CN111163921A - 通过3d打印制造由复合材料制成的制品的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

通过3D打印制造由复合材料制成的制品的方法

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。

然而，专利中描述的形成材料的方法仅适用于通过卷绕的旋转体的制造，例如管道和压力缸。

发明内容

本发明要解决的技术问题是制造具有复杂的形状和内部结构的复合材料的功能性部件的三维打印，其具有较高的物理性能和机械性能。与密度相关的材料的比强度特性得到改善的部件的制造，其超过铝合金(AMg6，D16等)的特性，通常使用在飞机、火箭以及航天技术中。为了获得这些特性，提供了增强纤维束与基质的定性注入，以及孔和空隙的消除。

本发明的技术结果在于改善材料的比强度特性、物理特性以及机械特性，在打印过程中纤维和基质的体积分数有变化时降低孔隙率并提供均匀的内部结构。

根据权利要求说的通过三维打印方法制造由增强的连续纤维的复合材料制成的制品的方法，该方法包括，制造复合纤维，其中纤维束被注入体积分数为15-60％热固性粘合剂，并进行温度处理直至粘合剂固化；将复合纤维长丝和热塑性材料送入至挤出机；将挤出机的温度加热到超过热塑性材料的熔化温度和热固性粘合剂的玻璃化转变温度，使热塑性材料与复合纤维结合；获得挤出机沿程序路径的移动和复合材料的挤压，当将热塑性材料与复合纤维通过喷嘴至工作台表面时；该工作台表面在此处的复合纤维被冷却而变得坚硬，热塑性材料固化，并与所述复合纤维连接在一起，形式制品；在制品成型过程中，修整机构将复合纤维切割，并且挤出机移动，而无需将复合纤维和热塑性材料挤出到轨迹的下一部分，然后恢复复合纤维和热塑性材料的挤出。

另外，通过使用增强纤维和/或功能纤维作为纤维来获得技术结果。所述增强纤维是碳和/或玻璃和/或芳纶和/或玄武岩和/或硼和/或金属纤维。光学纤维和/或导电纤维用作功能性纤维。所使用的热固性粘合剂是基于苯酚甲醛、聚酯、环氧树脂、尿素、环氧酚醛、硅树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺粘合剂的热固性塑料。所述热塑性材料以长丝或颗粒或粉末的形式进料。所使用的热塑性材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙交酯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸、聚缩醛、聚砜、聚醚醚酮、聚四氟乙烯。挤出机的移动是通过至少三个坐标移动机构提供的，该机构允许其相对于工作台表面沿编程轨迹进行移动。挤出机沿程序轨迹的运动与控制系统对复合纤维和热塑性材料的供给同步，该控制系统还保持了挤出机和工作台的预设温度以及在预定时间内修整机构的接通。在制造过程中，复合纤维还涂有一层热塑性材料。

额外，因为将热塑性材料额外进料到额外的第二挤出机中并加热到高于热塑性材料的熔点的温度来获得技术结果，并且交替地从挤出机挤出复合材料和从额外的第二挤出机挤出热塑性材料至工作台表面上；以及在此过程中，如果需要暂时停止从挤出机挤出，则切割复合材料。

额外，因为将热塑性材料额外进料到额外的第二挤出机中并加热到高于热塑性材料的熔点的温度来获得技术结果，并且将额外的热塑性材料送入至额外的第三挤出机中，所述额外的热塑性材料能够在复合纤维的热塑性材料和热固性粘合剂不可溶解的物质中溶解，该额外的第三挤出机被加热到超过所述额外的热塑性材料的熔化温度的温度；并且然后依次交替地从所述挤出机挤出复合材料和从额外的第二挤出机挤出热塑性材料以及从额外的第三挤出机挤出额外的热塑性材料至工作台表面上；以及在此过程中，如果需要暂时停止从挤出机挤出，则切割复合材料。

挤出机以及额外的第二挤出机和第三挤出机的移动是通过至少三个坐标移动机构进行的，该机构允许它们相对于工作台表面沿着编程的轨迹移动。

通过请求保护的机器获得技术结果，所述机器用于制造通过三维打印的方法由用连续纤维增强的复合材料制成的制品，该机器包括：挤出机，所述挤出机具有用于送入该长丝形式的复合纤维和该热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料复合材料的喷嘴；用于长丝形式的热塑性材料和复合纤维的进给机构；增强长丝的修整机构；工作台；至少三个坐标移动机构，所述坐标移动机构允许挤出机沿编程的轨迹相对于工作台表面移动。

额外，因以长丝形式供给复合纤维的机构被制成辊子的形式来获得技术结果。当热塑性材料以长丝形式进料时，热塑性材料的进给机构以辊子的形式制成，而当热塑性材料以颗粒或粉末形式进给时，热塑性材料的进给机构以螺旋钻的形式制成。该机器还包括第二挤出机，该第二挤出机具有用于热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料热塑性材料的喷嘴，还包括额外的第三挤出机，该第三挤出机具有用于进料额外热塑性材料的进料通道，同时包含加热器、腔室、温度传感器和用于出料额外热塑性材料的喷嘴，所述额外的热塑性材料能够在复合纤维的热塑性材料和热固性粘合剂不可溶解的物质中溶解。该机器还包括至少一个三个坐标移动机构，该坐标移动机构允许挤出机、额外的第二挤出机以及第三挤出机沿着编程的轨迹相对于工作台表面移动。

创造的三维打印方法基于复合纤维的使用，其是注入有粘合剂并固化的纤维束。与前面提到的现有技术相比，被注入的材料必须是热固性的。热固性具有良好的技术性能，尤其是低粘度和对所有当前使用的增强纤维类型的良好粘合性，从而可以在基质中对增强纤维束进行高质量的注入，同时消除孔隙和空隙，从而纤维和基质接合操作(jointoperation)。同时，高质量的注入将不需要施加压力，使纤维束变形的辊子、弯曲形状的通道、纤维表面的预活化以及其他作用的存在用于解决前面提到的现有技术中的问题。

附图说明

通过使用附图，在下述对本发明所要求保护的替代实施例的描述中呈现了本发明的细节、特征以及优点，如下：

图1–复合纤维的横截面(1A–复合纤维，1B–具有热塑性涂层的复合纤维)；

图2–纤维增强复合材料制品的三维打印机示意图；

图3-挤出机喷嘴的示意图(3A–球形或圆锥形喷嘴，3B–带有平台(ledge)的喷嘴)；

图4–通过3D打印制造的多层复合材料的横截面(4A–矩形层的复合材料，4B–六角形层的复合材料)；

图5–通过3D打印制成的多层复合部件的片段；

图6–通过3D打印制成的晶格复合部件的片段；

图7–打印结构复杂的制品；

图上的以下位置用数字表示：

1–基质材料；

2–增强纤维；

3–功能性纤维；

4–复合纤维(注有基质材料的纤维束)；

5–热塑性材料(热塑性塑料)

6–具有热塑性涂层的复合纤维(复合纤维(纤维束注有基质材料)并涂覆有热塑性涂层)；

7–增强长丝(复合纤维或具有热塑性涂层的复合纤维)；

8–梭芯带有增强长丝；

9–挤出机；

10–热塑性材料的长丝(热塑性长丝/热塑性塑料长丝)；

11–带有热塑性长丝的梭芯；

12–增强长丝进给机构；

13–热塑性进给机构；

15–增强长丝进料管；

16–热塑性长丝进料管；

17–加热器；

18–温度传感器；

19–挤出机腔室(用于熔化的腔室，其中增强长丝和热塑性塑料结合在一起)；

20–喷嘴；

21–工作台(工作表面)；

22–复合材料层；

23–复合材料(从挤出机喷嘴出来的增强热塑性塑料)；

24–增强长丝修整机构；

26–喷嘴出口的圆角；

27–喷嘴的横向球形表面；

28–喷嘴平台；

29–制品示例；

30-一小段复合纤维的部分(复合纤维的体积含量较高)；

31–一大段复合纤维的部分(复合纤维的体积含量较低)；

32–部件中的孔；

33–增强复合纤维列的孔；

-复合纤维的铺设角度；

34–纵向肋骨；

35–横向肋骨；

36–肋骨相交区域；

37–额外的第二挤出机，用于使用纯热塑性塑料或离散纤维增强的热塑性塑料进行打印；

38–额外的第三挤出机，用于打印支撑结构；

39–用于打印支撑结构的热塑性材料长丝(额外的热塑性材料)；

40–精致形状的制品；

41–热塑性材料层；

42–支撑结构。

具体实施方式

创造的三维打印方法是基于复合纤维的使用(图1A)。复合纤维4是注入有基质材料1并硬化的纤维束。所述纤维束可包含连续的增强纤维2，例如碳、玻璃、芳纶、玄武岩、硼、金属纤维、以及功能性纤维3，例如光学纤维和/或导电纤维，例如铜纤维。所述纤维束可包括不同数量的纤维，例如2、100、1000、3000、6000等。用于注入的基质材料1是基于苯酚甲醛、聚酯、环氧树脂、硅树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺以及其他粘合材料，或热固性粘合剂(thermosetting binder)与热塑性粘合剂(thermoplastic binder)的混合物的热固性塑料(热凝物(thermoset))。热固性塑料具有良好的加工性能，尤其是低粘度和对目前使用的任何类型的增强纤维的良好粘合性，可在没有孔隙和空隙的情况下使增强纤维束与基质良好地注入，因此纤维和基质之间接合作用(joint action)。为了制造增强复合长丝，将纤维束注入有粘合剂，使得粘合剂的体积分数为15-60％。因此，纤维和基质材料的体积分数的比率可以在85％∶15％至40％∶60％的范围内。例如，纤维和基质材料的体积分数可具有60％∶40％，70％∶30％，80％∶20％或其它比率。然后对该纤维束进行热处理，直到基质材料完全固化。温度范围和固化时间取决于基质材料的特定类型和等级。

一可能的替代实施例，当固化复合纤维4之后，用热塑性材料5(热塑性塑料(thermoplastic))覆盖复合纤维4，热塑性材料5例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚丙交酯(PLA)、聚酰胺纤维(PA)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸(PET)、聚缩醛、聚砜、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯或其他热塑性塑料。为此目的，已固化的复合纤维4穿过装有熔化热塑性塑料5的腔室，并通过喷丝板排出，这将为热塑性涂层6的复合纤维提供规定的直径和形状(图1B)。

制品(部件)的制造是通过图2所示的机器进行的。在打印时，使用挤出机9来容纳增强长丝7(即以长丝形式的复合纤维)，即复合纤维4或具有热塑性涂层6的复合纤维(图1A或图1B)以及热塑性材料5，例如ABS、PLA、PA、PEI、聚缩醛、PET、聚砜、PEEK或其他热塑性塑料。图2示出了以热塑性长丝10的形式供应的热塑性材料5，然而，要求保护的本发明的该实施例不限于使用热塑性长丝，即，当在挤出机中以颗粒或粉末形式供给热塑性材料而不是长丝形式的热塑性塑料时，也可以是一个实施例。增强长丝7通过以辊子形式制成的增强长丝进给机构12从梭芯8移动，其中，当旋转时，推进长丝，并且控制增强长丝的张力。以热塑性长丝10形式的热塑性材料5的进料通过热塑性进给机构1从线筒11进行，其中，所述线筒以辊子的形式，辊子的旋转用于推进长丝。当使用颗粒或粉末形式的热塑性材料5时，通过热塑性进给机构以螺旋钻形式从料斗中进行进料。

进给机构12和13可以位于距挤出机不同的距离处，例如1mm、10mm、50mm、100mm、300mm等。如果进料器与挤出机相距一定距离，则可以通过进料管16将热塑性材料5(即热塑性塑料的长丝10或细粒或粉末)进料到挤出机9，而增强长丝–通过进料管15进料。

挤出机9通过加热器17被加热到超过热塑性塑料10的熔化温度和增强长丝7的热固性基质材料1的玻璃化转变温度的温度；该温度不应超过增强长丝7的基质材料1的破坏温度。加热器17可以是不同类型的，例如盒、夹具、平板以及其他类型。温度由传感器18控制，例如热电偶或热敏电阻。在该温度下，热塑性长丝10熔化并填充与增强长丝7相连接的挤出机腔室19。如果增强长丝7是涂覆有热塑性涂层6的复合纤维(图1B)，则复合纤维的热塑性覆盖层(热塑性塑料5)也会熔化。因此，复合材料23(被热塑性塑料熔体包围的复合纤维4)离开挤出机腔室。进给机构13的辊子旋转并移动热塑性长丝10，同时将其通过进料通道推入挤出机腔室19中以进料热塑性塑料。在这种情况下，当使用螺旋钻作为进给机构时，该螺旋钻还可以旋转并移动(推动)颗粒或粉末形式的热塑性塑料挤出腔室19。进给机构12的辊子旋转并通过用于进料增强长丝7的进料通道将增强长丝7移动至挤出腔室19内。在腔室19中产生热塑性塑料熔体压力，并且复合纤维与热塑性塑料一起通过喷嘴20挤出到工作台21的表面(工作表面)上以形成复合材料23(增强的热塑性塑料)。进给机构12和13操作的同时，挤出机根据制品的形状相对于工作台21移动。为了使挤出机相对于工作台移动，可以将挤出机和工作台至少安装在三个坐标移动机构上，优选安装在六个坐标机构上(所谓的定位系统)。在加热的影响下，复合纤维4的基质材料1变软，使其能够弯曲并以重复挤出机的轨迹装配在工作台21上。在离开挤出机时，热塑性熔体固化，并且复合纤维4被冷却并且再次变硬，从而形成具有高机械特性的复合材料层22。在这种情况下，在冷却之后，将复合纤维4附接到工作台21的表面或借助于热塑性层附接到制品的先前层。工作台21可以加热，用于以更安全地将复合纤维与热塑性塑料层附接。

因此，通过使用进给机构12的辊子来降低增强长丝7的进给速度，其中与挤出机9相对于工作台21的速度相比，可以产生以校直纤维2和/或3的增强长丝的张力以及对材料的机械特性的改善。相反，通过增加增强长丝7的进给率，我们可以减小增强长丝的张力，以防止在其轨迹具有大曲率时滑动。

至关重要的是，复合纤维4的基质材料1不能熔化，而只能软化，并且增强束的纤维2和/或3位于复合纤维4内部，并保持其位置。

如果挤出机不是以热塑性长丝供料，而是以颗粒或粉末形式的热塑性塑料供料，则进给机构包含螺旋钻，而不是供料辊子，该螺旋钻从料斗中捕获颗粒或粉末，然后将其送入加热的挤出机。腔室19中的压力是通过用辊子推动热塑性长丝或用螺旋钻推动颗粒或粉末来产生的。

该机器包括修整机构24，该修整机构24被设计成当增强长丝7在制品的各部分之间移动时，和在复合材料层22之间移动时，以及在制品打印结束时，切断增强长丝7。修整机构24可以位于进给机构12和挤出机9之间，或者位于喷嘴20的出口处。在后者的情况下，复合材料23被切割，即被热塑性塑料5的熔体包围的复合纤维4的修整。在此过程中，修整机构24的运动部件(例如刀具)应位于喷嘴20上方或远离喷嘴20，以免干扰打印过程。当切割时，挤出机9升起，修整机构处于运动状态，并在喷嘴20的切割边缘和制品之间切下复合材料22。

该机器包括控制系统，该控制系统提供相对于工作台21和进给机构12以及13，挤出机9的移动机构的实时编程移动，挤出机9和工作台21预定温度的维持以及在指定的时刻修整机构24的动作。

所提出的方法的主要特征之一是能够在打印过程中控制复合纤维4和热塑性塑料的体积比。这是通过如图2所示的进给机构13调节热塑性长丝10到挤出机9中的进料速率和通过进给机构12调节增强长丝7的进料速率来提供的。因此，可以改变挤出机的腔室19中的热塑性塑料的压力，并因此改变从喷嘴20出来的复合材料23中的塑料的量。进给机构12和13的辊子的旋转速度由控制系统调节，以使挤出材料(复合材料23)中的热塑性塑料的体积分数为20-70％。在这种情况下，所得复合材料23中复合纤维4的体积比可以为30-80％，其对应于复合材料23中纤维2和/或3的体积比为12％至68％。因此，可以制造部件，在该部件中，复合纤维4的体积比在制品的不同部分中将不同。如果不为挤出机提供热塑性长丝，而是为其提供颗粒或粉末形式的热塑性塑料，则可通过调节进料螺旋钻的转速来控制热塑性塑料的体积比。而且，当改变它们的速度相对于挤出机的移动速度时，进给机构12的辊子使增强长丝7推进，控制增强长丝7的张力，并因此控制布置在工作台21上的复合材料23中的复合纤维4。随着增强长丝7的张力的增加，辊子可以在轨迹的直线部分上减速，并通过减小其张力而在弯曲部分上加速，从而避免增强长丝7从打印轨迹上滑落。

为了使所得复合材料23的特性最大化，使用的喷嘴具有特殊形状，如图3所示。因为复合纤维4的基质材料1不熔化而是仅软化，所以复合纤维4不能经历导致其断裂的急剧弯曲，因此，为了避免急剧弯曲和在喷嘴的出口处对复合纤维4的损坏；通道必须有圆角(fillet)或倒圆角(rounding)。为了减小在最终制品中铺设的纤维的孔隙率和压实度，喷嘴可以具有光滑的球形，如图3A所示。在这种情况下，喷嘴的侧面27呈球状，在喷嘴面上形成环状的面；当在打印时，该表面在铺展的复合材料的表面上滑动，同时对材料施加接触压力，就像铺展机的辊子一样。如果使用高温热塑性塑料(例如PEEK)进行打印，为了确保复合材料层22之间的层的良好融合，则必须在铺设新层的位置附近对材料进行加热。为此，可以使用图3B所示的喷嘴，该喷嘴在喷嘴出口周围有平台(ledge)28。加热的平台在喷嘴出口周围提供增强的热塑性塑料的加热，以确保铺设层22与先前的层更好地融合。

由于以下事实：在打印时，通过铺设一根直径为0.2-1.0mm的复合纤维来形成复合材料(增强热塑性塑料)23，与已知的缠绕和铺设方法相比，该方法允许更灵活地去控制复合材料的内部结构，即复合纤维4的位置，将其铺设为，例如矩形，如图4A所示，也就是说，将复合纤维4，一个高于另一个(one above the other)放在热塑性塑料基质5中，或者六边形，如图4B所示，即通过将复合纤维4偏移放置在基质5中，可以增加复合纤维的体积比，从而改善制品的机械性能。

还可以灵活地控制复合纤维4在该层中的铺设路径，图5示出了复合制品的片段(fragment)，其可以以考虑的方式制造。复合纤维4的铺设角度在制品29的不同部分可以不同。另外，通过改变增强长丝7和热塑性塑料10(或以颗粒或粉末形式的热塑性塑料)在挤出机9中的进料速率，以及当复合纤维4布置时改变其之间的距离。可以在所得的复合材料中改变复合纤维4和热塑性塑料5的体积比形成制品，其中存在具有高纤维含量的部分30和具有低纤维含量的部分31。此特征可灵活控制材料的结构及其优化，以获得更耐用、更轻便的制品。此外，所考虑的方法允许加强制品的缺点，例如通过用一排或多排复合纤维33沿轮廓磨边的孔32。

控制在复合材料中复合纤维4的体积分数的上述可能性允许产生肋状增强复合结构或蜂窝状(cellular)复合结构。这种结构的片段如图6所示。作为示例，图6示出了包含相交的纵向肋骨(longitudinal ribs)34和横向肋骨(transverse ribs)35组成的结构，但是这种类型的实际结构可以包含沿着不同轨迹(直线和曲线)定向的任意数量的肋骨。所述肋骨包含复合材料层22并且包含复合纤维4。为了实现该设计，需要复合材料层22中的复合纤维4的体积比在肋骨相交区域36处和在相交区域之间的肋骨的部分处不同，以及在交叉之间的肋材料中的复合纤维4的体积含量将小于50％，优选地为40％。否则，相交区域36中的材料的厚度将大于肋骨34和肋骨35中的材料的厚度，并且在相交区域36中出现纤维的弯曲，这将降低结构的强度。该设计可以以考虑的方式实现。为此目的，当挤出机通过交叉之间的肋骨部分时，应设定塑料长丝10到挤出机9的进料速率，为了使得形成的复合材料中复合纤维4的体积含量小于50％(优选地为40％)，而在热塑性塑料5中则大于50％(优选地为60％)；当挤出机通过相交区域36时，塑料长丝10的进给速度急剧下降，此后运动停止或沿相反方向开始，从而急剧降低了挤出机腔室19中塑料的压力，从而导致在相交区域36中的热塑性塑料5的体积分数减小，其体积分数值为0至20％(优选为20％)。如果肋骨的厚度较小(最厚3毫米)，则在通过相交区域36时无需改变塑料长丝10的进给率，因为打印时可以将多余的热塑性塑料5挤出相交区域36。

为了制造形状复杂的制品，实施这种打印方法的机器应至少包含一个上述的挤出机9，该挤出机9用于用复合材料进行打印，为此，塑料长丝10(或以颗粒或粉末形式的热塑性塑料)和增强长丝7进给到挤出机中。为了扩展用于制造复杂制品的机器的能力，该机器可以包含额外的第二挤出机37和/或额外的第三挤出机38，它们是用于塑料打印的著名的挤出机。额外第二挤出机37被设计用于用纯塑料进行打印，为此，塑料长丝10(热塑性材料)以与第一挤出机9相同的方式进给到挤出机中(颗粒或粉末形式的热塑性塑料以与第一挤出机相同的方式进给到挤出机中)。额外的第三挤出机38设计用于打印支撑结构42；为此目的，向所述挤出机供应额外的热塑性材料39(以塑料线的形式，或以粉末或颗粒的形式)以打印支撑结构42，在完成制品的制造时，该支撑结构42可以以不会损坏制品其余部分(即，无损坏的热塑性材料和复合纤维的热固性粘合剂)的方法被去除，例如化学方法，因此其用于制造临时支撑结构。因此，可以制造制品40(图7)，其部分包含复合材料23，部分包含纯塑料41以及部分包含随后被去除的支撑材料42。在这种情况下，制品的制造不需要像已知的缠绕和铺设方法那样的技术工具。除了送入纯塑料10的长丝(粉末或颗粒)外，挤出机9和37还可送入包含有各种夹杂物(例如切碎的增强纤维(碳、玻璃等)或各种颗粒)的热塑性长丝。此类夹杂物用于进一步改善制品的机械特性、增加其硬度、导热性，并降低热膨胀系数或用于其他目的。

Claims (20)

1.一种通过三维打印制造由用连续纤维增强的复合材料制成的制品的方法，其特征在于，包括：

·获得复合纤维，其中纤维束中注入体积分数为15-60％的热固性粘合剂，并进行温度处理直至粘合剂固化。

·将丝状形式的复合纤维和热塑性材料进料到挤出机中；

·在将热塑性材料与复合纤维结合的同时，将挤出机加热至超过热塑性材料的熔点和热固性粘合剂的玻璃化转变温度的温度；

·沿程序轨迹移动挤出机，并通过喷嘴将热塑性材料与复合纤维结合在一起的复合材料挤出至工作台表面，其中复合纤维冷却后变硬，并且热塑性材料的熔体固化连接的复合纤维一起形成一个制品；

·在形式制品的过程中，通过修整机构对复合纤维进行切割，并在不将复合材料挤出到编程轨迹的下一个部分的情况下移动挤出机；然后恢复复合材料的挤出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于获得包含增强纤维或功能性纤维，或两者一起的复合纤维的纤维束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增强纤维包括碳或玻璃或芳纶或玄武岩或硼或金属纤维，或所述纤维的组合。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述功能纤维包括光学纤维或导电纤维。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热固性粘合剂是基于苯酚甲醛、聚酯、环氧树脂、尿素、环氧酚醛、硅树脂、聚酰亚胺或双马来酰亚胺粘合剂的热固性塑料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性材料以长丝或颗粒或粉末的形式进料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙交酯、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸、聚缩醛、聚砜、聚醚醚酮、聚四氟乙烯。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤出机的移动是借助于至少三个坐标移动机构来进行的，所述机构允许所述挤出机相对于所述工作台表面沿着所述编程轨迹移动。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挤出机沿着所述编程轨迹的运动通过控制系统与所述复合纤维和热塑性材料的供应同步，所述控制系统还保持了挤出机的预设温度和工作台的温度以及在预定时间内修整机构的接通。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制造过程中，复合纤维还涂有一层热塑性材料。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述热塑性材料额外进料到额外的第二挤出机中，加热到高于所述热塑性材料的熔点的温度，并且将来自所述挤出机的复合材料和来自所述额外的第二挤出机的热塑性材料挤出至所述工作台表面，当需要暂时停止从挤出机中挤出时，则执行复合纤维切割。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述挤出机和额外的第二挤出机的移动借助于至少三个坐标移动机构来进行，所述至少三个坐标移动机构允许它们沿着所述编程轨迹相对于所述工作台表面移动。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述热塑性材料额外进料至额外的第二挤出机中，并加热至高于所述热塑性材料的熔点的温度；将能够在复合纤维的热塑性材料和热固性粘合剂不可溶解的物质中溶解的额外的热塑性材料进料到额外的第三挤出机中，将额外的第三挤出机加热到超过所述额外的热塑性材料的熔化温度的温度；然后进行以下挤出：所述复合材料从所述挤出机挤出，所述热塑性材料从所述额外的第二挤出机挤出以及所述额外的热塑性材料从所述额外的第三挤出机挤出，所述挤出在工作台表面上进行，同时当需要暂时停止从挤出机中挤出时，执行复合纤维的切割。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述挤出机和所述额外的第二挤出机以及所述第三挤出机的移动均借助于至少三个坐标移动机构来进行，所述机构允许它们沿着所述编程轨迹相对于所述工作台表面移动。

15.一种根据权利要求1所述的方法制造由用连续纤维增强的复合材料制成制品的机器，其特征在于，包括：

·挤出机，所述挤出机具有用于进料丝状形式的复合纤维和热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料复合材料的喷嘴；

·热塑性材料和复合纤维的进给机构；

·增强长丝的修整机构；

·有表面的工作台；

·至少三个坐标移动机构，允许挤出机沿编程的轨迹相对于工作台表面移动。

16.根据权利要求15所述的机器，其特征在于，所述复合纤维的进给机构是通过辊子制成的。

17.根据权利要求15所述的机器，其特征在于，用于复合纤维的进给机构是通过辊子制成的，并且用于热塑性材料的进给机构是通过螺旋输送机制成的。

18.根据权利要求15所述的机器，其特征在于，所述机器还包括第二挤出机，所述第二挤出机具有所述热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料所述热塑性材料的喷嘴。

19.根据权利要求15所述的机器，其特征在于，所述机器还包括第二挤出机，所述第二挤出机具有用于进料所述热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料热塑性材料的喷嘴，并且还包括第三挤出机，所述第三挤出机具有用于出料额外的热塑性材料的进料通道，同时包括加热器、腔室、温度传感器以及用于出料所述额外的热塑性材料的喷嘴，所述额外的热塑性材料可溶于热塑性材料和热固性粘合剂复合纤维不可溶解的物质中。

20.根据权利要求19所述的机器，其特征在于，所述机器还包括至少三个坐标移动机构，所述机构允许移动所述挤出机，所述额外的第二挤出机和所述额外的第三挤出机相对于所述工作台表面沿着所述编程轨迹移动。

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