RU2792100C1 - Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method - Google Patents

Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method Download PDF

Info

Publication number
RU2792100C1
RU2792100C1 RU2022107689A RU2022107689A RU2792100C1 RU 2792100 C1 RU2792100 C1 RU 2792100C1 RU 2022107689 A RU2022107689 A RU 2022107689A RU 2022107689 A RU2022107689 A RU 2022107689A RU 2792100 C1 RU2792100 C1 RU 2792100C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
impregnation
printing
carbon fiber
fiber
semi
Prior art date
Application number
RU2022107689A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Василий Михайлович Ретивов
Марина Владимировна Комарова
Евгений Вячеславович Иванов
Антон Сергеевич Егоров
Дарья Сергеевна Александрова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Application granted granted Critical
Publication of RU2792100C1 publication Critical patent/RU2792100C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: 3D printing.
SUBSTANCE: invention relates to the field of three-dimensional printing, namely, to a method for producing a semi-rigid bundle based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3D printing by fused deposition modelling. The method is carried out in the following way: carbon fiber is placed in an impregnating bath for impregnation with a solution of a polymer binder. Then molded at temperatures of 240-450°C in the process of drying from the solvent using metal dies with a diameter of at least 20% of the linear width of the original carbon fiber, installed directly in the drying oven. After that, the hot fiber leaving the furnace is passed through at least three guide rollers, while after each guide roller the direction of the hot fiber is changed to 90°, after which the resulting bundle is wound on a coil.
EFFECT: producing a semi-rigid bundle based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3D printing by fused deposition modelling.
1 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области трехмерной печати, а именно к способу получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления.The invention relates to the field of three-dimensional printing, namely, to a method for producing a semi-rigid bundle based on carbon fiber and superstructural plastics in one stage of impregnation for 3D printing by layer-by-layer deposition.

Уровень техникиState of the art

Печать методом послойного наплавления (FDM) представляет собой процесс аддитивного производства, который реализовывается благодаря экструзии материалов. В FDM объект строится путем нанесения расплавленного материала по заранее установленному алгоритму/слой 31 слоем. Используемые материалы представляют собой термопластичные полимеры и имеют форму нити. Природа материала напрямую влияет на механические свойства и точность печати, а также на ее цену.Fused Deposition Printing (FDM) is an additive manufacturing process that is realized through the extrusion of materials. In FDM, an object is built by applying molten material according to a predetermined algorithm/layer by 31 layers. The materials used are thermoplastic polymers and are filament-shaped. The nature of the material directly affects the mechanical properties and accuracy of printing, as well as its price.

Для изготовления композитных материалов, армированных непрерывным углеродным волокном (УВ), методом послойного наплавления необходима специальная подготовка волокна. Это необходимо, с одной стороны, для обеспечения технологичности процесса печати, с другой - для равномерной пропитки волокна полимерным связующим, которая может быть охарактеризована его низкой пористостью.For the manufacture of composite materials reinforced with continuous carbon fiber (CF), by layer-by-layer deposition, special preparation of the fiber is required. This is necessary, on the one hand, to ensure the manufacturability of the printing process, on the other hand, to uniformly impregnate the fiber with a polymer binder, which can be characterized by its low porosity.

Существует два подхода к реализации технологии печати непрерывным волокном.There are two approaches to the implementation of continuous fiber printing technology.

Первый подход заключается в пропитке волокна связующим непосредственно в процессе печати. В этом случае возникает проблема неполной пропитки волокна, так как расплав полимера имеет высокую вязкость и, к тому же, как правило достаточно полярный, в то время как углеродное волокно неполярно по своей природе. В итоге, конечное изделие содержит множество полостей и дефектов, которые существенно снижают его прочность. Для улучшения пропитываемости волокна его обрабатывают специальными составами (аппретами), которые повышают его поверхностную энергию и полярность, облегчая процесс пропитки вязким расплавом полимера. Кроме того, аппрет повышает адгезию УВ к связующему, что также положительно сказывается на прочности композитного изделия.The first approach is to impregnate the fiber with a binder directly during the printing process. In this case, the problem of incomplete impregnation of the fiber arises, since the polymer melt has a high viscosity and, moreover, is usually quite polar, while carbon fiber is non-polar in nature. As a result, the final product contains many cavities and defects, which significantly reduce its strength. To improve the impregnation of the fiber, it is treated with special compounds (sizing agents) that increase its surface energy and polarity, facilitating the process of impregnation with a viscous polymer melt. In addition, the sizing increases the adhesion of the hydrocarbon to the binder, which also has a positive effect on the strength of the composite product.

Недостатком такого подхода является низкая технологичность процесса: пропитка волокна непосредственно в процессе печати, несет в себе технологическую трудность - мягкое углеродное волокно сложно подавать в печатающую голову 3D-принтера.The disadvantage of this approach is the low manufacturability of the process: fiber impregnation directly during the printing process carries a technological difficulty - soft carbon fiber is difficult to feed into the print head of a 3D printer.

Второй подход представляет собой технологию коэкструзии. Для ее реализации углеродное волокно предварительно пропитывают раствором или расплавом полимера и формуют в тонкую жесткую композитную нить, которая затем подается в печатающую голову принтера вместе с филаментом из полимерного связующего. Этот подход существенно облегчает технологическое обеспечение процесса печати.The second approach is co-extrusion technology. To implement it, carbon fiber is pre-impregnated with a polymer solution or melt and formed into a thin rigid composite thread, which is then fed into the printer's print head along with a polymer binder filament. This approach greatly facilitates the technological support of the printing process.

Известен способ получения непрерывного композитного материала из термопластичной смолы, армированного углеродным волокном (CN 110576531 A, МПК В29В 15/14; B33Y 70/00, 17.12.2019), который заключается в том, что жгут волокна выравнивают, натягивая через серию распорных штифтов, затем протягивают через пропиточную головку, которая включает в себя множество каналов для подачи смолы. Расплав смолы наносят на разложенный жгут волокон с одного или нескольких направлений для полного пропитывания жгута волокон. Затем волокнистый жгут препрега вытягивают в сужающуюся фильеру, которая удаляет излишки смолы и превращается в нить для печати. Наклонный приводной ролик используется для вытягивания жгута волокон с достаточным усилием для преодоления сухого и вязкого трения в компонентах системы.A known method for producing a continuous composite material from a thermoplastic resin reinforced with carbon fiber (CN 110576531 A, IPC B29B 15/14; B33Y 70/00, 12/17/2019), which consists in the fact that the fiber bundle is aligned by pulling through a series of spacer pins, then drawn through an impregnation head which includes a plurality of resin channels. The resin melt is applied to the expanded fiber tow from one or more directions to completely impregnate the fiber tow. The prepreg fiber tow is then drawn into a tapering die that removes excess resin and becomes a printable filament. An inclined drive roller is used to draw out the fiber bundle with sufficient force to overcome dry and viscous friction in the system components.

Известен способ трехмерной печати с использованием армированного волокна (US 2019232550, МПК В29В 15/14, В29С 48/154, 01.08.2019), которая включают в себя подготовку цифровой 3D-модели детали, предварительную пропитку армированной нити расплавленным матричным полимером под давлением, подачу армированной нити в экструдер печатающей головки установки 3D-печати, нагрев армированной нити до температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера, экструдирование армированной нити на поверхность детали с образованием слоя термопластичного композитного материала, регулировку скорости подачи армированной нити и ее обрезку, повторение цикла до полного формирования детали.A known method of three-dimensional printing using reinforced fiber (US 2019232550, IPC B29B 15/14, B29C 48/154, 08/01/2019), which includes the preparation of a digital 3D model of the part, pre-impregnation of the reinforced thread with molten matrix polymer under pressure, supply reinforced filament into the extruder of the print head of the 3D printing machine, heating the reinforced filament to a temperature exceeding the melting point of the matrix polymer, extruding the reinforced filament onto the surface of the part to form a layer of thermoplastic composite material, adjusting the feed rate of the reinforced filament and trimming it, repeating the cycle until complete formation details.

Также известен способ трехмерной печати термопластичным композиционным материалом (RU 2722944, МПК В29С 48/78, В29В 15/14, 05.06.2020), в котором осуществляют предварительную пропитку армированной нити расплавленным матричным полимером под давлением, сушку армированной нити, подачу армированной нити в экструдер печатающей головки, нагрев армированной нити до температуры, превышающей температуру плавления матричного полимера армированной нити, экструдирование армированной нити на поверхность детали с образованием приваренного слоя композитного материала с обрезкой армированной нити. После подачи в зону трехмерной печати армированной нити приваривают ее при одновременном воздействиии температуры, превышающей температуру плавления матричного материала армированной нити, и ультразвуковых колебаний. Процесс печати осуществляют в термостатированной подогреваемой камере. В результате чего обеспечивается возможность изготовления детали сложной геометрии.Also known is a method for three-dimensional printing with a thermoplastic composite material (RU 2722944, IPC V29S 48/78, V29V 15/14, 06/05/2020), in which the reinforced thread is pre-impregnated with a molten matrix polymer under pressure, the reinforced thread is dried, the reinforced thread is fed into the extruder of the print head, heating the reinforced filament to a temperature exceeding the melting point of the matrix polymer of the reinforced filament, extruding the reinforced filament onto the surface of the part to form a welded layer of composite material with trimming the reinforced filament. After the reinforced thread is fed into the 3D printing zone, it is welded under simultaneous exposure to a temperature exceeding the melting temperature of the matrix material of the reinforced thread and ultrasonic vibrations. The printing process is carried out in a thermostatically heated chamber. As a result, it is possible to manufacture parts of complex geometry.

Недостатком применения технологии коэкструзии является невозможность полной равномерной пропитки волокна такими вязкими системами, как, например, прекерамические смеси, при этом готовое композитное волокно не пропитывается в процессе печати из-за плотного слоя полимера на поверхности.The disadvantage of using coextrusion technology is the impossibility of complete uniform impregnation of the fiber with such viscous systems as, for example, pre-ceramic mixtures, while the finished composite fiber is not impregnated during printing due to the dense polymer layer on the surface.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Технической проблемой, на решение которой направлено данное техническое решение, является создание технологичного способа получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления.The technical problem to be solved by this technical solution is the creation of a technological method for producing a semi-rigid bundle based on carbon fiber and superstructural plastics in one stage of impregnation for 3D printing by layer-by-layer deposition.

Технический результат предлагаемого изобретение заключается в улучшении технологичности 3D-печати композитного изделия методом послойного наплавления и снижение пористости готового композитного изделия.The technical result of the invention is to improve the manufacturability of 3D printing of a composite product by layer-by-layer deposition and reduce the porosity of the finished composite product.

Для достижения технического результата предложен способ получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления, характеризующийся тем, что углеродное волокно помещают в пропиточную ванну для пропитки раствором полимерного связующего, затем формуют при температурах 240°С - 450°С в процессе сушки от растворителя при помощи металлических фильер диаметром не менее чем 20% от линейной ширины исходного углеродного волокна, установленных непосредственно в просушивающей печи, после чего выходящее из печи горячее волокно пропускают через по меньшей мере три направляющих ролика, при этом, после каждого направляющего ролика направление горячего волокна меняют на 90°, после чего полученный жгут наматывают катушку.To achieve a technical result, a method is proposed for obtaining a semi-rigid bundle based on carbon fiber and superstructural plastics in one stage of impregnation for 3D printing by layer-by-layer fusing, characterized in that carbon fiber is placed in an impregnation bath for impregnation with a solution of a polymer binder, then molded at temperatures of 240 ° C - 450°C during drying from the solvent using metal dies with a diameter of at least 20% of the linear width of the original carbon fiber, installed directly in the drying oven, after which the hot fiber leaving the oven is passed through at least three guide rollers, with In this case, after each guide roller, the direction of the hot fiber is changed by 90°, after which the resulting bundle is wound on a bobbin.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:The combination of the above essential features leads to the fact that:

- улучшается технологичность 3D-печати композитного изделия методом послойного наплавления за счет использования для печати композитных материалов, армированных непрерывным углеродным волокном (УВ), полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков, полученного в одну стадию пропитки;- the manufacturability of 3D printing of a composite product by the method of layer-by-layer deposition is improved due to the use of composite materials reinforced with continuous carbon fiber (CF), a semi-rigid bundle based on carbon fiber and superstructural plastics obtained in one stage of impregnation for printing;

- снижается пористость готового композитного изделия за счет того, что углеродное волокно, предназначенное для армирования суперконструкционного пластика, предварительно пропитывают раствором полимерного связующего и затем формуют в жгут при высоких температурах в процессе сушки от растворителя при помощи металлических фильер заданного диаметра, установленных непосредственно в просушивающей печи, после чего сформованное волокно прокатывают через ролики для снижения жесткости жгута под углом 90° для создания дополнительного давления.- the porosity of the finished composite product is reduced due to the fact that the carbon fiber intended for reinforcing the superstructural plastic is pre-impregnated with a polymer binder solution and then formed into a bundle at high temperatures during drying from the solvent using metal dies of a given diameter installed directly in the drying oven , after which the formed fiber is rolled through rollers to reduce the rigidity of the tow at an angle of 90 ° to create additional pressure.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. показана схема расположения прокаточных роликов, где цифрами обозначены:In FIG. shows the layout of the rolling rollers, where the numbers indicate:

1 - прокатываемый жгут, 2 - прокаточные ролики, 3 - сушильная печь Осуществление и примеры реализации Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.1 - rolling rope, 2 - rolling rollers, 3 - drying oven Implementation and examples of implementation Below is an example of a specific implementation of the device, which does not limit the options for its implementation.

Для решения поставленной технической проблемы предлагается создание полужесткого углеродного волокна, сочетающего в себе плюсы обоих подходов: пропитки волокна связующим непосредственно в процессе печати с одной стороны, и технологии коэкструзии, такое волокно будет достаточно жестким для автоматического продвижения в 3D-принтер, с другой - не будет полностью пропитано полимером, что позволит осуществлять пропитку в процессе печати, минуя дополнительную стадию изготовления композитного волокна. При этом достигается заявленный технический результат - улучшение технологичности 3D-печати композитного изделия методом послойного наплавления, снижение пористости готового композитного изделия, благодаря сочетанию технологических параметров производства полужесткого УВ: концентрации пропиточного состава, температуре высушивающей печи и геометрии пропиточной установки.To solve this technical problem, it is proposed to create a semi-rigid carbon fiber that combines the advantages of both approaches: fiber impregnation with a binder directly during printing, on the one hand, and co-extrusion technology, such a fiber will be rigid enough to automatically advance into a 3D printer, on the other hand, it will not will be completely impregnated with polymer, which will allow impregnation during the printing process, bypassing the additional stage of manufacturing a composite fiber. At the same time, the claimed technical result is achieved - improving the manufacturability of 3D printing of a composite product by layer-by-layer deposition, reducing the porosity of the finished composite product, due to a combination of technological parameters for the production of semi-rigid hydrocarbons: the concentration of the impregnating composition, the temperature of the drying oven and the geometry of the impregnation plant.

В качестве раствора полимерного связующего выбирается состав, близкий по своей природе к составу полимерного или полимерно-керамического связующего, который в дальнейшем будет использован для печати изделия. Концентрация раствора выбирается в диапазоне от 5% до 20%. При аппретировании УВ раствором полимерного связующего с концентрацией ниже 5% нельзя получить жесткое композитное волокно, имеющий достаточную жесткость для 3D-печати методом послойного наплавления, при аппретировании УВ раствором полимерного связующего с концентрацией выше 20% создается сплошной слой полимера на поверхности волокна, препятствующий пропитке полимером в процессе печати из-за уже сформированного плотного слоя полимера на поверхности.As a polymer binder solution, a composition is selected that is similar in nature to the composition of a polymer or polymer-ceramic binder, which will later be used to print the product. The concentration of the solution is selected in the range from 5% to 20%. When CF is dressed with a polymer binder solution with a concentration below 5%, it is impossible to obtain a rigid composite fiber having sufficient rigidity for 3D printing by layer-by-layer fusing; when CF is treated with a polymer binder solution with a concentration above 20%, a continuous polymer layer is created on the fiber surface, which prevents polymer impregnation during the printing process due to the already formed dense layer of polymer on the surface.

Пропитанное волокно формуют в процессе сушки от растворителя при температуре 240-450°С при помощи металлических фильер заданного диаметра, установленных непосредственно в просушивающей печи. Для придания нужного диаметра и круглого сечения получаемому жгуту, в сушильной печи устанавливают фильеры из нержавеющей стали с необходимым диаметром. Формующие фильеры устанавливаются на входе в сушильную печь, а также перед выходом из нее. Формующая фильера, установленная на входе в печь, удаляет избыток пропитывающего состава и способствует дополнительному проникновению раствора вглубь волокна, что особенно актуально для жгутов, содержащих большое количество филаментов и имеющих значительную толщину. Фильера, установленная на выходе из печи, формирует круглое сечение жгута, что необходимо для его подачи в 3D-принтер в процессе печати.The impregnated fiber is formed in the process of drying from the solvent at a temperature of 240-450°C using metal dies of a given diameter, installed directly in the drying oven. To give the desired diameter and round section to the resulting bundle, stainless steel dies with the required diameter are installed in the drying oven. Forming dies are installed at the entrance to the drying oven, as well as before leaving it. A forming die installed at the furnace inlet removes excess impregnating composition and promotes additional penetration of the solution deep into the fiber, which is especially important for tows containing a large number of filaments and having a significant thickness. A spinneret installed at the outlet of the furnace forms a round cross-section of the bundle, which is necessary for its supply to the 3D printer during the printing process.

Сформованное волокно (жгут) 1 прокатывают через ролики 2 для снижения жесткости жгута 1. Горячее после просушивания волокно прокатывают через ролики 2 под углом 90° для создания дополнительного давления. Таким образом жгуту после выхода из печи при помощи роликов придается дополнительная мягкость.The formed fiber (tow) 1 is rolled through rollers 2 to reduce the rigidity of the tow 1. Hot after drying, the fiber is rolled through rollers 2 at an angle of 90° to create additional pressure. In this way, the bundle after leaving the oven with the help of rollers is given additional softness.

При этом достигается заявленный технический результат - улучшение технологичности 3D-печати композитного изделия методом послойного наплавления, снижение пористости готового композитного изделия.At the same time, the claimed technical result is achieved - improving the manufacturability of 3D printing of a composite product by layer-by-layer deposition, reducing the porosity of the finished composite product.

Таким образом техническая задача, заключающаяся в создании технологичного способа получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления, решается за счет применения способа получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления, отличающегося тем, что углеродное волокно помещают в пропиточную ванну для пропитки раствором полимерного связующего, затем формуют при температурах 240 °С - 450°С в процессе сушки от растворителя при помощи металлических фильер заданного диаметра, установленных непосредственно в просушивающей печи, после чего выходящее из печи горячее волокно пропускают через три направляющих ролика для снижения жесткости жгута, после чего наматывают жгут на катушку. Горячее волокно пропускают через три направляющих ролика, каждый раз меняя направление на 90°, для создания дополнительного давления.Thus, the technical problem, which consists in creating a technological method for producing a semi-rigid tow based on carbon fiber and super-structural plastics in one stage of impregnation for 3D printing by layer-by-layer fusing, is solved by using a method for obtaining a semi-rigid tow based on carbon fiber and super-structural plastics in one stage impregnation for 3D printing by layer-by-layer deposition, characterized in that the carbon fiber is placed in an impregnation bath for impregnation with a solution of a polymer binder, then molded at temperatures of 240 ° C - 450 ° C during drying from the solvent using metal dies of a given diameter, installed directly in a drying oven, after which the hot fiber leaving the oven is passed through three guide rollers to reduce the rigidity of the tow, after which the tow is wound on a spool. The hot fiber is passed through three guide rollers, each time changing direction by 90°, to create additional pressure.

Для реализации изобретения необходимы следующие технологические узлы: печь 3 для сжигания заводского аппрета, направляющие ролики, пропиточный узел, отжимные ролики, сушильная печь, с установленными формующими фильерами и прокаточные ролики, а также механизм протяжки и намотки волокна.To implement the invention, the following technological units are required: a furnace 3 for burning the factory sizing, guide rollers, an impregnating unit, squeeze rollers, a drying oven with installed forming dies and rolling rollers, as well as a fiber pulling and winding mechanism.

Печь для сжигания заводского аппрета представляет собой трубу из жаропрочного стекла или любого материала, пригодного для эксплуатации при заданных температурах. Используемая печь должна иметь систему нагрева, позволяющего поддерживать заданную температуру с точностью до 20°С по всей длине печи. Длина печи выбирается исходя из скорости протяжки волокна, однако не может составлять менее, чем 50 см. В большинстве случаев, для снятия стандартного аппрета достаточно температуры печи 400°С, однако при наличии на поверхности волокна термически стойкого аппрета, температура печи может быть увеличена, однако она не должна превышать 800°С.The furnace for burning the factory sizing is a pipe made of heat-resistant glass or any material suitable for operation at specified temperatures. The furnace used must have a heating system that allows maintaining the set temperature with an accuracy of 20 ° C along the entire length of the furnace. The length of the furnace is selected based on the speed of drawing the fiber, however, it cannot be less than 50 cm. In most cases, an oven temperature of 400 ° C is sufficient to remove the standard sizing, however, if there is a heat-resistant sizing on the fiber surface, the oven temperature can be increased, however, it should not exceed 800°C.

Направляющие ролики устанавливаются до и после пропиточной ванны таким образом, чтобы протягиваемое волокно не касалось узлов установки: стенок печей и пропиточной ванны. Ролики должны быть изготовлены из материала, не вступающего в реакцию с аппретирующей композицией и/или ее компонентами (фторопласт или нержавеющая сталь) и иметь ровную без дефектов поверхность во избежание повреждений протягиваемого волокна.The guide rollers are installed before and after the impregnation bath in such a way that the pulled fiber does not touch the units of the installation: the walls of the furnaces and the impregnation bath. The rollers must be made of a material that does not react with the sizing composition and/or its components (PTFE or stainless steel) and have a flat, defect-free surface to avoid damage to the pulled fiber.

Пропиточный узел представляет собой ванну из химически стойкого материала (например, керамика или стекло), в которую заливается пропиточный раствор. В ванну погружается пропиточный ролик, изготовленный из химически инертного материала (фторопласт), таким образом, чтобы волокно, пропущенное по нижней поверхности валика, погружалось в пропиточный раствор. Диаметр пропиточного ролика выбирается таким образом, чтобы обрабатываемое волокно было погружено в пропиточный раствор не менее чем в течение 10 см, но не должен составлять менее 15 см. Дополнительно, пропиточный ролик может вращаться при помощи мотора.The impregnating unit is a bath made of a chemically resistant material (such as ceramic or glass) into which the impregnating solution is poured. An impregnating roller made of a chemically inert material (PTFE) is immersed in the bath so that the fiber passed along the lower surface of the roller is immersed in the impregnating solution. The diameter of the impregnation roller is chosen so that the treated fiber is immersed in the impregnation solution for at least 10 cm, but should not be less than 15 cm. Additionally, the impregnation roller can be rotated by a motor.

Отжимные ролики 2 должны быть изготовлены из материала, не вступающего в реакцию с аппретирующей композицией и/или ее компонентами (фторопласт или нержавеющая сталь). Отжимные ролики могут вращаться при помощи мотора.The squeezing rollers 2 must be made of a material that does not react with the sizing composition and/or its components (PTFE or stainless steel). The wringer rollers can be rotated by a motor.

Сушильная печь 3 должна быть изготовлена из термически стойкого материала и оборудована системой ступенчатого нагрева, позволяющей создавать разные температуры на протяжении длины печи. Сушильная печь должна иметь не менее двух контролируемых зон нагрева. Температура первой зоны нагрева выбирается исходя из используемого в аппретирующей композиции растворителя, но не может составлять менее 240°С. Температура нагрева первой зоны должна превосходить температуру кипения растворителя, используемого в аппретирующей композиции не менее чем на 50°С. Температура второй зоны выбирается исходя из свойств используемого аппретирующего агента. Температура второй зоны должна соответствовать или превышать температуру физического (например, плавление) или химического (например, сшивка) превращения аппретирующего агента, но не превышает 450°С.The drying kiln 3 must be made of a heat-resistant material and equipped with a staged heating system that allows different temperatures to be created along the length of the kiln. The drying oven must have at least two controlled heating zones. The temperature of the first heating zone is selected based on the solvent used in the sizing composition, but cannot be less than 240°C. The heating temperature of the first zone must exceed the boiling point of the solvent used in the sizing composition by at least 50°C. The temperature of the second zone is selected based on the properties of the used sizing agent. The temperature of the second zone should correspond to or exceed the temperature of physical (eg, melting) or chemical (eg, crosslinking) transformation of the sizing agent, but does not exceed 450°C.

Сушильная печь 3 должна быть установлена строго перпендикулярно поверхности пола. Таким образом, протягиваемое волокно также оказывается перпендикулярно поверхности пола, вследствие чего стекание не затвердевшего раствора под действием силы тяжести происходит равномерно и не образуется градиент толщины полимерного слоя, как если волокно сушится горизонтально или под углом.Drying oven 3 must be installed strictly perpendicular to the floor surface. Thus, the pulled fiber also turns out to be perpendicular to the floor surface, as a result of which the flow of the uncured solution under the action of gravity occurs evenly and a gradient in the thickness of the polymer layer is not formed, as if the fiber was dried horizontally or at an angle.

Формующие фильеры должны быть изготовлены из материала с хорошей теплопроводностью, обеспечивающей равномерный прогрев фильеры и термической стойкостью, позволяющей их эксплуатацию в диапазоне 240°С - 450°С. Формующие фильеры должны иметь диаметр, соответствующий требованиям оборудования, используемого для изготовления изделий с полученным жгутом, однако не менее чем 20% от линейной ширины исходного углеродного волокна. Формующие фильеры должны иметь гладкую поверхность, во избежание повреждений протягиваемого волокна. Формующие фильеры устанавливают в прогреваемых зонах сушильной печи.Forming dies must be made of a material with good thermal conductivity, which ensures uniform heating of the die and thermal stability, allowing their operation in the range of 240°C - 450°C. Forming dies must have a diameter that meets the requirements of the equipment used for the manufacture of products with the resulting tow, but not less than 20% of the linear width of the original carbon fiber. The forming dies must have a smooth surface to avoid damage to the drawn fiber. Forming dies are installed in the heated zones of the drying oven.

Прокаточные ролики 2 должны быть изготовлены из термически стойкого, химически инертного материала. Прокаточные ролики должны быть установлены друг по отношению к другу и по отношению к соседним узлам установки таким образом, чтобы, проходя через них, волокно меняло направление на 90° как показано на фигуре. Оптимальное количество роликов 3 шт. но можно использовать и систему с большим количеством. Диаметр прокаточных роликов может быть выбран произвольно.The rolling rollers 2 must be made of a thermally resistant, chemically inert material. The rolling rollers must be positioned in relation to each other and in relation to the neighboring units of the installation in such a way that, passing through them, the fiber changes direction by 90°, as shown in the figure. The optimal number of rollers is 3 pcs. but you can use a system with a large number. The diameter of the rolling rollers can be chosen arbitrarily.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1. 5%-й раствор коммерчески доступного полиэфиримида в хлороформе помещают в пропиточную ванну. Углеродное волокно марки UMT42S-3K-EP производства компании Юматекс протягивают через печь, разогретую до 400°С для сжигания заводского аппрета, затем пропускают через пропиточную ванну с раствором полиэфиримида, после чего волокно поступает в сушильную печь, разогретую до 300°С. Выходящее из печи горячее волокно проходит через три направляющих ролика, каждый раз меняя направление на 90°, после чего наматывается на катушку. Скорость протяжки волокна составляет 10 м/ч. Готовый полужесткий жгут используют для печати изделий в сочетании с полиэфиримидным или полиамидным связующим. Пористость готового композитного изделия, определенная по ASTM D3171-15, не превышает 0,3%.Example 1 A 5% solution of commercially available polyesterrimide in chloroform is placed in an impregnation bath. UMT42S-3K-EP carbon fiber manufactured by Yumatex is pulled through an oven heated to 400°C to burn the factory sizing, then it is passed through an impregnation bath with a polyesterimide solution, after which the fiber enters a drying oven heated to 300°C. The hot fiber leaving the furnace passes through three guide rollers, each time changing direction by 90°, after which it is wound onto a spool. The fiber pulling speed is 10 m/h. The finished semi-rigid tow is used for printing products in combination with a polyesterimide or polyamide binder. The porosity of the finished composite product, determined according to ASTM D3171-15, does not exceed 0.3%.

Пример 2. Полужесткий жгут получают так же, как описано в Примере 1, однако для пропитки используют 20% раствор олигомеров полифениленсульфида в α-хлорнафталине. Температура сушильной печи составляет 300°С. Готовый полужесткий жгут используют для печати изделий в сочетании с полиэфениленсульфидом или полиэфирэфиркетоном. Пористость готового композитного изделия, определенная по ASTM D3171-15, не превышает 0,4%.Example 2 A semi-rigid tow is prepared in the same manner as described in Example 1, however, a 20% solution of polyphenylene sulfide oligomers in α-chloronaphthalene is used for impregnation. The temperature of the drying oven is 300°C. The finished semi-rigid tow is used for printing products in combination with poly(ephenylene sulfide) or polyetheretherketone. The porosity of the finished composite product, determined according to ASTM D3171-15, does not exceed 0.4%.

Claims (1)

Способ получения полужесткого жгута на основе углеродного волокна и суперконструкционных пластиков в одну стадию пропитки для 3D-печати методом послойного наплавления, характеризующийся тем, что углеродное волокно помещают в пропиточную ванну для пропитки раствором полимерного связующего, затем формуют при температурах 240-450°С в процессе сушки от растворителя при помощи металлических фильер диаметром не менее чем 20% от линейной ширины исходного углеродного волокна, установленных непосредственно в просушивающей печи, после чего выходящее из печи горячее волокно пропускают через по меньшей мере три направляющих ролика, при этом после каждого направляющего ролика направление горячего волокна меняют на 90°, после чего полученный жгут наматывают катушку.A method for producing a semi-rigid tow based on carbon fiber and superstructural plastics in one stage of impregnation for 3D printing by layer-by-layer fusing, characterized in that the carbon fiber is placed in an impregnation bath for impregnation with a solution of a polymer binder, then molded at temperatures of 240-450 ° C in the process drying from the solvent using metal dies with a diameter of at least 20% of the linear width of the original carbon fiber, installed directly in the drying oven, after which the hot fiber leaving the oven is passed through at least three guide rollers, while after each guide roller the direction of the hot the fibers are changed by 90 °, after which the resulting bundle is wound on a coil.
RU2022107689A 2022-03-23 Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method RU2792100C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2792100C1 true RU2792100C1 (en) 2023-03-16

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2373052C1 (en) * 2008-06-19 2009-11-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" Method for production of items from composite materials
RU148895U1 (en) * 2014-09-10 2014-12-20 Федеральное казенное предприятие "Алексинский химический комбинат" (ФКП АХК) DEVICE FOR IMPREGNATING CONTINUOUS FIBER BINDING
JP2017047615A (en) * 2015-09-02 2017-03-09 トヨタ自動車株式会社 Apparatus and method for manufacturing fiber-reinforced composite material
RU2674138C1 (en) * 2017-10-03 2018-12-04 Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт" Products from composite materials manufacturing method by 3d printing and device for its implementation
RU2722944C1 (en) * 2019-11-21 2020-06-05 Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2373052C1 (en) * 2008-06-19 2009-11-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" Method for production of items from composite materials
RU148895U1 (en) * 2014-09-10 2014-12-20 Федеральное казенное предприятие "Алексинский химический комбинат" (ФКП АХК) DEVICE FOR IMPREGNATING CONTINUOUS FIBER BINDING
JP2017047615A (en) * 2015-09-02 2017-03-09 トヨタ自動車株式会社 Apparatus and method for manufacturing fiber-reinforced composite material
RU2674138C1 (en) * 2017-10-03 2018-12-04 Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт" Products from composite materials manufacturing method by 3d printing and device for its implementation
RU2722944C1 (en) * 2019-11-21 2020-06-05 Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" Three-dimensional printing method with thermoplastic composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6450773B2 (en) Method for producing thermoplastic polymer pre-impregnated fiber material in a fluidized bed
RU2674138C1 (en) Products from composite materials manufacturing method by 3d printing and device for its implementation
JP6495932B2 (en) Process for producing thermoplastic polymer pre-impregnated fiber material using an aqueous dispersion of polymer
CN111032314B (en) Printhead for additive manufactured article
CA2218907C (en) Flexible low bulk pre-impregnated tow
CN107399076B (en) Three-dimensional printing
US20170341300A1 (en) Additive Manufacturing Process Continuous Reinforcement Fibers And High Fiber Volume Content
US10626235B2 (en) Flexible composite prepreg materials
TWI549140B (en) Continuous fiber reinforced thermoplastic rods
CN106163755A (en) The method that pre-preg has the fibrous material of thermoplastic polymer is prepared by means of supercritical gas
JPS63216732A (en) Method and device for manufacturing special-form sectional material made of thermoplastic polymer through drawing molding and product obtained through said method
JP7340521B2 (en) Continuous fiber reinforced thermoplastic resin composite material and its manufacturing method
JP7145348B2 (en) Manufacturing method and equipment for unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastic composite
WO2018203768A1 (en) Method for additive manufacturing of products made of composite materials reinforced with continuous fibres
KR20140045584A (en) Solidified fibre bundles
CN112847925B (en) Continuous fiber reinforced 3D printing composite material melting and dipping system and method
US20220143913A1 (en) Methods to produce low-defect composite filaments for additive manufacturing processes
CN112497732B (en) Space truss 3D printing method based on continuous fiber reinforced resin-based prepreg
RU2792100C1 (en) Method for producing a semi-rigid harness based on carbon fiber and super engineering plastics in one stage of impregnation for 3d printing by fused deposition modelling method
RU2502600C1 (en) Method of producing hollow articles from polymer composites
US20220126532A1 (en) System and method for in-situ impregnation of continuous fiber tows with thermoplastic resin
Sala et al. Heated chamber winding of thermoplastic powder-impregnated composites: Part 1. Technology and basic thermochemical aspects
CN111117103B (en) Reinforced wire rod for fused deposition molding and preparation method thereof
JP3317357B2 (en) Fiber reinforced thermoplastic resin molding material
CA3111058C (en) Production line moulding assembly for manufacturing a non-metallic armature, production line and method of forming a rod for use in the manufacture of a composite armature