[发明专利]使用磁场的不连续纤维复合材料的增材制造

说明书

本发明提供了用于生产复合部件的方法和设备，以使得能够在精确控制基体材料内的增强颗粒或其它颗粒的取向和空间分布的情况下来组装复合部件。该方法和设备在各种增材制造工艺期间施加磁场，以在部件的每个层内实现复杂的颗粒取向。所述复合部件可以实现增强的性能，包括机械性能、热性能、电性能和光学性能。

相关申请的交叉引用

本申请依据35§119(e)要求于2014年6月6日提交的题为“用磁场在增材制造工艺中生产不连续纤维结构的方法”的美国临时申请号62/008,914的优先权，该申请的公开内容通过引用并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

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背景技术

增材制造(有时称为3D打印)用于由各种材料例如聚合物、金属和陶瓷制造复杂的三维结构，其分辨率低至几十微米的水平。已经通过这些技术生产从齿轮到喷射发动机的功能燃油喷嘴的承重机械结构。

聚合物的打印主要通过用于热塑性塑料的基于挤出的直写方法和用于热塑性塑料和热固性塑料的基于立体光刻(SLA)的光聚合方法来实现。打印的聚合物重量轻但相对较弱。因此，3D打印现在正朝着制造纤维增强聚合物复合材料的方向发展。已开发工业自动化纤维铺放(AFP)打印机，可打印连续股碳纤维、Kevlar和玻璃纤维增强的聚合物。这些自动铺放打印机仅限于长度尺度大于毫米且几何尺寸大于厘米的并且取向控制限于X-Y平面的增强纤维。

发明内容

本发明提供了一种增材制造技术，其采用实时胶体组件以制造高度可编程的不连续增强结构，其中纤维的取向可以精确地控制。

本发明的一个方面是一种制造复合材料部件的方法，其包括：

(a)在与平台板相邻的第一层中引入前体材料，所述前体材料包括基体材料和磁响应颗粒，所述磁响应颗粒至少部分包含磁性材料；

(b)用第一磁场使所述磁性响应颗粒取向成第一排列(alignment)；

(c)用保持在第一排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固第一层中的第一部分基体材料；

(d)用另一磁场将另一部分磁响应颗粒取向到不同于所述第一排列的另一排列中；以及

(e)用保持在所述另一排列中的另一部分内的磁响应颗粒加固第一层中的另一部分基体材料。

在所述方法的另一方面，重复步骤(d)和(e)直至在第一层中确定部分的基体材料已经被加固。

在所述方法的另一方面，在步骤(c)和(e)中，基体材料为部分固化的、完全固化的、硬化的、聚合的或交联的。

在所述方法的另一方面，当第一层中基体材料的想要部分已经被加固，将第一层从平台板移除并且在邻近平台板的第二层，邻近第一层引入另外的前体材料。

在另一方面，所述方法还包括：

(g)在与第一层相邻的第二层中引入另外的前体材料，

(h)用磁场将第二层中的颗粒以第三排列取向；

(i)用保持在第三排列中的第一部分内的磁响应颗粒加固第二层中的第一部分基体材料；

(j)用磁场将另一部分磁响应颗粒以不同于第三排列的第四排列取向；

(k)用保持在第四排列中的第二部分磁响应颗粒加固第二层中的第二部分基体材料以加固基体材料；

(l)重复步骤(j)和(k)，直至在第二层中想要部分的基体材料已经被加固。

在所述方法的又一方面，所述第一磁场和其它磁场通过平行于所述第一层的平面的一个或多个磁场源，和在第一层的平面外的一个或多个磁场源施加。