способствует нормальному току пластика к соплу (6) по ходу движения подаваемой композитной нити и предотвращению обратного тока пластика по каналу подачи композитной нити (8). Канал подачи композитной нити (8) имеет минимально возможную длину, обеспечивающую нагрев нити до температуры переработки на выходе из сопла (6) при скорости печати 600 мм/мин. Приблизительные расчеты дают диапазон длины канала подачи композитной нити (8) 8-15 мм. Минимизация канала подачи композитной нити (8) обеспечивает надежность процесса печати, предотвращая застревание преждевременно нагретой до температуры переработки и размягченной композитной нити, а также уменьшает длину пассивной укладки композитной нити (без активной подачи) после обрезки, что повышает качество формируемой детали. Диаметр канала подачи пластиковой нити (9) постоянен по высоте экструдера (за исключением входа для материала и выхода из сопла (6)). Это предотвращает возможное отклонение хода композитной нити в горячей зоне и последующее застревание ее в экструдере с аварийным остановом печати.

Обрезчик (2) предназначен для обрезки композитной нити при завершении выкладки ее непрерывного фрагмента в процессе печати композитом и представляет собой составную конструкцию из вращающегося ножа с цилиндрической поверхностью в неподвижном цилиндре. Композитная нить проходит через неподвижный цилиндр диаметрально сверху (от податчика (1)) вниз (к экструдеру), для этого цилиндр имеет входное (сверху) и выходное (снизу) отверстия. Обрезка осуществляется за счет поворота ножа посредством сервопривода, при этом внешняя цилиндрическая поверхность ножа скользит по поверхности неподвижного цилиндра, и нож обрезает нить у выходного отверстия. Обрезчик (2) располагается между податчиком (1) композитной нити и нагревателем экструдера, а точка обрезки размещается в печатающей головке максимально близко к экструдеру для обеспечения минимальной длины пассивной укладки композитной нити после обрезки с целью повышения качества структуры формируемой детали. Между выходом из обрезчика (2) и входом в экструдер имеется воздушный зазор, обеспечивающий отвод расплавленного пластика при его нештатном обратном токе по каналу подачи композитной нити (8) в нагретом экструдере, а также для технического обслуживания экструдера. Высота воздушного зазора приблизительно равна 1 мм, что позволяет осуществлять нормальное техническое обслуживание с помощью ручных инструментов. Тип активной подачи композитной нити - прямой, т.е. податчик (1) является частью композитной печатающей головки и установлен непосредственно перед входом в обрезчик (2). Такое размещение податчика (1) предотвращает инертность системы подачи композитной нити, обеспечивает надежный контроль выкладки нити и, как следствие, качество печати.

Одновременная подача в описываемую композитную печатающую головку композитной и пластиковой нитей осуществляется активно, т.е. подающими устройствами (податчиками), имеющими вращающиеся подающие механизмы, толкающие нити, приводимые в движение шаговыми двигателями. Подача армирующей композитной нити осуществляется от системы хранения, например, катушки, при этом податчик (1) установлен непосредственно на печатающей головке и позволяет контролировать натяжение армирующей нити. Размещение податчика (1) композитной нити непосредственно на печатающей головке реализует прямую подачу нити, что способствует снижению инертности системы подачи армирующего материала и, как следствие, повышению качества внутренней структуры детали, т.е. минимизации отклонения фактической траектории композита от программной.

Ролики податчика (1) (подающий механизм) композитной нити прижимаются друг к другу посредством упругого элемента (пружины) с регулировкой прижимного усилия и изготовлены из резиноподобного материала, либо имеют резиноподобное покрытие с высоким коэффициентом трения для возможности фрикционного зацепления с термопластичной композитной нитью с целью ее щадящего захвата и подачи в печатающую головку без каких-либо повреждений. Роликовый податчик (1) может быть исполнен в одном из двух вариантов: один ролик активный, приводится в движение, например, шаговым двигателем, а второй - пассивный, приводится в движение за счет прижатого к нему вращающегося активного ролика; оба ролика являются активными и приводятся в движение, например, шаговым двигателем напрямую, либо посредством зубчатой передачи.

В процессе печати податчик (1) косвенно управляет натяжением композитной нити, т.е. на разных участках траектории печати податчик (1) может подавать разное количество композитной нити. Чем больше нити подается, тем она менее натянута. Это определяется параметрами, заданными в технологическом программном обеспечении.

Подача пластиковой нити осуществляется от системы хранения материалов (пластиковых и композитных нитей) при помощи податчика, который размещен удаленно от печатающей головки, например, на корпусе устройства трехмерной печати. Податчик пластиковой нити представляет собой устройство из двух зубчатых колес (шестерен, подающий механизм), которые приводятся в движение приводом на основе шагового двигателя. Между колесами проходит пластиковая нить и дальше по направляющей трубке этими колесами подается в горячий экструдер (5) печатающей головки. Направляющая трубка представляет собой, например, трубку из PPFE с внутренним диаметром 2, 3, 4 и т.д. мм.

Для каждой печатающей головки предназначается свой податчик пластиковой нити. Удаленное размещение податчика пластиковой нити уменьшает массу и габариты печатающей головки.

После податчика (1) композитная нить проходит через обрезчик (2), воздушный зазор после обрезчика (2) и попадает в канал подачи композитной нити (8) экструдера (5). Экструдер нагревается до температуры переработки материала (композитной и пластиковой нитей) посредством нагревателя. Композитная нить проходит свободно по каналу подачи композитной нити (8) до пересечения с каналом подачи пластика (9). Пластиковая нить идет от податчика до блока охлаждения пластиковой нити (3), который состоит из втулки-термобарьера (термобарьер) с установленным на нее пластинчатым радиатором. Термобарьер представляет собой трубку, выполненную из нержавеющей стали либо титанового сплава, и может иметь наружную резьбу для установки пластинчатого радиатора, а также установки термобарьера в печатающей головке. Термобарьер может иметь фторопластовый, керамический или другой термоизолирующий трубчатый сердечник, непосредственно внутри которого подается пластиковая нить. Термобарьер и его сердечник снижают температурное воздействие от горячего экструдера на пластиковую нить. Термобарьер своим нижним концом устанавливается на входе в экструдер посредством резьбового соединения. Пластиковая нить охлаждается в блоке охлаждения (3) посредством обдува пластинчатого радиатора вентилятором обдува (4). Такое охлаждение обеспечивает высокий градиент температуры в зоне, расположенной между радиатором и входом в экструдер, нагретый до температуры переработки материала. Это требуется для предотвращения возникновения чрезмерного температурного расширения, размягчения пластика и последующего застревания пластиковой нити в канале подачи пластиковой нити (9) до входа в горячий экструдер. После попадания пластиковой нити в горячий экструдер нить стремительно нагревается и плавится. Расплавленный пластик движется далее по горячему каналу под давлением подаваемой пластиковой нити до канала подачи композитной нити (8). В зоне пересечения каналов подачи пластика (9) и композитной нити (8) расплавленный полимер покрывает подаваемую композитную нить, и далее от этой зоны композитная нить идет к выходу из экструдера (к соплу (6)), покрытая слоем термопластичного полимера пластиковой нити.

Описанная выше печатающая головка является инструментом устройства композитной трехмерной печати, представляющее собой технологическое оборудование, реализующее метод трехмерной печати изделий из полимерных композитных материалов с непрерывными волокнами, а именно настольный или напольный 3D-принтер, многокоординатную портальную систему, либо промышленный робот-манипулятор, и включает в себя систему позиционирования и перемещения, а также одну или несколько описанных печатающих головок. Конструкция системы позиционирования и перемещения известна из уровня техники и не является предметом заявляемого решения, она обеспечивает перемещение печатающей головки относительно стола устройства, на котором осуществляется печать детали. На устройстве трехмерной печати помимо описываемой печатающей головки могут присутствовать и другие головки, предназначенные для различных материалов, в том числе композитных, соответственно система позиционирования и перемещения в таком случае использована с возможностью эксплуатации нескольких печатающих головок.

Одновременно с работой податчиков композитной и пластиковой нитей, активная печатающая головка перемещается относительно рабочего стола в соответствии с формой изделия. Под действием нагрева матричный материал композитной нити плавится в экструдере печатающей головки, что позволяет ему укладываться на стол устройства в соответствии с траекторией движения печатающей головки. После выхода из экструдера расплав термопласта с непрерывными волокнами застывает и становится жестким и твердым, образуя слой двухматричного композитного материала, обладающий высокими механическими характеристиками. Таким образом, после охлаждения материала пластик, покрывающий композитные нити, обеспечивает их связь друг с другом в детали для совместной работы, межслоевую адгезию, а также способствует прикреплению формируемой детали к поверхности стола. Для более надежного прикрепления стол может подогреваться.

Устройство трехмерной печати содержит систему управления (встроенный или удаленный компьютер), обеспечивающую синхронное, согласно управляющей программе, движение механизма перемещения печатающей головки относительно рабочего стола, податчиков композитной и пластиковой нитей, поддержание заданной температуры экструдера печатающей головки и стола, включение в заданные моменты обрезчика (2) композитной нити.

Система позиционирования и перемещения может быть представлена, например, 3D-принтером Voron 2.4 V2.4 R2 Рго+ или также системой позиционирования и перемещения экструдера, описанной в патенте RU 2674138 «Способ производства изделий из композитных материалов методом 3D-печати и устройство для его реализации», опубл. 04.12.2018, но предпочтительнее для системы позиционирования и перемещения использовать многокоординатную систему на базе промышленных станков или промышленных роботов с дополнительными осями перемещения самой системы позиционирования и рабочей печатной поверхности, например Kuka KR4 R540 или Fanuc М-710iС70 с дополнительными поворотными многокоординатными позиционером KP1-V и им подобным.

Устройство трехмерной печати для изготовления деталей из композитных материалов предлагаемым способом включает в себя систему контроля натяжения композитной нити и подсчета длин композитной и пластиковой нитей. Модули системы устанавливаются в любом месте на пути подачи композитной нити, где есть достаточно пространства для установки. Система представляет собой совокупность кронштейнов, упругого элемента, например пружины, и ролика, через который перекинута композитная нить. Степень натяжения регулируется автоматически на основе расчетов и испытаний, в том числе для определенных сегментов траектории укладки армирующей нити. В качестве основных датчиков системы контроля натяжения композитной нити и контроля длин композитной и пластиковой нитей могут выступать, например, одноточечный балочный тензодатчик Tedea 1002 и миниатюрный инкрементальный угловой энкодер ЛИР-116В.

Дополнительно устройство трехмерной печати для изготовления деталей из композитный материалов предлагаемым способом включает в себя систему обнаружения аварийной закупорки печатающей головки (застревание композитной нити в канале экструдера), которая имеет оптический датчик для проверки наличия композитной нити в воздушном зазоре между выходом из обрезчика (2) и входом в экструдер. Если застревание обнаружено, печать останавливается для очистки экструдера. Основным элементом устройства обнаружения может являться, например, оптический датчик GP1А51HR из серии GP1A50-GP1А53.

Устройство трехмерной печати для изготовления деталей из композитный материалов предлагаемым способом включает в себя систему контроля контактного усилия между печатающей головкой и рабочей поверхностью или элементами изготавливаемой детали в процессе печати. Система представляет собой включенные в мостовую схему устройства трехмерной печати тензодатчики в необходимом количестве. Количество зависит от размеров рабочей поверхности и ее точек опоры, а также от количества датчиков в мостовом плече. Система используется не только для контроля контактного усилия в процессе печати, но и для определение нулевой плоскости печати с корректировкой погрешностей изготовления рабочей поверхности. Для этого в настраиваемом автоматическом режиме перед процессом печати, нагретым до рабочей температуры экструдером печатающей головки прощупывают нагретую до рабочей температуры поверхность рабочего стола, на которой будет изготавливаться деталь. Система позволяет учитывать кривизну рабочей поверхности при печати первого слоя и обеспечивает ее автоматическую корректировки по высоте детали. В качестве основы системы могут быть использованы опорные балки и кронштейны крепления рабочей поверхности собственного производства, вид и размеры которых зависит от габаритов и точек крепления рабочей поверхности и накладных, влагозащищенных тензорезисторов, например серии WFLA/WFCA/WFRA WFLA-3-17. Также в качестве системы контроля контактного усилия между печатающей головкой и рабочей поверхностью или элементами изготавливаемой детали в процессе печати может быть использован другой известный из уровня техники способ.

Устройство трехмерной печати для изготовления деталей из композитный материалов предлагаемым способом, в варианте использования двух и более печатающих головок, включает в себя систему автоматической смены печатающих головок без остановки процесса изготовления, что позволяет повысить производительность. В качестве системы автоматической смены печатающих головок используется известная из уровня техники, например, производства компании Prusa Research с одноименной линейкой принтеров. В один момент времени над изготавливаемой деталью находится одна из следующих возможных печатающих головок: печатающая головка для печати двухматричным композитным материалом, печатающая головка для печати термопластичным материалом, печатающая головка для печати поддерживающих структур растворимыми материалами, печатающая головка для печати композитным материалом (одноматричным, методом экструзии), измерительная головка и т.д. Система автоматической смены печатающих головок контролирует наличие печатающих головок на парковочных позициях, в рабочей позиции, ошибки позиционирования и т.д. Вместе с этим осуществляет надежное удержание печатающих головок на парковочных позициях и в рабочей позиции. В любой момент времени известно, какая печатающая головка, на какой позиции находится. В нужный момент времени устройство смены печатающих головок устанавливает и закрепляет печатающую головку, которая находится в рабочей позиции, в парковочную позицию, предназначенную для этой печатающей головки, и извлекает из парковочной позиции необходимую печатающую головку для текущего этапа печати. Вместе с описанным выше наличие системы смены печатающих головок обеспечивает снижение массы и габаритов головок, что в свою очередь повышает качество и скорость печати пластиком.

Изготовление изделий в соответствии с созданным способом происходит при помощи заявляемого устройства с использованием, по меньшей мере, одной описанной печатающей головки.

В процессе 3D-печати на рабочую поверхность формируемой детали из сопла выкладывается композитная нить, покрытая полимером, и материал детали представляет собой пластик, армированный непрерывными волокнами. Такой материал является двухматричным термопластичным композитным материалом, одна матрица (первая) которого связывает волокна композитной нити, а другая (вторая) - связывает композитные нити в детали. Состав материалов первой и второй матриц может отличаться или быть одинаковым. Предпочтительным является использование матриц с отличающимися составами, но совместимыми, имеющими высокую адгезию друг к другу. При этом температурная стойкость первой матрицы должна быть несколько выше температурной стойкости второй матрицы для предотвращения преждевременного достижения температуры переработки композитной нити и ее застревания в экструдере. Состав второй матрицы должен быть адаптирован к технологии 3D-печати FFF (Fused Filament Fabrication - наплавление пластиковой нити) или аналогичной с целью предотвращения проблем и дефектов, являющихся типовыми при такой 3D-печати. К материалу первой матрицы такого требования не предъявляется. Использование термопластичных полимеров в двухматричной 3D-печати снижает пористость материала изделия, повышает его физико-механические характеристики и снижает разброс свойств. При этом использование второй матрицы позволяет контролировать объемную долю пластика при формировании детали, что является необходимым для структур композитных деталей со сложными траекториями армирования с переменным расстояниям между ними.

Таким образом, материал детали представляет собой двухматричный композит, получаемый коэкструзией пластиковой и термопластичной композитной нитей, в результате которой композитная нить покрывается расплавленным пластиком и выкладывается через сопло слой за слоем.

Для работы с заявляемым устройством 3D-печати необходимо подготовить управляющую программу (g-код) с помощью технологического программного обеспечения (САМ) для 3D-печати (слайсер), например, разработанный пакет Avrora, разработанный плагин NanoGCode к САПР nanoCAD (Нанософт), Aura (Anisoprint). Управляющая программа генерируется технологическим ПО на основе набора параметров, заданного пользователем. Далее g-код передается системе управления устройства 3D-печати посредством переносного запоминающего устройства, например, USB-флэш накопитель, карта памяти MicroSD и т.д., или по протоколу TCP/IP с помощью кабельного или беспроводного соединения BlueThooth или Wi-Fi. Система управления обрабатывает управляющую программу и в соответствии с указанными в ней параметрами начинает подготовку устройства 3D-печати к работе: разогреваются необходимые экструдеры печатающих головок (до температуры, превышающей температуру плавления полимера, эта температура поддерживается постоянной при помощи системы управления с обратной связью, осуществляемой при помощи температурного датчика), поверхность стола; проверяется наличие и соответствие заданию управляющей программы печатающих головок в парковочных позициях системы автоматической смены печатающих головок и наличие необходимого материала в податчиках; производится автоматическая калибровка начала отсчета координат X, Y и Z с помощью концевых выключателей системы позиционирования и перемещения; производится считывание и загрузка в оперативную память первых нескольких строк программы перемещения выбранной печатающей головки. При достижении заданных значений нагрева и успешной калибровки система управления начинает исполнение программы.

В зависимости от выбранной в управляющей программе печатающей головки устройство 3D-печати реализует соответствующие наборы алгоритмов работы устройства и управления подачей материалов. Движение печатающей головки осуществляется системой позиционирования и перемещения и определяется траекториями, заданными в управляющей программе.

Деталь посредством печатающих головок изготавливается послойно снизу вверх. Выложенный через сопло (6) материал прилипает к предыдущему слою или к столу. Специальная форма сопла (6) экструдера (5) позволяет «прикатывать» композитный материал для лучшей адгезии. При приближении к участкам с резким изменением направления движения печатающей головки, для предотвращения стягивания выложенной композитной нити с заданной траектории, происходит замедление движения. Дополнительно для предотвращения сползания пластиковой нити выход из сопла (6) может обдуваться при помощи подачи к нему холодного воздуха, например, при помощи вентилятора (7), размещенного на поверхности печатающей головки. При приближении к фрагменту детали, на котором управляющей программой предусмотрена обрезка композитной нити, происходит остановка печатающей головки, подачи композитной и пластиковых нитей, и подается команда приводу обрезчика (2). Привод обрезчика (2) поворачивается, подвижный нож смещается относительно неподвижного цилиндра и перерезает композитную нить. Волокно, оставшееся в печатающей головке, далее выкладывается пассивно, только за счет движения композитной печатающей головки.

По завершении процесса печати детали, печатающие головки возвращаются на свои парковочные места. Отключается нагрев и поддержание заданной температуры нагреваемых элементов устройства 3D-печати.

Технология композитной двухматричной трехмерной печати, как способ изготовления изделий из композитных материалов, представляет собой перспективное направление в области промышленного аддитивного производства.

Изготовленный заявляемым способом композит является термопластичным и обладает такими преимуществами перед композитами с термореактивными матрицами, как повышенная трещиностойкость, ударная прочность, прочность при сжатии вдоль волокон, прочность при растяжении поперек волокон, сдвиговая прочность в плоскости слоя композита, межслоевая прочность, способность сохранения высоких механических характеристик при отрицательных температурах. Матричный термопластичный материал композитной нити обеспечивает связь между волокнами жгута внутри нити и монолитность композита при высоких деформациях, возникающих в нити в процессе печати, благодаря возможности повторного формовая термопласта при воздействии температуры. Это повышает механические характеристики композита и снижает разброс физико-механических свойств. Вторая матрица - пластик, покрывающий композитную нить, обеспечивает связь композитных нитей в детали для их совместной работы и межслоевую адгезию двухматричного композита. При этом объемная доля второй матрицы в материале детали контролируется экструзией пластика, определяемой количеством подаваемой пластиковой нити.

Claims (12)

1. Способ изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, включающий этапы, на которых:

одновременно подают в экструдер печатающей головки композитную нить, представляющую собой жгут непрерывных волокон, пропитанный термопластичным полимером, и пластиковую нить;

нагревают экструдер до температуры, при которой пластиковая нить превращается в расплав, который покрывает композитную нить внутри экструдера;

выполняют коэкструзию покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити через сопло экструдера и ее выкладку на рабочую поверхность устройства для трехмерной печати или на предыдущий слой изготавливаемого изделия;

перемещают печатающую головку по заданной траектории синхронизированно с коэкструзией покрытой расплавом термопластичного полимера композитной нити;

обрезают композитную нить и останавливают подачу пластиковой нити при завершении печати.

2. Печатающая головка для изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, содержащая экструдер с соплом и нагревателем, механизм подачи композитной нити и механизм обрезки композитной нити, блок охлаждения пластиковой нити и вентилятор его обдува, канал подачи композитной нити и канал подачи пластиковой нити, соединяющиеся в экструдере, отличающаяся тем, что экструдер выполнен с возможностью обеспечения коэкструзии и выкладки композитной нити, покрытой слоем термопластичного полимера, при одновременной подаче в него композитной армирующей нити, пропитанной термопластичным полимером, и пластиковой нити, образующей при нагреве расплавленный пластик, при этом канал подачи композитной нити выполнен минимальной длины, обеспечивающей нагрев композитной нити до температуры переработки на выходе из сопла, канал подачи пластиковой нити выполнен с прямолинейной осью и соединен с каналом подачи композитной нити внутри экструдера под наклоном, а механизм обрезки композитной нити размещен непосредственно над входом в канал подачи композитной нити и отделен от экструдера воздушным зазором, причем точка обрезки в механизме обрезки размещена на минимальном расстоянии от экструдера, обеспечивающем минимальную длину пассивной укладки композитной нити после обрезки, при этом механизм подачи композитной нити размещен над механизмом ее обрезки.

3. Устройство для реализации способа изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом трехмерной печати, состоящее из системы позиционирования и перемещения, рабочей поверхности, по меньшей мере одной печатающей головки, механизмов подачи пластиковой нити в количестве, необходимом для подачи материала в печатающие головки, системы управления, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере одну печатающую головку, выполненную по п. 2.

4. Устройство для реализации способа изготовления изделий из двухматричного композитного материала с непрерывными волокнами методом по п. 3, отличающееся тем, что дополнительно содержит систему контроля контактного усилия между печатающей головкой и рабочей поверхностью.

5. Устройство по любому из пп. 3, 4, отличающееся тем, что содержит систему контроля натяжения и подсчета длин композитной и пластиковой нитей.

6. Устройство по любому из пп. 3-5, отличающееся тем, что содержит систему обнаружения аварийной закупорки печатающей головки.

7. Устройство по любому из пп. 3-6, отличающееся тем, что содержит автоматическую систему смены печатающей головки.