CN116438051A - 一种丝束铺放工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种具有挤压模式切换功能的丝束铺放工艺。所述方法包括加热预浸渍了所需基材的连续的纤维材料；将连续的纤维材料沉积到沉积面上，利用电脑控制的丝束铺放头按照指定方向转向；并将成条的纤维材料转向并相互沉积逐层叠合。

Description

一种丝束铺放工艺

下面的说明书具体描述了本发明以及本发明的实施方法。

技术领域

本发明涉及一种复合物制造工艺，更具体地说，是一种通过挤压模式切换以及其他相关的特征制造高强度连续纤维增强的复合材料。

背景技术

过去几十年，复合材料由于其高比强度得到了很多关注。然而，极大部分的当前的复合材料制造工艺都是劳动密集型的，需要很高的技能和精密的仪器，因此，复合材料加工是昂贵而复杂的工艺，这也限制了其应用范围。

现有技术中的复合材料制造工艺还需要使用模具，因此增加了额外的成本，还导致前置时间大幅增加。

过去这些年来，复合材料制造领域发生了很大的进步，包括自动铺丝方法，还包括将织物预浸渍在热固性树脂如环氧中。预浸渍的丝束喂入并用板材或模具压紧产生二维或三维的薄板。美国发明专利号US 9545759 B2描述了若干种自动丝束铺放系统及方法。所述系统可以确定在高度波纹状表面上铺放复合材料的操作路径。所述系统可以检测出路径将超出转向限制物(比如说复合材料的最大弯曲半径)并能够调整路径避免超出。调整之后相邻的路径之间会产生缝隙，那么会导致边缘部分变宽。所述系统可以在后续的复合材料铺丝工艺中填充这种缝隙。因此，所述系统能够自动将复合材料铺到高度波纹状表面而且不会导致超出转向的限制条件。

美国发明专利号US 9156205 B2中描述了一种三维打印机和加强丝以及它们的使用方法。将无孔加强丝喂入导管口中。加强丝包括芯材和包覆芯材的基材，其中芯材可以是连续的或半连续的。加热所述加强丝，直到超过所述基材的熔点但是低于所述芯材的熔点，然后将所述加强丝拉出导管口。

美国发明专利公布号US 20140061974 A1披露了一种制造三维物体的添加剂制造方法和设备。同时挤出两种或多种材料形成复合物，其中至少一种材料是液体形式的至少一种材料是固体连续的束状物，其中束状物被完全包裹在液体材料中。在挤出后固化所述液体材料使得所述复合物变硬。连续一系列挤出的复合物路径就形成了一个物体。复合物中的束状物包含了具体的化学、机械或电学的特征，使得所述复合物中包含单一材料所不可能具备的改进的性能。美国发明专利号US 10011073 B2描述了一种制造物体的设备。所述设备包括一个挤出头，其中设置有挤出针头可以挤出与一种或多种纤维丝束相关的热塑材料。所述设备还进一步包括一个转盘，一个或多个用于移动所述挤出头和挤出针头的机器臂，热塑丝束和丝束卷以及热塑丝和丝束。此外，还包括一种制造一种物体的方法，包括生成一种设计来大体满足所述物体的结构性能要求，并生成挤出一个或多个热塑材料珠的顺序，来根据设计制造所述物体，其中所述一个或多个热塑材料珠与一种或多种丝束相关。然后根据顺序挤出所述一个或多个热塑材料珠以及相关的一种或多种丝束。

上述现有技术中的系统和方法在复合材料制造技术领域包括下面几种形式的限制：“需要模具，成品的复杂程度有限制，不能或极大程度上限制纤维转向，为了在受控环境下存储和操作需要进行预浸处理，适合预浸处理的树脂往往昂贵，所需机器设备精度高且缩小困难；导致小物体的制造工艺很麻烦，而且制造完成后的成品往往需要大量的后续处理等。”

因此急需高度先进的改进的工艺或方法来解决上述关于复合物制造传统工艺的问题和限制，从而在巨大多样化的技术领域中提供最有竞争力的高强度连续纤维加强复合物。

发明内容

根据本发明的一个实施例，其中描述了一种丝束铺放工艺。所述丝束铺放工艺包括加热移动的所述连续的纤维材料，所述纤维材料预浸渍了热塑材料。所述工艺还进一步包括将所述连续的纤维材料铺放在一个沉积面上，以利用电脑控制的丝束铺放头按照预定方向转向；并且所述连续的纤维材料相互之间的转向和铺放是逐层进行的。

根据本发明的一个实施方式，其中描述了一种利用数控添加剂工艺制造高强度连续的纤维加固的复合物。所述方法包括通过将预定形式的模型输入到切割软件中生成工具路径。所述方法还进一步包括将生成的工具路径输入到控制器中，所述控制器向多个电机以生成的车刀工具路径的形式发送信号，将丝束铺放头在不同的坐标轴上移动。所述方法还包括将材料喂入管口(nozzle)中，将打印头向预定位置移动，其中喂入材料的所述管口与一个挤压机配合直到所述材料粘附到上一层。所述方法还进一步包括所述管口上还设置了加热部件，以帮助从所述管口的出口流出的材料的融化和平稳流动，从而保证跟下面的材料层更好粘附。所述方法还进一步包括当打印过程中不同材料层之间粘附完成后断开所述挤压机，这样让丝束平稳流动避免流速不同。所述方法还进一步包括在一个材料层的端部或一个材料层中不连续处切割纤维并在一个新的点重新开始铺放。

上面是一个简单的描述，帮助理解本发明的实施方式的若干个方面。上述描述并不是本发明及其实施方式的广泛的或详尽的内容。发明内容以简化的形式呈现了本发明的实施方式中选定的概念，作为下面的详细描述的介绍。应当能够理解，单独或组合起来利用上述上面或下面叙述的一个或多个特征可以获得本发明的其他实施方式。

附图简要说明为了描述清楚，本发明的一些实施方式在附图中示出了。然而，应当理解的是，本发明的主题并不限定在示出的精确的排列方式，尺寸和机制中。此外，附图中同样的编号指代同样的特征。

图1示出了根据本发明的一个实施方式所述的一种制造高强度连续纤维加强复合材料的方法的流程图。

图2示出了根据本发明的一个实施方式所述打印头的部件布置图。

图3示出了根据本发明的一个实施方式所述的铺放管口的截面图。

图4示出了根据本发明的一个实施方式所述的成对的挤压滑轮的示意图。

图5A和图5B示出了根据本发明的一个实施方式所述的通过设备(5A)以及纤维(5B)的路径的移动在打印过程中可收缩切割机的位置或切割操作的步骤顺序的示意图。

图6示出了根据本发明的一个实施方式所述铺放管口和熨压装置的示意图。

图7示出了根据本发明的一个实施方式所述的铺放管口与所述球形熨压装置的示意图。

图8示出了根据本发明的一个实施方式所述的从动轮的示意图。

图9示出了根据本发明的一个实施方式所述的备用加热器或辅助加热器的示意图。

具体实施方式

本发明中，属于“可以”表述允许(比如，具备能力做)，而不是必选的意思(例如，表示必须)。同样，属于“包含”“包括”等表示包括但不限于。

短语“至少一个”，“一个或多个”以及“和/或”为开放式表达，操作中可以表示结合也可以表示分离。比如说，“A，B和C中至少一个”，“A，B或C中至少一个”，“A，B和C中一个或多个”，“A，B或C中一个或多个”以及“A，B和/或C”表示仅仅A，仅仅B，仅仅C，A和B，A和C，B和C，或A和B和C。

术语“一个”表示那个实体的一个或多个。即，此处所用的“一个”、“至少一个”和“一个或多个”可以互换。此外还应指出属于“包括”“包含”“具有”也可以互换。

术语“自动”及其变体，这里使用的时候，表示在工艺或操作执行的时候没有实质性人工输入的任何工艺或操作。然而，即使所述工艺或操作执行需要实质性或非实质性人工输入，如果人工输入是在所述工艺或操作执行之前，所述工艺或操作依然是自动的。当人工输入影响所述工艺或操作执行的时候人工输入被认为是实质性的。人工输入允许所述工艺或操作执行不视为“实质性”。

本发明的技术内容可以进行各种不同的改进，并以各种不同的形式实施，并且具体实施方式将结合附图进行更详细的描述。应当理解的是，本发明的实施方式并不限制于具体的形式，反而包括落入本发明的精神和范围内的所有变体，等同替换和变换。

参考图1，其中示出了通过数控添加剂流程制造高强度连续纤维加固复合物的方法的步骤顺序的流程图。根据本发明的一个实施方式，工具路径通过将指定形式的模型输入到切割机中生成。输入模型可以是比如说平面填充模型(tessellated models)或者其他制造工艺需要的本领域技术人员能够理解的合适类型和形式的模型。

生成的工具路径输入到控制器中，所述控制器进一步将生成的工具路径以发送信号的形式发送到多个电机中，所述电机在各个坐标轴(相对于铺放平面的X，Y和Z和标准坐标)上移动线束铺放头。

根据本发明的一个实施方式，图2中示出了本发明所述的打印头的设计。所述打印头包括下列部件，即，挤压器(具有继续或断开机制)，冷却通道或冷却系统，设置了集成熨压系统的加热管口，以及一个可收缩切割机。

参考图1中的流程图，所述方法还进一步包括将材料喂入所述管口中，开始打印进程，将所述打印头移动至所预定位置。将材料喂入到所述管口是通过将所述挤压器设置在工作模式进行的，直到所述材料粘附到打印平台上。

所述铺放管口是模块化的，可以很简单的切换来执行不同宽度的胶带及圆形丝束的叠合。所述铺放管口的部件(1)和部件(2)可以从部件(3)中分离出来，如图3所示。部件(1)和(2)可以互换来进行不同宽度的胶带的叠合。这种叠合管口的特殊设置和特征使得整个打印头操作上更加经济方便而且适用于不同形式的预浸渍纤维丝束。

根据本发明的另一个实施方式，所述打印头中使用两个打印管口，比如说，一个用于纯热塑性材料，另外一个用于纤维加固的热塑性材料。在另外一个可选的实施方式中，在打印头加热部分的入口处将热塑性材料注入进去。

热塑性材料打印帮助改变纤维加强物体的碳纤维的体积分数。为了更好的实现粘合，热塑性材料的基底层打印在纤维加强丝束铺放之前。

根据本发明的一个实施方式，管口的端口处设置有加热部件，从而帮助从管口出口流出的材料的熔化以及平稳流动，保证与下面的材料层之间更好结合。一旦打印过程中不同的材料层之间的连接稳定了，断开所述挤压器，以使所述丝束可以平稳流动，避免速度不匹配的任何可能性。整个打印过程中挤压器都保持断开。这样由于速度不匹配导致的丝束张力过大以及挤压器滑移等可能会导致纤维从物体中脱离，管口堵塞设置丝束断裂等的因素都能够避免。根据本发明的一个实施方式，所述挤压器可以接受不同形式的丝束，包括圆形的丝束或丝带。如图4所示，这是通过设置成对的挤压滑轮实现的，成对的挤压滑轮使得丝束在挤压过程中不会滑出。

此外，根据本发明的一个实施方式所述的挤压器基于叠合的复杂程度和速度自动切换各种不同的挤压模式。各种不同的挤压模式包括a)推动模式，在喂入新材料的时候，当纤维推过所述管口时，在切割过程中，以及当重新推动纤维释放张力的时候使用；b)拉动模式，直线叠合的时候以及当挤压器断开以实现更高的叠合速度的时候使用；c)弯曲部分使用的组合模式，其中为了提供转向精度，对丝束会进行推动和拉动。如果图5A和图5B中左侧的图像所示，在挤压器纯拉动模式，当进行弯曲轨迹的铺放时，丝束的拉力导致丝束往弯曲部分的中心滑动。这样叠合就不精确了。为了对抗这个偏移，在这些地方混合推动和拉动模式。沿着直线路径的时候，设置拉动模式可以使得铺放更快。沿着弯曲部分的路径的话，推动模式能够通过持续挤压丝束让丝束叠合到准备叠合的地方上去来积极释放丝束的张力，从而增加成品的精度，正如图5A和图5B右侧所示。

此外，在一层的端头处或层内的切断处切断丝束，利用所述挤压器回收多余的丝束，从而完成打印过程，并在新的点重新开始叠合。

根据本发明的一个实施方式，所述打印头上集成的切割机制为4-杆连杆机制，其中有一个连杆由回转执行器驱动。有一个连杆上连接有切割机。切割机可以是刀片或一对剪力切割机，本领域技术人员可以根据实际情况确定，所述切割机由控制器远程启动。

参考图6，在打印过程中，切割机位于管口之上，这样不会阻碍路径进行而且也不会影响下面的丝束层。在打印结束时，将打印头或仅将管口提高；启动4-杆连杆机构，让切割机来到管口下方；利用选择的切割机来执行切割操作；再次激活连杆，将切割机重新提高，利用挤压器回收多余的丝束，这样打印过程就结束了，开始进行后续的流程。

参考图7，根据本发明的一个实施方式，所述管口(4)的端头处还设置有熨压装置(6)。所述熨压装置(6)为圆形附件，设置在所述管口的端头处，以帮助丝束在挤压过程中平稳流动，并压紧在挤压出的丝束上以保证与下面的各层之间更好连接。

可选地，根据本发明的一个实施方式，所述熨压装置(6)为沿着出口径向分布的一组圆球，通过连接到出口处的一个笼子固定在一起，如图8所示。所述熨压装置(6)的设计考虑加热引起的热膨胀。

如图9所示，根据本发明的一个实施方式，从动轮压实铺放的丝束，将丝束压实在已经铺放好的各层上。这样能够帮助去除叠合过程中导致的气孔。这样还能跟之前的各层之间更好粘合，成品的层间切变强度更高，避免脱层。

此外，根据本发明的一个实施方式，除了管口处设置的用于熔化预浸渍纤维丝束中的基材的加热部件之外，还设置了一个专用加热部件，所述专用加热部件安装在叠合方向的前侧，如图10所示。所述专用加热部件软化已经铺放好的各层，从而促进后铺放的丝束与已经铺放好的各层之间的连接。

根据本发明的一个实施方式，所述专用加热部件为热气或红外加热器或激光加热器，所述专用加热部件设置在所述管口附近，本领域技术人员可以根据实际情况确定。所述专用加热部件的加热头可围绕所述管口轴心旋转，以保持所述专用加热部件正确的方向，这样所述专用加热部件一直位于叠合方向的前面。

根据本发明的一个进一步的实施方式，给出了一种丝束铺放工艺，其中先加热分散在热塑基材中的连续的丝束，将所述丝束铺放到一个平台上，并利用电脑控制的丝束铺放头按照预定方向进行转向。丝束相互交叠逐层进行转向和铺放。对丝束进行加热，加热程度足以熔化热塑基材因此，丝束会和下面的各层连接起来。这样可以以低成本进行复杂的复合物的制造，不需要制造模具也不需要技术工人。

此外，根据本发明的一个实施方式，用于制作纤维加固的丝束的材料为预浸渍了所需基材比如说所选的热塑或热固材料的连续丝束。所述丝束的截图为圆形，矩形或任意其他形状，根据输入系统和输出形状的要求。此外，热塑材料的选择基于工艺所需的性能，比如说，强度，延展度，热阻，化学阻力等。

上述本发明的说明书是为了解释和描述本发明的目的做出的。说明书并不用于限制本发明的范围在说明书中公布的形式。在前面的详细说明部分，一个或多个实施方式中本发明的多个不同的特征、装置或方面为了简化描述的目的组合在了一起。本发明的方法并不应理解为反应本发明需要比每项权利要求中更多的特征的意图。相反，如随附权利要求反应的那样，本发明的创造性的方面少于比披露出的单个实施方式、配置方法或方面的全部特征。因此，这里将随附的权利要求合并到详细说明书中，其中每项权利要求作为本发明的一个实施方式。此外，尽管本发明的说明书中包含了一个或多个实施方式，配置方法或方面，在本发明的范围内还可以做出其他变化，组合和变更，比如说，在本领域技术人员的技能和知识范围内，在理解了本发明的内容后做出的变化。本发明保护范围在可允许的范围内涵盖可选的实施方式，配置方法或者方面，包括权利要求的变体，互换和/或等同结构、功能、范围或步骤，无论是否在本说明书中披露了上述变体，互换和/或等同结构、功能、范围或步骤，本发明并不意在放弃这些部分的保护。

Claims (21)

1.一种丝束铺放工艺，包括如下步骤：

加热移动的连续的纤维材料，所述纤维材料预浸渍了所需的基材；

将连续的所述纤维材料沉积到沉积面上，通过电脑控制丝束铺放头按照预定方向转向；

将所述纤维材料转向并逐层沉积在一起。

2.根据权利要求1所述的一种丝束铺放工艺，其特征在于，还进一步包括切换挤压器模式，断开所述挤压器以使得丝束不断流动。

3.根据权利要求1所述的一种丝束铺放工艺，其特征在于，所述丝束有多种形式。

4.根据权利要求1所述的一种丝束铺放工艺，其特征在于，预浸渍了热塑材料的连续的所述纤维材料的截面为圆形，矩形或其他任何形状。

5.根据权利要求1所述的一种丝束铺放工艺，其特征在于，所述热固材料的选择基于材料性能进行，所述材料性能包括强度、延展性、热阻、化学阻等。

6.根据权利要求1所述的一种丝束铺放工艺，其特征在于，所述基材可选自热固或热塑材料。

7.一种制造高强度连续丝束加固复合物的方法，其特征在于，包含如下步骤：

生产所需形式的喂料模型的工具路径；

将所述工具路径输入到控制器中；

所述控制器发送所述工具路径形式的信号至多个电机处，所述多个电机用于在多个坐标轴上移动丝束铺放头；

将材料喂入到打印头的管口处，并移动到所需位置；

喂入了所述材料的所述管口通过与挤压器配合将所述材料粘附到上一层或沉积面上；

所述管口还设置了加热部件，朝着所述管口的端口处加热，帮助从所述管口的出口处流出的所述材料熔化并平稳流动，从而保证与下面的材料层更好地连接；

在打印过程中当各个材料层之间粘附完成后，断开所述挤压器，允许丝束平稳流动，从而避免张力不匹配的可能性；

在一个材料层的端口处或一个材料层内的断开处切断所述丝束，并在新的点重新开始铺放叠合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喂料模型为平面填充模型。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述打印头包括所述挤压器，冷却通道，加热喷头以及可收缩切割机。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述管口的端口处还设置了熨压装置，以帮助丝束在挤压和压贴到挤出的丝束的过程中平稳流动，从而保证与下面的材料层之间更好的结合。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述熨压装置为球形物。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述熨压装置为沿着所述管口的出口处径向分布并通过连接到所述管口的出口处的笼子连接的一组球体。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括集成一个从动轮，将沉积的丝束压实到已经沉积的材料层上，从而保证叠合过程中丝束之间紧固连接，并且根据所述工艺制造的成品的层间切变强度更高。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，除了所述管口上设置的加热部件，靠近所述管口，在叠合方向的前侧，还设置了一个专用加热部件，从而加热已经铺放好的各个材料层并促进层间连接。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述专用加热部件为热气或红外加热器或激光加热器。

16.根据权利要求7所述的方法，其中所述管口为模块化设计，其中插入了不同形式的材料以实现快捷切换。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述不同形式的材料包括胶带形式和丝束形式。

18.根据权利要求7所述的方法，其中所述挤压器接受不同形式的丝束，包括圆形丝束和胶带形式。

19.根据权利要求7所述的方法，其中所述挤压器具有不同的挤压模式，包括推动模式，拉动模式和组合模式。

20.根据权利要求7所述的方法，其中所述打印头包括两个所述的管口。

21.根据权利要求9所述的方法，其中所述可收缩切割机为刀片或一对剪力切割机。

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