CN109874320A - 用于复合材料的制造的增强的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于从复合材料制造物体的增材制造方法，包括步骤：提供支撑结构，所述复合材料将靠着所述支撑结构形成；邻近所述支撑结构安装增强材料；及逐步将基体材料施加到所述支撑结构以覆盖所述增强材料，所述基体材料从可相对于所述支撑结构移动的喷嘴进行施加。

Description

用于复合材料的制造的增强的增材制造方法
技术领域
本发明涉及用于复合材料的制造的增材制造方法。更具体地，但不排他地，本发明涉及用于增强的复合建筑板、屋顶或地板桁架和横梁、柱及覆层的制造的增材制造方法。
背景技术
增材制造方法如3D打印已被提出并广泛用于许多小规模物品的制造，尽管在使用这样的方法制造大规模物品如建筑板时已遭遇困难，目前其形成既耗时又劳动密集。同样，一些先前用3D打印方法形成的物品对于用在具有最小强度要求的应用中或者用在需达到适合工程项目的相应建筑施工规范的要求的应用中缺少足够的结构强度。
本发明的例子寻求解决或者至少改善先前提出的增材制造方法的一个或多个缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于从复合材料制造物体的增材制造方法，包括步骤：
提供支撑结构，所述复合材料将靠着所述支撑结构形成；邻近所述支撑结构安装增强材料；及
逐步将基体材料施加到所述支撑结构以覆盖所述增强材料，所述基体材料从可相对于所述支撑结构移动的喷嘴进行施加。
根据本发明的优选实施例，所述支撑结构被倾斜及提供封闭件，所述支撑结构和所述封闭件协作以形成铸型腔，所述复合材料在铸型腔中形成。优选地，封闭件随着基体材料的施加逐步施加。
优选地，喷嘴为可移动的打印头的一部分。
该方法还可包括步骤：使得成形件与基体材料接触以获得所需的表面轮廓。成形件可以是刮刀的形式。
提供支撑结构的步骤可包括邻近支撑结构设置织物材料并向织物施加硬化剂。
优选地，增强材料被形成为具有支座以保持与支撑结构分隔。
优选地，基体材料在施加期间进行加热。支撑结构可被加热以加热基体材料。在一些实施例中，增强材料导电，及基体材料通过向增强材料施加电流进行加热。
根据一些实施例，施加基体材料以封装增强材料。
该方法还可包括步骤：旋转支撑结构以形成三维物体。在一些例子中，支撑结构具有三维形状。在其它例子中，支撑结构为模板的形式。
支撑结构可被形成为具有凹口，增强材料可被接收在凹口中。在一些例子中，支撑结构为具有凹处的波纹片的形式，增强材料可被接收在凹处中。优选地，支撑结构由可模制复合材料形成。支撑结构可以是磁性镶板的形式。
该方法还可包括步骤：在施加基体材料之前给增强材料预加应力。
在一些例子中，复合材料为板或桁架的形式。这样的板可被提供成具有用于将多个类似的板连接在一起的连接装置。
优选地，增强材料从下组选择：钢、石墨烯、碳纤维或玻璃纤维。增强材料可以是网状或蜂窝状材料。
在一些实施例中，增强材料按多层进行施加。基体材料可包括水泥、聚乙烯或聚氨酯。
该方法还可包括步骤：添加填充材料，其可由聚苯乙烯形成。
附图说明
本发明的优选实施例将结合附图进行进一步描述，但其仅作为非限制性例子。
图1为本发明一实施例的方法的示意性流程图。
图2为使用本发明一实施例的方法形成的物体的透视图。
图3为图2的物体的侧视图。
图4为使用本发明另一实施例的方法形成的物体的透视图。
具体实施方式
参考图1，示意性地示出了用于从复合材料制造物体的增材制造方法。该方法包括下述步骤：(A)提供支撑结构，复合材料将靠着该支撑结构形成；(B)邻近支撑结构安装增强材料；及(C)向支撑结构逐步施加基体材料以覆盖增强材料，基体材料从可相对于支撑结构移动的喷嘴施加。
图1-3示意性地示出了不同实施例中的形成物体的方法。在图1的例子中，支撑结构12按平坦表面的形式提供，及增强材料14邻近支撑结构12进行安装。增强材料14为金属丝网的形式。尽管被示为单层，但增强材料14可被形成为多层。同样，该层或者每一层可居中设置在所形成的物体内或者靠近任一侧表面。增强材料14优选被形成为具有多个变形，如图2中所示。这样的变形可使用冲压或按压操作形成，其使网的部分弯曲到网通常所处的平面之外。以这种方式形成增强材料14使增强材料14能保持与支撑结构12间隔开并被封装在基体材料内以保护增强材料免遭破坏性因素如腐蚀、热和火等的影响。这样的设置使所形成的物体能符合适合物体使用的建筑施工规范，及还可提供审美上令人喜爱的外观。在其它实施例中，增强材料可被形成在物体侧面上，或内部或外部，及至少部分暴露。
在图1-3所示的实施例中，支撑结构12包括与支撑结构12协作以形成模腔的封闭件或侧部16，从而在施加期间将基体材料保持在原位。应意识到，封闭件16可采取许多形式及优选用抗粘或下模剂进行处理以防止基体材料粘到封闭件16上。
在一些形式中，基体材料将为高度黏性材料和/或将非常快速地凝结，使得不需要封闭件16。在这样的实施例中，基体材料在施加期间可被使得光滑或者可被抹拭以提供光面精整。使得光滑可通过刮刀或滚压机进行。
在一些形式中，支撑结构12被倾斜成与水平成一定角度，该角度将根据将要形成的物体及其它方法限制条件进行选择。图3示出了垂直布置的支撑结构112。再次地，增强材料114邻近支撑结构112进行安装，及增强材料114为金属丝网的形式，其优选被形成为具有多个变形，这些变形使得增强材料的部分在增强材料所处平面的外面，如图3中所示。再次地，支撑结构112包括与支撑结构112协作以形成模腔的封闭件或侧部116，从而在施加期间将基体材料保持在原位。应意识到，封闭件116可采取许多形式，及优选用抗粘或下模剂进行处理以防止基体材料粘到封闭件116上。可提供另外的封闭件118a、118b以在固化期间将基体材料保持在适当位置及可随着基体材料的施加逐步施加。
在步骤(C)中施加的基体材料从喷嘴施加，喷嘴是可动打印头如3D打印机的打印头的一部分。应意识到，为了方便，喷嘴可移动以施加或沉积材料，尽管在其它形式中，复合材料可相对于固定喷嘴移动，或者复合材料和喷嘴可相对于彼此移动。
打印头优选包括用于对复合材料进行造型的成形件，及该方法还可包括步骤(D)使得成形件与基体材料接触以获得所需要的表面轮廓。在一形式中，成形件为刮刀的形式。在其它形式中，成形件可以是滚压机或者可切割或机器加工基体材料。
在一些实施例中，尤其是基体材料被按多层累积的实施例中，可提供旋转刷以清除增强材料的材料累积。
为确保基体材料的随后的层之间的熔合(只要适当)，基体材料可在施加期间进行加热。为此，可提供使用热空气、感应加热、红外加热或UV灯的加热枪。支撑结构可被加热以加热基体材料，或者，在其它形式中如增强材料导电的形式中，基体材料可通过向增强材料施加电流进行加热。
在使用聚合物基体材料的实施例中，聚合物可作为塑料线馈给喷嘴，或者喷嘴可以是配置成接收塑料小球并在打印头中或者接近打印头的地方使它们热混合的打印头的一部分。在这样的实施例中，打印头可包括用于熔化小球的加热元件及用于将熔化的聚合物朝向喷嘴推进的螺旋推运器。有利地，可使用聚合物小球如回收利用的聚合物小球，从而降低形成物体的成本。在以前，由于缺乏精确性，对于用在增材制造方法中，回收利用的小球不受欢迎，尽管所描述的方法由于施加基体材料的方式可利用这样的材料。
在优选形式中，基体材料完全或部分地封装增强材料。在这点上，基体材料可按多层进行施加和累积以封装增强材料。在其它形式中，基体材料可以不完全封装增强材料以使随后的层能形成或连接在一起。为有利于随后的层结合在一起，增强材料可配置成与增强材料的其它类似部分互锁啮合。
在一形式中，支撑结构可以是三维形式，使得可形成三维物体。在其它形式中，该方法还可包括步骤：旋转支撑结构以形成三维物体。有利地，可形成三维构件如建筑件，例如飞机或直升机机体、船壳或车体。同样，通过所描述的方法形成的复合材料可以是具有封装在保护性基体材料内的增强件的板或桁架。其也可被提供成具有用于将多个类似构件连接在一起的连接装置。
支撑结构可采取许多形式，在一例子中，可以是模板的形式。同样，支撑结构可包括配置成在为金属形式时保持接近增强材料的磁性镶板。在其它形式中，支撑结构可随着基体材料的施加逐步进行组装以逐步建立大规模物品，如多层住所。
在例如图2和3所示的实施例中，支撑结构12可形成为刚性件，例如其可以是钢或木头。在例如图4所示的实施例中，支撑结构112也可形成为刚性件，例如钢或木头，尽管其也可原位形成。在这点上，支撑结构112可由柔性材料如织物或薄膜形成，向其施加硬化剂以形成刚性体从而将基体材料保持在适当位置。硬化剂可以是可固化树脂或胶水，如氰基丙烯酸盐粘合剂。
许多不同的材料可用于增强材料，例如钢、石墨烯、碳纤维或玻璃纤维。纤维材料如黄麻、大麻或剑麻也可使用，本领域技术人员应意识到，可类似地使用许多其它可通过商业途径获得的材料。同样，增强材料可采取许多形式，例如杆如传统的混凝土配筋杆、网状或蜂巢状材料，及可以是金属或非金属材料，及可以是网状或非网状材料。在一些例子中，增强材料按多层进行施加，其可配置成彼此互锁啮合。增强材料可以在施加基体材料之前预加应力或者在已施加基体材料之后后加应力。为提供具有针对所希望的应用的特性的复合材料，增强材料可在不同方向不同程度地预加应力/后加应力。
应意识到，基体材料可采取许多形式，例如水泥、塑料如聚乙烯或聚氨酯、或者其组合。由于在冷却时收缩，聚合物基体材料特别有用，因为它们与增强材料交互作用从而提供强壮的物体。在优选例子中，基体材料为LDPE，其形成的物体可变形为所需要的形状。
所描述的方法还可包括添加填充材料的步骤，例如添加聚苯乙烯以填充复合材料中的空隙。在其它形式中，支撑结构12、112可配置成减小所需基体材料的体积及减小所形成物体的重量。在一例子中，支撑结构可包括凹口，如在支撑结构中机器加工形成的槽或通道，增强材料可被接收在凹口中。在其它例子中，填充料可靠着支撑结构施加以占用基体材料的体积。在一例子中，支撑结构为具有凹处的波纹片的形式，增强材料可被接收在凹处中。支撑结构也可具有三维形式以减小所需基体材料的体积。在这点上，支撑结构可由轻质塑料或者模制纸基产品形成，例如混凝纸，并可在形成期间模制或按压成形。
前面的实施例仅作为例子进行描述，在所公开的发明范围内进行修改是可能的。

Claims (28)

1.一种用于从复合材料制造物体的增材制造方法，包括步骤：
提供支撑结构，所述复合材料将靠着所述支撑结构形成；邻近所述支撑结构安装增强材料；及
逐步将基体材料施加到所述支撑结构以覆盖所述增强材料，所述基体材料从可相对于所述支撑结构移动的喷嘴进行施加。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑结构被倾斜及提供封闭件，所述支撑结构和所述封闭件协作以形成铸型腔，所述复合材料在铸型腔中形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述封闭件随着基体材料的施加逐步施加。
4.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述喷嘴为可动打印头的一部分。
5.根据前面任一权利要求所述的方法，还包括步骤：使得成形件与基体材料接触以获得所需的表面轮廓。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述成形件是刮刀的形式。
7.根据前面任一权利要求所述的方法，其中提供支撑结构的步骤包括邻近支撑结构设置织物材料并向织物施加硬化剂。
8.根据前面任一权利要求所述的方法，其中增强材料被形成为具有支座以保持与支撑结构分隔。
9.根据前面任一权利要求所述的方法，其中基体材料在施加期间进行加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其中支撑结构被加热以加热基体材料。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中增强材料导电，及基体材料通过向增强材料施加电流进行加热。
12.根据前面任一权利要求所述的方法，其中施加基体材料以封装增强材料。
13.根据前面任一权利要求所述的方法，还包括步骤：旋转支撑结构以形成三维物体。
14.根据前面任一权利要求所述的方法，其中支撑结构为模板的形式。
15.根据前面任一权利要求所述的方法，其中支撑结构具有三维形状。
16.根据权利要求15所述的方法，其中支撑结构包括凹口，增强材料可被接收在凹口中。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中支撑结构为具有凹处的波纹片的形式，增强材料可被接收在凹处中。
18.根据权利要求15-17任一所述的方法，其中支撑结构由可模制复合材料形成。
19.根据前面任一权利要求所述的方法，其中支撑结构是磁性镶板的形式。
20.根据前面任一权利要求所述的方法，还包括步骤：在施加基体材料之前给增强材料预加应力。
21.根据前面任一权利要求所述的方法，其中复合材料为板或桁架的形式。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述板被提供成具有用于将多个类似的板连接在一起的连接装置。
23.根据前面任一权利要求所述的方法，其中增强材料从下组选择：钢、石墨烯、碳纤维或玻璃纤维。
24.根据权利要求23所述的方法，其中增强材料是网状或蜂窝状材料。
25.根据前面任一权利要求所述的方法，其中增强材料按多层进行施加。
26.根据前面任一权利要求所述的方法，其中基体材料包括水泥、聚乙烯或聚氨酯。
27.根据前面任一权利要求所述的方法，还包括步骤：添加填充材料。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述填充材料为聚苯乙烯。
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