纤维增强增材制造的方法

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纤维增强增材制造的方法
【专利说明】纤维増强増材制造的方法
[0001 ]相关申请的交叉参考
[0002]本申请根据美国法典35U.S.C.§119(e)主张享有于2013年9月19日提交的序列号为61/880129、2013年9月24日提交的序列号为61/881946、2013年9月27日提交的序列号为61/883440、2013年11月10日提交的序列号为61/902256和2013年11月22日提交的序列号为61/907431的美国临时申请的权益;并且根据美国法典35U.S.C.§119(e)主张享有于2014年3月21日提交的序列号为14/222318的美国专利申请、2014年6月5日提交的序列号为14/297437的美国专利申请和2014年7月17日提交的序列号为14/333881的美国专利申请各者的权益,并且作为它们各自的部分继续申请案;上述这些申请的全部内容以引用的方式并入本文。将序列号为 61/804235、61/815531、61/831600、61/847113 和61/878029 的美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明各方面涉及三维打印。
【背景技术】
[0004]“三维打印”领域包括例如光固化立体成型(SLA)和熔丝制造(FFF)等各种方法。SLA生产通常不耐用或不耐紫外线的高精细度零件且用于概念验证工作;而FFF通过喷嘴挤出ABS或类似聚合物的连续丝珠。
[0005]在“复合铺叠(CompositeLay-up)”领域中,将浸渍有树脂粘结剂的织物的预浸渍(“预浸”)复合片材分层至模具中、加热并固化。在“复合丝缠绕(Composite filamentWinding)”中,绕着特制的芯棒缠绕含有数千个单碳束的粘性“丝束(tow)”,以形成旋转对称零件。
[0006]还没有用于在增材制造(additive manufacturing)期间对纤维定向从而各向异性地改善成品零件的特性的商业性或实验性技术。

【发明内容】

[0007]根据本发明的第一实施例和/或方面,一种三维打印机的三维工具路径指令的生成方法,所述方法包括:接收三维几何结构,且将所述三维几何结构切分为多层。用于控制三维打印机沉积材料的各向同性填充材料(例如,聚合物)轮廓工具路径限定第一层的周界的至少一部分。用于控制三维打印机沉积基本上各向异性的填充材料(例如,连续纤维增强聚合物)的各向异性填充工具路径限定所述第一层的内部的至少一部分。相对于所述各向异性填充工具路径的轨迹对基本上各向异性的所述填充材料的各向异性特征进行导向。
[0008]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,一种方法生成三维打印机的工具路径指令,该指令用于对第一层的内部的至少一部分进行限定的第一各向异性填充材料工具路径、对第二层的内部的至少一部分进行限定的第二各向异性填充材料工具路径以及对介于所述第一层与所述第二层之间的第三层的内部的至少一部分和周界的至少一部分进行限定的各向同性填充材料工具路径。
[0009]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,用于控制三维打印机沉积基本上各向异性的填充材料的各向异性填充工具路径之一被沉积在相邻于所述第一层的内部内的负子轮廓且增强所述负子轮廓的位置处。
[0010]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,所述各向异性填充工具路径之一是根据另一各向异性填充工具路径而被计算出的,并且位于相邻于所述第一层的各向异性工具路径并增强所述第一层的各向异性工具路径的位置处。可选地,该计算出的第二各向异性填充工具路径位于所述第一层内。可替代地或额外地,该计算出的第二各向异性填充工具路径位于与所述第一层相邻的第二层内。
[0011]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,所述各向异性工具路径之一限定第一层的内部的至少一部分且包括第一起点,且另一各向异性工具路径限定第二层的内部的至少一部分且包括从所述第一起点偏移的第二起点。
[0012]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,所述各向异性工具路径之一限定第一层的内部的至少一部分且包括与第一各向异性工具路径的相邻部分交叉的第一交叉部,且其中,另一各向异性工具路径限定第二层的内部的至少一部分且包括与第二各向异性工具路径的相邻部分交叉的第二交叉部,所述第二交叉部偏离于所述第一交叉部。
[0013]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,产生用于控制三维打印机沉积基本上各向异性的填充材料的两个各向异性填充工具路径,其中的一个基于另一个但是处于远端的层中,且形心被建立在这两个各向异性填充工具路径之间。用于控制三维打印机沉积基本上各向同性的填充材料的各向同性填充材料工具路径限定第三层的内部的至少一部分和周界的至少一部分并且可选地接近所述形心,并且介于所述第一层与所述第二层之间。
[0014]可替代地或额外地,根据本发明的另一个实施例和/或方面,各向异性填充工具路径之一跟随不规则轨迹,该轨迹含有偏离于复合子轮廓边界的偏移。可替代地或额外地,产生所述各向异性填充工具路径的相邻各所述偏差之间的交叉部,且所述交叉部布置在所述各向异性填充工具路径的弯曲部。
【附图说明】
[0015]图1A至IC是使用连续芯增强丝以及挤出的树脂丝的三维打印系统的示意性图示,其中,图1A是连续芯增强丝-挤出打印机的示意图,图1B是复合挤出纤维打印头组件的横截面图和示意图,图1C是纤维打印头组件的特写放大横截面;
[0016]图2A至2C是使用连续芯增强丝以及光固化立体成型或选择性激光烧结的三维打印系统的示意性图示,其中,图1A和IB是连续芯增强丝-SLA/SLS打印机的示意图且图1C是定位工序的不意图;
[0017]图3是能够使用图1C的复合挤出纤维打印头组件打印的三维打印机的框图和示意性图示;
[0018]图4是说明了图3的3D打印机的整体操作的流程图。
[0019]图5是三维打印机系统的框图和示意性图示,该系统包括CAD站、切片机和路径生成器、区域和路径设计器以及三维打印机;
[0020]图6是说明了三维打印机系统的元件之间的数据结构交换的调用图;
[0021]图7是说明了图4的切片机和路径生成器的整体操作的流程图;
[0022]图8是说明了图7的子轮廓或区域生成器的整体操作的流程图;
[0023]图9是说明了图8的全局规则的处理的流程图;
[0024]图1OA示出了对于全局操作用于图9的规则处理的示例性屏幕上零件渲染和逻辑结构;
[0025]图1OB示出了对于层操作的用于图9的规则处理的示例性屏幕上零件渲染和逻辑结构;
[0026]图1lA至IlC示出了用于夹层板规则示例的由图1OA的零件渲染和逻辑结构实施的模型、渲染、工具路径表示和数据结构;
[0027]图12是说明了图8的路径规则的处理的流程图;
[0028]图13示出了用于图12的规则处理的示例性屏幕上零件渲染和逻辑结构;
[0029]图14A至14D示出了用于交叉运动示例的由图13的零件渲染和逻辑结构实施的模型、渲染、工具路径表示和数据结构;
[0030]图15是说明了图8的区域规则的处理的流程图;
[0031]图16示出了用于图15的规则处理的示例性屏幕上零件渲染和逻辑结构。
[0032]图17A至17C示出了用于区域挤出示例的由图16的零件渲染和逻辑结构实施的模型、渲染、工具路径表示和数据结构;
[0033]图18示出了在对比方向上的示例性复合铺叠;
[0034]图19A至19C示出了在对比方向上的示例性六轴外壳堆叠;
[0035]图19D至19G示出了用来增大有效惯性矩的根据本实施例的复合铺叠的示例性权重分布;
[0036]图20示出了用于本实施例的规则和参数数据库结构;且
[0037]图21示出了针对图8的工序的用于对优先化的或有序的规则和参数的操作之后的最终状态进行记录的示例性文件格式。
【具体实施方式】
[0038]在本发明中,“3D打印机”包括分立式打印机和/或实施较大工序内的增材制造子工序的用于制造机械的工具头配件。参照图1至图5,3D打印机由运动控制器20控制,运动控制器20解译专用G代码702且根据G代码702驱动3D打印机的各种执行器。
[0039]如本文中所用,“挤出(extrus1n)”应该具有它的常规含义,例如,这样的工序:通过模具挤压库存材料以使之呈现出比库存材料更小的横截面面积的特定形状。熔丝制造(FFF)是挤出处理。同样,“挤出喷嘴(extrus1n nozzle)”应该具有它的常规含义,例如,这样的器件:该器件被设计为当液态流离开(或进入)密闭腔室时控制挤出液态流的方向或特征,特别是用来增大速度和/或限制横截面面积。本发明还会使用新创词“管道喷嘴(conduit nozzle)”或“喷嘴管(nozzlet)”来描述终端打印头,其中,不同于FFF喷嘴,不存在创建于打印材料中的额外速度或显著背压,并且含有基体(matrix)和嵌入纤维的打印材料的横截面面积在整个处理中基本维持相同(甚至如以粘结队列(bonded rank)的方式沉积至零件的那样)。如本文中所用,“沉积头(deposit1n head)”应该包括挤出喷嘴、管道喷嘴和/或混合喷嘴。
[0040]最后,在三维打印领域中,“丝(filament)”通常指的是卷绕的建造材料的整个横截面面积,而在复合材料领域中,“丝”指的是例如碳纤维的单个纤维(其中,例如,“I千丝束”将具有1000个单束)。为了本发明的目的,“丝”应该保留三维打印领域的含义,且“束(strand)”意味着一起形成整个复合“丝”的例如嵌入基体中的单个纤维。
[0041]图1A至IC说明了三维打印机的实施例,各自具有至少两种打印方式-一种应用纤维增强复合丝,而另一种应用纯粹的或净基体树脂(热塑或固化)。纤维增强复合丝2(在本文中也被称为连续芯增强丝)可以是基本密实无孔的,并且可以包括覆盖或浸渍内部连续单芯或多芯的聚合物或树脂。
[0042]通过管道喷嘴10供给纤维增强复合丝2,管道喷嘴10被(例如,带式加热器或盘式加热器)加热至为基体材料选择的受控温度以维持预定的粘度、粘结队列的粘附力和/或表面光洁度。在一些实施例中,通过管道喷嘴10拖曳或牵拉丝2。
[0043]在管道喷嘴10中被加热且使基体材料或聚合物4基本熔化后,连续芯增强丝2被涂覆至建造压盘16来建造连续层14以形成三维结构。控制器20控制(i)建造压盘16的位置和取向或(ii)管道喷嘴10的位置和取向中的一者或两者以使连续芯增强丝2沉积在期望的地点和方向。位置和取向控制机构包括吊架系统、机器臂和/或H框架,这些中的任一者配备有受控制器20控制的位置和/或位移传感器,以对管道喷嘴10相对于建造压盘16和/或正被构建的零件的各层14的相对位置或速度进行监控。控制器20可以使用感测到的X、Y和/或Z位置和/或位移或速度矢量来控制管道喷嘴10或压盘16的后续运动。例如,三维打印机1000可以包括三个平移和/或三个旋转轴中任一者上的位移、速度或加速度换能器,所述换能器检测管道喷嘴10相对于建造压盘16的位置或运动。(例如,激光)测距传感器可以扫描管道喷嘴10前方的部位以便校正管道喷嘴10的Z高度或需要的填充体积以匹配期望的沉积外形。
[0044]三维打印机1000可以包括受到控制器20控制的刀具8,该刀具8在沉积工序期间切割连续芯增强丝(例如,没有尾状物形成),从而(i)将单独的各特征件和组件形成在结构上以及(i i)控制多个截面和层中的沉积材料和/或粘结队列的方向性或各向异性。图1A也说明了至少一个第二打印头18,三维打印机1000选择性地使用第二打印头18来将例如包括100%树脂FFF挤出、抗紫外线或抗划伤涂层在内的保护涂层打印在零件上。这里可以发现配对或复合FFF打印头1800的说明,且该说明通常适用于保护涂层。
[0045]如图1A至IC所示,在从动辊42和导辊40的上游,卷绕轴(未示出)在微拉力下供给未熔化的密实无孔的纤维增强复合丝。所述丝包括在丝的基体材料内延伸的至少一个轴向纤维束,且所述丝的基体材料内基本不具有空气间隙。在本示例中,纤维增强复合丝2包括浸渍有成百上千个连续碳纤维束6A的尼龙基体4A。
[0046]沿着防止丝发生屈曲的间隙配合区域,从动辊42和导辊40以一定的进给速率(选择性地受到控制器20的可变控制,选择性地小于打印速率且选择性地由单向轴承吸收进给速率与打印速率之差)来进给或推进未熔化丝。
[0047]首先,在穿线阶段,以轴向压缩将丝2的熔化的基体材料6A和轴向纤维束4A压入零件,且随着建造压盘和打印头相对于彼此平移,丝的端部接触熨烫唇726,随后在横向压力区域3040内被不断熨烫以在零件14中形成粘结队列。
[0048]打印头或管道喷嘴708或建造压盘16中的任一者或两者可以被平移,例如,控制进给速率和/或打印速率以在穿线阶段维持丝的压缩且在打印操作中维持中性至正向拉力。丝2的基体材料4A可以在非接触区域内被加热和熔化(特别地,以使较少机会粘附至管道喷嘴708的壁),但是在本实施例中通常在熨烫唇或尖端726处被熔化或液化。主要通过沿着丝延伸的纤维束内的轴向压缩力或拉伸力,可以监控或控制进给速率和打印速率以维持未支撑区域内的压缩、中性拉伸或正向拉伸。
[0049]如图1B和IC所示,横向压力区域3040包括对丝2进行重新塑形的熨烫唇726。熨烫唇726将丝2压紧或按压进零件且也可以接收从受热壁714传导来的热量,以熔化或液化横向压力区域3040内的基体材料4A。可选地,随着丝2沉积于粘结队列,横向压力区3040内的熨烫唇726将熨烫力施加于熔化的基体材料和轴向纤维束,以此使位于上侧的熔化丝2平坦化。通过确保熨烫唇726的底部至下方层的顶部的高度小于丝的直径,可以促进上述平坦化。随着熔化的基体材料4A和轴向纤维束6A被熨烫以横向和纵向地形成粘结队列时,从零件本身施加作为法向反作用力的另一个重新塑形力,该重新塑形力使至少两侧的粘结队列平坦化(即,熨烫也迫使粘结队列进入相邻的队列)。通过熨烫施加的压力和热量改善了进入邻近的队列的扩散和纤维渗透。
[0050]未熔化的纤维增强丝在间隙配合区域或其邻近处被切割,但是可以在导管72(具有间隙配合)与管道喷嘴708之间的间隔62中被切割;在管道喷嘴708内(例如,非接触区3030的上游)被切割;或可替代地或额外地,芯增强丝可以被位于间隙配合区域3010、3020或熨烫
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