CN113370520A - 使用增材制造技术逐层制造零件的方法及压紧系统 - Google Patents

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帕布洛·巴斯克斯桑切斯
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Abstract

本发明涉及一种使用增材制造技术逐层制造零件的方法。所述方法包括以下步骤：‑将所述零件与成形于其上的弹性体包壳一起打印，在所述零件与所述弹性体包壳之间留有无材料的间隙，所述弹性体包壳包括至少一个开口；‑对所述打印零件和所述弹性体包壳的整体件进行加热或者保持操作打印温度；‑通过所述弹性体包壳的至少一个开口施加真空，使得所述弹性体包壳放气，从而向所述打印零件施加压力；并且‑在预定时间期间将所述打印零件保持在真空和加热下。本发明还涉及一种用于使用增材制造技术逐层制造的打印零件的压紧系统。

Description

使用增材制造技术逐层制造零件的方法及压紧系统
技术领域
本发明属于制造领域，尤其是利用增材制造技术制造零件的领域。更具体地，本发明在制造用于结构性应用的具有复杂形状的打印零件中具有特殊的应用。
背景技术
在过去，具有结构性应用的飞行器零件一直是由铝合金制成的。过去几十年，随着复合材料制造技术的发展，这种结构性零件已经用不同的技术来制造，例如碳纤维增强塑料(CFRP)组成零件的共粘接或共固化。
然而，所有这些制造技术都要求部件经历进行操作的不同阶段，以便分开制造不同的组成零件，这些零件随后将被组装在一起。这是耗时的过程，并且预先确定飞行器的生产率。结果，在一系列不同制造步骤之后获得了最终的部件，而这增加了制造成本和时间。
此缺点连同与这些常规制造技术相关的高重复/非重复成本，促进了航空领域增材制造(AM)技术的出现。
通常，这些AM技术使用带有3D建模软件(计算机辅助设计或CAD)的计算机、增材制造工具(例如机器设备)和分层材料长丝。CAD草图是最终3D物体构建的3D电子模型。AM工具能够从CAD文件中读入数据(截面几何形状和表面图案两者)，并通过至少一个头部以逐层方式铺设或沉积液体、粉末、片材等的相继的长丝(然后形成各层)，以制造3D物体。
因此，在实现快速成型的同时，降低买到飞比率(即生产零件所需的材料的质量与最终航空结构中的材料的质量之间的比)的可能性为逐层打印聚合物零件设定了有希望的路线图。
然而，众所周知的是，打印复合零件的机械性能仍然远不如铝零件或通过常规技术制造的复合零件。这是因为常规打印零件存在的固有缺陷，例如来自同一层或不同层的连续长丝之间的空隙、孔隙或粘合性差。
孔隙或空隙的形成主要是由于堆叠形成这些层的大致圆形截面的长丝而导致的，并且典型地这些空隙沿着打印方向延伸。另一个典型的局部缺陷是相邻的长丝之间没有聚合物链相互融合，这使得层间剪切强度(‘ILSS’)非常低，并且在承受某些应力时会导致打印零件较弱。
因此，当测试或投入使用这些常规打印零件时，这些空隙和打印缺陷可能会成为应力集中器，从而导致零件过早失效。
当前的解决方案提供了一种基于辊的原位压紧机构，该辊通常将压力施加到抵靠打印床的沉积层上，以减轻这些不希望的现象。此解决方案可以很容易地应用于简单几何形状或具有软曲率的打印零件，在这些零件中，辊可以广泛而均匀地滚动。
然而，使用增材制造技术逐层打印零件的最显著的特征恰恰是能够制造具有复杂几何形状的经济且快速的零件，使得这种基于辊而压紧的技术对大多数打印零件是无用的。
因此，在工业中需要简单、快速、可靠且有效的结构性打印零件的制造方法，该制造方法可以广泛应用，而不考虑预期的几何形状，同时确保所赋予的机械性能以满足结构性要求。
发明内容
本发明通过根据本发明的使用增材制造技术逐层制造零件的方法和根据本发明的用于打印零件的压紧系统，提供了上述问题的解决方案。
在第一发明方面，本发明提供了一种使用增材制造技术逐层制造零件的方法，该方法包括以下步骤：
-将零件与成形于其上的弹性体包壳一起打印，在零件与弹性体包壳之间留有无材料的间隙，该弹性体包壳包括至少一个开口；
-对打印零件和弹性体包壳的整体件进行加热或者保持操作打印温度；
-通过弹性体包壳的至少一个开口施加真空，使得弹性体包壳放气，从而向打印零件施加压力；并且
-在预定时间期间将打印零件保持在真空和加热下。
在此整个文件中，“增材制造技术”(AM)将被理解为那些通过逐层添加材料来构建3D物体的技术，其中材料(在增强材料的情况下是可熔化材料或基质材料)在施加热量时变成液体，并且在冷却时固化(或硬化)成固体。
取决于所使用的材料和机器技术的形式，增材制造技术中包含许多技术。其中，可能要指出的是选择性激光烧结(SLS)、立体光刻(SLA)、多射流建模(MJM)或熔丝制造(FFF)。
在本发明的方法的优选实施例中，零件和弹性体包壳是使用熔丝制造(FFF)来打印的。众所周知，FFF是3D打印(3DP)的特定示例。
熔丝制造(FFF)是以过程为导向的制造，其包括使用通过至少一个分度喷嘴注射到构建片材上的长丝形式的材料。(多个)喷嘴跟踪每个特定层的表面图案，在沉积下一层之前材料硬化。该过程重复进行，直到该件完成、即被打印。优选地，这些材料是热塑性或弹性体材料，或者嵌入到热塑性材料中的纤维材料增强物。
在FFF中，每个沉积层可以由一组定向长丝形成。
要注意的是，将零件与弹性体包壳一起打印的过程通过重复以下步骤来执行，重复次数视需要而定：
-将零件的材料的至少一层沉积到构建片材上，
-留下没有材料的间隙，以及
-按照零件的形状沉积用于弹性体包壳的至少一层弹性体材料。
由于弹性体包壳和打印零件两者的第一打印层(下层)直接沉积在构建片材上，并且弹性体包壳遵循该打印零件的形状，所以弹性体包壳的第一打印层形成至少一个开口的边缘。
结果，除了这种至少一个开口之外，弹性体包壳完全包围打印零件。
由于在相邻长丝/层之间形成结合(基于扩散的熔合)时对温度的强烈依赖性，典型的打印工具预热它们的打印室或周围环境，以便达到并保持由所选材料决定的操作打印温度。
因此，根据本发明，存在将由打印零件和由先前打印步骤产生的弹性体包壳形成的整体件加热到操作温度的步骤。可选地，在打印过程期间，整体件也可以被加热并保持在操作温度下。操作温度可以是恒定的，也可以随过程而变化。
此操作温度有利地是打印零件材料的玻璃化转化温度，以便软化各层并稍微能够成形。例如，玻璃化转化温度的典型值对于PEEK(聚醚醚酮)为143℃，对于PA66(例如，尼龙)为50℃，对于ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)为105℃。尽管玻璃化转化温度的精确值取决于测量技术，但是所有已知的结果都提供了与应用本发明足够相似的值。
本发明的另一个步骤是，通过将真空系统气密地连通至弹性体包壳的至少一个开口，将真空施加到整体件上，使得空气从打印零件与弹性体包壳之间的间隙中移除，导致弹性体包壳放气。
由于弹性体包壳被成形至打印零件，此抽真空使得弹性体包壳向打印零件施加压力，弹性体包壳因此充当用于固结的原位打印热成形膜或真空袋。
对于术语“包壳”，应该理解为，对于打印零件的每个壁(内壁或外壁)，都存在由间隙隔开的弹性体材料的对应的壁。只有当打印零件的内壁对外部不开放时(例如，为了减轻零件的重量而有意引入空隙)，弹性体材料才不会覆盖这种壁，因为首先不可能施加真空，其次不可能随后移除弹性体材料。
如果操作温度和真空的这种组合保持预定的时间，则打印零件被认为是刚刚固结。
有利地，弹性体材料足够有柔性且可拉伸，以在真空和加热下改变它们的几何形状，从而紧紧地覆盖打印零件。特别地，已经发现被打印作为包壳的弹性体材料可以容易地进行充气和放气而不会损坏，然后特别适合于对打印零件施加压力(即压紧)并改善其机械性能。
进一步，由于柔性弹性体材料固有的膨胀/收缩特性，打印零件可以容易地从该包壳移除而不会被损坏。
如所提及的，由于该零件由聚合物材料制成，热量充分软化打印零件，并且压紧减轻了长丝之间的空隙，从而促进聚合物融合以改善层间相互粘附。结果，不仅大大提高了打印零件的力学性能，例如ILSS、抗拉强度、抗压强度等，而且还改善了尺寸公差。附带地，因此消除了任何翘曲效应。
有利地，由于弹性体包壳在逐步打印时将待固结的零件也进行打印，即它们被“一起”打印或同时打印，所以对打印零件的形状或几何形状没有限制。
简而言之，与传统打印零件相比，通过根据本发明的方法制造的固结的打印零件具有高分辨率表面、更小的孔隙体积或空隙以及没有接口。
例如，通常制成各件然后组装在一起的航空零件(因此具有接口)可以被一次性一体地制造出且满足任何结构性规格。
在优选实施例中，打印零件是航空零件。
根据本发明制造的零件的无接口(即一体或自密封)的此最后的显著特征具有额外的优点，例如改善了进水问题和脱胶。此外，由于打印零件具有更好的结构性能，因此可以增强操作。
在特定实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
-以预定的冷却速度对打印零件和弹性体包壳的整体件进行降温；并且
-手动地或通过零件与弹性体包壳之间的间隙施加空气，将打印零件从弹性体包壳上移除。
固结的打印零件从操作温度进行降温(通常以℃/分钟限定)导致其固化，并且因此，随着材料的收缩和内部应力的开始，对其最终的机械性能产生影响。
如果冷却速度足够慢，打印零件上的残余热应力大多可以避免。合适的冷却速度取决于具体情况，通常同时考虑材料类型和几何形状，典型值约为16℃/分钟或更低。
降温通常是通过对流逐渐使加热器件停止工作或关闭加热器件然后施加冷却空气来进行的。
在优选实施例中，根据打印零件材料来选择冷却速度，以达到至少32％的结晶度。
与无定形聚合物相反，半结晶聚合物包括它们的聚合物分子链的有序排列、尤其是这些链倾向于对齐，从而进一步使得打印零件更加致密。
因此，在此实施例中，通过热机械效应和结晶化效应的组合来产生最终固结，扩大了最终产品可能的机械性能。
在打印产品中促进一定程度的结晶有利地改善了赋予它的机械性能。
一旦打印零件被冷却，例如冷却到环境温度，可以从打印工具(如果仍然在那里的话)上移除整体件，并且可以手动地或者通过断开真空系统并连接用于通过间隙施加空气的压缩空气系统来进一步从弹性体包壳上移除打印零件。
由于弹性体材料的柔性特性，由于其容易充气，因此可以在不损坏的情况下进行移除。
需要注意的是，一旦冷却，就没有必要立即移除弹性体包壳，因为它在储存期间可以对打印零件起到缓冲保护作用。
在优选实施例中，弹性体包壳由硅橡胶和/或弹性体聚氨酯制成。
有利地，这些弹性体材料是柔性和弹性材料，可以根据其周围的零件几何形状进行打印。考虑到预期的变形和/或适应能力，优选地，对弹性体包壳进行打印。
在优选实施例中，打印零件由嵌入到可熔化材料中的纤维材料增强物制成。
通过用可熔化材料沉积纤维材料增强物，实现了轻质设计，因为与仅使用可熔化材料相比，满足结构性要求所需的材料更少。
根据本发明，纤维材料增强物可以呈例如原纤维(非常短和/或不规则的纤维)、纳米纤维、碳填料、短纤维(长度<1mm)或连续纤维(在制造时沿着整个长丝并因此沿着零件的整个长度/宽度连续延伸)的形式。优选地，纤维材料增强物呈连续纤维和/或短纤维的形式，其中连续纤维是优选的。
另外，纤维材料增强物可以是玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维或用作增强物的任何其他常规材料。其中碳纤维是优选的。
根据本发明，可熔化材料可以是热塑性材料，例如PA(聚酰胺)，PA66，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)，PEEK(聚醚醚酮)，PAEK(聚芳基醚酮)或PEKK(聚醚酮酮)。在优选实施例中，可熔化材料呈长丝形式，以更好地储存和处理。
在优选实施例中，可熔化材料是下列任何一种热塑性材料：PEKK，PAEK，或PEEK。更优选地，可熔化材料是PAEK或PEEK。并且最优选地，可熔化材料是PEEK。
在优选实施例中，此纤维材料增强物被沉积以更好地适应操作和服务期间的未来负载要求。因此，实现了优化的结构性布置。
在特定实施例中，弹性体包壳包括由附加的弹性体材料形成的至少一个外部肋状物。
也就是说，弹性体包壳被打印为具有至少一个外部肋状物，该外部肋状物被配置和布置成使得在真空下施加到打印零件上以进行固结的压力考虑了要施加在打印零件上的机械性能。
当施加真空时，弹性体材料通过移除自身与打印零件之间的空气而放气，并压紧打印零件。由于不能在三个轴线上进行压紧，为了进一步优化机械性能，可以根据打印零件的预期机械性能来设计弹性体包壳。
特别地，在打印零件的壁的两侧的弹性体材料的聚集提供了更高的局部压力，因此，在操作和服务期间，可以根据预期的负载要求施加压紧。
由于AM技术既能改变弹性体包壳的厚度，又能提供肋状物(理解为弹性体材料的局部聚集)，因此压紧也可以根据预期的机械性能而局部改变。同样地，对于复杂的几何形状，控制施加的压力方向，可以实现更均匀的固结。
在特定的实施例中，零件和弹性体包壳被打印在多孔构建片材上，该多孔构建片材被连接至用于施加真空的真空系统。
用于打印逐层零件的常规增材制造工具包括容纳构建片材的打印室和被配置成在所述构建片材上移动并沉积材料的至少一个头部。
常规构建片材可以由多孔构建片材代替，或者此多孔构建片材可以放置在常规构建片材之上。无论哪种方式，在此实施例中，真空系统连接在下方，以便至少通过弹性体包壳的至少一个开口施加真空。
有利地，通过密闭地封闭打印室(如果还没有封闭的话)，然后在预定的时间内启用真空系统，打印零件可以在打印后立即原位固结。
有利地，根据本发明的方法可以容易地在常规增材制造工具、例如FFF打印机中实施。
在优选实施例中，打印零件和弹性体包壳的整体件保持在打印室内部的操作温度下。
由于抽真空可以在打印后立即进行，打印室已经处于操作温度，因此其中的加热器只需在预定的压紧时间内保持这样的温度。
在特定实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
-逐层打印弹性体连接件，该弹性体连接件被配置成与弹性体包壳的至少一个开口气密连接，其中，所述弹性体连接件与零件和弹性体包壳一起打印，或者在分开的打印步骤中打印；
并且，施加真空的步骤进一步包括：
ο将弹性体连接件与弹性体包壳的至少一个开口气密连接；并且
ο将真空系统连接至所述弹性体连接件。
也就是说，弹性体连接件根据打印零件的几何形状，并且具体地，根据弹性体包壳的至少一个开口原位和特别地打印。打印附加的非结构性材料，用作弹性体包壳开口与真空系统的阀之间的真空连接。
同样地，基于相同的CAD文件，如果打印室不够大以至于不能同时打印该连接件和整体件，则可以在分开的打印步骤中打印弹性体连接件。
无论哪种方式，弹性体连接件包括成形至弹性体包壳的至少一个开口的第一连接点，并且进一步包括被配置成在其上分配真空系统的一个或多个真空阀的至少一个第二连接点。
然后，根据本发明，弹性体连接件通过第一连接点气密地连接至弹性体包壳的至少一个开口；并且通过第二连接点连接至真空系统。
有利地，本发明可以使用常规外部真空系统。
如所提及的，为了有效压紧，打印零件需要足够温暖、优选地高于其玻璃化转化温度。然后，一种选择是在打印室内部引入真空连接，并在那里执行压紧。
替代性地，一旦零件和弹性体包壳打印好，该方法进一步包括将它们移动到烘箱或高压釜中的步骤，以便被保持在其中的操作温度下。
在第二发明方面，本发明提供了一种用于使用增材制造技术逐层制造的打印零件的压紧系统，其中，该系统包括：
-弹性体包壳，该弹性体包壳与零件一起逐层打印、并适于成形至其上在其之间留有间隙，其中，此包壳包括至少一个开口；
-加热器件，该加热器件被配置为对打印零件和弹性体包壳的整体件进行加热，并将其保持在操作打印温度下；
-通过弹性体包壳的至少一个开口施加真空的器件，以及
-控制器，
其中，控制器被配置成至少在预定时间期间同时操作施加真空的器件和加热器件，使得弹性体包壳放气，从而向打印零件施加压力。
有利地，常规增材制造打印工具、例如FFF打印机可以通过包括此压紧系统来改进。
如果操作温度和真空的这种组合保持预定的时间，则打印零件被认为是刚刚固结或压紧。
在实施例中，压紧系统进一步包括打印零件。
优选地，加热器件布置在打印室内部，打印零件和弹性体包壳将在打印室中被打印。在此实施例中，控制器可以与并入在打印室中的用于协调头部和/或构建片材的运动的控制器相同。
否则，加热器件可以是烘箱或高压釜。在此实施例中，控制器可以是基于软件的部件，用于协调烘箱/高压釜的温度和真空系统施加的真空。
在特定实施例中，施加真空的器件包括：在其上打印打印零件和弹性体包壳的多孔构建片材；以及连接至这种多孔构建片材的真空系统。
在替代性实施例中，施加真空的器件包括弹性体连接件和连接至其上的真空系统，弹性体连接件被配置成与弹性体包壳的至少一个开口气密连接。
在此实施例中，施加真空的器件可以进一步包括在弹性体连接件与弹性体包壳的至少一个开口之间的连接处的气密密封件，以确保气密性。
为了有效地压紧，在特定的实施例中，弹性体包壳包括布置的至少一个外部肋状物，使得在真空下施加到打印零件上以进行固结的压力考虑了要施加在打印零件上的机械性能。
在第三发明方面，本发明提供了一种增材制造工具，用于使用增材制造技术对打印零件进行逐层打印并固结这种打印零件，该增材制造工具包括：
-打印室，该打印室容纳构建片材和至少一个头部，该至少一个头部被配置成在所述构建片材上移动并沉积用于打印零件的材料和/或弹性体材料；并且
-根据第二发明方面的任何实施例的压紧系统。
可以在根据第一发明方面的任何实施例的方法中使用的根据本第三发明方面的增材制造工具包括打印室，优选地是可密闭地封闭的打印室。
在打印室内部，布置有构建片材和至少一个头部。此构建片材可以是平面的或弯曲的，再现了待打印产品的任何外表面。
至少一个头部被配置成在构建片材上移动，并且同时沉积所储存的材料，该材料跟踪每个特定层的表面图案，在施加后续层之前材料硬化。
如果使用呈长丝形式的材料，该工具可以进一步包括(多个)卷轴，用于储存该零件的可熔化材料和单独的纤维材料增强物，或者已经嵌入到可熔化材料中的纤维材料增强物，或者甚至是弹性体材料。优选地，都呈长丝形式。
储存在卷轴中的材料被引导至(多个)头部。该头部另外包括挤压机，该挤压机使用扭矩和夹紧系统来进给和缩回所进给的材料，以便驱动所需量的材料沉积。(多个)头部还可以包括加热块，用于将可熔化材料或弹性体材料加热到任何精确的温度。一旦材料被加热，它的直径就会缩小，从而迫使材料更准确地沉积。
增材制造工具可以具有被配置成沉积用于零件和/或弹性体材料的可熔化材料的一个头部，以及被配置成沉积待嵌入可熔化材料中的纤维材料增强物的另一个头部，或者只有被配置成转换待沉积的材料的一个头部。替代性地，增材制造工具具有被配置成沉积用于零件的可熔化材料的一个头部，以及用于沉积弹性体材料的另一个头部。
此外，纤维材料增强物可以：
·在进入头部之前嵌入到零件的材料中(类似于预浸渍的复合材料)，或者
·在头部中原位嵌入到零件的材料中，或者
·在部件上原位嵌入到零件的材料中，分开沉积纤维材料增强物和可熔化材料，并且一旦沉积，就施加热量使可熔化材料熔化。
在实施例中，头部被配置成在构建片材上沿三个平移轴线(X，Y，Z)移动和/或(围绕X，Y，Z)旋转，以打印更复杂的几何形状。可选地，(多个)头部可以被限制为仅在水平方向(X，Y)上在构建片材上移动，而在竖直Z方向上的移动由构建片材执行，从而实现所谓的2.5D制造。这些移动典型地由致动器和/或伺服器执行，对于每个方向和/或旋转存在一个致动器和/或伺服器。
在第四发明方面，本发明提供了根据第一发明方面的任一实施例的使用增材制造技术的可逐层制造的零件。在优选实施例中，零件是航空零件。
本说明书(包括权利要求、描述和附图)中描述的所有特征和/或所描述的方法的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了这些互斥的特征和/或步骤的组合。
附图说明
参考附图，鉴于本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他特性和优点，这些特征和优点从本发明的仅作为示例给出并且并不受其所限的优选实施例中变得显而易见。
图1此图示出了具有不同几何图形的打印零件的增材制造工具的示例。
图2此图示出了增材制造工具的示意性表示，其中零件和弹性体包壳两者的第一层都已被打印。
图3a、图3b这些图示出了带有各自的弹性体包壳的圆柱形打印零件(图3a)和半球形打印零件(图3b)的截面视图。
图4a、图4b这些图示出了圆柱形打印零件的平面视图和截面视图，其中，对应的弹性体包壳进一步包括用于局部压紧控制的至少一个外部肋状物。
图5a至图5c这些图示出了带有对应的弹性体包壳和另一弹性体连接件的圆柱形打印零件在三个瞬间的截面视图：(5a)刚打印完，(5b)已组装好，以及(5c)与真空系统断开连接后。
具体实施方式
本领域技术人员应该认识到，本文描述的各方面可以体现为制造零件1的方法、压紧系统、或增材制造工具。
本发明限定了一种使用增材制造技术逐层制造零件1的方法。基本上，该方法包括以下步骤：
-将零件1与成形于其上的弹性体包壳2一起打印，在零件与弹性体包壳之间留有无材料的间隙，该弹性体包壳包括至少一个开口2.1；
-对打印零件1和弹性体包壳2的整体件进行加热或者保持操作打印温度；
-通过弹性体包壳2的至少一个开口2.1施加真空，使得弹性体包壳放气，从而向打印零件1施加压力；并且
-在预定时间期间将打印零件1保持在真空和加热下。
图1描绘了根据本发明的方面的增材制造工具10的实施例，其具有一组不同几何形状的打印零件1’、1”、1”’。
出于说明性原因，未示出打印室。然而，此打印室典型地容纳构建片材3.1和可以在该构建片材3.1上水平(X，Y)移动的(多个)头部5。与2.5D制造一样，竖直Z方向的移动由构建片材执行。
在打印步骤期间，材料层沉积在此构建片材3.1上。此外，此构建片材是能够从中抽取空气(即传输真空)的多孔构建片材。
为了施加真空，此多孔构建片材3.1连接至布置在下面的常规真空系统(未示出)(参见图2)。
此外，尽管未示出，打印室容纳加热器件或“加热器”(例如电阻器)，用于在打印和压紧两个步骤期间对内部进行加热并将内部保持在操作温度下。
这些打印和压紧操作温度可以完全相同或不同。因此，如果不同，则加热器件被配置成加温并保持打印室的内部至少上至最高温度，该最高温度通常是高于打印零件的材料的玻璃化转化温度的操作温度。否则，可以为每个步骤提供两个不同的加热器或加热器件。
由于增材制造工具已经通过多孔构建片材3.1以及加热系统结合了真空系统3和真空传输器件，打印、加热和抽真空的步骤可以随后在打印室内原位执行。
结果，零件1’、1”、1”’与成形至其上但由间隙隔开的弹性体包壳2’、2”、2”’同时打印。图1所示的几何形状为半圆柱体1’、2’、管状轮廓1”、2”、以及四分之一球体1”’、2”’。
这些基本几何形状是出于说明的目的，并且根据本发明的方法可以延伸到任何其他几何形状，而不管它会有多复杂。实际上，本发明特别适用于打印零件的几何形状过于复杂以致于不能用常规手段压紧的情况。
如上所述，不管打印零件1的外壁的曲率有多明显，都应当始终存在由间隙隔开的由弹性体材料2制成的对应的壁，除非打印零件的壁不是向外开放的，例如在内部空隙的情况下。
图2描绘了类似于图1所示的增材制造工具10的实施例的示意性表示，其中零件1和弹性体包壳2两者的第一层都已经被打印。
简而言之，将零件1与弹性体包壳2一起打印的过程通过重复以下步骤来执行，重复次数视需要而定：
-将零件1的材料的至少一层沉积到构建片材上，
-留下没有材料的间隙，以及
-沉积尽可能多的弹性体材料层2作为用于弹性体包壳的零件的预期壁。
如可以看到的，由遵循零件的形状的弹性体包壳2的层包围的零件1的第一层直接打印在构建片材(例如多孔构建片材3.1)上。零件1的这个打印层将形成具有两个暴露侧面的边缘，例如圆柱壁。
弹性体包壳2的在零件的第一层的两侧的这些打印层然后将形成开口2.1的边缘，空气可以通过抽真空穿过该开口而逸出。
如果更多的层被逐层沉积，打印过程将产生如图3a和图3b所示的打印零件1和弹性体包壳2。
特别地，这些图示出了圆柱形打印零件1和半球形打印零件1的截面视图，每个打印零件都具有其特别打印的弹性体包壳2。
弹性体材料2和复合材料/聚合物零件1可以以类似于常规打印机的方式打印在一起。在常规的打印过程(例如2.5D)中，对于每个沉积步骤，由零件和弹性体包壳形成的整体件的高度是相同的，使得两个件被“一起”打印。也就是说，在任何打印步骤中，零件1和弹性体包壳2可以具有相同或相似的沉积层数，以避免打印头部碰撞任何打印件。
关于零件1的圆柱形几何形状(图3a)，在打印过程结束时，考虑到打印零件1在一个或多个面上是开放的，因此重要的是连结弹性体材料2的内壁和外壁，以在除了与构建片材直接接触的区域之外的所有开放区域中为零件1提供封闭(同样留有间隙)。然后，它允许在抽真空过程期间通过整体件的底部中的开口区域2.1移除间隙内部的空气，以压紧该件。
在零件1为球形几何形状的情况下(图3b)，该过程与图3a所解释的相同，但是完成打印过程导致零件被封闭，因此没有必要——也不可能——连结弹性体包壳2的内壁和外壁。因此，弹性体包壳2的内壁和外壁两者是封闭的，以避免空气逸出。
图4a和图4b分别描绘了圆柱形打印零件1的平面视图和截面视图A-A’，其中，对应的弹性体包壳进一步包括用于局部压紧控制的(多个)肋状物2.2、2.2’。
如可以观察到的，此弹性体包壳2包括：肋状物，例如当施加真空时用于例如通过多孔构建片材来提供稳定基座的安置凸沿2.2’；以及在中间高度处均匀(也就是说，每90°)分布的四个径向突起2.2。
进一步，零件壁两侧的弹性体材料聚集可以类似地起作用，因此与恒定厚度相比，提供了更高的局部施加压力，因此，在操作和维修期间，可以根据预期的载荷要求进行压紧。
由于不能在三个轴线X、Y、Z上施加压紧，所以需要考虑打印零件1将具有的预期机械性能来设计弹性体包壳2。关于圆柱形几何形状(例如在图3a中)，本文已经描绘了箭头以示出这些肋状物如何改变压紧方向，从而在圆柱形零件上提供大致径向的力。特别地，因为肋状物可以避免任何不希望的褶皱形成，因此径向上施加了更均匀的压力。
图5a至图5c描绘了圆柱形打印零件1的截面视图，该圆柱形打印零件具有对应的弹性体包壳2以及另一弹性体连接件4。
圆柱形打印零件1可以等同于图3a或图4a中所描绘的那些圆柱形打印零件。弹性体连接件4是附加的非结构性柔性弹性体材料，该弹性体连接件允许将真空阀3.2分配到弹性体包壳2的开口2.1，以便藉由外部源施加真空。
此弹性体连接件4包括成形至弹性体包壳2的至少一个开口2.1的第一连接点4.1，并且进一步包括被配置成在其上分配真空系统3的(多个)真空阀3.2的至少一个第二连接点4.2。在此特定示例中，只使用了一个阀3.2。
然后，根据本发明，弹性体连接件4通过第一连接点4.1气密地连接至弹性体包壳2的至少一个开口2.1；并且通过第二连接点4.2连接至真空系统3(未示出)。
如图5a中所见，弹性体连接件4可以根据打印零件1的几何形状，并且具体地，根据弹性体包壳2的至少一个开口2.1原位和特别地打印。
然后，如图5b中所见，此弹性体连接件4通过将其第一连接点4.1气密地连接至弹性体包壳的至少一个开口2.1而组装到整体件上。
还应注意，在此实施例中，此弹性体连接件4由两个叠置的杯状物形成(即，内部杯状物4.4和外部杯状物4.5)，从而形成用于插入蘑菇型密封剂对应物的容器4.3。外部杯状物4.5包括呈通孔形式的第二连接点4.2，以在该第二连接点上插入真空系统3的真空阀3.2。此外，内部杯状物4.4和外部杯状物4.5的边沿形成适于弹性体包壳的开口2.1的第一连接点4.1。
在组装期间，在弹性体连接件4与弹性体包壳的至少一个开口2.1之间的连接处可能需要气密密封件，以确保气密性。此气密密封件优选地是树胶密封剂带或其他类似的带，如真空系统中常规使用的那些。
图5c描绘了压紧后的情况，其中，整体件1、2在与真空系统阀3.2刚断开连接后仍组装至弹性体连接件4。可以进一步看到，蘑菇型密封剂配对物插入到容器4.3中，以与真空阀3.2配合并改善抽真空。

Claims (15)

1.一种使用增材制造技术逐层制造零件(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-将所述零件(1)与成形于其上的弹性体包壳(2)一起打印，在所述零件与所述弹性体包壳之间留有无材料的间隙，所述弹性体包壳包括至少一个开口(2.1)；
-对所述打印零件(1)和弹性体包壳(2)的整体件进行加热或者保持操作打印温度；
-通过所述弹性体包壳(2)的至少一个开口(2.1)施加真空，使得所述弹性体包壳(2)放气，从而向所述打印零件(1)施加压力；并且
-在预定时间期间将所述打印零件(1)保持在真空和加热下。
2.根据权利要求1所述的制造方法，进一步包括以下步骤：
-以预定的冷却速度、优选地被选择用于这种打印零件(1)以达到至少32％的结晶度的冷却速度对所述打印零件(1)和弹性体包壳(2)的整体件进行降温；并且
-手动地或通过所述零件(1)与所述弹性体包壳(2)之间的间隙施加空气，将所述打印零件从所述弹性体包壳上移除。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述弹性体包壳包括由附加的弹性体材料形成的至少一个外部肋状物(2.2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其中，所述零件(1)和所述弹性体包壳(2)打印在多孔构建片材(3.1)上，所述多孔构建片材(3.1)连接至用于施加真空的真空系统(3)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，所述零件(1)和弹性体包壳(2)的整体件保持在打印室内部的操作温度下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，进一步包括以下步骤：
-逐层打印弹性体连接件(4)，所述弹性体连接件被配置成与所述弹性体包壳(2)的至少一个开口(2.1)气密连接，其中，所述弹性体连接件(4)与所述零件(1)和所述弹性体包壳(2)一起打印，或者在分开的打印步骤中打印；
并且其中，所述施加真空的步骤进一步包括：
○将所述弹性体连接件(4)与所述弹性体包壳(2)的至少一个开口(2.1)气密连接；并且
○将所述真空系统连接至所述弹性体连接件(4)。
7.根据权利要求6所述的制造方法，进一步包括以下步骤：
-一旦所述零件(1)和所述弹性体包壳(2)打印好，就将它们移动到烘箱或高压釜中，以被保持在其中的操作温度下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的制造方法，其中，所述弹性体包壳(2)由硅橡胶和/或弹性体聚氨酯制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的制造方法，其中，所述打印零件(1)由嵌入到可熔化材料、优选地热塑性材料中的纤维材料、优选地连续纤维和/或短纤维增强物制成。
10.一种用于使用增材制造技术逐层制造的打印零件(1)的压紧系统，其中，所述系统包括：
-弹性体包壳(2)，所述弹性体包壳与所述零件(1)一起逐层打印、并适于成形至所述零件上、在两者之间留有间隙，其中，所述包壳(2)包括至少一个开口(2.1)；
-加热器件，所述加热器件被配置成对所述打印零件(1)和所述弹性体包壳(2)的整体件进行加热，并将其保持在操作打印温度下；
-通过所述弹性体包壳(2.1)的至少一个开口(2)施加真空的器件(3)，以及
-控制器，
其中，所述控制器被配置成至少在预定时间期间同时操作所述施加真空的器件(3)和所述加热器件，使得所述弹性体包壳放气，从而向所述打印零件施加压力，之后获得压紧的打印零件。
11.根据权利要求10所述的压紧系统，其中，所述弹性体包壳(2)包括由附加的弹性体材料形成的至少一个外部肋状物(2.2)。
12.根据权利要求10或11所述的压紧系统，其中，所述加热器件：布置在打印室内部，所述打印零件和所述弹性体包壳将在所述打印室中被打印；或者是烘箱或高压釜。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的压紧系统，其中，所述施加真空的器件包括在其上打印所述零件(1)和所述弹性体包壳(2)的多孔构建片材(3.1)，以及连接至这种多孔构建片材(3.2)的真空系统(3.1)。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的压紧系统，其中，所述施加真空的器件包括弹性体连接件(4)和连接至其上的真空系统(3)，所述弹性体连接件被配置成与所述弹性体包壳(2)的至少一个开口(2.1)气密连接。
15.根据权利要求14所述的压紧系统，其中，所述施加真空的器件进一步包括在所述弹性体连接件(4)与所述弹性体包壳(2)的至少一个开口(2)之间的连接处的气密密封件，以确保气密性。
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