CN112639010A - 增材打印纤丝材料 - Google Patents

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Abstract

用于增材打印的纤丝束(40)包括：包含玻璃纤维(62)的第一芯(63)，第一芯(63)包含约10‑50重量％的纤丝束(40)；包含碳纤维(64)的第二芯(65)，第二芯(65)包含约5‑30％的纤丝束(40)；包含约50‑80重量％纤丝束(40)的热塑性基体(60)；和涂覆第一芯(63)和第二芯(65)中的至少一种的热塑性施胶剂(66，67)。

Description

增材打印纤丝材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年8月21日提交的美国临时专利申请号62/720,497的优先权和益处，其全部内容并入本文。
技术领域
本说明书涉及一种用于增材打印的纤丝束，其包括包含玻璃纤维的第一芯、包含碳纤维的第二芯、热塑性基体以及涂覆第一芯和第二芯中的至少一种的热塑性施胶剂。
背景
增材制造系统用于从数字模型打印或构建3D零件，这可以有益于快速原型制作和制造。最常见的增材制造技术之一是称为熔丝制造的方法，其涉及将打印材料铺设成层。打印材料呈缠绕在线轴上的纤丝的形式。将纤丝解绕，并且在热塑性打印材料的情况下，将纤丝熔融并挤出以打印和制造零件。
诸如聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚苯砜(PPSF)、聚碳酸酯(PC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯乙二醇(PETG)的热塑性材料由于其耐热性而被用于增材制造中。通常，聚丙烯(PP)不是增材制造的理想材料，因为PP由于严重的翘曲和不良的层粘合性而可能难以用其打印。此外，与ABS和PLA相比，PP具有较低的拉伸模量、较低的冲击强度和较差的熔体强度。增材制造打印材料的机械性能的改进是有利的，因为希望增材制造零件具有与注射成型零件类似的机械性能。
发明简述
在一个方面中，本公开内容涉及一种用于增材打印的纤丝，所述纤丝包括：包含玻璃纤维的第一芯，第一芯包含约0-50重量％的纤丝；包含碳纤维的第二芯，第二芯包含约5-30重量％的纤丝；包含约50-80重量％的纤丝的聚丙烯基体；以及涂覆第一芯和第二芯中的至少一种的热塑性施胶剂。
在另一方面中，本公开内容涉及一种制备用于增材打印的纤丝的方法，所述方法包括将第一热塑性施胶剂施加至包含玻璃纤维的第一芯，将第二热塑性施胶剂施加至包含碳纤维的第二芯，将聚丙烯基体加热至熔融状态，以及将第一芯和第二芯与聚丙烯基体混合以形成混合物，其中第一芯包含约10-50重量％的纤丝，第二芯包含约5-30重量％的纤丝，聚丙烯基体包含约50-80重量％的纤丝。
附图简介
在附图中：
图1是示出根据本文所述的各个方面的增材打印方法的示意图。
图2是示出根据本文所述的各个方面的形成增材打印纤丝束的方法的示意图。
图3是示出根据本公开内容的方面的形成纤丝束的方法的流程图。
图4是示出根据本文所述的各个方面的用于增材打印和注射成型的材料的弯曲模量的示意性柱状图。
图5是示出根据本文所述的各个方面的用于增材打印的材料的拉伸模量的示意性柱状图。
图6是示出根据本文所述的各个方面的用于增材打印和注射成型的材料的弯曲强度的示意性柱状图。
图7是示出根据本文所述的各个方面的用于增材打印的材料的耐热性的示意性柱状图。
详细描述
根据本文所述的各个方面的增材打印纤丝材料的有益和有利的特征包括由于以下原因而增加的机械性能：
玻璃纤维和碳纤维增强材料的组合，其具有处于热塑性基体内的热塑性施胶剂。特别地，与仅具有玻璃纤维增强材料的增材打印纤丝材料相比，拉伸模量、弯曲模量和热性能显示出显著的增加。
此外，由于玻璃纤维和碳纤维增强材料的组合而引起的增材打印纤丝材料的机械性能的这种提高还可限制最终打印产品在用混杂增强纤丝打印产品时的翘曲和变形。
图1示出了根据本文所述的各个方面的增材打印方法。增材打印方法可包括构建平台10，具有喷嘴22、24的挤出头20。也称为增材打印纤丝束40的构建材料的线轴30、32和支撑材料42可分别与喷嘴22、24连接，其中增材打印纤丝束40和支撑材料42可被加热和挤出或分配以用于打印。挤出头20可以以预定顺序相对于构建平台10在x、y和z方向上移动，以通过将增材打印纤丝束40和支撑材料42分层沉积在构建平台10上而产生零件50。增材打印纤丝束40和支撑材料42层可以固化以形成零件50。支撑材料42可用于形成零件50的部分52(其是可移除的)，以便在打印方法期间为零件50提供结构。尽管图1示出了具有用于支撑的部分52的零件50，然而也可在没有支撑材料42的情况下打印零件50。
参照图2，根据本公开内容的一个方面的增材打印纤丝束40可由混杂材料形成，例如包含第一增强纤维68、第二增强纤维70和热塑性基体60的组合物72。任选地，打印纤丝束40可进一步包含添加剂，所述添加剂包括但不限于颜料如抗UV染料、偶联剂、阻燃添加剂、粘度改性剂、填料、稳定剂、韧性改性剂、热稳定剂、增容剂、加工助剂、分散助剂和表面添加剂以及其他添加剂。
热塑性基体60可为聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA6，PA8，PA11，PA12)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚氨酯(PETR)或任何其他合适的热塑性材料。在一个实例中，热塑性基体60为聚丙烯均聚物。热塑性基体60可占纤丝束40的50-85重量％，优选占纤丝束40的65-75重量％。
第一增强纤维68可由涂覆有热塑性相容施胶剂66的第一芯63组成。第一芯63可包含玻璃纤维62，例如可具有约100μm初始直径和约4.0-4.5mm长度的短切纤丝束。玻璃纤维62可占纤丝束40的10-50重量％，优选占15-25％。在一个实例中，热塑性相容施胶剂66是适用于玻璃纤维62的聚丙烯热塑性相容施胶剂66。
第二增强纤维70可由涂覆有热塑性相容施胶剂67的第二芯65组成。第二芯65可包含碳纤维64，例如短切纤维。在一个实例中，碳纤维64具有约7.0μm的初始直径和约6.0mm的长度。碳纤维64可占纤丝束40的5-30重量％，优选占纤丝束40的8-12重量％。在一个实例中，热塑性相容施胶剂67是适用于碳纤维64的聚丙烯热塑性相容施胶剂67。
热塑性相容施胶剂66、67或热塑性施胶剂可通过在纤维表面上起到保护涂层的作用而改善玻璃纤维62和碳纤维64的加工性。此外，热塑性相容施胶剂66、67可提供偶联剂以增强玻璃纤维62和碳纤维64与热塑性基体60的结合。热塑性相容施胶剂66、67可以是与热塑性基体60中的热塑性材料相容的任何施胶剂，其也适于涂覆玻璃纤维62和/或碳纤维64。在一个实例中，热塑性相容施胶剂66可以是适于玻璃纤维62的聚丙烯热塑性相容施胶剂66，而热塑性相容施胶剂67可以是适于碳纤维64的聚丙烯热塑性相容施胶剂67。或者，在本公开内容的另一方面中，分别用于涂覆玻璃纤维62和碳纤维64的热塑性相容施胶剂66、67可包含相同的热塑性相容施胶剂66、67。
用于形成增强纤维68、70的热塑性相容施胶剂66、67的量是纤维62、64表面上的材料的百分比，并且由增强纤维68、70中的每一种的总重量的重量百分比限定。该重量百分比通过烧失量值测量。烧失量(LOI)可通过在特定温度下强烈加热或点燃材料样品以使挥发性物质逸出，直至样品质量停止变化来测量，使用ISO 1887:2014“Textile glass-Determination of Combustible-Matter Content”。在一个实例中，包含玻璃纤维62和热塑性相容施胶剂66的第一增强纤维68的LOI可为第一增强纤维68的0.55-0.75重量％。在另一个实例中，包含碳纤维64和热塑性相容施胶剂67的第二增强纤维70的LOI可为第二增强纤维70的2.50-3.00重量％。
现在参照图3，其示出了根据本公开内容的一个方面的用于形成增材打印用纤丝束的工艺或方法500。尽管在增材打印纤丝束40的上下文中描述了方法500，然而本文所述的方法可用于形成本文未明确描述的其他纤丝束，并且可以以不同的逻辑顺序进行，或者可包括额外或中间步骤。
用于形成增材打印纤丝束40的方法500包括形成第一和第二增强纤维68、70的涂覆步骤505，形成组合物72的配混步骤510，随后是一个或多个挤出步骤510、515以便在步骤520中形成纤丝束40。一旦在步骤520中形成纤丝束40，则可在步骤530中卷绕和任选地进一步调节纤丝束40。
在505中，将LOI为第一芯63的约0.55-0.75重量％的第一热塑性施胶剂66施加到包含玻璃纤维62的第一芯63上以形成第一增强纤维68，并且将LOI为第二芯65的约2.5-3.0重量％的第二热塑性施胶剂67施加到包含碳纤维64的第二芯65上以形成第二增强纤维70。
在配混步骤510中，通过将热塑性基体60与第一增强纤维68和第二增强纤维70共混或配混来形成组合物72。在一个实例中，同向旋转螺杆将热塑性基体60加热到熔融状态并将增强纤维68和70与热塑性基体60共混以形成组合物72。在本公开内容的一个方面中，组合物72包括包含约10-50重量％纤丝束40的第一芯63，包含约5-30重量％纤丝束40的第二芯65，和包含约50-80重量％纤丝束40的热塑性基体60，例如聚丙烯。在另一个方面中，组合物72包括包含约15-25重量％纤丝束40的第一芯63，包含约8-12重量％纤丝束40的第二芯65，和包含约65-75重量％纤丝束40的热塑性基体60，例如聚丙烯。
在510中，可将组合物72直接从同向旋转螺杆挤出以形成纤丝束40，或者任选地，在515中，可将组合物72供入第二挤出机，例如单螺杆挤出机中。在步骤510和/或步骤515中，可任选地将组合物72与所需的添加剂混合。在520中，可将组合物72拉动通过喷嘴以形成纤丝束40。纤丝束40的最终直径可通过纤丝束40在进入最终模头之前从挤出机的喷嘴的拉动速率和压力来控制，以得到纤丝束的最终几何形状。纤丝束40的最终直径可为约1.75mm(+/-0.05mm)或2.85mm(+/-0.05mm)。在530中，可将纤丝束40供入温水槽中，在该温水槽中纤丝束40可以被冷却并且可以形成圆形横截面。然后，可将纤丝束40供给通过冷水槽，从而使得纤丝束40可冷却到室温。当纤丝束40冷却时，可将纤丝束40缠绕到线轴30上。
表1示出了根据ISO标准22314:2006“Plastics-Glass-fibre reinforcedproducts-Determination of fibre length”测定的在配混步骤210之后玻璃纤维62和碳纤维64与最终纤丝束40相比的初始长度的变化。
表1：3D纤丝束制造中玻璃纤维和碳纤维的长度
Figure BDA0002933331220000061
转到图4，柱状图100比较了具有根据本文所述的各个方面的示例性组合物的材料的弯曲模量，所述示例性组合物使用注塑相对于增材打印。x轴110标识了各种材料中的每一种，而y轴112示出了每种材料的以吉帕斯卡(GPa)测得的弯曲模量。第一材料120是具有约30重量％玻璃纤维的组合物。第二材料130是具有约20重量％玻璃纤维、10重量％碳纤维以及热塑性相容施胶剂的组合物。第三材料140是具有约20重量％玻璃纤维、10重量％碳纤维和热固性相容施胶剂的组合物，而第四材料150是具有约10重量％碳纤维和热塑性相容施胶剂的组合物。第二材料130表示根据本申请人的公开内容的示例性实施方案的组合物。
如曲线100所示，第一材料120在3D打印时具有7.0GPa的弯曲模量，如柱122所示，并且在注射成型时具有6.0GPa的弯曲模量，如柱124所示。第二材料130在3D打印时具有9.8GPa的弯曲模量，如柱132所示，并且在注射成型时具有8.1GPa的弯曲模量，如柱134所示。第三材料140在3D打印时具有8.4GPa的弯曲模量，如柱142所示，并且在注射成型时具有6.9GPa的弯曲模量，如柱144所示。第四材料150在3D打印时具有5.6GPa的弯曲模量，如柱152所示，并且在注射成型时具有4.2GPa的弯曲模量，如柱154所示。
从曲线100可以明显看出，当与其他材料120、140和150相比时，第二材料130具有优异的弯曲模量特性。当用作增材打印纤丝束40时，第二材料130的弯曲模量比第一材料120高约40％，比第三材料140高17％，比第四材料150高75％。当用作注射成型纤丝时，第二材料130的弯曲模量比第一材料120高约35％，比第三材料140高17％，比第四材料150高93％。因此，与第一材料120中的仅具有玻璃纤维的材料、或第三材料140中的具有含热固性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的材料、或第四材料150中的仅具有含热塑性相容施胶剂的碳纤维的材料相比，第二材料130中的具有含热塑性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的组合表现出增加的弯曲模量。
图5示出了根据本文所述的各个方面的用于增材打印的第一材料120、第二材料130和第四材料150的拉伸模量(以吉帕斯卡(GPa)测量)的比较柱状图200。与第三材料140的比较没有完成。x轴210标识了各种材料中的每一种，而y轴212示出了每种材料的以吉帕斯卡(GPa)测量的拉伸模量。
如曲线200所示，当3D打印时，第一材料120具有7.604GPa的拉伸模量，如柱222所示。当3D打印时，第二材料130具有9.825GPa的拉伸模量，如柱232所示。当3D打印时，第四材料150具有5.810GPa的拉伸模量，如柱252所示。
从曲线200可以明显看出，当与其他材料120和150相比时，第二材料130具有优异的拉伸模量特性。当用作增材打印纤丝束40时，第二材料130的拉伸模量比第一材料120高约29％，并且比第四材料150高约69％。因此，与第一材料120中的仅具有玻璃纤维的材料或第四材料150中的具有含热固性相容施胶剂的碳纤维的材料相比，第二材料130中的具有含热塑性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的组合表现出增加的拉伸模量。
图6示出了柱状图300，其比较了当#3D打印相对于注射成型时，根据本文所述的各个方面的具有各种材料组成的材料120、130、140和150的弯曲强度。x轴310标识了各种材料120、130、140和150中的每一种，而y轴312示出了每种材料的弯曲强度，以兆帕斯卡(MPa)测量。
如曲线300所示，第一材料120在3D打印时具有149.0MPa的弯曲强度，如柱322所示，并且在注射成型时具有143.0MPa的弯曲强度，如柱324所示。第二材料130在3D打印时具有152.0MPa的弯曲强度，如柱332所示，并且在注射成型时具有141.0MPa的弯曲强度，如柱334所示。第三材料140在3D打印时具有111.0MPa的弯曲强度，如柱342所示，并且在注射成型时具有105.0MPa的弯曲强度，如柱344所示。第四材料150在3D打印时具有102.0MPa的弯曲强度，如柱352所示，并且在注射成型时具有91.0MPa的弯曲强度，如柱354所示。
从曲线300可以明显看出，第二材料130在与第一材料120相比时具有相似的弯曲强度特性，而在与其他材料140和150相比时具有优异的弯曲强度特性。当用作增材打印纤丝束40时，第二材料130的弯曲强度比第三材料140高约37％，并且比第四材料150高49％。当用作注射成型纤丝时，第二材料130的弯曲强度比第三材料140高约34％，并且比第四材料150高55％。因此，与第三材料140中的具有含热固性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的材料相比或者与第四材料150中的仅具有含热塑性相容施胶剂的碳纤维的材料相比，第二材料130中的具有含热塑性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的组合表现出增加的弯曲强度。
图7示出了比较第一材料120和第二材料130的耐热性的柱状图400。x轴410标识了每种材料，而y轴412示出了材料120、130的以摄氏度测量的热挠曲温度。第一材料120和第二材料130的热挠曲温度根据ISO 75标准方法A在1.8MPa的载荷下测试。热挠曲温度定义为标准测试条在载荷下挠曲特定距离时的温度。热挠曲温度用于确定短期耐热性。
如曲线400所示，第一材料120具有120℃的热挠曲温度，如柱422所示。第二材料130具有150℃的热挠曲温度，如柱432所示。因此，第二材料130具有比第一材料120高约25％的耐热性。因此，与仅具有玻璃纤维的第一材料120相比，包含具有热塑性相容施胶剂的玻璃和碳纤维的组合的第二材料130表现出提高的热性能。
本文所述的本公开内容的各方面可包括增材制造打印纤丝材料，其可以提供具有与注射成型零件相当的机械性能的最终零件。因此，与注射成型相比，根据本文所述的各方面的用打印纤丝束制造的零件或原型可以是成本有效的解决方案，因为不需要模具来制造原型。此外，由于与用常规打印纤丝增材制造的零件相比机械性能的增加，根据本文所述的各方面由纤丝束制造的原型可以在真实条件下测试。
在尚未描述的范围内，各种实施方案的不同特征和结构可根据需要彼此组合使用。不能在所有实施方案中示出的一个特征不意味着被解释为不能实施，而是出于描述的简洁而这样做。因此，不同实施方案的各种特征可以根据需要混合和匹配以形成新的实施方案，而不论新的实施方案是否被明确地描述。
尽管已经结合本发明的某些具体实施方案具体描述了本发明，然而应当理解，这是作为说明而不是限制。在不偏离所附权利要求书中限定的本发明的主旨的情况下，在前述公开内容和附图的范围内，合理的变化和修改是可能的。

Claims (23)

1.一种用于增材打印的纤丝束(40)，其包括；
包含玻璃纤维(62)的第一芯(63)；第一芯(63)包含约10-50重量％的纤丝束(40)；
包含碳纤维(64)的第二芯(65)；第二芯(65)包含约5-30重量％的纤丝束(40)；
热塑性基体(60)，其包含约50-80重量％的纤丝；和
涂覆第一芯(63)和第二芯(64)中的至少一种的热塑性相容施胶剂(66，67)。
2.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性基体(60)包含聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA6、PA8、PA11、PA12)或聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚乙烯(PE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮(PEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚氨酯(PUR)中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性基体(60)包含聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性相容施胶剂(66，67)涂覆第一芯(63)。
5.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中玻璃纤维(64)是短切纤丝束。
6.根据权利要求5所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中纤丝束(40)中的短切纤丝束的最终尺寸为200-500μm。
7.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性相容施胶剂(66，67)涂覆第二芯(65)。
8.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性相容施胶剂(66，67)是涂覆第一芯(63)的第一热塑性相容施胶剂(66)和涂覆第二芯(65)的第二热塑性相容施胶剂(67)。
9.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中第一芯(63)包含约15-25重量％的纤丝。
10.根据权利要求9所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中第一芯(63)包含约20重量％的纤丝束(40)。
11.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中第二芯(65)包含约8-12重量％的纤丝束(40)。
12.根据权利要求11所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中第二芯(65)包含约10重量％的纤丝束(40)。
13.根据权利要求12所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性基体(60)包含约65-75重量％的纤丝束(40)。
14.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中第一芯(63)包含约15-25重量％的纤丝束(40)，其中第二芯(65)包括约8-12重量％的纤丝束(40)，其中热塑性基体(60)包含约65-75重量％的纤丝束(40)。
15.根据权利要求14所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性相容施胶剂(66，67)是涂覆第一芯(63)的第一热塑性施胶剂(66)和涂覆第二芯(65)的第二热塑性相容施胶剂(67)。
16.根据权利要求1所述的用于增材打印的纤丝束(40)，其中热塑性基体(60)是均聚物。
17.一种制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其包括：
将第一热塑性相容施胶剂(66)施加到包含玻璃纤维(62)的第一芯(63)；
将第二热塑性相容施胶剂(67)施加到包含碳纤维(64)的第二芯(65)；
将热塑性基体(60)加热至熔融状态；
将第一芯(63)和第二芯(65)与热塑性基体(60)混合以形成组合物(72)；和
将组合物(72)挤出以形成纤丝束(40)，
其中：
第一芯(63)包含约10-50重量％的纤丝束(40)；第二芯(65)包含约5-30重量％的纤丝束(40)；并且热塑性基体(60)包含约50-80重量％的纤丝束(40)。
18.根据权利要求17所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中组合物(72)的挤出包括配混步骤和挤出步骤以赋予纤丝束(40)一个或多个所需的最终尺寸。
19.根据权利要求17所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中纤丝束(40)的一个或多个所需尺寸是15-1.9mm，优选1.75mm的直径。
20.根据权利要求17所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中纤丝束(40)的一个或多个所需尺寸是2.5-3.1mm，优选2.85mm的直径。
21.根据权利要求17所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中第一芯(63)包含约15-25重量％的纤丝束(40)，其中第二芯(65)包含约8-12重量％的纤丝束(40)，并且其中热塑性基体(60)包含约65-75重量％的纤丝束(40)。
22.根据权利要求17所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中玻璃纤维(62)是短切纤丝束。
23.根据权利要求22所述的制备用于增材打印的纤丝束(40)的方法(500)，其中纤丝束(40)中的短切纤丝束的最终尺寸为100-1500μm，优选为200-800μm，理想地为250-500μm。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117561151A (zh) * 2021-06-24 2024-02-13 Dic株式会社 纤维增强热塑性树脂丝和造形物
LU501120B1 (en) * 2021-12-29 2023-06-29 Luxembourg Inst Science & Tech List Reinforced composite filament for an additive manufacturing application and method for manufacturing thereof
LU501119B1 (en) * 2021-12-29 2023-06-29 Luxembourg Inst Science & Tech List Reinforced composite filament for an additive manufacturing application and method for manufacturing thereof
DE102022120545A1 (de) 2022-08-15 2024-02-15 Technische Universität Dresden, Körperschaft des öffentlichen Rechts Verfahren zur herstellung eines cfc-formkörpers mit hoher steifigkeit und hoher zugfestigkeit mittels endlos-3d-druck einer prä-kohlenstofffaser-verstärkten matrix

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070082199A1 (en) * 2005-10-11 2007-04-12 Schweizer Robert A Fiber size, sized reinforcements, and articles reinforced with such reinforcements
CN101903147A (zh) * 2007-12-21 2010-12-01 沙特基础工业公司 长玻璃纤维增强的热塑性组合物的制备方法
CN105339154A (zh) * 2013-03-22 2016-02-17 格雷戈里·托马斯·马克 三维打印
US20160297935A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 Arevo Inc. Method to manufacture polymer composite materials with nano-fillers for use in addtive manufacturing to improve material properties
CN106794601A (zh) * 2014-10-08 2017-05-31 Ocv智识资本有限责任公司 混合长纤维热塑性复合材料
WO2017210286A1 (en) * 2016-06-01 2017-12-07 Arkema France Dimensionally stable acrylic alloy for 3-d printing

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6268047B1 (en) * 1999-01-22 2001-07-31 Ppg Industries Ohio, Inc. Glass fiber mats, laminates reinforced with the same and methods for making the same
US10011089B2 (en) * 2011-12-31 2018-07-03 The Boeing Company Method of reinforcement for additive manufacturing
US9186846B1 (en) * 2013-03-22 2015-11-17 Markforged, Inc. Methods for composite filament threading in three dimensional printing
JP2016193801A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 多木化学株式会社 ニオブ及び／又はタンタルがドープされた酸化チタンゾルの製造方法
JP6761567B2 (ja) 2015-03-31 2020-09-30 キョーラク株式会社 線条樹脂成形体の製造方法
US11117311B2 (en) 2015-10-05 2021-09-14 Arevo, Inc. Amorphous polyaryletherketone and blends thereof for use in additive manufacturing
WO2017096576A1 (zh) * 2015-12-10 2017-06-15 邢皓宇 一种音响
EP3426474B1 (en) * 2016-03-10 2023-10-25 Mantis Composites Inc. Additive manufacturing of composites
JP6897057B2 (ja) * 2016-10-21 2021-06-30 富士フイルムビジネスイノベーション株式会社 樹脂組成物、及び樹脂成形体
WO2019195694A1 (en) * 2018-04-06 2019-10-10 E. I. Du Pont De Nemours And Company Additive manufacturing compositions

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070082199A1 (en) * 2005-10-11 2007-04-12 Schweizer Robert A Fiber size, sized reinforcements, and articles reinforced with such reinforcements
CN101903147A (zh) * 2007-12-21 2010-12-01 沙特基础工业公司 长玻璃纤维增强的热塑性组合物的制备方法
CN105339154A (zh) * 2013-03-22 2016-02-17 格雷戈里·托马斯·马克 三维打印
CN106794601A (zh) * 2014-10-08 2017-05-31 Ocv智识资本有限责任公司 混合长纤维热塑性复合材料
US20160297935A1 (en) * 2015-04-08 2016-10-13 Arevo Inc. Method to manufacture polymer composite materials with nano-fillers for use in addtive manufacturing to improve material properties
WO2017210286A1 (en) * 2016-06-01 2017-12-07 Arkema France Dimensionally stable acrylic alloy for 3-d printing

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