用于制作三维物品的可熔的水溶性膜制造技术

一种用于制作三维物品的材料包括热塑性颗粒和水溶性聚合物基质的混合物，其当暴露于加热时形成了可熔合成非水溶性状态的膜。该膜进一步包括粘结到热塑性颗粒上的表面活性剂体系，该表面活性剂体系提供了逆变性能以使得热塑性颗粒是亲水性的，但是在膜熔合时则由于表面活性剂变得结合到松散材料中而变成憎水性的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
三维(3D)物品制作技术例如固体自由成型(solid freeformfabrication)(SFF)允许了逐层或者逐点构造3D物品而不需要使用预成型工具(冲模或铸模)。通常，代表了将被制作的物品的几何形状或形状的数据被用来控制制作工具以构造物品。固体自由成型(SFF)是使用几种技术的其中一种以制作三维物品例如原型部件、模型和操作工具的通用术语。固体自由成型例如为由基料通常逐层地自动构造物品的添加工艺，该工艺由计算机可读数据来记述。固体自由成型的几种主要形式涉及到液体喷射工艺。有两种主要类型的使用液体-喷射的固体自由成型粘合剂喷射体系和松散材料喷射体系。粘合剂喷射体系通过将粘合剂喷射到粉末状构造材料的平台(flatbed)上来制作物品。每一粉末层可以分散或者扩散成干粉或者浆液。在选择性地将粘合剂注入粉末层的情况下，粉末粘结到所形成的物品的横截面或者层上。松散材料喷射体系通过在平台上喷射可固化的构造材料和可固化的支承材料来形成物品。使暂时性的支承材料分散以使得能够悬垂于物品中，并且支承材料可以是与物品相同或不同的材料。在两种情况下，通常逐层进行制作，每一层代表最终所需物品的另一个横截面。以预定的模式使邻近的层互相粘结，以构造成所需的物品。除了选择性地形成所需物品的每一层之外，固体自由成型体系还可以在物品的每一层上提供色彩或者彩色图案。在粘合剂喷射体系中，可以将粘合剂着色以使得将粘合和着色的作用合为一体。在松散材料喷射体系中，可以将构造材料着色。可以采用喷墨技术，其中将大量不同着色的油墨选择性地从液体喷射装置的喷嘴中喷出并且在构造材料上混配，以提供全部范围的色彩。通常，液体喷射装置由多个印刷头所组成，每一个喷射出不同色彩基调的粘合剂或者构造材料，例如青色、品红、黄色、黑色和/或不加颜色。在每一单层上可以使用常规的二维多通路着色技术和半-调色规则体系，以掩盖缺陷并且得到宽范围的所需色调。然而，大多数3D印刷技术由于所涉及到的技术挑战而不具有着色能力。即使在技术上可能的那些情况下，制作全色部件费用显著增加。现今，3D数字成型(快速成样)主要被设计工程师所使用。这些工程师通常使用服务局技术例如立体光刻技术，以使得他们的设计快速成样。如今现有的三维快速成样设备成本为$30,000-$3,000,000，并且可能昂贵以及操作复杂。另外，由于通常伴随着已知的3D数字成型工艺的混乱、气味和噪音，这些机器不适合用于大多数办公室或者家庭环境。目前市场上对降低成本的解决方式已经导致了机器极其缓慢，或者工艺复杂并且麻烦。一种特殊类型的3D数字成型——层压物品制作具有另外的缺点，包括难以除去包围了所制作的3D物品的过剩的构造材料。在层压物品制作中，通常通过将其切成小的立方体来除去过剩的构造材料，使得可以用手使其从物品表面上脱离。该工艺对部分封闭的区域不会起到良好的作用，并且材料不会从水平分模线上分离。因此，能够提供适用于办公室和家庭环境的便宜的3D物品制作设备、工艺和材料将是有用的。特别地，这会有助于能够将进料提供给该设备同时避免了与通过许多现有的机器加工的粉末和液体相联系的安全风险或者清洁问题。这还会有助于能够提供不需要使用危险的化学物质而从隐蔽并且复杂的形状上除去过剩的未粘结材料和/或材料的能力。如果这种制作设备是易得到的并且在尺寸上如同台式打印机一样紧凑，则这同样是有益的。此外，如果这种设备包括了便宜并且容易得到的组件，那这会是有益的并且节省成本的。如果这种设备能够比现有的低成本系统，例如现有的依赖于单个分配喷嘴的系统显著更快地操作，那这也是所希望的。将同样有用的是能够提供适应各种不同类型的介质例如不同类型和尺寸的介质、由不同类型的材料形成的介质等的3D物品制作设备。另外，能够提供采用打印方法例如喷墨打印以形成全色3D物品的3D物品制作设备和工艺将是有用的。附图简述将参照附图来详细描述本专利技术的实施方案附图说明图1是为实施本专利技术的原理而构造的三维制作机的透视图；图2是三维制作机的部分横截面视图，其表明在制作三维物品期间将一层构造膜熔合到一叠先前熔合的构造膜层的顶层；和图3A-3D说明了如何将一部分单膜层熔合和此后如何将膜层的未熔合部分洗去而仅仅留下膜的熔合部分。详细描述以下是用于实施本专利技术的详细描述。该描述不能被认为是一种限制，而是仅仅出于解释本专利技术的一般原理的目的。根据本专利技术，该用于制作三维物品的材料可溶解成和可熔合成不可溶的状态。举例来说，该材料当暴露于传导或者其他加热时形成了薄膜，而这是可熔合成非水溶性的状态。在一个实施方案中，膜包括热塑性颗粒和水溶性聚合物基质的混合物。在另一个实施方案中，膜进一步包括粘结到热塑性颗粒上的表面活性剂体系。该表面活性剂体系提供了逆变性能以使得热塑性颗粒是亲水性的，但是在膜熔合成松散材料时则由于表面活性剂变得结合到松散材料中而变成憎水性的。在另一个实施方案中，膜进一步包括填充材料或者增强材料(例如玻璃纤维或碳纤维、粘土、玻璃珠、金属颗粒、分散剂、表面活性剂等)。在另一个实施方案中，膜进一步包括一种或多种着色剂。举例来说，该膜是可水润湿性的，这允许了使用低成本的喷墨印刷方法使这种膜的层印刷上彩色图像。正如下面更详细讨论的那样，提供了可溶的和可熔的彩色膜的能力有助于形成全色的3D物品。关于热塑性颗粒，通过乳液聚合制得的聚合物可用作该热塑性相，得到了分散于水中的非常小的颗粒(通常为50-500nm)。可用于使这种聚合稳定的表面活性剂最终停留在颗粒的表面，并且可能对材料在水中具有怎样的性质和什么时候与基质聚合物混合以及其如何熔合具有强烈的影响。然而，应该理解的是该热塑性材料不一定必须是亲水性材料。本专利技术的可熔膜可以由例如聚苯乙烯、聚苯乙烯-共聚苯乙烯-丁酯(SBA)、聚甲基丙烯酸甲酯-共聚-丙烯酸丁酯(MBA)的乳液制得，以及由其他的乳液聚合物组分和稳定体系制得。还可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(MMA)形成热塑性颗粒。对适用于形成热塑性颗粒的另外材料的讨论包括在通常转让给Gore的美国专利No.6,417,248中，其在此引入作为参考。乳液聚合通常涉及到借助于水中的表面活性剂稳定的憎水性单体的聚合。一旦形成聚合物，水中的聚合物颗粒混合物(胶体悬浮液)通常被称为胶乳。聚合的结果是胶乳颗粒被表面活性剂覆盖，赋予它们更多的亲水性。举例来说，聚合物基质可以包括聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。在另一个实施方案中，聚合物基质包括聚乙烯醇(PVA)(分子量约为85,000g/mol)和季戊四醇的混合物，例如商品名为SulkySolvy的从Sulky of America售出的可商购获得的材料，3113Broadpoint Drive、Punta Gorda、FL33983。还可以使用其他的水溶性聚合物。热塑性胶乳的玻璃态转化温度(Tg)非常重要。在许多实施方案中，该玻璃转化温度稍稍高于室温，以避免在室温下过早熔合。而且，玻璃态转化温度不应该高到以致于需要过多数量的热将材料熔合。因此，举例来说，约为30℃-150℃的玻璃态转化温度范围在大多数情况下是合适的。更优选地，玻璃态转化温度范围约为50℃-110℃。玻璃转化温度约75℃的材料包括SBA和MBA乳液。基于苯乙烯的Dow，L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制作三维物品的材料，该材料包括：热塑性颗粒（３０２）和水溶性聚合物基质（３０４）的混合物，形成了其当暴露于加热时可熔合成非水溶性状态的膜（３００），该膜（３００）进一步包括粘结到热塑性颗粒（３０２）上的表面活性剂体系，该表面 活性剂体系提供了逆变性能以使得热塑性颗粒（３０２）是亲水性的，但是在膜（３００）熔合成松散材料时则由于表面活性剂变得结合到松散材料中而变成憎水性的。

【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：MD博伊德，D卡明斯，L克拉默，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]