CN106479186B - 用于增材制造的复合原料带材及其形成方法 - Google Patents

用于增材制造的复合原料带材及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了用于增材制造的复合原料带材和形成此类带材的方法。复合原料带材可包括彼此平行延伸并平行于该带材的主轴线的连续单向纤维。该纤维的连续性产生优越的机械性能，诸如沿着带材的主轴线的拉伸强度。复合原料带材可通过在平行于纤维的方向裁切复合材料层压片来制成。在一些实施例中，裁切带材的横截面形状可通过至少在带材的表面上再归属材料和/或通过用另一种材料涂覆该裁切带材来改变。这种横截面形状变化可在不扰乱该带材内的连续纤维的情况下执行。在带材内的纤维的横截面分布可为不均匀的，其中，接近该带材的主轴线的纤维具有更高的密度，例如以帮助增材制造。

Description

用于增材制造的复合原料带材及其形成方法
背景技术
增材制造(additive manufacturing)为形成三维(3D)对象材料(如塑料和金属)添加层的过程。该过程往往依赖计算机系统，并且更具体地，依赖计算机辅助设计(CAD)来设计每层和整个叠层过程。增材制造对于很多情况下用在例如航空应用中的复杂、低产量部件特别有吸引力。立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)为目前用于进行增材制造部件的三种主要方法。通常，作为没有任何结构支撑物(例如，纤维)的材料的净树脂被用于该目的。将结构支撑物结合到增材制造原料被证明是困难的并且通常受限于小颗粒和短纤维。然而，这种类型的结构支撑物并不产生与连续纤维相关联的机械性能。此外，用于制造复合原料的当前技术，诸如挤出，会在原料中引起空隙和其它缺陷。最终，制造复合原料的挤出和其它类似技术倾向于使用结构支撑物堵塞。
发明内容
提供了用于增材制造的复合原料带材和形成此类带材的方法。复合原料带材可包括彼此平行延伸并平行于该带材的主轴线的连续单向纤维。该纤维的连续性产生优越的机械性能，诸如沿着带材的主轴线的拉伸强度。复合原料带材可通过在平行于纤维的方向裁切复合材料层压件来制成。在一些实施例中，裁切带材的横截面形状可通过至少在带材的表面上再归属/再归因(reattribute)材料和/或通过用另一种材料涂覆该裁切带材来改变。这种横截面形状变化可在不扰乱该带材内的连续纤维的情况下被执行。在带材内的纤维的横截面分布可为不均匀的，其中，接近该带材的主轴线具有更高密度的纤维，例如以辅助增材制造。
提供了形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法。在一些实施例中，该方法包括裁切片材成复合原料带材并被涂覆复合原料带材的外表面。例如，外表面可被涂覆有包含第二树脂的材料。这种涂覆过程形成在复合原料带材表面上的涂覆层。这种涂覆层和复合原料带材的组合可被称为被涂覆复合原料带材。
用于裁切的片材可包含第一树脂和在该片材内彼此平行延伸的连续纤维。裁切可沿着平行于该片材内的连续纤维的方向来执行，从而保留该纤维的连续性。涂覆可使用十字头挤出涂覆技术或任何其它合适的技术(诸如粉末涂覆或基于溶液的涂覆技术)来执行。
在一些实施例中，在涂覆这些带材之前，在复合原料带材的整个横截面上的连续纤维的分布为均匀的。这种纤维分布在裁切期间得以保留。因此，在用于裁切的片材的整个横截面上的连续纤维的分布也可为均匀的。不过，一旦裁切带材被涂覆，则由于没有连续纤维可被用在涂覆材料(例如第二树脂)中，所以这种横截面分布会变化。在一些实施例中，第二树脂可包括不同类型的纤维或其它类型的填料或可基本上不含任何纤维或填料。例如，在涂覆材料中的非树脂组分的密度可小于5％体积或甚至小于1％体积。
替代性地，涂覆材料可包括从由纤维、颗粒和薄片组成的组中选择的填料。例如，填料可包含短纤维，该短纤维至少基于其纵横比而不同于片材的连续纤维和复合原料带材的纤维。填料可选自由以下项组成的组：热敏增材、矿物增强物、热稳定剂、紫外线(UV)稳定剂、润滑剂、阻燃剂、导电助剂和颜料。
在一些实施例中，第一树脂和第二树脂中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。第一树脂和第二树脂为相同的。例如，第一树脂和第二树脂两者可均为聚醚酮酮(PEKK)。
在一些实施例中，在复合原料带材的外表面上形成的涂覆层的厚度为均匀的。这种类型的涂覆也可被称为共形涂覆。厚度变化可小于20％或甚至小于10％。在这些实施例中，被涂覆复合原料带材的横截面可表示在涂覆之前复合原料带材的横截面的放大变化。
在一些实施例中，在涂覆这些带材之前，在复合原料带材的整个横截面上的连续纤维的密度至少为约40％体积。由于在裁切过程中未添加或去除纤维，所以裁切成连续带材的片材的纤维密度可为相同的。这种密度可在制成片材的过程中(例如通过选择用于层压的层片)来控制。
在一些实施例中，在用材料被涂覆复合原料带材的外表面的同时，复合原料带材的横截面，或更具体地，横截面轮廓保持相同。换句话说，涂覆过程可以不会扰乱复合原料带材。
在一些实施例中，未涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形、正方形和梯形组成的组。被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。
在一些实施例中，该方法另外包括形成用于裁切的片材。该操作在裁切片材之前执行并且可涉及形成包括含纤维层片的叠层，之后层压该叠层。在一些实施例中，叠层的所有片材为含纤维层片。在这些实施例中，在层压片材内的连续纤维的体积分数可为恒定的。替代性地，叠层可由一个或多个含纤维层片以及一个或多个树脂层片形成。该树脂层片可不含纤维或任何其它填料。在这些替代实施例中，在层压片材内的连续纤维的体积分数可在该层压片材的整个厚度上变化。例如，在层压片材内的连续纤维的体积分数在沿该层压片材的厚度的层压片材的中心处大于在该层压片材的一个表面处的体积分数。
在一些实施例中，在被涂覆复合原料带材的外表面之前，该方法可包含改变该复合原料带材中每个的横截面轮廓。例如，未涂覆复合原料带材可包括不含连续纤维的表面部分并且来自这些表面部分的材料可被重新分布，从而形成新的横截面轮廓。
还提供了用于增材制造的被涂覆复合原料带材。在一些实施例中，被涂覆复合原料带材包含复合原料带材和设置在该复合原料带材的外表面上的涂覆层。复合原料带材包含第一树脂和在片材内彼此平行延伸的连续纤维。涂覆层可在复合原料带材周围形成完整或局部的壳体。
这些和其它实施例在下面参考附图进一步描述。
附图说明
图1A为根据一些实施例的对应于形成用于增材制造的复合原料带材的方法的过程流程图。
图1B为根据一些实施例的对应于形成包括涂覆层的复合原料带材的另一方法的过程流程图。
图2A为根据一些实施例的包括多个树脂层片和含纤维层片的叠层的示意性横截面图。
图2B为根据一些实施例的在图2A中示出的叠层的一部分的示意性透视图，该图示出含纤维层片中的一个层片中的纤维取向。
图2C为根据一些实施例的只包括含纤维层片的叠层的示意性横截面图。
图2D为根据一些实施例的包括树脂层片以及含纤维层片的叠层的示意性横截面图，其中该叠层的外层片为含纤维层。
图3A为根据一些实施例的由如图2A所示的叠层形成的层压片材的示意性横截面图。
图3B为根据一些实施例的示出作为沿层压片材的厚度的位置的函数的纤维体积分数的示意性曲线图。
图3C为根据一些实施例的示出在层压片材内的纤维的恒定体积分数的另一曲线图。
图3D为根据一些实施例的示出裁切方向的如图3A所示的层压片材的示意性透视图。
图4A为根据一些实施例的由如图3D所示的层压片材形成的复合原料带材的示意性透视图。
图4B为根据一些实施例的复合原料带材的示意性横截面图。
图4C为根据一些实施例的如图4B所示的复合原料带材的示意性透视图。
图5A为根据一些实施例的用于改变复合原料带材的横截面轮廓的液化器的示意图。
图5B为根据一些实施例的进入如图5A所示的液化器的复合原料带材的示意性横截面图。
图5C为根据一些实施例的离开如图5A所示的液化器的复合原料带材的示意性横截面图。
图5D-5F为未涂覆复合原料带材的不同示例的示意性横截面图。
图5G-5K为被涂覆复合原料带材的不同示例的示意性横截面图。
图5L-5N为在涂覆之前，在复合原料带材改变其横截面轮廓时，在不同制造阶段的复合原料带材的示意性横截面图。
图5O-5Q为在涂覆之后，在复合原料带材改变其横截面轮廓时，在不同制造阶段的复合原料带材的示意性横截面图。
图6A和图6B为根据一些实施例的弯曲复合原料带材的示意性横截面图。
图7A为根据一些实施例的用于形成层压片材的装置的示意图。
图7B为根据一些实施例的用于形成被涂覆复合原料带材的装置的示意图。
图8A为用于试验中的复合原料带材的横截面的照片。
图8B为在涂覆原料中的涂覆体积分数的曲线图，该体积分数作为层压厚度和涂覆厚度的函数，该原料具有在正方形层压芯上的圆形涂覆。
图8C为作为层压厚度、涂覆厚度和涂覆横截面形状的函数的在涂覆原料中的纤维含量的曲线图。
图9为可利用本文所述的端部执行器的飞行器生产和使用方法的框图。
图10为可包括本文所述的复合结构的飞行器的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了很多具体细节以提供对陈述原理的透彻理解。所陈述的原理可在没有一些或全部这些具体细节的情况下实施。在另一些示例中，众所周知的过程操作并没有被详细描述，以免不必要地混淆所述的原理。虽然一些原理将结合特定实施例来描述，但是应理解这些实施例并非旨在限制性的。
引言
航空航天等的许多应用需要带有复杂几何形状而且还是低生产量的部件。虽然适合于高产量的许多技术(诸如模塑)已经随着时间得到了发展，但是这些技术成本高昂并且往往不能生产具有所需特性的部件。增材制造在试图填补这一空白方面已获得越来越多的普及。但是，许多结构要求(例如，制成部件的强度)不容易利用当前的增材制造技术来实现。例如，在增材制造原料中结合结构支撑物(诸如纤维或颗粒)面临巨大挑战。甚至在试图直接形成带有小横截面轮廓的原料时，小纤维和颗粒倾向于堵塞挤出喷嘴。然而，小轮廓是制造具有复杂的几何形状、严密的尺寸公差和/或光滑的表面光洁度的部件所必不可少的。
对于一般来说用于复合材料以及具体来说用于使用增材制造所形成的复合部件的特别关注的一个领域是使用连续纤维。连续纤维提供在纤维方向上的高强度水平。例如，由聚芳醚酮(PAEK)树脂形成并填充有30％体积的短切碳纤维的复合原料带材可具有约3百万磅每平方英寸(MSI)的拉伸模量。同时，由相同树脂形成并填充有35％体积的连续碳纤维的复合原料带材可具有大于10MSI的拉伸模量。此外，使用连续纤维原料制成的复合材料部件预计大致具有当前生产的能与之相比的未增强部件的强度的6倍和刚度的10倍。
但是，在增材制造中结合连续纤维甚至比结合短纤维和颗粒更具有挑战性。当前的增材制造技术完全不能生产商业规模的带有连续纤维的复合原料带材。对于常规的增材制造技术而言，处理连续纤维、保持连续性并保留纤维的取向已被证明是主要障碍。
本文描述了用于增材制造的复合原料带材和形成此类带材的方法。这些复合原料带材包括连续单向纤维。更具体地，纤维彼此平行延伸并平行于带材的主轴线延伸。这些原料带材可由高等级复合层片和薄层制成而不会引入空隙或其它类型的缺陷。
复合原料带材通过层压一个或多个含纤维层片以及一个或多个树脂层片的叠层来形成。在叠层中的这些层片的位置用于控制在所得带材内的纤维和其它材料的分布。此外，在叠层中的所有含纤维层片的取向使得在该叠层中的所有纤维为单向的。在层压之后，被层压片材被裁切为多个复合原料带材。裁切沿平行于这些带材中的纤维的方向来执行。因此，纤维的连续性得以保留。本发明提出的形成复合原料带材的方法为低成本的，适用于广泛的树脂材料(例如，热塑性材料)和纤维材料，并且能够很容易进行调节以产生在原料带材内的纤维的不同量和/或分布。原料能够被用于生产复合材料部件的熔融沉积成型(FDM)增材制造技术。复合原料带材包括连续单向纤维并且也可被称为增强原料带材，或更具体地，连续纤维增强原料带材或棒材。
任何平面层片均可用于形成叠层，包括但不限于特种层片，如航天级含纤维层片等。此外，不同的叠层布置可用于实现在所得原料带材内的纤维和其它材料的不同分布，从而打开复合原料带材的新的和独特构形的大门。此外，这种范围广泛的材料选项和布置选项允许在最小限度的纤维破坏或皱损情况下的经济加工以及设备的连续运行时间。各种连续加工技术，诸如卷对卷加工可用于个别操作或多个操作的组合，诸如形成叠层和层压叠层的组合，如下面进一步描述。
叠层可由层片的连续卷形成。这些卷中的一个卷可包括含纤维层片。在该层片中的纤维可为连续的并且沿卷绕方向延伸。在一些实施例中，相同或不同的含纤维层片的多个卷可用于形成相同的叠层。另一些层片可为树脂层片，该树脂层片可不含纤维。一种方法可为连续工艺，其中，卷含有一个或多个含纤维层片以及一个或多个含有树脂层片(未卷绕)，并且层片被连续馈送到加工设备(例如，层压机)中以用于将叠层的所有层片固化为层压片材。在一些实施例中，裁切器也可为这种连续工艺的一部分。裁切器将层压片材切割为各个/单个复合原料带材，该复合原料带材可以形成为卷以用于紧密存储和装运。这种连续工艺也可包括液化器，其改变复合原料带材的横截面轮廓。例如，带材可在裁切之后具有正方形轮廓并在经过液化器之后具有圆形轮廓。最终，增材制造也可为该连续工艺的一部分。
在一些实施例中，复合原料带材被涂覆。在复合原料带材被裁切之后添加涂层可用于改变它们的横截面轮廓，在外表面上添加适用于增材制造或特定应用的材料，和/或使用具有更高连续单向纤维密度(并且，甚至在考虑可不含纤维的涂层时可具有更高的整体纤维密度)的复合原料带材。例如，通过在外表面上重新分布一些材料来改变横截面轮廓可能在该表面上需要相当量的不含纤维材料以避免纤维紊乱。可能对在重新分布期间所使用的这些不含纤维的材料和/或加工条件施加一些限制。另一方面，利用材料来涂覆裁切带材提供了形成均匀涂层和其它特征的新的材料选项，诸如具有填料的材料。在一些实施例中，重新分布可与涂覆组合。
在增材制造期间，复合原料带材被用于形成复合材料部件，该复合材料部件通常为带有复杂几何形状的部件。这种连续加工通常比常规的离散加工(特别是在一些操作通过手来执行时)更快和更可控(例如，更好的纤维取向控制)。本领域的普通技术人员应理解，并不是上述的所有加工操作需要被执行。例如，复合原料带材可在不改变它们的横截面轮廓的情况下被使用。在一些实施例中，带材可使用热塑性复合材料铺放技术被置放和固化为部件。此外，增材制造可为在一起的不同工艺的一部分。最终，这些加工操作的分组可不同，并且可不必为一个大的组的一部分。例如，叠层形成和层压可为一个组的一部分。层压片材的卷可在完成该组中的所有操作之后形成。该卷可随后在属于另一组的裁切操作期间被裁切为复合原料带材。另一加工组可包括横截面轮廓改变操作。
总而言之，所提供的复合原料带材具有低成本和高质量并且可由范围广泛的复合材料、范围广泛的构形以及范围广泛的横截面尺寸和轮廓形成。这些原料带材可以大批量生产以供应连续纤维增强增材制造市场的需求。能与之相比的直接使用热塑性复合挤拉成型工艺所制成的原料不能有效地产生更小直径的棒材，特别是适合高端应用的更高性能的热塑性材料。
复合原料带材和形成该复合原料带材的示例
图1A为根据一些实施例的对应于形成用于增材制造的复合原料带材的方法100的过程流程图。方法100可开始于在操作102形成叠层，之后在操作110期间层压该叠层。层压片材在操作110期间形成，并且在后面的操作120期间被裁切为复合原料带材。在一些实施例中，复合原料带材的横截面形状在可选的操作130期间被改变。该操作130可包含在可选的操作132期间加热复合原料带材和/或在可选的操作134期间重新分布材料。重新分布材料可在不影响复合原料带材中的纤维的相对取向的情况下执行。在一些实施例中，方法100可包含在可选的操作140期间执行增材制造。在该操作期间，复合原料带材可被耗用以形成复合材料部件。现将参考示出方法100的各个阶段的构件、用于执行所述操作的设备和试验样品的各个附图来更详细描述这些操作中的每一个。
参考操作102，其包含形成叠层，在该操作期间所形成的叠层可包括一个或多个含纤维层片和一个或多个树脂层片。如下面所进一步详述的，该一个或多个树脂层片可不包括纤维。即使纤维被包含在所述一个或多个树脂层片中，这些纤维也与一个或多个含纤维层片不同，含纤维层片包括连续单向纤维。
参考图2A，该图示出叠层200的一个示例，该具体叠层包括四个含纤维层片204a-204d和六个树脂层片202a-202f。含纤维层片204和树脂层片202的数量、厚度和布置可被用于至少部分控制(通过层压叠层200形成的)如图3A所示的层压片材210内的材料的横截面分布。该材料可至少一定程度上被保持在复合原料带材220中，该复合原料带材通过裁切层压片材210形成，如下面进一步描述。此外，层片202和204的数量和厚度可被用于控制层压片材210的厚度210a，这继而控制复合原料带材220的横截面尺寸。
用于形成叠层200的树脂层片202可不含纤维。所有连续单向纤维可被设置在含纤维层片204中。在一些实施例中，树脂层片202可包括其它类型的填料，诸如颗粒和/或多方向短纤维。参考图2A，在一些实施例中，叠层200的至少一个外层片208a为树脂层片202。更具体地，外层片208a和208b两者可为树脂层片202。在一些实施例中，包括含纤维层片204且在一些实施例中还包括其他树脂层片202的叠层200的所有其它层片被设置在外层片208a和外层片208b之间。在一些实施例中，在叠层200的每个面上的多个外层片为树脂层片202。在图2A中呈现的示例示出在叠层200的一个面上的两个树脂层片202a和202b以及在叠层200的另一面上的两个树脂层片202e和202f。这种类型的布置可被用于确保叠层200的足够厚表面部分并因而层压片材210和最终复合原料带材200的足够厚表面部分不含纤维以允许改变复合原料带材200的横截面形状。
在一些实施例中，树脂层片202包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。更具体地，一个或多个树脂层片202包含聚醚砜(PES)。形成相同叠层202的所有树脂层片202可具有相同的成分/组成。替代性地，形成相同叠层的不同树脂层片202可具有不同的成分/组成。
在一些实施例中，含纤维层片204包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。这些材料可被称为基质树脂并且应与树脂层片202的树脂区分开。更具体地，含纤维层片204可包含聚醚酮酮(PEKK)。
用在含纤维层片204中的树脂可与用在树脂层片202中的树脂相同或不同。例如，树脂层片202可包含聚醚砜(PES)，而含纤维层片204可包含聚醚酮酮(PEKK)。在一些实施例中，树脂层片202可包含聚醚酮酮(PEKK)，而含纤维层片204可包含聚苯硫醚(PPS)。在一些实施例中，树脂层片202可包含聚醚酮酮(PEKK)，而含纤维层片204可包含聚醚酮酮(PEKK)。
用在含纤维层片204中和树脂层片202中的一种或多种树脂可为热塑性树脂。在一些实施例中，用在含纤维层片204中和树脂层片202中的一种或多种树脂可包括热固性树脂。如果使用的话，热固性树脂可与一种或多种热塑性树脂(例如，用作填料)混合。此外，在使用热固性树脂时，含有这种树脂的含纤维层片204和/或树脂层片202可被加热(例如)到该热固性树脂的玻璃化转变温度之上。
每个树脂层片202的厚度可在约0.001英寸和0.020英寸之间，或更具体地，在0.002英寸和0.010英寸之间。每个含纤维层片204的厚度可在约0.003英寸和0.015英寸之间，或更具体地，在0.005英寸和0.010英寸之间。
参考图2B，含纤维层片204的连续纤维206可为任何合适的纤维组分，诸如玻璃(S类或E类)、石英、芳族聚酰胺、碳纤维、碳纳米管或它们的组合。基本上在每个含纤维层片204内的所有(例如，超过90％)纤维206是连续的并且以单向布置取向，例如，在图2B中示出沿Y轴线延伸的纤维206。该单向布置也可被称为0/0布置。具体地，形成叠层200的所有含纤维层片204中的所有纤维206彼此平行。本领域的普通技术人员应理解，术语平行允许一些公差，诸如小于约±5°或甚至小于约±2°。
其它类型的纤维取向(不是单向的)会妨碍层压片材210的后续裁切，但尽管如此，仍可适用于根据本文所述的方法来形成复合原料带材220。本领域的普通技术人员应认识到，在含纤维层片204内的纤维206的类型、横截面尺寸、量以及用在含纤维层片204中的基质树脂和用在树脂层片202中的树脂的类型可基于多种因素而变化，该多种因素可包括复合原料带材220的成本以及最终所需的物理和机械性能。
在一些实施例中，形成叠层的所有含纤维层片204可初始地被设置成卷，例如预浸带。在这些含纤维层片204中的纤维206可沿这些卷的卷绕方向延伸。在使用多个含纤维层片204时，在叠层200中的所有层片相对于彼此被精确取向，以确保叠层200中的所有纤维206彼此平行(单向的)。
在一些实施例中，形成叠层200在卷对卷工艺中执行。参考图7A，含纤维层片204a和204b以及树脂层片202a和202b可从相应的卷702展开并在进入预热区704时形成叠层200。这些连续片材形成工艺，如通过卷对卷处理，能够在双带压机、卷拉挤机中执行，或在模塑机中连续压缩。
返回图1A，在完成操作102后，方法100继续在操作110期间层压叠层200。在该操作期间，形成层压片材210。具体地，在该操作期间，所有树脂片材202和含纤维片材204的材料可被固化在一起。同时，可保留纤维206的单向取向。在该操作期间，纤维206可运动更靠近彼此或以其它方式改变它们在横截面内的取向。例如，在多个含纤维层片204被用于形成叠层时，在这些含纤维层片204中的一个中的纤维206可移动接近在这些含纤维层片204中的另一个中的纤维。在一些实施例中，设置在含纤维层片204中的每个层片内的纤维206的取向可基本上保持相同。例如，含纤维层片204可在先前被固化。替代性地，在层压操作110期间，形成一个叠层200，纤维206的相对取向可保持相同。
继续图1A和操作110，这种层压操作110可包含加热并压缩叠层200。在一些实施例中，操作110可使用例如在图7A中示出的装置700以连续方式(例如，以卷对卷方式)执行。具体地，装置700可包含预加热区704，其用于将叠层预加热到层压温度。本领域的普通技术人员应理解，层压温度可取决于用在含纤维层片204和树脂层片202中的树脂、这些层片的厚度以及其它工艺参数。一般来讲，温度下限应足以确保形成叠层200的不同层片熔融固化和形成叠层的(除纤维206之外的)材料在一定程度上流动。另一方面，温度上限可能需要被控制，以在层片固化成层压片材210期间保持纤维206的取向并阻止热降解/退化。
在操作110期间，加热后的叠层200可从预加热区704被馈送到层压区710中，该层压区也可被称为固化区。在该层压区，叠层200被固化以形成单个一体层压片材210。随着叠层200向前运动通过层压区710，至少通过固化区710的初始部分，该叠层可被持续加热。
层压片材210的一个示例在图3A中示出。层压片材210的厚度210a(在图3A中示为Ttotal)在该片材的两个表面213和表面215之间延伸。在一些实施例中，层压片材210的厚度(Ttotal)小于约0.060英寸，或更具体地，小于约0.050英寸或甚至小于约0.040英寸。应指出，层压片材210的厚度(Ttotal)确定复合原料带材220的横截面，如下面参考图4B进一步描述。也在图3A中示出的为在层压片材210的两个表面213和表面215之间等距离定位的该片材的中心平面217。
在一些实施例中，在层压片材210内的纤维206的体积分数在层压片材210的整个厚度上变化。出于本说明书的目的，体积分数被定义为一种组分(例如，纤维206)的体积相对含有该组分的结构的整个体积的比率。在参考结构的横截面来论述体积分数时，体积分数可被表述为横截面积的比率(即，所考虑的组分的横截面积相对整个结构的全部横截面积的比率)。在层压片材210内的纤维206的体积分数的变动可归因于在叠层210中的一个或多个含纤维层片204和一个或多个树脂层片202的布置以及每个层片的组成。
在图3A中呈现的层压片材210的示例包括两个表面部分212和216。具体地，表面部分212形成层压片材210的第一表面213，而表面部分216形成第二表面215。部分212和216两者可基本上不含纤维206。中心部分214可包括层压片材210的所有纤维206。为清楚起见，中心部分214被设置在两个表面部分212和表面部分216之间。这是纤维206集中在层压片材210的中心平面217周围的示例。这种类型的分布可通过仅由树脂层片202形成表面部分212和216来实现。在该示例中，树脂层片202不含纤维。同时，中心部分214可由各种一个或多个含纤维层片204形成。在一些实施例中，一个或多个树脂层片202也可用于形成中心部分。参考在图2A中示出的叠层200的示例，第一表面部分212可由树脂层片202a和202b形成，而第二表面部分216可由树脂层片202e和202f形成。中心部分214可由含纤维层片204a-204d以及树脂层片202c和202d形成。含纤维层片204和树脂层片202的这种布置和数量被选择成实现中心部分214的所需厚度以及在中心部分214和整个层压片材210内的纤维的分布。
参考图3A，不含纤维206的表面部分212的厚度212a相对层压片材210的总厚度210a的比率(Tportion/Ttotal)可在约5％和45％之间，或更具体地，在约10％和约30％之间。这个不含纤维的部分212允许改变复合原料带材220的横截面轮廓而不扰乱纤维206，如下面参考图5B-5C进一步描述的。
图8A示出试验层压片材(具有类似于在图2A中示出并在上面描述的示例的层片布置)的横截面图像。图8A的这种横截面图像示出在试验样本的整个横截面上的纤维的实际分布。具体地，该试验层压片材使用下列叠层来制备：两个PES层片/碳-PEKK层片/PES层片/两个碳-PEKK层片/PES层片/碳-PEKK层片/两个PES层片。碳PEKK层片包含上述的60％碳纤维，并且每个碳PEKK层片具有约0.0054英寸的厚度。每个PES层片的厚度均为0.005英寸。水平白斑为在碳-PEKK层片中所提供的纤维206的横截面。存在四个不同分组的这种白水平斑，每个分组对应于一个单独的碳-PEKK层片。斑明显位于远离对应于在图3A中呈现并在上面描述的模型的这个试验层压片材的表面213和215。
参考图3A-图3B和图8A，层压片材210内的纤维206的体积分数在在层压片材210的中心平面217处大于在表面213和表面215中的一者或两者处的体积分数。具体地，图3B示出基于沿厚度方向(Z轴线)的位置的体积分数廓线219的一个示例。该图标识出不含纤维的表面部分212和216以及含有所有纤维206的中心部分214。由于表面部分212和216不含纤维，所以在这些部分中的体积分数为零水平。在一些实施例中，体积分数廓线219相对于层压片材210的中心平面217是对称的，如图3B所示。这种对称廓线可通过在叠层200中的层片的对称位置来实现，诸如在图2A中示出的示例。
在一些实施例中，在整个层压片材210内的纤维206的体积分数的均值平均在约1％和60％之间，或更具体地，在约10％和50％之间，或甚至在约20％和40％之间。这种特性也可被称为总纤维填充。但是，不像大多数常规复合材料，层压片材210具有不均匀的纤维206分布。
返回图1A，方法100可继续在操作120期间将层压片材210裁切为复合原料带材220。在该操作期间，层压片材210被转换为复合原料带材220。裁切可使用水刀裁切、旋转切削、压轮裁切或滚动裁切中的一种来执行。此外，将层压片材210裁切为复合原料带材220在卷对卷工艺中执行。
参考图3D和图4A，裁切可沿平行于所有纤维206的方向230对层压片材210来执行。因此，裁切不扰乱纤维206的连续性，即，不切割纤维。在操作120期间所形成的每个复合原料带材220的横截面轮廓221可为正方形，例如在图4A-4C中所示的。更一般地，横截面轮廓221可为矩形。这种类型的轮廓221为在基本垂直于层压片材210的表面213和215的方向上裁切的结果。这种正方形或矩形的轮廓可在后面被转换为圆角轮廓，例如圆形轮廓或椭圆形轮廓。
参考图4B和图4C，在每个复合原料带材220中的所有纤维206平行于该带材的主轴线223。出于本说明书的目的，主轴线223被定义为沿复合原料带材220的最长尺寸(诸如如在图4C中所示的其长度220c)延伸的轴线。如上所述，所有纤维206在其裁切之前在层压片材210内平行。此外，裁切沿平行于纤维的方向来执行。因此，所有纤维206在复合原料带材220中保持彼此平行(如上面所定义)并平行于带材的主轴线223延伸。纤维的这种连续和单向取向导致复合原料带材220的优异拉伸强度和其它机械性能。例如，在一些代表性的试验带材中，已测出超过90ksi的拉伸强度。
同时，复合原料带材220可在垂直于其主轴线223的方向上弯曲。这种弯曲能力通过纤维206的单向取向来提供，并且在一些实施例中，通过在复合原料带材220内的纤维206的不均匀分布来提供。具体地，图6A和图6B示出带材弯曲90°的横截面。第二表面部分226经受比中心部分224的弯曲半径(R2)更小的弯曲半径(R1)。同时，表面部分226可不含纤维206，并因此，可比中心部分204更具有延展性。纤维分布允许复合原料带材220被盘绕成小直径封装以用于存储、装运和后续用于增材制造。
在一些实施例中，纤维206可在复合原料带材220中具有至少100英尺或甚至至少约1000英尺的平均长度。这反映纤维在复合原料带材220中的连续性方面。同时，例如，在如图5C所示改良后的复合原料带材220的主横截面尺寸可小于约0.060英寸，或更具体地，小于约0.050英寸或甚至小于约0.040英寸。这种小的横截面尺寸220d可以是增材制造所需的。如果复合原料带材220的横截面轮廓为圆形，则其主横截面尺寸220d为在图5C中示出的圆的直径。但是，如果复合原料带材220的横截面轮廓为正方形，则其主横截面尺寸为宽度220b和厚度220a，其与在图4B中示出的相同。
返回图1A，方法100可包含在可选操作130期间改变每个复合原料带材的横截面轮廓。例如，每个复合原料带材的横截面轮廓可从为正方形(在裁切层压片材之后)改变为圆形或六边形。目前，用于增材制造的喷嘴具有圆角轮廓以有助于在施加材料的同时的定向变化。因此，复合原料带材220具有圆角或类似(接近为圆角)横截面轮廓会在增材制造期间有帮助。但是，增材制造技术可被开发用于具有其它类型的横截面轮廓的其它原料带材。目前的方法允许形成许多不同类型的轮廓而不扰乱连续纤维的取向或它们的连续性。
操作130可包含加热(图1A中的框132)复合原料带材220和重新分布(图1A中的框134)材料229远离横截面轮廓221a的角落228，如图5B和图5C所示。具体地，图5B示出设置在形式/结构(form)510内的复合原料带材220。结构510的横截面轮廓可为圆角的。但是，在这个位置(被标识为A-A并参考图5A)的结构510的直径大于在图5B中用虚线标识的最终横截面轮廓221b的直径。在该位置，复合原料带材220的角落228接触结构510。应指出，角落228延伸到最终横截面轮廓221b的边界外面并且在操作130期间任何此类外部材料应被带入边界内(例如，通过填充空隙)。在一些实施例中，被重新分布远离角落228的材料229不含纤维206。
在操作130期间外部材料的这种重新分布可在基本上不影响在最终横截面轮廓221b的边界内的材料的情况下来执行。具体地，在复合原料带材220内的连续纤维206的位置在操作130期间被保持为例如图5B和图5C所示，其示出复合原料带材220的中心部分224的静态横截面轮廓。这可通过由于角落228和被加热结构510的直接接触而导致的选择性加热复合原料带材220的角落228来实现。由于形成复合原料带材220的材料的隔热性质和执行操作130的速度，对复合原料带材220的其余部分的加热可小于对角落的加热。具体地，在操作130期间，包含连续纤维206的中心部分224可比被重新分布远离角落228的材料229具有更低的温度。如上所述，材料229可不含连续纤维206。
改变横截面轮廓的操作130可使用液化器500来执行，该液化器的一个示例在图5A中示出。液化器500可包括带有渐缩横截面轮廓的结构510和用于加热结构510的加热器512。因为复合原料带材220的连续纤维206为单向且连续的，因此复合原料带材220能够很容易地被馈送通过液化器500而不堵塞该液化器(这是用作复合物中的结构支撑物的短连续纤维和颗粒的常见问题)。此外，同样由于连续纤维206的连续性质，复合原料带材220可在其被馈送通过液化器500时基本上保持其拉伸强度，这简化了在操作130期间处理复合原料带材220。
在一些实施例中，操作130未被执行。具有矩形或正方形轮廓的复合原料带材220可被用于后续的处理。方法100也可包含使用复合原料带材220来执行140增材制造。
图1B为对应于方法100的另一示例的过程流程图。这个示例包含在裁切带材上执行的涂覆操作，并且因此，使用该方法所形成的复合原料带材可被称为被涂覆复合原料带材520。被涂覆复合原料带材520的各种示例在图5G-5K中示出并在下面参考这些附图和涂覆操作来进一步描述。除非明确指出，否则用标号220标识的复合原料带材可被称为未涂覆复合原料带材，以将其与被涂覆复合原料带材520区分开。在涂覆操作期间，未涂覆复合原料带材220被转换为被涂覆复合原料带材520。
返回图1B，形成被涂覆复合原料带材520的方法100的许多操作可类似于形成未涂覆原料带材220的方法100的对应操作，其中，形成未涂覆原料带材220的方法100的对应操作在上面参考图1A来描述。可酌情参考图1A的流程图并进行相应的描述。
在图1A和图1B之间的流程图的主要区别为后者流程图的涂覆操作136。具体地，涂覆操作136可在形成未涂覆原料带材220之后执行。通过提醒方式，未涂覆原料带材220可通过在操作120期间裁切层压片材来形成。
在一些实施例中，涂覆操作136通过在带材的表面上重新分布至少一些材料而不需要在操作130期间改变复合原料带材的横截面形状。在这些实施例中，操作130未被执行。替代性地，在操作130被执行时，涂覆操作136可在操作130之前或之后执行。换句话说，横截面形状改变操作130可在未涂覆复合原料带材220(之后进行涂覆)或在被涂覆复合原料带材520上执行。
在图1A呈现的流程图和图1B呈现的流程图之间的另一区别，或更具体地，在用于这两种示例的材料之间的区别可为在未涂覆复合原料带材220中的纤维分布。该纤维分布对应于用于形成复合原料带材220的层压片材的纤维分布。在图1B中呈现的方法100的示例中，涂覆操作可用于横截面形状改变而不是用于重新布置复合原料带材220的部分。具体地，复合原料带材220可在(例如通过在复合原料带材220的外表面上添加涂覆材料)改变横截面形状的同时保持未被扰乱。因此，复合原料带材220的整个横截面可包括连续纤维。在该具体示例中，由于复合原料带材220保持未被扰乱，因此复合原料带材220不需要不含纤维的部分。连续纤维可接近未涂覆复合原料带材220的所有表面来安置。用于形成未涂覆复合原料带材220的层压片材可仅从含纤维层片形成并且可不包括外部的树脂片材。
参考图1B，方法100可包括在可选操作104期间形成层压片材210。操作104可包含在操作102期间通过形成叠层200，之后在操作110期间层压叠层200。操作102和110的一些示例在上面参考图1A被描述。叠层200和层压片材210的示例在图2A-2D、图3A和图3D中示出。叠层200可包括一个或多个含纤维层片204，并且在一些实施例中还包括树脂层片202。树脂层片202可被用作外层片208a和208(例如，如图2A所示)。
在一些实施例中，并且不像在上面参考图1A所述的方法100的示例，根据图1B的方法100所形成的叠层200可仅由含纤维层片204形成。图2C示出此叠层200的一个示例，该叠层200包括含纤维层片204a-204d。应指出，在该示例中的两个外层片208a-208b也为含纤维层片。在该示例中，复合原料带材202的横截面变化可通过涂覆这些复合原料带材202而不是重新分布材料来实现。
替代性地，除了包括一个或多个含纤维层片以外，叠层200还可包括一个或多个树脂层片。但是，外层片208a-208b可为含纤维层片。图2D示出此叠层的示例，其中，树脂层片202a和202b被放置在层堆内，而含纤维层片204a用作一个外层片208a，并且含纤维层片204d用作另一外层片208b。
如上所述，涂覆操作可用于横截面形状改变。至少不需要对未涂覆复合原料带材220执行材料重新分布，以及其表面上不需要不含纤维的材料。因此，叠层200的外层片208a-208b可含有连续纤维。
在这些实施例中，在叠层200内以及后来在层压片材210中的连续纤维的体积分数可在整个厚度上为恒定的，例如如图3C所示。具体地，图3C示出在层压片材210(或未涂覆复合原料200)的整个厚度上的纤维体积分数曲线219。但是，随着形成涂覆层，因为连续纤维通常未设置在该涂覆层中，所以该横截面分布改变。
在一个或多个树脂层片被用于形成叠层200时，这些层片可不含连续纤维，并且在一些实施例中，也不含其它填料。因为一些层片具有连续纤维，而另一些层片不具有连续纤维，所以(在叠层200以及后来的层压片材210内的)连续纤维的体积分数整个是变化的。在上面参考图3B所述的一个这样的示例中，连续纤维的体积分数在中心部分214处会大于在表面部分212和216处。通过对比图3B和图3C中的体积分数曲线，本领域的普通技术人员应理解，在树脂层片的数量减少或甚至从叠层200完全取消时，可以实现连续纤维的较大装载/填充。
返回图1B，形成被涂覆复合原料带材520的方法100可包括在操作120期间将层压片材210裁切为复合原料带材。应指出，在操作120期间所形成的复合原料带材仍然未被涂覆。裁切操作120的各种示例在上面参考图1A被描述并且也在图3D和图4A中示出。
层压片材210以及因此裁切原料带材220可包含树脂207和沿带材220的主轴线223(即，在Y方向)彼此平行延伸的连续纤维206，如图4B和图4C示意性示出。裁切可沿着平行于所有连续纤维206的方向来执行，从而保留纤维206的连续性。
在一些实施例中，在未涂覆复合原料带材220的整个横截面上的连续纤维206的密度为至少约30％体积或甚至至少约40％、至少约50％或甚至至少约60％。纤维206的这种高密度可以提供优异的机械性能，诸如在纤维206的方向上的拉伸强度。该密度可通过取消不含连续纤维206的部分，诸如在图4B中示出的表面部分222和226来实现。如上所述，在未使用涂层时，需要不含纤维的表面部分222和226，以重新分布在这些部分中的材料而不扰乱纤维。由于在裁切操作120期间未添加或去除纤维206，所以层压片材210和未涂覆复合原料带材220的纤维密度可为相同的。该密度可在制成层压片材210期间，或更具体地，在操作102期间在形成叠层200的同时被控制。
在一些实施例中，未涂覆复合原料带材220的横截面轮廓选自由矩形、正方形、圆形和梯形组成的组。这些示例中的一些在图5D-5F中示出。圆形横截面轮廓可通过在涂覆之前重新分布材料从初始矩形或正方形轮廓形成，如下面参考图5L和图5M进一步描述。梯形横截面轮廓可例如在楔形裁切工具在裁切方向上推动一些材料时而形成。应指出，通过在顶部和底部表面上重新分布材料，从梯形横截面开始形成圆形横截面会是有挑战性的。形成涂层可有助于克服这些挑战。
返回图1B，方法100可继续在操作136期间涂覆复合原料带材220的外表面225。涂覆操作可包含十字头挤出涂覆技术、粉末涂覆和基于溶液的涂覆技术。图7B示出用于被涂覆复合原料带材220和形成被涂覆复合原料带材520的装置720的示例。
在操作136期间，涂覆层522在外表面225上形成，如图5D和图5G示意性示出。涂覆层522可包括树脂。该树脂可与作为形成叠层200的层片的一部分的未涂覆复合原料带材220的树脂相同或不同。为清楚起见，未涂覆复合原料带材220的树脂可被称为第一树脂207，而涂覆层522的树脂可被称为第二树脂523(例如，参考图5G)。在一些实施例中，第一树脂207和第二树脂522中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。例如，第一树脂207和第二树脂523两者可均为聚醚酮酮(PEKK)。
在一些实施例中，除了第二树脂523以外，用于涂覆层522的材料还包含填料。该填料可选自由纤维、颗粒和薄片组成的组。例如，填料可包含短纤维，该短纤维至少基于其纵横比而不同于片材的连续纤维和之后的复合原料带材的连续纤维。填料可选自由以下项组成的组：热敏增材、矿物增强物、热稳定剂、紫外线(UV)稳定剂、润滑剂、阻燃剂、导电助剂、颜料和它们的各种组合。在一个示例中，填料为热敏增材。在相同的另一示例中，填料为矿物增强物。在相同的另一示例中，填料为热稳定剂。在相同的另一示例中，填料为紫外线(UV)稳定剂。在相同的另一示例中，填料为润滑剂。在相同的另一示例中，填料为阻燃剂。在相同的另一示例中，填料为导电助剂。在相同的另一示例中，填料为颜料。
在一些实施例中，涂覆层522的厚度是均匀的。这种类型的涂覆层也可被称为共形涂覆。例如，厚度变化可小于20％或甚至小于10％。在这些实施例中，被涂覆复合原料带材520的横截面可表示在其涂覆之前复合原料带材220的横截面的放大变化，如图5H和图5K示意性示出。
在一些实施例中，复合原料带材220的横截面，或更具体地，复合原料带材220的横截面轮廓在涂覆操作136期间保持相同。这种形状保持在图5D和图5G中被示意性示出。在这些实施例中，涂覆过程不扰乱复合原料带材220。
尽管在涂覆操作136期间复合原料带材220的横截面轮廓保持相同，不过被涂覆复合原料带材520的横截面轮廓可不同于未涂覆复合原料带材220的横截面轮廓。例如，未涂覆复合原料带材220可如上所述具有矩形、正方形或梯形轮廓。从该未涂覆复合原料带材220形成的被涂覆复合原料带材520可具有圆形轮廓或椭圆形轮廓，例如，如图5D和图5G示意性示出。
被涂覆复合原料带材520的各种示例在图5G-图5K中示出。在一些实施例中，被涂覆复合原料带材520的横截面轮廓可与未涂覆复合原料带材220的横截面轮廓相同，例如参见图5H或图5K。本领域的一个普通技术人员应理解，在这些示例中的横截面轮廓的主要尺寸将仍增加。一般来说，被涂覆复合原料带材520的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。
在一些实施例中，在涂覆操作136之前，方法100可包含在操作130期间改变未涂覆复合原料带材220的横截面轮廓。该示例如图5L-5N示意性示出。具体地，图5L示出具有正方形横截面形状的未涂覆复合原料带材220。该形状可为例如裁切操作120的结果。在操作130期间，这种正方形横截面形状通过重新分布未涂覆复合原料带材220的材料来改变。该操作参考图1A更详细描述。图5M示出在该操作之后具有圆形横截面形状的仍然未涂覆复合原料带材220。随后，该圆形复合原料带材220可被涂覆，从而形成如图5N示意性示出的被涂覆复合原料带材520。
在一些实施例中，方法100可包含改变被涂覆复合原料带材520的横截面轮廓。换句话说，形状改变操作130在涂覆操作136之后执行。该示例如图5O-图5Q示意性示出。具体地，图5O示出具有正方形横截面轮廓的未涂覆复合原料带材220。该正方形复合原料带材220可被涂覆，从而形成如图5P示意性示出的被涂覆复合原料带材520。在操作130期间，这种正方形横截面形状通过重新分布被涂覆复合原料带材220的涂覆层522的材料来改变。不受限于任何特定的理论，认为如图5O-图5Q所示的方法比如图5L-5N所示的方法对连续单向纤维206的影响更小。
用于增材制造的被涂覆复合原料带材的各种实施例的特性通过利用例示性分析来探究。在该分析中，净树脂(不含纤维)的涂层或含有30wt％短纤维的涂层被施加在由含纤维层片组成的正方形层压芯。该芯在其整个厚度上具有约60％的恒定的连续纤维体积百分比。图8B为作为层压厚度和涂层厚度的函数的用于圆形涂层的涂层体积分数的曲线图。对于正方形层压芯，层压宽度等于层压厚度，并且该层压厚度基于用在叠层中的含纤维层片的数量离散地增加。如图8B所述的层压厚度对应于4-9个含纤维层片。数据点的相对大小对应于最终的被涂覆棒材直径，其中，实线连接具有相同直径的实施例，该直径等于系列左边所给出的直径。涂覆厚度通过从如插图所示的层压芯的角落径向测量的最小涂覆厚度给出。虚线连接具有相同最小涂覆厚度的实施例，该厚度等于系列右边所列出的厚度。为缩小用于实际制造和使用的技术意义的可能性的范围，对这些实施例和符合其它涂覆横截面形状的实施例进行下面的约束：(1)对于实际裁切操作，层压厚度大于0.030英寸；(2)在横截面中的任何位置的最小涂覆厚度为0.004英寸或更大以允许涂覆操作的制造公差；(3)在横截面中的最大尺寸应小于0.070英寸以允许原料进入入口直径为0.070英寸的液化器；以及(4)确保不发生连续纤维干扰液化器的壁，在任何形状转换之后，最小为0.001英寸的涂覆材料被保持在含连续纤维层压芯和液化器的壁之间。通过这些约束，用于令人满意的实施例的技术空间通过在图8B中强调的三角区域来表示。需要为51％-65％的相对大的涂层体积分数。对于净树脂涂层，这转换为在最终被涂覆棒材中的20％-28％体积的纤维含量，并且对于具有30wt％短纤维的涂层，转换为36％-40％体积的纤维含量。
在最终被涂覆原料中的纤维含量在图8C中被绘制为层压厚度、最终被涂覆原料横截面形状和涂覆材料的函数。所突出的技术空间满足先前列出的用于带有下列形状的涂层的正方形层压芯的四个约束条件：圆形、正方形和圆角正方形。对应于带有净树脂的涂层和带有30wt％短纤维的涂层的技术空间分别通过带有实线边界和带有虚线边界的区域给出。在增材制造期间，圆形涂层不需要在液化器中进行形状转换，而正方形和圆角正方形涂层需要在液化器中或在液化器之前进行至圆形的形状转换。离开液化器的横截面积等于进料涂覆原料的横截面积以确保通过液化器的持续可靠流动得以保持。
图8C中的圆形被涂覆原料的技术空间对应于在图8B中突出表明的三角形区域。最大层压芯厚度被限制以确保最终被涂覆原料能够可靠地被馈送到0.070英寸的液化器入口中，并且可实现的纤维含量受所需的涂层量限制以确保用于实际涂覆操作的最小涂覆厚度为至少0.004英寸。
可以想象得出，通过涂覆正方形涂层并允许在液化器中的形状改变，如图5O-5Q所示，涂层的体积分数会下降并因此整体纤维含量增加。正方形涂层的技术空间被限制为小的层压厚度，以允许原料进入0.070英寸的液化器入口。被涂覆原料的纤维含量的范围源自于变化的涂层厚度，如从层压芯的侧面开始测量，更高的纤维含量源自于更薄的涂层厚度。需要最小为0.005英寸的涂层厚度以确保整体涂层体积分数足够大以使在形状转换为圆形之后在层压芯的角落和液化器的壁之间保持至少0.001英寸的涂覆材料。对于净树脂涂层，这种涂覆厚度产生34％的最大纤维含量，并且对于30wt％的填充短纤维的涂层，其产生44％的最大纤维含量。
通过使用圆角正方形涂层，如图5I所示，技术空间可被扩展到更大的层压厚度，同时仍然最大化整体纤维含量。因为在横截面中的最大尺寸，即对角的对角距离减少，所以能够使用更大的层压芯厚度。最大尺寸为0.070英寸的情况也是可接受的，因为与和液化器壁完全接触的圆形涂层相比，在入口与该液化器壁的更小接触面积允许更可靠的馈送。对于给定的层压厚度，在被涂覆原料中的纤维含量可通过如下方式来增加：使用更薄的涂层(如从层压芯的侧面所测量的)，且角落是圆角的使得对角距离为0.070英寸。针对每个层压厚度也绘出了最大可实现纤维含量，其中，从层压芯的角落径向测量的在圆角的涂层厚度被保持在0.004英寸的最小可接受值以用于实际的涂覆操作。利用这些最大圆角，对于层压厚度分别为0.033英寸、0.039英寸和0.044英寸的层压芯，从层压芯的侧面所测量的涂层厚度应为0.005英寸、0.006英寸和0.007英寸，从而对于使用净树脂涂层，产生34％-35％体积的纤维含量，并且对于使用具有30wt％短纤维的涂层，产生44％体积的纤维含量。
飞行器的示例以及制造和操作飞行器的方法
例示的实施例提供了新颖的制造方法，该方法形成带有连续单向取向的连续纤维的复合原料带材和这些连续纤维在该带材的整个横截面上的定制分布。此外，这些方法提供了带材的不同横截面轮廓和/或尺寸。用在这些方法中的连续加工不仅增加了加工能力，而且提供了对复合原料带材的各种特性的高水平控制。实施例发现了在各种各样的潜在应用中的适用用途，包含例如在飞行器工业中的应用。本发明所公开的方法有利于具有复杂几何形状的部件的增材制造，所述部件诸如托架、夹支撑件、连接杆或更一般地目前由金属制成的任何不规则横截面结构(例如，凸耳、端部接头)。部件一般应与具有简单(例如，线性)几何形状的部件(诸如横梁(诸如，不变横截面))区分开。本发明所公开的方法也有利于以不变横截面延伸的、通过使用增材制造所制成的独一无二的、定制的或非常有限的部件。
本公开的示例可在如图9所示的飞行器制造和使用方法1100和如图10所示的飞行器1102的背景下来描述。在预生产期间，方法1100可包含飞行器1102的规格和设计(框1104)以及材料采购(框1106)。在生产期间，可发生部件和子组件制造(框1108)和飞行器1102的系统集成(框1110)。复合原料带材可在例如下面的这些步骤中的一个步骤期间在增材制造中形成和使用：飞行器1102的规格和设计(框1104)、材料采购(框1106)、部件和子组件制造(框1108)以及飞行器1102的系统集成(框1110)。其后，飞行器1102会经历认证和交付(框1112)以投入使用(框1114)。在使用中，飞行器1102可被调度以用于日常维护和维修(框1116)。日常维护和维修可包含飞行器1102的一个或多个系统的改进、重构、翻新等。
方法1100的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实施。出于描述目的，系统集成商可包含但不限于，任意数量的飞行器制造商和主要系统转包商；第三方可包含但不限于，任意数量的卖方、转包商和供应商；以及运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、运营机构等等。
如图10所示，通过方法1100生产的飞行器1102可包含具有多个高级系统1120和内部1122的机身1118。高级系统1120的示例包含推进系统1124、电气系统1126、液压系统1128以及环境系统1130中的一者或多者。可包含任何数量的其它系统。虽然示出航空航天的示例，但是本文所公开的原理可应用于其它行业，诸如汽车行业。因此，除了飞行器1102以外，本文所公开的原理可应用于其它交通工具，例如陆地交通工具、船舶交通工具、空间飞行器等。
本文所示和所述的装置和方法可在方法1100的任意一个或多个阶段采用。例如，对应于部件和子组件制造(框1108)的部件或子组件可以类似于在飞行器1102在投入使用(框1114)时所生产的部件或子组件的方式来组装或制造。而且，在生产阶段(框1108和框1110)，可利用所述装置、方法或它们的组合的一个或多个示例，例如，基本上加快飞行器1102的组装或降低其成本。同样，在飞行器1102投入使用时(框1114)和/或在维护和维修(框1116)期间，可例如但不限于利用所述装置或方法实施的一个或多个实例或它们的组合。
结论
本文所公开的装置和方法的不同示例包含各种部件、特征和功能。应理解，本文所公开的装置和方法的各种示例可包含本文所公开的装置和方法在任何组合中的其它示例中的任一者的任意部件、特征和功能，并且所有此类可能性试图落入本公开的精神和范围内。
通过得到前面描述和关联附图中呈现的本公开的教义的好处，本领域的技术人员会想到本文所述示例的许多更改。
因此，概括地说，根据本发明的第一方面，提供了：
A1.一种形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法，所述方法包括：
将片材裁切为复合原料带材，
所述片材包含第一树脂和在所述片材内彼此平行延伸的纤维；
裁切沿平行于所述片材内的所有纤维的方向执行；并且
用包含第二树脂的材料涂覆所述复合原料带材的外表面，从而形成包含置于所述复合原料带材上的涂覆层的被涂覆复合原料带材。
A2.还提供了段落A1所述的方法，其中，在所述片材内彼此平行延伸的所述纤维为连续纤维。
A3.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的分布是均匀的。
A4.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的密度为至少约40％体积。
A5.还提供了段落A1所述的方法，其中，在用所述材料涂覆所述复合原料带材的所述外表面的同时，所述复合原料带材的横截面保持相同。
A6.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述涂层在所述复合原料带材的所述外表面上的厚度是均匀的。
A7.还提供了段落A1所述的方法，其中，用于涂覆层的所述材料进一步包含选自由纤维、颗粒和薄片组成的组的填料。
A8.还提供了段落7所述的方法，其中，所述填料包含短纤维。
A9.还提供了段落7所述的方法，其中，所述填料选自由以下项组成的组：热敏增材、矿物增强物、热稳定剂、紫外线(UV)稳定剂、润滑剂、阻燃剂、导电助剂和颜料。
A10.还提供了段落A1所述的方法，其中，涂覆使用十字头挤出涂覆技术、粉末涂覆或基于溶液的涂覆技术中的一者来执行。
A11.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形、正方形和梯形组成的组，并且其中，所述被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。
A12.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述第一树脂和所述第二树脂中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
A13.还提供了段落A1所述的方法，其中，所述第一树脂和所述第二树脂为相同的。
A14.还提供了段落A13所述的方法，其中，所述第一树脂和所述第二树脂两者均为聚醚酮酮(PEKK)。
A15.还提供了段落A1所述的方法，进一步包括，在裁切所述片材之前，形成包含含纤维层片的叠层并层压所述叠层，从而形成所述片材。
A16.还提供了段落A15所述的方法，其中，所述叠层的所有片材为含纤维层片。
A17.还提供了段落A1所述的方法，进一步包括，在裁切所述片材之前，形成包含一个或多个含纤维层片和一个或多个树脂层片的叠层并层压所述叠层，从而形成所述片材。
A18.还提供了段落A17所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述纤维的体积分数在所述层压片材的整个厚度上是变化的。
A19.还提供了段落A18所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述纤维的体积分数沿所述层压片材的厚度在所述层压片材的中心处大于在所述层压片材的一个表面处。
A20.还提供了段落A19所述的方法，进一步包括，在涂覆所述复合原料带材的所述外表面之前，改变所述复合原料带材中的每个的横截面轮廓。
A21.还提供了段落A1所述的方法，进一步包括使用所述被涂覆复合原料带材来执行增材制造。
根据本发明的进一步的方面，提供了：
B1.一种被涂覆复合原料带材，所述被涂覆复合原料带材包含：
包含第一树脂和在所述片材内彼此平行延伸的纤维的复合原料带材；以及
包含第二树脂并被置于所述复合原料带材的外表面上并形成围绕复合原料带材的壳体的涂层，
所述涂层包含第二树脂。
B2.还提供了段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，在所述片材内彼此平行延伸的所述纤维为连续纤维。
B3.还提供了段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的分布是均匀的。
B4.还提供了段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的密度为至少约40％体积。
B5.还提供了段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述涂覆层在所述复合原料带材的所述外表面上的厚度是均匀的。
B6.还提供了段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述涂覆层进一步包含选自由纤维、颗粒和薄片组成的组的填料。
B7.段落B6所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述填料包含短纤维。
B8.段落B6所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述填料选自由以下项组成的组：热敏增材、矿物增强物、热稳定剂、紫外线(UV)稳定剂、润滑剂、阻燃剂、导电助剂和颜料。
B9.段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形、正方形和梯形组成的组，并且其中，所述被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形、正方形和圆角矩形以及圆角正方形组成的组。
B10.段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述第一树脂和所述第二树脂中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
B11.段落B1所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述第一树脂和所述第二树脂为相同的。
B12.段落B11所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述第一树脂和所述第二树脂两者均为聚醚酮酮(PEKK)。
C1.一种形成用于增材制造的复合原料带材的方法，所述方法包括：
形成包括含一个或多个含纤维层片以及一个或多个树脂层片的叠层，
形成所述叠层的所有所述一个或多个含纤维层片中的所有连续纤维彼此平行；
层压所述叠层，从而形成层压片材；并且
将所述层压片材裁切为所述复合原料带材，
沿平行于所述层压片材内的所有所述连续纤维的方向来执行裁切。
C2.还提供了段落C1所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的体积分数在所述层压片材的整个厚度上是变化的。
C3.还提供了段落C2所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的体积分数沿所述层压片材的厚度在所述层压片材的中心处大于在所述层压片材的表面中的一个表面处。
C4.还提供了段落C3所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的体积分数在所述层压片材的中心大于所述层压片材的两个表面处。
C5.还提供了段落C4所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的所述体积分数的曲线相对于所述层压片材的中心为对称的。
C6.还提供了段落C3所述的方法，其中，形成所述层压片材的所述表面中的所述一个表面的所述层压片材的一部分不含所述连续纤维。
C7.还提供了段落C6所述的方法，其中，不含所述连续纤维的所述部分的厚度相对所述层压片材的总厚度的比率为在约5％和45％之间。
C8.还提供了段落C1所述的方法，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的体积分数的均值平均在约1％和60％之间。
C9.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述复合原料带材中的每个的横截面轮廓为正方形。
C10.还提供了段落C1所述的方法，其中，在所述复合原料带材中的每个中的所有连续纤维平行于该复合原料带材的主轴线。
C11.还提供了段落C1所述的方法，进一步包括改变所述复合原料带材中的每个的横截面轮廓。
C12.还提供了段落C11所述的方法，其中，所述复合原料带材中的每个的所述横截面轮廓被改变为圆形。
C13.还提供了段落C11所述的方法，其中，改变所述复合原料带材中的每个的所述横截面轮廓包括加热所述复合原料带材中的每个并重新分布材料以远离所述横截面轮廓的角落。
C14.还提供了段落C13所述的方法，其中，经重新分布远离所述角落的所述材料不含连续纤维。
C15.还提供了段落C13所述的方法，其中，在重新分布所述材料以远离所述横截面轮廓的所述角落的同时，在所述复合原料带材中的每个内的所述连续纤维的位置被保持。
C16.还提供了段落C15所述的方法，其中，在改变所述复合原料带材中的每个的所述横截面轮廓期间，包括连续纤维的所述复合原料带材中的每个的一部分比经重新分布远离所述角落的不含连续纤维的所述材料具有更低的温度。
C17.还提供了段落C11所述的方法，其中，改变所述复合原料带材中的每个的所述横截面轮廓使用液化器来执行。
C18.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述叠层的至少一个外层片为所述一个或多个树脂层片中的一个。
C19.还提供了段落C18所述的方法，其中，所述叠层的两个外层片为所述一个或多个树脂层片中的两个。
C20.还提供了段落C18所述的方法，其中，所述一个或多个树脂层片不含所述连续纤维。
C21.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述一个或多个树脂层片包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
C22.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述一个或多个树脂层片包含聚醚砜(PES)。
C23.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述一个或多个含纤维层片包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酰亚胺(PEI)。
C24.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述一个或多个含纤维层片包含聚醚酮酮(PEKK)。
C25.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述连续纤维在所述复合原料带材中具有至少100英尺的平均长度。
C26.还提供了段落C1所述的方法，其中，所述复合原料带材具有小于约0.050英寸的主横截面尺寸。
C27.还提供了段落C1所述的方法，其中，形成叠层和层压片材在卷对卷工艺中执行。
C28.还提供了段落C1所述的方法，其中，将所述层压片材裁切为所述复合原料带材使用水刀裁切、旋转切削、压轮裁切或滚动裁切中的一种来执行。
C29.还提供了段落C1所述的方法，其中，将所述层压片材裁切为所述复合原料带材在卷对卷工艺中执行。
C30.还提供了段落C1所述的方法，进一步包括使用所述原料带材来执行增材制造。
D1.一种用于增材制造的复合原料带材，所述复合原料带材包含：
树脂；以及
彼此平行并沿所述复合原料带材的主轴线延伸的连续纤维，
所述连续纤维的体积分数沿垂直于所述复合原料带材的主轴线的至少一个方向是变化的。
D2.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，在所述复合原料带材内的所述连续纤维的所述体积分数沿所述主轴线在所述复合原料带材的中心处大于在所述复合原料带材的表面处。
D3.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述连续纤维的所述体积分数沿垂直于所述复合原料带材的所述主轴线的两个方向是变化的。
D4.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述复合原料带材不含空隙。
D5.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，在所述层压片材内的所述连续纤维的体积分数平均在约1％和60％之间。
D6.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述连续纤维沿所述复合原料带材的长度为连续的。
D7.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所有连续纤维平行于所述复合原料带材的主轴线。
D8.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓为正方形。
D9.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓为圆形。
D10.还提供了段落D1所述的复合原料带材，其中，所述树脂包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯砜(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
因此，应理解本公开并不限于所示出的具体示例，并且更改和其它示例也应当被包含在附属权利要求的范围内。而且，虽然前述描述和关联附图描述了在元件和/或功能的特定说明性组合的背景下的本公开的示例，但是应明白，所述元件和/或功能的不同组合可在不脱离附属权利要求的范围的前提下由替代实施提供。因此，出于说明目的在所附的权利要求书中呈现带括号的附图标号，而不是意在将所要求保护的主题的范围限制在本公开中所提供的具体实例。

Claims (17)

1.一种形成用于增材制造的被涂覆复合原料带材的方法，所述方法包括：
使片材内的纤维的体积分数在所述片材的整个厚度上变化，
所述片材包含第一树脂和在所述片材内彼此平行延伸的纤维；
所述厚度垂直于所述纤维；
将所述片材裁切为复合原料带材，
沿平行于所述片材内的所有所述纤维的方向执行裁切；并且
用包含第二树脂的材料涂覆所述复合原料带材的外表面，从而形成包含设置在所述复合原料带材上的涂覆层的被涂覆复合原料带材。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述片材内彼此平行延伸的所述纤维为连续纤维。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的分布是变化的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的密度为至少40％体积。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在用所述材料涂覆所述复合原料带材的所述外表面的同时，所述复合原料带材的横截面保持相同。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂覆层在所述复合原料带材的所述外表面上的厚度是均匀的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形和梯形组成的组，并且其中，所述被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形和圆角矩形组成的组。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述矩形包括正方形，并且所述圆角矩形包括圆角正方形。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在裁切所述片材之前，形成包括含纤维层片的叠层并层压所述叠层，从而形成所述片材。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在裁切所述片材之前，形成包括一个或多个含纤维层片和一个或多个树脂层片的叠层并层压所述叠层，从而形成所述片材。
11.一种被涂覆复合原料带材，所述被涂覆复合原料带材包含：
复合原料带材，其包含第一树脂和在该复合原料带材内彼此平行延伸的纤维，
所述复合原料带材内的所述纤维的体积分数在所述复合原料带材的整个厚度上变化，所述厚度垂直于所述纤维；以及
包含第二树脂并设置在所述复合原料带材的外表面上并围绕所述复合原料带材形成壳体的涂覆层，
所述涂覆层包含第二树脂。
12.根据权利要求11所述的被涂覆复合原料带材，其中，在所述复合原料带材内彼此平行延伸的所述纤维为连续纤维。
13.根据权利要求11所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述纤维在所述复合原料带材的整个横截面上的密度为至少40％体积。
14.根据权利要求11所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述涂覆层进一步包含选自由纤维、颗粒和薄片组成的组的填料。
15.根据权利要求11所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述复合原料带材的横截面轮廓选自由矩形和梯形组成的组，并且其中，所述被涂覆复合原料带材的横截面轮廓选自由椭圆形、圆形、矩形和圆角矩形组成的组。
16.根据权利要求15所述的被涂覆复合原料带材，其中所述矩形包括正方形，并且所述圆角矩形包括圆角正方形。
17.根据权利要求11所述的被涂覆复合原料带材，其中，所述第一树脂和所述第二树脂中的一者包含选自由以下项组成的组中的一种或多种材料：聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和热塑性聚酰亚胺(TPI)。
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