RU2722944C1 - Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material - Google Patents

Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2722944C1
RU2722944C1 RU2019137354A RU2019137354A RU2722944C1 RU 2722944 C1 RU2722944 C1 RU 2722944C1 RU 2019137354 A RU2019137354 A RU 2019137354A RU 2019137354 A RU2019137354 A RU 2019137354A RU 2722944 C1 RU2722944 C1 RU 2722944C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reinforced
reinforced filament
filament
printing
matrix polymer
Prior art date
Application number
RU2019137354A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петр Анатольевич Мовчун
Анфиса Андреевна Минькова
Анастасия Григорьевна Попова
Николай Валерьевич Кобелев
Михаил Анатольевич Гринев
Михаил Владимирович Бояршинов
Original Assignee
Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель"
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 Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" filed Critical Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель"
Priority to RU2019137354A priority Critical patent/RU2722944C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2722944C1 publication Critical patent/RU2722944C1/en

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
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/78—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to 3D printing by thermoplastic composite material. Preliminarily impregnating the reinforced filament with the molten matrix polymer under pressure, drying the reinforced filament, feeding the reinforced filament into the extruder of the printing head, heating the reinforced filament to a temperature higher than the melting point of the matrix polymer of the reinforced filament, extruding the reinforced filament on the surface of the part to form a welded layer of composite material with cutting of the reinforced filament. After feeding the reinforced filament into the three-dimensional printing zone, it is welded at simultaneous exposure to temperature exceeding the melting point of the matrix material of the reinforced filament and ultrasonic vibrations. Printing process is carried out in thermostatically controlled heated chamber.EFFECT: as a result, it is possible to manufacture part of complex geometry.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аддитивных технологий в частности к технологии моделирования методом послойного наплавления («Fused Deposition Modeling» FDM или «Fused Filament Fabrication» FFF) или послойной 3Д-печати расплавленной полимерной нитью, в частности, армированной непрерывным углеродным волокном полимерной нитью.The invention relates to the field of additive technologies, in particular to technology of simulation by the method of layer-by-layer deposition ("Fused Deposition Modeling" FDM or "Fused Filament Fabrication" FFF) or layer-by-layer 3D printing with molten polymer filament, in particular, polymer filament reinforced with continuous carbon fiber.

3Д-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного создания детали. Процесс печати - это ряд повторяющихся циклов, связанных с послойным нанесением материала до полного формирования детали. Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий.3D printing can be carried out in different ways and using different materials, which are based on the principle of layer-by-layer creation of a part. The printing process is a series of repeating cycles associated with layer-by-layer application of the material until the formation of the part. Cycles continuously follow one after another: the next is applied to the first layer of material.

Известны различные способы 3Д-печати методом послойного наплавления термопластичной нити армированной волокном.Various methods of 3D printing are known by the method of layer-by-layer deposition of a thermoplastic fiber-reinforced filament.

В частности, из патентов (US 5121329 МПК B22F3/115; B29C35/02, опубл. 09.06.1992), (US 5340433 МПК B22F3/115; B29C35/02, опубл. 23.08.1994), (US 5738817, МПК B29C41/36; B29C67/00, опубл. 14.04.1998), (US 5764521, МПК B29C41/36; B29C48/33, опубл.09.06.1998), (US 6022207, МПК B29C31/00; B29C41/02, опубл. 08.02.2000) компании Стратасис (Stratasys, Inc), известна технология построения 3Д-объекта по модели для автоматизированного проектирования (CAD) методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения расплавленного материала.In particular, from patents (US 5121329 IPC B22F3 / 115; B29C35 / 02, publ. 09/06/1992), (US 5340433 IPC B22F3 / 115; publ. 23.08.1994), (US 5738817, IPC B29C41 / 36; B29C67 / 00, publ. 04/14/1998), (US 5764521, IPC B29C41 / 36; B29C48 / 33, publ. 09/06/1998), (US 6022207, IPC B29C31 / 00; B29C41 / 02, publ. 08.02. 2000) of Stratasys, Inc., a well-known technology for constructing a 3D object according to a model for computer-aided design (CAD) by the “layer by layer” method by extrusion deposition of molten material.

В способе изготовления (Патент US 2019232550, МПК B29B15/14; B29C48/154, опубл. 01.08.2019) описаны методы 3Д-печати детали, которые включают в себя: подготовку цифровой 3Д-модели детали, предварительную пропитку армированной нити расплавленным матричным полимером под давлением, подачу армированной нити в экструдер печатающей головки установки 3Д-печати, нагрев армированной нити до температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера, экструдирование армированной нити на поверхность детали с образованием слоя термопластичного композитного материала, регулировку скорости подачи армированной нити и ее обрезку, повторение цикла до полного формирования детали.The manufacturing method (Patent US 2019232550, IPC B29B15 / 14; B29C48 / 154, published 01.08.2019) describes 3D printing methods for a part, which include: preparing a 3D 3D model of the part, pre-impregnating the reinforced yarn with molten matrix polymer under pressure, feeding the reinforced filament to the extruder of the 3D printing unit's print head, heating the reinforced filament to a temperature higher than the melting temperature of the matrix polymer, extruding the reinforced filament onto the surface of the part to form a layer of thermoplastic composite material, adjusting the feed rate of the reinforced filament and cutting it, and repeating the cycle until the part is fully formed.

Общая проблема и недостатки вышеперечисленных способов 3Д-печати по технологии послойного наплавления FDM, FFF или 3Д-печати полимерной термопластичной нитью, в частности, армированной непрерывным углеродным волокном, заключается в том, что материалы, полученные по этой технологии уступают по прочности и стойкости полимерным материалам, полученным формированием под давлением, например, литьем под давлением. В частности, испытания на межслоевой сдвиг (Short-Beam Strength ASTM D2344) показывают прочность более чем в два раза ниже материала, полученного формованием под давлением. Снижение прочности и стойкости напечатанных полимерных материалом связана с более слабым сцеплением напечатанных слоев и большим количеством пор и пустот в материале, ограничивая их применение в аэрокосмической и других областях, поскольку производятся детали с понижением качества.A common problem and drawbacks of the above methods of 3D printing using FDM, FFF or 3D printing technology by thermoplastic polymer filament, in particular reinforced with continuous carbon fiber, is that the materials obtained by this technology are inferior in strength and resistance to polymeric materials obtained by injection molding, for example, injection molding. In particular, the Short-Beam Strength Test (ASTM D2344) shows the strength is more than two times lower than the material obtained by injection molding. The decrease in strength and durability of the printed polymer material is associated with weaker adhesion of the printed layers and a large number of pores and voids in the material, limiting their use in aerospace and other fields, since parts are produced with lower quality.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается только при осуществлении предлагаемого способа и не может быть реализовано при использовании прототипа, является высокая пористость, низкое сцепление слоев и неоднородность термопластичного композитного материала готового изделия.The technical problem, the solution of which is provided only when implementing the proposed method and cannot be realized using the prototype, is the high porosity, low adhesion of the layers and heterogeneity of the thermoplastic composite material of the finished product.

Технической задачей является снижение пористости, повышение сцепления слоев напечатанного термопластичного композитного материала и в соответствии повышение физико-механических характеристик (далее ФМХ) материалов и повышение качества деталей.The technical task is to reduce porosity, increase the adhesion of the layers of the printed thermoplastic composite material and, accordingly, increase the physical and mechanical characteristics (hereinafter FMC) of the materials and improve the quality of the parts.

Техническая задача решается тем, что в способе трехмерной печати термопластичным композиционным материалом, включающим предварительную пропитку армированной нити расплавленным матричным полимером под давлением, сушку армированной нити, подачу армированной нити в экструдер печатающей головки, нагрев армированной нити до температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити, экструдирование армированной нити на поверхность детали с образованием слоя термопластичного композитного материала, с регулированием скорости подачи армированной нити, с обрезкой армированной нити и повторением циклов до полного формирования детали, согласно изобретению, дополнительно используют термостатированную подогреваемую камеру, после подачи в зону трехмерной печати армированной нити, приваривают армированную нить при одновременном воздействии температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити и колебаний, образованных ультразвуковым преобразователем, при этом процесс печати осуществляют в термостатированной подогреваемой камере при оптимальной температуре 100-300оС в зоне печати.The technical problem is solved in that in the method of three-dimensional printing with a thermoplastic composite material, including pre-impregnating the reinforced filament with a molten matrix polymer under pressure, drying the reinforced filament, feeding the reinforced filament into the extruder of the print head, heating the reinforced filament to a temperature higher than the melting temperature of the matrix polymer of the reinforced filament extruding the reinforced thread onto the surface of the part to form a layer of thermoplastic composite material, controlling the feed rate of the reinforced thread, cutting the reinforced thread and repeating the cycles until the part is completely formed, according to the invention, an additional thermostatically controlled heated chamber is used, after the reinforced thread is fed into the three-dimensional printing zone , the reinforced thread is welded under the simultaneous influence of a temperature exceeding the melting temperature of the matrix polymer of the reinforced thread and the vibrations generated by the ultrasonic transformer the body, while the printing process is carried out in a thermostatically heated chamber at an optimum temperature of 100-300 about In the print zone.

В предлагаемом изобретении в отличии от прототипа приваривание армированной нити при одновременном воздействии высокой температуры и ультразвуковых колебаний, приводит к интенсивной диффузии макромолекул полимера, быстрому привариванию и распределению армированной нити по поверхности слоя, что приводит к уменьшению пористости материала, усилению сцепления слоев до уровня литого материала, что, соответственно, приводит к повышению его ФМХ и повышению качества деталей.In the present invention, in contrast to the prototype, welding of the reinforced thread under the influence of high temperature and ultrasonic vibrations leads to intense diffusion of polymer macromolecules, fast welding and distribution of the reinforced thread over the surface of the layer, which reduces the porosity of the material, enhances the adhesion of the layers to the level of cast material , which, accordingly, leads to an increase in its FMX and an increase in the quality of parts.

Использование термостатированной подогреваемой камеры с оптимальной температурой 100-300 оС в зоне печати, в зависимости от используемого матричного полимера, в которой регулируется разность температур между нижележащим слоем и выкладываемой нитью, под действием избыточного тепла нити и ультразвуковых колебаний приводит к интенсивной диффузии молекул термопласта в месте контакта слоев, что с свою очередь приводит к уменьшению пористости материала, усилению сцепления слоев до уровня литого материала, и, соответственно, приводит к повышению ФМХ получаемого материала детали.The use of a thermostatically controlled heated chamber with an optimal temperature of 100-300 о С in the print zone, depending on the matrix polymer used, in which the temperature difference between the underlying layer and the laid-out filament is regulated, under the influence of the excess heat of the filament and ultrasonic vibrations leads to intense diffusion of thermoplastic molecules in the contact point of the layers, which in turn leads to a decrease in the porosity of the material, increased adhesion of the layers to the level of the cast material, and, accordingly, leads to an increase in the FMX of the obtained material of the part.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для способа трехмерной печати термопластичным композиционным материалом;In FIG. 1 shows a general view of a device for a three-dimensional printing method with a thermoplastic composite material;

На фиг. 2 изображена общая схема печатающей головки;In FIG. 2 shows a general diagram of a print head;

На фиг. 3 представлена блок-схема способа трехмерной печати термопластичным композиционным материалом.In FIG. 3 is a flow chart of a three-dimensional printing method of a thermoplastic composite material.

Процесс трехмерной печати заключается в следующем: просушенная армированная нить 6 подающим элементом (без позиции) подается на печатающую головку 2. Далее нить подающим элементом 11 в составе печатающей головки 2 дозированным усилием проталкивается через нагретый экструдер 7 печатающей головки 2. Внутренний канал 8 экструдера 7 имеет определенную форму поперечного и продольного сечения для обеспечения прохождения нити без избыточного сопротивления при эффективном прогреве матричного полимера. Внутренний канал 8 имеет диаметр 0,55-1,3 мм в зависимости от используемой армированной нити 6.The process of three-dimensional printing is as follows: the dried reinforced filament 6 by the feeding element (without position) is fed to the print head 2. Next, the filament by the feeding element 11 as part of the print head 2 is pushed through a heated extruder 7 of the print head 2. The inner channel 8 of the extruder 7 has a certain shape of the cross and longitudinal sections to ensure the passage of the thread without excessive resistance during the effective heating of the matrix polymer. The inner channel 8 has a diameter of 0.55-1.3 mm, depending on the reinforced thread 6 used.

Нагревателем 13 в процессе 3Д-печати может служить любое устройство, обеспечивающее нагрев экструдера 7 до требуемых температур. Например, экструдер 7 может нагреваться высокочастотным индукционным нагревателем 13 с рабочей частотой в диапазоне 2-10 МГц. Диапазон рабочих температур экструдера 7 составляет 320-450оС, при печати армированной нитью 6 на основе, например, полиэфирэфиркетона. Проходящая через экструдер 7 армированная нить 6 нагревается от стенки и непосредственно от индукционных токов, возникающих в углеволокне, до температур, превышающих температуру плавления матричного полимера. Армированная нить 6 с расплавленным матричным полимером на выходе из сопла экструдера 14 печатающей головки 2 утюжится плоской поверхностью сопла 14 и равномерно выкладывается по поверхности детали 4 или нижележащего слоя в виде ленточной дорожки согласно траектории движения печатающей головки 2.The heater 13 in the process of 3D printing can be any device that provides heating of the extruder 7 to the required temperatures. For example, the extruder 7 can be heated by a high-frequency induction heater 13 with an operating frequency in the range of 2-10 MHz. Operating temperature range of the extruder 7 is about 320-450 C, when printing reinforced thread 6 on the basis of, e.g., polyetheretherketone. The reinforced filament 6 passing through the extruder 7 is heated from the wall and directly from the induction currents arising in the carbon fiber to temperatures exceeding the melting temperature of the matrix polymer. The reinforced thread 6 with molten matrix polymer at the exit of the nozzle of the extruder 14 of the print head 2 is ironed with the flat surface of the nozzle 14 and evenly laid out on the surface of the part 4 or the underlying layer in the form of a tape track according to the motion path of the print head 2.

Печать продолжается до полного формирования детали. Выкладка или печать слоев может осуществляться в произвольном направлении в пределах плоскости печати. Движение печатающей головки 2 и соответственно и траектория печати задается программной частью 5 установки для 3Д-печати (3Д принтером) на основе трехмерной модели детали.Printing continues until the part is fully formed. Layout or printing of layers can be carried out in an arbitrary direction within the print plane. The movement of the print head 2 and, accordingly, and the print path is set by the software part 5 of the installation for 3D printing (3D printer) based on a three-dimensional model of the part.

Под действием колебаний, образованных ультразвуковым преобразователем 9 (ультразвук), с частотой 22-44 кГц в пятне контакта усиливается диффузия макромолекул матричного полимера. Совместное концентрированное использование избыточного тепла армированной нити 6, утюжения (прикладываемого давления), и ультразвуковых колебаний в пятне контакта приводит к быстрой диффузии полимерных молекул, эффективному привариванию слоев материала и распределению армированной нити 6 по поверхности детали 4. Ультразвуковые колебания активизируют поверхность и препятствуют образованию пор и пустот приводя к их схлопыванию при совместном воздействии с утюжащим воздействием плоской поверхности сопла экструдера 14.Under the influence of vibrations formed by the ultrasonic transducer 9 (ultrasound), with a frequency of 22-44 kHz in the contact spot, the diffusion of the macromolecules of the matrix polymer is enhanced. The combined concentrated use of excess heat of the reinforced filament 6, ironing (applied pressure), and ultrasonic vibrations in the contact spot leads to rapid diffusion of polymer molecules, effective welding of layers of the material and distribution of the reinforced filament 6 over the surface of the part 4. Ultrasonic vibrations activate the surface and prevent the formation of pores and voids leading to their collapse when combined with the ironing effect of the flat surface of the nozzle of the extruder 14.

Процесс печати протекает в обогреваемой термостатированной камере 1 в составе установки 3Д-печати в которой поддерживается оптимальная температура в зависимости от типа используемого матричного полимера (его температур стеклования, кристаллизации, перекристаллизации, температуры плавления) и поддерживается в диапазоне 100-300оС. Совместное воздействие тепла камеры 1, которое уменьшает разность температур между нижележащим слоем и выкладываемой нитью, тепла нити и ультразвуковых колебаний приводит к интенсивной диффузии молекул термопласта при контакте, что в свою очередь приводит к уменьшению пористости материала, усилению сцепления слоев до уровня литого материала, что соответственно приводит к повышению его ФМХ.The printing process takes place in a heated thermostatically controlled chamber 1 as part of a 3D printing unit in which the optimum temperature is maintained depending on the type of matrix polymer used (its glass transition, crystallization, recrystallization, and melting temperatures) and is maintained in the range of 100-300 о С. the heat of chamber 1, which reduces the temperature difference between the underlying layer and the laid thread, the heat of the thread and ultrasonic vibrations leads to intense diffusion of thermoplastic molecules upon contact, which in turn leads to a decrease in the porosity of the material, increased adhesion of the layers to the level of cast material, which accordingly leads to increase his FMH.

Трехмерная печать осуществляется на 3Д принтере, состоящем из аппаратной и программной части 5. Аппаратная часть принтера представлена устройствами и системами, обеспечивающими печать армированной нитью 6, в том числе это: печатающая головка 2, кинематическая система перемещения печатающей головы по заданной траектории, система обратной связи (датчики) положения и параметров печатающей головки 2 и печатаемой детали, опорная плита завязанная или нет на кинематические системы, корпус или станина установки, контроллер или система контроллеров, система энергоснабжения. Программная же часть 5 представлена в виде g-кода и реализует формирование детали сложной геометрии в соответствии с трехмерной моделью в заданных условиях. С помощью программной части 5 отслеживается положение всех подвижных частей установки и все контролируемые параметры процесса (например, температура экструдера печатающей головки) в соответствии с заданием проводит управляющее воздействие на исполнительные механизмы.Three-dimensional printing is carried out on a 3D printer, consisting of hardware and software 5. The hardware of the printer is represented by devices and systems that provide printing with reinforced filament 6, including: print head 2, kinematic system for moving the print head along a given path, feedback system (sensors) the position and parameters of the print head 2 and the printed part, the base plate, whether or not tied to the kinematic systems, the casing or the machine bed, the controller or controller system, the power supply system. The software part 5 is presented in the form of a g-code and implements the formation of parts of complex geometry in accordance with the three-dimensional model in the given conditions. Using the software part 5, the position of all moving parts of the installation is monitored and all controlled process parameters (for example, the temperature of the extruder of the print head) in accordance with the task carries out a control action on the actuators.

Печатающая головка 2 в составе установки 3Д-печати армированной нитью в общем виде состоит из следующих основных узлов: силовая рамка 10, подающий элемент 11, экструдер 7, нагревательный элемент 13, узел обрезки 12. The print head 2 as part of the 3D-printing installation with reinforced filament in general consists of the following main units: power frame 10, feed element 11, extruder 7, heating element 13, trimming unit 12.

Силовая рамка 10 обеспечивает крепление всех элементов конструкции печатающей головки 2 к системе управления перемещением. Подающий элемент 11 обеспечивает прием армированной нити 6 и направление ее на вход экструдера 7 с определенным усилием и скоростью заданной системой управления программной части 5.The power frame 10 provides fastening of all structural elements of the print head 2 to the movement control system. The feed element 11 provides the reception of the reinforced thread 6 and its direction to the input of the extruder 7 with a certain force and speed given by the control system of the software part 5.

Экструдер 7 обеспечивает расплавление матричного полимера армированной нити 6 и наплавление армированной нити 6 на нижележащий слой или поверхность детали 4 в процессе выкладки.The extruder 7 provides the melting of the matrix polymer of the reinforced yarn 6 and the fusion of the reinforced yarn 6 on the underlying layer or surface of the part 4 in the process of laying out.

Нагревательный элемент 13 обеспечивает нагрев горячей части экструдера 7 до температур, обеспечивающих надежное расплавление матричного полимера армированной нити 6. В качестве нагревателя 13 может быть использовано, например, индукционное высокочастотное устройство или резистивное устройство. Контроль температуры осуществляется датчиком 3, установленным у сопла экструдера 14.The heating element 13 provides heating of the hot part of the extruder 7 to temperatures ensuring reliable melting of the matrix polymer of the reinforced filament 6. As a heater 13, for example, an induction high-frequency device or a resistive device can be used. Temperature control is carried out by a sensor 3 installed at the nozzle of the extruder 14.

Для осуществления процесса печати нитью 6 с армированием непрерывным волокном используется узел обрезки 12, обеспечивающий разрезание и выкладывания армированной нити 6 определенной длины заданной системой управления. Узел обрезки 12 может быть расположен на любом участке траектории движения армированной нити 6. Например он располагается после подающего элемента 11 до входа в экструдер 7, обеспечивая после обрезки свободный канал от нити 6 после ее вытягивания.To implement the printing process with a thread 6 with continuous fiber reinforcement, a trimming unit 12 is used, which ensures cutting and laying out of a reinforced thread 6 of a certain length with a given control system. The trimming unit 12 can be located on any part of the path of movement of the reinforced thread 6. For example, it is located after the feeding element 11 before entering the extruder 7, providing after trimming a free channel from the thread 6 after it is pulled.

Кроме основных устройств печатающая голова включает в себя и другие компоненты (без позиций), например, позиционеры различных конструкций, датчики температуры, наличия армированной нити 6 и другие устройства, обеспечивающие процесс печати. Реализация и взаимное расположение деталей и узлов печатающей головы зависит от конкретной реализации.In addition to the main devices, the print head also includes other components (without positions), for example, positioners of various designs, temperature sensors, the presence of reinforced filament 6 and other devices that provide the printing process. The implementation and relative position of parts and assemblies of the print head depends on the particular implementation.

Изготовление армированной нити 6 для процесса 3Д-печати осуществляется на отдельной, специальной установке. Процесс пропитки жгута или пучка армирующих волокон расплавом полимера протекает под высоким давлением подачи матричного полимера. Давление пропитки может достигать 60 МПа. Температура пропитки определяется используемым в процессе матричным полимером, и оптимальное значение температуры находится в диапазоне 350-500 оС. Полученный полностью пропитанный матричным полимером жгут или пучок углеродных волокон, фактически представляет из себя армированную нить 6 для процесса 3Д-печати. Но при этом при армировании нити 6 не ограничивается длина волокон, в зависимости от требований к готовому материалу может использоваться как непрерывное, так и рубленное волокно. Пористость используемой армированной нити 6 не более 2%, но не ограничивается этим значением в зависимости от требований к ФМХ материала.The manufacture of reinforced yarn 6 for the 3D printing process is carried out on a separate, special installation. The process of impregnating a tow or a bundle of reinforcing fibers with a polymer melt proceeds under high pressure supply of the matrix polymer. Impregnation pressure can reach 60 MPa. Impregnating temperature used is determined in the process of the matrix polymer, and optimum temperature is in the range of 350-500 C. The resulting fully impregnated the matrix polymer harness or bundle of carbon fibers actually represents the yarn 6 for 3D-printing process. But at the same time, when reinforcing yarn 6, the length of the fibers is not limited, depending on the requirements for the finished material, both continuous and chopped fiber can be used. The porosity of the used reinforced yarn 6 is not more than 2%, but is not limited to this value depending on the requirements for the FMX material.

В процессе печати может использоваться армированная нить 6 с любым требуемым содержанием армирующего волокна, например, для формирования защитного ламинированного покрытия, для печати может использоваться полимерный материал без армирования.In the printing process, reinforced yarn 6 can be used with any desired content of reinforcing fiber, for example, to form a protective laminated coating, a polymeric material without reinforcement can be used for printing.

Материалы, используемые в процессе 3Д-печати могут иметь любую подходящую комбинацию. Например, подходящие термопластичные полимеры включают: полиарилэфиркетоны различных марок (ПЭЭК, ПЭКК, ПАЭК и др), полифениленсульфид (ПФС), полисульфоны (ПЭС, ПСФ), полиэфиримид (ПЭИ), полиамиды различных марок (ПА), жидкокристаллические полимеры, и различные другие термопласты и термореактивные смолы в зависимости от требований к готовому материалу. Армирующий материал так же подбирается в зависимости от требований к готовому изделию. Например, может быть использовано непрерывное высокопрочное углеродное волокно.The materials used in the 3D printing process can have any suitable combination. For example, suitable thermoplastic polymers include: polyaryletherketones of various grades (PEEK, PECC, PAEC, etc.), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfones (PES, PSF), polyetherimide (PEI), polyamides of various grades (PA), liquid crystal polymers, and various other thermoplastics and thermosetting resins depending on the requirements for the finished material. Reinforcing material is also selected depending on the requirements for the finished product. For example, continuous high strength carbon fiber may be used.

Поперечный размер армированной нити 6 может быть различным и подбирается в зависимости от требований к процессу печати и конкретного оборудования. Например, диаметр нити может составлять 0,55-1,2 мм. К тому же возможны вариации формы поперечного сечения нити: круг, овал, многогранник и другие.The transverse size of the reinforced yarn 6 can be different and is selected depending on the requirements of the printing process and specific equipment. For example, the diameter of the thread may be 0.55-1.2 mm In addition, variations in the shape of the cross section of the thread are possible: circle, oval, polyhedron and others.

Матричные полимеры в процессе хранения набирают влагу, которая в процессе печати под действием температуры приводит к вспениванию, что увеличивает количество пор и пустот в готовом материале. Перед подачей на печать, армированную нить просушивают на специальном оборудовании и прогревают до оптимальной температуры процесса печати в зависимости от используемого термопластичного полимера. Сушка и прогрев армированной нити 6 может осуществляться как в составе установки 3Д-печати в отдельной камере, так и в отдельном сушильном шкафу или другом оборудовании.Matrix polymers in the process of storage gain moisture, which during printing under the influence of temperature leads to foaming, which increases the number of pores and voids in the finished material. Before serving for printing, the reinforced thread is dried on special equipment and heated to the optimum temperature of the printing process, depending on the thermoplastic polymer used. Drying and heating of the reinforced yarn 6 can be carried out both as part of a 3D printing installation in a separate chamber, and in a separate drying cabinet or other equipment.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать детали сложной геометрии из термопластичных композиционных материалов армированным непрерывным волокном пригодные для использования в аэрокосмической области, например, для печати секции заготовки решетки реверсивного устройства авиационного двигателя без использования сложной оснастки и без последующей термообработки в автоклаве под давлением.The proposed method allows to manufacture parts of complex geometry from thermoplastic composite materials with reinforced continuous fiber suitable for use in the aerospace field, for example, for printing sections of the grate blank of a reversing device of an aircraft engine without the use of complex equipment and without subsequent heat treatment in an autoclave under pressure.

Claims (1)

Способ трехмерной печати термопластичным композиционным материалом детали, включающий предварительную пропитку армированной нити расплавленным матричным полимером под давлением, сушку армированной нити, подачу армированной нити в экструдер печатающей головки, нагрев армированной нити до температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити, экструдирование армированной нити на поверхность детали с образованием приваренного слоя композитного материала с регулированием скорости подачи армированной нити с обрезкой армированной нити и повторением цикла до полного формирования детали, отличающийся тем, что дополнительно используют термостатированную подогреваемую камеру, после подачи в зону трехмерной печати армированной нити приваривают армированную нить при одновременном воздействии температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити, и колебаний, образованных ультразвуковым преобразователем, при этом процесс печати осуществляют в термостатированной подогреваемой камере при оптимальной температуре 100-300°С в зоне печати.A method for three-dimensional printing of a part with a thermoplastic composite material, including pre-impregnating the reinforced filament with molten matrix polymer under pressure, drying the reinforced filament, feeding the reinforced filament to the print head extruder, heating the reinforced filament to a temperature higher than the melting temperature of the matrix polymer of the reinforced filament, extruding the reinforced filament to the surface parts with the formation of a welded layer of a composite material with control of the feed rate of the reinforced yarn with cutting of the reinforced yarn and repeating the cycle until the complete formation of the part, characterized in that thermostatically heated chamber is additionally used, after the reinforced yarn is fed into the three-dimensional printing zone, the reinforced yarn is welded under simultaneous exposure to temperature exceeding the melting temperature of the matrix polymer of the reinforced yarn and vibrations generated by the ultrasonic transducer, while the printing process carried out they are displayed in a thermostatically controlled heated chamber at an optimum temperature of 100-300 ° C in the print zone.
RU2019137354A 2019-11-21 2019-11-21 Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material RU2722944C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019137354A RU2722944C1 (en) 2019-11-21 2019-11-21 Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019137354A RU2722944C1 (en) 2019-11-21 2019-11-21 Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722944C1 true RU2722944C1 (en) 2020-06-05

Family

ID=71067711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019137354A RU2722944C1 (en) 2019-11-21 2019-11-21 Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722944C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2745944C1 (en) * 2020-08-31 2021-04-05 Общество с ограниченной ответственностью «АМТ» 3d printer extruder with convection heating
RU2750995C2 (en) * 2020-11-16 2021-07-07 Акционерное общество Казанский научно-исследовательский институт авиационных технологий (АО КНИАТ) Method for additive extrusion of bulk products and extruder for its implementation
CN115042439A (en) * 2022-06-16 2022-09-13 南京航空航天大学 Continuous fibers reinforcing combined material 3D beats printer head device and 3D printer
RU2792100C1 (en) * 2022-03-23 2023-03-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2051033C1 (en) * 1984-06-07 1995-12-27 Е.И.Дюпон Де Немур Энд Компани Method for production of thermoplastic material reinforced with fibers
WO2017202398A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Universität Rostock Extruder for a system for the additive manufacture of metal parts using the composite extrusion modeling (cem) method
US20190232550A1 (en) * 2013-03-22 2019-08-01 Markforged, Inc. Three dimensional printing

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2051033C1 (en) * 1984-06-07 1995-12-27 Е.И.Дюпон Де Немур Энд Компани Method for production of thermoplastic material reinforced with fibers
US20190232550A1 (en) * 2013-03-22 2019-08-01 Markforged, Inc. Three dimensional printing
WO2017202398A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Universität Rostock Extruder for a system for the additive manufacture of metal parts using the composite extrusion modeling (cem) method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2745944C1 (en) * 2020-08-31 2021-04-05 Общество с ограниченной ответственностью «АМТ» 3d printer extruder with convection heating
RU2750995C2 (en) * 2020-11-16 2021-07-07 Акционерное общество Казанский научно-исследовательский институт авиационных технологий (АО КНИАТ) Method for additive extrusion of bulk products and extruder for its implementation
RU2792100C1 (en) * 2022-03-23 2023-03-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method
CN115042439A (en) * 2022-06-16 2022-09-13 南京航空航天大学 Continuous fibers reinforcing combined material 3D beats printer head device and 3D printer
CN115042439B (en) * 2022-06-16 2023-04-25 南京航空航天大学 Continuous fiber reinforced composite 3D printing head device and 3D printer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2722944C1 (en) Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material
RU2674138C1 (en) Products from composite materials manufacturing method by 3d printing and device for its implementation
JP6902812B2 (en) Printhead for additional manufacturing of goods
KR102369133B1 (en) Fiber-reinforced 3D printing
US11926093B2 (en) Methods and apparatus for embedding heating circuits into articles made by additive manufacturing and articles made therefrom
Carneiro et al. Fused deposition modeling with polypropylene
US11745421B2 (en) 3D printing system nozzle assembly for printing of fiber reinforced parts
US20180319098A1 (en) Method and Apparatus for Additive Manufacturing with Preheat
WO2018203768A1 (en) Method for additive manufacturing of products made of composite materials reinforced with continuous fibres
CA2972956C (en) Method of locally influencing resin permeability of a dry preform
US20200086561A1 (en) Apparatus and methods for additive manufacturing at ambient temperature
DE102014018801B4 (en) Method and device for producing a fiber preform
RU2773665C2 (en) 3d printing with reinforcing fibers
US10286613B2 (en) Layered construction of a fibrous body
RU2792100C1 (en) Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method
Doli Analysis of fused deposition modeling process for additive manufacturing of Abs parts
RU2776061C2 (en) Method for manufacture of products reinforced with continuous fiber, using additive technologies, and printing head of 3d printer for its implementation
Siegl et al. Winding process of fibre-reinforced thermoplastic tubes with integrated tape production through in-situ roving impregnation and infrared consolidation