Способ изготовления изделий, армированных непрерывным волокном, с помощью аддитивных технологий и печатающая головка 3D-принтера для его осуществления
METHOD FOR MANUFACTURE OF PRODUCTS REINFORCED WITH CONTINUOUS FIBER, USING ADDITIVE TECHNOLOGIES, AND PRINTING HEAD OF 3D PRINTER FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Заявляемая группа изобретений относится к технологии послойного изготовления объектов по цифровой модели путем послойного нанесения материала и может применяться, в частности, при изготовлении 3D-объектов с помощью аддитивной технологии.
Уровень техники
Одной из широко применяемых в настоящее время аддитивных технологий трехмерной послойной печати является «Моделирование методом наплавления» (ММН/FDM). FDM технология включает следующие этапы: разделение трехмерной цифровой модели на множество тонких плоских слоев, составление программы производства каждого такого слоя, включающей множество линейных перемещений печатающей головки с подачей материала. Совокупность программ производства каждого слоя объединяется в программу производства объекта в целом и передается в систему аддитивного производства, которая создает объект слой за слоем по данной программе. Каждый слой наносят поверх предыдущего слоя, пока объект не будет полностью построен. Для поддержки нависающих элементов объекта может использоваться вспомогательный материал или тот же материал, что и для основной части объекта; поддерживающие конструкции затем удаляют механическим или химическим способом.
Известны системы и способы аддитивного производства трехмерных объектов, основанные на послойном изготовлении объектов на плоских рабочих поверхностях (подложках) путем экструзии текучего (термопластичного) материала. Материал экструдируется через наконечник (сопло), переносимый печатающей головкой, наносится в виде последовательности дорожек на подложку в плоскости XY и затвердевает при падении температуры. Положение экструзионной головки относительно подложки затем изменяется вдоль оси Z (перпендикулярно плоскости XY), и процесс повторяется, чтобы сформировать трехмерный объект, воспроизводящий цифровую модель (например, заявка US2013224423, дата публикации 29.08.2013 г, STRATASYS INC.).
Хотя известные способы послойного изготовления изделий и обеспечивают формирование 3D-объектов, для них характерна невысокая прочность. Наиболее выражен этот недостаток в вертикальном направлении (направлении послойного построения объекта), т.к. связывание полимера между слоев хуже, чем внутри самого слоя, и приложение нагрузки перпендикулярно слоям влечет за собой расслоение и разрушение объекта. Как следствие, изделия, полученные методами 3D печати, обладают ярко выраженной анизотропией свойств, что не позволяет использовать их в нагруженных конструкциях даже в качестве замены полимерным изделиям, полученным с помощью традиционных методов производства (например, литья под давлением, формирующего изделия с изотропными характеристиками).
Одним из путей решения этой проблемы является изменение формы слоя, который в стандартной 3D печати представляет собой плоскость, и переход к выращиванию объекта из криволинейных слоев на многоосевых установках аддитивного производства. Такие способы аддитивного производства описаны в патентах различных компаний:
WO2016030782A1 - 3D printing system, Tyco Electronics Ltd., дата публикации 29.07.2015;
WO2016019435A1 - Apparatus for fabricating an object, Laing O’Rourke Australia Pty Ltd., дата публикации 05.08.2015;
US2018297280A1 - Additive lathe that prints in cylindrical coordinates, Elizabeth Silvestro, дата публикации 18.10.2018;
RU2717274C1 - Способ изготовления изделий с помощью аддитивных технологий и устройство для его осуществления, ООО «Стереотек», дата публикации 19.03.2020.
Изменение формы слоя позволяет повысить прочность объекта за счет того, что линейное напряженное состояние объекта заменяется на объемное, а приложенная перпендикулярно слою нагрузка распределяется по трем направлениях вместо одного. Тем не менее, контакт слоев друг с другом имеет четкую границу раздела слоев, которая не позволяет достичь максимальной прочности изделия (как при литье) в данном направлении.
Тем не менее, сравнительно невысокая прочность термопластиков сама по себе ограничивает их применение, в частности, практически не позволяет использовать в качестве замены металлическим изделиям.
Дальнейшее повышение прочности возможно при армировании полимерного изделия непрерывным волокном (углеродным, стеклянным, базальтовым и т. д.). В этом случае на рабочую поверхность укладывается непрерывное волокно, пропитанное полимерным материалом (матрицей), предназначенной для склеивания волокон между собой. При этом может использоваться специальный композитный филамент, т. е. волокно, предварительно пропитанное матричным материалом, либо матричный материал может быть нанесен на волокно непосредственно перед укладкой (например, путем пропускания сухого пучка волокон через ванну с расплавом) или после укладки. При этом вместе с укладкой композитного материала также может применяться отделка внешних поверхностей композитного объекта чистым термопластиком (или термопластиком, армированным дискретными волокнами) с помощью стандартных способов 3D печати для точного воспроизведения требуемых размеров и обеспечения требуемого качества поверхности.
Так, известны способ и устройство 3D печати, описанные в патенте компании Northrop Grumman Systems Corporation: заявка US10173410 B2 - Device and method for 3D printing with long-fiber reinforcement, дата публикации 08.01.2019. В заявке описан способ печати изделий из усовершенствованного композитного материала, включающего армирующее непрерывное волокно и термопластичный связующий материал, который внутри экструдера плавится, обволакивает армирующее волокно и осаждается на приемную поверхность через сопло.
Данный способ композитной 3D печати существенно повышает прочность каждого слоя изделия, но прочность изделия в целом в направлении, перпендикулярном поверхности построения, остается на уровне обычной 3D печати, определяясь силой сцепления двух матричных зон соседних слоев, и во много раз ниже прочности в слое.
Для того чтобы избежать сложностей, связанных с пропиткой пучка волокон термопластом, может быть использован двухматричный материал, в котором пучки волокон пропитаны термореактивным связующим, обладающим низкой вязкостью, и связаны между собой термопластом. Способ и устройство 3D печати, основанные на применении такого материала, описаны в патентах компании Анизопринт:
заявка RU2016116328 - Композитная армирующая нить, препрег, лента для 3D печати и установки для их изготовления, дата публикации 09.01.2018;
заявка RU2017111944 - Печатающая головка для аддитивного производства изделий, дата публикации 23.07.2018;
заявка RU2017134426 - Способ производства изделий из композитных материалов методом 3Д-печати и устройство для его реализации, дата публикации 04.12.2018.
В заявках описан способ 3D печати изделий из композитного материала, армированного непрерывными волокнами, включающий изготовление композитного волокна, при котором жгут из волокон пропитывают термореактивным связующим с объемной долей 15-60% и подвергают температурной обработке до отверждения связующего; подачу в экструдер композитного волокна в виде нити и термопластичного материала; разогрев экструдера до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала и температуру стеклования термореактивного связующего, при этом термопластичный материал соединяется с композитным волокном; движение экструдера по запрограммированной траектории и экструдирование полученного композитного материала через сопло на поверхность стола, где композитное волокно, охлаждаясь, становится жестким, а расплав термопластичного материала застывает, связывая композитные волокна между собой, формируя изделие; при этом в процессе формирования изделия при помощи механизма обрезки осуществляют обрезку композитного волокна и переход экструдера без экструдирования композитного волокна и термопластичного материала к следующему участку траектории, затем возобновляют экструдирование композитного волокна и термопластичного материала.
Основным недостатком данного способа композитной 3D печати также является наличие четкой линейной границы зон армирования и матрицы, что приводит к малой прочности в направлении, перпендикулярном поверхности построения изделия, как и при стандартной 3D печати. Хотя армирование непрерывным волокном в разы повышает прочностные свойства в слое, в перпендикулярном направлении прочность все так же определяется силой сцепления двух слоев матричного материала.
Другой недостаток способа связан с тем, что армирующее волокно, пропитанное термореактивным связующим, приобретает значительно большую жесткость по сравнению с волокном, пропитанным термопластичным связующим. Это приводит к тому, что при равной толщине армирующего волокна использование двухматричного композитного материала сужает количество доступных для воспроизведения рисунков внутреннего заполнения объекта (по сравнению с использованием однокомпонентной термопластичной матрицы) и в ряде случаев не позволяет изготовить объект с внутренней структурой, обеспечивающей лучшую прочность. Так, при сплошном заполнении каждого слоя изделия в ряде случаев невозможно обеспечить плотную зигзагообразную укладку армирующих волокон из-за неспособности пропитанного реактопластом волокна достаточно изгибаться при переходе с каждой линии композитного материала на следующую, в результате чего необходимо обрезать волокно в конце каждой линии, что снижает преимущества армирования. С другой стороны, при неполном заполнении слоя сетчатой структурой при укладке композитных волокон в соседних слоях крест-накрест прочность внутренней части изделия снижается еще сильнее за счет того, что сопротивление разрыву определяется силой сцепления двух матричных зон соседних слоев, каждая из которых представляет собой не сплошной протяженный слой, а небольшой участок (точку) в области пересечения двух линий композитного материала в соседних слоях.
На использовании композитного филамента из волокна, предварительно пропитанного термопластичным связующим, основаны известные способ и устройство 3D печати, описанные в патентах компании MarkForged:
заявка US10611082 B2 - Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing, дата публикации 07.04.2020;
заявка US9156205 B2 - Three dimensional printer with composite filament fabrication, дата публикации 13.10.2015;
заявка US10603841 B2 - Multilayer fiber reinforcement design for 3D printing, дата публикации 31.03.2020.
В заявках описан способ 3D печати с использованием композитного филамента, состоящего из ядра (наполнитель) и пластикового покрытия (матрица). В композитный филамент в качестве наполнителя входят непрерывные или полунепрерывные волокна, такие как углеволокно, арамид, стекловолокно, электропроводящие нити и т. д. Матрица представляет собой термопластичный материал, такой как ABS, PLA, PEEK, нейлон и т.д., или эпоксидную смолу. При печати филамент подвергается нагреву до температуры выше температуры плавления матричного материала. Описанный способ печати реализуется в 3D принтере с экструдером специальной конструкции, содержащем механизм для подачи описанного выше филамента, механизм отрезания непрерывного волокна-наполнителя, нагреватель для расплавления матрицы.
Изготовление композитного филамента производится при помощи специального устройства, в которое подается непрерывное волокно и матричный материал и происходит их совместная экструзия. Для улучшения процесса пропитки волокно может предварительно вакуумироваться (для устранения воздуха и влаги), проходить через ролики, делающие пучок волокон плоским, с целью лучшей пропитки, либо создающие давление, помогающее внедрить матричный материал в пучок волокон, подвергаться воздействию поверхностно-активирующих веществ, пара, озона, и т.д. для улучшения связи волокна с матрицей.
В частном варианте осуществления изобретения, в дополнение к плавлению и укладке филамента в процессе печати, осуществляется также дополнительный проход с прокатыванием уложенного слоя подогреваемым уплотняющим роликом. Это обеспечивает лучшую адгезию прокатываемого слоя к предыдущему, уплотняет термопластичную матрицу и уменьшает ее пористость, что в конечном счете приводит к повышению прочности изделия, а также сглаживает возникшие при наплавлении термопластика заусенцы и шероховатости, что улучшает качество поверхности.
В частном варианте изобретения может осуществляться поверхностное упрочнение состоящего из плоских слоев объекта с помощью одного или нескольких изогнутых слоев, огибающих основное тело объекта, имеющее ступенчатый вид.
Основным недостатком данного способа композитной 3D печати также является наличие четкой линейной границы зон армирования и матрицы, что приводит к малой прочности в направлении, перпендикулярном поверхности построения изделия, как и при стандартной 3D печати. Хотя армирование непрерывным волокном в разы повышает прочностные свойства в слое, в перпендикулярном направлении прочность все так же определяется силой сцепления двух слоев матричного материала. Поверхностное упрочнение также не решает проблемы слабого взаимодействия слоев изделия между собой и, таким образом, не приводит к значительному приросту прочности изделия.
Другой недостаток аналога заключается в том, что процессы укладки композитного материала и его прокатывания выполняются раздельно, что увеличивает время производства и усложняет управляющую программу.
Последний недостаток решен в ближайшем аналоге - способе и устройстве 3D печати, описанных в патенте компании Arevo: заявка US10239257 B1 - Depositing portions of fiber-reinforced thermoplastic filament while alleviating torsional forces, дата публикации 26.03.2019.
В заявке описан способ 3D печати с использованием композитного филамента, состоящего из армирующего волокна и полимерного связующего (матрицы). Плавление термопластичной матрицы или отверждение термореактивной осуществляются непосредственно в зоне выкладки («приплавления») композитного материала на рабочую поверхность с помощью лазера. Печатающая головка 3D принтера для реализации данного способа печати содержит механизмы подачи и обрезки композитного филамента, лазер для плавления термопластичной матрицы и подогреваемый ролик, который обеспечивает лучшую адгезию укладываемого слоя с предыдущим и обеспечивает уплотнение термопластичной матрицы, причем расстояние между точкой «приплавления» материала и роликом мало и уплотнение обеспечивается синхронно с выкладкой материала, а не отдельным проходом. Печатающая головка устанавливается на многоосевой (например, шести- или семиосевой) манипулятор, обеспечивающий все перемещения, включая поворот печатающей головки в горизонтальной плоскости XY для обеспечения укладки и уплотнения материала роликом в любом направлении в этой плоскости.
Основным недостатком данного способа композитной 3D печати также является наличие четкой границы зон армирования и матрицы, что приводит к малой прочности в направлении, перпендикулярном поверхности построения изделия, как и при стандартной 3D печати. Хотя армирование непрерывным волокном в разы повышает прочностные свойства в слое, в перпендикулярном направлении прочность все так же определяется силой сцепления двух слоев матричного материала.
Кроме того, плоская форма внешней поверхности укладывающего ролика в описанной печатающей головке приводит к неточной укладке композитного материала за счет отсутствия центрирования армирующей нити с расплавленным пластиковым связующим, что приводит к ее перемещению по поверхности ролика и затруднению ее точной укладки на приемной поверхности.
Кроме того, описанный способ непригоден для осуществления стандартной 3D печати филаментом без армирующего волокна, поскольку при отсутствии армирующей нити филамент из чистого термопластика или термопластика, армированного дискретными волокнами, будет плавиться и растекаться по укладывающему ролику и приемной поверхности, в результате чего способ печати не позволяет использовать пластиковый филамент для выполнения над композитным объектом отделочных операций.
Сущность изобретения
Технической задачей, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, является создание композитных функциональных изделий методом аддитивного производства с использованием композитного филамента, состоящего из армирующего волокна или ленты, предварительно пропитанных термопластичным связующим, на печатающем устройстве (3D принтере) с повышенной прочностью готовых изделий за счет устранения в них четкой границы между зонами армирования и матрицы, плотной укладки композитного материала и равномерного распределения армирующих волокон.
Технический результат изобретения заключается в повышении прочности получаемых композитных изделий при 3D печати композитным филаментом.
Технический результат достигается за счет того, что заполнение слоев изделия, выращиваемого способом 3D печати, происходит по следующей схеме: a) композитный материал, состоящий из армирующих волокон и термопластичной матрицы, укладывается на приемную поверхность посредством укладывающего ролика, имеющего выемку в виде части профиля филамента; b) таким образом заполняется весь первый слой типа А композитного материала, поверхность которого имеет выемки, образованные сложной формой ролика; c) второй и последующий слои типа А композитного материала укладываются поверх первого слоя со сдвигом, равным половине ширины укладывающего ролика, при этом выемки, образованные в предыдущем слое, заполняются армирующим волокном с матрицей; d) поверх n-го слоя типа А композитного материала под углом к нему (например, под прямым углом) укладывается один или несколько слоев типа Б композитного материала, причем первый слой типа Б композитного материала укладывается посредством ролика поверх n-го слоя типа А и повторяет волнистую форму его поверхности; e) поверх m-го слоя типа Б композитного материала в направлении 1..n-го слоев типа А укладывается один или несколько слоев типа А композитного материала по схеме, аналогичной укладке первых слоев типа А; f) таким образом, чередуя массивы из произвольного количества слоев типов А и Б композитного материала, заполняется все тело композитного объекта.
Технический результат также достигается за счет печатающей головки для аддитивного производства композитных трехмерных объектов, содержащей механизм подачи композитного филамента, механизм подачи пластикового филамента, механизм обрезки композитного филамента, подающие трубки для композитного и пластикового филаментов, основание и печатающие блоки для композитного и пластикового филаментов, причем печатающий блок для композитного филамента выполнен с возможностью поворота в плоскости XY относительно печатающей головки или вместе с ней посредством закрепленного на печатающей головке привода и включает нагреватель, датчик температуры, входной канал, соединенный с подающей трубкой для композитного филамента, и выходной канал, соединенный с подогреваемым укладывающим роликом, который имеет выемку в виде части профиля композитного филамента и приводится во вращение приводом, а печатающий блок для пластикового филамента включает нагреватель, датчик температуры, входной канал, соединенный с соответствующей подающей трубкой для пластикового филамента, и выходной канал с соплом для пластикового филамента.
Технический результат также достигается за счет того, что каждый из механизмов подачи композитного и пластикового филаментов включает в себя привод, соединенный с подающим роликом, и поджимной механизм, между которыми проходит филамент.
Технический результат также достигается за счет того, что подающие трубки для композитного и пластикового филаментов расположены соосно с входными каналами соответствующих печатающих блоков и соединены посредством соответствующих соединительных каналов внутри основания.
Технический результат также достигается за счет того, что высота установки печатающего блока для пластикового филамента может регулироваться за счет перемещения входного канала блока внутри соответствующего соединительного канала основания.
Технический результат также достигается за счет того, что основание имеет один или несколько радиаторов.
Технический результат также достигается за счет того, что на основании закреплены один или несколько вентиляторов охлаждения.
Настоящая группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1-3), однако примеры реализации способа аддитивного производства композитных изделий и устройства для его осуществления не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенные примеры выполнения заявленной группы изобретений не ограничивают возможностей ее осуществления и не являются исчерпывающими.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема печатающей головки для аддитивного производства композитных изделий;
Фиг. 2 - схема укладки композитного материала без явной границы раздела зон;
Фиг. 3. - схема расположения линий расслоения слоев композитного материала, уложенных по стандартным способам и по заявляемому способу.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - печатающий блок для композитного филамента;
2 - композитный филамент;
3 - основание;
4 - механизм обрезки композитного филамента;
5 - механизм подачи композитного филамента;
6 - катушка композитного филамента;
7 - подающая трубка для композитного филамента;
8 - нагревательный блок печатающего блока для композитного филамента;
9 - датчик температуры печатающего блока для композитного филамента;
10 - нагреватель печатающего блока для композитного филамента;
11 - входной канал печатающего блока для композитного филамента;
12 - выходной канал печатающего блока для композитного филамента;
13 - укладывающий ролик;
14 - изделие;
15 - приемная поверхность;
16 - электродвигатель привода укладывающего ролика;
17 - механическая передача привода укладывающего ролика;
18 - внутренний канал основания для композитного филамента;
19 - механизм поворота печатающего блока для композитного филамента;
20 - электродвигатель поворота печатающего блока для композитного филамента;
21 - механическая передача поворота печатающего блока для композитного филамента;
22 - печатающий блок для пластикового филамента;
23 - пластиковый филамент;
24 - катушка пластикового филамента;
25 - механизм подачи пластикового филамента;
26 - подающая трубка для пластикового филамента;
27 - внутренний канал основания для пластикового филамента;
28 - нагревательный блок печатающего блока для пластикового филамента;
29 - датчик температуры печатающего блока для пластикового филамента;
30 - нагреватель печатающего блока для пластикового филамента;
31 - входной канал печатающего блока для пластикового филамента;
32 - выходной канал печатающего блока для пластикового филамента;
33 - сопло для печати чистым термопластом или термопластом, армированном дискретными волокнами;
34 - радиаторы;
35 - вентиляторы;
С1 - первая линия первого слоя типа А;
С2 - вторая линия первого слоя типа А;
С3 - граница первой и второй линий;
С4 - первый слой типа А композитного материала;
С5 - выемки первого слоя типа А;
С6 - первая линия второго слоя типа А;
С7 - вторая линия второго слоя типа А;
С8 - второй слой типа А;
С9 - выемки второго слоя типа А;
С10 - пустоты по краям слоев типа А;
С11 - первый слой типа Б;
С12 - границы зон соседних слоев;
С13 - линии раздела матричных зон соседних слоев.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1, печатающая головка для аддитивного производства композитных изделий включает в себя печатающий блок 1 для композитного филамента 2, установленный в металлическом основании 3, механизм обрезки 4 композитного филамента и механизм подачи 5 композитного филамента из катушки 6 через подающую трубку 7. В качестве композитного филамента может использоваться непрерывная армирующая нить, представляющая собой пучок из некоторого количества (10, 1000, 1500, 3000, 15000 или любого иного) тонких волокон, таких как углеволокно, арамид, стекловолокно, электропроводящие нити и т. д., предварительно пропитанный термопластичным связующим, таким как ABS, PLA, PEEK, нейлон и т.д., либо непрерывная армирующая лента, также пропитанная термопластичным связующим. Печатающий блок 1 для композитного филамента состоит из нагревательного блока 8, датчика температуры 9, нагревателя 10, входного канала 11 и соединенного с ним выходного канала 12 с укладывающим роликом 13, посредством которого композитный материал, состоящий из армирующей непрерывной нити и расплавленной полимерной матрицы, укладывается в виде конечного изделия 14 на приемную поверхность 15, которая выполнена с возможностью подогрева. Форма выемки укладывающего ролика повторяет часть профиля используемого композитного филамента и может быть различной для композитных филаментов с различным соотношением армирования и матрицы. Укладывающий ролик приводится во вращение электродвигателем 16, закрепленным на основании, через механическую передачу 17 (например, ременную или зубчатую передачу).
Печатающий блок 1 соединен с основанием 3 входным каналом 11 печатающего блока, который установлен в соответствующем внутреннем канале основания 18. Выходной канал 12, входной канал 11 и внутренний канал 18 основания расположены соосно.
Механизм подачи 5 включает в себя 2 ролика, плотно зажимающих композитный филамент, по крайней мере один из которых является ведущим и приводится в действие электроприводом. Также электропривод и подающие ролики механизма подачи 5 могут быть закреплены как на печатающей головке, так и за ее пределами, перед подающей трубкой 7. Также может иметь место установка двух узлов механизма подачи 5, закрепленных на печатающей головке и перед подающей трубкой 7.
Механизм обрезки 4 композитного филамента может быть выполнен в виде двух лезвий, из которых по меньшей мере одно приводится в действие электроприводом, ножниц, режущей втулки или другого известного устройства для обрезки армирующих волокон.
Также механизм обрезки 4 может быть размещен ниже основания 3 для обрезания волокна внутри входного канала 11.
Механизм поворота 19 печатающего блока 1 для композитного материала может включать в себя электродвигатель 20 и механическую передачу 21 (например, зубчатую или ременную передачу) для приведения во вращение входного канала 11 вместе с печатающим блоком 1.
Для обеспечения возможности печати отдельных неармированных участков и элементов композитного объекта печатающая головка дополнительно содержит печатающий блок 22 для пластикового филамента (чистого термопласта или термопласта, армированного дискретными волокнами). Пластиковый филамент 23 подается из отдельной катушки 24 с помощью механизма подачи 25 через подающую трубку 26. Посредством соответствующего внутреннего канала 27 в основании 3 пластиковый филамент 23 подаются в печатающий блок 22. Печатающий блок 22 для пластикового филамента, состоит из нагревательного блока 28, датчика температуры 29, нагревателя 30, входного канала 31 и соединенного с ним выходного канала 32, в котором установлено сопло 33 для печати чистым термопластом или термопластом, армированном дискретными волокнами. Печатающий блок 22 для пластикового филамента также соединен с основанием 3 входным каналом 31 печатающего блока, который установлен в соответствующем внутреннем канале основания 27 и закреплен поджимным винтом. Выходной канал 32, входной канал 31 и внутренний канал 27 основания расположены соосно.
Печатающая головка может содержать большее количество печатающих блоков для композитного и пластикового филаментов с соответствующими механизмами подачи и/или обрезки филамента для обеспечения создания изделий, разные части которых имеют армирующие структуры из разных волокон и/или разную термопластичную матрицу.
Металлическое основание 3 с внутренними каналами 18 и 27 для подачи филаментов и установки входных каналов печатающих блоков также снабжен одним или несколькими радиаторами 34 и одним или несколькими вентиляторами 35.
Печатающая головка устанавливается на подвижный узел системы перемещения 3D принтера, имеющей по крайней мере две степени свободы для линейного перемещения печатающей головки в плоскости XY, либо на манипуляторе с двумя и более степенями свободы.
В частном варианте осуществления изобретения система поворота печатающего блока 19 может отсутствовать, вместо чего печатающая головка устанавливается на подвижный узел системы перемещения 3D принтера, имеющей по крайней мере три степени свободы для линейного перемещения печатающей головки в плоскости XY и ее поворота в этой плоскости.
В частном варианте осуществления изобретения приводная система (16) укладывающего ролика (13) может отсутствовать, а приведение ролика во вращение может осуществляться за счет подбора такого температурного режима, при котором вращение ролика и укладка композитного материала может осуществляться за счет сцепления с приемной поверхностью или предшествующими слоями изделия.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом процесса печатающий блок 1 с помощью нагревателя 10 нагревается до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного связующего композитного филамента 2. Постоянство температуры поддерживается системой управления с обратной связью, замыкающейся через датчик температуры 9. С началом процесса система подачи композитного филамента 5 вытягивает филамент из катушки 6 через подающую трубку 7, внутренний канал 18 основания и входной канал 11 печатающего блока и подает филамент в нагревательный блок 8, где его термопластичная оболочка плавится. Через выходной канал 12 армирующая нить (или лента) с расплавленным термопластичным связующим попадает на укладывающий ролик 13, который вращается электродвигателем 16 через механическую передачу 17 и укладывает композитный материал на приемную поверхность 15, которая также может подогреваться для лучшей адгезии термопластичного связующего, при этом нормальное усилие со стороны укладывающего ролика обеспечивает лучшую адгезию термопластичного связующего к приемной поверхности и плотную укладку композитного материала без пор и пузырьков.
При изменении направления укладки композитного материала печатающий блок 1 для композитного филамента поворачивается в плоскости XY механизмом поворота 19, в котором электродвигатель 20 поворачивает входной канал 18 печатающего блока 1 через механическую передачу 19.
В частном варианте осуществления устройства изменение направления укладки может осуществляться за счет поворота всей печатающей головки за счет механизма поворота, установленного на системе перемещения рабочего органа 3D принтера.
При переходе от печати композитным материалом к печати чистым термопластом 23, либо во время печати композитным материалом при переходе между отдельными частями изделия производится обрезка композитного филамента 2 с помощью механизма обрезки 4.
Заявляемая печатающая головка может также осуществлять печать отдельных зон или элементов объекта чистым термопластом 23 (или термопластом, армированном дискретными волокнами), который экструдируется через соответствующий печатающий блок 22.
Расположенные на основании радиаторы 34 и вентиляторы 35 способствуют более эффективному его охлаждению для обеспечения экструзии термопластичного расплава и предотвращения теплоотвода от печатающих блоков.
Заполнение слоев композитного изделия происходит по следующей схеме.
Как показано на фиг. 2, первая линия С1 композитного материала, состоящего из армирующего волокна или ленты и термопластичной матрицы, укладывается на приемную поверхность 15 (платформу 3D принтера или дно изделия, изготовленное стандартным методом 3D печати из чистого термопластика или термопластика, армированного дискретными волокнами) посредством укладывающего ролика 13, имеющего выемку в виде части профиля филамента. Затем ролик сдвигается на определенный шаг, соответствующий профилю ролика и соотношению объема волокна и термопластика в филаменте, и выкладывает вторую линию композитного материала С2, при этом матрица в зоне С3 может дважды прокатывается роликом. Таким образом заполняется весь первый слой типа А (поз. С4) композитного материала, поверхность которого имеет выемки С5, образованные сложной формой ролика.
Затем приемная поверхность перемещается вниз на определенный шаг, соответствующий профилю ролика и соотношению объема волокна и термопластика в филаменте. В выемки С5 первого слоя типа А аналогично укладывается первая линия С6, вторая линия С7 и последующие линии второго слоя типа А (поз. С8), который укладывается аналогично первому слою С4 со сдвигом, равным половине ширины укладывающего ролика, так что выемки С5, образованные в предыдущем слое, заполняются армирующим волокном с матрицей. В свою очередь, в верхней поверхности второго слоя ролик образует выемки С9.
Пустоты С10, образующиеся по краям второго слоя С8 в связи с дискретным характером процесса, для лучшего качества боковой поверхности могут заполняться чистым термопластиком (матрицей) посредством дополнительного печатающего блока для термопластика 22.
Таким образом укладывается n слоев типа А композитного материала.
Затем поверх n-го слоя типа А композитного материала (например, второго слоя С8) под углом к нему (например, под прямым углом) для обеспечения армирования в направлении, не совпадающем с направлением укладки слоев типа А, укладывается один или несколько слоев типа Б композитного материала, причем первый слой типа Б (поз. С11) композитного материала укладывается посредством ролика поверх n-го слоя типа А и повторяет волнистую форму его поверхности
Таким образом укладывается m слоев типа Б композитного материала. Укладка каждого последующего слоя типа Б на предыдущий осуществляется со сдвигом на определенный шаг, аналогично укладке слоя типа А.
Поверх m-го слоя типа Б композитного материала в направлении 1..n-го слоев типа А укладывается один или несколько слоев типа А композитного материала по схеме, аналогичной укладке первых слоев типа А; таким образом, чередуя массивы из произвольного количества слоев типов А и Б композитного материала, заполняется все тело композитного объекта.
Количество массивов слоев типов А и Б, как и количество слоев в каждом массиве, может различаться для обеспечения требуемых прочностных свойств композитного объекта в различных направлениях.
Разные массивы слоев типа Б могут быть уложены в одном или нескольких направлениях под разными углами к слоям типа А для обеспечения требуемых прочностных свойств композитного объекта в различных направлениях.
Наружные поверхности композитного объекта (нижние, верхние, боковые стороны, внутренние поверхности отверстий) могут быть полностью изготовлены из чистого термопластика (или термопластика, армированного дискретными волокнами) для обеспечения лучшего качества этих поверхностей (внешнего вида, шероховатости, точных форм и размеров).
На фиг. 3 показаны границы раздела слоев композитного материала, по которым происходит расслоение композитного объекта:
фиг. 3-1, 3-2: стандартная композитная 3D печать с прямоугольным (3-1) и смещенным (3-2) рисунками заполнения;
фиг. 3-3: композитная 3D печать с прокаткой слоя роликом;
фиг. 3-4: заявленный способ композитной 3D печати.
На фигурах позициями С12 обозначены границы зон соседних слоев, заполненные только матричным материалом (без армирования), обладающие существенно меньшей прочностью, чем армированные зоны из композитного материала. Позициями С13 обозначены линии раздела матричных зон соседних слоев.