WO2018190750A1 - Печатающая головка для аддитивного производства изделий - Google Patents

Печатающая головка для аддитивного производства изделий Download PDF

Info

Publication number
WO2018190750A1
WO2018190750A1 PCT/RU2017/050129 RU2017050129W WO2018190750A1 WO 2018190750 A1 WO2018190750 A1 WO 2018190750A1 RU 2017050129 W RU2017050129 W RU 2017050129W WO 2018190750 A1 WO2018190750 A1 WO 2018190750A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reinforcing fiber
plastic
print head
channel
heating unit
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/050129
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Андрей Валерьевич АЗАРОВ
Михаил Валерьевич ГОЛУБЕВ
Федор Константинович АНТОНОВ
Алексей Равкатович ХАЗИЕВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Анизопринт"
Priority to EP17905747.6A priority Critical patent/EP3611007A4/en
Priority to JP2020506701A priority patent/JP6902812B2/ja
Priority to CN201780090581.4A priority patent/CN111032314B/zh
Priority to US16/603,859 priority patent/US20200114578A1/en
Publication of WO2018190750A1 publication Critical patent/WO2018190750A1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/285—Feeding the extrusion material to the extruder
    • B29C48/288—Feeding the extrusion material to the extruder in solid form, e.g. powder or granules
    • B29C48/2886—Feeding the extrusion material to the extruder in solid form, e.g. powder or granules of fibrous, filamentary or filling materials, e.g. thin fibrous reinforcements or fillers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/30—Extrusion nozzles or dies
    • B29C48/32—Extrusion nozzles or dies with annular openings, e.g. for forming tubular articles
    • B29C48/34—Cross-head annular extrusion nozzles, i.e. for simultaneously receiving moulding material and the preform to be coated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
    • B29C48/06—Rod-shaped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/252—Drive or actuation means; Transmission means; Screw supporting means
    • B29C48/2528—Drive or actuation means for non-plasticising purposes, e.g. dosing unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/255—Flow control means, e.g. valves
    • B29C48/2556—Flow control means, e.g. valves provided in or in the proximity of dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/30—Extrusion nozzles or dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/92—Measuring, controlling or regulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/295—Heating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C2948/00—Indexing scheme relating to extrusion moulding
    • B29C2948/92—Measuring, controlling or regulating
    • B29C2948/92504—Controlled parameter
    • B29C2948/92704—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/336—Feeding of two or more materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to the field of additive technologies and can be used for the manufacture of parts and structures made of composite materials reinforced with continuous fibers, such as brackets, fittings, body elements, wearable products, mesh and honeycomb structures for use in aviation, rocket and space technology, medicine , automotive and other industries.
  • Composite fiber as a filler includes continuous or semi-continuous reinforcing fibers.
  • the matrix is a thermoplastic material in the solid state.
  • the composite fiber is introduced into the extruder by means of a feeding device, heated to a temperature higher than the melting temperature of the matrix material of the composite fiber and laid out on the table through the nozzle and melted to it, which makes it possible to form a part.
  • the printer may have a composite fiber trimming system located in the area between the feed device and the nozzle.
  • the described device can only be used if the composite fiber is impregnated with a thermoplastic matrix.
  • this approach has several drawbacks, in particular, it is difficult to ensure high-quality impregnation of the fiber bundle with thermoplastics, which is associated with the extremely high viscosity of their melts.
  • the resulting material may have high porosity and the fibers will not work together.
  • it is necessary to expose the material to high pressures (tens of atmospheres), however, in this case, fiber damage is possible and the internal structure of the material may be uneven.
  • a composite fiber impregnated with a thermosetting binder and previously cured can be used for printing. In this case, both the composite fiber and the thermoplastic, which will bind the fibers together when printing, should be fed into the extruder.
  • the objective of the claimed invention is the manufacture by three-dimensional printing of functional parts from composite materials with a complex shape and internal structure with high physical and mechanical characteristics, which involves: • the use of a wide range of reinforcing fibers - not only fibers impregnated with a thermoplastic polymer, but also fibers impregnated with a thermosetting polymer and cured, as well as metal wire;
  • the technical result is to increase the physico-mechanical characteristics of the products, reducing the weight of the products, reducing the cost of manufacturing products of complex shape from composite materials.
  • the print head for the additive production of products containing a feeder for plastic thread, a feeder for reinforcing fiber, a trimmer for reinforcing fiber, a feed tube for plastic thread, feed tubes for a reinforcing fiber and a heating unit the unit includes a heater, a thermocouple or thermistor, two input channels - a channel for a reinforcing fiber and a channel for a plastic thread, and a nozzle with an output channel for a grammed plastic, wherein a channel for the plastic filament is connected with a conduit for the reinforcing fibers inside the heating unit and the input channel for the reinforcing fiber is disposed coaxially with the outlet channel for reinforced plastic.
  • the plastic thread supply mechanism includes an electric drive and rollers driven by it, between which a plastic thread passes.
  • the feed mechanism of the reinforcing fiber includes an electric drive and rollers driven by it, between which the fiber passes.
  • the cutting mechanism of the reinforcing fiber located between the feeder of the reinforcing fiber and the heating unit, includes a fixed knife and a servo drive that drives the movable knife.
  • the trimming mechanism of the reinforcing fiber located between the feed mechanism of the reinforcing fiber and the heating unit, includes a servo drive, on the axis of which a movable knife is installed, which is a circular cylinder with a recess made to a depth exceeding half the diameter cylinder.
  • the fixed knife is a tube with two holes - an inlet, the diameter of which is 1-3 diameter of the fiber and an outlet of a larger diameter.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the outer diameter of the movable knife is equal to the inner diameter of the fixed knife and the movable knife is installed inside the fixed knife along a sliding fit.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the supply tube for a plastic thread connects the output of the feed mechanism of the plastic thread and the input channel of the heating unit, designed for plastic thread.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the feed tubes for the reinforcing fiber connect the output of the reinforcing fiber supply mechanism to the input of the reinforcing fiber trimming mechanism and the output of the reinforcing fiber trimming mechanism to the input channel of the heating unit for reinforced fiber.
  • the problem is also solved, and the technical result is achieved due to the print head for additive production of products containing a feed mechanism for the main plastic filament, a feed mechanism for additional plastic filament, a feed mechanism for reinforcing fiber, a trimmer mechanism for cutting reinforcing fiber, a feed tube for the main plastic thread, a feed tube for additional plastics, filaments, feed tubes for a reinforcing fiber and a heating unit, the heating unit including a heater, thermocouple or a thermistor, three input channels - a channel for reinforcing fiber, a channel for the main plastic thread and a channel for additional plastic thread, and two nozzles with output channels for reinforced plastic and pure plastic, while the channel for the main plastic thread is connected to the channel for the reinforcing fiber inside heating unit, and the input channel for the reinforcing fiber is aligned with the output channel for the reinforced plastic.
  • the heating unit including a heater, thermocouple or a thermistor, three input channels - a channel for reinforcing fiber
  • the feed mechanism of the main plastic thread includes an electric drive and rollers driven by it, between which the main plastic thread passes.
  • the feed mechanism of the additional plastic thread includes an electric drive and rollers driven by it, between which an additional plastic thread passes.
  • the feed mechanism of the reinforcing fiber includes an electric drive and rollers driven by it, between which the fiber passes.
  • the cutting mechanism of the reinforcing fiber located between the feed mechanism of the reinforcing fiber and a heating unit includes a fixed knife and a servo drive that drives the movable knife.
  • the trimming mechanism of the reinforcing fiber located between the feed mechanism of the reinforcing fiber and the heating unit, includes a servo drive, on the axis of which a movable knife is installed, which is a circular cylinder with a recess made to a depth exceeding half the diameter cylinder.
  • the fixed knife is a tube with two holes - an inlet, the diameter of which is 1-3 diameter of the fiber and an outlet of a larger diameter.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the outer diameter of the movable knife is equal to the inner diameter of the fixed knife and the movable knife is installed inside the fixed knife along a sliding fit.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the feed tube for the main plastic thread connects the output of the feed mechanism of the main plastic thread and the input channel of the heating unit, designed for the main plastic thread.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the feed tube for an additional plastic thread connects the output of the feed mechanism of the additional plastic thread and the input channel of the heating unit, designed for additional plastic thread.
  • the technical result is also achieved due to the fact that the feed tubes for the reinforcing fiber connect the output of the reinforcing fiber supply mechanism to the input of the reinforcing fiber trimming mechanism and the output of the reinforcing fiber trimming mechanism to the input channel of the heating unit for reinforced fiber.
  • the application describes a printhead and a process for producing composite materials (products) based on carbon fibers in combination with a thermoset and thermoplastic matrix.
  • the technical result is achieved due to the presence of trimming and feeding mechanisms of the reinforcing fiber, as well as feeding tubes, which allows the reinforcing fiber to be cut into printing process, feed the fiber into the heating block after trimming to resume printing, and also by adjusting the fiber feed speed during printing, control the tension of the reinforcing fiber, increasing it in straight sections of the path to increase the mechanical characteristics of the material and decreasing it in areas with large curvature, avoid slipping reinforcing fiber.
  • a print head circuit is shown in FIG. 1.
  • the heating block 1 there are two input channels - a channel for supplying a thermoplastic polymer 2, to which a thermoplastic polymer in the form of a filament 3 is fed, and a channel for supplying a reinforcing fiber 4, where a reinforcing fiber 5 is supplied.
  • a polymeric binder thermoplastic binder, or a cured thermosetting binder, for example, in the form of polyester, phenol-formaldehyde, urethane o, epoxy, organosilicon, polyimide or bismaleoid resins
  • thermoplastic yarn may be a yarn made of a thermoplastic material such as ABS, polylactide, polyamide, polyethylene terephthalate glycol, polyetherimide, polysulfone, polyether ether ketone or other thermoplastic material.
  • the thermoplastic polymer feed channel is connected to the reinforcing fiber feed channel, which allows the thermoplastic to cover the reinforcing fiber passing through the reinforcing fiber feed channel.
  • a nozzle 6 with an outlet channel for a reinforced thermoplastic polymer 7 is also installed in the heating block.
  • the outlet channel 7 is located coaxially with the inlet channel for the reinforcing fiber 4, which serves, firstly, to prevent bending and damage to the fibers inside the heating block, and secondly, to ensure the possibility of recharging the fiber after trimming and resuming the laying of reinforced thermoplastic.
  • the input channel should have a diameter exceeding the diameter of the reinforcing fiber by no more than 1.5-2 times to minimize the yield of molten thermoplastics when printing through the channel for feeding the reinforcing fiber.
  • the heating unit is equipped with a heater 8 and a temperature sensor 9 (thermocouple and thermistor).
  • thermoplastic filament is supplied to the heating unit by means of the thermoplastic filament feeding mechanism 10, consisting of an electric drive (for example, a stepper motor or a servo drive) and rollers. At least one roller is driving and driven by a rotating shaft of the electric drive.
  • the drive roller has notches that allow filament feed from a thermoplastic polymer without slipping.
  • the driven roller may or may not have them.
  • the rollers are mechanically pressed against a thermoplastic thread to prevent slipping, for example, using a spring. Is possible design using two drive rollers connected by a mechanical transmission.
  • the reinforcing fiber is supplied to the heating unit by means of a reinforcing fiber supply mechanism 1 1, consisting of an electric drive (for example, a stepper motor or a servo drive) and rollers. At least one roller is driving and driven by a rotating shaft of the electric drive. At least one of the rollers, preferably driven, has a rubber coating in order to prevent excessive compression and damage to the reinforcing fiber.
  • the rollers are mechanically pressed against the reinforcing fiber to prevent it from slipping, for example, using a spring. A design using two drive rollers connected by a mechanical transmission is possible.
  • a reinforcing fiber trimming mechanism is located, consisting of a drive 12, for example, a servo drive with a reducer, connected by a mechanical transmission to a movable knife 13 and a fixed knife 14.
  • the servo drive must provide a force sufficient to trim the fiber.
  • the magnitude of the force depends on the type (carbon, glass, organic) and the linear density of the fiber. For example, to cut carbon fiber with a linear density of 66 tex, a force of at least UN is required, a density of 200 tex is not less than 17 N.
  • the knives are made of materials with high hardness, such as steel or ceramic.
  • the trimming mechanism of the reinforcing fiber should be located in the immediate vicinity of the heating block, at a distance of up to 300 mm, because with an increase in this distance, the minimum length of a continuous section of a reinforced thermoplastic laid on a working surface increases.
  • a trimming mechanism in which a movable knife 13 is mounted on the axis of the servo drive, which is a circular cylinder with a recess made to a depth exceeding the radius of the cylinder.
  • the fixed knife 14 is a tube with two holes - an inlet, the diameter of which is 1-3 diameter of the fiber and an outlet of a larger diameter.
  • the outer diameter of the movable knife is equal to the inner diameter of the fixed knife and the movable knife is installed inside the fixed knife along the sliding fit.
  • the fiber passes through the inlet of the fixed knife, the undercut of the movable knife and the outlet of the fixed knife.
  • the servo rotates the movable knife and the fiber is cut between the edge of the undercut of the movable knife and the edge of the inlet of the fixed knife. After trimming, the servo returns the movable knife to the neutral position.
  • the feed mechanism of the thermoplastic yarn 10 and the feed mechanism of the reinforcing fiber 11 can be located both close to the trim mechanism of the reinforcing fiber and the heating unit, and at a distance of up to 2 m.
  • the thermoplastic thread from the output of the feed mechanism to the input channel of the heating unit is fed through the supply tube 15 and the thermal barrier 17 connected by the fitting 16.
  • the feed tube is made of a material with a low coefficient of friction, for example, fluoroplastic.
  • the thermal barrier is made of a material with relatively low thermal conductivity, such as steel, and serves to prevent heat removal from the heating block to the fitting and tube. To increase its efficiency, the thermal barrier can be additionally cooled using a fan 20 and / or a radiator. Reinforcing fiber from the output of the feed mechanism to the input of the trim mechanism of the reinforcing fiber is fed inside the tube 18, and from the output of the trim mechanism to the input channel of the heating unit using the tube 19.
  • an additional thermoplastic thread 21 can be fed into the print head.
  • a feed mechanism is present in the design of the print head additional plastic filament 22, in the heating block 1 there is an opening 23 in which a nozzle for printing with thermoplastic 24 is installed.
  • the feed mechanism of the additional thermoplastic the filament 22 and the nozzle 24 are connected by a feed tube 25 and a thermal barrier 26 in the same way as the main thermoplastic filament 3 is fed.
  • the design allows the heating unit 1 and the nozzle 24 to be displaced relative to each other vertically.
  • the fixing of the parts with each other can be carried out, for example, using the set screws 27.
  • the print head is mounted on a manipulator with three or more degrees of freedom (for example, a portal three-axis manipulator or six-axis robot).
  • the printing process is as follows.
  • the heating unit 1 by means of a heater 8 is heated to a temperature exceeding the melting temperature of the thermoplastic filament and, if a reinforcing fiber impregnated with a thermosetting binder and cured is used, the glass transition temperature of the thermosetting binder reinforcing fiber.
  • the temperature is maintained constant by means of a feedback control system carried out by means of a temperature sensor 9.
  • the print head mounted on the manipulator moves along a predetermined path at a certain distance from the surface corresponding to the layer thickness (for example, 0.05-0.5 mm).
  • electric feed mechanisms for the commands from the control system turn the rollers, feeding the thermoplastic thread and / or reinforcing fiber into the heating block.
  • the drives are fed by the thermoplastic filament feed mechanism 10 and the reinforcing fiber feed mechanism 1 1.
  • the tension can be controlled.
  • the tension can be increased when the print head moves relative to the printer platform in a straight line to increase the mechanical characteristics of the material and reduced when the print head moves in an arc to prevent the reinforcing fiber from sliding off the stacking path.
  • the exit of the nozzle 7 can be blown by supplying cold air to it, for example, by means of a fan.
  • the feed is driven by the feed mechanism of the additional thermoplastic yarn 22.
  • the reinforcing fiber is trimmed.
  • the control system in advance, taking into account the distance between the cutting point and the nozzle cut, stops the movement of the print head and the supply of reinforcing fiber and plastic and gives a command to the drive 12 of the cutting mechanism of the reinforcing fiber.
  • the drive of the trimming mechanism is rotated, the movable knife is shifted relative to the stationary one and cuts off the reinforcing fiber passing between the working surfaces of the knives.
  • the heating head of the print head has two input channels - a channel for reinforcing fiber and a channel for thermoplastic filament, which is connected to a channel for supplying reinforcing fibers, which allows printing using reinforcing fibers that are not fused to each other and can only be connected using intermediate layer of thermoplastic.
  • Such fibers include, for example, composite fibers impregnated with a thermosetting binder and cured. These fibers have low porosity and, accordingly, high physical and mechanical characteristics. Also, these fibers have a lower cost compared to fibers impregnated with a thermoplastic polymer, because their manufacturing process is simpler. Thus, the mechanical characteristics of the product are increased and its cost is reduced. Also, this design of the heating unit allows, by changing the feed rate thermoplastic filament, vary the volume fraction of reinforcing fibers during the printing process, reducing the weight of the product.
  • the input channel of the heating block for the reinforced fiber is located coaxially with the output channel for the reinforced thermoplastic, which minimizes damage to the reinforcing fiber due to kinks in the printing process (which increases the mechanical characteristics of the products) and allows the reinforcing fiber to be fed into the heating block after cutting to resume printing without jamming (which makes it possible to produce optimized parts of complex shape, reducing the weight of the product).
  • the feed mechanism of the reinforcing fiber allows you to control the feed rate and vary the tension force of the fiber. Increasing the tension of the fiber by feeding it to the heating unit at a reduced speed is used on straight sections of the trajectory and increases the physicomechanical characteristics of the product. Reducing the tension of the reinforcing fiber by feeding it to the heating unit with increased speed allows you to lay the fiber along a complex path with small radii of curvature without creeping the reinforcing fiber, which allows you to produce optimized parts of complex shape, reducing the weight of the product;
  • the feed mechanism of the plastic thread allows you to control the feed rate by changing the volume fraction of reinforcing fibers in the material, which allows you to produce optimized parts of complex shape, reducing the weight of the product;
  • the trimming mechanism of the reinforcing fiber allows the trimming of the fiber during printing, which makes it possible to produce optimized parts of complex shape, reducing the weight of the product.
  • thermoplastic reinforced with continuous fibers but also pure thermoplastic (or thermoplastic reinforced with discrete fibers), which extends the possibilities of a print head for manufacturing optimized parts of complex shape, reducing the weight of the product.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами. Техническим результатом является повышение физико-механических характеристики и снижение массы изделия сложной формы из композитных материалов. Технический результат достигается печатающей головкой, содержащей механизм подачи пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для пластиковой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок. При этом нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, два входных канала -канал для армирующего волокна и канал для пластиковой нити, и сопло с выходным каналом для армированного пластика. Причем канал для пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика.

Description

Печатающая головка для аддитивного производства изделий
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами, таких как кронштейны, фитинги, корпусные элементы, носимые изделия, сетчатые и сотовые конструкции для применения в авиационной, ракетно-космической технике, медицине, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Уровень техники
Известны устройства Зй-печати с использованием композитного волокна. Аналоги описаны в заявках компании MarkForged (США):
[1 ] US20140291886 - Three dimensonal printing (Трехмерная печать), опубликованная 02.10.2014.
[2] US20140328963 - Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing (Аппарат для аддитивного производства изделий, армированных волокнами), опубликованная 06.1 1 .2014.
[3] US20140328964 - Three dimensional printing (Трехмерная печать), опубликованная 06.1 1 .2014.
[4] US20140361460 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), опубликована 1 1 .12.2014.
[5] US20150108677 - Three dimensional printer with composite filament fabrication (Трехмерный принтер с печатью композитным волокном), опубликованная 23.04.2015.
[6] US20150165691 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), опубликованная 18.06.2015.
[7] US2016200047 (US9156205В2) - Three dimensional printer with composite filament fabrication (Трехмерный принтер с печатью композитным волокном), опубликованная 14.07.2016.
[8] US2016368213 (US9370896B2) - Methods for fiber reinforced additive manufacturing
(Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), опубликованная 22.12.2016.
[9] US2016129643 (US9149988B2) - Three dimensonal printing (Трехмерная печать), опубликованная 12.05.2016.
[10] US 2016067928 - Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing (Конструкция армированного многослойного материала для ЗД печати), опубликована 10.03.2016. [1 1 ] US 2016107379 - Composite filament 3d printing using complementary reinforcement formations (ЗД печать с использованием композитного волокна армированного волокнами), опубликованная 21 .04.2016.
В заявках описаны способ и реализующий его ЗО-принтер специальной конструкции для печати с использованием композитного волокна. В композитное волокно в качестве наполнителя входят непрерывные или полунепрерывные армирующие волокна. Матрица представляет собой термопластичный материал в твердом состоянии. Композитное волокно при помощи подающего устройство вводится в экструдер, разогретый до температуры, превышающей температуру плавления матричного материала композитного волокна и через сопло выкладывается на стол и приплавляется к нему, что позволяет сформировать деталь. В принтере может быть предусмотрена система обрезки композитного волокна, располагающаяся в зоне между подающим устройством и соплом.
Описанное устройство может применяться только в случае, если композитное волокно пропитано термопластичной матрицей. Однако, такой подход обладает рядом недостатков, в частности, сложно обеспечить качественную пропитку пучка волокон термопластами, что связано с крайне высокой вязкостью их расплавов. Получаемый материал может обладать высокой пористостью и волокна не будут работать совместно. Для того, чтобы реализовать качественную пропитку, необходимо подвергать материал воздействию высоких давлений (десятки атмосфер), однако в этом случае возможно повреждение волокон и внутренняя структура материала может быть неравномерной. Для того, что избежать сложностей, связанных с пропиткой пучка волокон термопластом, при печати может быть использовано композитное волокно, пропитанное термореактивным связующим и предварительно отвержденное. В этом случае, в экструдер должно подаваться как композитное волокно, так и термопласт, который свяжет волокна между собой при печати.
Также, в описанной в приведенных ранее заявках конструкции предусмотрен только один канал для подачи композитного волокна с заданным объемным соотношением армирующих волокон и пластика, что не позволяет варьировать объемную долю волокон в процессе печати.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является изготовление методом трехмерной печати функциональных деталей из композитных материалов со сложной формой и внутренней структурой, обладающих высокими физико-механическими характеристиками, что предполагает: • использование широкого спектра армирующих волокон - не только волокон, пропитанных термопластичным полимером, но и волокон, пропитанных термореактивным полимером и отвержденных, а также металлической проволоки;
• изменение объемной доли армирующих волокон в процессе выкладки армированного термопласта;
• укладку волокон по сложным криволинейным траекториям;
• обрезку армирующего волокна и изготовления деталей с армированными и неармированными зонами.
Техническим результатом является повышение физико-механических характеристик изделий, снижение массы изделий, снижение затрат на изготовление изделий сложной формы из композитных материалов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет печатающей головки для аддитивного производства изделий, содержащей механизм подачи пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для пластиковой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок, причем нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, два входных канала - канал для армирующего волокна и канал для пластиковой нити, и сопло с выходным каналом для армированного пластика, при этом канал для пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм подачи пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит пластиковая нить.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм подачи армирующего волокна включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит волокно.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя неподвижный нож и сервопривод, который приводит в движение подвижный нож.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя сервопривод, на ось которого установлен подвижный нож, представляющий собой круговой цилиндр с выточкой, выполненной на глубину, превышающую половину диаметра цилиндра. Технический результат также достигается за счет того, что неподвижный нож представляет собой трубку с двумя отверстиями - входным отверстием, диаметр которого составляет 1 -3 диаметра волокна и выходным отверстием большего диаметра.
Технический результат также достигается за счет того, что внешний диаметр подвижного ножа равен внутреннему диаметру неподвижного ножа и подвижный нож установлен внутрь неподвижного ножа по скользящей посадке.
Технический результат также достигается за счет того, что подающая трубка для пластиковой нити соединяет выход механизма подачи пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для пластиковой нити.
Технический результат также достигается за счет того, что подающие трубки для армирующего волокна соединяют выход механизма подачи армирующего волокна с входом механизма обрезки армирующего волокна и выход механизма обрезки армирующего волокна с входным каналом нагревательного блока, предназначенным для армированного волокна.
Поставленная задача также решается, а технический результат достигается за счет печатающей головки для аддитивного производства изделий, содержащей механизм подачи основной пластиковой нити, механизм подачи дополнительной пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для основной пластикой нити, подающую трубку для дополнительной пластикой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок, причем нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, три входных канала - канал для армирующего волокна, канал для основной пластиковой нити и канал для дополнительной пластиковой нити, и два сопла с выходными каналами для армированного пластика и чистого пластика, при этом канал для основной пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм подачи основной пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит основная пластиковая нить.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм подачи дополнительной пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит дополнительная пластиковая нить.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм подачи армирующего волокна включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит волокно.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя неподвижный нож и сервопривод, который приводит в движение подвижный нож.
Технический результат также достигается за счет того, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя сервопривод, на ось которого установлен подвижный нож, представляющий собой круговой цилиндр с выточкой, выполненной на глубину, превышающую половину диаметра цилиндра.
Технический результат также достигается за счет того, что неподвижный нож представляет собой трубку с двумя отверстиями - входным отверстием, диаметр которого составляет 1 -3 диаметра волокна и выходным отверстием большего диаметра.
Технический результат также достигается за счет того, что внешний диаметр подвижного ножа равен внутреннему диаметру неподвижного ножа и подвижный нож установлен внутрь неподвижного ножа по скользящей посадке.
Технический результат также достигается за счет того, что подающая трубка для основной пластиковой нити соединяет выход механизма подачи основной пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для основной пластиковой нити.
Технический результат также достигается за счет того, что подающая трубка для дополнительной пластиковой нити соединяет выход механизма подачи дополнительной пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для дополнительной пластиковой нити.
Технический результат также достигается за счет того, что подающие трубки для армирующего волокна соединяют выход механизма подачи армирующего волокна с входом механизма обрезки армирующего волокна и выход механизма обрезки армирующего волокна с входным каналом нагревательного блока, предназначенным для армированного волокна.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Печатающая головка.
На фигуре обозначены следующие позиции:
1 - нагревательный блок;
2 - канал подачи термопластичного полимера;
3 - пластиковая нить из термопластичного полимера;
4 - канал подачи армирующего волокна;
5- армирующее волокно;
6 - сопло;
7- канал для выкладки армированного термопластичного полимера ;
8 - нагреватель; 9 - терморезистор или термопара;
10 - механизм подачи пластиковой нити;
11 - механизм подачи армирующего волокна;
12 - привод механизма обрезки армирующего волокна;
13 - подвижный нож;
14 - неподвижный нож;
15 - трубка подачи пластиковой нити;
16 - фитинг для трубки подачи;
17- термобарьер;
18 - трубка подачи армирующего волокна от механизма подачи в механизм обрезки;
19 - трубка подачи армирующего волокна от механизма обрезки в нагревательный блок;
20 - вентилятор;
21 - дополнительная пластиковая нить из термопластичного полимера;
22 - механизм подачи дополнительной пластиковой нити;
23 - канал для подачи дополнительной пластиковой нити;
24 - сопло для выкладки термопластичного полимера;
25 - трубка подачи дополнительной пластиковой нити;
26 - термобарьер дополнительной пластиковой нити
27 - установочный винт
Осуществление изобретения
В заявке описывается печатающая головка и процесс получения композитных материалов (изделий) на основе углеродных волокон в сочетании с термореактивной и термопластичной матрицей.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в нагревательный блок печатающей головки армирующее волокно и пластиковая нить подаются через два отдельных канала. Таким образом, можно использовать различные виды армирующих волокон, а также, изменяя скорости подачи пластиковой нити в процессе печати, можно регулировать объемное содержание волокон в пластике, в отличие от приведенных ранее аналогах, в котором объемное содержание волокон задается на этапе изготовления композитного волокна. Это позволяет решить задачу по созданию деталей из композитных материалов со сложной внутренней структурой. К конструкциям, которые возможно изготовить таким образом, относятся, например, сетчатые композитные конструкции и другие виды конструкций. Также технический результат достигается за счет наличия механизмов обрезки и подачи армирующего волокна, а также подающих трубок, что позволяет обрезать армирующее волокно в процессе печати, подавать волокно в нагревательный блок после обрезки для возобновления печати, а также регулируя скорость подачи волокна в процессе печати, управлять натяжением армирующего волокна, увеличивая его на прямых участках траектории для повышения механических характеристик материала и уменьшая его на участках с большой кривизной, чтобы избежать сползания армирующего волокна.
Схема печатающей головки изображена на Фиг. 1. В нагревательном блоке 1 имеются два входных канала - канал для подачи термопластичного полимера 2, куда подается термопластичный полимер в виде нити 3, и канал для подачи армирующего волокна 4, куда подается армирующее волокно 5. В качестве армирующего волокна может использоваться композитное волокно из углеродного, стеклянного, органического или комбинированного жгута, пропитанного полимерным связующим (термопластичным связующим, либо отвержденным термореактивным связующим, например, в виде полиэфирных, фенолформальдегидных, уретановых, эпоксидных, кремнийорганических, полиимидных или бисмалеидных смол) либо металлическая проволока. В качестве термопластичной нити может выступать нить из термопластичного материала, такого как АБС, полилактид, полиамид, полиэтилентерефталат-гликоль, полиэфиримид, полисульфон, полиэфирэфиркетон или другого термопластичного материала. Канал для подачи термопластичного полимера соединяется с каналом для подачи армирующего волокна, что позволяет термопласту покрывать армирующее волокно, проходящее через канал подачи армирующего волокна. Также в нагревательный блок устанавливается сопло 6 с выходным каналом для армированного термопластичного полимера 7. Выходной канал 7 расположен соосно со входным каналом для армирующего волокна 4, что служит, во-первых, для предотвращения изгибов и повреждений волокна внутри нагревательного блока, во-вторых, для обеспечения возможности перезарядки волокна после обрезки и возобновления выкладки армированного термопласта. Входной канал должен иметь диаметр, превышающий диаметр армирующего волокна не более, чем в 1 ,5-2 раза для минимизации выхода расплава термопласта при печати через канал для подачи армирующего волокна. Нагревательный блок снабжен нагревателем 8 и датчиком температуры 9 (термопарой и терморезистором).
Подача термопластичной нити в нагревательный блок осуществляется при помощи механизма подачи термопластичной нити 10, состоящего из электропривода (например, шагового двигателя или сервопривода) и роликов. По крайней мере один ролик является ведущим и приводится в движение вращающимся валом электропривода. Ведущий ролик имеет насечки, позволяющие осуществлять подачу нити из термопластичного полимера без проскальзывания. Ведомый ролик может как иметь насечки, так и не иметь их. Ролики механически прижимаются к термопластичной нити для исключения ее проскальзывания, например, при помощи пружины. Возможна конструкция с использованием двух ведущих роликов, соединенных механической передачей.
Подача армирующего волокна в нагревательный блок осуществляется при помощи механизма подачи армирующего волокна 1 1 , состоящего из электропривода (например, шагового двигателя или сервопривода) и роликов. По крайней мере один ролик является ведущим и приводится в движение вращающимся валом электропривода. По крайней мере один из роликов, предпочтительно, ведомый, имеет резиновое покрытие для того, чтобы исключить чрезмерное сдавливание и повреждение армирующего волокна. Ролики механически прижимаются к армирующему волокну для исключения его проскальзывания, например, при помощи пружины. Возможна конструкция с использованием двух ведущих роликов, соединенных механической передачей.
Между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком расположен механизм обрезки армирующего волокна, состоящий из привода 12, например, сервопривода с редуктором, соединенного при помощи механической передачи с подвижным ножом 13 и неподвижного ножа 14. Сервопривод должен обеспечивать усилие, достаточное для обрезки волокна. Величина усилия зависит от вида (углеродное, стеклянное, органическое) и линейной плотности волокна. Например, для обрезки углеродного волокна с линейной плотностью 66 текс необходимо усилие не менее ЮН, плотностью 200 текс - не менее 17 Н. Ножи изготавливаются из материалов с высокой твердостью, например, стали или керамики. Механизм обрезки армирующего волокна должен располагаться в непосредственной близости от нагревательного блока, на расстоянии до 300 мм, т.к. с увеличением данного расстояния возрастает минимальная длина непрерывного участка армированного термопласта, укладываемого на рабочую поверхность.
Возможна реализация механизма обрезки, в котором на ось сервопривода установлен подвижный нож 13, представляющий собой круговой цилиндр с выточкой, выполненной на глубину, превышающую радиус цилиндра. Неподвижный нож 14 представляет собой трубку с двумя отверстиями - входным отверстием, диаметр которого составляет 1 -3 диаметра волокна и выходным отверстием большего диаметра. Внешний диаметр подвижного ножа равен внутреннему диаметру неподвижного ножа и подвижный нож установлен внутрь неподвижного ножа по скользящей посадке. В процессе печати волокно проходит через входное отверстие неподвижного ножа, выточку подвижного ножа и выходное отверстие неподвижного ножа. При обрезке сервопривод поворачивает подвижный нож и волокно срезается между кромкой выточки подвижного ножа и кромкой входного отверстия неподвижного ножа. После обрезки сервопривод возвращает подвижный нож в нейтральное положение.
Механизм подачи термопластичной нити 10 и механизм подачи армирующего волокна 11 могут располагаться как вблизи механизма обрезки армирующего волокна и нагревательного блока, так и на удалении до 2 м. Термопластичная нить от выхода механизма подачи до входного канала нагревательного блока подается через подающую трубку 15 и термобарьер 17, соединенные фитингом 16. Подающая трубка изготавливается из материала с низким коэффициентом трения, например, фторопласта. Термобарьер изготавливается из материала со сравнительно небольшой теплопроводностью, например, стали и служит для предотвращения теплоотвода от нагревательного блока к фитингу и трубке. Для увеличения его эффективности, термобарьер может дополнительно охлаждаться при помощи вентилятора 20 и/или радиатора. Армирующее волокно от выхода механизма подачи до входа механизма обрезки армирующего волокна подается внутри трубки 18, а от выхода механизма обрезки до входного канала нагревательного блока - при помощи трубки 19.
Для того, чтобы печатающая головка обладала возможностью укладки не только термопласта, армированного непрерывными волокнами, но и чистого термопласта (либо термопласта, армированного дискретными волокнами), в печатающую головку может подаваться дополнительная термопластичная нить 21. В этом случае в конструкции печатной головки присутствует механизм подачи дополнительной пластиковой нити 22, в нагревательном блоке 1 имеется отверстие 23, в которое устанавливается сопло для печати термопластом 24. Механизм подачи дополнительной термопластичной нити 22 и сопло 24 соединяются подающей трубкой 25 и термобарьером 26 аналогично тому, как производится подача основной термопластичной нити 3. Для того, чтобы выходные отверстия сопел 6 и 24 располагались на одном уровне в конструкции предусмотрена возможность смещения нагревательного блока 1 и сопла 24 друг относительно друга по вертикали. Фиксация деталей между собой при этом может осуществляться, например, при помощи установочных винтов 27.
Печатающая головка устанавливается на манипулятор с тремя и более степенями свободы (например, портальный трехкоординатный манипулятор или шестикоординатный робот).
Процесс печати происходит следующим образом. Нагревательный блок 1 при помощи нагревателя 8 нагревается до температуры, превышающей температуру плавления термопластичной нити а также, в случае, если используется армирующее волокно, пропитанное термореактивным связующим и отвержденное, температуру стеклования термореактивного связующего армирующего волокна. Температура поддерживается постоянной при помощи системы управления с обратной связью, осуществляемой при помощи датчика температуры 9.
Печатная головка, установленная на манипуляторе, двигается по заданной траектории на некотором расстоянии от поверхности, соответствующем толщине слоя (например, 0,05-0,5 мм). Одновременно с этим электроприводы механизмов подачи по командам от системы управления поворачивают ролики, подавая термопластичную нить и/или армирующее волокно в нагревательный блок.
В случае, если осуществляется печать армированным термопластом, подачу осуществляют приводы механизма подачи термопластичной нити 10 и механизма подачи армирующего волокна 1 1. Регулируя скорость подачи армирующего волокна при печати можно управлять его натяжением. Натяжение можно увеличивать, когда печатающая головка двигается относительно платформы принтера по прямой для увеличения механических характеристик материала и уменьшать, когда печатающая головка двигается по дуге во избежание сползания армирующего волокна с траектории укладки. Дополнительно для предотвращения сползания армирующего волокна выход из сопла 7 может обдуваться при помощи подачи к нему холодного воздуха, например, при помощи вентилятора. Регулируя скорость подачи пластиковой нити при печати можно управлять объемной долей армирующих волокон в получаемом композитном материале.
В случае, если осуществляется печать чистым термопластом, подачу осуществляет привод механизма подачи дополнительной термопластичной нити 22.
При необходимости перехода от печати армированным термопластом к печати чистым термопластом или при переходе от одной части детали к другой при печати армированным термопластом, осуществляется обрезка армирующего волокна. При этом система управления заблаговременно, с учетом расстояния между точкой обрезки и срезом сопла, останавливает перемещение печатной головки и подачу армирующего волокна и пластика и отдает команду приводу 12 механизма обрезки армирующего волокна. Привод механизма обрезки поворачивается, подвижный нож смещается относительно неподвижного и срезает армирующее волокно, проходящее между рабочими поверхностями ножей.
Причинно-следственная связь между существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем:
1 . Нагревательный блок печатной головки имеет два входных канала - канал для армирующего волокна и канал для термопластичной нити, который соединяется с каналом для подачи армирующего волокна, что позволяет осуществлять печать с использованием армирующих волокон, которые не сплавляются друг с другом и могут быть соединены только при помощи промежуточного слоя термопласта. К таким волокнам относятся, например, композитные волокна, пропитанные термореактивным связующим и отвержденные. Данные волокна обладают низкой пористостью и, соответственно, высокими физико-механическими характеристиками. Также данные волокна обладают более низкой стоимостью, по сравнению с волокнами, пропитанными термопластичным полимером, т.к. процесс их изготовления более прост. Таким образом, повышаются механические характеристики изделия и снижается его стоимость. Также такая конструкция нагревательного блока позволяет, изменяя скорость подачи термопластичной нити, варьировать объемную долю армирующих волокон в процессе печати, снижая массу изделия.
2. Входной канал нагревательного блока для армированного волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного термопласта, что минимизирует повреждение армирующего волокна из-за перегибов в процессе печати (что повышает механические характеристики изделий) и позволяет осуществлять подачу в нагревательный блок армирующего волокна после обрезки для возобновления печати без его застревания (что позволяет изготавливать оптимизированные детали сложной формы, снижая массу изделия).
3. Механизм подачи армирующего волокна позволяет управлять скоростью его подачи и варьировать усилие натяжения волокна. Повышение натяжения волокна за счет подачи его в нагревательный блок с пониженной скоростью применяется на прямолинейных участках траектории и повышает физико-механические характеристики изделия. Снижение натяжения армирующего волокна за счет его подачи в нагревательный блок с повышенной скоростью позволяет укладывать волокно по сложной траектории с малыми радиусами кривизны без сползания армирующего волокна, что что позволяет изготавливать оптимизированные детали сложной формы, снижая массу изделия;
4. Механизм подачи пластиковой нити позволяет управлять скоростью ее подачи, изменяя объемную долю армирующих волокон в материале, что позволяет изготавливать оптимизированные детали сложной формы, снижая массу изделия;
5. Механизм обрезки армирующего волокна позволяет осуществлять обрезку волокна в процессе печати, что позволяет изготавливать оптимизированные детали сложной формы, снижая массу изделия.
6. Дополнительный канал в нагревательном блоке, механизм подачи дополнительной пластиковой нити, сопло для печати чистым пластиком позволяют укладывать не только термопласт, армированный непрерывными волокнами, но и чистый термопласт (либо термопласт, армированного дискретными волокнами), что расширяет возможности печатной головки по изготовлению оптимизированных деталей сложной формы, снижая массу изделия.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1 . Печатающая головка, содержащая механизм подачи пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для пластиковой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок, отличающийся тем, что нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, два входных канала - канал для армирующего волокна и канал для пластиковой нити, и сопло с выходным каналом для армированного пластика, при этом канал для пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика.
2. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что механизм подачи пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит пластиковая нить.
3. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что механизм подачи армирующего волокна включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит волокно.
4. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя неподвижный нож и сервопривод, который приводит в движение подвижный нож.
5. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя сервопривод, на ось которого установлен подвижный нож, представляющий собой круговой цилиндр с выточкой, выполненной на глубину, превышающую половину диаметра цилиндра.
6. Печатающая головка по п. 4 или п. 5, отличающаяся тем, что неподвижный нож представляет собой трубку с двумя отверстиями - входным отверстием, диаметр которого составляет 1 -3 диаметра волокна и выходным отверстием большего диаметра.
7. Печатающая головка по п. 4 или п. 5, отличающаяся тем, что внешний диаметр подвижного ножа равен внутреннему диаметру неподвижного ножа и подвижный нож установлен внутрь неподвижного ножа по скользящей посадке.
8. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что подающая трубка для пластиковой нити соединяет выход механизма подачи пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для пластиковой нити.
9. Печатающая головка по п. 1 , отличающаяся тем, что подающие трубки для армирующего волокна соединяют выход механизма подачи армирующего волокна с входом механизма обрезки армирующего волокна и выход механизма обрезки армирующего волокна с входным каналом нагревательного блока, предназначенным для армированного волокна.
10. Печатающая головка, содержащая механизм подачи основной пластиковой нити, механизм подачи дополнительной пластиковой нити, механизм подачи армирующего волокна, механизм обрезки армирующего волокна, подающую трубку для основной пластикой нити, подающую трубку для дополнительной пластикой нити, подающие трубки для армирующего волокна и нагревательный блок, отличающийся тем, что нагревательный блок включает нагреватель, термопару или термистор, три входных канала - канал для армирующего волокна, канал для основной пластиковой нити и канал для дополнительной пластиковой нити, и два сопла с выходными каналами для армированного пластика и чистого пластика, при этом канал для основной пластиковой нити соединен с каналом для армирующего волокна внутри нагревательного блока, а входной канал для армирующего волокна расположен соосно с выходным каналом для армированного пластика.
1 1 . Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что механизм подачи основной пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит основная пластиковая нить.
12. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что механизм подачи дополнительной пластиковой нити включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит дополнительная пластиковая нить.
13. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что механизм подачи армирующего волокна включает в себя электропривод и приводимые им в движение ролики, между которыми проходит волокно.
14. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя неподвижный нож и сервопривод, который приводит в движение подвижный нож.
15. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что механизм обрезки армирующего волокна, расположенный между механизмом подачи армирующего волокна и нагревательным блоком, включает в себя сервопривод, на ось которого установлен подвижный нож, представляющий собой круговой цилиндр с выточкой, выполненной на глубину, превышающую половину диаметра цилиндра.
16. Печатающая головка по п. 14 или п.15, отличающаяся тем, что неподвижный нож представляет собой трубку с двумя отверстиями - входным отверстием, диаметр которого составляет 1 -3 диаметра волокна и выходным отверстием большего диаметра.
17. Печатающая головка по п. 14 или п. 15, отличающаяся тем, что внешний диаметр подвижного ножа равен внутреннему диаметру неподвижного ножа и подвижный нож установлен внутрь неподвижного ножа по скользящей посадке.
18. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что подающая трубка для основной пластиковой нити соединяет выход механизма подачи основной пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для основной пластиковой нити.
19. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что подающая трубка для дополнительной пластиковой нити соединяет выход механизма подачи дополнительной пластиковой нити и входной канал нагревательного блока, предназначенный для дополнительной пластиковой нити.
20. Печатающая головка по п. 10, отличающаяся тем, что подающие трубки для армирующего волокна соединяют выход механизма подачи армирующего волокна с входом механизма обрезки армирующего волокна и выход механизма обрезки армирующего волокна с входным каналом нагревательного блока, предназначенным для армированного волокна.
PCT/RU2017/050129 2017-04-10 2017-12-20 Печатающая головка для аддитивного производства изделий WO2018190750A1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17905747.6A EP3611007A4 (en) 2017-04-10 2017-12-20 PRINT HEAD FOR THE GENERATIVE PRODUCTION OF ARTICLES
JP2020506701A JP6902812B2 (ja) 2017-04-10 2017-12-20 物品の付加製造用プリントヘッド
CN201780090581.4A CN111032314B (zh) 2017-04-10 2017-12-20 用于增材制造物品的打印头
US16/603,859 US20200114578A1 (en) 2017-04-10 2017-12-20 Print head for additive manufacturing of articles

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111944A RU2662015C1 (ru) 2017-04-10 2017-04-10 Печатающая головка для аддитивного производства изделий
RU2017111944 2017-04-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018190750A1 true WO2018190750A1 (ru) 2018-10-18

Family

ID=62981671

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/050129 WO2018190750A1 (ru) 2017-04-10 2017-12-20 Печатающая головка для аддитивного производства изделий

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20200114578A1 (ru)
EP (1) EP3611007A4 (ru)
JP (1) JP6902812B2 (ru)
CN (1) CN111032314B (ru)
RU (1) RU2662015C1 (ru)
WO (1) WO2018190750A1 (ru)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10730236B2 (en) 2017-08-02 2020-08-04 Ethicon Llc System and method for additive manufacture of medical devices
RU191409U1 (ru) * 2019-05-22 2019-08-05 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Устройство укладки бетонной смеси методом аддитивной печати
RU193256U1 (ru) * 2019-06-04 2019-10-21 Общество с ограниченной ответственностью "Карфидов Лаб" Устройство локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве
RU196751U1 (ru) * 2019-12-04 2020-03-13 Акционерное общество "ОДК-Авиадвигатель" Печатающая головка
CN111688193B (zh) * 2020-06-13 2021-05-14 西安交通大学 可控偏置连续纤维增强复合材料的直写3d打印装置及方法
JP2022131036A (ja) * 2021-02-26 2022-09-07 セイコーエプソン株式会社 三次元造形物の製造方法、および、三次元造形装置
EP4112274A1 (de) 2021-07-01 2023-01-04 Technische Universität Berlin Druckkopfaufbau für die additive fertigung mit endlosen fasern und thermoplastischer matrixwerkstoffe zum schneiden im heissen bereich des druckkopfes mittels einer axial- oder drehbewegung
CN113601836B (zh) * 2021-07-22 2022-02-11 浙江大学 机器人辅助大尺度纤维增强异质多材料原位增材制造系统
CN113619106B (zh) * 2021-07-22 2022-03-25 浙江大学 连续纤维增强高性能树脂复合材料原位增材制造设备
CN113619116B (zh) * 2021-09-14 2023-02-28 深圳市赛柏敦自动化设备有限公司 一种碳纤维3d打印铺放机
CN113927892B (zh) * 2021-10-25 2022-08-23 华中科技大学 一种连续碳纤维3d打印装置、控制系统及控制方法
CN114261090A (zh) * 2021-12-17 2022-04-01 华中科技大学 一种基于熔融沉积成型方法的连续纤维增材制造喷头
CN114290679B (zh) * 2021-12-30 2023-10-03 浙江闪铸集团有限公司 一种3d打印机进丝结构及其调试方法
CN115195128A (zh) * 2022-07-19 2022-10-18 中南大学 连续纤维增强结构的3d打印方法及设备

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005098498A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-20 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method and device for coating plastic optical fiber with resin
US20140291886A1 (en) 2013-03-22 2014-10-02 Gregory Thomas Mark Three dimensional printing
US20140328964A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20140328963A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US20140361460A1 (en) 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20150108677A1 (en) 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20150165691A1 (en) 2013-03-22 2015-06-18 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20160067928A1 (en) 2013-03-22 2016-03-10 Markforged, Inc. Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing
US20160107379A1 (en) 2013-03-22 2016-04-21 Markforged, Inc. Composite filament 3d printing using complementary reinforcement formations
US20160263822A1 (en) * 2013-10-30 2016-09-15 R. Platt Boyd, IV Additive manufacturing of building and other structures
DE112015001860T5 (de) * 2014-05-15 2017-03-16 Hurco Companies, Inc. Mittels Drehung gesteuerte Werkstoff-Verarbeitungseinheit

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1372587A (en) * 1971-06-21 1974-10-30 British Insulated Callenders Manufacture of insulated electric cables
US6558146B1 (en) * 2000-10-10 2003-05-06 Delphi Technologies, Inc. Extrusion deposition molding with in-line compounding of reinforcing fibers
CN202318743U (zh) * 2011-11-10 2012-07-11 苏州亚克玛热流道系统有限公司 一种热流道的喷嘴
GB201304968D0 (en) * 2013-03-19 2013-05-01 Eads Uk Ltd Extrusion-based additive manufacturing
US11104120B2 (en) * 2014-05-27 2021-08-31 Nihon University Three-dimensional printing system, three-dimensional printing method, molding device, fiber-containing object, and production method thereof
CN104149339B (zh) * 2014-07-09 2016-04-13 西安交通大学 一种连续长纤维增强复合材料3d打印机及其打印方法
CN105313271A (zh) * 2014-07-31 2016-02-10 天津绿川科技有限公司 一种防堵防拉丝的注塑机喷嘴
NZ748611A (en) * 2014-07-31 2020-04-24 Max Co Ltd Reinforcing bar binding machine
CN104441658A (zh) * 2014-11-27 2015-03-25 西安交通大学 一种连续纤维增强智能复合材料3d打印头及其使用方法
CN204451219U (zh) * 2015-01-06 2015-07-08 徐苾雯 一种用于3d打印机的水冷散热式挤出机
US10336056B2 (en) * 2015-08-31 2019-07-02 Colorado School Of Mines Hybrid additive manufacturing method
CN106363905B (zh) * 2016-11-15 2018-11-23 哈尔滨工业大学 基于超声增强的纤维增强复合材料增材制造的喷头

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005098498A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-20 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method and device for coating plastic optical fiber with resin
US20150165691A1 (en) 2013-03-22 2015-06-18 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20140328964A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20140328963A1 (en) 2013-03-22 2014-11-06 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
US20140291886A1 (en) 2013-03-22 2014-10-02 Gregory Thomas Mark Three dimensional printing
US20150108677A1 (en) 2013-03-22 2015-04-23 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20160368213A1 (en) 2013-03-22 2016-12-22 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US9149988B2 (en) 2013-03-22 2015-10-06 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US9156205B2 (en) 2013-03-22 2015-10-13 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20160067928A1 (en) 2013-03-22 2016-03-10 Markforged, Inc. Multilayer fiber reinforcement design for 3d printing
US20160107379A1 (en) 2013-03-22 2016-04-21 Markforged, Inc. Composite filament 3d printing using complementary reinforcement formations
US20160129643A1 (en) 2013-03-22 2016-05-12 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20170066187A1 (en) * 2013-03-22 2017-03-09 Markforged, Inc. Three dimensional printing
US20160200047A1 (en) 2013-03-22 2016-07-14 Markforged, Inc. Three dimensional printer with composite filament fabrication
US20140361460A1 (en) 2013-06-05 2014-12-11 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US9370896B2 (en) 2013-06-05 2016-06-21 Markforged, Inc. Methods for fiber reinforced additive manufacturing
US20160263822A1 (en) * 2013-10-30 2016-09-15 R. Platt Boyd, IV Additive manufacturing of building and other structures
DE112015001860T5 (de) * 2014-05-15 2017-03-16 Hurco Companies, Inc. Mittels Drehung gesteuerte Werkstoff-Verarbeitungseinheit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3611007A4

Also Published As

Publication number Publication date
JP6902812B2 (ja) 2021-07-14
EP3611007A4 (en) 2021-01-13
JP2020516507A (ja) 2020-06-11
US20200114578A1 (en) 2020-04-16
CN111032314A (zh) 2020-04-17
EP3611007A1 (en) 2020-02-19
RU2662015C1 (ru) 2018-07-23
CN111032314B (zh) 2022-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2662015C1 (ru) Печатающая головка для аддитивного производства изделий
JP7282143B2 (ja) 繊維強化による積層造形用装置
US11104120B2 (en) Three-dimensional printing system, three-dimensional printing method, molding device, fiber-containing object, and production method thereof
US11673322B2 (en) Production of articles made of composite materials by 3D-printing method
US20170341300A1 (en) Additive Manufacturing Process Continuous Reinforcement Fibers And High Fiber Volume Content
EP3395527B1 (en) Method and apparatus for the extruded deposition of fiber reinforced polymers
EP2781342B1 (en) Extrusion-based additive manufacturing method and apparatus
WO2017150186A1 (ja) ３次元プリンティング装置及び３次元プリンティング方法
EP3740373B1 (en) Fiber-reinforced 3d printing
US11173654B2 (en) Method for fabricating multi-material structure for 3D integrated composite structures
US11413806B2 (en) Method for fabricating a 3D composite structure including smoothing of support structures
US11565464B2 (en) System for deposition and fabrication of 3D integrated composite structures
US20180250850A1 (en) Composite material for 3d printing produced by pultrusion method
WO2018203768A1 (ru) Способ аддитивного производства изделий из композитных материалов, армированных непрерывными волокнами
CN219903371U (zh) 基于纤维复合材料的3d打印装置
CN219153733U (zh) 用于连续纤维复合材料的3d打印头及3d打印设备
EP4192671A1 (en) Tow placement process

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17905747

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020506701

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017905747

Country of ref document: EP

Effective date: 20191111