快速原型制造材料系统技术方案

一种快速原型制造材料系统，包含　　　　碱性组分，选自金属氧化物和一种或多种硅铝酸盐玻璃，　　　　酸性组分，和　　　　含水粘合剂，其能够引发所述碱性组分和所述酸性组分之间的交联反应形成三维复制物。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

Rapid prototyping material system

A system for rapid prototyping manufacturing materials, including basic components consisting of metal oxide and one or more aluminosilicate glass, acidic component, and water binder, which can cause the crosslinking reaction between the basic component and the acidic component to form a three-dimensional copy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及快速原型制造领域。更具体地说，本专利技术涉及一种用于快速原型制造的材料系统。
技术介绍
快速原型制造工艺正迅速成为一种制造包括原型零件和诸如结构陶瓷和陶瓷壳层模具等加工工具的三维物体的普通方法。快速原型制造工艺的一种类型涉及一种顺续形成层的方法。在该方法中，采用粉末状材料成形所需产品的每个单层。这种复制方法具有快速加工和低材料成本等优点。认为这种方法是最快速的原型制造方法之一，并且它还能够采用各种颜料进行。但是，基于粉末的普通快速原型方法有几个缺点，包括所得产品的易碎性。最终产品的机械性能差的特点在于弹性模量低以及断裂强度低。在低应力下压缩破裂和拉伸破裂之弱点其原因可以为密度低、粉末粒子之间的粘合差、粒子密度低以及存在空隙。在层内和层间两者的各层次中，粉末粒子仅仅松散地粘接在一起。更具体地说，在市场上现在应用的粉末基于石膏和/或水溶胀聚合物如淀粉、PVA等。这些粉末与含水粘合剂相互作用致使物坯(green object)的机械强度差、孔隙率高。基于快速原型制造以及喷射、直接堆积快速原型制造的、由粉末制造的零件具有强度差的缺点。产生这种缺点的原因在于，只有分子量较低的聚合物(即其溶液)能够喷射，因为高分子量聚合物粘度太高。另外，所得产品机械性能差会导致，在粉末床中通过复制层加工的基物或物坯必须经劳动力密集的后加工处理。这种后加工常常涉及通过将复制物浸渍在粘合剂或补强剂如氰基丙烯酸酯胶液等中增强它，这些试剂透过表面并充满体内相互连接的孔。现在可得的基于石膏的粉末和水溶胀聚合物具有长的膨胀时间，能够达30min或更长。该工艺和相似工艺的其它缺点是，所得产品分辨本领差，这由产品粒状组织所说明。虽然后加工干燥所得制品稍微改善机械性能，但是这种改善极微并且干燥过程很慢。其它后加工措施包括采用诸如氰基丙烯酸酯等可聚合胶液进行增强，或者进行表面处理，但是这些措施也是高成本劳动力密集的工艺。归根结底，机械性能和表面处理取决于材料系统的性能，涉及其均匀混合和充分反应的能力。专利技术概述在许多可能的实施方案之一中，本专利技术提供一种快速原型制造系统，优选包含选自金属氧化物和一种或多种硅铝酸盐玻璃的碱性组分，酸性组分，和能够促进在碱性组分和酸性组分之间的交联反应形式三维复制物的含水粘合剂。本专利技术的其它优点和新颖特点将在下文叙述中陈述，本领域技术人员通过阅读这些材料或者实践本专利技术可以认识到这些。通过附属权利要求所列措施可以实现本专利技术优点。优选实施方案详述在各种实施方案中，本专利技术提供一种快速原型制造系统、在该系统中包含的组合物、和包括该系统的快速原型制造方法。优选快速原型制造系统由所谓的酸-碱胶粘剂实施(leverage)。在系统中所包括的组分优选包括碱如金属氧化物或硅铝酸盐玻璃，聚合物酸或其它酸，和含水粘合剂。碱性粉末与酸在水的存在下相互作用，形成以离子方式交联的水凝胶盐。交联水凝胶的形成使混合物凝固。关于在本专利技术的快速原型制造系统中所包含的材料以及所述系统概括地说有三种可能的实施方案。第一种，使两种活性组分，即酸性组分和碱性组分，能够以干燥粉末混合物存在。然后这种粉末与粘合剂的水或极性溶剂溶液一起喷墨复制，所述粘合剂溶液不含形成胶粘剂的任何活性组分。第二种，干燥粉末混合物能够仅仅含有碱性组分。然后，在复制过程中将含有酸性组分的粘合剂的水或极性溶剂溶液喷射到粉末床中。第三种，干燥粉末能够含有碱性组分以及一些酸性组分，作为混合物。然后应用粘合剂的水或极性溶剂溶液。其包含一些溶解在其中的酸性组分，如此粉末混合物和含水粘合剂两者均包含一些活性酸性组分。然后，将粘合剂水或极性溶剂溶液以及酸性组分混合物，喷射到含有酸性或碱性组分混合物的粉末床中。除了本专利技术的化学方面之外，复制工艺相似于与采用复制方法的快速原型制造工艺相关的一般技术工艺。许多平面层被复制并邻接在一起形成三维体。复制一层一层地进行，每层均代表最终所需产品的部分的断面。粉末材料形成每个单层，并且均匀地分布，和经诸如辊的压制设备压紧。当快速原型制造方法应用的复制机是喷墨复制机时，复制机头将粘合剂以两维图案沉积到粉末上，粉末在沉积粘合剂的区域粘合，借此形成待生产的最终物体的复制层。将邻近复制层的预定部分采用含水粘合剂彼此粘合，得到最终产品单个断面的接合。在复制各个单层的同时，施加粘合剂。然后使没有施加粘合剂的“末复制”区域与已施加粘合剂的复制区域分离，从而留下三维复制基物或物坯。下面叙述本专利技术的化学方面。快速原型制造系统的酸性组分是水/溶剂可溶的，以水/溶剂为基准是酸性的。因此，酸性组分与粘合剂的水或极性溶剂溶液接触，使质子从酸性组分中解离。游离的质子立即吸引快速原型制造系统的碱性组分，碱性组分的多价阳离子(M+2)被质子代替，而释放出。自快速原型制造系统的碱性组分所释放的阳离子作为引起组成酸性组分的化合物交联的媒介。酸性化合物的离子交联使酸性组分的流动性降低。最后，交联过程导致在溶液中的酸固化，其原因在于形成水(或溶剂)凝胶盐，随后是胶粘剂产品凝固并进一步变坚固。这种化学工艺的说明性(和最简单的)例子涉及玻璃离子体化学，其中快速原型制造系统中的酸性组分是多元酸如聚丙烯酸。在该例中的碱性组分是，例如，硅铝酸盐玻璃。在聚丙烯酸溶解于含水粘合剂之后，从聚丙烯酸中释放出质子，质子攻击玻璃，玻璃释放出多价阳离子。然后阳离子通过形成离子键使多元酸交联，这种键合使多元酸组分压缩并固化，直至胶粘剂完全固化和非常坚固。在快速原型制造系统中有三种基本化学组分，即，活性酸性组分、活性碱性组分和含水粘合剂。碱性组分能够是金属氧化物，也能够是硅铝酸盐玻璃。含水粘合剂必须能够促进碱性组分和酸性组分之间的交联反应形成三维复制物。酸性组分能够是诸如下述的一种或多种酸性组分如有机多元酸，单体酸，低聚物酸，具有能够形成可与来自所述碱性金属氧化物的金属离子交联的水凝胶(或溶剂凝胶)盐的阴离子的单体，以及能够与所述碱性金属氧化物形成含氧盐聚合物基质的可水解金属盐。形成用于所述快速原型制造的胶粘剂系统的酸-碱组合的例子包括如下a.氧化锌-多元羧酸胶粘剂b.金属氧化物(即，Be、Zn、Cu、Mg、Ca、Sr、Ba的氧化物，或其它金属氧化物)-正磷酸或多磷酸胶粘剂。在这种情况下，金属阳离子使磷酸盐阴离子交联，结果形成水凝胶基质。c.活性硅铝酸盐玻璃(即，xCaO*yAl2O3*zSiO2*nCaF2，和即往往含有氟)与正磷酸或多磷酸的混合物。在这种情况下，胶粘剂的凝固涉及形成二氧化硅凝胶与离子交联的磷酸盐离子的水凝胶基质。玻璃的平均粒度优选为约30～50μm或更低，因为小直径玻璃粒子难以涂布。d.含氧盐粘合胶粘剂。其通过诸如ZnO或MgO等的金属氧化物粉末，但金属氧化物粉末不限于这些氧化物，和其中金属为例如Zn或Mg的金属氯化物或金属硫酸盐的浓溶液的酸-碱反应来形成。e.玻璃-离子交联聚合物胶粘剂。在这种情况下，系统的碱性组分是活性硅铝酸盐玻璃(即，xCaO*yAl2O3*zSiO2，并且常常含有氟，即，以CaF2的形式)，而系统的酸性组分是含有诸如-COOH、-SO3H和-PO3H2官能基团的有机聚酸。玻璃-离子交联聚合物混合物也可以含有少量低分子量络合剂，如L-或D-酒石酸，以便调节胶粘剂凝固过程的动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：V·P·卡斯珀基克，T·M·兰布赖特，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：