[发明专利]用于直接数字化制造纤维增强零件的方法、装置和材料混合物

说明书

背景信息

1.技术领域：

一般而言，本公开涉及直接数字化制造技术，尤其是添加方法(additive method)，并更具体地涉及用于制造纤维增强聚合树脂零件的方法和装置，并涉及可用于建造该零件的材料混合物。

2.背景技术：

现在称为添加制造(Additive Manufacturing)(AM)的直接数字化制造(DDM)是直接从3D CAD(计算机辅助设计)文件使用计算机控制的添加制作技术制造物理零件的方法。常见的添加制造技术包括立体光刻(stereolithography)(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)和三维印刷(3DP)，等等。这些方法的每一种通过局部熔融或固化可能为粉末或液体形式的建造材料逐层地建造三维固体零件。例如，SLA方法在使用UV激光器和一瓮(vat)UV-可固化的液体光敏聚合物树脂时建造零件层。对于每个层，基于零件的3D CAD数据模型，激光器在液体树脂表面上描记(trace)零件横截面图案。暴露于UV激光固化(cure)和固结(solidify)在树脂上描记的图案并将其附着至下面的层。在图案已被描记后，升降台下降单层厚度，并且填充树脂的刮刀扫过零件截面，用新鲜的材料再涂覆它。逐层地继续该过程直到零件完成。

SLS使用高功率激光器以使小颗粒的塑料或金属、陶瓷或玻璃粉末熔化成具有期望三维形状的块。通过扫描从零件的3D数字描述(CAD模型)在粉末床的表面上产生的横截面，激光选择性熔化粉末状的建造材料。每个横截面被扫描后，粉末床降低一层的厚度，将新一层的材料施用在顶部，并重复该过程直到零件完成。

3DP过程使用切片算法(slicing algorithm)绘制零件每层的CAD模型的详细信息。每层开始于遍布在粉末床表面上的粉末的稀疏分布。使用与喷墨打印类似的技术，粘合剂材料在形成物体的地方选择性连接颗粒。支撑粉末床和正在进行制备的零件的活塞降低，以便接下来的粉末层可被分散并选择性连接。热处理之后，去除未结合的粉末，留下制作的零件。

为了加强通过添加制造技术生产的零件，增强颗粒——通常为短的碾碎的或切短的纤维——已经被引入用于建造零件的粉末或液体树脂中。但是，纤维遍及粉末或树脂基体被随机分布并且具有随机的个体方位。因此，这些纤维增强产生相对于在其上制造它们的机器的轴高度各向异性的增强。

所以，需要直接数字化制造纤维增强零件的方法和装置，其中增强纤维可被选择性定向，以在零件中提供各向同性的增强和方向性的强度。也需要在各种添加制造方法中使用的建造材料中定位和/或排列短的增强纤维或其他颗粒的方法和装置。

发明内容

根据公开的实施方式，提供直接数字化制造纤维增强零件的方法和装置，其控制在建造材料中使用的纤维增强材料的方向和/或位置。在能源选择性固结周围的基体材料时，通过耦合(couple)纤维与受控磁场影响短的增强纤维的位置和/或方向。纤维方向由建造过程期间的时间维度的考虑以及纤维方位的3个笛卡尔空间坐标和每个体积的矢量(aka voxel)控制。增强纤维的位置和/或方向的数字控制产生零件改善的机械和/或电性能和/或特征。

根据一种公开的实施方式，提供制造零件的方法，包括提供磁性颗粒和将磁性颗粒引入基体材料。方法进一步包括通过耦合颗粒与电磁场定向基体材料中的颗粒，并且当颗粒被定向时固结基体材料。耦合颗粒与电磁场包括邻近基体材料定位至少一对电磁体，排列电磁体，并使用电磁体产生电磁场。定向颗粒可包括排列颗粒在期望的方向上和/或移动颗粒形成基体材料中的零件特征。固化基体材料可使用能量束实现。提供颗粒包括用磁性金属涂覆细长的合成纤维和/或形成合成纤维的束并用磁性金属缠绕或涂覆每个束。基体材料可包括粉末并且基体材料可通过烧结粉末固结。

根据另一种实施方式，提供制造纤维增强的复合零件的方法。该方法包括提供液体聚合物树脂层并将磁性增强纤维悬浮在液体树脂中。该方法进一步包括产生电磁场，使用该电磁场定向液体树脂中的纤维，并使用能量束固化液体树脂。该方法进一步包括在液体树脂层上方移动能量束和电磁场以定向纤维并以期望的图案固化液体树脂层中的树脂。使用能量束固化液体树脂可使用计算机控制的紫外激光器进行以扫描层来选择性固化部分层。