CN111867808A - 纤维增强3d打印 - Google Patents

纤维增强3d打印 Download PDF

Info

Publication number
CN111867808A
CN111867808A CN201880091075.1A CN201880091075A CN111867808A CN 111867808 A CN111867808 A CN 111867808A CN 201880091075 A CN201880091075 A CN 201880091075A CN 111867808 A CN111867808 A CN 111867808A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polymer
nozzle
filaments
heating
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880091075.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111867808B (zh
Inventor
米可·胡托宁
简妮·皮拉贾玛基
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arctic Biomaterials Oy
Original Assignee
Arctic Biomaterials Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arctic Biomaterials Oy filed Critical Arctic Biomaterials Oy
Publication of CN111867808A publication Critical patent/CN111867808A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111867808B publication Critical patent/CN111867808B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227—Driving means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/295—Heating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/382—Automated fiber placement [AFP]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
    • B29K2105/0872—Prepregs

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)

Abstract

一种3D打印机包括用于供应预浸渍纤维复合长丝(800)的打印头(500)，预浸渍纤维复合长丝包括在热塑性基体材料之内的非弹性轴向纤维股线。在长丝供应器与加热喷嘴(2)之间的第一加热区(1)能够加热到基体的熔化温度之上。喷嘴之后的固结元件(9)将固结力施加到长丝，以使长丝附着到部件上。喷嘴能够加热到至少基体的熔化温度。长丝被驱动通过第一加热区进入喷嘴中。第一加热区之前的冷区(6)使长丝的温度保持低于基体的熔化温度。第一加热区与喷嘴之间的热断区(7)在第一加热区与喷嘴之间产生温度间隙。打印头/固结元件能够在三个自由度上移动。本申请进一步涉及一种部件的增材制造的方法。

Description

纤维增强3D打印
技术领域
本发明涉及部件的增材制造，更特别地，涉及用于纤维增强部件的增材制造的方法和三维打印机。
背景技术
以下背景描述技术可以包括见解、发现、理解或公开内容，或者与在本发明之前为相关技术所不知但由本公开提供的公开内容一起的相关内容。在本文中公开的一些此类贡献可以在下面具体指出，而本公开所包含的其他此类贡献从其上下文中是显而易见的。
自动纤维铺放(AFP)是指一种用于复合结构的增材制造过程，在该过程中，将连续纤维逐层对齐在预定路径上，以形成所述结构。现有技术已知热塑性复合的自动纤维铺放。AFP技术可用于具有连续增强纤维(碳纤维、玻璃纤维等)的热固性聚合物和热塑性聚合物。在AFP中，热塑性聚合物原料为浸渍、预制和固化的纤维束的形式。纤维束通过打印头进给，在打印头中，纤维束被加热到基体聚合物(即，热塑性聚合物)的熔化温度以上。打印头连接到机器人上，所述机器人布置为在预定的三维(X-Y-Z)路径上完成纤维的打印，从而形成最终部件的所需结构。
熔丝制造(FFF)是一种三维(3D)打印技术，其中使用热塑性材料的连续长丝。通过使用熔丝制造技术来制造的3D打印对象的机械性能受到限制，因为这些对象通常仅由聚合物组成。通过向聚合物中添加短切(短)纤维增强体来打印长丝，可以减轻这种限制，但这并不能显著改进3D打印对象的机械性能。
连续纤维增强体可以用于塑料复合材料，以提供高强度。然而，到目前为止，在熔丝制造中使用连续纤维增强体的商业经验非常有限。
US5936861A公开了一种使用预浸渍连续纤维增强原材料通过单喷嘴挤出连续纤维增强体的熔丝制造(FFF)的技术，其中，在打印过程中，增强纤维在链接到打印装置上的外部浸渍槽上被浸渍。在3D打印过程中，纤维增强体在位于打印装置前面的外部浸渍装置中被浸渍。替代地，使用共磨纤维束，其中，基体和增强纤维都以纤维的形式在同一纤维束中，所述纤维束通过3D打印喷嘴进给，在所述喷嘴中，基体纤维熔化并使纤维被浸渍。
由Ryosuke Matsuzaki等人公布的“Three-dimensional printing ofcontinuous-fiber composites by in-nozzle impregnation”(科学报告6，文章编号:23058(2016)，doi:10.1038/srep23058，2016年3月11日在线发布(http://www.nature.com/articles/srep23058))公开了使用浸渍喷嘴的装置，其中，在专门设计的浸渍喷嘴中，纤维在打印过程中被热塑性聚合物浸渍。
US 14491439和US 9327453 B2公开了使用双挤出机打印聚合物基体和连续纤维增强体。他们公开了使用FFF，其中连续纤维的3D打印是使用预浸渍、预制和固化的纤维长丝进行的，所述纤维长丝由热塑性聚合物浸渍并在纤维打印喷嘴中被加热。3D打印机还包括仅用于打印基体材料的另一个打印喷嘴。纤维打印喷嘴对喷嘴内熔化的纤维增强长丝施加压平力/熨平力。在自动纤维铺放技术中，压平力/熨平力等于固结力。
使用打印连续纤维的FFF方法和AFP法，通过施加连续纤维增强体以形成最终结构，而逐层生成3D结构。在FFF和AFP中，嵌入热塑性或热固性聚合物基体中的连续纤维通过打印头挤出，以形成连续纤维增强3D结构。连续纤维的AFP和FFF在打印对象的尺寸和形式上有所不同。在AFP中，通常生成非常大的对象，而AFP通常用于(但不限于)形成中空结构。另一方面，连续纤维的FFF可以用来生成任何形状的更小的对象。
在连续纤维的FFF和热塑性聚合物的AFP技术中，原料都是以浸渍、预制和固化的纤维增强丝束的形式。在连续纤维的FFF和热塑性聚合物的AFP技术中，原料丝束通过打印头进给，在所述打印头中，丝束被加热到基体聚合物的熔化温度以上，之后纤维被逐层铺在打印表面上。在连续纤维的FFF和热塑性聚合物的AFP技术中，熔化的纤维均受到压实力(即，固结力和/或压平力/熨平力)，该力使纤维附着到正在制造的部件上。在AFP中，压实力/固结力由固结辊施加，而在连续纤维的FFF中，压实力/固结力由加热纤维打印喷嘴(熨边)的外部几何结构施加。在AFP技术中，这种力被称为压实力/固结力，而在连续纤维的FFF中，这种力被称为压平力/熨平力。FFF和AFP可以用于挤出嵌入热塑性聚合物或热固性聚合物中的连续纤维，并通过增材制造(即，3D打印)从这些材料中生成对象。现有的3D打印技术与打印连续纤维的自动纤维铺放技术的区别在于打印对象的尺寸和形式。
在FFF和AFP中，通过聚合物表面的熔化粘结将纤维压实到打印部件上。熔化粘结包括三个阶段：紧密接触、分子扩散(再附着或自粘)和固结。紧密接触阶段包括：在热和压力下将两个表面结合在一起，使得每个表面的聚合物基体彼此直接接触。一旦实现紧密接触，聚合物链通过热振动在两层(表面)之间扩散，并缠结以形成粘结。最后，在压力下冷却粘结区，并且形成内聚性粘结(cohesive bond)。
其他技术包括使用浸渍喷嘴的装置，在这种装置中，在打印过程中纤维在特殊设计的浸渍喷嘴中被热固性光固化聚合物浸渍，或者将纤维层堆叠在一起。
尽管有上述方法，仍需要提供一种更先进的连续纤维增强体的3D打印技术。
发明内容
以下提供本文公开的特征的简要总结，以提供对本发明的一些示例性方面的基本理解。该总结不是对本发明的广泛概述。其并不旨在识别本发明的主要/关键元素或划定本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本文中公开的一些构思，作为更详细描述的前奏。
根据一个方面，提供独立权利要求的主题。在从属权利要求中定义了实施例。
在附图和下面的描述中更详细地阐述了一个或多个实施的示例。从说明书和附图以及权利要求书中将清楚其他特征。
附图说明
在下文中，将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1是示出根据示例性实施例的3D打印机的示意图；
图2是示出现有技术3D打印单元的示意图；
图3是示出根据示例性实施例的3D打印单元的示意图；
图4是示出根据示例性实施例的3D打印过程的流程图；
图5是示出根据示例性实施例的纤维打印单元的示意图；
图6A是示出根据示例性实施例的3D打印部件的示意图；
图6B是示出根据示例性实施例的3D打印部件的示意图；
图7A和图7B是示出根据示例性实施例的3D打印结构的示意图；
图8A、图8B、图8C和图8D是示出打印头的示例性结构的示意图。
具体实施方式
以下实施例是示例性的。尽管说明书可以在多处提及“一”、“一个”或“一些”实施例，但这并不一定意味着每个这样的提及都是针对同一实施例，或者特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可以组合，以提供其他实施例。此外，词语“包含”、“含有”和“包括”应理解为：不限制所描述的实施例仅包含那些已经提到的特征，而是这些实施例还可以含有没有特别提到的特征/结构。
一个实施例公开了由聚合物和嵌入在聚合物基体中的连续/半连续纤维增强体组成的3D打印对象的一种结构以及用于这种结构的增材制造的一种方法。
图1示出了示例性3D打印机300，其包括三个单独的3D打印单元(即，打印头)：3D打印支撑材料的第一打印单元400、3D打印聚合物长丝的第二打印单元600以及3D打印复合纤维增强长丝800的第三打印单元500。第一打印单元400、第二打印单元600和第三打印单元500能够在X/Y/Z维度上以及围绕X/Y/Z轴线的每个可能的3D旋转中自由移动(即，每个打印头400、500、600是可控的、可编程的，并且能够在三维空间轴上操作，并且进一步可选地围绕3个旋转轴旋转。然而，打印单元的数量不限于三个。相反，其他实施例可以包括两个或更多个打印单元，以3D打印例如聚合物、复合纤维长丝和/或支撑材料。3D打印机300进一步包括：可移动或固定的构建台板100，其用于支撑待制造的部件700；以及控制器200，其以可操作的方式连接到第一打印单元400、第二打印单元500和第三打印单元600上。
下面将例如结合图3、图4、图5和图8A至图8C更详细地描述3D打印复合纤维增强长丝800的示例性打印单元500的结构和操作。
图2示出了3D打印的现有技术解决方案，其包括挤出机，该挤出机用于以热塑性树脂预浸渍的连续纤维增强复合长丝的3D打印。纤维长丝800可以是纤维束3的形式，并且长丝驱动器4布置成驱动纤维复合长丝800穿过冷进给区6进入加热喷嘴11。在图2的解决方案中，加热喷嘴11具有称为“熨平唇口”的几何特征，以在3D打印过程中对正在被3D打印的长丝800的聚合物基体施加“熨平力”(即，固结力)。这种由位于喷嘴11的尖端中的小平面区域施加的“熨平力”与AFP技术中使用单独的压实辊施加的固结力相同。切割机5切割纤维增强长丝800，以形成部件的独立组件。在图2的情况下，挤出机中的纤维束3与喷嘴11之间的温度保持在Tm(Tm＝聚合物基体的熔化温度)以下，并且纤维增强复合长丝800的横截面积大于6.4×10-3mm2和小于1.3mm2。
示例性实施例与用于纤维增强对象的3D打印的现有技术解决方案的不同之处在于，在实施例中，以不同的方式来实现纤维长丝供应。示例性实施例与用于纤维增强对象的3D打印的现有技术解决方案的进一步不同之处在于，在实施例中，以不同的方式施加固结力。
图3示出了根据示例性实施例的3D打印布置。在图3中，3D打印复合纤维增强长丝800的打印单元500包括挤出机，该挤出机用于以热塑性基体材料预浸渍的连续纤维增强复合长丝的3D打印。纤维长丝800可以是纤维束3的形式，并且长丝驱动器4布置成驱动纤维复合长丝800穿过冷进给区6、第一加热区1(加热区1)和第一热断区7(热断7)进入加热喷嘴2(即，第二加热区2、加热区2)。加热喷嘴2被位于加热喷嘴2后面的固结元件9(可以是固结环9)包围。固结环9布置成将长丝800轻轻地施加(按压)到部件700上。固结环9可以加热或者可以不加热。
被打印的长丝800与底层材料的最终附着发生在固结环9中，所述固结环可以未加热，并且可以比加热喷嘴2向下突出(更接近被打印的部件700)。在压实之后，长丝800在冷却阶段发生凝固，冷却阶段可以包括通过外部冷却装置(图3中未示出)对部件进行的冷却。
切割机5布置成切割纤维增强长丝800，例如，用以形成部件700的独立组件。
如图3所示，第一加热区1位于加热喷嘴2之前，其中，预浸渍纤维复合长丝800在第一加热区1中预热，并且因此，挤出机的温度在纤维束3与加热喷嘴2之间不保持在Tm(Tm＝热塑性基体材料的熔化温度)以下(而是加热喷嘴2之前的第一加热区1的温度在Tm以上)。
第一加热区1(加热区1)是温度T≥Tm(Tm＝聚合物基体的熔化温度)的预热区。第一加热区1位于加热喷嘴2(加热区2)之前，并且第一热断区7在第一加热区1与加热喷嘴2之间。加热喷嘴2和第一加热区1可以具有单独的加热器(图3中未示出)。例如，加热喷嘴2中的温度可以高于第一加热区1中的温度，反之亦然。在材料(即，聚合物基体)到达加热喷嘴2之前对其进行预热的第一加热区1可以加快3D打印过程的速度，因为材料在进入加热喷嘴2(加热区2)之前被预热。因此，可以提高打印过程的速度。
加热区1(预热区)可以进一步提高纤维长丝层的压实度，同时也提高过程的速度。压实度的提高是纤维长丝在更长的时间和/或在更长的尺寸区域内被加热的结果。通过确保在加热喷嘴2之前在加热区1(预热)中纤维800周围的基体聚合物更好的预热，提高了压实度。
固结环9可以布置成围绕加热喷嘴2。固结环9将纤维长丝800压实到正进行3D打印的部件700上。固结环(或压实环)9可以是附接到加热喷嘴2上的单独实体。部件700与加热喷嘴2之间的间隙可以大于固结环9与部件700之间的间隙。固结环9可以由隔热材料(例如，陶瓷)形成，并且固结环9可以不被加热。替代地，固结环9可以由金属形成，并且固结环9可以由(单独的)加热器(图3中未示出)加热。
固结环9可以布置成用作焊头，以超声波方式将预热(或甚至未加热或冷却的)纤维长丝800焊接到部件700上。
另一个热断器(heat break)8可以位于加热区2(即，加热喷嘴2)与固结环9之间(见图5)。
图5进一步更详细地示出了根据实施例的喷嘴系统/喷嘴布置/喷嘴单元500(即，打印单元500)。根据实施例，图5所示的3D打印单元500配置成完成长丝进给、长丝熔化、长丝800穿过加热喷嘴2、以及在压实元件(可以是压实环或固结环9)中的长丝压实。压实环9可以是打印单元500的盖结构/壳体25的几何部件。因此，压实环可以是连接到盖结构/壳体25或任何适当的部分/部件上的单独部件(见图8A、图8B、图8C、图8D)。图5所示的3D打印单元包括固结环9和预热区(即，加热区1)。打印单元500可以进一步包括：隔热体7、8、20(即，可以选择地例如通过空气或液体来冷却的热断器7、8、20)、加热区2(加热喷嘴2)、用于预热区1的热电偶21(围绕加热区1)、用于加热喷嘴2的热电偶24、气隙22以及例如通过空气或液体来冷却的散热片23。隔热体7对应于位于预热区(即，加热区1)与加热区2(即，加热喷嘴2)之间的热断器7。隔热体8可以位于加热区2(即，加热喷嘴2)与固结环9之间。隔热体20位于预热区(即，加热区1)之前的冷进给区6处。
一个实施例能够实现分层结构的3D打印，使得纤维层可以具有与聚合物层相比相同或不同的厚度。单个纤维层的厚度可以与一个或更多个聚合物层相等。优选地，单个纤维层等于几个聚合物层。纤维800可以被打印到由聚合物层/几个聚合物层形成的凹槽中。
在一个实施例中，使用粗纤维复合长丝(直径≥0.9mm)，并且可以在一个纤维复合长丝层的顶部/下方/周围施加几个聚合物层。可以使用2个以上的打印单元/喷嘴(其中至少一个是3D打印复合纤维增强长丝800的打印单元500，即，图3的3D打印布置)。粗纤维复合长丝的直径可以是0.9mm或以上。
在一个实施例中，可以使用细纤维复合长丝。细纤维复合长丝的直径可以是0.1mm-0.9mm。细纤维复合长丝的直径可以与聚合物层的直径相同或比其大。在后一种情况下，可以在一个纤维复合长丝层的顶部/下方/周围施加几个聚合物层。
在一个实施例中，纤维增强复合长丝预浸渍有热塑性基体材料。复合纤维长丝的基体材料(以及由打印单元600 3D打印的聚合物长丝)是热塑性的；因此不需要光固化。
在一个实施例中，在纤维增强复合长丝进入加热喷嘴2之前，在第一加热区1中加热预浸渍的纤维增强复合长丝800，在所述第一加热区中，温度设定在基体材料的熔化温度以上。因此，附加的加热区1位于加热喷嘴2之前。该附加的加热区1能够加快3D打印过程的速度，因为材料在进入加热喷嘴2之前被加热。在附加的加热区1中的预热还能够随着纤维长丝加热的改进而改进被打印的纤维长丝与部件的先前被打印的材料层的固结。这可能是有益的，特别是当使用更高的打印速度时。附加的加热区1中的温度在基体聚合物材料的熔化温度以上。
在一个示例性方法中，可以调整纤维增强复合长丝进给速率。纤维增强复合长丝进给速率不必是线性和/或恒定的。纤维增强复合长丝的进给区不完全保持在热塑性基体材料的熔化温度以下，因为基体材料被预热的加热区1位于纤维增强复合长丝800的进给区中。纤维增强复合长丝800的进给区并不完全是冷的。在加热区1与加热区2之间的第一热断区7是非加热的，并且第一热断区7中的温度可以低于加热区1和加热区2中的温度。热断区7的作用是在加热区1与加热喷嘴2之间形成温度间隙。热断区7/由此产生的温度间隙能够独立地控制加热区1和加热喷嘴2的温度。
在一个实施例中，用于支撑材料的打印单元400(参见图1)布置成3D打印要从最终3D打印部件中移除的支撑材料。用于聚合物的打印单元600布置成3D打印3D打印部件的周长(表面)、精细细节和/或薄聚合物填充结构。用于复合纤维长丝的打印单元500布置成3D打印连续纤维增强体，该连续纤维增强体具有相对较高的层厚度(通常高于聚合物的层厚度)和相对宽的线宽度(通常比聚合物的线宽度宽，但与聚合物线宽度相比也可以相同或更薄)。连续纤维增强体是一种复合纤维长丝，其包括以热塑性基体材料预浸渍的纤维长丝。打印单元400、500、600的喷嘴可以是圆形的。
加热喷嘴2被压实环9包围，所述压实环可以是非加热的并且由隔热体材料制成。替代地，压实环9可以加热，并由诸如金属的有效导热的材料制成。加热喷嘴2与打印床(构建台板100)或先前打印的材料层(部件700)之间的间隙可以大于或等于打印床100或先前打印的材料层700与压实环9之间的间隙。
在一个实施例中，用于聚合物的3D打印的聚合物线可以是直径为0.1mm–5mm的连续聚合物长丝的形式，用于聚合物的喷嘴的内径可以相对较小(通常为0.1mm–3mm)，并且聚合物的3D打印线宽度很细(通常为0.1mm–5mm)。然而，原材料长丝可以具有不同于圆形金属线的几何形状。长丝的任何横截面形状都是可能的。
在一个实施例中，用于3D打印的连续纤维增强体是厚度为0.1mm–10mm的相对较厚的纤维复合长丝的形式。因此，用于纤维复合长丝的喷嘴的内径通常为0.1mm–20mm，并且纤维增强体的3D打印线宽度为0.2mm–40mm。然而，原材料长丝可以具有不同于圆形金属线的几何形状。长丝的任何横截面形状都是可能的。
图6A、图6B、图7A和图7B是示出根据示例性实施例的3D打印部件的简化图。
在一个实施例中，在通过利用加热喷嘴2来3D打印的部件中的纤维增强体的层厚度可以比通过使用用于聚合物的喷嘴来3D打印的聚合物层的层厚度高。在3D打印对象700中，可以存在由单个复合纤维长丝层覆盖的几个薄聚合物层(参见图6A)。复合纤维长丝层也可以嵌入3D打印部件的内部之内(参见图6A)。由于大部分3D打印时间通常被填充正在被3D打印的部件而消耗，因此由3D打印部件的内部(或顶部)中的复合纤维长丝层提供的复合纤维长丝层厚度的增加能够使3D打印时间显著减少。
3D打印线的线宽度取决于对应的挤出机喷嘴的直径，即，喷嘴直径较小能够使3D打印的线具有较细的线宽度，而喷嘴直径较大能够使3D打印的线具有较粗的线宽度。
可以通过利用现有技术和系统来实现打印单元400、600、用于聚合物/聚合物长丝供应器的喷嘴以及用于支撑材料/支撑材料供应器的喷嘴。因此，本文不需要更详细地讨论它们。
最终3D打印部件700可以包含聚合物部分、连续纤维增强部分和附加填充和支撑结构。
在纤维长丝打印中，喷嘴是指纤维长丝通过其喷射的装置。在纤维长丝打印中，通过喷嘴2喷射的纤维长丝的速度可以与从纤维束3中进给的长丝的速度相同或比其慢或快，由纤维驱动装置4确定。喷嘴2和/或固结环9不限制横截面积。
在一个实施例中，从纤维束3出来的长丝进给速率(由纤维驱动器4确定)在短时间段内可以等于通过喷嘴2的长丝喷射速率，并且之后，纤维驱动器4/纤维束3可以在长丝800通过喷嘴2喷射的同时自由滚动。
在一个实施例中，从纤维束3出来的长丝进给速率(由纤维驱动器4确定)在短时间段内可以等于通过喷嘴2的长丝喷射速率，并且之后，纤维驱动器4/纤维束3可以在长丝800通过喷嘴2喷射的同时预装载长丝。
长丝是指被卷绕的构建材料的横截面积，保留了三维打印的含义，并且股线可以是指例如嵌入基体中的单个纤维，共同形成整个复合长丝。
在3D打印过程中，将连续增强长丝施加到构建台板100上以构建层700来形成三维结构。构建台板100的位置和定向和/或每个喷嘴的位置和定向由一个或更多个控制器200控制，以在所需的位置和方向上沉积连续纤维增强长丝。每个3D打印材料(支撑材料、聚合物和纤维长丝)的方向和位置都可以在X、Y和Z方向上以及围绕这些方向中的每个方向的所有可能旋转进行控制。位置和定向控制机构可以包括龙门系统、机械臂和/或H框架，所述机构将装备有到控制器200上的位置和/或位移传感器，以监视喷嘴相对于构建台板100和/或正在构造的部件的层700的相对位置或速度。控制器200可以使用感测到的X、Y和/或Z位置和/或位移和/或围绕X、Y和Z位置/轴线中的一个或更多个的旋转、或速度矢量来控制喷嘴或台板100的移动。
三维打印机300可以包括由控制器200控制的切割机5，以切割连续纤维增强长丝800，以在所述结构上形成单独的组件。例如，切割机5可以是切割刀片或激光器。
长丝驱动器4以(可以由控制器200可变地控制的或可以不由控制器200可变地控制的)进给速率进给或推动未熔化的长丝800，之后，正如结合图3所述的，可以加热复合长丝800的基体材料。
在加热区1中加热复合长丝800以及由此加热基体材料，在所述加热区中，温度设定为高于基体材料的熔化温度，并且小于连续纤维增强体的熔化温度。
控制器200控制喷嘴2的位置和移动、进给速率、打印速率、切割机5和/或温度，以完成3D打印。
当部件700完成时，可以将最终部件700从构建台板100上移除。替代地，可以使用副打印头在部件上沉积可选的涂层，以提供保护涂层和/或将图形或图像应用在最终部件上。
剩余空间可以或者留作空隙，或者用诸如聚合物的单独材料来填充。
加热区1、2是导热的，例如由铜、不锈钢、黄铜等制成。
喷嘴可以各自具有相同的或不同的喷嘴直径。
一个实施例公开了一种能够3D打印连续纤维增强体的先进3D打印机。公开了一种先进的3D打印机和用于部件的增材制造的方法，与现有的3D打印机和方法相比，其能够以替代方式3D打印连续纤维增强体。
一个实施例能够生产比使用传统FFF打印机来3D打印的3D打印对象更强的3D打印对象。一个实施例还能够使3D打印时间最少。在一个实施例中，3D打印对象通过纤维增强体被增强。一个实施例能够将连续纤维增强体包含到要被3D打印的对象中。
在一个实施例中，3D打印机300可以包括3D打印复合纤维增强长丝800的打印单元500和3D打印聚合物长丝的打印单元600，但是没有3D打印支撑材料的打印单元400。
在一个实施例中，3D打印机300可以包括3D打印复合纤维增强长丝800的打印单元500和3D打印支撑材料的打印单元400，但是没有3D打印聚合物长丝的打印单元600。
在一个实施例中，3D打印机300可以包括3D打印复合纤维增强长丝800的打印单元500，但是没有3D打印支撑材料的打印单元400，并且没有3D打印聚合物长丝的打印单元600。
复合纤维长丝由纤维增强体和将长丝束粘合在一起的热塑性基体聚合物形成。纤维增强体可以包含一种或更多种纱线，其含有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维(例如，红麻、大麻等)、热塑性聚合物纤维(例如，聚酰胺、PLA等)和/或混杂纤维(在单个复合纤维长丝中含有两种或更多种不同的纤维)。每股纱线可以含有1至1 000 000根单独的纤维。
用于粘合复合纤维长丝中的纤维增强体的基体材料可以包含热塑性聚合物，例如，但不限于：PLA、PGA、PLGA、PLDLA、PCL、TMC、PA、PE、PEEK、PEKK、各种单体的共聚合物、和/或各种热塑性聚合物/共聚合物的混合物。
聚合物长丝可以包含热塑性聚合物，例如，但不限于：PLA、PGA、PLGA、PLDLA、PCL、TMC、PA、PE、PEEK、PEKK、各种单体的共聚合物、和/或各种热塑性聚合物/共聚合物/添加剂的混合物。
支撑材料可以包含任何热塑性聚合物，所述热塑性聚合物能够溶解在与复合纤维长丝和聚合物长丝中所使用的聚合物的溶剂不同的溶剂中。该溶剂可以包括但不限于水、乙酸、丙酮、油等。替代地，支撑材料可以包含任何热塑性聚合物、共聚合物和/或混合物，其可以在打印过程之后从3D打印部件机械地分解。在这种情况下，对支撑材料的溶解性没有限制或要求。
图4是示出热塑性预浸渍纤维复合长丝800的3D打印的示例性过程的流程图。参见图4，用于部件700的增材制造的方法包括：供应401热塑性预浸渍纤维复合长丝800，该长丝800包括一条或更多条非弹性轴向纤维股线，该纤维股线在长丝800的热塑性基体材料之内延伸。要制造的部件700被支撑在可移动或固定的构建台板100上。在3D打印单元500中，在纤维复合长丝供给3与3D打印单元500的加热喷嘴2之间延伸的第一加热区1处加热402预浸渍纤维复合长丝800。第一加热区1的温度设定为在热塑性基体材料的熔化温度之上。所述方法进一步包括：在加热喷嘴2处加热404预浸渍纤维复合长丝800，以保持纤维复合长丝800的温度，或将纤维复合长丝800加热到更高的温度。加热喷嘴2的温度设定为在基体材料的熔化温度之上。热塑性预浸渍纤维复合长丝通过压实环9从加热喷嘴2挤出，并且打印单元500和/或压实环9和构建台板100通过多个致动器在三个自由度内相对于彼此移动405(例如，打印单元500和构建台板100可以在三个自由度内相对于彼此移动405)。替代地，构建台板100是固定的，并且仅通过在X、Y和Z方向上以及可能以围绕这些轴的所有可能的旋转移动打印单元500和/或压实环9来产生生成部件700所需的移动。压实环9向挤出的纤维长丝800施加压实力，并确保纤维长丝800牢固地附着到先前打印的纤维/聚合物/支撑层700上。紧跟在压实环9之后的是附加冷却器单元，该附加冷却器单元冷却打印的纤维层并改善其凝固。包括一条或更多条非弹性轴向纤维股线的纤维复合长丝800以选定的进给速率被驱动406通过第一加热区1进入加热喷嘴2，其中，可以控制进给速率和/或打印速率。纤维复合长丝800的加热可以在第一加热区1与加热喷嘴2之间的非加热的热断区7处中断403。不控制纤维复合长丝800在打印过程中行进通过的热断区7的温度；第一加热区1和加热喷嘴2通过热断区7彼此热分离(隔离)。为了形成部件700，将长丝800粘附到部件700(例如，到先前打印的纤维、聚合物或支撑层)或构建台板100上。长丝800可以由切割机5切割408，例如，当部件700完成409时，当供应的材料被改变成例如聚合物长丝/支撑材料时，或者当部件700的设计需要时。
在一个实施例中，凝固发生在加热喷嘴2之后的冷却阶段中。
图7A和图7B是示出根据示例性实施例的3D结构的示意图(透视图、侧视图和俯视图)。
在根据实施例的打印结构中(即，在3D打印部件700中)，纤维增强体呈现为0.1mm–10mm厚的长丝。在一个实施例中，加热喷嘴2(即，第二加热区2)的内径通常为0.1mm–20mm，并且打印的线宽度为0.2mm–40mm。
(通过使用纤维打印单元500打印的)单个纤维增强体的层厚度可以大于(通过使用聚合物打印单元600打印的)单个聚合物层的厚度。因此，在通过根据实施例的方法和3D打印机打印的部件700中，在仅有一个纤维层覆盖的同一高度上可以存在几个聚合物层。纤维层可以嵌入3D打印的部件700的内部中。由于大部分打印时间通常是被填充正在打印的部件700所消耗，因此，通过部件内部中的厚纤维层而增加层厚度显著地减少了打印时间。
部件700可以包括四个部分：聚合物结构、连续或半连续纤维增强体、附加填充物和支撑材料。为了完成3D打印，装载3D模型，并为部件的各个部分设定打印参数。装载3D模型并设定参数，使得：作为打印的结果，聚合物结构形成/定义部件的外部和内部形状，支撑材料形成用于部件700的支撑结构，纤维增强体使部件增强，并且附加的填充物填充部件700的纤维层中(即，打印的纤维长丝800之间)的空的空间/区域，以完成部件。打印参数包括例如每个层的层高度。
图8A、图8B、图8C和图8D是示出包括固结元件9和第一加热区1的打印头的示例性结构的示意图。示出了通过线A-A的横截面。
在图8A中，固结元件是打印头盖结构的固定部件。图8A中所示的打印头结构类似于图5中所示的结构。
在图8B中，固结元件不是打印头盖结构的固定部件；相反，固结元件相对于打印头盖结构是可移动的。
在图8C中，固结元件不是打印头盖结构的固定部件(相反，固结元件相对于打印头盖结构是可移动的)，并且在固结元件之后存在附加的构件，例如，加热单元26、冷却器超声波焊接头26等。
在图8D中，固结元件是打印头盖结构的固定部件，并且在固结元件之后存在附加的构件，例如，加热单元26、冷却器超声波焊接头26等。
否则，在图8B、图8C和图8D中所示的打印头结构在很大程度上类似于图5中所示的打印头结构。
示例1
使用定制软件，从要3D打印的对象的3D设计中生成用于纤维打印和聚合物打印的G代码。根据生成的G代码，将连续纤维增强体3D打印在由3D打印聚合物材料生成的凹槽中。将单独的打印单元/喷嘴用于聚合物材料和连续纤维增强体。所使用的纤维长丝的直径是1.8mm。纤维长丝被3D打印成凹槽(其高度为0.6mm，且宽度为4.2mm)，所述凹槽被3D打印在正在制造的部件中。单个纤维层覆盖整个凹槽(即，凹槽的高度等于单个纤维层的高度)。通过使用聚合物喷嘴以填充被纤维层包围的区域来3D打印附加的填充结构。聚合物材料以0.3mm层厚度被3D打印。因此，一个纤维层的厚度等于两个聚合物层的厚度(参见图6A)。
示例2
使用定制软件，从要3D打印的对象的3D设计中生成用于纤维打印和聚合物打印的G代码。根据生成的G代码，使用用于聚合物材料和连续纤维增强体的单独打印单元/喷嘴，将连续纤维增强体3D打印在通过3D打印聚合物材料生成的凹槽中。所使用的纤维长丝的直径为1.0mm。纤维长丝被3D打印成凹槽(其高度为0.3mm，且宽度为2.6mm)，所述凹槽被3D打印在正在制造的部件中。单个纤维层覆盖整个凹槽(即，凹槽的高度等于单个纤维层的高度)。通过使用聚合物喷嘴以填充被纤维包围的区域来3D打印附加的填充结构。聚合物材料以0.3mm层厚度被3D打印。因此，一个纤维层的厚度等于一个聚合物层的厚度(参见图6B)。
示例3
使用定制软件，从要3D打印的对象的3D设计(3D模型)中生成用于纤维打印和聚合物打印的G代码(参见图7A、图7B)。根据生成的G代码，3D打印纤维增强体、聚合物和支撑材料。使用用于聚合物材料、连续纤维增强体和支撑材料的单独打印单元/喷嘴，将连续纤维增强体3D打印在通过3D打印聚合物材料而生成的凹槽中。所使用的纤维长丝的直径为1.8mm。纤维长丝被3D打印成凹槽(其高度为0.6mm，且宽度为4.2mm)，所述凹槽被3D打印在正在制造的部件中。单个纤维层覆盖整个凹槽。通过使用聚合物喷嘴以填充被纤维包围的区域来3D打印附加的填充结构。聚合物材料以0.3mm层厚度被3D打印。因此，一个纤维层的厚度等于两个聚合物层的厚度(参见图6A)。根据G代码，支撑材料被3D打印在选定的区域上(参见图7A、图7B)。
本领域技术人员将清楚地看到，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围之内变化。

Claims (15)

1.一种三维打印机(300)，所述三维打印机(300)用于部件(700)的增材制造，所述三维打印机(300)包括：
构建台板(100)，所述构建台板用于支撑要制造的所述部件(700)；以及
打印头(500)，所述打印头包括或连接到纤维复合长丝供应器，所述纤维复合长丝供应器装载有热塑性预浸渍纤维复合长丝(800)，所述纤维复合长丝包括在所述长丝(800)的热塑性基体材料之内延伸的一条或更多条非弹性轴向纤维股线；
其中，所述打印头(500)包括：
第一加热区(1)，所述第一加热区在所述纤维复合长丝供应器与加热喷嘴(2)之间，第一加热区(1)通过第一加热器能够加热到所述热塑性基体材料的熔化温度之上，以预热所述预浸渍纤维复合长丝(800)；
固结元件(9)，所述固结元件位于所述加热喷嘴(2)之后，以将固结力和/或压实力施加到所述纤维复合长丝(800)，以将所述纤维复合长丝(800)附着到所述部件(700)上，其中，所述固结元件(9)与所述构建台板和所述部件的先前打印的结构两者之中的至少一个相对，所述加热喷嘴(2)通过第二加热器能够加热到至少所述基体材料的熔化温度，以加热所述纤维复合长丝(800)；
长丝驱动器(4)，所述长丝驱动器驱动包括一条或更多条非弹性轴向纤维股线的纤维复合长丝(800)以选定的进给速率通过所述第一加热区(1)进入所述加热喷嘴(2)，
冷进给区(6)，所述冷进给区在所述长丝驱动器(4)与所述第一加热区(1)之间，以保持所述纤维复合长丝(800)的温度低于所述基体材料的熔化温度；
非加热热断区(7)，所述非加热热断区在所述第一加热区(1)与所述加热喷嘴(2)之间，以在所述第一加热区(1)与所述加热喷嘴(2)之间产生温度间隙；
其中，所述三维打印机(300)包括多个致动器，以至少使包括所述固结元件(9)的打印头(500)相对于所述构建台板(100)在三个自由度上移动。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其中：
包括所述固结元件(9)的所述打印头(500)能够围绕其选定的轴线移动；
包括所述固结元件(9)的所述打印头(500)在其选定的旋转中是能够旋转的；
所述构建台板(100)能够围绕其选定的轴线移动；和/或
所述构建台板(100)在其选定的旋转中是能够旋转的。
3.根据权利要求1或2所述的三维打印机，其中，其进一步包括控制器(200)，所述控制器以可操作的方式连接到所述第一加热器和所述第二加热器、所述长丝驱动器(4)、包括所述固结元件(9)的所述打印头(500)以及所述多个致动器上，其中，所述控制器(200)配置成执行导致所述复合长丝(800)挤出以形成所述部件(700)的指令。
4.根据权利要求1、2或3所述的三维打印机，其中，其进一步包括
聚合物驱动器，所述聚合物驱动器配置成使聚合物长丝进给到聚合物挤出喷嘴中；
聚合物加热器，所述聚合物加热器配置成将所述聚合物长丝加热到高于所述聚合物的熔化温度的温度；
其中，所述聚合物挤出喷嘴配置成挤出所述聚合物长丝以形成所述部件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机，其中，其进一步包括：
支撑材料驱动器，所述支撑材料驱动器配置成将支撑材料进给到支撑材料挤出喷嘴中；
支撑材料加热器，所述支撑材料加热器配置成将所述支撑材料加热到高于所述支撑材料的熔化温度的温度；
其中，所述支撑材料挤出喷嘴配置成挤出所述支撑材料长丝，以形成用于所述部件(700)的支撑结构。
6.根据前述权利要求中任一项所述的三维打印机，其中，所述控制器(200)执行使支撑材料、聚合物和所述复合长丝(800)的分层结构增材制造的指令。
7.一种用于部件的增材制造的方法，包括：
供应热塑性预浸渍纤维复合长丝，所述热塑性预浸渍纤维复合长丝包括在所述长丝的热塑性基体材料之内延伸的一条或更多条非弹性轴向纤维股线；
将要制造的部件支撑在构建台板上；
在所述纤维复合长丝供应器与加热喷嘴(2)之间的第一加热区(1)处预热所述预浸渍纤维复合长丝，其中，所述第一加热区(1)的温度设定为在所述热塑性基体材料的熔化温度之上；
在所述加热喷嘴(2)中加热所述纤维复合长丝，其中，所述加热喷嘴的温度设定为在所述基体材料的熔化温度之上；
通过附着到所述加热喷嘴(2)上的固结元件(9)将固结力和/或压实力施加到所述纤维复合长丝(800)，以使所述纤维复合长丝(800)附着到所述部件(700)上；
通过多个致动器使包括所述固结元件(9)的打印头(500)相对于所述构建台板在三个自由度上移动；
驱动包括一条或更多条非弹性轴向纤维股线的所述纤维复合长丝以选定的进给速率通过所述第一加热区(1)进入所述加热喷嘴(2)中，
在所述长丝驱动器(4)与所述第一加热区(1)之间延伸的冷进给区(6)处，使所述温度保持低于所述基体材料的熔化温度；
在第一加热区(1)与所述加热喷嘴(2)之间的非加热热断区(7)处，中断所述纤维复合长丝(800)的加热，以在第一加热区(1)与所述加热喷嘴(2)之间产生温度间隙。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：使所述复合长丝挤出，以形成所述部件。
9.根据权利要求7或8所述的方法，包括：通过聚合物挤出喷嘴来挤出聚合物长丝，以形成所述部件。
10.根据权利要求7、8或9所述的方法，包括：通过支撑材料挤出喷嘴来挤出支撑材料，以形成所述部件。
11.根据前述权利要求7至10中任一项所述的方法，包括：执行支撑材料、聚合物和所述复合长丝的分层结构的增材制造。
12.根据前述权利要求7至11中任一项所述的方法，包括：通过使支撑层、聚合物层和复合纤维材料层的层厚度发生变化，执行支撑材料、聚合物和所述复合长丝的分层结构的增材制造。
13.根据前述权利要求7至12中任一项所述的方法，包括：执行支撑材料、聚合物和所述复合长丝的自由布置的3D结构的增材制造。
14.根据前述权利要求7至13中任一项所述的方法，包括：执行支撑材料、聚合物和所述复合长丝的自由布置的3D结构的增材制造，其中，所述结构具有支撑材料、聚合物材料和复合纤维材料的选定区域厚度。
15.根据前述权利要求1至6中任一项所述的三维打印机或根据前述权利要求7至14中任一项所述的方法，其中，所述固结元件(9)是固结环(9)。
CN201880091075.1A 2018-01-18 2018-01-18 纤维增强3d打印 Active CN111867808B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/FI2018/050037 WO2019141892A1 (en) 2018-01-18 2018-01-18 Fiber-reinforced 3d printing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111867808A true CN111867808A (zh) 2020-10-30
CN111867808B CN111867808B (zh) 2022-05-31

Family

ID=67302028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880091075.1A Active CN111867808B (zh) 2018-01-18 2018-01-18 纤维增强3d打印

Country Status (12)

Country Link
US (1) US20200346399A1 (zh)
EP (1) EP3740373B1 (zh)
JP (1) JP7060277B2 (zh)
KR (1) KR102369133B1 (zh)
CN (1) CN111867808B (zh)
CA (1) CA3088589C (zh)
DK (1) DK3740373T3 (zh)
ES (1) ES2924883T3 (zh)
IL (1) IL276037B2 (zh)
PL (1) PL3740373T3 (zh)
PT (1) PT3740373T (zh)
WO (1) WO2019141892A1 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11584078B2 (en) 2017-10-03 2023-02-21 Jabil Inc. Apparatus, system and method of operating an additive manufacturing nozzle
US10919221B2 (en) 2017-10-03 2021-02-16 Jabil Inc. Apparatus, system and method for an additive manufacturing print head
US11485088B2 (en) 2017-10-03 2022-11-01 Jabil Inc. Apparatus, system and method of process monitoring and control in an additive manufacturing environment
FR3100007B1 (fr) * 2019-08-19 2022-09-09 Chanfreau Sebastien Filament de pierre pour imprimante 3D, procédé de fabrication d’un tel filament et procédé de fabrication d’un objet à partir d’un tel filament
EP3792040A1 (en) * 2019-09-10 2021-03-17 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO Dispensing head for fused filament type additive manufacturing
EP3792039A1 (en) * 2019-09-10 2021-03-17 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO Dispensing head for continuous fiber reinforced fused filament type additive manufacturing
JP7447444B2 (ja) * 2019-11-27 2024-03-12 セイコーエプソン株式会社 三次元造形装置
WO2021209787A1 (en) * 2020-04-15 2021-10-21 Rīgas Tehniskā Universitāte A printer head assembly for a pultrusion-type 3d printer
NL2026617B1 (en) * 2020-10-05 2022-06-03 Ultimaker Bv Printing of continuous fibres in 3D printed objects
KR102619479B1 (ko) * 2020-11-22 2024-01-02 매시빗 3디 프린팅 테크놀로지스 리미티드 복합 재료로부터 3d 물체의 자동화된 제조
CN112812547A (zh) * 2021-01-04 2021-05-18 上海大学 一种高强度高导热树脂基连续碳质纤维复合材料及其制备方法
US11911965B2 (en) * 2021-08-12 2024-02-27 Northrop Grumman Systems Corporation Ultrasonic consolidation of continuous filament materials for additive manufacturing
EP4201646A1 (en) * 2021-12-22 2023-06-28 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Fibre-reinforced polymer printing apparatus and method
DE102022125491A1 (de) * 2022-10-04 2024-04-04 Simona Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zur additiven Bauteilherstellung

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534159A (ja) * 2000-05-19 2003-11-18 ネイダーランゼ、オルガニザティー、ボー、トゥーゲパストナトゥールウェテンシャッペルーク、オンダーツォーク、ティーエヌオー 改良されたｆｄｍ製品、方法、及び装置
JP2005138422A (ja) * 2003-11-06 2005-06-02 Shinshu Tlo:Kk 三次元造型装置および糸状材料
JP2010007052A (ja) * 2008-05-20 2010-01-14 Eos Gmbh Electro Optical Systems 電磁放射を用いた選択的焼結によって少なくとも１つのポリマー又はコポリマーを含む粉末から製造される三次元物体の特定の機械特性を操作すること
KR101430583B1 (ko) * 2014-06-02 2014-08-21 비즈텍코리아 주식회사 3차원 프린터용 멀티 공급기
CN104097326A (zh) * 2014-07-09 2014-10-15 西安交通大学 一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法
US20140361460A1 (en) * 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
CN104441658A (zh) * 2014-11-27 2015-03-25 西安交通大学 一种连续纤维增强智能复合材料3d打印头及其使用方法
US20150108677A1 (en) * 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
CN204749271U (zh) * 2013-12-31 2015-11-11 耐克创新有限合伙公司 3d打印头
WO2015188017A1 (en) * 2014-06-04 2015-12-10 Johnson Controls Interiors Management Gmbh Fibre reinforced added manufacturing method and apparatus and fibre reinforced article obtained thereby
EP2998110A1 (en) * 2014-09-16 2016-03-23 The Boeing Company Fused filament fabricated part using multi-directional layering
TWI555647B (zh) * 2015-08-10 2016-11-01 東友科技股份有限公司 列印平台支撐模組及其適用之三維列印機
US20160361869A1 (en) * 2013-03-22 2016-12-15 Markforged, Inc. Three dimensional printer for fiber reinforced composite filament fabrication
CN206048811U (zh) * 2016-09-22 2017-03-29 三威实业（珠海）有限公司 一种具有水溶性供胶系统的增材式3d打印机
FR3043933A1 (fr) * 2015-11-25 2017-05-26 Lionel Claude Lucien Soulier Buse d'extrusion de multi matieres non metalliques fondues pour fabrication additives
CN106863772A (zh) * 2017-02-27 2017-06-20 上海大学 热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3d打印系统和方法
US20170368739A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Raytheon Company Material deposition system for additive manufacturing

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5121329A (en) * 1989-10-30 1992-06-09 Stratasys, Inc. Apparatus and method for creating three-dimensional objects
US20020111707A1 (en) * 2000-12-20 2002-08-15 Zhimin Li Droplet deposition method for rapid formation of 3-D objects from non-cross-linking reactive polymers
US9511543B2 (en) * 2012-08-29 2016-12-06 Cc3D Llc Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
US10259160B2 (en) * 2013-03-22 2019-04-16 Markforged, Inc. Wear resistance in 3D printing of composites
WO2015009938A1 (en) * 2013-07-17 2015-01-22 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US20150035198A1 (en) * 2013-07-31 2015-02-05 Simon SABA Systems and methods for three-dimensional printing
EP3150361B1 (en) * 2014-05-27 2020-12-16 Nihon University Three-dimensional printing system and three-dimensional printing method
US11001945B2 (en) * 2015-03-27 2021-05-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Process for creating a polymer filament suitable for use in three-dimensional printing
WO2016171598A1 (en) * 2015-04-22 2016-10-27 Magicfirm Europe Ab A three-dimensional imaging apparatus for modeling a colored three-dimensional object
US10315247B2 (en) * 2015-09-24 2019-06-11 Markforged, Inc. Molten metal jetting for additive manufacturing
US20170341300A1 (en) * 2016-05-26 2017-11-30 Wisconsin Alumni Research Foundation Additive Manufacturing Process Continuous Reinforcement Fibers And High Fiber Volume Content
US11241849B2 (en) 2016-07-01 2022-02-08 Signify Holding B.V. 3D printed reflector and method for its manufacture
US20190184619A1 (en) * 2017-12-15 2019-06-20 GM Global Technology Operations LLC Long fiber reinforced thermoplastic filament

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534159A (ja) * 2000-05-19 2003-11-18 ネイダーランゼ、オルガニザティー、ボー、トゥーゲパストナトゥールウェテンシャッペルーク、オンダーツォーク、ティーエヌオー 改良されたｆｄｍ製品、方法、及び装置
JP2005138422A (ja) * 2003-11-06 2005-06-02 Shinshu Tlo:Kk 三次元造型装置および糸状材料
JP2010007052A (ja) * 2008-05-20 2010-01-14 Eos Gmbh Electro Optical Systems 電磁放射を用いた選択的焼結によって少なくとも１つのポリマー又はコポリマーを含む粉末から製造される三次元物体の特定の機械特性を操作すること
US20150108677A1 (en) * 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20160361869A1 (en) * 2013-03-22 2016-12-15 Markforged, Inc. Three dimensional printer for fiber reinforced composite filament fabrication
US20140361460A1 (en) * 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
CN204749271U (zh) * 2013-12-31 2015-11-11 耐克创新有限合伙公司 3d打印头
KR101430583B1 (ko) * 2014-06-02 2014-08-21 비즈텍코리아 주식회사 3차원 프린터용 멀티 공급기
WO2015188017A1 (en) * 2014-06-04 2015-12-10 Johnson Controls Interiors Management Gmbh Fibre reinforced added manufacturing method and apparatus and fibre reinforced article obtained thereby
CN104097326A (zh) * 2014-07-09 2014-10-15 西安交通大学 一种纤维增强复合材料多自由度3d打印机及其打印方法
EP2998110A1 (en) * 2014-09-16 2016-03-23 The Boeing Company Fused filament fabricated part using multi-directional layering
CN104441658A (zh) * 2014-11-27 2015-03-25 西安交通大学 一种连续纤维增强智能复合材料3d打印头及其使用方法
TWI555647B (zh) * 2015-08-10 2016-11-01 東友科技股份有限公司 列印平台支撐模組及其適用之三維列印機
FR3043933A1 (fr) * 2015-11-25 2017-05-26 Lionel Claude Lucien Soulier Buse d'extrusion de multi matieres non metalliques fondues pour fabrication additives
US20170368739A1 (en) * 2016-06-23 2017-12-28 Raytheon Company Material deposition system for additive manufacturing
CN206048811U (zh) * 2016-09-22 2017-03-29 三威实业（珠海）有限公司 一种具有水溶性供胶系统的增材式3d打印机
CN106863772A (zh) * 2017-02-27 2017-06-20 上海大学 热塑性树脂基连续纤维预浸料的双喷头3d打印系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102369133B1 (ko) 2022-02-28
IL276037B1 (en) 2023-12-01
IL276037A (en) 2020-08-31
CA3088589A1 (en) 2019-07-25
EP3740373A1 (en) 2020-11-25
RU2020127352A (ru) 2022-02-18
PT3740373T (pt) 2022-08-31
CA3088589C (en) 2023-03-14
WO2019141892A1 (en) 2019-07-25
JP2021514311A (ja) 2021-06-10
RU2020127352A3 (zh) 2022-02-18
IL276037B2 (en) 2024-04-01
DK3740373T3 (da) 2022-08-22
EP3740373A4 (en) 2021-08-18
CN111867808B (zh) 2022-05-31
JP7060277B2 (ja) 2022-04-26
ES2924883T3 (es) 2022-10-11
PL3740373T3 (pl) 2022-11-14
EP3740373B1 (en) 2022-06-29
KR20200111716A (ko) 2020-09-29
US20200346399A1 (en) 2020-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111867808B (zh) 纤维增强3d打印
JP7282143B2 (ja) 繊維強化による積層造形用装置
US20200324461A1 (en) Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
CA3009092C (en) Device and method for producing a three-dimensional article with a fibre feed device
JP6475232B2 (ja) 繊維強化付加製造方法
JP7017269B2 (ja) ３ｄプリント工程による複合材製品の製造方法及びその実施装置
CN111032314B (zh) 用于增材制造物品的打印头
Pandelidi et al. The technology of continuous fibre-reinforced polymers: a review on extrusion additive manufacturing methods
WO2018203768A1 (ru) Способ аддитивного производства изделий из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами
RU2773665C2 (ru) 3d-печать армирующими волокнами
US20230049677A1 (en) Ultrasonic compaction device using reciprocating disk horns
US11911965B2 (en) Ultrasonic consolidation of continuous filament materials for additive manufacturing
US11964432B2 (en) Ultrasonic material placement and compaction device with material passing through the ultrasonic horn element
US11958241B2 (en) Ultrasonic device for compaction allowing coordinated actuation and motion of multiple ultrasonic compaction horns
CN112824091A (zh) 一种用于3d打印的增强纤维添加系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant