配合3D打印系统和方法使用的水洗树脂配方技术方案

本申请涉及配合3D打印系统及方法使用的水洗树脂配方。一种用于3D打印系统的水洗树脂配方，所述配方具有至少一种水溶性成分和/或水分散性成分，例如寡聚物和/或单体。在一个实例中，水溶性成分在所述树脂配方中占大于1重量％。还可以使用水溶性或水分散性填充剂作为所述树脂配方中的成分。水洗感光聚合物树脂配方允许3D打印物体用水而非有机溶剂清洁。由于所述水洗感光聚合物树脂配方在固化时是不溶的，因此只将未固化的水洗感光聚合物树脂配方洗掉。根据填充剂的特性以及与所述树脂配方中的其它成分的相容性，掺入其中的填充剂可以用于修改所述3D打印物体的机械和化学特性。

Aqueous resin formulations for use with 3D printing systems and methods

The invention relates to a formula of a washing resin used in conjunction with a 3D printing system and method. The present invention relates to a washing resin formulation for a 3D printing system having at least one water soluble component and / or a water dispersible component, such as an oligomer and / or monomer. In one example, the water-soluble component accounts for more than 1 wt.% in the resin formulation. A water-soluble or water dispersible filler may also be used as a component in the resin formulation. Washable photopolymer resin formulation allows 3D to print objects with water instead of organic solvents. Since the water washing photosensitive polymer resin formulation is insoluble in curing, it is only necessary to wash off the cured water sensitive photopolymer resin formulations. According to the characteristics of the filler and the compatibility with other components in the resin formulation, the filler incorporated therein can be used to modify the mechanical and chemical properties of the 3D print object.

【技术实现步骤摘要】
交叉参考本申请主张2015年6月10日所提交的美国专利申请第62/173,501号的优先权，所述专利申请结合在此用于任何以及所有目的。
本专利技术的实施方案涉及能够配合3D打印系统(包括(但不限于)立体光刻系统)和方法使用的水洗树脂配方。
技术介绍
增材制造，也称为3D打印，是制作三维物体所用的多种工艺中的任一种。3D打印使用增材工艺，其中在计算机控制下铺设连续个材料层。3D打印的物体典型地是依据数字模型、通过依序构筑薄层(也就是，片层)来建立。立体光刻(Stereolithography；SL)是一种特定类型的增材制造，其中液体聚合物树脂是通过选择性曝露于辐射而硬化以形成薄层。硬化薄层的形状是由数字模型的对象片层的图案限定。辐射能源可以采用电磁波或电子束形式。常见能源是紫外辐射、可见辐射或红外辐射。形成3D物体所用的液体感光聚合物树脂可以含有多种组分，包括单体、寡聚物、光引发剂、阻断剂、着色剂以及其它添加剂。立体光刻遭遇的一个挑战是3D打印物体的表面上存在未固化或部分固化的树脂。未固化的树脂必须予以去除，并且部分固化的树脂使得物体粘而难以清洁。由于大部分现有树脂配方应用的单体或寡聚物仅溶于某些有机溶剂中，因此3D打印物体需通过有机溶剂(例如异丙醇或丙酮)冲洗或利用超声波处理来洗涤。有机溶剂往往是受环境保护局(Environmental Protection Agency；EPA)和职业安全以及健康管理局(Occupational Safety and Health Administration；OSHA)管控的挥发性有机化学物质(volatile organic chemicals；VOC)。有机溶剂的使用有若干个缺点：第一，有机溶剂是可燃的并且对人体以及环境有害，就化学知识很少或不了解化学的3D打印系统普通用户使用来说，这是不太理想的化学物质；第二，有机溶剂的储存和处置可能有挑战性；以及，第三，有 机溶剂增加了3D物体打印成本。立体光刻遭遇的另一个挑战是收缩。聚合收缩现象是在液体感光聚合物树脂硬化期间发生。立体光刻、3D打印期间发生的收缩可能导致打印不准确，例如物体尺寸缩小或甚至翘曲，以及打印失败的概率高，例如两个相邻薄层之间分离。众所周知，聚合收缩的原因是，空间减小与范德华力(van der Waals)空间被化学共价键空间取代有关，其中单体/寡聚物分子转化成聚合物网状结构。研发一种克服本文中所提缺点并且改进3D打印系统和方法的水洗树脂配方将是有利的。
技术实现思路
本专利技术的实施方案涉及增材制造。更具体地说，本专利技术的实施方案涉及SL。甚至更具体地说，本专利技术的实施方案涉及配合立体光刻使用的感光聚合物树脂。本专利技术的实施方案展现更安全的液体树脂配方供立体光刻3D打印机所制造的3D打印物体用，其中所述配方允许所述物体用水洗涤。本专利技术的实施方案是通过在感光聚合物树脂配方中使用水溶性寡聚物及/或单体及/或填充剂作为主要成分来克服上文提到的缺点。水溶性感光聚合物树脂允许打印物体用水而非有机溶剂清洁。由于水溶性感光聚合物树脂配方在固化时是不溶的，因此只将未固化的水溶性感光聚合物树脂配方洗掉。水容易获得、安全、便宜、容易使用并且产生的废弃物最少。本专利技术的另一个实施方案是通过使用水分散性成分而在不具有任何水溶性成分的情况下克服上文提到的缺点，其允许使用水将过量树脂从3D打印物体的表面洗去。本专利技术的实施方案展现，将填充剂掺入水溶性树脂配方中使收缩率明显降低。根据填充剂的特性以及和树脂配方中剩余部分的相容性，掺入其中的填充剂可以调节3D打印物体的机械和化学特性。在液体感光聚合物树脂领域中已充分认识到，辐射固化型混合树脂产生硬度和韧度改进的固化3D打印物体。辐射固化型混合液体树脂是包含自由基可聚合组分与阳离子可聚合组分和光引发剂的固化型树脂。本专利技术的实施方案表明，辐射固化型水溶性混合液体树脂能够形成硬度和韧度改进的固化3D打印物体。本专利技术的其它变化形式、实施方案和特征从以下具体实施方式、图式和权利要求书将变得显而易见。具体实施方式为了有助于了解根据本专利技术实施方案的原理，现将参考图式中所说明的实施方案并且将利用具体语言描述其。然而应了解，并非打算借此来限定本专利技术的范围。相关领域中和拥有本专利技术的技术人员通常会想到的本文中所说明的本专利技术特征的任何变更和进一步修改以及如本文中所说明的本专利技术原理的任何附加应用都认为属于所主张的本专利技术范围内。本专利技术实施方案的几个优点包括：(i)3D打印物体容易清洁，成本低；(ii)由于树脂配方主要成分具有水溶性，因此3D打印物体的部分固化粘性表面容易去除；(iii)清洁过程中对危险化学物质的暴露较少；以及(iv)溶剂废弃物的产生较少。现在参考本专利技术的第一实施方案，表格1和表格2详细描述了两种示范性水洗树脂配方，其含有94.03重量％或4.00重量％的水溶性寡聚物、4.95重量％或94.98重量％的至少部分水溶性单体、0.99重量％的光引发剂以及0.03重量％的光阻断剂，在这个例子中，所述光阻断剂还是光学增亮剂。材料 浓度(重量％) 功能 MIRAMER PE220 94.03 寡聚物 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 4.95 单体 Irgacure TPO 0.99 光引发剂 Benetex OB Plus 0.03 阻断剂/增亮剂 表格1材料 浓度(重量％) 功能 MIRAMER PE220 4.00 寡聚物 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 94.98 单体 Irgacure TPO 0.99 光引发剂 Benetex OB Plus 0.03 阻断剂/增亮剂 表格2更详细地，仍然参考表格1和表格2中所阐述的本专利技术实施方案，树脂配方中的水溶性成分的含量足以允许使用这种配方树脂的3D打印物体用水洗涤，得到干燥表面。虽然表格1列出了MIRAMER PE220寡聚物和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体，但本领域的技术人员将认识到可以使用其它水溶性寡聚物和单体。还可以添加水溶性填充剂(参见表格3和表格4)。现在参考本专利技术的第二个实施方案，表格3和表格4详细描述了两种示范性水洗树脂配方，其含有89.09重量％或4.14重量％的水溶性寡聚物、4.95重量％或89.90重量％的至少部分水溶性单体、4.95重量％的水溶性填充剂、0.99重量％的光引发剂以及0.02重量％的光阻断剂，在这个例子中，所述光阻断剂还是光学增亮剂。材料 浓度(重量％) 功能 MIRAMER PE220 89.09 寡聚物 TMPTA 4.95 单体 Celvol 203S 4.95 填充剂 TPO 0.99 光引发剂 OB+ 0.02 阻断剂/增亮剂 表格3材料 浓度(重量％) 功能 MIRAMER PE220 4.14 寡聚物 TMPTA 89.90 单体 Celvol 203S 4.95 填充剂 TPO 0.99 光引发剂 OB+ 0.02 阻断剂/增亮剂 表格4更详细地，仍然参考表格3和表格4中的本专利技术，水溶性填充剂可以是玻离态化温度为87℃的固体。也可以使用其它水溶性填充剂。由于水溶性填充剂不是辐射可固化的并且不具有聚合收缩现象，因此3D打印物体的收缩率降低。另外，由于3D打印物体具有所聚合液体寡聚物或单体与所添加填充剂的特性，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水洗3D打印树脂配方，包含∶总计1重量％或更多的一或多种水溶性成分，所述水溶性成分选自包含寡聚物、单体及/或填充剂的群组；以及以下各物中的一或多种：(i)光引发剂；(ii)光阻断剂；(iii)光酸产生剂以及(iv)光敏剂。

【技术特征摘要】
2015.06.10 US 62/173,5011.一种水洗3D打印树脂配方，包含∶总计1重量％或更多的一或多种水溶性成分，所述水溶性成分选自包含寡聚物、单体及/或填充剂的群组；以及以下各物中的一或多种：(i)光引发剂；(ii)光阻断剂；(iii)光酸产生剂以及(iv)光敏剂。2.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含94.03重量％的水溶性寡聚物、4.95重量％的至少部分水溶性单体、0.99重量％的光引发剂以及0.03重量％的光阻断剂。3.根据权利要求2所述的水洗3D打印树脂配方，其中所述光阻断剂还是光学增亮剂或着色剂。4.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含4.00重量％的水溶性寡聚物、94.98重量％的至少部分水溶性单体、0.99重量％的光引发剂以及0.03重量％的光阻断剂。5.根据权利要求4所述的水洗3D打印树脂配方，其中所述光阻断剂还是光学增亮剂或着色剂。6.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含89.09重量％的水溶性寡聚物、4.95重量％的至少部分水溶性单体、4.95重量％的水溶性填充剂、0.99重量％的光引发剂以及0.02重量％的光阻断剂。7.根据权利要求6所述的水洗3D打印树脂配方，其中所述光阻断剂还是光学增亮剂或着色剂。8.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含88.06重量％的水溶性寡聚物、9.78重量％的至少部分水溶性单体、0.98重量％的自由基光引发剂、0.98重量％的光酸产生剂以及0.2重量％的光敏剂。9.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含4.14重量％的水溶性寡聚物、89.90重量％的至少部分水溶性单体、4.95重量％的水溶性填充剂、0.99重量％的光引发剂以及0.02重量％的光阻断剂。10.根据权利要求1所述的水洗3D打印树脂配方，更包含4.00重量％的水溶性寡聚物、93.84重量％的至少部分水溶性单体、0.98重量％...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利·刘，何春林，
申请(专利权)人：全谱激光器有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US