用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器技术

本发明专利技术公开了用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器。一种增材制造方法，其包括：定位复合材料片材；固化所述片材的预定部分；围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；和围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材。可以将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环以产生三维复合材料产品。

【技术实现步骤摘要】
用于生产复合材料产品的增材制造方法和机器
本公开大体上涉及增材制造，且更特别涉及用于生产复合材料产品的增材制造机器和方法。
技术介绍
三维打印（3DP）是一种逐层构建组件的增材制造（AM）方法。3DP通过每次沉积相对少量的材料来工作，非常类似于打印机一次沉积极少量的墨水以便在一张纸上产生单层印迹。借用这种印刷类比，可以把3DP想象成在彼此顶部添加后续的“墨水”（或使用的任何材料）层的过程。用于3DP的材料通常是热塑性材料，其熔融（或已经呈液体形式）并一次以极少的量喷射或沉积到基底或压板上作为第一层。沉积的材料在沉积后立即凝固、干燥或凝结，并且小的沉积物非常紧密地沉积在一起，从而融合或结合在一起，形成连续层。也就是说，在通过并排沉积数以千计的小沉积物来构造层时，相邻的沉积物融合或结合在一起形成连续层，在相邻沉积物之间没有空间或空隙。沉积物之间的这种连续性不仅出现在每一层内，而且还出现在相邻层之间。因此，当将后续层沉积到在先/下方的层上时，后续/顶部层的沉积物将与在先/下方的层的相邻沉积物融合或结合。由于可以实现的非常小的沉积物尺寸和相邻沉积物紧密融合或结合在一起的能力，可以通过3DPAM方法构造非常复杂的三维（3D）结构。但是，典型的3DP方法并不非常适于构造大型结构组件，其需要相当大的承载或耐磨能力。为此目的，已经使3DP适应于沉积在各沉积物内含有高强度粒子或玻璃纤维、碳纤维等等的短束的热固性树脂的小沉积物。尽管与使用热塑性沉积物的常规3DP相比，使用热固性树脂和结构材料的这类3DP方法对于结构、承载和耐磨应用而言更好，但其仍具有局限性。例如，单个沉积物的小尺寸意味着一次仅以非常小的量提供结构材料（例如短切玻璃纤维或碳纤维粒子），因此即使结构材料存在于整个部件中，该结构材料也不能遍及每个层以连续、不间断的形式持续存在，从而限制了整体组件的承载能力。因此，合意的是提供使用3DP/AM方法生产组件的改进方法，其避免或尽量减少这些和其它局限性。
技术实现思路
作为3DPAM方法的一个实例，可以如图3中所例示的那样以逐层方式构建图1和2中显示的组件10。将第一层L1沉积在基底或压板12上，随后在第一层L1顶部上沉积第二层L2，并且添加后续层的这一过程持续进行，直到完成最终层L12。尽管在图3中出于说明目的仅显示十二层，但通过3DP方法构造的典型组件10可能具有数十、数百或数千个层。根据一个实施方案，增材制造方法包括：定位复合材料片材；固化片材的预定部分；围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材；在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起；围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材。该方法还可以包括将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。在添加步骤之前，该方法可以包括向在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。并在施加步骤之前，该方法可以进一步包括遮蔽在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。在固化后续片材的预定部分的步骤之前，该方法可以包括遮蔽后续片材除预定部分之外的至少一部分，和/或在后续片材的至少预定部分上施加压力。复合材料可以具有X+Y结构组分/树脂构造，其中结构组分X是碳纤维、芳族聚酰胺、竹子和/或玻璃纤维，并且树脂Y是热反应性材料、光反应性材料、压力反应性材料和/或化学反应性材料。各个固化步骤可以包括在复合材料片材的相应预定部分处引导热、光、压力和/或活化剂。各个切割步骤可以通过使用激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流来实现。并且切割步骤中的至少一个可以包括在预定部分的周界内切割。在另一实施方案中，用于生产复合材料产品的增材制造方法可以包括：（i）定位复合材料片材；（ii）固化片材的预定部分；（iii）围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材；（iv）在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；（v）固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起；（vi）围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材；和（vii）将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。在添加步骤之前，增材制造方法还可以包括向在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。并且在施加步骤之前，该方法可以进一步包括遮蔽在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。在固化后续片材的预定部分的步骤之前，增材制造方法可以包括遮蔽后续片材除预定部分之外的至少一部分，和/或在后续片材的至少预定部分上施加压力。增材制造方法的各个固化步骤可以包括在复合材料片材的相应预定部分处引导热、光、压力和/或活化剂。各个切割步骤可以通过使用激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流来实现。并且切割步骤中的至少一个可以包括在预定部分的周界内切割。在又另一实施方案中，增材制造机器包括用于定位复合材料片材的子系统、用于固化片材的预定部分的子系统、用于围绕预定部分的周界切割片材以产生加工片材的子系统、和与用于定位、固化和切割的子系统可操作地连接的控制器。控制器具有执行以下步骤的逻辑：（i）定位复合材料片材，（ii）固化片材的预定部分，（iii）围绕预定部分的周界切割片材以产生在先加工片材，（iv）在在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材，（v）固化后续片材的预定部分，以使后续片材和在先加工片材的预定部分结合在一起，（vi）围绕后续片材的预定部分的周界切割后续片材以产生在后加工片材，和（vii）将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。用于固化的子系统可以包括热源、光源、压力源和/或活化剂源。用于切割的子系统可以包括激光、切割轮、钻头、铣削工具、锯、热刀、空气射流和/或水射流。该机器可以进一步包括用于遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分的子系统，其中控制器与用于遮蔽的子系统可操作地连接，并具有执行以下步骤的逻辑：（viii）遮蔽所选复合材料片材除该片材的预定部分之外的至少一部分，和（ix）将遮蔽步骤重复多个循环。附图说明图1是根据本公开的实施方案的复合材料产品的顶视图。图2是根据本公开的实施方案的复合材料产品的侧视图。图3是用于构建根据本公开的实施方案的复合材料产品的层的侧视图。图4是根据本公开的实施方案的复合材料片材的剖面图。图5是根据本公开的实施方案的另一复合材料片材的剖面图。图6显示了根据本公开的实施方案的加工复合材料片材的三个不同层的顶视图。图7是根据本公开的实施方案的增材制造方法的流程图。图8是根据本公开的实施方案的增材制造方法的流程图。图9是根据本公开的实施方案的增材制造机器的示意图。具体实施方式现在参照附图，其中在若干个视图中相同的标记表示相同的部件，在本文中显示和描述了方法100/200、机器300和通过此类方法和机器生产的复合材料产品。本公开的专利技术人开发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.增材制造方法，包括：/n定位复合材料片材；/n固化所述片材的预定部分；/n围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；/n在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；/n固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；和/n围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材。/n

【技术特征摘要】
20190322 US 16/3616851.增材制造方法，包括：
定位复合材料片材；
固化所述片材的预定部分；
围绕所述预定部分的周界切割所述片材以产生在先加工片材；
在所述在先加工片材顶部并与之接触地添加后续的复合材料片材；
固化所述后续片材的预定部分，以使所述后续片材和所述在先加工片材的预定部分结合在一起；和
围绕所述后续片材的预定部分的周界切割所述后续片材以产生在后加工片材。


2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将添加、固化和切割后续片材的步骤重复多个循环。


3.根据权利要求1所述的方法，在所述添加步骤之前进一步包括：
向所述在先加工片材的预定部分施加胶粘剂。


4.根据权利要求3所述的方法，在所述施加步骤之前进一步包括：
遮蔽所述在先加工片材除预定部分之外的至少一部分。


5.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：AT坎宁安，BL怀特，PJ沃尔科特，A沙比尔，ZP斯特菲斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US