使用具有低Tg和后结晶化的半结晶聚合物以用于简单的3D打印和温度稳定的产品制造技术

技术编号:18736469 阅读:27 留言:0更新日期:2018-08-22 05:04
本发明专利技术提供了利用熔融沉积成型3D打印机来制造3D物品(10)的方法,该方法包括:(a)提供热塑性材料(20),其中热塑性材料(20)包括半结晶型的第一聚合物(21),其中第一聚合物(21)具有玻璃化温度(Tg),并且其中热塑性材料(20)具有熔化温度(Tm);通过打印热塑性材料(20),在生成阶段中生成中间3D打印物品(110),其中热塑性材料(20)被加热到等于或高于熔化温度(Tm)的温度,同时在打印期间维持处于构建中的中间3D打印物品的环境温度(Ta)低于玻璃化温度(Tg);以及通过将中间3D打印物品(110)加热到等于或高于玻璃化温度(Tg),在退火阶段中生成上述3D物品(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用具有低Tg和后结晶化的半结晶聚合物以用于简单的3D打印和温度稳定的产品
本专利技术涉及用于制造3D物品的方法。本专利技术还涉及诸如能够利用这样的用于制造3D物品的方法获得的这样的3D物品。
技术介绍
熔融沉积成型(FDM)是本领域已知的。例如EP0833237描述了并入可动分配头和底座构件的装置,可动分配头被提供有在预定温度固化的材料的供应,底座构件沿“X”、“Y”和“Z”轴以预定模式相对于彼此移动,以通过将从分配头排放的材料以可控速率积聚到底座构件上来创建三维对象。装置优选是在利用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助(CAM)软件的过程中进行计算机驱动的,以生成用于在分配材料时分配头和底座构件的受控移动的驱动信号。可以通过沉积重复的固化材料层直到形成形状来制造三维对象。可以利用在固化时以足够的结合而附着到先前层的任何材料,诸如自硬化蜡、热塑性树脂、熔化的金属、两部分环氧树脂、发泡塑料和玻璃。每个层的基底由先前层限定,并且由分配头的尖端位于先前层之上的高度限定并严格控制每个层的厚度。WO-2015/069986公开了用于熔丝制造工艺的包括聚乳酸的树脂源。利用聚乳酸打印的对象的后制造退火是不可能的,因为这样的对象在退火所需的高于玻璃化转变温度的温度不能保持其形状。WO-2015/069986的树脂源包括以重量计在从50%至99%的范围内的聚乳酸和以重量计在从7%至40%的范围内的滑石。滑石是填充材料,其用于使得利用聚乳酸打印的对象能够进行后制造退火,以便针对这样的打印对象实现足够的耐久性和热稳定性。
技术实现思路
在接下来的10-20年内,数字制造将日益改变全球制造业的性质。数字制造的方面之一是3D打印。目前已开发出许多不同的技术,以便使用各种材料(例如,陶瓷、金属和聚合物)来生产各种3D打印对象。3D打印也可以用于生产模具,模具然后可以用于复制对象。为了制作模具,建议使用聚合物(polyjet)技术。该技术利用光可聚合材料的逐层沉积,光可聚合材料在每次沉积之后固化,以形成固体结构。尽管该技术产生光滑的表面,但光可固化材料不是非常稳定的,并且它们也具有相对低的导热性,以用于注塑应用。最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是通常用于成型、原型制作和生产应用的增材制造技术。FDM基于“增材”原理通过材料铺设成层来工作;塑料细丝或金属线从线圈上展开并供应材料,以产生零件。(例如,对于热塑性塑料),可以在铺设之前将细丝熔化并挤出。FDM是快速原型制作技术。FDM的另一术语是“熔丝制造”(FFF)。在本文中,应用术语“细丝3D打印”(FDP),其被认为等同于FDM或FFF。通常,FDM打印机使用热塑性细丝,将热塑性细丝加热至熔点(或高于其熔点),然后逐层(或实际上逐个细丝)挤出,以创建三维对象。FDM打印机相对较快,并且可以用于打印复杂的对象。与FDM相关联的问题之一是聚合物在打印期间的收缩。低于固化温度(玻璃化转变或熔化温度)的收缩导致内部应力的形成。这可能导致对象的变形、裂纹的形成以及其从打印板(本文中也称为“接收器物品”)的脱层。为了避免该问题,可以使用具有相对低的玻璃化温度Tg(通常低于80℃)的聚合物,以便将固化期间累积的应力最小化并避免相关联的问题。然而,看起来具有这样的低玻璃化(转变)温度的聚合物不适合于大多数(较高温度)应用。避免该问题的另一选择可能是使用加热的室。然而,使用这样的室在生产中可能具有缺点,因为其需要时间来加热和冷却,并且在这样的加热的室中的打印零件需要在3D打印期间从外部冷却,从而使得打印机成本昂贵。因此,本专利技术的一个方面是提供用于制造3D物品(“物品”)的替代性方法,该方法优选地进一步至少部分地避免上述缺点中的一个或多个,并且该方法尤其可以用于执行本文中描述的用于制造3D物品的方法。这里建议使用具有相对低的玻璃化(转变)温度Tg的半结晶聚合物。在打印期间,聚合物快速冷却/被快速冷却,使得其主要保持非晶。结果,仅玻璃化转变温度在应力积累中起作用,并且可以在没有问题的情况下产生打印零件。随后,(中间)3D打印物品可以被退火以诱导结晶。在退火阶段之后,可以诱导结晶度并且对象的使用温度增加到可能(比玻璃化温度)高得多的材料的熔化温度。因此,在第一方面中,本专利技术提供了用于利用熔融沉积成型3D打印机(本文中也指示为“FDM打印机”)来制造3D物品(“物品”或“对象”或“3D打印物品”)的方法,该方法包括:(a)提供热塑性材料(“混合物”),其中热塑性材料包括(a1)具有至少90%的质量分数的第一聚合物和(a2)具有0%-6%的质量分数的添加物,其中第一聚合物包括半结晶芳香族聚酯;(b)通过打印热塑性材料,在生成阶段中生成中间3D打印物品(“中间物品”或“中间对象”或“3D打印中间物品”),其中热塑性材料被加热到等于或高于热塑性材料的熔化温度(Tm)的温度,同时在打印期间将处于构建中的中间3D打印物品的环境温度(Ta)维持在低于第一聚合物的玻璃化温度(Tg)的温度;(c)通过将中间3D打印物品加热到等于或高于第一聚合物的玻璃化温度(Tg)的温度,在退火阶段中生成上述3D物品。利用这样的方法,可以生成3D物品,在没有3D打印物品的(实质)劣化(变形)风险的情况下,仍然可以在相对高的温度(例如,超过100℃、甚至高于150℃、以及远高于玻璃化温度)使用该3D物品。此外,可以获得没有形成(内部)应力或甚至裂缝或者形成减少的(内部)应力或甚至裂缝的3D物品。方法包括使用包含第一聚合物的热塑性材料,其中第一聚合物包含半结晶芳香族聚酯。换言之,热塑性材料包括半结晶型的第一聚合物。因此,如本领域已知的,第一聚合物可以基本不具有结晶度(即,是非晶的),但能够结晶,即变成具有结晶度和非晶形特征的半结晶聚合物。因此,该聚合物被指示为“半结晶型的第一聚合物”。因此第一聚合物混合物包括不具有或具有较低半结晶度(参见下文)的第一聚合物。将作为半结晶芳香族聚酯(即,可以形成半结晶聚合物物品)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与基本上不是半结晶聚合物的聚碳酸酯(PC)进行比较,看起来PET可以提供本专利技术的优点,而PC可以提供在打印对象中表现出收缩、翘曲、分层和裂缝的物品。热塑性材料特别地被提供为细丝。因此,代替术语“热塑性材料”,也可以使用术语“热塑性细丝”。第一聚合物具有玻璃化温度(Tg)和熔化温度(Tm)。特别地,第一聚合物具有低于150℃、更特别地低于120℃、例如甚至低于100℃的玻璃化温度(Tg)。特别地,玻璃化温度可以选自60℃-150℃的范围,诸如70℃-100℃。此外,在选自150℃-350℃的范围(诸如,150℃-300℃)、诸如特别是选自150℃-250℃范围的实施例中,第一聚合物特别地具有特别是至少120℃(诸如至少150℃,如更特别地至少200℃)的熔化温度(Tm),但更高的熔化温度也是可以的。熔化温度(Tm)高于玻璃化温度(即,Tm>Tg)。因此,在一些具体的实施例中,第一聚合物具有低于120℃的玻璃化温度(Tg)和至少150℃的熔化温度(Tm),诸如至少200℃的熔化温度(Tm)。在本文中,术语“第一聚合物”还可以指代多个不同的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用熔融沉积成型3D打印机(500)来制造3D物品(10)的方法,所述方法包括:‑提供热塑性材料(20),所述热塑性材料(20)包括(a)具有至少90%的质量分数的第一聚合物(21)、以及(b)具有0%‑6%的质量分数的添加物,其中所述第一聚合物(21)包括半结晶芳香族聚酯;‑通过打印所述热塑性材料(20),在生成阶段中生成中间3D打印物品(110),其中所述热塑性材料(20)被加热到等于或高于所述热塑性材料(20)的熔化温度(Tm)的温度,同时在打印期间维持处于构建中的所述3D打印物品(110)的环境温度(Ta)低于所述第一聚合物(21)的玻璃化温度(Tg);以及‑通过将所述中间3D打印物品(110)加热到等于或高于所述第一聚合物(21)的所述玻璃化温度(Tg)的温度,在退火阶段中生成所述3D物品(10)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.22 EP 15201894.11.一种利用熔融沉积成型3D打印机(500)来制造3D物品(10)的方法,所述方法包括:-提供热塑性材料(20),所述热塑性材料(20)包括(a)具有至少90%的质量分数的第一聚合物(21)、以及(b)具有0%-6%的质量分数的添加物,其中所述第一聚合物(21)包括半结晶芳香族聚酯;-通过打印所述热塑性材料(20),在生成阶段中生成中间3D打印物品(110),其中所述热塑性材料(20)被加热到等于或高于所述热塑性材料(20)的熔化温度(Tm)的温度,同时在打印期间维持处于构建中的所述3D打印物品(110)的环境温度(Ta)低于所述第一聚合物(21)的玻璃化温度(Tg);以及-通过将所述中间3D打印物品(110)加热到等于或高于所述第一聚合物(21)的所述玻璃化温度(Tg)的温度,在退火阶段中生成所述3D物品(10)。2.根据权利要求1所述的方法,其中所述熔融沉积成型3D打印机(500)包括接收器物品(550),并且其中所述方法还包括在所述生成阶段的至少一部分期间将所述接收器物品(550)维持在低于所述第一聚合物(21)的所述玻璃化温度(Tg)的温度。3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中所述熔融沉积成型3D打印机(500)包括打印室(560),所述生成阶段在所述打印室(560)内被执行,并且其中所述方法还包括在所述生成阶段的至少一部分期间,维持所述打印室(560)低于所述第一聚合物(21)的所述玻璃化温度(Tg)。4.根据权利要求3所述的方法,其中所述方法包括:在所述退火阶段的至少一部分期间,以等于或高于所述第一聚合物(21)的所述玻璃化温度(Tg)的温度来加热所述打印室(560)。5.根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:R·A·M·希克梅特J·卢布E·T·M·贝尔本
申请(专利权)人:飞利浦照明控股有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

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