CN105313332B - 由两部分组成的热固性树脂增材制造系统 - Google Patents

Abstract

一种用于按逐层方式形成构件的增材制造系统包括用于泵送第一材料的第一泵和用于泵送第二材料的第二泵。该增材制造系统还包括用于接收并混合第一材料和第二材料以形成热固性树脂的混合器、流体地连接于混合器用于挤出热固性树脂的喷嘴和连接于喷嘴用于按预定的模式移动喷嘴以形成构件的层的运动控制系统。

Description

由两部分组成的热固性树脂增材制造系统

背景技术

本发明通常涉及增材制造领域。具体地，本发明涉及使用由两部分组成的热固性树脂的聚合物增材制造系统。

增材制造是指以如下事实为特征的一类制造方法，即成品部件是通过按层构造多个材料薄层建造的，这些薄层在形状上与部件的精确数字模型的等效平面截面相同。增材制造可涉及通过计算机控制的过程将材料施加于工作台并通过适当的处理来强化材料以建造一个层。重复该过程多达几千次以获得最终构件。

聚合物增材制造主要限于使用热塑性材料。虽然聚合物制造技术可生产出具有各种各样性质的部件，但还是有许多限制。具体地，使用这些技术所制造的部件大多限于120℃以下的温度，一些特殊的材料温度窗口有延伸。当用柔性材料进行打印时，温度限制甚至更加明显，柔性材料的结构性质在60-80℃的温度下趋于降解。不管打印温度如何，上限使用温度将低于挤出温度，因为在接近挤出温度时将发生材料的软化。高温热塑性塑料使问题更严重。虽然它们可具有高软化温度，但高熔体粘度和大温度梯度导致在部件中留有大的残余应力。这增加了翘曲的风险，特别是如果在制作之后部件暴露于较高温度的话。

发明内容

一种用于按逐层方式形成构件的增材制造系统包括用于泵送第一材料的第一泵和用于泵送第二材料的第二泵。该增材制造系统还包括用于接收并混合第一材料和第二材料以形成热固性树脂的混合器、流体地连接于混合器用于挤出热固性树脂的喷嘴和连接于喷嘴用于按预定的模式移动喷嘴以形成构件的层的运动控制系统。

一种用于按逐层方式形成构件的增材制造方法包括将第一材料从第一泵泵送到混合器里、将第二材料从第二泵泵送到混合器里并在混合器中混合第一材料和第二材料以形成热固性树脂。该方法进一步包括通过喷嘴挤出热固性树脂来按预定的模式沉积热固性树脂以形成构件的层。

附图说明

图1是使用由两部分组成的热固性树脂构筑部件的增材制造系统的示意图。

图2是替代实施方案的增材制造系统的示意图。

图3是替代实施方案的增材制造系统的示意图。

图4是替代实施方案的增材制造系统的示意图。

具体实施方式

所公开的增材制造系统允许使用由两部分组成的热固性树脂逐层地构筑部件，这使得能够建造具有提高的强度和/或柔性同时可操作部件的温度范围也有延伸的部件。该增材制造系统根据需要使用混合器来混合由两部分组成的热固性树脂的两个部分。在树脂固化前系统通过喷嘴将热固性树脂挤出。该增材制造系统由于有能力控制热固性树脂在混合器中的驻留时间或停留时间而允许离开喷嘴的由两部分组成的热固性树脂有一致的固化状态。由于热固性树脂的固化状态一致，该增材制造系统提高了构筑部件的尺寸精度。该增材制造系统可包括由两部分组成的热固性树脂的两个部分的大贮存器，因为在将两个部分混合以前，材料不发生反应或开始固化。

图1是增材制造系统10的示意图，该系统在平台或支撑表面11上构筑构件12。增材制造系统10包括喷嘴14、运动控制系统15、混合器16、溶剂供给装置18、溶剂供给装置20、阀22、阀24、带有孔口27的泵26、带有孔口29的泵28、阀30、阀32、驱动机构34和控制器35。

增材制造系统10按逐层方式用由两部分组成的热固性树脂构筑构件12。泵26储存由两部分组成的热固性树脂的一个部分，而泵28储存由两部分组成的热固性树脂的第二部分。一个部分可以是树脂材料，而第二部分可以是硬化剂材料。驱动机构34同时驱动泵26和泵28以泵送两部分的热固性树脂通过孔口27和孔口29并进入混合器16。驱动机构34可包括用于驱动泵26的第一机构和用于驱动泵28的第二机构，使得泵26和泵28以不同的速率被驱动，以便控制流入混合器16的由两部分组成的热固性树脂的两个部分的比例。孔口27和孔口29可具有相同的直径。在替代实施方案中，孔口27和孔口29可具有不同的直径，以便控制流入混合器16的由两部分组成的热固性树脂的两个部分的比例。泵26和泵28可以是例如螺杆泵、注射泵或液压泵送机构。混合器16将两个部分混合，并且这两个部分开始反应以形成由两部分组成的热固性树脂。混合器16可以是静态混合器或动态混合器。

随后挤出由两部分组成的热固性树脂并通过喷嘴14进行沉积以形成构件12的层。喷嘴14的直径可介于0.1毫米与1.0毫米之间。喷嘴14的较大直径允许快速地构筑构件12，而较小的直径允许以较高的分辨率来构筑构件12。在由两部分组成的热固性树脂固化前，增材制造系统10将热固性树脂通过喷嘴14挤出并沉积。由于由两部分组成的热固性树脂的两个部分的分离，增材制造系统10控制混合器中的热固性树脂的驻留时间或停留时间，允许在整个增材制造过程中离开喷嘴14的由两部分组成的热固性树脂的固化是状态一致的。重复该过程，直到构件12构筑完成。

控制器35控制运动控制系统15、驱动机构34以及阀22、24、30和32。控制器35基于存储的数据来控制构件12的构筑，所述存储的数据如STL文件，其定义要形成的每层的形状。运动控制系统15提供喷嘴14在x、y和z方向上相对于表面11的相对移动，以将由两部分组成的热固性树脂沉积在表面11上以形成构件12的层。在一个实施方案中，运动控制系统15可以在三维中移动喷嘴14。在一替代实施方案中，运动控制系统15可以在z方向上移动表面11，同时在x和y方向上移动喷嘴14。在替代实施方案中，运动控制系统15可以控制表面11和喷嘴14在x、y和z方向的任意组合上的移动。其它替代实施方案可包括使用多达五个移动控制的轴线，使得可旋转表面11，并且可通过表面11或喷嘴14的移动来控制喷嘴14相对于表面11的法线的角度。控制器35可以发送信号以在必要时打开和关闭阀22、24、30和32。在一替代实施方案中，手动控制阀22、24、30和32。

由两部分组成的热固性树脂可以是环氧树脂。在替代实施方案中，由两部分组成的热固性树脂可以是聚氨酯树脂或丙烯酸系树脂。在替代实施方案中，由两部分组成的树脂的一个或两个部分可以包括一种或多种添加剂。添加剂可以是填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂或促进剂。更具体地，添加剂可以是二氧化硅、碳酸钙、氧化铁、粘土(如

)、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、短切玻璃纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料或陶瓷，见下表1。

溶剂供给装置18和溶剂供给装置20可用于冲洗增材制造系统10，或者如果增材制造系统10被来自泵26和泵28的材料堵塞的话疏通增材制造系统10。阀30和阀32允许热固性树脂的两个部分自泵26和泵28流动，并且可关闭以阻止材料自泵26和泵28流动。阀22和阀24允许溶剂自溶剂供给装置18和溶剂供给装置20流入增材制造系统以冲洗增材制造系统10。阀22、阀24、阀30和阀32可以是止回阀、手动阀或螺线管阀。

图2是作为增材制造系统10的替代实施方案的增材制造系统110的示意图。增材制造系统110在平台或支撑表面111上构筑构件112。增材制造系统110包括喷嘴114、运动控制系统115、混合器116、溶剂供给装置118、溶剂供给装置120、阀122、阀124、带有孔口127的泵126、带有孔口129的泵128、阀130、阀132、驱动机构134、控制器135、泵140、阀142和驱动机构144。增材制造系统110类似于针对图1所示和描述的增材制造系统10，尽管也有不同之处。例如，增材制造系统110包括储存添加剂材料的泵140。驱动机构134驱动泵140将添加剂材料泵送到混合器116里。在混合器116中，添加剂材料与由两部分组成的热固性树脂混合。添加剂材料可以是填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂或促进剂，或者是针对图1描述的任何其它添加剂材料。泵140可以是螺杆泵、注射泵或液压泵送机构。阀142可阻止材料自泵140流入混合器116。

图3是作为增材制造系统10的替代实施方案的增材制造系统210的示意图。增材制造系统210在平台或支撑表面211上构筑构件212。增材制造系统210包括喷嘴214、运动控制系统215、混合器216、溶剂供给装置218、溶剂供给装置220、阀222、阀224、带有孔口227的泵226、带有孔口229的泵228、阀230、阀232、驱动机构234、控制器235和能量输入246。增材制造系统210类似于针对图1所示和描述的增材制造系统10，尽管也有不同之处。例如，增材制造系统210包括能量输入246。能量输入246可增强自喷嘴214挤出并沉积的由两部分组成的热固性树脂的固化。

能量输入246可冲着离开喷嘴214的由两部分组成的热固性树脂提供热空气流，以便加快由两部分组成的热固性树脂的固化速率。在替代实施方案中，能量输入246可以是电磁辐射，如微波辐射、紫外辐射、可见光或红外辐射。在替代实施方案中，由两部分组成的热固性树脂可包括当接触能量输入246时增强局部发热的添加剂。添加剂可以是针对图1描述的任何材料。例如，诸如铁氧体的磁性材料可启动感应以快速地对离开喷嘴214的由两部分组成的热固性树脂进行加热。炭黑可允许更有效地吸收电磁辐射。

图4是作为增材制造系统10的替代实施方案的增材制造系统310的示意图。增材制造系统310在平台或支撑表面311上构筑构件312。增材制造系统310包括喷嘴314、运动控制系统315、混合器316、溶剂供给装置318、溶剂供给装置320、阀322、阀324、带有孔口327的泵326、带有孔口329的泵328、阀330、阀332、驱动机构334和控制器335。受热构筑室348包围增材制造系统310。增材制造系统310类似于针对图1所示和描述的增材制造系统10，尽管也有不同之处。例如，受热构筑室348包围增材制造系统310。

受热构筑室348可加快由两部分组成的热固性树脂的固化速率。为了防止由两部分组成的热固性树脂固化而使得其堵塞增材制造系统310，混合器316可包括热交换器、冷却歧管或隔热罩，其防止由两部分组成的热固性树脂在自喷嘴314沉积之前以加快的速率固化。喷嘴314也可以包括热交换器、冷却歧管或隔热罩，其防止由两部分组成的热固性树脂在自喷嘴314沉积之前以加快的速率固化。

可行实施方案的讨论

以下是本发明的可行实施方案的非排他性描述。

用于按逐层方式形成构件的增材制造系统(除了可能有别项之外)包括用于泵送第一材料的第一泵和用于泵送第二材料的第二泵。增材制造系统还包括用于接收并混合第一材料和第二材料以形成热固性树脂的混合器、流体地连接于混合器用于挤出热固性树脂的喷嘴和连接于喷嘴用于按预定的模式移动喷嘴以形成构件的层的运动控制系统。

前面段落的增材制造系统可另外和/或作为选择地任选包括以下特征、构造和/或附加构件中的任一者或多者：

前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第一材料包括树脂且第二材料包括硬化剂。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第一材料和第二材料至少之一还包括填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂和促进剂中的至少一种。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第一材料和第二材料至少之一还包括以下中的至少一种：二氧化硅、碳酸钙、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、短切玻璃纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料和陶瓷。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中热固性树脂包括环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸系树脂中的至少一种。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，还包括用于将第三材料泵送到混合器里的第三泵。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第一泵、第二泵和第三泵包括注射泵、螺杆泵或液压泵送机构中的至少一种。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第三材料包括填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂和促进剂中的至少一种。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第三材料还包括以下中的至少一种：二氧化硅、碳酸钙、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、短切玻璃纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料和陶瓷。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，该系统还包括对自喷嘴挤出的热固性树脂赋予能量的能量输入，其中能量输入为热空气流、磁场、紫外辐射、红外辐射、微波辐射和可见光中的至少一种。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，该系统还包括用于驱动第一泵和第二泵的驱动机构，其中驱动机构控制被泵送到混合器里的第一材料与第二材料的比例。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中驱动机构包括用于驱动第一泵的第一机构和用于驱动第二泵的第二机构。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中第一泵限定具有第一直径的第一孔口，第一孔口位于第一泵与混合器之间；其中第二泵限定具有第二直径的第二孔口，第二孔口位于第二泵与混合器之间；且其中第一直径和第二直径的相对尺寸控制被泵送到混合器里的第一材料与第二材料的比例。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，该系统还包括围住增材制造系统的受热室。

任意前述增材制造系统的进一步的实施方案，其中混合器包括热交换器、冷却歧管和隔热罩中的至少一种。

一种按逐层方式形成构件的增材制造方法(除了可能有别项之外)包括将第一材料从第一泵泵送到混合器里、将第二材料从第二泵泵送到所述混合器里，并在混合器中混合第一材料和第二材料以形成热固性树脂。该方法进一步包括通过喷嘴挤出热固性树脂来按预定的模式沉积热固性树脂以形成构件的层。

前面段落的增材制造方法可另外和/或作为选择地任选包括以下特征、构造和/或附加构件中的任一者或多者：

前述增材制造方法的进一步的实施方案，其中热固性树脂在混合器中具有停留时间，使得在热固性树脂被沉积后热固性树脂硬化。

任意前述增材制造方法的进一步的实施方案，该方法进一步包括在自喷嘴挤出热固性树脂期间或之后对热固性树脂输入能量，其中的能量是热空气流、磁场、紫外辐射、红外辐射、微波辐射和可见光中的至少一种。

任意前述增材制造方法的进一步的实施方案，该方法进一步包括用驱动机构驱动第一泵和第二泵并用驱动机构控制被泵送到混合器里的第一材料与第二材料的比例。

任意前述增材制造方法的进一步的实施方案，该方法进一步包括加热自喷嘴挤出的热固性树脂并用热交换器、冷却歧管和隔热罩至少之一防止对混合器加热。

虽然已参照优选的实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明实质和范围的情况下，形式和细节可有所变化。

Claims (17)

1.一种用于按逐层方式形成构件的增材制造系统，所述系统包括：

用于泵送第一材料的第一泵，所述第一泵限定具有第一直径的第一孔口；

用于泵送第二材料的第二泵，所述第二泵限定具有第二直径的第二孔口，所述第二直径不同于所述第一直径；

用于接收并混合所述第一材料和所述第二材料以形成热固性树脂的混合器；

流体地连接于所述混合器的喷嘴，用于挤出所述热固性树脂；

连接于所述喷嘴的运动控制系统，用于按预定的模式移动所述喷嘴以形成构件的层；

电磁能量，其冲着离开所述喷嘴的所述热固性树脂，其中所述热固性树脂包括当暴露于电磁能量时增强局部发热的添加剂，

其中，所述热固性树脂在所述混合器中具有控制的停留时间，使得在所述热固性树脂被沉积后所述热固性树脂硬化。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一材料包含树脂并且所述第二材料包含硬化剂。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一材料和所述第二材料至少之一还包含填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂和促进剂中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一材料和所述第二材料至少之一还包含以下中的至少一种：二氧化硅、碳酸钙、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、短切玻璃纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料和陶瓷。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述热固性树脂包含环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸系树脂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的系统，并且还包括用于将第三材料泵送到所述混合器里的第三泵。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第一泵、所述第二泵和所述第三泵包括注射泵、螺杆泵或液压泵送机构中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述第三材料包含填料、催化剂、粘度调节剂、增稠剂、高温交联剂和促进剂中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述第三材料还包含以下中的至少一种：二氧化硅、碳酸钙、氧化铁、粘土、氧化锌、铂基催化剂、炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、短切玻璃纤维、铁基铁磁性纳米材料、镍基铁磁性材料和陶瓷。

10.根据权利要求1所述的系统，并且还包括：

用于驱动所述第一泵和所述第二泵的驱动机构；

其中所述驱动机构控制被泵送到所述混合器里的所述第一材料与所述第二材料的比例。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述驱动机构包括用于驱动所述第一泵的第一机构和用于驱动所述第二泵的第二机构。

12.根据权利要求1所述的系统，

其中所述第一孔口位于所述第一泵与所述混合器之间；

其中所述第二孔口位于所述第二泵与所述混合器之间；且

其中所述第一直径和所述第二直径的相对尺寸控制被泵送到所述混合器里的所述第一材料与所述第二材料的比例。

13.根据权利要求1所述的系统，并且还包括围住所述增材制造系统的受热室。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述混合器包括热交换器、冷却歧管和隔热罩中的至少一种。

15.一种按逐层方式形成构件的增材制造方法，所述方法包括：

将第一材料从第一泵泵送到混合器里，所述第一泵限定具有第一直径的第一孔口；

将第二材料从第二泵泵送到所述混合器里，所述第二泵限定具有第二直径的第二孔口，所述第二直径不同于所述第一直径；

在所述混合器中混合所述第一材料和所述第二材料以形成热固性树脂；

通过喷嘴挤出所述热固性树脂来按预定的模式沉积所述热固性树脂以形成所述构件的层；

冲着离开所述喷嘴的所述热固性树脂引导电磁能量，

其中，所述热固性树脂在所述混合器中具有控制的停留时间，使得在所述热固性树脂被沉积后所述热固性树脂硬化，

其中，所述热固性树脂包括当暴露于电磁能量时增强局部发热的添加剂。

16.根据权利要求15所述的方法，并且进一步包括：

用驱动机构驱动所述第一泵和所述第二泵；并且

用所述驱动机构控制被泵送到所述混合器里的所述第一材料与所述第二材料的比例。

17.根据权利要求15所述的方法，并且进一步包括：

用热交换器、冷却歧管和隔热罩至少之一防止对所述混合器加热。

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