改善3D打印物体的耐热性的方法和系统技术方案

本文公开了使用增材制造来制造物体的方法和系统，其包括处理所述物体以改善其耐热性，如处理所述物体以允许物体的材料在可逆凝胶化介质中结晶。所述可逆凝胶化介质可用作所述物体的临时模具以减少、最小化或消除处理期间物体的变形。与处理之前物体相比，所述物体的这种处理可以提高物体的材料的软化温度，由此可以改善所述物体的耐热性。

Method and system for improving heat resistance of 3D printing objects

Methods and systems for manufacturing objects using augmented fabrication are disclosed, including treating the object to improve its heat resistance, such as treating the object to allow the material of the object to crystallize in a reversible gelation medium. The reversible gelation medium can be used as a temporary mold for the object to reduce, minimize or eliminate deformation of the object during processing. This treatment of the object can increase the softening temperature of the material of the object and thereby improve the heat resistance of the object as compared with the object before treatment.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改善3D打印物体的耐热性的方法和系统
本专利技术一般涉及增材制造，特别地涉及处理使用增材制造工艺形成的物体的方法和系统。
技术介绍
增材制造是以添加方式(通常是逐层)构造物体的各种制造技术中的任一种。增材制造通常被公众称为“3D打印”。一种类型的增材制造技术是基于挤出沉积，如熔融沉积成型(FDM)或熔丝制造(FFF)。在过去的几年中，FDM或FFF已经成为成型、原型设计和生产应用的常用技术。FDM或FFF通常涉及将连续长丝形式的热塑性聚合物供给至加热的挤出喷嘴。挤出喷嘴中的热塑性聚合物可被加热到高于其玻璃化转变温度的温度，在该温度下热塑性长丝可以变成粘稠熔体，因而被挤出。挤出喷嘴可以以三维运动方式移动，并且可以通过步进电机和计算机辅助制造(CAM)软件进行精确控制，从而可以从底部向上，一次一层地构造物体。物体的第一层可以沉积在基材上，并且由于温度下降，附加层可以通过凝固依次沉积并融合(或部分融合)至先前的层。该过程可以继续，直到完全构造三维物体。该技术公开在例如美国专利号5,121,329中。热塑性聚合物通常用作基于挤出沉积的增材制造技术中的构造材料。例如，聚乳酸(PLA)传统上被认为是可以实现简单且无故障的3D打印的材料。使用这种材料的3D打印物体的主要缺点是，由于这些热塑性聚合物的低软化温度和/或玻璃化转变温度而导致其有限的耐高温性。例如，使用PLA的3D打印物体在高于PLA的玻璃化转变温度(Tg)(约55℃至约60℃)下可能软化、变形，甚至开始流动。3D打印物体的有限耐热性可能会阻止它们用于需要良好耐热性或热稳定性的应用中。例如，使用PLA的3D打印物体不适合用作高温环境下使用的机器部件，也不适合用作医疗器械，因为使用PLA的3D打印物体不能通过约100℃或以上的高温高压灭菌。用于改善3D打印物体的耐热性的方法可包括，例如，在后处理程序中在3D打印物体的热塑性聚合物中诱发结晶。这可以增大热塑性聚合物的结晶度和/或熔融温度，其可以导致所述材料的软化温度升高，由此可以改善3D打印物体的耐热性。例如，在PCT/CN2014/077119中，公开了一种诱发由PLA制成的3D打印长丝结晶的方法，其包括后处理步骤。然而，由于3D打印工艺期间的快速冷却(即没有足够的时间用于PLA结晶)，通过3D打印制成的PLA部件仍然是基本上非结晶的。因此，由PLA制成的3D打印部件的软化温度在后处理步骤之后仍然相当低，例如小于60℃或约60℃，这限制了如PLA的许多热塑性聚合物用作3D打印材料。因此，需要开发改善使用增材制造技术构造的物体的耐热性的方法和系统。
技术实现思路
本文公开了制造物体的方法和系统。在一个实施方式中，所述方法包含：使用3D打印机形成物体，和在至少一种可逆凝胶化介质中处理所述物体。在本专利技术的一个实施方式中，所述方法进一步包含在至少一种可逆凝胶化介质中将所述物体退火，以使所述物体的材料结晶。在一个实施方式中，所述方法包含通过使所述物体的材料结晶来提高所述物体的软化温度和/或耐热性。在本专利技术的一个实施方式中，所述方法包含将所述至少一种可逆凝胶化介质的温度升高至所述物体的材料的退火温度，其中所述退火温度可高于所述物体的材料的玻璃化转变温度且低于其熔融温度。在一个实施方式中，所述可逆凝胶化介质可以是被配置为具有转变温度的温度响应性凝胶化介质。在一个实施方式中，所述方法包含将所述温度响应性凝胶化介质的温度从低于所述转变温度的温度升高至高于所述转变温度的温度，在此期间所述温度响应性凝胶化介质可从液体转变为固体凝胶。在一个实施方式中，所述退火温度可高于所述转变温度，和所述温度响应性凝胶化介质可在退火期间被配置成固体凝胶。所述固体凝胶可在退火期间用作所述物体的临时模具。在一个实施方式中，所述方法包含使用所述临时模具最小化或消除物体在退火期间的变形。在一个实施方式中，所述方法包含在退火后将所述温度响应性凝胶化介质的温度从高于所述转变温度的温度降低至低于所述转变温度的温度，在此期间所述温度响应性凝胶化介质从固体凝胶转变成液体。在一个实施方式中，所述物体可以部分或全部浸没在所述液体中，和/或部分或全部从所述液体中回收。在本专利技术的一个实施方式中，所述制造物体的系统包含：配置以形成所述物体的3D打印机；和配置用于处理所述物体的至少一种可逆凝胶化介质。在一个实施方式中，所述系统进一步包括退火单元，其包括使所述物体退火以所述物体的材料结晶的至少一种可逆凝胶化介质。在一个实施方式中，可通过使所述物体的材料结晶来提高所述物体的软化温度和/或耐热性。在一个实施方式中，所述系统包括配置以将所述至少一种可逆凝胶化介质的温度升高至所述物体的材料的退火温度的温度控制单元，其中所述退火温度可高于所述物体的材料的玻璃化转变温度且低于其熔融温度。在一个实施方式中，所述可逆凝胶化介质可以是被配置为具有转变温度的温度响应性凝胶化介质。在一个实施方式中，所述温度控制单元可将所述温度响应性凝胶化介质的温度从低于所述转变温度的温度升高至高于所述转变温度的温度，在此期间所述温度响应性凝胶化介质可从液体转变成固体凝胶。在一个实施方式中，所述退火温度可高于所述转变温度，和所述温度响应性凝胶化介质可在退火期间被配置成固体凝胶。所述固体凝胶可在退火期间用作所述物体的临时模具。在一个实施方式中，可最小化或消除使用所述临时模具退火期间的物体变形。在一个实施方式中，所述温度控制单元可在退火后将所述温度响应性凝胶化介质的温度从高于所述转变温度的温度降低至低于所述转变温度的温度，在此期间所述温度响应性凝胶化介质可从固体凝胶转变成液体。在一个实施方式中，所述物体的材料可在从3D打印机的挤出喷嘴挤出之后保持是非结晶的。在一个实施方式中，与退火前相比，退火后的物体的材料具有更小的弹性且更刚性或更硬。在以下和附图中阐述本文公开的主题的一个或多个变型的细节。根据下面的详细描述和附图以及权利要求，本文公开的主题的其他特征和优点将是显而易见的。考虑本文的公开内容，其他修改和替代实施方式对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，所述系统和方法可包括为了操作的清楚而从图和描述中省略的附加组件或步骤。因此，下面的详细描述仅被认为是说明，且是为了教导本领域技术人员实施本公开内容的一般方式。应理解，本文公开的各种实施方式将视为是示例性的。元件和材料以及那些元件和材料的排列可代替本文所示和公开的那些，物体和工艺可以颠倒，并且可以独立地利用本文教导的某些特征，在得益于本文的公开内容之后，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。附图说明图1是根据本公开内容的示例性系统的示意图。图2是根据本公开内容的示例性的物体制造方法的流程图。图3是根据本公开内容的处理物体的示例性方法的流程图。图4是根据本公开内容的物体的穿透深度与温度的示例性数据集的图。图5是比较打印物体的材料和根据本公开内容的示例性方法处理的物体的示例性差示扫描量热法热图的图。具体实施方式说明示例性实施方式的该描述和附图不应被作为限制。在不脱离该说明和权利要求的范围(包括同等物)的前提下，可以进行各种机械、组成、结构、化学、电气和操作更改。在有些情况下，并未示出或详细描述众所周知的结构和技术，以免混淆本公开内容。两个或多个附图中的相似参考标记表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种处理物体的方法，其包含：在至少一种可逆凝胶化介质中将所述物体退火；以及增大所述物体的材料的结晶度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种处理物体的方法，其包含：在至少一种可逆凝胶化介质中将所述物体退火；以及增大所述物体的材料的结晶度。2.权利要求1所述的方法，其进一步包含使用3D打印机形成所述物体。3.权利要求1所述的方法，其进一步包含将所述物体的材料的结晶度增大5％至40％。4.权利要求1所述的方法，其进一步包含通过增大所述物体的材料的结晶度来提高所述物体的软化温度和/或耐热性。5.权利要求4所述的方法，其进一步包含将所述物体的由维卡软化点试验测定的软化温度提高50℃至150℃。6.权利要求1所述的方法，其中所述可逆凝胶化介质响应于选自温度、pH、光、机械力和/或压力、辐射、电场和/或磁场以及电流的至少一种刺激，可经历从液体到固体凝胶和/或从固体凝胶到液体的相转变。7.权利要求1所述的方法，其中所述可逆凝胶化介质是配置以具有转变温度的温度响应性凝胶化介质。8.权利要求7所述的方法，其进一步包含将所述可逆凝胶化介质的温度从第一温度升高到第二温度。9.权利要求8所述的方法，其中所述第一温度低于所述可逆凝胶化介质的转变温度。10.权利要求9的所述方法，其中所述第二温度在所述物体的材料的退火温度附近或高于所述退火温度，其中所述退火温度高于所述物体的材料的玻璃化转变温度且低于其熔融温度。11.权利要求9所述的方法，其中所述第二温度在所述物体的材料的结晶温度附近或接近所述结晶温度。12.权利要求9所述的方法，其中所述第二温度高于所述可逆凝胶化介质的转变温度，因此在所述可逆凝胶化介质的温度升高过程中，所述可逆凝胶化介质从液体转变成固体凝胶。13.权利要求12所述的方法，其中所述第二温度低于所述物体的材料的玻璃化转变温度。14.权利要求13所述的方法，其进一步包含将所述可逆凝胶化介质的温度从所述第二温度升高到第三温度。15.权利要求14所述的方法，其中所述第三温度在所述物体的材料的退火温度附近或高于所述退火温度，其中所述退火温度高于所述物体的材料的玻璃化转变温度且低于其熔融温度。16.权利要求12所述的方法，其进一步包含在退火期间用所述固体凝胶向所述物体提供临时模具。17.权利要求16所述的方法，其进一步包含在退火期间用所述临时模具减少、最小化或消除所述物体的变形。18.权利要求12所述的方法，其进一步包含将所述可逆凝胶化介质的温度从所述第二温度降低至所述第一温度，在此期间所述可逆凝胶化介质从固体凝胶转变成液体。19.权利要求12所述的方法，其中所述物体部分或全部浸没在所述液体中。20.权利要求18所述的方法，其中所述物体可部分或全部从所述液体中回收。21.权利要求2所述的方法，其中所述物体的材料在从所述3D打印机的挤出喷嘴挤出之后保持非结晶。22.权利要求1所述的方法，其中与退火前相比，退火后的物体的材料具有更小的弹性和/或更刚性或更硬。23.权利要求1所述的方法，其中所述物体的材料包含至少一种可结晶聚合物。24.权利要求23所述的方法，其中所述物体的材料包含选自聚(乳酸)(PLA)、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、PET共聚物、聚酰胺、聚酰胺共聚物和尼龙的至少一种聚合物。25.权利要求1所述的方法，其中所述物体的材料包含选自下述的至少一种聚合物：热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲醛(POM)、聚(乳酸)(PLA)、热塑性聚氨酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)、PET共聚物、乙烯基缩醛聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚己内酯(PCL)、聚苯砜(PPSF)、Ultem9085、聚酰胺、聚酰胺共聚物、纤维素基聚合物、丙烯酸或丙烯酸酯系聚合物、尼龙、聚苯并咪唑、聚醚砜(PES)、聚醚酮醚(PEEK)、聚乙烯(PE)、聚苯醚(PPO)、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和聚四氟乙烯(PTFE)。26.权利要求2所述的方法，其中使用选自下述的至少一种方法：选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、熔融沉积成型(FDM)、熔丝制造(FFF)、自动注浆成型、立体平版印刷(SLA)、分层实体制造(LOM)、数字光处理(DLP)、石膏基3D打印(PP)、电子束熔化(EBM)、电子束自由成形制造(EBF)、光聚合、粒状材料的粘结、挤出沉积和层压，所述3D打印机实施增材制造技术以形成所述物体。27.权利要求2所述的方法，其中使用选自熔融沉积成型(FDM)、熔丝制造(FFF)和挤出沉积的至少一种方法，所述3D打印机实施增材制造技术以形成所述物体。28.权利要求7所述的方法，其中所述温度响应性凝胶化介质包含选自下述的至少一种聚合物：聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)、聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)(PDEAAm)、聚(N-乙烯基己内酰胺)(PVCL)、聚[2-(二甲胺基)甲基丙烯酸乙酯](PDMAEMA)、聚(乙二醇)(PEG)、聚(氧化乙烯)(PEO)、PEG甲基丙烯酸酯聚合物(PEGMA)、聚氧化丙烯(PPO)、聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯(PEO-PPO-PEO)、乙基(羟乙基)纤维素(EHEC)、普朗尼克和泊洛沙姆。29.一种用于处理物体的系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗小帆，赵俊恒，
申请(专利权)人：苏州聚复高分子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32