Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области аддитивных технологий и может быть использовано для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов, таких как кронштейны, фитинги, корпусные элементы для применения в авиационной, ракетно-космической технике и других отраслях промышленности.

Уровень техники

Известны способы и устройства 3-D печати изделий из композитных материалов с термопластичной матрицей, армированных непрерывными волокнами. Наиболее близкие аналоги описаны в заявках компании MarkForged (США):

[1] заявка US20140291886 - Three dimensional printing (Трехмерная печать), МПК В29С47/00, опубликованная 02.10.2014;

[2] заявка US20140328963 - Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing (Аппарат для аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С67/00, опубликованная 06.1 1.2014;

[3] заявка US20140328964 - Three dimensional printing (Трехмерная печать), МПК В29С67/00, опубликованная 06.11.2014;

[4] заявка US20140361460 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С65/40, В29С67/00, опубликованная 1.12.2014;

[5] заявка US20150108677 - Three dimensional printer with composite filament fabrication (Трехмерный принтер с печатью композитным волокном), МПК В29С67/00, опубликованная 23.04.2015;

[6] заявка US20150165691 - Methods for fiber reinforced additive manufacturing (Методы аддитивного производства изделий, армированных волокнами), МПК В29С67/00, опубликованная 18.06.2015;

В заявках описан способ 3-D печати с использованием композитного волокна, состоящего из ядра (наполнителя) и пластикового покрытия (матрица). В композитное волокно в качестве наполнителя входят непрерывные или полунепрерывные волокна, такие как армирующие волокна, оптоволокно,

1

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) электропроводящие нити и т.д. Матрица представляет собой термопластичный материал. Композитное волокно может иметь покрытие также из термопластичного материала. При печати волокно подвергается нагреву до температуры, которая выше температуры плавления материала покрытия, но ниже температуры плавления матричного материала композитного волокна. Описанный способ печати реализуется в трехмерном принтере, содержащем экструдер специальной конструкции, в который подается указанное выше композитное волокно.

Недостатком описанного решения является необходимость подачи в экструдер термопласта в виде нити, что ограничивает спектр термопластичных полимеров, которые могут применяться для изготовления детали, а также значительно повышает стоимость детали. Кроме того, используемый вид волокна, вид термопласта и объемная доля армирующих волокон в термопласте жестко определяются во время изготовления композитных волокон, что сужает возможности по изготовлению изделий со сложной внутренней структурой.

Сущность изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является изготовление методом трехмерной печати деталей из композитных материалов со сложной внутренней структурой.

Технический результат изобретения заключается в повышении физико- механических характеристик материала, снижении затрат на изготовление деталей сложной формы из композитных материалов, армированных при варьировании объемной доли волокон и матрицы в процессе печати.

Созданный способ трехмерной печати основан на использовании экструдера со шнеком, в камере которого создается повышенное давление расплава термопластичного полимера. Под действием давления, созданного шнеком, расплав полимера проникает в пространство между волокнами армирующего жгута, пропитывая его и образуя таким образом композитный материал. Существенным является то, что в камере экструдера при помощи шнека создается давление, позволяющее осуществить пропитку армирующего волокна расплавом термопласта. При этом пропитка армирующего волокна термопластичной матрицей осуществляется непосредственно в экструдере, а также используется термопластичный полимер в виде гранул, в отличие от приведенного ранее аналога.

2

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) При печати используется экструдер, в который подается армирующее волокно, например, углеродное, стеклянное или арамидное и гранулы термопластичного материала, такого как АБС, полилактид, полиамид, полиэфиримид, полиэфирэфиркетон. Нижняя часть экструдера разогревается до температуры, превышающей температуру плавления термопластичного материала. Шнек экструдера, вращаясь, подает гранулы термопластичного полимера из холодной зоны в верхней части экструдера в горячую зону в нижней части экструдера, где они расплавляются. Расплав термопластичного полимера подается шнеком далее в камеру экструдера, где создается давление, позволяющее расплаву термопласта пропитать жгут армирующих волокон. Затем армирующее волокно, пропитанное термопластичным полимером, экструдируется через сопло на поверхность стола. Одновременно с вращением шнека, экструдер перемещается относительно стола по заданной программе. Армирующее волокно, пропитанное термопластом, укладывается на стол по запрограммированным траекториям. После выхода из экструдера, расплав термопласта застывает и образуется слой армированного материала, обладающий высокими механическими характеристиками. Существенным является то, что, изменяя скорость вращения шнека, можно регулировать объемное содержание волокон в пластике, в отличие от приведенного ранее аналога, 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. Управляя перемещением экструдера, можно изменять направление укладки армирующих волокон в процессе печати, что дает возможности для создания оптимальных по внутренней структуре конструкций. Для изготовления изделий сложной формы установка, реализующая данный способ печати, должна содержать по меньшей мере два экструдера. Первый экструдер описан выше и предназначен для печати пластиком, армированным непрерывным волокном. Второй экструдер представляет собой известный экструдер для печати пластиком и предназначен для печати чистым пластиком, таким же, как пластик, подаваемый в первый экструдер либо другим пластиком, который после изготовления детали может быть удален способом, не повреждающим остальную деталь, например, химически, и, таким образом, служащим для создания временных поддерживающих структур. Таким образом

3

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) могут быть изготовлены изделия, состоящие частично из армированного пластика, частично из чистого пластика.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - схема установки для трехмерной печати изделий из композитных материалов, армированных волокнами;

Фиг. 2 - фрагмент композитной детали, изготовленной методом ЗР-печати; Фиг. 3 - схема сопла экструдера с площадкой.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 - экструдер;

2 - вертикальный канал экструдера;

3 - шнек;

4 - осевой канал шнека;

5 - армирующее волокно;

6 - гранулы термопластичного полимера;

7 - катушка с армирующим волокном;

8 - бункер с гранулами термопластичного полимера;

9 - нагреватель;

10 - электропривод шнека;

11 - редуктор привода шнека;

12 - камера для расплава, в которой происходит совмещение армирующего волокна и термопласта;

13 - сопло;

14 - рабочая поверхность;

15 - композитный материал, полученный методом ЗО-печати;

16 - отверстие в детали;

17 - траектория армирующего волокна;

18 - участок с большим шагом армирующих волокон (малое объемное содержание армирующих волокон;

19 - участок с малым шагом армирующих волокон (большое объемное содержание армирующих волокон;

20 - площадка сопла.

4

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Осуществление изобретения

Созданный способ трехмерной печати основан на использовании экструдера со шнеком (Фиг. 1 ). При печати используется экструдер 1 с вертикальным каналом 2, в который установлен шнек 3. Через осевое отверстие шнека 4 в экструдер подается армирующее волокно 5, такое как углеродное, стеклянное или арамидное волокно. Также в верхнюю часть экструдера подается термопластичный материал в виде гранул 6, такой как АБС, ПЛА, ПА, ПЭИ, ПЭЭК или другой термопласт. Подача армирующего волокна осуществляется с катушки 7. Подача гранул термопластичного материала осуществляется из бункера 8. Нижняя часть экструдера при помощи нагревателя 9 разогревается до температуры, превышающей температуру плавления гранул термопластичного полимера 6. Шнек 3 приводится во вращение при помощи электродвигателя 10, например, шагового двигателя, с редуктором 11 . При вращении шнека гранулы термопласта перемещаются из верхней холодной части экструдера в нижнюю нагреваемую часть, где гранулы расплавляются. Расплав термопласта подается шнеком в камеру экструдера 12, где совмещается с армирующим волокном 5. Под действием давления, создаваемого шнеком, расплав термопласта пропитывает армирующее волокно, образуя композитный материал. Пропитанное армирующее волокно вместе с термопластом выходит через сопло 13 на рабочую поверхность 14. Одновременно с работой привода шнека 10, экструдер перемещается относительно рабочей поверхности 14 в соответствии с формой изделия. При начале печати армирующее волокно, пропитанное термопластом, приплавляется к рабочей поверхности и в дальнейшем протягивается через экструдер и укладывается на рабочую поверхность, формируя деталь. После выхода из экструдера, расплав термопласта застывает и образуется слой армированного материала 15, обладающий высокими механическими характеристиками.

Одной из основных особенностей рассматриваемого способа является возможность управлять объемным соотношением армирующих волокон и термопластичной матрицы в процессе печати. Это производится путем регулировки скорости вращения шнека 3. Таким образом, можно варьировать давление пластика в камере экструдера 12 и, соответственно, количество пластика, выходящего вместе с армирующим волокном из сопла 13. Скорость вращения шнека регулируется системой управления таким образом, чтобы объемная доля термопласта в экструдируемом материале составляла 20-60%. Таким образом, можно изготавливать детали, в которых объемное содержание

5

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) волокон будет различно в различных частях детали. Пример такой детали показан на Фиг. 2. Траектории армирующих волокон 17 огибают отверстие 16. Таким образом вдали от отверстия промежутки между армирующими волокнами 18, заполненные термопластом, шире, чем промежутки между волокнами 19 вблизи отверстия. Такая укладка реализуется путем увеличения подачи термопласта пропорционально размеру промежутков между волокнами. Данная возможность обеспечивает гибкое управление структурой материала и ее оптимизацию с целью получения более прочных и легких изделий.

В случае, если для печати применяется высокотемпературный термопласт, такой, например, как ПЭЭК, для того, чтобы обеспечить хорошее сплавление слоев материала между собой, необходимо прогревать материал в окрестностях места выкладки нового слоя. Для этого может быть использовано сопло, показанное на Фиг. 3, имеющее площадку 20 вокруг выходного отверстия сопла. Разогретая площадка обеспечивает подогрев материала вокруг выходного отверстия сопла, что приводит к лучшему приплавлению выкладываемого слоя к предыдущему.

Для изготовления изделий сложной формы установка, реализующая данный способ печати, должна содержать по меньшей мере два экструдера. Первый экструдер описан выше и предназначен для печати пластиком, армированным непрерывным волокном. Второй экструдер представляет собой известный экструдер для печати пластиком и предназначен для печати чистым пластиком, таким же, как пластик, подаваемый в первый экструдер либо другим пластиком, который после изготовления детали может быть удален способом, не повреждающим остальную деталь, например, химически, и, таким образом, служащим для создания временных поддерживающих структур. Таким образом могут быть изготовлены изделия, состоящие частично из армированного пластика, частично из чистого пластика.

6

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)