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TW202224914A - 加強連續纖維積層製造的疊層之製程 - Google Patents

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TW202224914A
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艾瑞克 巴尼斯
托伯特 思拉舍
提摩西 多明尼克
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美商諾斯拉普葛蘭門系統公司
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Abstract

一種使用3D印刷機來製造複合零件的方法。此方法包括藉由以連續的方式使複數個零件層沉積在彼此的頂部上來形成零件，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個零件層。加強Z形銷接著被插入通過零件層，以在Z方向上加強零件。在包括加強Z形銷的零件層上以連續的方式使複數個附加零件層沉積在彼此的頂部上，其中，亦藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個附加零件層。加強Z形銷亦被插入通過附加零件層，以在Z方向上加強零件。

Description

加強連續纖維積層製造的疊層之製程
本揭露內容大致關於一種用於積層製造熱塑性複合結構的方法，且更具體地，關於一種用於積層製造熱塑性複合結構的方法，其包括提供通過結構的層之加強Z形銷。
航空器、衛星、太空船及其他結構上的許多結構零件及部件需要為輕量化且堅固的，以滿足它們的預期用途。為了滿足這些需求，通常使用包括複數個疊層之複合結構，例如，玻璃纖維層、纖維強化塑膠層、碳纖維層等。例如，一些航空器表層結構包括三十個左右的疊層，其每一者具有約0.005 - 0.030英吋的厚度。一般來說，這些複合層是藉由鋪設交織的纖維(例如，碳纖維)圖案所形成的，這些纖維被浸入液體樹脂中，其中，藉由加熱來使樹脂固化，這使得其硬化。藉由適合的接合技術，例如，共固化(co-curing)、黏著接合(adhesive bonding)等，數個層被接合或固定在一起。
使用碳纖維複合技術製造這些零件中的部分零件的一種已知技術包括在工具上鋪設許多碳纖維層，其中，每一層或片的碳纖維層包括已被樹脂浸漬的碳纖維，且其中，纖維被交織成織物或帶子。碳纖維層以連續堆疊的方式被鋪設在工具上，其中，每一群預定數量的層經受真空及加熱步驟，以將層壓縮在一起並移除空氣，否則可能造成零件完整性(integrity)的損失。一旦所有的層均被建立，真空膜或袋被放置在組裝好的層上並密封到工具，其中，袋被抽空到一定的真空壓力。工具及密封零件接著被放置在高壓釜(autoclave)或加熱爐中，以固化樹脂並形成硬化零件。
在這些類型的複合結構的層壓層中，纖維的取向通常在沿纖維長度的X和Y方向上具有高強度，但在橫跨纖維的Z方向上具有相對較低的強度。因此，本領域中已知的是設置被插入橫跨這些層的機械緊固裝置，以提供在Z方向上之增加的強度。一個眾所周知的技術被稱作Z釘扎(Z-pinning)，其運用在Z方向上被插入且橫跨複合層壓層之Z形銷藉由提供在結構的Z方向上的強化而不是簡單地依靠黏著接合來提高抗分層性、增加面外(out of plane)剪力、並增加容損(damage tolerance)。
典型的Z形銷在直徑上為非常小的，例如，0.010-0.020”，其中，大量的這種Z形銷(例如，60-600個)可被交叉地插入到每平方英吋的疊層結構中。在一種插入技術中，在層壓層處於部分地固化或預浸料狀態(pre-preg state)的情況下，Z形銷被部分地插入到層壓層中的一者的頂表面中，其中，樹脂仍為軟化且柔韌的。超音波工具被定位在一群Z形銷上，其中，超音波能量產生一定程度的熱量，其進一步軟化樹脂，並允許Z形銷被插入通過層壓層而不會干擾纖維。
傳統的Z形銷具有圓柱形狀。然而，更現代的Z形銷具有各種形狀和尺寸。授予Jones等人之名稱為機械鎖定Z形銷的美國專利第6,514,593號被讓與給本申請案的受讓人且藉由引用被併入在本文中，其討論了傳統Z形銷的缺點並提出了在Z方向上具有增加的 Z釘扎能力之特定形狀的Z形銷。特定形狀的Z形銷通常較傳統圓柱形的Z形銷提供了更優異的性能，因為其藉由增加黏著接合的表面積、機械地鎖定到基質(matrix)中、以及鎖定到纖維加強中來減少從複合基質中的拉出(pullout)。然而，由於這些類型的Z形銷的形狀，它們更難以在疊層結構處於預浸料狀態的情況下使用超音波工具插入到疊層結構中，這是因為Z形銷的形狀在其被插入時改變了複合層中的纖維的位置。通常地，在插入特定形狀的Z形銷的過程中對纖維之這種類型的損壞會影響層的結構完整性。
傳統複雜的複合製造方法(例如，高壓釜固化的手積層(hand lay-up)、事先的纖維放置、帶子放置等)為勞力密集、昂貴、需要長前置作業且昂貴的工具、且通常需要有才能的製造技術人員。因此，已發展出替代方法。
熔融細絲製造(fused filament fabrication，FFF)為3D印刷的積層製造(additive manufacturing，AM)製程。更具體地，FFF製程將原料材料，例如，來自料斗的心軸或顆粒的細絲提供到被加熱的噴嘴，其從此處被擠出作為被加熱熔融的細絲，以被沉積為相鄰的多列條帶，以形成層，且其中，一旦熔融的細絲從噴嘴被擠出，其立即地開始硬化。以此方式建立特定配置的多個層，以產生理想的零件。一個已知的範例系統為可從Electroimpact獲得的可擴展複合機器人積層製造(scalable composite robotic additive manufacturing，SCRAM)系統，其為工業級真正的6軸連續纖維加強3D印刷機，其實現航太等級的集成複合結構之免工具快速製造。
可使用各種材料來作為原料材料，例如，高性能非晶質或半晶質熱塑性塑膠，其包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯碸(PPSF或PPSU)、聚醚醯亞胺(PEI)和聚苯(PPS)。可能適用於FFF的其他材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚醯胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、木質素、橡膠、碳纖維、玻璃纖維、石英纖維、克維拉纖維(Kevlar fiber)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、迪尼瑪(Dyneema)、耐衝擊聚苯乙烯(HIPS)、尼龍、高密度聚乙烯(HDPE)共晶材料(eutectic material)、橡皮泥(plasticine)、室溫硫化(RTV)矽等。
使用放置頭和固結預浸漬細絲或其他配置的預製件(preforms)(例如，編織帶、編結管(braided tube)等)所製造的所有積層製造連續纖維複合材料由於缺乏層間加強而將缺乏層間強度(interlaminar strength)。
2017年10月10日授予Barnes等人的美國專利第9,782,928號被讓與給本申請案的受讓人且藉由引用被併入在本文中，其描述一種用於加強熱塑性聚合物工件的系統，其使用藉由積層製造製程已至少部分地形成的線性Z形銷。超音波能量源對Z形銷施加超音波能量，以超音波地加熱Z形銷，且因此局部地熔化主題表面及/或工件本體的工件材料，以建立熔融的工件材料。Z形銷的一端被穿入熔融的工件材料中，以建立被插入的Z形銷長度，藉由圍繞被插入的Z形銷長度使熔融的工件材料固化在工件中維持此Z形銷長度，以加強工件。
以下的討論揭露及描述一種使用3D印刷機來製造複合零件的方法。此方法包括藉由以連續的方式使複數個零件層沉積在彼此的頂部上來形成零件，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個零件層。加強Z形銷接著被插入通過零件層，以在Z方向上加強零件。在包括加強Z形銷的零件層上以連續的方式使複數個附加零件層沉積在彼此的頂部上，其中，亦藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個附加零件層。加強Z形銷亦被插入通過附加零件層，以在Z方向上加強零件。加強Z形銷可被插入通過多個層以提供任何適合的加強配置。
從結合所附圖式之以下說明及所附申請專利範圍，本揭露內容的附加特徵將變得清楚明瞭。
關於包括提供加強Z形銷之積層製造熱塑性複合結構的方法之本揭露內容的實施例的以下討論本質上僅為例示性的，且並非意圖以任何方式限制本發明、或其應用或使用。
本揭露提出一種自動化方法，其藉由運用熱、機械、超音波、化學(用於軟化的溶劑)能量或其任意組合將在本文中被稱作Z形銷或棒體之Z方向的棒體、絲束、銷、細絲或晶鬚(whisker)插入複合結構來加強積層製造複合結構的層間特性。在將附接件插入積層製造加工頭的同時，Z形銷直接與零件表面接觸。插入可能發生在建立製程的過程中或之後，與積層製造製程同時或在層附加的過程中發生。Z形銷插入可能發生在所有或部分的層中，且可能逐層或多層地交錯，並在零件的所有區域或僅特定區域中變化。Z形銷的銷末端及至少部分的銷體被穿入到工件材料之硬、熔融或軟化的區域中，且插入Z形銷長度的主要部分或全部。藉由使在被插入的Z形銷長度附近之熔融的工件材料固化來在材料的體積中維持被插入的Z形銷長度，以加強複合結構。可手動地或經由自動化及/或整合機器人的製造系統來執行此製程。藉由在積層製造製程中發生之使層疊層的製程的過程中將Z形銷插入到結構中，對於結構性的複合材料，層間加強將會關鍵性地強化在厚度方向上之結構。應注意的是，雖然熱塑性複合材料對於在本文所討論的技術而言為較佳的材料，亦可能應用熱固性複合材料，其可能已事先加熱，以機械地及物理地表現出熱塑性。
圖1為3D印刷機10的等角視圖，3D印刷機10能夠藉由包括提供如上面所討論的Z形銷插入之FFF製程來建立零件，其中，機器10僅意圖為能夠執行在本文所討論的方法和製程之任何積層製造機器的代表。機器10包括機器人12，其具有底座部分14、藉由旋轉和樞轉接頭18被耦接到底座部分14的伸展臂16、以及相反於底座部分14藉由肘樞轉接頭22被耦接到伸展臂16的工作臂20。末端執行器26以與接頭22相反的角度藉由樞轉接頭28被耦接到工作臂20，樞轉接頭28具有耦接機構30。機器人12旨在代表用於末端執行器26之任何適合的定位裝置。末端執行器26作為印刷頭組件來操作，用於沉積熔融的細絲，以建立如本文所討論之複雜的複合結構。可運用各種末端執行器，其以特定方式操作且具有特定特徵，且其可被附接到機器人12。應注意的是，在操作的過程中，機器10可能會或可能不會被定位在烤爐(未顯示)中，使得印刷製程的溫度受到控制。
末端執行器26包括外殼體34、以及被可釋放地連接到耦接機構30的可旋轉連接器36，且末端執行器26被顯示為透明的以顯示其內的各種部件。這些部件包括其上捲繞了複數個各種材料的原料細絲42之多個心軸40、用於選擇性且獨立地從心軸40將細絲42拉出的驅動機構44、細絲42藉由驅動機構44被拉出從中通過的材料擠出機48、用於加熱擠出機48並使細絲42熔化的加熱器46、以及噴嘴50，噴嘴50用於將熔融的細絲42擠出末端執行器26，以使其被沉積在被安裝在平台54上的構建板52上。由於零件56正以一層一層的方式被建立在形成在構建板52上的支撐結構58上，零件56被顯示為藉由機器10被製造。心軸40可被安裝在末端執行器26中、或與要經由管(未顯示)被供給到末端執行器26的材料一起被遠端地安裝。或者，可藉由顆粒而非使用細絲42來提供原料材料。
圖2為正處於藉由積層製造製程(例如，藉由機器10)被製造的製程中的結構60的圖示。結構60包括具有四個層64的下疊層區段62，四個層64已藉由在先前的層上以上面所討論的方式並排地鋪設多列方形細絲而被形成，其中，層64中的線顯示細絲中的纖維66的方向以及細絲被鋪設的方向，且其中，層64可具有1/10,000英吋的厚度。顯而易見的是，藉由每一次完成一層64時使構建板52旋轉90度，細絲從一層64到下一層64相對於彼此呈90度來鋪設。細絲由熱塑性複合材料所做成，例如，形成在熱塑性基質或樹脂中的碳纖維。
如同上面所討論的，藉由積層製造製程所建立之此類型的結構可能在層64之間分離，因此減少了結構60在Z方向上的層間完整性。為了加強結構60，在Z方向上設置通過層64的Z形銷。為了在一個實施例中實現此目的，針70被插入通過層64，以在層64中形成孔72，且接著，棒體74(Z形銷)被插入通過孔72，其中，棒體74具有尖端76及平頭端78。針70能夠以任何適合的方式形成孔72。例如，針70可被超音波地震動，以提供進入層64的熱和插入能量，其中，層64的複合材料在剛被形成之後很可能是軟化或柔韌的。或者，針70可藉由適合的加熱源而被加熱，以允許其被插入到層64中。在一個非限制性實施例中，棒體74為碳纖維拉擠成型棒。棒體74可為較區段62的厚度更短的、具有與區段62的厚度相同的長度、較區段62的厚度更長的，使得平頭端78從區段62或任何這些長度的組合伸出。棒體74之間的間隔及棒體74的尺寸可為具體用於要製造的特定結構60之應用。此外，棒體74可被放置在區段62的特定區域中，且不會被放置在可能不需要加強的其他區域中。更具體地，棒體74的表面密度可針對具體應用加以訂製，其中，較高密度的棒體74可在一個位置處，且較低密度的棒體74可在另一個位置處。例如，棒體74的表面密度在一個位置處可為4%，且在結構60的指定面積或長度上轉變到0%。此外，雖然棒體74在本實施例中為圓柱形的，但在其他實施例中其可為不同形狀及配置的Z形銷。
上面所描述的方法包括做出孔72以及接著將棒體74插入的步驟。在替代實施例中，棒體74可由足夠的材料所製成，且具有足夠的穩固性(robustness)，其中，可使用，例如，超音波能量來將它們驅動到層64中，而不需要已經被做成的孔72。此外，除了使用針來形成孔72之外，可使用適合的溶劑來形成用於棒體74的開口。
一旦棒體74已被插入到層64中，結構60可繼續被製造。藉由具有以與區段62相同方式所形成的層82之上區段80來加以說明，其將以如同所描述之一層一層的方式被形成在區段62上。層82可為與層64相同的材料，或可依據特定應用及設計而為不同的材料。一旦已形成區段80，其亦能夠以與區段62相同的方式來接收棒體，使得其亦在Z方向上被加強。若棒體74的末端從區段62伸出，例如，由棒體84所顯示的，則接著形成層82的細絲可被引導圍繞棒體74。區段80中之棒體74的位置可為從區段62中之棒體74的位置偏離，使得它們未被彼此對準。在插入棒體74之前被形成之層的數量將依據許多因素，例如，層的厚度、層的材料等。
圖3為已藉由積層製造製程被製造之熱塑性複合結構90的圖示，熱塑性複合結構90包括已藉由在先前的層上以上面所討論的方式並排地鋪設多列方形細絲而被形成的層92，圖示顯示層92如何以特定加強配置藉由棒體94而可被縫合在一起。
圖4為已藉由積層製造製程被製造之熱塑性複合結構100的圖示，熱塑性複合結構100包括已藉由在先前的層上以上面所討論的方式並排地鋪設多列方形細絲而被形成的層102，圖示顯示層102如何以另一種加強配置藉由棒體104而可被縫合在一起。
在實際實施中，多根針70可被使用來同時形成多個孔72。圖5為末端執行器110的前視圖，末端執行器110可替換末端執行器26且被耦接到機器10上的耦接機構30，使得機器10可形成孔72。末端執行器110包括複數根針112，其可被使用來在層64中同時地形成複數個孔72。超音波或加熱源114震動及/或加熱針112，且裝置116將向下壓力施加在針112上，以形成孔72。
圖6為末端執行器120的前視圖，末端執行器120可替換末端執行器26且被耦接到機器10上的耦接機構30，使得機器10可將棒體74插入到孔72中。末端執行器100包括複數個棒體122，其被同時地插入到層64的複數個孔72中，且藉由釋放機構124來釋放。對於特定應用而言，超音波源126可被運用來使棒體122震動並將其驅動到層64中，而不需要提供孔72。
前述討論僅揭露並描述了本揭露內容的例示性實施例。從這樣的討論以及從所附圖式和申請專利範圍，熟知本領域技術人士將容易地了解的是，在不脫離如以下申請專利範圍中所界定之本揭露內容的精神和範疇的情況下，可在其中做出各種改變、修改和變化。
10:3D印刷機(機器) 12:機器人 14:底座部分 16:伸展臂 18:旋轉和樞轉接頭 20:工作臂 22:(肘樞轉)接頭 26:末端執行器 28:樞轉接頭 30:耦接機構 34:外殼體 36:可旋轉連接器 40:心軸 42:(原料)細絲 44:驅動機構 46:加熱器 48:(材料)擠出機 50:噴嘴 52:構建板 54:平台 56:零件 58:支撐結構 60:結構 62:(下疊層)區段 64:層 66:纖維 70:針 72:孔 74:棒體 76:尖端 78:平頭端 80:(上)區段 82:層 84:棒體 90:熱塑性複合結構 92:層 94:棒體 100:熱塑性複合結構 102:層 104:棒體 110:末端執行器 112:針 114:超音波或加熱源 116:裝置 120:末端執行器 122:棒體 124:釋放機構 126:超音波源
[圖1]為包括機器人和末端執行器之3D印刷機的等角視圖，末端執行器相對於在構建板(build plate)上被製造的零件進行定位；
[圖2]為藉由積層製造製程製造並藉由Z形銷加強的熱塑性複合分層零件的圖示；
[圖3]為藉由積層製造製程製造並藉由Z形銷加強的另一個熱塑性複合分層零件的圖示；
[圖4]為藉由積層製造製程製造並藉由Z形銷加強的另一個熱塑性複合分層零件的圖示；
[圖5]為圖1所顯示之機器人的末端執行器的圖示，用於在零件中設置接受Z形銷的孔；以及
[圖6]為圖1所顯示之機器人的末端執行器的圖示，用於將Z形銷插入到孔中。
60:結構
62:(下疊層)區段
64:層
66:纖維
70:針
72:孔
74:棒體
76:尖端
78:平頭端
80:(上)區段
82:層
84:棒體

Claims (20)

  1. 一種製造複合零件的自動化方法，該方法包括： 以連續的方式使複數個零件層沉積在彼此的頂部上，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一層；以及 插入加強Z形銷通過該等零件層，以在Z方向上加強該零件。
  2. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，還包括在包括該等加強Z形銷的該等零件層上以連續的方式使複數個附加零件層沉積在彼此的頂部上，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個附加零件層，以及插入加強Z形銷通過該等附加零件層，以在Z方向上加強該零件。
  3. 如請求項2之製造複合零件的自動化方法，其中，該等零件層及該等附加零件層中之至少一部分的該等加強Z形銷彼此偏離且未被對準。
  4. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷包括將該等Z形銷完全插入通過該等零件層。
  5. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷包括將該等Z形銷部分插入通過該等零件層。
  6. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷包括插入該等Z形銷，使得該等Z形銷的後端從該等零件層伸出。
  7. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷包括在一個位置處比在其他位置處提供更高密度的該等Z形銷。
  8. 如請求項7之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷包括從較高密度位置到較低密度位置轉變該等Z形銷的表面密度。
  9. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷通過該等零件層包括超音波地震動該等Z形銷並迫使該等Z形銷進入該等零件層。
  10. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，插入加強Z形銷通過該等零件層包括形成通過該等零件層的複數個孔並接著將該等加強Z形銷插入到該等孔中。
  11. 如請求項10之製造複合零件的自動化方法，其中，形成複數個孔包括使用至少一根針。
  12. 如請求項11之製造複合零件的自動化方法，其中，形成複數個孔包括超音波地震動該至少一根針。
  13. 如請求項11之製造複合零件的自動化方法，其中，形成複數個孔包括加熱該至少一根針。
  14. 如請求項11之製造複合零件的自動化方法，其中，形成複數個孔包括將複數根針同時插入到該等零件層中。
  15. 如請求項10之製造複合零件的自動化方法，其中，形成複數個孔包括使用溶劑。
  16. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，該等Z形銷為棒體。
  17. 如請求項16之製造複合零件的自動化方法，其中，該等棒體為碳纖維拉擠成型棒。
  18. 如請求項1之製造複合零件的自動化方法，其中，該熱塑性複合材料為熱塑性基質中的碳纖維。
  19. 一種製造複合零件的方法，該方法包括： 以連續的方式使複數個零件層沉積在彼此的頂部上，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個零件層； 插入加強棒體通過該等零件層，以在Z方向上加強該零件，使得至少部分的加強棒體從該等零件層伸出； 在包括該等加強棒體的該等零件層上以連續的方式使複數個附加零件層沉積在彼此的頂部上，其中，藉由鋪設由熱塑性複合材料所製成的多列細絲來沉積每一個附加零件層；以及 插入加強棒體通過該等附加零件層，以在該Z方向上加強該零件。
  20. 如請求項19之製造複合零件的方法，其中，插入加強棒體包括在一個位置處比在其他位置處提供更高密度的該等棒體。
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