способ и устройство для изготовления компонента из композиционного материала

Формула изобретения

1. Способ аддитивного изготовления компонента из композиционного материала, содержащего матрицу и множество армирующих элементов, содержащихся в матрице, включающий в себя следующие этапы:

- формирование последовательности слоев композиционного материала, причем каждый из слоев формируют поверх предшествующего слоя, и

- приложение электромагнитного поля к композиционному материалу перед формированием поверх него следующего слоя, причем электромагнитное поле вызывает поворот в матрице, по меньшей мере, некоторых армирующих элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя направление энергии на выбранные части каждого из слоев перед формированием поверх него следующего слоя, причем энергия отверждает и/или объединяет выбранные части каждого из слоев.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что композиционный материал содержит порошок, причем каждая из частиц порошка содержит множество армирующих элементов, содержащихся в матрице; и энергия объединяет выбранные части порошкового пласта путем плавления матрицы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что электромагнитное поле вызывает поворот, по меньшей мере, некоторых частиц порошка.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что включает в себя перемешивание композиционного материала при приложении электромагнитного поля.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что композиционный материал перемешивают с помощью ультразвука.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые армирующие элементы поворачиваются относительно друг друга.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя приложение различных электромагнитных полей, по меньшей мере, к двум из слоев.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя формирование, по меньшей мере, двух слоев разной формы, размера или конфигурации.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что армирующие элементы содержат углеродные нанотрубки или углеродные нановолокна.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что армирующие элементы содержат одностеночные углеродные нанотрубки.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что армирующие элементы в каждом слое поворачиваются при выходе из подающей головки или после формирования этого слоя на поверхности предыдущего слоя.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что последовательности слоев композиционного материала формируют на платформе формирования, и армирующие элементы поворачиваются на платформе формирования.

14. Компонент из композиционного материала, полученный способом по любому из пп.1-13.

15. Устройство для аддитивного изготовления компонента из композиционного материала, содержащего матрицу и множество армирующих элементов, причем устройство содержит:

- платформу формирования;

- систему для формирования последовательности слоев композиционного материала на платформе формирования, причем каждый из слоев формируют поверх предшествующего слоя, и

- электрод для приложения электромагнитного поля к композиционному материалу перед формированием поверх него следующего слоя, причем электромагнитное поле вызывает поворот, по меньшей мере, некоторых армирующих элементов.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу изготовления компонента из композиционного материала.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Применение электромагнитных полей для выравнивания углеродных нанотрубок (CNT) в жидкой композиционной матрице хорошо известно. См., например, «Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an Electric Field» C.Park, J.Wilkinson, S.Banda, Z.Ounaies, K.E.Wise, G.Sauti, P.T.Lillehei, J.S.Harrison, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 2006, 44, 1751-1762. В этой статье описывается применение поля переменного тока различной мощности и частоты.

Недостаток таких технологий состоит в том, что поле может выравнивать CNT только в относительно тонком слое. Выравнивание CNT в объемном материале невозможно, поскольку необходимо преодолеть объем композиционной матрицы с помощью поля достаточной мощности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ аддитивного изготовления компонента из композиционного материала, содержащего матрицу и множество армирующих элементов, включающий в себя следующие этапы:

- формирование последовательности слоев композиционного материала, причем каждый из слоев формируют поверх предшествующего слоя, и

- приложение электромагнитного поля к композиционному материалу перед формированием поверх него следующего слоя, причем электромагнитное поле вызывает поворот, по меньшей мере, некоторых армирующих элементов.

Каждый из слоев может быть объединен и/или отвержден путем направления энергии на выбранные части слоя перед формированием поверх него следующего слоя. Например, в структуре «порошкового пласта» в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения композиционный материал содержит порошок, причем каждая из частиц порошка содержит множество армирующих элементов, содержащихся в матрице; и энергия объединяет выбранные части каждого из слоев путем плавления матрицы. В этом случае электромагнитное поле вызывает поворот, по меньшей мере, некоторых из частиц порошка.

Предпочтительно композиционный материал смешивается при приложении электромагнитного поля, например путем размешивания или ультразвукового перемешивания.

Армирующие элементы можно выравнивать перед приложением электромагнитного поля, и в этом случае элементы могут поворачиваться совместно. Например, поле может вызвать их совместный поворот из перпендикулярной ориентации в наклонную. Однако предпочтительно, по меньшей мере, некоторые из элементов поворачиваются друг относительно друга, например, для совместного выравнивания из беспорядочного состояния.

Свойства компонента можно регулировать путем приложения разных электромагнитных полей, по меньшей мере, к двум из слоев. Например, ориентация, конфигурация, мощность и/или частота приложенного поля может изменяться для разных слоев.

Предпочтительно способ включает в себя также формирование, по меньшей мере, двух из слоев разных форм, размеров или конфигураций. Это позволяет сформировать компонент в так называемой «готовой форме» путем формирования каждого из слоев под управлением компьютерной модели желаемой готовой формы.

Армирующие элементы предпочтительно имеют удлиненную структуру, такую как трубки, волокна или пластины. Армирующие элементы могут быть сплошными или трубчатыми. Например, армирующие элементы могут содержать одностеночные углеродные нанотрубки (CNT), многостеночные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна или углеродные нанотрубки, покрытые слоем аморфного углерода или металла.

Предпочтительно, по меньшей мере, один из армирующих элементов имеет аспектное отношение больше 100, предпочтительно больше 1000 и наиболее предпочтительно больше 10⁶.

Армирующие элементы могут быть сформированы из любого материала, такого как карбид кремния или оксид алюминия, но предпочтительно армирующие элементы формируют из углерода. Это предпочтительно благодаря прочности и жесткости связи углерод-углерод и электрическим свойствам, обнаруженным в углеродных материалах.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается устройство для аддитивного изготовления компонента из композиционного материала, содержащего матрицу и множество армирующих элементов, причем устройство содержит:

- платформу формирования;

- систему для формирования последовательности слоев композиционного материала на платформе формирования, причем каждый из слоев формируют поверх предшествующего слоя, и

- электрод для приложения электромагнитного поля к композиционному материалу перед формированием поверх него следующего слоя, причем электромагнитное поле вызывает поворот, по меньшей мере, некоторых армирующих элементов.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается композиционный порошок, причем каждая из частиц порошка содержит множество армирующих элементов, содержащихся в матрице.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предлагается способ получения композиционного порошка, включающий в себя разрезание волокна на последовательность отрезков, причем каждый из отрезков представляет собой частицу порошка, при этом волокно содержит множество армирующих элементов, содержащихся в матрице.

Предпочтительно армирующие элементы в волокне являются, по меньшей мере, частично выровненными по отношению друг к другу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ниже будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 представлено поперечное сечение волокна.

На фиг.2 представлено волокно, разрезанное на последовательность отрезков.

На фиг.3 представлен слой полимерного порошка с частицами, случайно выровненными в трех измерениях.

На фиг.4 представлена система аддитивного изготовления порошкового пласта.

На фиг.5 представлено выравнивание слоя с помощью электромагнитного поля.

На фиг.6 представлен источник энергии, расплавляющий полимерный порошок в единый слой.

На фиг.7 представлен трехслойный компонент.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 представлена часть отрезка волокна 1. Волокно 1 содержит множество одностеночных углеродных нанотрубок (SWNT) 2, содержащихся в полимерной матрице. SWNT 2 выровнены параллельно отрезку волокна 1.

Волокно 1 может быть сформировано несколькими способами, включая электропрядение и прядение из расплава. При электропрядении волокно 1 вытягивают из вязкого полимерного раствора путем приложения электрического поля к капле раствора (чаще всего на кончике металлической иглы). Раствор содержит случайно выровненные SWNT, но SWNT, по меньшей мере, частично выравниваются в процессе электропрядения. См., например:

- CHARACTERISTICS OF ELECTROSPUN CARBON NANOTUBE-POLYMER COMPOSITES; Heidi Schreuder-Gibson, Kris Senecal, Michael Sennett, Zhongping Huang, JianGuo Wen, Wenzhi Li, Dezhi WangI, Shaoxian Yang, Yi Tul, Zhifeng Ren & Changmo Sung, доступную онлайн по адресу:

http://lib.store.yahoo.net/lib/nanolab2000/Composites.pdf

Краткий обзор диссертации, озаглавленной PREPARATION AND ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF ELECTROSPUN FIBERS OF CARBON NANOTUBE-POLYMER NANOCOMPOSITES, BIBEKANANDA SUNDARAY, доступный онлайн по адресу:

http://www.physics.iitm.ac.in/research files/synopsis/bibck.pdf

Затем волокно 1 разрезают на последовательность коротких отрезков 3, как показано на фиг.2, причем каждый из отрезков 3 представляет собой частицу порошка. Затем порошок можно применять в качестве сырья для процесса аддитивного изготовления порошкового пласта, как показано на фиг.3-6. Следует отметить, что частицы 3 порошка схематически представлены на фиг.3-6 в виде сфер, а не продолговатых цилиндров, для простоты иллюстрации.

Как показано на фиг.3, частицы 3 порошка первоначально выровнены случайно в трех измерениях.

На фиг.4 представлена система аддитивного изготовления порошкового пласта. Вал (не показан) поднимает порошковое сырье из одного из пары контейнеров подачи (не показаны) и раскатывает непрерывный пласт порошка по платформе 10 формирования. Вал придает степень уплотнения соседних частиц порошка, как это показано на фиг.4.

В систему аддитивного изготовления слоев встроен источник сильного электромагнитного поля (т.е. электроды 11, 12) и источник ультразвукового перемешивания, такой как ультразвуковая сирена 14.

При ультразвуковом перемешивании частицы 3 могут свободно поворачиваться вокруг собственных осей, что при приложении электромагнитного поля вызывает поворот частиц и их выстраивание в ряд относительно друг друга в направлении поля, как показано на фиг.5.

Можно применять различные формы электромагнитного поля. Например, поле может быть постоянного тока или переменного тока. Доминантной может являться электрическая или магнитная составляющая. Примеры соответствующих полей описаны в следующих документах:

http://www.trnmag.com/Stories/2004/042104/Magnets align nanotubes in resin Brief 042104.html. В этой статье описывается способ, при котором одностеночные нанотрубки смешивают с тиксотропным полимером. Когда смесь подвергали воздействию магнитных полей, превышающих 15 Тл, нанотрубки выстраивались в ряд в направлении поля;

«Aligned Single Wall Carbon Nanotube Polymer Composites Using an Electric Field» C.Park, J.Wilkinson, S.Banda, Z.Ounaies, K.E.Wise, G.Sauti, P.T.Lillehei, J.S.Harrison, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 2006, 44, 1751-1762. В этой статье описывается приложение поля переменного тока разной мощности и частоты для выравнивания CNT.

Затем при включенном поле включают источник 15 тепла, представленный на фиг.6, для плавления материала полимерной матрицы и формирования единого слоя 16, сохраняя при этом общую ориентацию CNT. Источник 15 тепла может являться, например, лазером, луч которого сканирует платформу формирования и направляет энергию на выбранные части пласта. Тепло расплавляет и объединяет выбранные части пласта, а всякий нерасплавленный порошок может быть удален после завершения процесса.

Затем процесс повторяют для формирования компонента 20 с последовательностью слоев 16, 21, 22, представленной на фиг.7. Лазерный луч перемещается и модулируется под управлением компьютерной модели для формирования каждого отдельного слоя желаемой готовой формы. Следует отметить, что CNT в каждом из слоев 16, 21 выравнивают перед формированием поверх него следующего слоя. Благодаря такому постепенному или последовательному выравниванию CNT (вместо попытки выровнять все CNT во всех слоях одновременно) для получения желаемой степени выравнивания требуется только относительно малое количество энергии.

Следует отметить, что свойства компонента можно регулировать путем приложения разных электромагнитных полей к сырью, по меньшей мере, в двух слоях. Например, SWNT по фиг.7 выровнены под углом 90° к платформе формирования в слое 16, под углом -45° к платформе формирования в слое 21 и под углом +45° к платформе формирования в слое 22. Помимо изменения ориентации можно также изменять конфигурацию, мощность или частоту применяемого поля для разных слоев.

Хотя выше настоящее изобретение описывается на примере одного или более предпочтительных вариантов осуществления, следует отметить, что различные изменения или модификации могут быть сделаны, не выходя за рамки настоящего изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

Например, в первой альтернативной структуре композиционный материал может содержать фотоотверждающуюся жидкость, содержащуюся в баке. Бак содержит платформу формирования, которая слегка поднимается над поверхностью жидкости для формирования тонкого слоя жидкости. Затем указанный тонкий слой подвергают воздействию электромагнитного поля для поворота армирующих элементов. Затем тонкий слой сканируют лазером в выбранной конфигурации для избирательного отверждения жидкости.

Во второй альтернативной структуре композиционный материал может быть осажден из подающей головки на выбранные части зоны формирования. Примером такого процесса является так называемый процесс «порошкового питателя», при котором порошковое сырье выпускают из сопла и расплавляют по мере выхода из сопла. Сопло сканирует платформу формирования, и струю расплавленного порошка включают и выключают по мере необходимости. В этом случае армирующие элементы могут поворачиваться при выходе из подающей головки или на платформе формирования после осаждения. Следует отметить, что при описанных выше способах компонент постепенно наращивается последовательными слоями, но в этом случае слои могут являться не плоскими и/или не горизонтальными.