RU2773665C2

RU2773665C2 - 3d printing with reinforcing fibers

Info

Publication number: RU2773665C2
Application number: RU2020127352A
Authority: RU
Inventors: Микко ХУТТУНЕН; Янне ПИХЛАЯМЯКИ
Original assignee: Арктик Байоматириалс Ой
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2022-06-07

Abstract

FIELD: parts additive manufacturing.

SUBSTANCE: invention relates to the additive manufacturing of a part, and more particularly to a method and a 3D printer for the additive production of a fiber reinforced part. The 3D printer (300) comprises: an assembly platform (100) for supporting a workpiece (700) and a print head (500) including or connected to a source of fiber composite filament loaded with a fiber composite filament (800) pre-impregnated with thermoplastic, comprising including one or more inelastic longitudinally oriented strands of fibers extending within the thermoplastic matrix material of the yarn (800). At the same time, the print head (500) includes: the first heating zone (1) between the source of the fibrous composite thread and the heated nozzle (2), while the first heating zone (1) is configured to be heated by the first heater above the melting temperature of the thermoplastic matrix material for pre-heating of the pre-impregnated thread (800) of the fibrous composite, the consolidating element (9) located after the heated nozzle (2), a yarn transfer device (4) for transferring a yarn (800) of a fibrous composite, including one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers, through the first heating zone (1) into a heated nozzle (2) at a selected feed rate, a cold zone (6) supply between the thread transfer device (4) and the first heating zone (1) to maintain the temperature of the fiber composite thread (800) below the melting temperature of the matrix material, the non-heated zone (7) of the thermal break between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2) to create a temperature gap between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2). In addition, the three-dimensional printer (300) contains a plurality of actuators for moving at least the print head (500), including the consolidating element (9), relative to the assembly platform (100) in three degrees of freedom.

EFFECT: providing better technology for 3D printing with continuous reinforcement.

16 cl, 13 dwg, 3 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к аддитивному производству детали, и более конкретно к способу и трехмерному принтеру для аддитивного производства армированной волокном детали.The present invention relates to the additive manufacturing of a part, and more particularly to a method and a 3D printer for the additive manufacturing of a fiber reinforced part.

Уровень техникиState of the art

Последующее описание уровня техники может включать в себя представления, открытия, интерпретации или раскрытия, или взаимосвязи вместе с раскрытиями не известными в соответствующей области техники до настоящего изобретения, но предоставленными настоящим раскрытием. Некоторые такие вклады, описываемые в настоящем документе, могут быть конкретно указаны ниже, тогда как другие такие вклады, охватываемые настоящим раскрытием изобретения, будут очевидны из их контекста.The following description of the prior art may include representations, discoveries, interpretations or disclosures, or relationships, together with disclosures not known in the relevant art prior to the present invention but provided by this disclosure. Some such contributions described herein may be specifically cited below, while other such contributions covered by this disclosure will be apparent from their context.

Автоматизированная выкладка волокон (AFP) относится к процессу аддитивного производства композитных структур, в котором непрерывные волокна располагаются по заданным путям слой за слоем, чтобы сформировать структуру. Автоматизированная выкладка волокон с термопластичными композиционными материалами известна в данной в области техники. Технология AFP используется как с термореактивными, так и с термопластичными полимерами с непрерывными армирующими волокнами (углерод, стекло и т.д.). При AFP термопластичный полимерный исходный материал имеет форму пропитанного, предварительно изготовленного и отвержденного жгута из волокна. Жгут из волокна подается через печатающую головку, в которой жгут из волокна нагревается выше температуры плавления матричного полимера (то есть термопластичного полимера). Печатающая головка соединена с роботом, который выполнен с возможностью выполнять печать волокна по заданным трехмерным (X-Y-Z) траекториям, и таким образом формировать требуемую структуру итоговой детали.Automated fiber lay-up (AFP) refers to the additive manufacturing process for composite structures in which continuous fibers are laid out in predetermined paths layer by layer to form a structure. Automated laying out of thermoplastic composite fibers is known in the art. AFP technology is used with both thermoset and thermoplastic polymers with continuous reinforcing fibers (carbon, glass, etc.). In AFP, the thermoplastic polymer starting material is in the form of an impregnated, prefabricated and cured fiber tow. The fiber tow is fed through a printhead in which the fiber tow is heated above the melting point of the matrix polymer (i.e., thermoplastic polymer). The print head is connected to a robot that is configured to print the fiber along predetermined three-dimensional (X-Y-Z) trajectories, and thus form the desired structure of the final part.

Производство (FFF) способом наплавления нитей - это технология трехмерной (3D) печати, в которой используется непрерывная нить из термопластичного материала. Механические свойства объектов, создаваемых по технологии 3D-печати, изготовленных с использованием технологии наплавления нитей, ограничены из-за того, что эти объекты обычно состоят только из полимеров. Это ограничение можно ослабить путем добавления рубленых (коротких) волокнистых наполнителей к полимеру нитей для печати, но это существенно не улучшает механические свойства объектов, создаваемых по технологии 3D-печати.Fused Filament Manufacturing (FFF) is a three-dimensional (3D) printing technology that uses a continuous filament of thermoplastic material. The mechanical properties of 3D printed objects made using fused filament technology are limited due to the fact that these objects usually consist only of polymers. This limitation can be relaxed by adding chopped (short) fibrous fillers to the polymer of the printable filaments, but this does not significantly improve the mechanical properties of 3D printed objects.

В пластиковых композитах непрерывное армирование волокнами можно использовать для обеспечения высокой прочности. Однако до настоящего времени коммерческий опыт использования непрерывного армирования волокнами при производстве способом наплавления нитей очень ограничен.In plastic composites, continuous fiber reinforcement can be used to provide high strength. However, commercial experience with continuous fiber reinforcement in fused filament manufacturing has been very limited to date.

В US 5936861 A раскрывается технология непрерывного армирования волокнами при производстве (FFF) способом наплавления нитей путем экструзии с помощью одного сопла с использованием предварительно пропитанного непрерывного армированного волокном исходного материала, причем армирующие волокна пропитываются во время процесса печати во внешней ванне для пропитки, которая соединена с печатающим устройством. Волокнистый наполнитель пропитывается во время 3D-печати во внешнем устройстве для пропитки, расположенном перед печатающим устройством. Альтернативно, используется волоконный жгут из измельченных составляющих, в котором как армирующие волокна, так и матрица находятся в форме волокон в одном и том же волоконном жгуте, который подается через сопло для 3D-печати, где волокна матрицы плавятся и пропитывают волокна.US 5,936,861 A discloses a continuous fiber reinforcement in production (FFF) technique using a single nozzle extrusion fused filament process using a pre-impregnated continuous fiber-reinforced feedstock, the reinforcing fibers being impregnated during the printing process in an external impregnation bath that is connected to printing device. The fibrous filler is impregnated during 3D printing in an external impregnation device located in front of the printer. Alternatively, a pulverized fiber tow is used in which both the reinforcing fibers and the matrix are in the form of fibers in the same fiber tow, which is fed through a 3D printing nozzle where the matrix fibers are melted and impregnated into the fibers.

В публикации Ryosuke Matsuzaki и др. «Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation» (Scientific Reports 6, номер статьи: 23058 (2016), doi:10,1038/srep23058, опубликована в Интернете 11 марта 2016 г. (http://www.nature.com/articles/srep23058)) раскрывается устройство, использующее сопло для пропитки, в котором волокна пропитываются термопластичным полимером во время процесса печати в специально разработанном сопле для пропитки.In Ryosuke Matsuzaki et al. "Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation" (Scientific Reports 6, article number: 23058 (2016), doi:10,1038/srep23058, published online March 11, 2016 (http://www.nature.com/articles/srep23058)) discloses an apparatus using an impregnation nozzle in which fibers are impregnated with a thermoplastic resin during the printing process in a specially designed impregnation nozzle.

В US 14491439 и US 9327453 B2 раскрывается использование двойного экструдера для печати полимерной матрицы и непрерывного волокнистого наполнителя. В них раскрывается использование FFF, где 3D-печать непрерывными волокнами выполняется с использованием предварительно пропитанной, предварительно изготовленной и отвержденной нити волокна, которая пропитывается термопластичным полимером, и которая нагревается в печатающем волокном сопле. 3D-принтер также включает в себя другое печатающее сопло, которое используется исключительно для печати матричным материалом. Печатающее волокном сопло прилагает силу для раскатки/разглаживания нити из расплавленного волокнистого наполнителя в сопле. Сила для раскатки/разглаживания равна силе прижима (консолидирующей силе) в технологии автоматизированной выкладки волокон.US 14491439 and US 9327453 B2 disclose the use of a dual extruder to print a polymer matrix and a continuous fibrous filler. They disclose the use of FFF, where continuous fiber 3D printing is performed using a pre-impregnated, pre-fabricated and cured strand of fiber that is impregnated with a thermoplastic polymer and that is heated in a printing fiber nozzle. The 3D printer also includes another print nozzle that is used exclusively for printing with matrix material. The filament printing nozzle applies force to roll/flatten the filament from the molten fibrous filler in the nozzle. The unrolling/flattening force is equal to the clamping force (consolidating force) in automated fiber lay-up technology.

Как способ FFF для печати непрерывными волокнами, так и способ AFP используются для создания трехмерных структур слой за слоем путем нанесения непрерывных волокнистых наполнителей для формирования конечных структур. В FFF и AFP непрерывные волокна, встроенные в термопластичную или термореактивную полимерную матрицу, экструдируются через печатающую головку для формирования трехмерных структур, армированных непрерывными волокнами. AFP и FFF из непрерывных волокон отличаются по размеру и форме печатаемых объектов. При AFP обычно создаются очень большие объекты, и AFP обычно используется для формирования полых структур, но не ограничивается этим. FFF из непрерывных волокон может, с другой стороны, использоваться для создания более мелких объектов любой формы.Both the FFF method for printing with continuous fibers and the AFP method are used to create three-dimensional structures layer by layer by applying continuous fibrous fillers to form the final structures. In FFF and AFP, continuous fibers embedded in a thermoplastic or thermoset polymer matrix are extruded through a printhead to form continuous fiber reinforced 3D structures. Continuous fiber AFP and FFF differ in the size and shape of the printed objects. AFP typically creates very large objects, and AFP is typically used to form hollow structures, but is not limited to this. FFF from continuous fibers can, on the other hand, be used to create smaller objects of any shape.

Как в FFF для непрерывных волокон, так и в технологии AFP для термопластичных полимеров, исходный материал находится в форме пропитанного, предварительно изготовленного и отвержденного армированного волокном жгута. Как в FFF для непрерывных волокон, так и в технологии AFP для термопластичных полимеров, жгут из исходного материала подается через печатающую головку, в которой жгут нагревается выше температуры плавления матричного полимера, после чего волокна укладываются на поверхность для печати слой за слоем. Как в FFF для непрерывных волокон, так и в технологии AFP для термопластичных полимеров, расплавленное волокно подвергается воздействию силы прессования (то есть силы прижима и/или силы раскатки/разглаживания), которая прикрепляет волокна к производимой детали. При AFP сила прессования/прижима прикладывается прижимным роликом, а при FFF из непрерывных волокон сила прессования/прижима прикладывается внешней геометрической формой печатающего нагретыми волокнами сопла (разглаживающая кромка). В технологии AFP эта сила называется силой прессования/прижима, а при FFF из непрерывных волокон эта сила называется силой раскатки/разглаживания. FFF и AFP можно использовать для экструдирования непрерывных волокон, встроенных в термопластичные или термореактивные полимеры, и для создания объектов из таких материалов посредством аддитивного производства, то есть 3D-печати. Разница между существующими методами 3D-печати и технологией автоматизированной выкладки волокон для печати непрерывными волокнами заключается в размере и форме печатных объектов.In both FFF for continuous fibers and AFP technology for thermoplastic polymers, the starting material is in the form of an impregnated, prefabricated and cured fiber-reinforced tow. In both FFF for continuous fibers and AFP for thermoplastic polymers, the tow of raw material is fed through a printhead where the tow is heated above the melting temperature of the matrix polymer, after which the fibers are deposited layer by layer on the printable surface. In both FFF for continuous fibers and AFP technology for thermoplastic polymers, the molten fiber is subjected to a pressing force (i.e. pressing force and/or rolling/flattening force) that attaches the fibers to the part to be produced. With AFP, the press/pressure force is applied by the pressure roller, while with continuous fiber FFF, the press/pressure force is applied by the outer geometry of the heated fiber printing nozzle (smoothing edge). In AFP technology, this force is called the pressing/pressing force, and with continuous fiber FFF, this force is called the rolling/flattening force. FFF and AFP can be used to extrude continuous fibers embedded in thermoplastic or thermoset polymers and to create objects from such materials through additive manufacturing i.e. 3D printing. The difference between existing 3D printing techniques and automated fiber lay-up technology for continuous fiber printing lies in the size and shape of the printed objects.

В FFF и AFP спрессовывание волокна с печатаемой деталью происходит путем соединения расплавом полимерных поверхностей. Соединение расплавом включает в себя три этапа: плотный контакт, молекулярную диффузию (рептацию или самослипание) и упрочение. Этап плотного контакта включает в себя сведение вместе двух поверхностей под воздействием тепла и давления, так что полимерные матрицы каждой поверхности находятся в прямом контакте друг с другом. Как только достигается плотный контакт, полимерные цепи диффундируют между двумя слоями (поверхностями) посредством тепловых колебаний и переплетаются, образуя связь. Наконец, зона связывания охлаждается под давлением и возникает когезионная связь.In FFF and AFP, the fiber is pressed onto the printed part by melt-bonding the polymer surfaces. Melt bonding includes three stages: tight contact, molecular diffusion (reptation or self-adhesion) and hardening. The intimate contact step involves bringing two surfaces together under heat and pressure so that the polymer matrices of each surface are in direct contact with each other. Once intimate contact is achieved, the polymer chains diffuse between the two layers (surfaces) through thermal vibrations and intertwine to form a bond. Finally, the bonding zone cools under pressure and a cohesive bond occurs.

Другие технологии включают в себя устройство, использующее сопло для пропитки, в котором волокна пропитываются термореактивным фотоотверждаемым полимером во время процесса печати в специально разработанном сопле для пропитки, или укладывающее слои волокон друг на друга.Other technologies include apparatus using an impregnation nozzle in which fibers are impregnated with a thermosetting photocurable resin during the printing process in a specially designed impregnation nozzle, or stacking layers of fibers on top of each other.

Несмотря на способы, описанные выше, существует необходимость в предоставлении более совершенной технологии для 3D-печати с непрерывным армированием.Despite the methods described above, there is a need to provide a better technology for continuous reinforcement 3D printing.

СУЩНОСТЬESSENCE

Далее представлено упрощенное изложение признаков, описываемых в настоящем документе, чтобы обеспечить базовое понимание некоторых примерных аспектов изобретения. Это описание сущности не является широким обзором изобретения. Оно не предназначено для выявления ключевых/критичных элементов изобретения или для установления объема изобретения Его единственная цель состоит в том, чтобы представить некоторые понятия, описываемые в настоящем документе, в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию.The following is a simplified summary of the features described herein to provide a basic understanding of some exemplary aspects of the invention. This description of the essence is not a broad overview of the invention. It is not intended to identify key/critical elements of the invention or to establish the scope of the invention. Its sole purpose is to present some of the concepts described herein in a simplified form as a prelude to a more detailed description.

Согласно одному из аспектов предлагается объект независимых пунктов формулы изобретения. Варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.In one aspect, the subject matter of the independent claims is provided. Embodiments are defined in the dependent claims.

Один или несколько примеров реализаций изложены более подробно на прилагаемых чертежах и нижеследующем описании. Другие признаки будут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.One or more examples of implementations are set forth in more detail in the accompanying drawings and the following description. Other features will be apparent from the description and drawings, as well as from the claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Далее изобретение будет описано более подробно с использованием предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которыхHereinafter the invention will be described in more detail using the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which

на Фигуре 1 представлено схематическое изображение, показывающее 3D-принтер в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 1 is a schematic diagram showing a 3D printer according to one exemplary embodiment;

на Фигуре 2 представлено схематическое изображение, показывающее блок 3D-печати известного уровня техники;Figure 2 is a schematic diagram showing a prior art 3D printing unit;

на Фигуре 3 представлено схематическое изображение, показывающее блок 3D-печати в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 3 is a schematic diagram showing a 3D printing unit according to one exemplary embodiment;

на Фигуре 4 представленa схема последовательности операций, показывающая процесс 3D-печати в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 4 is a flow diagram showing a 3D printing process according to one exemplary embodiment;

на Фигуре 5 представлено схематическое изображение, показывающее блок печати волокнами в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 5 is a schematic diagram showing a fiber printing unit according to one exemplary embodiment;

на Фигуре 6A представлено схематическое изображение, показывающее детали, созданные по технологии 3D-печати, в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 6A is a schematic diagram showing 3D printed parts according to one exemplary embodiment;

на Фигуре 6B представлено схематическое изображение, показывающее деталь, созданную по технологии 3D-печати, в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figure 6B is a schematic diagram showing a 3D printed part according to one exemplary embodiment;

на Фигурах 7A и 7B представлены схематические изображения, показывающие структуру, созданную по технологии 3D-печати, в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления;Figures 7A and 7B are diagrams showing a 3D printed structure in accordance with one exemplary embodiment;

на Фигурах 8A, 8B, 8C и 8D представлены схематические изображения, показывающие примерные конструкции печатающей головки.Figures 8A, 8B, 8C and 8D are schematic drawings showing exemplary print head designs.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Следующие варианты осуществления являются примерными. Хотя описание может ссылаться на «какой-нибудь», «один» или «некоторый» вариант(ы) осуществления в нескольких местах, это не обязательно означает, что каждая такая ссылка относится к одному и тому же варианту (вариантам) или что этот признак имеет место только в одном варианте. Отдельные признаки разных вариантов осуществления также могут быть объединены для предоставления других вариантов осуществления. Кроме того, слова «содержащий», «состоящий из» и «включающий в себя» не следует понимать как ограничивающие описанные варианты осуществления, состоящие только из тех признаков, которые были упомянуты, и такие варианты осуществления могут также содержать признаки/структуры, которые не были специально упомянуты.The following embodiments are exemplary. Although the description may refer to "any", "one", or "some" embodiment(s) in several places, this does not necessarily mean that each such reference refers to the same embodiment(s) or that this feature occurs in only one case. Separate features of different embodiments may also be combined to provide other embodiments. In addition, the words "comprising", "consisting of" and "comprising" should not be understood as limiting the described embodiments to consisting only of those features that have been mentioned, and such embodiments may also contain features/structures that are not were specifically mentioned.

Один из вариантов осуществления раскрывает структуру объектов, создаваемых по технологии 3D-печати, состоящую из полимерных и непрерывных/полу-непрерывных волокнистых наполнителей, встроенных в полимерную матрицу, и способ аддитивного изготовления такой структуры.One embodiment discloses a structure of 3D printed objects consisting of polymer and continuous/semi-continuous fibrous fillers embedded in a polymer matrix and a method for additively fabricating such a structure.

На Фигуре 1 представлен примерный 3D-принтер 300, включающий в себя три отдельных блока 3D-печати (то есть печатающие головки): первый блок 400 печати для 3D-печати материалом поддержки, второй блок 600 печати для 3D-печати полимерной нитью, и третий блок 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800. Первый блок 400 печати, второй блок 600 печати и третий блок 500 печати могут свободно перемещаться в X/Y/Z направлениях и в каждом из них возможно вращение в пространстве вокруг осей X/Y/Z (т.е. каждая печатающая головка 400, 500, 600 является управляемой, программируемой и способной работать по осям трехмерной пространственной системы координат и дополнительно необязательно может вращаться вокруг 3 осей вращения). Однако количество блоков печати не ограничивается тремя. Например, вместо этого другие варианты осуществления могут включать в себя два или более блоков печати для 3D-печати полимером, нитью композитного волокна и/или материалом поддержки (материалами) поддержки. 3D-принтер 300 дополнительно содержит подвижную или стационарную сборочную платформу 100 для поддержки изготавливаемой детали 700 и контроллер 200 функционально связанный с первым, вторым и третьим блоками 400, 500, 600 печати.Figure 1 shows an exemplary 3D printer 300 including three separate 3D printing units (i.e., printheads): a first printing unit 400 for 3D printing with a support material, a second printing unit 600 for 3D printing with a resin filament, and a third printing unit 500 for 3D printing composite fiber-reinforced filament 800. The first printing unit 400, the second printing unit 600, and the third printing unit 500 can move freely in the X/Y/Z directions, and each of them can rotate in space around the X/ axes. Y/Z (ie, each print head 400, 500, 600 is controllable, programmable, and capable of operating along axes of a three-dimensional spatial coordinate system, and additionally optionally can rotate around 3 axes of rotation). However, the number of print units is not limited to three. For example, other embodiments may instead include two or more print units for 3D printing with resin, composite fiber filament, and/or support material(s). The 3D printer 300 further includes a movable or stationary build platform 100 to support the part to be manufactured 700 and a controller 200 operatively associated with the first, second, and third print units 400, 500, 600.

Структура и работа примерного блока 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800 описывается более подробно ниже, например, в отношении Фигур 3, 4, 5 и 8A-8C.The structure and operation of an exemplary printing unit 500 for 3D printing composite fiber reinforced filament 800 is described in more detail below, for example, with respect to Figures 3, 4, 5, and 8A-8C.

На Фигуре 2 представлено решение известного уровня техники для 3D-печати, включающее в себя экструдер для 3D-печати непрерывной армированной волокном композитной нитью, предварительно пропитанной термопластичной смолой. Нить 800 волокна может быть в форме жгута 3 волокна, и устройство 4 передачи нити выполнена с возможностью передачи нити 800 волокнистого композита через холодную зону 6 подачи в нагреваемое сопло 11. В решении, показанном на Фигуре 2, нагреваемое сопло 11 имеет геометрическую особенность, называемую «разглаживающая кромка», для приложения во время 3D-печати «силы разглаживания» (т.е. силы прижима) к полимерной матрице нити 800, имеющейся для 3D-печати. Эта «сила разглаживания», прикладываемая небольшой плоской областью, расположенной на конце сопла 11, сходна с силой прижима, прикладываемой в технологии AFP с использованием отдельного уплотняющего ролика. Резак 5 разрезает армированную волокном нить 800 для формирования отдельных компонентов детали. В ситуации, показанной на Фигуре 2, температура между жгутом 3 волокна и соплом 11 в экструдере поддерживается ниже Tm (Tm=температура плавления полимерной матрицы), а армированная волокном композитная нить 800 имеет площадь поперечного сечения, большую чем 6,4×10^-3 мм² и менее чем 1,3 мм².Figure 2 shows a prior art 3D printing solution including an extruder for 3D printing a continuous fiber-reinforced composite filament pre-impregnated with a thermoplastic resin. The fiber filament 800 may be in the form of a fiber tow 3 and the filament transfer device 4 is configured to transfer the fiber composite yarn 800 through the cold feed zone 6 to the heated nozzle 11. In the solution shown in Figure 2, the heated nozzle 11 has a geometric feature called "smoothing edge", for applying during 3D printing a "smoothing force" (i.e. pressing force) to the polymer matrix of the 800 filament available for 3D printing. This "smoothing force" applied by a small flat area located at the end of the nozzle 11 is similar to the pressing force applied in AFP technology using a separate sealing roller. The cutter 5 cuts the fiber-reinforced thread 800 to form the individual components of the part. In the situation shown in Figure 2, the temperature between the fiber tow 3 and the nozzle 11 in the extruder is kept below Tm (Tm=polymer matrix melting point), and the fiber-reinforced composite filament 800 has a cross-sectional area greater than 6.4×10 ^-3 mm ² and less than 1.3 mm ² .

Примерный вариант осуществления отличается от решений предшествующего уровня техники для 3D-печати армированных волокном объектов тем, что в варианте осуществления подача нити волокна осуществляется другим способом. Примерный вариант осуществления также отличается от решений предшествующего уровня техники для 3D-печати армированных волокном объектов тем, что в варианте осуществления сила прижима прикладывается другим способом.The exemplary embodiment differs from prior art solutions for 3D printing fiber-reinforced objects in that, in the embodiment, the fiber filament is fed in a different manner. The exemplary embodiment also differs from prior art solutions for 3D printing fiber reinforced objects in that, in the embodiment, the pressing force is applied in a different manner.

На Фигуре 3 представлена компоновка для 3D-печати в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления. На Фигуре 3, блок 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800 содержит экструдер для 3D-печати непрерывной композитной армированной волокном нитью, предварительно пропитанной термопластичным матричным материалом. Нить 800 волокна может иметь форму жгута 3 волокна, и устройство 4 передачи выполнено с возможностью передачи нити 800 волокнистого композита через холодную зону 6 подачи, первую зону 1 обогрева (зону 1 нагрева) и первую зону теплового разрыва 7 (тепловой разрыв 7) в нагреваемое сопло 2 (т.е. вторую зону 2 обогрева, зону 2 нагрева). Нагреваемое сопло 2 окружено прижимающим (консолидирующим) элементом 9 (который может быть прижимающим фланцем 9), расположенным после нагреваемого сопла 2. Прижимающий фланец 9 выполнен с возможностью мягкого приложения (прижимания) нити 800 к детали 700. Прижимающий фланец 9 может нагреваться или не нагреваться.The Figure 3 shows the layout for 3D printing in accordance with one of the exemplary embodiments. 3, the composite fiber reinforced filament 3D printing unit 500 800 comprises an extruder for 3D printing a continuous composite fiber reinforced filament pre-impregnated with a thermoplastic matrix material. The fiber yarn 800 may be in the form of a fiber tow 3 and the transfer device 4 is configured to transfer the fibrous composite yarn 800 through the cold supply zone 6, the first heating zone 1 (heating zone 1) and the first thermal break zone 7 (thermal break 7) into the heated nozzle 2 (i.e. second heating zone 2, heating zone 2). The heated nozzle 2 is surrounded by a clamping (consolidating) element 9 (which may be a clamping flange 9) located after the heated nozzle 2. The clamping flange 9 is configured to gently apply (press) the thread 800 to the part 700. The clamping flange 9 may or may not heat up .

Окончательное скрепление печатной нити 800 и лежащего ниже материала происходит на прижимающем фланце 9, который может быть не нагретым и который может выступать ниже (ближе к печатаемой детали 700), чем нагреваемое сопло 2. После прессования затвердевание нити 800 происходит во время фазы охлаждения, которая может включать в себя охлаждение детали с помощью внешнего охлаждающего устройства (не показано на Фигуре 3).The final bonding of the printing filament 800 and the underlying material occurs at the pressure flange 9, which may not be heated and which may protrude lower (closer to the printed part 700) than the heated nozzle 2. After pressing, the solidification of the filament 800 occurs during a cooling phase, which may include cooling the part with an external cooling device (not shown in Figure 3).

Нож 5 выполнен с возможностью резания армированной волокном нити 800, например, для формирования отдельных компонентов детали 700. The knife 5 is configured to cut the fiber reinforced thread 800, for example, to form the individual components of the part 700.

Как показано на Фигуре 3, первая зона 1 обогрева расположена перед нагреваемым соплом 2, причем предварительно пропитанная нить 800 волокнистого композита предварительно нагревается в первой зоне 1 обогрева, и, таким образом, температура экструдера поддерживается не ниже Tm (Tm= температура плавления термопластичного матричного материала) между жгутом 3 волокна и нагреваемым соплом 2 (вместо этого температура в первой зоне 1 обогрева перед нагреваемым соплом 2 выше Tm).As shown in Figure 3, the first heating zone 1 is located in front of the heated nozzle 2, and the pre-impregnated fibrous composite filament 800 is preheated in the first heating zone 1, and thus the temperature of the extruder is maintained not lower than Tm (Tm=melting temperature of the thermoplastic matrix material ) between the fiber bundle 3 and the heated nozzle 2 (instead, the temperature in the first heating zone 1 in front of the heated nozzle 2 is higher than Tm).

Первая зона 1 обогрева (зона 1 нагрева) является зоной предварительного обогрева, где температура T ≥ Tm (Tm= температура плавления полимерной матрицы). Первая зона 1 обогрева расположена перед нагреваемым соплом 2 (зона 2 нагрева), и первая зона 7 теплового разрыва находится между первой зоной 1 обогрева и нагреваемым соплом 2. Нагреваемое сопло 2 и первая зона 1 обогрева могут иметь отдельные нагреватели (не показаны на Фигуре 3). Например, температура в нагреваемом сопле 2 может быть выше, чем температура в первой зоне 1 обогрева, или наоборот. Первая зона 1 обогрева, которая предварительно нагревает материал (то есть полимерную матрицу), прежде чем он достигнет нагреваемого сопла 2, может ускорить процесс 3D-печати, поскольку материал предварительно нагревается перед входом в нагреваемое сопло 2 (зона 2 нагрева). Таким образом, можно увеличить скорость процесса печати.The first heating zone 1 (heating zone 1) is a preheating zone where the temperature T ≥ Tm (Tm=melting temperature of the polymer matrix). The first heating zone 1 is located in front of the heated nozzle 2 (heating zone 2), and the first thermal break zone 7 is located between the first heating zone 1 and the heated nozzle 2. The heated nozzle 2 and the first heating zone 1 may have separate heaters (not shown in Figure 3 ). For example, the temperature in the heated nozzle 2 may be higher than the temperature in the first heating zone 1, or vice versa. The first heating zone 1, which preheats the material (i.e., resin matrix) before it reaches the heated nozzle 2, can speed up the 3D printing process because the material is preheated before entering the heated nozzle 2 (heating zone 2). Thus, the speed of the printing process can be increased.

Зона 1 нагрева (зона предварительного обогрева) может дополнительно улучшить спрессовывание слоев нити волокна, при одновременном увеличении скорости процесса. Улучшение спрессовывания является следствием того факта, что нити волокна нагреваются в течение более длительного периода времени и/или на более длинной по размеру области. Прессование улучшается за счет обеспечения лучшего предварительного обогрева матричного полимера, окружающего волокна 800, в зоне 1 нагрева (предварительный обогрев) перед нагреваемым соплом 2.The heating zone 1 (preheating zone) can further improve the compaction of the filament layers while increasing the speed of the process. The improvement in compaction results from the fact that the filaments of the fiber are heated over a longer period of time and/or over a longer area. Compression is improved by providing better preheating of the matrix polymer surrounding the fibers 800 in the heating zone 1 (preheat) before the heated nozzle 2.

Прижимающий фланец 9 может быть расположен так, чтобы окружать нагреваемое сопло 2. Прижимающий фланец 9 прессует нить 800 волокна к детали 700, которая изготовляется посредством 3D-печати. Прижимающий фланец (или прессующий фланец) 9 может быть отдельным элементом, прикрепленным к нагреваемому соплу 2. Промежуток между деталью 700 и нагреваемым соплом 2 может быть больше, чем промежуток между прижимающим фланцем 9 и деталью 700. Прижимающий фланец 9 может быть выполнен из изоляционного материала (такого как керамика), и прижимающий фланец 9 может не нагреваться. Альтернативно, прижимающий фланец 9 может быть выполнен из металла, и прижимающий фланец 9 может нагреваться (отдельным) нагревателем (не показан на Фигуре 3).The pressing flange 9 may be positioned to surround the heated nozzle 2. The pressing flange 9 presses the fiber filament 800 onto the 3D printed part 700. The pressing flange (or pressing flange) 9 may be a separate element attached to the heated nozzle 2. The gap between the part 700 and the heated nozzle 2 may be greater than the gap between the pressing flange 9 and the part 700. The pressing flange 9 may be made of insulating material (such as ceramics), and the pressing flange 9 may not be heated. Alternatively, the pressing flange 9 may be made of metal and the pressing flange 9 may be heated by a (separate) heater (not shown in Figure 3).

Прижимающий фланец 9 может быть выполнено так, чтобы служить сварочной головкой для ультразвуковой сварки предварительно нагретой (или даже не нагретой или охлажденной) нити 800 волокна с деталью 700.The clamping flange 9 may be configured to serve as a welding head for ultrasonic welding of preheated (or even unheated or cooled) fiber strand 800 to part 700.

Дополнительный тепловой разрыв 8 может быть расположен между зоной 2 нагрева (т.е. нагреваемым соплом 2) и прижимающим фланцем 9 (смотри Фигуру 5).An additional thermal break 8 may be located between the heating zone 2 (ie the heated nozzle 2) and the pressing flange 9 (see Figure 5).

Фигура 5 также более подробно иллюстрирует систему сопла/компоновку сопла /блок 500 сопла (т.е. блок 500 печати) в соответствии с одним из вариантов осуществления. Блок 500 3D печати, показанный на Фигуре 5, выполнен с возможностью осуществления подачи нити, расплавления нити, прохождения нити 800 через нагреваемое сопло 2, и прессования нити в элементе прессования (который может быть прессующим фланцем или прижимающим фланцем 9), в соответствии с одним из вариантов осуществления. Прессующий фланец 9 может представлять собой геометрическую часть конструкции крышки/корпуса 25 блока 500 печати. Таким образом, прессующий фланец может представлять собой отдельную деталь, соединенную с конструкцией крышки /корпусом 25 или с любой подходящей секцией/деталью (смотри Фигуры 8A, 8B, 8C, 8D). Блок 3D-печати, показанный на Фигуре 5, включает в себя прижимающий фланец 9 и зону предварительного обогрева (т.е. зону 1 нагрева). Блок 500 печати может дополнительно включать в себя изоляторы 7, 8, 20 (т.е. тепловые разрывы 7, 8, 20, которые необязательно могут охлаждаться, например, воздухом или жидкостью), зону 2 нагрева (нагреваемое сопло 2), термоэлемент 21 для предварительного обогрева зоны 1 (окружающий зону 1 нагрева), термоэлемент 24 для нагреваемого сопла 2, воздушный зазор 22 и радиатор 23, охлаждаемый, например, воздухом или жидкостью. Изолятор 7 соответствует тепловому разрыву 7, расположенному между зоной предварительного обогрева (то есть зоной 1 нагрева) и зоной 2 нагрева (т.е. нагреваемым соплом 2). Изолятор 8 может между зоной 2 нагрева (т.е. нагреваемым соплом 2) и прижимающим фланцем 9. T Изолятор 20 расположен в холодной зоне 6 подачи перед зоной предварительного обогрева (то есть зоной 1 нагрева).Figure 5 also illustrates a nozzle system/nozzle arrangement/nozzle block 500 (ie, print block 500) in more detail, in accordance with one embodiment. The 3D printing unit 500 shown in Figure 5 is configured to supply the filament, melt the filament, pass the filament 800 through the heated nozzle 2, and press the filament in the pressing member (which may be a pressing flange or pressing flange 9), in accordance with one of the embodiments. The pressing flange 9 may be a geometric part of the construction of the lid/body 25 of the printing unit 500. Thus, the pressing flange may be a separate piece connected to the lid structure/body 25 or any suitable section/piece (see Figures 8A, 8B, 8C, 8D). The 3D printing unit shown in Figure 5 includes a pressing flange 9 and a preheating zone (i.e., heating zone 1). The printing unit 500 may further include insulators 7, 8, 20 (i.e., thermal breaks 7, 8, 20, which may optionally be cooled, for example, by air or liquid), heating zone 2 (heated nozzle 2), thermocouple 21 for preheating zone 1 (surrounding heating zone 1), a thermocouple 24 for a heated nozzle 2, an air gap 22 and a radiator 23 cooled, for example, by air or liquid. The insulator 7 corresponds to a thermal break 7 located between the preheat zone (ie heating zone 1) and the heating zone 2 (ie heated nozzle 2). The insulator 8 may be located between the heating zone 2 (ie heated nozzle 2) and the pressing flange 9. T The insulator 20 is located in the cold supply zone 6 before the preheating zone (ie heating zone 1).

Один из вариантов осуществления обеспечивает возможность 3D-печати слоистой структуры, так что слой волокна может иметь такую же или другую толщину по сравнению с толщиной полимерного слоя. Толщина одного слоя волокна может равняться одному или нескольким полимерным слоям. Предпочтительно, чтобы один слой волокна был равен нескольким полимерным слоям. Волокно 800 может быть напечатано в канавках, образованных слоем полимера/несколькими слоями полимера.One embodiment allows the layered structure to be 3D printed such that the fiber layer may have the same or different thickness as the polymer layer. The thickness of one fiber layer may be equal to one or more polymer layers. Preferably, one fiber layer is equal to several polymer layers. Fiber 800 may be printed in grooves formed by the polymer layer/multiple polymer layers.

В одном из вариантов осуществления используется толстая нить волокнистого композита диаметр ≥ 0,9 мм), и можно нанести несколько слоев полимера поверх/ниже/вокруг одного слоя нити волокнистого композита. Можно использовать более 2 блоков печати/ сопел (по меньшей мере, одно из которых является блоком 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800, т.е. компоновкой для 3D-печати, показанной на Фигуре 3). Диаметр толстой нити волокнистого композита может составлять 0,9 мм или более.In one embodiment, a thick strand of fibrous composite (diameter ≥ 0.9 mm) is used and multiple layers of polymer can be applied over/below/around a single layer of fibrous composite strand. More than 2 print units/nozzles can be used (at least one of which is the print unit 500 for 3D printing with composite fiber reinforced filament 800, i.e., the 3D printing layout shown in Figure 3). The diameter of the thick strand of the fibrous composite may be 0.9 mm or more.

В одном из вариантов осуществления можно использовать тонкую нить волокнистого композита. Диаметр тонкой нити волокнистого композита может составлять 0,1 мм - 0,9 мм. Диаметр тонкой нити волокнистого композита может быть таким же или большим, чем диаметр полимерного слоя. В последнем случае можно нанести несколько слоев полимера поверх/ниже/вокруг одного слоя нити волокнистого композита.In one embodiment, a thin strand of fibrous composite may be used. The diameter of the fine thread of the fibrous composite may be 0.1 mm - 0.9 mm. The diameter of the thin strand of the fibrous composite may be the same or greater than the diameter of the polymer layer. In the latter case, multiple layers of polymer can be applied over/below/around a single layer of fiber composite filament.

В одном из вариантов осуществления композитная армированная волокном нить предварительно пропитывается термопластичным матричным материалом. Матричный материал нити композитного волокна (а также полимерная нить, которой печатает блок 600 печати при 3D-печати) являются термопластичными; таким образом, фотоотверждение не требуется.In one embodiment, the composite fiber-reinforced yarn is pre-impregnated with a thermoplastic matrix material. The matrix material of the composite fiber filament (as well as the polymer filament printed by the 3D printing unit 600) are thermoplastic; thus, photocuring is not required.

В одном из вариантов осуществления предварительно пропитанную композитную армированную волокном нить 800 нагревают в первой зоне 1 обогрева, где температура устанавливается выше температуры плавления матричного материала, прежде чем композитная армированная волокном нить попадает в нагреваемое сопло 2. Таким образом, дополнительная зона 1 обогрева располагается перед нагреваемым соплом 2. Эта дополнительная зона 1 обогрева позволяет ускорить процесс 3D-печати, поскольку материал нагревается до того, как он попадает в нагреваемое сопло 2. Предварительный нагрев в дополнительной зоне 1 обогрева также позволяет улучшить прижимание печатной нити волокна к ранее напечатанным слоям материала детали, поскольку улучшается нагрев нити волокна. Это может быть особенно полезно, когда используются более высокие скорости печати. Температура в дополнительной зоне 1 обогрева выше температуры плавления матричного полимерного материала.In one embodiment, the pre-impregnated composite fiber-reinforced yarn 800 is heated in the first heating zone 1, where the temperature is set above the melting point of the matrix material, before the composite fiber-reinforced yarn enters the heated nozzle 2. Thus, the additional heating zone 1 is located in front of the heated nozzle. nozzle 2. This additional heating zone 1 speeds up the 3D printing process because the material is heated before it enters the heated nozzle 2. Preheating in the additional heating zone 1 also improves the pressing of the printed fiber filament to the previously printed layers of the material of the part, since the heating of the fiber filament is improved. This can be especially useful when higher print speeds are used. The temperature in the additional heating zone 1 is higher than the melting temperature of the matrix polymer material.

В примерном способе скорость подачи композитной армированной волокном нити может регулироваться. Скорость подачи композитной армированной волокном не обязательно должна быть линейной и/или постоянной. Зона подачи композитной армированной волокном нити не поддерживается полностью ниже температуры плавления термопластичного матричного материала, поскольку зона 1 обогрева, где матричный материал предварительно нагревается, расположена в зоне подачи композитной армированной волокном нити 800. Зона подачи композитной армированной волокном нити 800 не является полностью холодной. Первая зона 7 теплового разрыва между зоной 1 обогрева и зоной 2 обогрева не нагревается, и температура в первой зоне 7 теплового разрыва может быть ниже, чем температура в зоне 1 обогрева и зоне 2 обогрева. Целью зоны 7 теплового разрыва является создание температурного зазора между зоной 1 обогрева и нагреваемым соплом 2. Зона 7 теплового разрыва/создаваемый ею температурный зазор позволяет независимо управлять температурами зоны 1 обогрева и нагреваемого сопла 2.In an exemplary method, the feed rate of the composite fiber reinforced yarn can be controlled. The feed rate of the fiber-reinforced composite need not be linear and/or constant. The composite fiber reinforced yarn supply zone is not kept completely below the melting temperature of the thermoplastic matrix material because the heating zone 1, where the matrix material is preheated, is located in the composite fiber reinforced yarn supply zone 800. The composite fiber reinforced yarn supply zone 800 is not completely cold. The first thermal break zone 7 between the heating zone 1 and the heating zone 2 is not heated, and the temperature in the first thermal break zone 7 may be lower than the temperature in the heating zone 1 and the heating zone 2. The purpose of the thermal break zone 7 is to create a temperature gap between the heating zone 1 and the heated nozzle 2. The thermal break zone 7/thermal gap created by it allows the temperatures of the heating zone 1 and the heated nozzle 2 to be controlled independently.

В одном из вариантов осуществления блок 400 печати для материала поддержки (смотри Фигуру 1) выполнен с возможностью 3D-печати материала поддержки, который должен быть удален из итоговой детали, созданной по технологии 3D-печати. Блок 600 печати для полимера выполнен с возможностью 3D-печати периметров (поверхностей), мелких деталей и/или тонких полимерных структур заполнения детали, создаваемой по технологии 3D-печати. Блок 500 печати для нити композитного волокна выполнен с возможностью 3D-печати непрерывным волокнистым наполнителем, обладающим относительно большой толщиной слоя (обычно большей, чем у полимера) и большой шириной линии (обычно более широкой, чем у полимера, но также может быть такой же или более тонкой по сравнению с шириной линии полимера). Непрерывный волокнистый наполнитель представляет собой нить композитного волокна, содержащую нить волокна, предварительно пропитанную термопластичным матричным материалом. Сопло(-а) блока(-ов) 400, 500, 600 печати 400500600 могут быть закругленными.In one embodiment, the support material print unit 400 (see Figure 1) is configured to 3D print the support material to be removed from the final 3D printed part. The resin printing unit 600 is configured to 3D print perimeters (surfaces), fine details, and/or thin resin structures infilling a 3D printed part. The printing unit 500 for a composite fiber filament is capable of being 3D printed with a continuous fibrous filler having a relatively large layer thickness (typically greater than that of a polymer) and a large line width (typically wider than that of a polymer, but can also be the same or thinner than the polymer line width). A continuous fibrous filler is a composite fiber strand containing a fiber strand pre-impregnated with a thermoplastic matrix material. The nozzle(s) of the print block(s) 400, 500, 600 400500600 may be rounded.

Нагреваемое сопло 2 окружено прессующим фланцем 9 который может быть не нагреваемым и изготовленным из изоляционного материала. Альтернативно прессующий фланец 9 может быть нагреваемым и изготовлен из материала, хорошо проводящего тепло, такого как металл. Зазор между нагреваемым соплом 2 и талером (сборочной платформой 100) или ранее напечатанными слоями материала (деталь 700) может быть больше или равен зазору между талером 100 или ранее напечатанными слоями 700 материала и прессующим фланцем 9.The heated nozzle 2 is surrounded by a pressing flange 9 which may not be heated and made of insulating material. Alternatively, the pressing flange 9 may be heated and made of a material that conducts heat well, such as metal. The gap between the heated nozzle 2 and the taler (assembly platform 100) or previously printed layers of material (item 700) may be greater than or equal to the gap between the taler 100 or previously printed layers 700 of material and the pressing flange 9.

В одном из вариантов осуществления полимерная проволока, используемая для 3D-печати полимером, может быть в форме непрерывной полимерной нити диаметром 0,1-5 мм, внутренний диаметр сопла для полимера может быть относительно небольшим (обычно 0,1-3-3 мм), и ширина линии полимера, печатаемой при 3D-печати, тонкая (обычно 0,1 мм - 5 мм). Однако нить исходного материала может иметь геометрическую форму, отличающуюся от формы круглой проволоки. Возможна любая форма поперечного сечения нити.In one embodiment, the polymer wire used for polymer 3D printing may be in the form of a continuous polymer filament with a diameter of 0.1-5 mm, the internal diameter of the polymer nozzle may be relatively small (typically 0.1-3-3 mm) , and the line width of the 3D printed resin is thin (typically 0.1mm - 5mm). However, the starting material filament may have a geometric shape different from that of the round wire. Any cross-sectional shape of the thread is possible.

В одном из вариантов осуществления непрерывный волокнистый наполнитель для 3D-печати выполнен в виде относительно толстой нити волокнистого композита, имеющей толщину 0,1 мм - 10 мм. Таким образом, внутренний диаметр сопла для нити волокнистого композита обычно составляет 0,1 мм - 20 мм, а ширина линии волокнистого наполнителя, печатаемая при 3D-печати, составляет 0,2 мм - 40 мм. Однако нить исходного материала может иметь геометрическую форму, отличающуюся от формы круглой проволоки. Возможна любая форма поперечного сечения нити.In one embodiment, the 3D printing continuous fibrous filler is in the form of a relatively thick strand of fibrous composite having a thickness of 0.1 mm - 10 mm. Thus, the inner diameter of the fiber composite filament nozzle is usually 0.1mm - 20mm, and the line width of the fiber filler printed in 3D printing is 0.2mm - 40mm. However, the starting material filament may have a geometric shape different from that of the round wire. Any cross-sectional shape of the thread is possible.

На Фигурах 6A, 6B, 7A и 7B представлены эскизы, показывающие деталь, созданную по технологии 3D-печати, в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления. Figures 6A, 6B, 7A, and 7B are sketches showing a 3D printed part, in accordance with one exemplary embodiment.

В одном из вариантов осуществления волокнистый наполнитель в деталях, созданных по технологии 3D-печати с использованием нагреваемого сопла 2, может иметь большую толщину слоя, чем толщина слоя полимерных слоев, созданных по технологии 3D-печати с использованием сопла для полимеров. В объекте 700, создаваемом по технологии 3D-печати, может быть несколько тонких полимерных слоев, которые покрыты одним слоем нити композитного волокна (смотри Фигуру 6A). Слой(-и) нити композитного волокна также может быть встроен внутри деталей, созданных по технологии 3D-печати (смотри Фигуру 6A). Поскольку большая часть времени 3D-печати обычно расходуется на заполнение деталей, создаваемых по технологии 3D-печати, увеличение толщины слоя нити композитного волокна, обеспечиваемое слоем(-ями) нити композитного волокна внутри (или сверху) деталей, созданных по технологии 3D-печати, позволяет значительно сократить время 3D-печати.In one embodiment, the fibrous filler in the heated nozzle 2 3D printed parts may have a greater layer thickness than the layer thickness of the resin layers 3D printed using the resin nozzle. In the 3D printed object 700, there may be several thin polymer layers that are covered with a single layer of composite fiber filament (see Figure 6A). The composite fiber filament layer(s) can also be embedded inside 3D printed parts (see Figure 6A). Because most 3D printing time is typically spent infilling 3D printed parts, the thickening of the composite fiber filament layer provided by the composite fiber filament layer(s) inside (or on top of) the 3D printed parts allows you to significantly reduce the time of 3D printing.

Ширина линии для линии, печатаемой при 3D-печати, зависит от диаметра соответствующего сопла экструдера, то есть меньший диаметр сопла обеспечивает возможность 3D-печати линии, имеющей меньшую ширину линии, а больший диаметр сопла обеспечивает возможность 3D-печати линии, имеющей большую ширину линии.The line width for a 3D printed line depends on the diameter of the corresponding extruder nozzle, i.e. a smaller nozzle diameter allows a line having a smaller line width to be 3D printed, while a larger nozzle diameter allows a line to be 3D printed having a larger line width .

Блоки печати 400, 600, сопло для полимера/подачи полимерной нити и сопло для материала поддержки/подачи материала поддержки могут быть выполнены с использованием существующих технологий и систем. Таким образом, они не требуют более подробного обсуждения в данном описании.The print units 400, 600, the resin/filament nozzle, and the support material/support material nozzle can be made using existing technologies and systems. Thus, they do not require further discussion in this description.

Итоговая деталь 700, созданная по технологии 3D-печати, содержать полимерные секции, секции из непрерывного волокнистого наполнителя и дополнительное заполнение и опорные структуры.The final 3D printed part 700 will contain polymer sections, continuous fiber sections, and additional infill and support structures.

При печати нитью волокна сопло относится к устройству, через которое выталкивается нить волокна. При печати нитью волокна скорость нити волокна, выталкиваемой через сопло 2, может быть такой же, или меньше или больше, чем скорость подачи нити из жгута 3 волокна, определяемая устройством 4 передачи волокна. Сопло 2 и/или прижимающий фланец 9 не ограничивают площадь поперечного сечения.When printing with a fiber filament, the nozzle refers to the device through which the fiber filament is pushed. When printing with a fiber filament, the speed of the filament filament ejected through the nozzle 2 may be the same as, or less than or greater than, the filament feed speed from the fiber tow 3 determined by the fiber transfer device 4. The nozzle 2 and/or the pressing flange 9 do not limit the cross-sectional area.

В одном из вариантов осуществления скорость подачи нити (определяемая устройством 4 передачи волокна) из жгута 3 волокна может в течение короткого периода времени равняться скорости выталкивания нити через сопло 2, и после этого устройство 4 передачи волокна/жгут 3 волокна может свободно вращаться, пока нить 800 выталкивается через сопло 2.In one embodiment, the feed rate of the filament (determined by the fiber transfer device 4) from the fiber tow 3 may for a short period of time equal the speed of the filament ejection through the nozzle 2, after which the fiber transfer device 4/fiber bundle 3 can rotate freely until the filament 800 is pushed out through nozzle 2.

В одном из вариантов осуществления скорость подачи нити (определяемая устройством 4 передачи волокна) из жгута 3 волокна может в течение короткого периода времени равняться скорости выталкивания нити через сопло 2, и после этого устройство 4 передачи волокна/жгут 3 волокна может предварительно загружать нить, пока нить 800 выталкивается через сопло 2.In one embodiment, the feed rate of the filament (determined by the fiber transfer device 4) from the fiber tow 3 may for a short period of time equal the speed of the filament ejection through the nozzle 2, and thereafter the fiber transfer device 4/fiber tow 3 may preload the filament until filament 800 is pushed out through nozzle 2.

Нить относится к области поперечного сечения намотанного на катушку модельного материала, беря это понимание из трехмерной печати, а пруток может относиться к отдельным волокнам, которые, например, встроены в матрицу, вместе образуя целую композитную нить.Thread refers to the cross-sectional area of the model material wound on a bobbin, taking this understanding from 3D printing, and rod can refer to individual fibers that are, for example, embedded in a matrix, together forming a whole composite thread.

Во время процесса 3D-печати непрерывная армированная нить наносится на сборочную платформу 100, чтобы выстроить слои 700 для формирования трехмерной структуры. Положение и ориентация сборочной платформы 100 и/или положение и ориентация каждого сопла управляются одним или несколькими контроллерами 200 для размещения непрерывной армированной волокном нити в требуемом месте и направлении. Направлением и местоположением каждого из печатных материалов (материала поддержки, полимера и нити волокна) для 3D печати можно управлять в направлениях X, Y и Z и всех возможных поворотах вокруг каждого из этих направлений. Механизмы управления положением и ориентацией могут включать в себя портальные системы, роботизированные руки и/или Н-рамы, оснащенные датчиками положения и/или перемещения для контроллера(-ов) 200 для контроля относительного положения или скорости сопла относительно сборочной платформы 100 и/или слоев 700 создаваемой детали. Контроллер(-ы) 200 могут использовать измеренные положения X, Y и/или Z и/или перемещения и/или вращения вокруг одного или нескольких из X, Y и Z положений/осей или векторов скорости для управления движениями сопел или платформы 100.During the 3D printing process, a continuous filament is applied to the build platform 100 to line up the layers 700 to form a 3D structure. The position and orientation of the build platform 100 and/or the position and orientation of each nozzle are controlled by one or more controllers 200 to place the continuous fiber reinforced filament in the desired location and direction. The direction and location of each of the printed materials (support material, resin and fiber filament) for 3D printing can be controlled in the X, Y and Z directions and all possible rotations around each of these directions. Position and orientation control mechanisms may include gantry systems, robotic arms, and/or H-frames equipped with position and/or displacement sensors for the controller(s) 200 to control the relative position or speed of the nozzle relative to the build platform 100 and/or layers. 700 craftable part. The controller(s) 200 may use the measured X, Y and/or Z positions and/or movements and/or rotations about one or more of the X, Y and Z positions/axes or velocity vectors to control the movements of the nozzles or platform 100.

Трехмерный принтер 300 может включать в себя резак 5, управляемый контроллером 200, для резки непрерывной армированной волокном нити 800 для формирования отдельных компонентов на структуре. Резак 5 может быть, например, режущей пластиной или лазером.The 3D printer 300 may include a cutter 5 controlled by the controller 200 to cut the continuous fiber reinforced filament 800 to form individual components on the structure. The cutter 5 may be, for example, a cutting plate or a laser.

Устройство 4 передачи нити подает или выталкивает нерасплавленную нить 800 со скоростью подачи (которая может меняться или не меняться под управлением контроллера 200), после чего матричный материал композитной нити 800 может нагреваться, как описано в отношении Фигуры 3.The thread transfer device 4 feeds or ejects the unmelted thread 800 at a feed rate (which may or may not change under the control of the controller 200), after which the matrix material of the composite thread 800 can be heated as described in relation to Figure 3.

Композитная нить 800 и, тем самым, матричный материал нагревается в зоне 1 нагрева, где температура установлена выше температуры плавления матричного материала и ниже температуры плавления непрерывного волокнистого наполнителя.The composite yarn 800, and thus the matrix material, is heated in heating zone 1, where the temperature is set above the melting temperature of the matrix material and below the melting temperature of the continuous fibrous filler.

Контроллер 200 управляет положением и движением сопла 2, скоростью подачи, скоростью печати, резаком 5 и/или температурой для выполнения 3D-печати.The controller 200 controls the position and movement of the nozzle 2, feed rate, print speed, cutter 5, and/or temperature to perform 3D printing.

Когда деталь 700 завершена, итоговую деталь 700 можно удалить со сборочной платформы 100. Альтернативно, используя вторую печатающую головку можно наслоить на деталь необязательное покрытие, чтобы предоставить защитное покрытие и/или нанести рисунок или изображение на итоговую деталь.When part 700 is complete, final part 700 can be removed from build platform 100. Alternatively, an optional coating can be applied to the part using a second printhead to provide a protective coating and/or apply a design or image to the final part.

Оставшееся пространство можно оставить пустым или заполнить особым материалом, таким как полимер.The remaining space can be left empty or filled with a special material such as a polymer.

Зоны 1, 2 нагрева являются теплопроводными, например, изготовлены из меди, нержавеющей стали, латуни или тому подобного.Heating zones 1, 2 are thermally conductive, for example, made of copper, stainless steel, brass or the like.

Сопла могут иметь одинаковые или разные диаметры.The nozzles may have the same or different diameters.

В одном из вариантов осуществления раскрывается усовершенствованный 3D-принтер, который может осуществлять 3D-печать непрерывным волокнистым наполнителем. Раскрываются усовершенствованный 3D-принтер и способ аддитивного изготовления детали, которые позволяют осуществлять 3D-печать непрерывным волокнистым наполнителем альтернативным способом по сравнению с существующими 3D-принтерами и способами.In one embodiment, an advanced 3D printer is disclosed that is capable of 3D printing with a continuous fibrous filler. Disclosed is an improved 3D printer and additive manufacturing method for a part that allows continuous fiber 3D printing in an alternative manner to existing 3D printers and methods.

Один из вариантов осуществления позволяет создавать более прочные объекты, создаваемые по технологии 3D-печати, чем объекты, создаваемые по технологии 3D-печати с использованием обычных принтеров для FFF. Один из вариантов осуществления также позволяет минимизировать время 3D-печати. В одном из вариантов осуществления объекты, создаваемые по технологии 3D-печати, армированы волокнистым наполнителем. Один из вариантов осуществления позволяет добавлять непрерывный волокнистый наполнитель в объекты, которые должны быть созданы по технологии 3D-печати.One embodiment allows for stronger 3D printed objects than 3D printed objects using conventional FFF printers. One embodiment also makes it possible to minimize 3D printing time. In one embodiment, the objects created by 3D printing technology are reinforced with a fibrous filler. One embodiment allows the addition of a continuous fibrous filler to objects to be 3D printed.

В одном из вариантов осуществления 3D-принтер 300 может включать в себя блок(-и) 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800 и блок(-и) 600 печати для 3D-печати полимерной нитью, но не блок 400 для 3D-печати материалом поддержки.In one embodiment, the 3D printer 300 may include a composite fiber reinforced filament 3D printing unit(s) 500 and a resin filament 3D printing unit(s) 600, but not a 3D printing unit 400. - Print support material.

В одном из вариантов осуществления 3D-принтер 300 может включать в себя блок(-и) 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800 и блок(-и) 400 печати для 3D-печати материалом поддержки, но не блок 600 печати для 3D-печати полимерной нитью.In one embodiment, the 3D printer 300 may include a print unit(s) 500 for 3D printing with composite fiber-reinforced filament 800 and a print unit(s) 400 for 3D printing with a support material, but not a print unit 600 for 3D printing with polymer thread.

В одном из вариантов осуществления 3D-принтер 300 может включать в себя блок(-и) 500 печати для 3D-печати композитной армированной волокном нитью 800, но не блок 400 для 3D-печати материалом поддержки, и не блок 600 печати для 3D-печати полимерной нитью.In one embodiment, the 3D printer 300 may include a print unit(s) 500 for 3D printing with a composite fiber reinforced filament 800, but not a print unit 400 for 3D printing with a support material, and not a print unit 600 for 3D printing. polymer thread.

Нить композитного волокна формируется из волокнистого наполнителя и термопластичного матричного полимера, который связывает пучки нитей вместе. Волокнистый наполнитель может содержать один или несколько пучков волокон, содержащих стекловолокно(-а), углеродное волокно(-а), арамидное волокно(-а), натуральное волокно(-а) (такое как кенаф, пенька и т.д.), термопластичное полимерное волокно(-а) (такое как полиамид, ПЛА и т.д.), и/или гибридное волокно(-а) (содержащее два или более разных волокон в одной нити композитного волокна). Каждый пучок волокон содержать от 1 до 1 000 000 отдельных волокон.A composite fiber filament is formed from a fibrous filler and a thermoplastic matrix polymer that binds the filament bundles together. The fibrous filler may comprise one or more fiber bundles containing glass fiber(s), carbon fiber(s), aramid fiber(s), natural fiber(s) (such as kenaf, hemp, etc.), thermoplastic polymer fiber(s) (such as polyamide, PLA, etc.), and/or hybrid fiber(s) (comprising two or more different fibers in one strand of composite fiber). Each fiber bundle contains from 1 to 1,000,000 individual fibers.

Матричный материал, используемый для связывания волокнистого наполнителя(-ей) в нить композитного волокна, может содержать термопластичный полимер, такой как ПЛА, ПГК, ПЛГА, полиэфир правовращающего изомера молочной кислоты, ПКЛ, ТМЦ, ПА, ПЭ, ПЭЭК, ПЭКК, сополимеры различных мономеров и/или смеси различных термопластичных полимеров/сополимеров, но не ограничивается ими.The matrix material used to bind the fibrous filler(s) into a composite fiber strand may contain a thermoplastic polymer such as PLA, PGK, PLGA, polyester dextrorotatory lactic acid isomer, PCL, TMC, PA, PE, PEEK, PECK, copolymers of various monomers and/or mixtures of various thermoplastic polymers/copolymers, but is not limited to them.

Полимерная нить может содержать термопластичный полимер, такой как ПЛА, ПГК, ПЛГА, полиэфир правовращающего изомера молочной кислоты, ПКЛ, ТМЦ, ПА, ПЭ, ПЭЭК, ПЭКК, сополимеры различных мономеров и/или смеси различных термопластичных полимеров/сополимеров/добавок, но не ограничивается ими.The polymer filament may contain a thermoplastic polymer such as PLA, PGA, PLGA, polyester of dextrorotatory lactic acid, PCL, TMC, PA, PE, PEEK, PECC, copolymers of various monomers and/or mixtures of various thermoplastic polymers/copolymers/additives, but not limited to them.

Материал поддержки может содержать любой термопластичный полимер, который растворим в растворителе, отличающемся от того полимера(-ов), что используется в нити композитного волокна и полимерной нити. Растворитель может содержать воду, уксусную кислоту, ацетон, масло (и) и т.д., но не ограничивается ими. Альтернативно материал поддержки может содержать и/или смесь, которая может быть получена путем механического измельчения из детали, созданной по технологии 3D-печати, после процесса печати. В этом случае нет никаких ограничений или требований по растворимости материала поддержки.The backing material may comprise any thermoplastic polymer that is soluble in a different solvent than the polymer(s) used in the composite fiber yarn and the polymer yarn. The solvent may include, but is not limited to, water, acetic acid, acetone, oil(s), etc. Alternatively, the support material may contain and/or a mixture that can be obtained by mechanical grinding from a 3D printed part after the printing process. In this case, there are no restrictions or requirements on the solubility of the support material.

На Фигуре 4 показанa схема последовательности операций, представляющая примерный процесс 3D-печати термопластичной предварительно пропитанной нитью 800 волокнистого композита. Как показано на Фигуре 4, способ аддитивного изготовления детали 700 включает в себя подачу 401 термопластичной предварительно пропитанной нити 800 волокнистого композита, содержащей одну или несколько неэластичных продольно ориентированных прядей волокон, проходящих внутри термопластичного матричного материала нити 800. Изготовляемая деталь 700 опирается на подвижную или неподвижную сборочную платформу 100. Предварительно пропитанная нить 800 волокнистого композита нагревается 402 в блоке 500 3D-печати в первой зоне 1 обогрева, находящейся между источником 3 нити волокнистого композита и нагреваемым соплом 2 блока 500 3D-печати. Температура первой зоны 1 обогрева устанавливается выше температуры плавления термопластичного матричного материала. Способ дополнительно включает в себя нагревание 404 предварительно пропитанной нити 800 волокнистого композита в нагреваемом сопле 2 для поддержания температуры нити 800 волокнистого композита или для нагревания нити 800 волокнистого композита до более высокой температуры. Температура нагреваемого сопла 2 устанавливается выше температуры плавления матричного материала. Предварительно пропитанная нить волокнистого композита экструдируется из нагреваемого сопла 2 через прессующий фланец 9, и блок 500 печати и/или прессующий фланец 9 и сборочная платформа 100 перемещаются 405 относительно друг друга по трем степеням свободы с помощью множества исполнительных механизмов (например, блок 500 печати и сборочная платформа 100 могут перемещаться 405 относительно друг друга по трем степеням свободы). Альтернативно, сборочная платформа 100 является неподвижной, и необходимые перемещения для создания детали 700 происходят только путем перемещения печатающего блока 500 печати и/или прессующего фланца 9 в направлениях X, Y и Z и, возможно, всех возможных поворотов вокруг этих осей. Прессующий фланец 9 прикладывает силу прессования к экструдированной нити 800 волокна и обеспечивает то, что нить 800 волокна крепко прикрепляется к ранее напечатанным слоям 700 волокна/полимера/поддержки. За прессующим фланцем 9 может следовать дополнительный охлаждающий блок, который охлаждает слой напечатанного волокна и улучшает его затвердевание. Нить 800 волокнистого композита, включающая в себя одну или несколько неэластичных продольно ориентированных прядей волокон, подается 406 через первую зону 1 обогрева в нагреваемое сопло 2 с выбранной скоростью подачи, причем скоростью подачи и/или скоростью печати можно управлять. Нагревание нити 800 волокнистого композита может быть прервано 403 в ненагреваемой зоне 7 теплового разрыва между первой зоной 1 обогрева и нагреваемым соплом 2. Температурой зоны 7 теплового разрыва, через которую проходит нить 800 волокнистого композита во время процесса печати не управляют; первая зона 1 обогрева и нагреваемое сопло 2 термически отделены (изолированы) друг от друга зоной 7 теплового разрыва. Чтобы сформировать деталь 700, нить 800 прилепляется 407 к детали 700 (например, к ранее напечатанным слоям 700 волокна, полимера или поддержки) или сборочной платформе 100. Нить 800 можно разрезать 408 резаком 5, например, когда деталь 700 завершена 409, когда подаваемый материал заменяется, например, на полимерную нить/материал поддержки, или когда этого требует конструкция детали 700. Figure 4 is a flow diagram representing an exemplary process for 3D printing a thermoplastic pre-impregnated filament 800 fiber composite. As shown in Figure 4, a method for additively manufacturing part 700 includes feeding 401 a thermoplastic pre-impregnated fiber composite yarn 800 comprising one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers extending within the thermoplastic matrix material of the yarn 800. The fabricated part 700 is supported by a movable or stationary assembly platform 100. The pre-impregnated fiber composite filament 800 is heated 402 in the 3D printing unit 500 in the first heating zone 1 located between the fiber composite filament source 3 and the heated nozzle 2 of the 3D printing unit 500. The temperature of the first heating zone 1 is set above the melting temperature of the thermoplastic matrix material. The method further includes heating 404 the pre-impregnated fiber composite strand 800 in heated nozzle 2 to maintain the temperature of the fibrous composite strand 800 or to heat the fibrous composite strand 800 to a higher temperature. The temperature of the heated nozzle 2 is set above the melting temperature of the matrix material. The pre-impregnated fiber composite filament is extruded from the heated nozzle 2 through the pressing flange 9, and the printing unit 500 and/or the pressing flange 9 and the build platform 100 are moved 405 relative to each other in three degrees of freedom by a plurality of actuators (for example, the printing unit 500 and the build platform 100 can move 405 relative to each other in three degrees of freedom). Alternatively, build platform 100 is fixed and the necessary movements to create part 700 occur only by moving the printing block 500 and/or pressing flange 9 in the X, Y and Z directions and possibly all possible rotations about these axes. The pressing flange 9 applies a pressing force to the extruded fiber strand 800 and ensures that the fiber strand 800 adheres firmly to the previously printed fiber/polymer/support layers 700. The pressing flange 9 can be followed by an additional cooling block which cools the printed fiber layer and improves its solidification. The fibrous composite yarn 800, including one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers, is fed 406 through the first heating zone 1 into the heated nozzle 2 at a selected feed rate, the feed rate and/or printing speed being controllable. The heating of the fibrous composite filament 800 can be interrupted 403 in the unheated thermal break zone 7 between the first heating zone 1 and the heated nozzle 2. The temperature of the thermal break zone 7 through which the fibrous composite filament 800 passes is not controlled during the printing process; the first heating zone 1 and the heated nozzle 2 are thermally separated (isolated) from each other by a thermal break zone 7 . To form part 700, filament 800 is adhered 407 to part 700 (e.g., previously printed layers 700 of fiber, resin, or support) or build platform 100. Thread 800 can be cut 408 with cutter 5, for example, when part 700 is completed 409 when the feed material replaced, for example, with a polymer thread/support material, or when required by the design of part 700.

В одном из вариантов осуществления затвердевание происходит во время фазы охлаждения после нагреваемого сопла 2. In one embodiment, the solidification occurs during the cooling phase after the heated nozzle 2.

На Фигурах 7A и 7B представлены схематические изображения (вид в перспективе, вид сбоку и вид сверху), показывающие структуру, созданную по технологии 3D-печати, в соответствии с одним из примерных вариантов осуществления.Figures 7A and 7B are schematics (perspective view, side view, and top view) showing a 3D printed structure in accordance with one exemplary embodiment.

В непечатной структуре (т.е. в детали 700, созданной по технологии 3D-печати) в соответствии с одним из вариантов осуществления, волокнистый наполнитель выглядит как нить толщиной 0,1 мм - 10 мм. В одном из вариантов осуществления внутренний диаметр нагреваемого сопла 2 (то есть второй зоны 2 обогрева) обычно составляет 0,1 мм - 20 мм, а ширина напечатанной линии составляет 0,2 мм - 40 мм.In a non-printable structure (ie, 3D printed part 700) according to one embodiment, the fibrous filler appears as a 0.1 mm-10 mm thick filament. In one embodiment, the inner diameter of the heated nozzle 2 (ie the second heating zone 2) is typically 0.1 mm - 20 mm and the width of the printed line is 0.2 mm - 40 mm.

Один волокнистый наполнитель (напечатанный с использованием блока 500 печати волокном) может иметь толщину слоя больше, чем толщина одного полимерного слоя (напечатанного с использованием блока 600 печати полимером). Таким образом, в детали 700, напечатанной этим способом и 3D-принтером в соответствии с одним из вариантов осуществления, может быть несколько полимерных слоев на той же высоте, на которую покрывает только один слой волокна. Слои волокна могут быть встроены во внутреннюю часть детали 700, созданной по технологии 3D-печати. Поскольку большая часть времени печати обычно расходуется на заполнение печатаемой детали 700, увеличение толщины слоя за счет толстого слоя(-ев) волокна во внутренней части детали значительно уменьшает время печати.One fibrous filler (printed using the fiber printing unit 500) may have a layer thickness greater than the thickness of one resin layer (printed using the resin printing unit 600). Thus, in a part 700 printed by this method and 3D printer in accordance with one embodiment, there may be several polymer layers at the same height that only one layer of fiber covers. Layers of fiber can be embedded into the interior of the 3D printed part 700. Since most of the print time is typically spent filling the print part 700, increasing the layer thickness with thick fiber layer(s) in the interior of the part significantly reduces print time.

Деталь 700 может содержать четыре секции: полимерную структуру(-ы), непрерывный или полу-непрерывный волокнистый наполнитель, дополнительное заполнение и материал(-ы) поддержки. Для выполнения 3D-печати загружается 3D-модель и устанавливаются параметры печати для секций детали. 3D-модель загружается, и параметры устанавливаются таким образом, что в результате печати полимерные структуры формируют/определяют внешнюю и внутреннюю форму детали, а материал(-ы) поддержки образуют опорную структуру(-ы) для детали 700, волокнистый наполнитель усиливает деталь, а дополнительное заполнение заполняет пустые места/области в слое(-ях) волокна (т.е. между напечатанными нитями волокна 800) детали 700, чтобы завершить деталь. Параметры печати включают в себя, например, высоту слоя для каждого слоя.Part 700 may comprise four sections: polymeric structure(s), continuous or semi-continuous fibrous filler, additional filling, and support material(s). To perform 3D printing, a 3D model is loaded and print options are set for sections of the part. The 3D model is loaded and the parameters are set so that as a result of printing, the polymer structures form/define the external and internal shape of the part, and the support material(s) form the support structure(s) for the part 700, the fibrous filler reinforces the part, and the extra padding fills in the voids/areas in the fiber layer(s) (ie, between the printed strands of fiber 800) of part 700 to complete the part. The print options include, for example, the layer height for each layer.

На Фигурах 8A, 8B, 8C и 8D представлены схематические изображения, показывающие примерные конструкции печатающей головки, включающей в себя прижимающий элемент 9 и первую зону 1 обогрева. Показано поперечное сечение по линии A-A.Figures 8A, 8B, 8C and 8D are schematic representations showing exemplary constructions of a printhead including a pressing member 9 and a first heating zone 1. A cross section along the line A-A is shown.

На Фигуре 8A прижимающий элемент является фиксированной частью конструкции крышки печатающей головки. Конструкция печатающей головки, показанная на Фигуре 8A аналогична конструкции, показанной на Фигуре 5.In Figure 8A, the pressing member is a fixed part of the printhead cover structure. The design of the printhead shown in Figure 8A is similar to that shown in Figure 5.

На Фигуре 8B прижимающий элемент не является фиксированной частью конструкции крышки печатающей головки; вместо этого прижимающий элемент может двигаться относительно конструкции крышки печатающей головки.In Figure 8B, the pressing member is not a fixed part of the print head cover structure; instead, the pressing member may move relative to the printhead cover structure.

На Фигуре 8C прижимающий элемент не является фиксированной частью конструкции крышки печатающей головки (вместо этого прижимающий элемент может двигаться относительно конструкции крышки печатающей головки), и после прижимающего элемента имеется дополнительный элемент, например, нагревательный блок 26, охлаждаемая ультразвуковая сварочная головка 26 и т.д. In Figure 8C, the pressing member is not a fixed part of the print head cover structure (instead, the pressing member can move relative to the print head cover structure), and there is an additional member after the pressing member, such as a heating block 26, a cooled ultrasonic welding head 26, etc. .

На Фигуре 8D прижимающий элемент является фиксированной частью конструкции крышки печатающей головки, и после прижимающего элемента имеется дополнительный элемент, например, нагревательный блок 26, охлаждаемая ультразвуковая сварочная головка 26 и т.д. In Figure 8D, the pressing member is a fixed part of the printhead cover structure, and after the pressing member, there is an additional member such as a heating block 26, a cooled ultrasonic welding head 26, etc.

В противном случае конструкции печатающей головки, показанные на Фигурах 8B, 8C и 8D, в значительной степени аналогичны конструкции печатающей головки, показанной на Фигуре 5.Otherwise, the printhead designs shown in Figures 8B, 8C, and 8D are largely the same as the printhead design shown in Figure 5.

Пример 1Example 1

G-код для печати волокном и печати полимером был создан с использованием заказного программного обеспечения для трехмерного проектирования объекта, подлежащего 3D печати. В соответствии с созданным G-кодом, непрерывным волокнистым наполнителем печатали на 3D-принтере в канавках, созданных с помощью 3D-печати полимерным материалом. Отдельные блоки печати/сопла использовались для полимерного материала и непрерывного волокнистого наполнителя. Диаметр используемой нити волокна составлял 1,8 мм. Нитью волокна печатали на 3D-принтере в канавках (высотой 0,6 мм и шириной 4,2 мм), напечатанных на 3D-принтере в производимой детали. Один слой волокна покрывал всю канавку (т.е. высота канавки была равна высоте одного слоя волокна). Дополнительная структура заполнения была напечатана на 3D-принтере с использованием сопла для полимера, чтобы заполнить область, окруженную слоем волокна. Полимерный материал с толщиной слоя 0,3 мм был напечатан на 3D-принтере. Таким образом, толщина одного слоя волокна была равна толщине двух полимерных слоев (смотри Фигуру 6A).G-code for fiber and resin printing was created using custom software for 3D design of the object to be 3D printed. According to the generated G-code, the continuous fibrous filler was 3D printed in the grooves created by the 3D printed polymer material. Separate print blocks/nozzles were used for resin material and continuous fiber filler. The diameter of the fiber strand used was 1.8 mm. The filament of fiber was 3D printed in grooves (0.6 mm high and 4.2 mm wide) 3D printed in the part being produced. One layer of fiber covered the entire groove (i.e., the height of the groove was equal to the height of one fiber layer). The additional infill structure was 3D printed using a resin nozzle to fill in the area surrounded by the fiber layer. The polymer material with a layer thickness of 0.3 mm was 3D printed. Thus, the thickness of one fiber layer was equal to the thickness of two polymer layers (see Figure 6A).

Пример 2Example 2

G-код для печати волокном и печати полимером был создан с использованием заказного программного обеспечения для трехмерного проектирования объекта, подлежащего 3D печати. В соответствии с созданным G-кодом, непрерывным волокнистым наполнителем печатали на 3D-принтере в канавках, созданных с помощью 3D-печати полимерным материалом с использованием отдельных блоков печати/сопел для полимерного материала и непрерывного волокнистого наполнителя. Диаметр используемой нити волокна составлял 1,0 мм. Нитью волокна печатали на 3D-принтере в канавках (высотой 0,3 мм и шириной 2,6 мм), напечатанных на 3D-принтере в производимой детали. Один слой волокна покрывал всю канавку (т.е. высота канавки была равна высоте одного слоя волокна). Дополнительная структура заполнения была напечатана на 3D-принтере с использованием сопла для полимера, чтобы заполнить область, окруженную волокном. Полимерный материал с толщиной слоя 0,3 мм был напечатан на 3D-принтере. Таким образом, толщина одного слоя волокна была равна толщине одного полимерного слоя (смотри Фигуру 6B).G-code for fiber and resin printing was created using custom software for 3D design of the object to be 3D printed. According to the generated G-code, the continuous fibrous filler was 3D printed in grooves created by 3D printing of the resin material using separate print units/nozzles for the resin material and the continuous fibrous filler. The diameter of the fiber strand used was 1.0 mm. The filament of fiber was 3D printed in grooves (0.3 mm high and 2.6 mm wide) 3D printed in the part being produced. One layer of fiber covered the entire groove (i.e., the height of the groove was equal to the height of one fiber layer). The additional infill structure was 3D printed using a resin nozzle to fill in the area surrounded by the fiber. The polymer material with a layer thickness of 0.3 mm was 3D printed. Thus, the thickness of one fiber layer was equal to the thickness of one polymer layer (see Figure 6B).

Пример 3Example 3

G-код для печати волокном и печати полимером был создан с использованием программного обеспечения, созданного по индивидуальному заказу, для трехмерного проектирования (3D модель) объекта, подлежащего 3D печати (смотри Фигуры 7A, 7B). В соответствии с созданным G-кодом волокнистым наполнителем, полимером и материалами поддержки печатали на 3D-принтере. Непрерывным волокнистым наполнителем печатали на 3D-принтере в канавках, созданных с помощью 3D-печати полимерным материалом с использованием отдельных блоков печати/сопел для полимерного материала, непрерывного волокнистого наполнителя и материала поддержки. Диаметр используемой нити волокна составлял 1,8 мм. Нитью волокна печатали на 3D-принтере в канавках (высотой 0,6 мм и шириной 4,2 мм), напечатанных на 3D-принтере в производимой детали. Один слой волокна покрывал всю канавку. Дополнительная структура заполнения была напечатана на 3D-принтере с использованием сопла для полимера, чтобы заполнить область, окруженную волокном. Полимерный материал с толщиной слоя 0,3 мм был напечатан на 3D-принтере. Таким образом, толщина одного слоя волокна была равна толщине двух полимерных слоев (смотри Фигуру 6A). Материалом поддержки печатали на 3D-принтере на выбранных участках в соответствии с G-кодом (смотри Фигуры 7A, 7B).The G-code for fiber printing and resin printing was generated using custom software to 3D design (3D model) the object to be 3D printed (see Figures 7A, 7B). In accordance with the G-code created, the fibrous filler, polymer and support materials were printed on a 3D printer. The continuous fibrous filler was 3D printed in grooves created by 3D printing of the resin material using separate print units/nozzles for the resin material, the continuous fibrous filler, and the backing material. The diameter of the fiber strand used was 1.8 mm. The filament of fiber was 3D printed in grooves (0.6 mm high and 4.2 mm wide) 3D printed in the part being produced. One layer of fiber covered the entire groove. The additional infill structure was 3D printed using a resin nozzle to fill in the area surrounded by the fiber. The polymer material with a layer thickness of 0.3 mm was 3D printed. Thus, the thickness of one fiber layer was equal to the thickness of two polymer layers (see Figure 6A). The support material was 3D printed in selected areas according to the G-code (see Figures 7A, 7B).

Специалисту в данной области будет очевидно, что по мере развития технологии концепция изобретения может реализовываться различными способами. Изобретение и его варианты осуществления не ограничиваются примерами, описанными выше, но могут варьироваться в рамках формулы изобретения.One of skill in the art will appreciate that as technology advances, the concept of the invention may be implemented in a variety of ways. The invention and its embodiments are not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the claims.

Claims

1. A 3D printer (300) for additive manufacturing of a part (700), wherein the 3D printer (300) comprises:

an assembly platform (100) for supporting a workpiece (700); and

a printhead (500) including or connected to a source of fibrous composite filament loaded with a thermoplastic preimpregnated fibrous composite filament (800) including one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers extending within the thermoplastic matrix material of the filament (800) ;

wherein the printhead (500) includes

the first heating zone (1) between the fiber composite yarn source and the heated nozzle (2), wherein the first heating zone (1) is configured to be heated by the first heater above the melting temperature of the thermoplastic matrix material to preheat the pre-impregnated fibrous yarn (800) composite;

a consolidating element (9) located after the heated nozzle (2) for applying a consolidating force and/or pressing force to the fibrous composite thread (800) in order to attach the fibrous composite thread (800) to the part (700), moreover, the consolidating element (9 ) is located opposite at least one of the build platform and the pre-printed structures of the part, wherein the heated nozzle (2) is configured to be heated by the second heater to at least the melting temperature of the matrix material to heat the fiber composite filament (800);

a yarn transfer device (4) for transferring the fibrous composite yarn (800) including one or more inelastic longitudinally oriented strands of fibers through the first heating zone (1) into the heated nozzle (2) at a selected feed rate;

a cold supply zone (6) between the yarn transfer device (4) and the first heating zone (1) to maintain the fiber composite yarn (800) temperature below the melting temperature of the matrix material;

an unheated zone (7) of a thermal break between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2) to create a temperature gap between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2);

moreover, the three-dimensional printer (300) contains a plurality of actuators for moving at least the print head (500), including the consolidating element (9), relative to the assembly platform (100) in three degrees of freedom.

2. Three-dimensional printer according to claim 1, in which

the print head (500) including the consolidating element (9) is movable around its selected axes;

the print head (500), including the consolidating element (9), is rotatable along the selected directions of rotation;

the assembly platform (100) is movable around its selected axes; and/or

the assembly platform (100) is rotatable along the chosen directions of rotation.

3. A three-dimensional printer according to claim 1 or 2, which further comprises a controller (200) operatively associated with the first and second heaters, a filament transfer device (4), a print head (500) including a consolidating element (9) and a plurality actuators, wherein the controller (200) is configured to execute instructions that cause the composite filament (800) to be extruded to form the part (700).

4. Three-dimensional printer according to paragraphs. 1, 2 or 3, which additionally includes

a resin transfer device configured to supply the resin filament to the resin extrusion nozzle;

a polymer heater configured to heat the polymer filament to a temperature above the melting point of the polymer;

wherein the polymer extrusion nozzle is configured to extrude the polymer filament to form the part.

5. The 3D printer according to any one of the preceding claims, which further includes

a support material transfer device configured to supply the support material to the support material extrusion nozzle;

a support material heater configured to heat the support material to a temperature that is higher than the melting point of the support material;

wherein the support material extrusion nozzle is configured to extrude a filament of the support material to form a support structure for the portion (700).

6. A 3D printer according to any one of the preceding claims, wherein the controller (200) executes instructions that perform additive manufacturing of the layered structure of the support material, polymer, and composite yarn (800).

7. Three-dimensional printer according to any one of paragraphs. 1-6, in which the pressing element (9) is a pressing flange (9).

8. A method for additive manufacturing of a part, which includes the following steps:

supplying a yarn of fibrous composite, pre-impregnated with thermoplastic, including one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers, passing within the thermoplastic matrix material of the yarn;

support of the manufactured part on the assembly platform;

preheating the pre-impregnated fibrous composite yarn in a first heating zone (1) between the fibrous composite yarn source and the heated nozzle (2), wherein the temperature of the first heating zone (1) is set above the melting temperature of the thermoplastic matrix material;

heating the fibrous composite yarn in the heated nozzle (2), wherein the temperature of the heated nozzle is set above the melting temperature of the matrix material;

exposing, by means of a consolidating element (9) attached to the heated nozzle (2), a consolidating force and/or pressing force to the fibrous composite thread (800) to attach the fibrous composite thread (800) to the part (700);

movement by means of a plurality of actuators of the print head (500), which includes a consolidating element (9), relative to the assembly platform in three degrees of freedom;

passing a fibrous composite strand comprising one or more non-elastic longitudinally oriented strands of fibers through the first heating zone (1) into a heated nozzle (2) at a selected feed rate;

maintaining a temperature below the melting temperature of the matrix material in the cold supply zone (6) passing between the yarn transfer device (4) and the first heating zone (1);

interruption of the heating of the yarn (800) of the fibrous composite in the unheated zone (7) of the thermal break between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2) to create a temperature gap between the first heating zone (1) and the heated nozzle (2),

moreover, the fiber composite thread, pre-impregnated with thermoplastic, has a thickness of 0.1 mm - 10 mm, the inner diameter of the heated nozzle is 0.1 mm - 20 mm, the width of the line printed in 3D printing is 0.2 mm - 40 mm, and the pre-impregnated strand of the fibrous composite has the geometric shape of a wire.

9. The method of claim 8, which includes extruding the composite yarn to form the part.

10. The method of claim 8 or 9, comprising extruding a polymer filament with a polymer extrusion nozzle to form a part.

11. The method according to paragraphs. 8, 9 or 10, which includes extruding the support material through a nozzle for extruding the support material to form the part.

12. The method according to any one of paragraphs. 8-11, which includes performing the additive manufacturing of a layered structure from a support material, a polymer, and a composite thread.

13. The method according to any one of paragraphs. 8-12, which includes performing the additive manufacturing of a layered structure of a support material, a polymer material, and a composite yarn by changing the thickness of the layers of the support material, polymer material, and composite fiber material.

14. The method according to any one of paragraphs. 8-13, which includes performing the additive manufacturing of an arbitrarily arranged three-dimensional structure from a support material, a polymer, and a composite thread.

15. The method according to any one of paragraphs. 8-14, which includes additive manufacturing a randomly arranged three-dimensional structure from a support material, a polymer material, and a composite filament, the structure having selected thicknesses of regions of the support material, polymer material, and composite fiber material.

16. The method according to any one of paragraphs. 8-15, in which the pressing element (9) is a pressing flange (9).