橡胶状材料的积层制造方法技术

本发明专利技术提供多种制造三维橡胶状的物体的方法，所述三维橡胶状的物体是使用包含弹性可固化材料及二氧化硅颗粒的一种或多种造型材料配方。本发明专利技术还提供由建模材料配方制成并具有改进的机械性能的多种物体。

Layer Manufacturing Method of Rubber Material

The invention provides a variety of methods for manufacturing three-dimensional rubber-like objects, which are formulated using one or more moulding materials containing elastic curable materials and silica particles. The invention also provides a variety of objects which are made of the formulation of the modeling material and have improved mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】橡胶状材料的积层制造方法
及
技术介绍
在本专利技术的一些实施例中，涉及积层制造(additivemanufacturing,AM)，更具体且非排除地，可使用于至少一部分中制造橡胶状材料的物体的积层制造的多个配方及多个方法。合成橡胶通常由人造弹性体制成。弹性体是粘弹性聚合物，与其他材料相比，其通常表现出低杨氏模量(Young'smodulus)及高屈服应变(yieldstrain)。弹性体通常是在其玻璃化转变温度以上存在的无定形聚合物，因此可以进行相当大的节段运动。在环境温度下，橡胶因此相对柔软，具有约3百万帕的弹性，并且可变形。弹性体通常是热固性聚合物(或共聚物)，其需要固化(硫化)以交联聚合物链。其中的弹性来自长链重新配置自身以分配施加的应力的能力。共价交联确保弹性体在去除应力时恢复其原始构型。弹性体通常可以可逆地从5％延伸至700％。橡胶通常还包括填料或增强剂，通常旨在增加其硬度。最常见的增强剂包括细碎的炭黑及/或细碎的二氧化硅。炭黑及二氧化硅在橡胶生产过程中添加到聚合物混合物中时，通常浓度约为30％(体积)，橡胶的弹性模量提高了两到三倍，并且还赋予了显着的韧性，特别是耐磨性，否则会导致材料变弱。积层制造通常是利用物体的计算机模型制造三维(three-dimensional,3D)物体的一程序。这样的程序用于各种领域，例如：用于可视化，演示及机械原型制作的设计相关领域，以及用于快速制造(rapidmanufacturing,RM)。任何AM系统的基本操作包括将三维计算机模型切成薄的横截面，将结果转换成二维位置数据并将数据馈送到以分层方式制造三维结构的控制设备。存在的各种AM技术，其中包括立体光刻、数字光处理(digitallightprocessing,DLP)及三维(3D)打印，特别是3D喷墨打印。这些技术通常通过逐层沉积及固化一种或多种建筑材料来进行，所述建筑材料通常是可光聚合的(可光固化的)材料。在三维打印工艺中，例如，从具有一组喷嘴的分配头分配建筑材料，以在支撑结构上沉积层。根据建筑材料，然后可以使用合适的装置固化或固化各层。存在的各种三维打印技术并且公开的，例如：美国专利第6,259,962号、第6,569,373号、第6,658,314号、第6,850,334号、第7,183,335号、第7,209,797号、第7,225,045号、第7,300,619号、第7,479,510号、第7,500,846号、第7,962,237号及第9,031,680号。上述专利均为同一受让人，其中的内容通过引用与本文相结合。用于积层制造的打印系统可包括一接收介质及一个或多个打印头。例如，所述接收介质可以是制造托盘，其可以包括水平表面以承载从打印头分配的材料。例如，所述打印头可以是具有多个分配喷嘴的喷墨头，所述多个分配喷嘴沿着打印头的纵向轴线布置成一排或多排的阵列。所述打印头可以定位成使得其纵向轴线基本上平行于分度方向。所述打印系统还可以包括控制器，例如,微处理器控制打印过程，其包括根据预定义的扫描计划(如转换为立体光刻(StereoLithography,STL)格式并编程到控制器中的CAD配置)的打印头的移动。所述打印头可包括多个喷射喷嘴。所述喷射喷嘴将材料分配到接收介质上，以产生表示3D物体的横截面的层。除了打印头之外，还可以存在固化能量，用于固化分配的建筑材料。所述固化能量通常是辐射，例如紫外光(UV)辐射。另外，打印系统可以包括调平装置，用于在沉积后续层之前，在沉积及至少部分固化之后调平及/或建立每层的高度。建筑材料可以包括造型材料及支撑材料，分别形成物体及支撑物体的临时支撑结构。所述沉积造型材料(可包括一种或多种材料)，以产生所需物体，并且使用或不使用造型材料元件的支撑材料(可包括一种或多种材料)，在建造期间，为物体的特定区域提供支撑结构并确保后续物体层的适当垂直放置，例如，在物体包括悬垂特征或形状(如弯曲几何形状、负角度、空隙等)的情况下。造型及支撑材料在被分配的工作温度下优选是液体，并且随后通常在暴露于固化能量(如UV固化)时固化，以形成所需的层形状。在打印完成之后，移除支撑结构，以显示制造的3D物体的最终形状。几种积层制造工艺允许使用多于一种造型材料进行添加物的形成。例如：本受让人第2010/0191360号的美国专利申请公开一种系统，所述系统包括：具有多个分配头的固体自由形式的一制造设备；一建筑材料供应设备，被配置为将多种建筑材料供应到所述制造设备；及一控制单元，配置用于控制制造和供应设备。所述系统有几种操作模式。在一种模式中，所有分配头在制造设备的单个建筑物扫描周期期间操作。在另一种模式中，一个或多个分配头在单个建筑物扫描周期或其一部分期间不起作用。在诸如PolyjetTM(StratasysLtd.，Israel)的3D喷墨打印工艺中，根据软件文件定义的一预定配置，从一个或多个打印头选择性地喷射建筑材料并将其沉积在连续层中的制造托盘上。本受让人的美国专利第No.9,227,365号公开了用于带壳体的固体自由形状制造的方法及系统，其由多个层构成，并且构成核区域的层状核及构成包围区域的层状壳。积层制造工艺已被用于形成橡胶状材料。例如，橡胶状材料用于如本文所述的PolyJetTM系统中。将这些材料配制成具有相对低的粘度，允许例如通过喷墨分配，并产生低于室温的Tg，例如-10℃或更低。后者通过配制具有相对低交联度的产物并通过使用具有固有柔性分子结构的单体和低聚物(例如丙烯酸弹性体)而获得。可用于PolyJetTM系统(以商品名“Tango”系列销售)的示例性橡胶状材料系列提供各种弹性体特性，包括肖氏A级硬度(shorescaleAhardness)、断裂伸长率(elongationatbreak)、抗撕裂性(TearResistance)及拉伸强度(tensilestrength)。橡胶状材料可用于许多造型应用，包括：展览和通信模型；橡胶环绕和包覆成型；用于工具或原型的柔软触感涂层和防滑表面；及旋钮、把手、拉手、手柄、垫圈、密封件、软管、鞋类。
技术实现思路
在弹性材料(弹性体、橡胶状材料)的常规生产中，初始材料通常是具有低Tg的热塑性聚合物，其被配混和固化或硫化以获得所需的最终性能。相反地，在诸如3D(喷墨)打印的积层制造工艺中，固化聚合物在一个阶段由合适的单体和/或低分子量交联剂和低聚物制备。因此，在这样的方法中控制所得橡胶状材料的分子量，交联密度及机械性能是具有挑战性的。因此，当与常规的弹性体相比时，例如，PolyJetTM橡胶状材料的特征通常在于抗撕裂性(TR)值低及/或变形后的慢回复速度。PolyJetTM具有高伸长率的橡胶状材料通常具有低模量、低抗撕裂性及/或低Tg及粘性的特征。本专利技术人现已发现，在橡胶状材料的制造中，利用各种类型的纳米二氧化硅颗粒，包括例如细分的亲水二氧化硅、疏水二氧化硅及丙烯酸涂覆的二氧化硅，产生具有改善的机械性能的橡胶状材料。本专利技术人已经表示说明，使用这种方法，可以获得同时具有改进的伸长率，模量及抗撕裂性的橡胶状材料。根据本专利技术的一些实施例的一个态样，提供了一种由弹性材料制成的三维的物体的积层制造的方法，所述方法包括：以一物体的形状对应的一配置图案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种由弹性材料制成的三维的物体的积层制造的方法，其特征在于：所述方法包括：以一物体的形状对应的一配置图案依次來形成多个层，从而形成所述物体；其中至少一些所述多个层中的每一层的形成包含：分配至少一造型材料的配方；并且将分配的所述造型材料暴露于一固化能量中，从而形成一固化造型材料；所述至少一造型材料的配方包含一弹性可固化材料及多个二氧化硅颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.29 US 62/342,9701.一种由弹性材料制成的三维的物体的积层制造的方法，其特征在于：所述方法包括：以一物体的形状对应的一配置图案依次來形成多个层，从而形成所述物体；其中至少一些所述多个层中的每一层的形成包含：分配至少一造型材料的配方；并且将分配的所述造型材料暴露于一固化能量中，从而形成一固化造型材料；所述至少一造型材料的配方包含一弹性可固化材料及多个二氧化硅颗粒。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述多个二氧化硅颗粒的一平均粒径小于1微米。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述多个二氧化硅颗粒的至少一部分具有一亲水表面的特征。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述多个二氧化硅颗粒的至少一部分具有一疏水表面的特征。5.如上述权利要求1、2及4任一项所述的方法，其特征在于：所述多个二氧化硅颗粒的至少一部分包含多个官能化二氧化硅颗粒。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述多个二氧化硅颗粒的至少一部分通过多个可固化的官能团来官能化。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述多个可固化的官能团包含多个(甲基)丙烯酸酯基团。8.如上述权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于：在所述造型材料的配方中的所述多个二氧化硅颗粒的一用量的范围是包含所述多个颗粒的一造型材料配方的总重量的1至20、或1至15，或1至10重量百分比。9.如上述权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料及所述多个二氧化硅颗粒的一重量比为30：1至4：1。10.如上述权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料的一用量以重量计为包含所述材料的一造型材料的配方的一总重量的至少40％，或至少50％。11.如上述权利要求1至10任一项所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料及所述多个二氧化硅颗粒在相同的所述造型材料的配方中。12.如上述权利要求1至11任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料配方还包含至少一附加可固化材料。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料、所述多个二氧化硅颗粒及所述附加可固化材料是在相同的所述造型材料的配方中。14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述分配是对于至少二造型材料的配方，所述至少二造型材料的配方的其中一种包含所述弹性可固化材料，及所述至少二造型材料的配方的另一种则包含所述附加可固化材料。15.如上述权利要求1至14任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料的配方还包含至少一附加非可固化材料。16.如上述权利要求1至15任一项所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料是一紫外光可固化弹性材料。17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述固化能量包含紫外光照射。18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于：所述弹性可固化材料是一丙烯酸弹性体。19.如上述权利要求1至18任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料的配方的特征是，当固化时，抗撕裂性至少为4,000牛顿/米。20.如上述权利要求1至19任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料的配方的特征是，当固化时，抗撕裂性高于不含所述多个二氧化硅颗粒的一固化造型材料至少500牛顿/米。21.如上述权利要求1至20任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料的配方的特征是，当固化时，拉伸强度至少为2百万帕。22.如上述权利要求1至21任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一造型材料的配方是由所述固化造型材料所组成的一物体，所述物体具有两个O形环及连接所述O形环的一管，而且所述物体是以在至少一小时或至少一天的恒定伸长下的抗撕裂性为特征。23.一种由如上述权利要求1至22任一项所述的方法所制备的三维的物体，其特征在于：所述物体的特征为至少一部分包含一弹性材料。24.一种配方系统，其特征在于：所述配方系統包括一可固化弹性材料及多个二氧化硅颗粒，所述配方系统包含一种或多种配方。25.如权利要求24所述的配方系统，其特征在于：所述多个二氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱纳特·马扎恩尼尔，希兰·路伯，谢赫·赫希，欧菲拉·梅拉梅德，
申请(专利权)人：斯特拉塔西斯公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL