用于建筑部件和建筑物的具有连续纤维增强体的可自由基聚合复合材料的三维打印的制作方法

本公开总体上涉及三维打印，并且更具体地，涉及建筑部件和结构的三维打印。

背景技术：

1、复合材料的纤维增强体常见于诸如汽车、飞机和土木工程等行业，以用于改进复合材料的整体载重能力。三维(“3d”)打印领域中的最新应用包括形成复杂零件，该复杂零件具有在内部用连续纤维增强的主要材料基质。这可以包含3d打印，该3d打印利用嵌入在不同种类的材料基质内的连续纤维和多样芯组合物。

2、例如，热塑性材料可以作为主要基质材料应用，并且连续纤维可以用作第二增强材料。这典型地包含用热塑性基质浸渍的复合纤维。可以将复合纤维束或“长丝”放入挤出机中，在挤出机中，将长丝加热到超过基质材料的熔点的温度，在此之后，通过喷嘴挤出熔融层，并且可以成层地形成沉积零件。诸如通过在打印过程期间在打印机内侧浸渍纤维，干纤维可以用快速固化热固性树脂原位浸渍，而不是使用昂贵的预浸纤维。然后，经浸渍的纤维可以通过打印机拉出，并且使用高强度能源来固化，从而得到3d复合零件。

3、遗憾的是，由于熔融热塑性材料的极高粘度，可能难以确保纤维用热塑性材料的高质量浸渍。所得的打印复合材料可能太多孔，使得纤维和硬化的热塑性材料无法很好地配合在一起。尽管施加极高的压力可以克服这种浸渍质量差的趋势，但是高压可能然后造成对纤维的损害，并且导致成品打印材料的内部结构的不均匀。

4、将热塑性材料作为长丝供应到挤出机中的进一步的缺点是，这限制了可以用于制造打印零件的基质材料的多样性，并且还可以显著增加生产成本。使用长丝的又一个缺点是，所使用的纤维的类型和增强材料在热塑性材料中的百分比是由增强长丝的原始制造严格确定的，这严重制约了成品设计灵活性，并且减弱了打印或制造具有复杂结构的3d对象的能力。

5、在主要使用已经表明在强度和效率方面相对较差的均质塑料或其他材料的情况下，可能出现附加的缺点。特别地，由于最终产品具有不足的承载能力、阻燃性和满足建筑建造的相对高性能标准所需的其它成品材料属性，使用纤维增强材料的目前的3d打印技术在建筑建造领域中是不充分的。

6、尽管3d打印纤维增强物品的传统办法在过去收效良好，但改进总是有用的。特别地，所期望的是用于3d打印纤维增强产品的系统和方法，该纤维增强产品具有满足建筑建造行业的高性能标准的材料属性，并且具有更大的设计灵活性。

技术实现思路

1、本公开的优点是提供了用于3d打印具有满足建筑建造行业的高性能标准的材料属性的纤维增强建筑部件的改进的系统和方法，以及在此类系统和方法中提供更大的设计灵活性。所公开的特征、设备、系统和方法提供了改进的3d解决方案，该3d解决方案包含具有纤维增强芯的层的3d打印。这些优点可以至少部分地通过在打印过程期间在打印设备本身处将单独的基础复合材料与单独的纤维束组合来实现，并且还可以包含用作为粘结剂的浸渍液体浸透纤维束以加强基础复合材料与纤维束之间的接触。

2、在本公开的各种实施例中，一种3d打印设备可以至少包括基础复合材料通道、纤维束通道和纤维进给部件。基础复合材料通道可以被配置为通过3d打印设备传递基础复合材料。纤维束通道可以被配置为通过3d打印设备传递纤维束，并且纤维束可以至少在进入3d打印设备时与基础复合材料是分开的。纤维进给部件可以被配置为通过纤维通道进给纤维束，以便促进纤维束与基础复合材料的组合，以形成具有在基础复合材料内的纤维束的3d打印建筑部件层。

3、在各种详细实施例中，单独的纤维束可以在进入3d打印设备之前用浸渍材料预浸渍。在不使用预浸渍纤维束的其他详细实施例中，3d打印设备可以进一步包括浸渍材料通道，该浸渍材料通道被配置为在纤维束在3d打印设备内时传递浸渍材料以浸渍纤维束。该3d打印设备还可以包括：基础复合材料供应源连接器，其被配置为将基础复合材料通道联接到单独的可更换基础复合材料供应源；纤维束供应源连接器，其被配置为将纤维束通道联接到单独的可更换纤维束供应源；以及在使用浸渍材料的情况下的浸渍材料供应源连接器，其被配置为将浸渍材料通道联接到单独的可更换浸渍材料供应源。纤维束的浸渍可以在纤维束已经过纤维进给部件之后进行。

4、在进一步的详细实施例中，浸渍材料可以是液体，并且穿过浸渍材料通道的浸渍液体的体积在从约0.2l/hr至约8.0l/hr的范围内。此外，穿过基础复合材料通道的基础复合材料的体积可以在从约8l/hr至约245l/hr的范围内，并且纤维束的挤出速度可以在从约40mm/s至约1000mm/s的范围内。在一些布置中，纤维束通道的出口可以定位在基础复合材料通道的出口上方，以促进在挤出基础复合材料的顶部挤出纤维束。在其他布置中，纤维束通道的出口可以定位在基础复合材料通道的出口下方，以促进在挤出基础复合材料的底下挤出纤维束。3d打印设备还可以包括：联接部件，其被配置为将3d打印设备联接到移动打印装置，该移动打印装置可以是计算机数字控制系统或机器人臂。所得的3d打印建筑部件可以具有满足或超过标准建筑建造规范的材料属性。

5、在本公开的各种进一步的实施例中，一种3d打印系统可以包括：可移动打印机头，其容纳多个3d系统部件；基础复合材料通道，其位于打印机头内并且被配置为通过打印机头传递基础复合材料；纤维束通道，其位于打印机头内并且被配置为通过打印机头传递纤维束，其中，纤维束与基础复合材料是分开的；浸渍材料通道，其位于打印机头内并且被配置为在纤维束在打印机头内时传递浸渍材料以浸渍纤维束；以及纤维进给部件，其位于打印机头内并且被配置为通过纤维通道进给纤维束。纤维进给部件可以促进纤维束与基础复合材料的组合，以形成具有在基础复合材料内的纤维束的3d打印建筑部件层，并且3d打印建筑部件可以具有满足或超过标准建筑建造规范的材料属性。

6、该3d打印系统还可以包括：基础复合材料供应源，其是可更换的并且将基础复合材料供应到基础复合材料通道中；基础复合材料供应源连接器，其将基础复合材料通道联接到基础复合材料供应源；纤维束供应源，其是可更换的并且将纤维束供应到纤维束通道中；纤维束供应源连接器，其将纤维束通道联接到纤维束供应源；浸渍材料供应源，其是可更换的并且将浸渍材料供应到浸渍材料通道中；以及浸渍材料供应源连接器，其将浸渍材料通道联接到浸渍材料供应源。该3d打印系统还可以包括：移动打印装置，其被配置为在3d打印系统的操作期间移动打印机头；以及联接部件，其将打印机头联接到移动打印装置。

7、在本公开的更进一步的实施例中，提供了3d打印具有满足或超过标准建筑建造规范的材料属性的建筑部件的各种方法。相关的过程步骤可以包括：通过3d打印设备内的基础复合材料通道供应基础复合材料；引导纤维束通过3d打印设备内的纤维束通道，其中，纤维束与基础复合材料是分开的；通过至少一个喷嘴同时挤出纤维束和基础复合材料以形成具有在基础复合材料内的纤维束的打印层；以及使用电磁辐射或热来固化打印层。

8、在各种详细实施例中，纤维束可以在进入3d打印设备之前用浸渍材料预浸渍。在不使用预浸渍纤维束的其他详细实施例中，方法步骤还可以包括：通过3d打印设备内的浸渍材料通道提供浸渍材料，以及在3d打印设备内用浸渍材料浸透纤维束以形成经浸渍的纤维束。浸渍材料可以是流体，并且穿过浸渍材料通道的浸渍液体的体积可以在从约0.2l/hr至约8.0l/hr的范围内。在各种布置中，可以重复挤出和固化步骤，直到建筑部件形成，其中建筑构件具有多个打印层。

9、在各种详细实施例中，基础复合材料可以包括至少一种丙烯酸单体或低聚物、无机填料和至少一种可溶性聚合引发剂。基础复合材料还可以包括增稠剂、粘附促进剂、增韧剂、一种或多种增塑剂和/或至少一种阻燃剂。此外，纤维束可以包括选自由以下各项组成的组的一种或多种材料：尼龙、芳族聚酰胺、碳、玻璃纤维、玄武岩和丝绸。在一些布置中，纤维束可以是在基础复合材料的顶部挤出的。在其他布置中，纤维束可以被挤出，使得它至少部分地被插入到基础复合材料中。

10、电磁辐射可以包括具有在从约200nm至约420nm的范围内的波长和在从约0.1w/cm2至约10w/cm2的范围内的光强的紫外光。此外，穿过基础复合材料通道的基础复合材料的体积在从约8l/hr至约245l/hr的范围内，并且纤维束的挤出速度在约40mm/s至约1000mm/s的范围内。更进一步地，基础复合材料可以包括按重量计占基础复合材料的从约1％至约12％的一种或多种增塑剂，并且一种或多种增塑剂可以至少包括磷酸三(氯丙基)酯、磷酸三甲苯酯或偏苯三酸三(2-乙基己基)酯。基础复合材料的粘度可以在从约100,000cp至约160,000cp的范围内，并且一种或多种增塑剂的使用可能得到打印建筑部件中从约0.05％至约0.15％的相对翘曲水平。纤维束可以具有在从约0.7mm至约6mm的范围内的直径，并且打印层具有从约3mm至约8mm的范围内的厚度和在从约10mm至约26mm的范围内的宽度。在各种布置中，纤维束尺寸可以由载重要求和打印层的尺寸限定，并且纤维束具有在占打印层的平均横截面积的从约1％至约20％的范围内的横截面积。

11、本领域技术人员在审查以下附图和详细说明后，本公开的其他设备、方法、特征和优点将是显而易见的或将变得显而易见。所有这些附加的设备、方法、特征和优点都旨在被包括在本说明书中、在本公开的范围内并且受到所附权利要求的保护。