[发明专利]通过3D打印制造由复合材料制成的制品的方法

说明书

本发明涉及添加剂技术领域，可用于制造由复合材料制成的部件和结构。一种设备，包括具有入口通道的挤出机、加热器、摄像机、温度传感器、用于物料排出的喷嘴，用于送入物料和线状复合纤维的机构、切线机构、工作台以及三维位移机构。一种方法，包括制造复合纤维，将复合纤维和热塑性材料进料至挤出机中，并加热挤出机，其中将热塑性材料与复合纤维结合。然后将所述复合材料挤出至工作台的表面上，在此处复合纤维冷却并硬化，热塑性材料的熔体固化，将复合纤维彼此粘合在一起，形成制品。另外，在形成制品的过程中，将复合纤维切断，并将挤出机移至其轨迹的下一部分。

技术领域

本发明涉及添加剂技术领域，可用于制造由复合材料制成的部件和结构，例如用于航空、火箭以及航天技术、医药、汽车工业等的托架、配件、基本部件、可穿戴制品、网状和蜂窝状结构。

背景技术

使用复合纤维的3D打印方法和设备是本领域已知的。在美国马克弗巨德有限公司(Mark Forged)的申请中描述了最接近的现有技术：

[1]美国申请US20140291886–三维打印，IPC B29C47/00，于2014年10月2日公布；

[2]美国申请US20140328963–纤维增强增材制造设备，IPC B29C67/00，于2014年11月6日公布；

[3]美国申请US20140328964–三维打印，IPC B29C67/00，于2014年11月06日公布；

[4]美国申请US20140361460–纤维增强增材制造的方法，IPC B29C65/40，B29C67/00，于2014年12月11日公布；

[5]美国申请US20150108677–具有复合长丝制造的三维打印机，IPC B29C67/00，于2015年4月23日公布；

[6]美国申请US20150165691–纤维增强增材制造的方法，IPC B29C67/00，于2015年6月18日公布；

上述申请描述了一种使用复合纤维进行3D打印的方法，该复合纤维由纤芯(填料)和塑料涂层(基质(matrix))组成。复合纤维包括连续或半连续纤维作为填料，例如增强纤维、光纤、导电长丝等。基质是热塑性材料。在打印时，将纤维加热到高于基质材料熔化温度的温度。在包含特殊设计的挤出机的三维打印机中实现所描述的打印方法，上述复合纤维被送入至该打印机中。

复合纤维是通过特殊的装置制造的，将连续的纤维和基质材料送入其中，并一起挤出。为了改善注入过程(impregantion process)，可以对纤维进行预真空处理(以消除空气和水分)，并使其通过辊子，从而形成扁平的纤维束，以提供更好的处理或产生有助于将基质材料引入纤维束中的压力，该纤维可以经受表面活化物质、蒸汽、臭氧等的作用，以改善纤维与基质的连接。

所述解决方案的缺点是难以对热塑性塑料的纤维束提供有质量的注入，这是由于其熔体的极高粘度。所得材料可能具有高孔隙率，并且纤维将无法一起运作。为了实现高质量的注入，有必要将材料暴露在高压下(高于50个大气压)；但是在这种情况下，纤维可能会损坏，材料的内部结构可能会不均匀。额外，所提出的方法包括向挤出机送入预注入的复合纤维，该预注入纤维提供预定比例的纤维和基质的体积分数，这不允许在打印过程中纤维的体积分数有变化。

为了避免与用热塑性塑料注入纤维束有关的困难，可以使用两基质材料，其中纤维束用低粘度热固性粘合剂注入并且通过热塑性塑料相互连接。在以下专利中描述了这种材料：

[7]RU 2107622-制造由复合材料(选择项(options))制成的高强度管壳的方法，于1998年3月27日公布。

[8]US 006077580-成形为旋转体的复合壳及其形成方法，于2000年6月20日公布。