[發明專利]用于直接數字化制造纖維增強零件的方法、裝置和材料混合物

在審

• 申請號: 201210320664.7
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102963002A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: S·R·約翰斯頓;J·B·萬斯;J·W·豐達;B·I·萊昂斯
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: B29C67/04
• 分類號: B29C67/04;B29C70/14;D06M11/83
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

背景信息

1.技術領域：

一般而言，本公開涉及直接數字化制造技術，尤其是添加方法(additive?method)，并更具體地涉及用于制造纖維增強聚合樹脂零件的方法和裝置，并涉及可用于建造該零件的材料混合物。

2.背景技術：

現在稱為添加制造(Additive?Manufacturing)(AM)的直接數字化制造(DDM)是直接從3D?CAD(計算機輔助設計)文件使用計算機控制的添加制作技術制造物理零件的方法。常見的添加制造技術包括立體光刻(stereolithography)(SLA)、熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)和三維印刷(3DP)，等等。這些方法的每一種通過局部熔融或固化可能為粉末或液體形式的建造材料逐層地建造三維固體零件。例如，SLA方法在使用UV激光器和一甕(vat)UV-可固化的液體光敏聚合物樹脂時建造零件層。對于每個層，基于零件的3D?CAD數據模型，激光器在液體樹脂表面上描記(trace)零件橫截面圖案。暴露于UV激光固化(cure)和固結(solidify)在樹脂上描記的圖案并將其附著至下面的層。在圖案已被描記后，升降臺下降單層厚度，并且填充樹脂的刮刀掃過零件截面，用新鮮的材料再涂覆它。逐層地繼續該過程直到零件完成。

SLS使用高功率激光器以使小顆粒的塑料或金屬、陶瓷或玻璃粉末熔化成具有期望三維形狀的塊。通過掃描從零件的3D數字描述(CAD模型)在粉末床的表面上產生的橫截面，激光選擇性熔化粉末狀的建造材料。每個橫截面被掃描后，粉末床降低一層的厚度，將新一層的材料施用在頂部，并重復該過程直到零件完成。

3DP過程使用切片算法(slicing?algorithm)繪制零件每層的CAD模型的詳細信息。每層開始于遍布在粉末床表面上的粉末的稀疏分布。使用與噴墨打印類似的技術，粘合劑材料在形成物體的地方選擇性連接顆粒。支撐粉末床和正在進行制備的零件的活塞降低，以便接下來的粉末層可被分散并選擇性連接。熱處理之后，去除未結合的粉末，留下制作的零件。

為了加強通過添加制造技術生產的零件，增強顆?！ǔ槎痰哪胨榈幕蚯卸痰睦w維——已經被引入用于建造零件的粉末或液體樹脂中。但是，纖維遍及粉末或樹脂基體被隨機分布并且具有隨機的個體方位。因此，這些纖維增強產生相對于在其上制造它們的機器的軸高度各向異性的增強。

所以，需要直接數字化制造纖維增強零件的方法和裝置，其中增強纖維可被選擇性定向，以在零件中提供各向同性的增強和方向性的強度。也需要在各種添加制造方法中使用的建造材料中定位和/或排列短的增強纖維或其他顆粒的方法和裝置。

發明內容

根據公開的實施方式，提供直接數字化制造纖維增強零件的方法和裝置，其控制在建造材料中使用的纖維增強材料的方向和/或位置。在能源選擇性固結周圍的基體材料時，通過耦合(couple)纖維與受控磁場影響短的增強纖維的位置和/或方向。纖維方向由建造過程期間的時間維度的考慮以及纖維方位的3個笛卡爾空間坐標和每個體積的矢量(aka?voxel)控制。增強纖維的位置和/或方向的數字控制產生零件改善的機械和/或電性能和/或特征。

根據一種公開的實施方式，提供制造零件的方法，包括提供磁性顆粒和將磁性顆粒引入基體材料。方法進一步包括通過耦合顆粒與電磁場定向基體材料中的顆粒，并且當顆粒被定向時固結基體材料。耦合顆粒與電磁場包括鄰近基體材料定位至少一對電磁體，排列電磁體，并使用電磁體產生電磁場。定向顆粒可包括排列顆粒在期望的方向上和/或移動顆粒形成基體材料中的零件特征。固化基體材料可使用能量束實現。提供顆粒包括用磁性金屬涂覆細長的合成纖維和/或形成合成纖維的束并用磁性金屬纏繞或涂覆每個束?；w材料可包括粉末并且基體材料可通過燒結粉末固結。

根據另一種實施方式，提供制造纖維增強的復合零件的方法。該方法包括提供液體聚合物樹脂層并將磁性增強纖維懸浮在液體樹脂中。該方法進一步包括產生電磁場，使用該電磁場定向液體樹脂中的纖維，并使用能量束固化液體樹脂。該方法進一步包括在液體樹脂層上方移動能量束和電磁場以定向纖維并以期望的圖案固化液體樹脂層中的樹脂。使用能量束固化液體樹脂可使用計算機控制的紫外激光器進行以掃描層來選擇性固化部分層。