制造三维打印碳粘接复合制品的方法与流程

本公开内容一般地涉及用于由组合物增材制造复合结构的系统和方法。

背景技术：

1、复合材料是由多种不同成分制成的材料，当将多种不同成分组合在一起时具有胜过单个成分的同一特性的增强的特性。例如，复合材料可以比用于制造复合材料的成分材料更轻、更强、更硬、更坚固、更坚韧、更耐热等。复合材料的一个实例应用是在高温环境中，其中重量、强度和耐久性是重要的考虑因素。这可以包括航空航天应用，例如飞行或空间交通工具发动机的部件、隔热罩和火箭喷嘴；核应用，例如燃料棒绝缘体；和其他应用。

2、多种类型的复合材料可以用于高温环境。这些类型包括碳粘接纤维复合材料(cbfc)，例如碳粘接碳和碳粘接陶瓷复合材料；和陶瓷基质复合材料(cmc)，例如陶瓷粘接碳和陶瓷粘接陶瓷复合材料等。虽然这些类型的复合材料可以提供许多益处，但其制造可能是困难、耗时和昂贵的。因此，其用途目前是有限的。

3、例如，用于制造cbfc或cmc部件的典型制造过程包括首先用促进纤维的各向异性性能的材料涂覆纤维(例如，碳纤维或陶瓷纤维)。然后通过手将经涂覆的纤维铺入模具中或缠绕在心轴上，二者均具有形容不出的形状和显著大于期望部件的预期最终尺寸的尺寸。此后，将纤维用树脂浸透，并将模具、纤维和树脂放入烘箱中并加热至树脂热解成碳或陶瓷的温度。热解在所得结构中产生空隙，然后必须用更多树脂来填充该空隙。将模具再次放入烘箱中并加热，并且重复过程直至所得结构的孔隙率足够低以用于预期应用。在该时间点，产生了一般形状的复合材料块，然后必须将其减材加工至期望的最终形状。由于复合材料(尤其是cmc)的硬度，机械加工可能是困难的。

4、虽然cbfc和cmc在某些应用中可以表现良好，但制造其的过程非常耗费人力、时间和材料。这使得这些复合部件变得昂贵并限制了其应用。所公开的增材制造系统和方法被独特地配置成解决现有技术的这些和其他问题。

技术实现思路

1、在一个方面中，本公开内容涉及使用增材制造系统制造三维打印碳粘接复合制品的方法。所述方法可以包括从打印头中排出可固化组合物。可固化组合物可以包含：a)h/c原子比为0.4至1.6的至少一种芳族可光化固化组分，所述至少一种芳族可光化固化组分选自(甲基)丙烯酸酯低聚物、环氧官能化化合物、氧杂环丁烷官能化化合物及其混合物；和b)包含至少一种可光化固化单体的至少一种稀释剂。可固化组合物还可以包含c)增强物和d)光引发剂。所述方法还可以包括在排出期间照射可固化组合物以使可固化组合物至少部分地光化固化，并形成三维碳粘接复合制品的预制件。

2、在一个方面中，所述方法还包括对预制件进行热解以形成三维打印碳粘接复合制品。

3、在一个方面中，在照射可固化组合物之前，可固化组合物的在25℃下的粘度为至多60,000mpa.s。

4、在一个方面中，a)包括h/c原子比为0.7至1.4的至少一种芳族可光化固化组分。

5、在一个方面中，b)包括芳族含量为至少1的可光化固化单体。

6、在一个方面中，基于光化固化之后a)、b)和d)的重量，可固化组合物在热解之后产生按照通过热重分析在400℃下保持3小时之后测量的至少18重量％的炭，特别地至少20重量％的炭，更特别地大于22.5重量％的炭，甚至更特别地大于25重量％的炭。

7、在一个方面中，a)包括(甲基)丙烯酸酯化的环氧酚醛清漆树脂。

8、在一个方面中，a)和b)的组合的净h/c原子比为0.4至1.6。

9、在一个方面中，a)包括每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种芳族可光化固化组分。

10、在一个方面中，a)包括每分子含有至少两个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种芳族可光化固化组分。

11、在一个方面中，a)包括每分子含有至少一个环氧基的至少一种芳族可光化固化组分。

12、在一个方面中，a)包括每分子含有至少一个环氧基和每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种芳族可光化固化组分。

13、在一个方面中，a)包括每分子含有至少一个环氧基的第一化合物和每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的第二化合物。

14、在一个方面中，b)包括每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种可光化固化单体。

15、在一个方面中，b)包括每分子含有至少两个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种可光化固化单体。

16、在一个方面中，b)包括每分子含有至少一个环氧基的至少一种可光化固化单体。

17、在一个方面中，b)包括每分子含有至少一个环氧基和每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的至少一种可光化固化单体。

18、在一个方面中，b)包括每分子含有至少一个环氧基的第一化合物和每分子含有至少一个(甲基)丙烯酸酯基的第二化合物。

19、在一个方面中，c)包括碳纤维。

20、在一个方面中，c)包括连续纤维。

21、在一个方面中，c)包括以可固化组合物的至少0.5重量％的量存在的颗粒。

22、在一个方面中，c)包括纤维并且以可固化组合物的至少0.5重量％的量存在。

23、在一个方面中，增强物是不透明的并且可固化组合物还包含至少一种uv透明增强物。

24、在一个方面中，可固化组合物还包含至少一种热引发剂，特别地偶氮化合物或过氧化物，更特别地偶氮腈或有机过氧化物。

25、在一个方面中，a)为(甲基)丙烯酸酯化的环氧酚醛清漆树脂，b)选自乙氧基化的双酚a二丙烯酸酯(特别地乙氧基化的3双酚a二丙烯酸酯)、丙烯酸2-苯氧基乙酯、丙烯酸叔丁基环己酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸酯三丙烯酸酯、单氧乙烯对异丙苯基苯基醚丙烯酸酯或聚氧乙烯对异丙苯基苯基醚丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、及其混合物，d)为氧化膦，以及可固化组合物还包含至少一种热引发剂。

26、在一个方面中，可固化组合物还包含选自以下的至少一种不可固化的成炭成分：焦油沥青、石油产品、非官能化酚醛清漆、carbore、沥青、褐煤、焦油、杂酚油及其混合物。

27、在一个方面中，可固化组合物还包含为木质素的至少一种不可固化的成炭成分。

28、在一个方面中，照射可固化组合物使预制件中的可固化组合物热解。

29、在一个方面中，所述方法还包括用液体和气体中的至少一者对预制件进行致密化。

30、在一个方面中，液体和气体中的至少一者为可固化组合物。

31、在一个方面中，所述方法还包括加热预制件以使液体和气体中的至少一者热解。

32、在一个方面中，所述方法还包括重复致密化和加热直至实现三维打印碳粘接复合制品中的至少阈值孔隙率。

33、在一个方面中，致密化包括将液体和气体中的至少一者从位于打印头上的供应器引导到预制件中。

34、在一个方面中，加热包括将热量从位于打印头上的加热器引导到预制件中。

35、在一个方面中，照射包括将固化能量从位于打印头上的固化增强器引导到预制件中。

36、在一个方面中，排出、照射、致密化和加热同时完成。

37、在一个方面中，排出、照射、致密化和加热在不同的位置处完成。

38、在一个方面中，本公开内容涉及制造三维打印碳粘接复合制品的另外的方法。该方法可以包括从打印头中排出在25℃下的粘度为至多60,000mpa.s的可固化组合物。可固化组合物可以包含：a)h/c原子比为0.4至1.6的至少一种芳族可光化固化组分，所述至少一种芳族可光化固化组分选自(甲基)丙烯酸酯低聚物、环氧官能化化合物、氧杂环丁烷官能化化合物及其混合物；b)包含至少一种可光化固化单体的至少一种稀释剂；c)碳增强物和陶瓷增强物中的至少一者；和d)光引发剂。所述方法还可以包括在排出期间将来自安装在打印头上的固化增强器的固化能量引导至可固化组合物，以使可固化组合物至少部分地固化并形成三维打印碳粘接复合制品的预制件。所述方法还可以包括在排出期间用安装在打印头上的加热器加热预制件以使预制件中的可固化组合物热解，其中基于光化固化之后a)、b)和d)的重量，可固化组合物在加热期间产生按照通过热重分析在400℃下保持3小时之后测量的大于18重量％的炭。

39、在一个方面中，所述方法包括在加热之后用液体和气体中的至少一者对预制件进行致密化，以及加热预制件以使液体和气体中的至少一者热解。