用于增材制造的材料体系制造技术

公开了用于通过粉末/粘结剂体系进行三维打印的技术和组合物，所述粉末/粘结剂体系包括但不限于，金属注射成型粉末材料、高填充的聚合物复合物、和适于通过各种增材制造技术操纵且进一步适于随后的脱粘并热加工成最终物体的任何其它材料。

Material System for Additive Manufacturing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增材制造的材料体系相关申请的交叉引用本申请要求2016年12月14日提交的美国临时专利申请No.62/434,014、2017年4月24日提交的美国临时专利申请No.62/489,271、和2017年4月27日提交的美国临时专利申请No.62/491,170的优先权，其中这些申请的各自的全部内容通过引用特此并入本文中。
本文中描述的系统和方法涉及增材制造，和更具体地涉及通过粉末/粘结剂体系的适于与熔丝制作和其它技术一起使用的增材制造。
技术介绍
某些增材制造技术包括挤出原料而形成三维物体。然而，和操纵(handle)用于挤出原料相关的材料要求与为将所述原料的材料适当地成形为高品质零件(工件，part)的材料要求可不同或可至少部分地不兼容。这样的在材料要求方面的差异可尤其地影响基于挤出的增材制造技术在形成金属物体中的可用性。因此，对于适于使用基于挤出的增材制造技术制作金属净形(netshape)物体的材料，仍存在需要。
技术实现思路
公开了用于三维打印(立体印刷)的具有粉末/粘结剂体系的技术和组合物，所述粉末/粘结剂体系包括但不限于金属注射成型粉末材料、高填充的聚合物复合物(复合材料，composite)、和适于通过各种增材制造技术操纵并且进一步适于随后脱粘和热加工成最终物体的任意其它材料。公开了适于三维打印例如熔丝制作(fusedfilamentfabrication)的具有粉末/粘结剂体系的复合物原料的技术和组合物。所述复合物原料可包括围绕芯的护套，其中至少地所述芯包括悬浮在粘结剂体系中的粉末材料并且所述护套具有大于所述原料的芯的硬度或韧性的硬度或韧性。通常来说，较硬的护套可保护所述芯在运输、储存或使用期间免受未预期的变形或伤害。例如，所述护套和所述芯之间的硬度或韧性差可便于在熔丝制作过程或另外的增材制造过程期间以比要不然(otherwise)在所述原料只由所述芯构成的情况下适用的更高数量的(更大的)力(例如通过齿轮传动装置等)抓持所述原料而不伤害所述芯。在一个方面中，本文中公开的用于增材制造的原料包括芯，其包括粘结剂体系和悬浮在所述粘结剂体系中的粉末材料，所述粉末材料包括烧结性粉末，所述粘结剂体系包括主要粘结剂和次要粘结剂(辅助粘结剂)，所述粉末材料的净形在主要脱粘过程期间能通过所述主要粘结剂保持，所述粉末材料的净形在热烧结循环期间能通过所述次要粘结剂保持，并且所述主要粘结剂和所述次要粘结剂的至少一种包括第一聚合物。所述原料还可包括围绕所述芯的护套，所述护套包括第二聚合物，并且所述护套在基本上低于所述原料的挤出温度的温度下具有大于所述芯的机械性能的机械性能。所述芯和护套的机械性能可通过如下的任意一项度量(衡量)：在应力-应变测试的曲线下的面积、肖氏硬度、洛氏硬度、悬臂梁冲击能(伊佐德冲击能)、简支梁冲击能(沙皮尔冲击能)、和抗拉屈服强度、和抗拉极限强度。所述粉末材料可具有在所述粉末材料的振实密度±10体积％内的在所述芯中的浓度。所述第二聚合物可具有大于所述第一聚合物的分子量的分子量。所述粘结剂体系可包括两种或更多种聚合物，其中所述第二聚合物具有比所述粘结剂体系中的所述两种或更多种聚合物的分子量平均值大的分子量。所述粘结剂体系可包括所述第二聚合物。所述第二聚合物在基本上低于所述原料的挤出温度的温度下可具有大于所述第一聚合物的肖氏硬度D的肖氏硬度D。所述第二聚合物可具有高于所述第一聚合物的熔化温度的熔化温度。在约23摄氏度的温度下，所述原料可在不断裂的情况下能在具有至多36英寸且至少约所述原料的直径的直径的卷轴上卷绕。在约23摄氏度的温度下，所述原料可基本上为刚性的。所述护套的第二聚合物可具有比所述粘结剂体系的第一聚合物的聚合物链要长的聚合物链。所述护套可包含一定量的所述粉末材料。在所述护套中所述粉末材料的体积百分数可小于在所述芯中所述粉末材料的体积百分数。在所述护套中所述粉末材料的体积百分数可基本上等于在所述芯中所述粉末材料的体积百分数。所述次要粘结剂可部分地由所述第二聚合物形成，并且在所述护套中所述第二聚合物的体积百分数可大于在所述芯中所述第二聚合物的体积百分数。所述第一聚合物可为聚苯乙烯。所述第二聚合物可为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)的一种或多种。所述次要粘结剂可包括聚丙烯、聚乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)的一种或多种。在另一个方面中，本文中公开的方法包括挤出包括粘结剂体系和粉末材料的连续芯、和由护套材料围绕所述连续芯形成护套，所述粉末材料具有在所述粉末材料的振实密度±10体积％内的在所述连续芯中的浓度，所述粘结剂体系包括主要粘结剂和次要粘结剂，所述粉末材料的净形在主要脱粘过程期间能通过所述主要粘结剂保持，并且所述粉末材料的净形在热烧结循环期间能通过所述次要粘结剂保持，所述主要粘结剂和所述次要粘结剂的至少一种包括第一聚合物，并且所述粉末材料的粉末包括烧结性粉末。在约23摄氏度下，所述护套材料可具有大于所述连续芯的肖氏硬度的肖氏硬度。所述粘结剂体系可包括低分子量聚合物，所述护套可包括用于所述低分子量聚合物的交联剂，并且所述低分子量聚合物的聚合可能通过所述交联剂触发而在用于所述原料的挤出温度下形成较长链的聚合物。所述低分子量聚合物可具有不大于十万g/mol的分子量。所述挤出温度可为至少一百摄氏度。形成所述护套可包括将所述护套材料围绕所述连续芯共挤出。形成所述护套可包括将所述护套材料喷到所述连续芯上或将所述连续芯浸渍在所述护套材料中。公开了对于用于三维打印例如熔丝制作的具有粉末/粘结剂体系的原料的技术和组合物。例如，原料可包括在整个加工成最终零件期间(在整个……期间，经过，through)用于支撑三维物体的形状的主要粘结剂和次要粘结剂。所述主要粘结剂可包括在初始加工中可用于实现所述三维物体的高打印品质和强度的高分子量聚合物。此外，所述高分子量聚合物可被化学分解，并且因此通过暴露到溶剂而从所述三维物体快速地脱粘。所述次要粘结剂可在所述溶剂中基本上是不溶解的，使得所述次要粘结剂可留下而在后续加工中支撑所述三维物体的净形。因此，所述主要粘结剂中的所述高分子量聚合物与所述次要粘结剂的组合可对于高品质零件的快速三维制造是有用的。在一个方面中，本文中公开的增材制造的方法包括沿着挤出路径相对于构建板(成形平台，buildplate)移动一个或多个喷嘴、将原料通过所述一个或多个喷嘴挤出、将所述三维物体暴露到化学溶液、使所述次要粘结剂从所述三维物体脱粘、和使所述三维物体中的所述粉末材料致密化以形成最终零件，所述原料包括粘结剂体系和分散在所述粘结剂体系中的粉末材料，所述原料的挤出沿着所述挤出路径形成三维物体；所述化学溶液使所述粘结剂体系的主要粘结剂的聚合物化学分解，并且所述聚合物的化学分解在所述主要粘结剂的至少一部分从所述三维物体化学溶解期间发生，同时在所述粘结剂体系的次要粘结剂支撑所述三维物体的形状。所述次要粘结剂在所述三维物体暴露到其的所述化学溶液中可为基本上不溶解的。所述主要粘结剂的聚合物可为高分子量聚合物。所述主要粘结剂的高分子量聚合物可具有大于约100,000g/mol的分子量。所述次要粘结剂可包括第二聚合物，并且第二聚合物可具有小于或约等于所述高分子量聚合物的分子量的分子量。所述粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于增材制造的原料，所述原料包括：芯，其包括粘结剂体系和悬浮在所述粘结剂体系中的粉末材料，所述粉末材料包括烧结性粉末，所述粘结剂体系包括主要粘结剂和次要粘结剂，所述粉末材料的净形在主要脱粘过程期间能通过所述主要粘结剂保持，所述粉末材料的净形在热烧结循环期间能通过次要粘结剂保持，和所述主要粘结剂和所述次要粘结剂的至少一种包括第一聚合物；和围绕所述芯的护套，所述护套包括第二聚合物，并且所述护套在基本上低于所述原料的挤出温度的温度下具有大于所述芯的机械性能的机械性能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.14 US 62/434,014;2017.04.24 US 62/489,271;1.用于增材制造的原料，所述原料包括：芯，其包括粘结剂体系和悬浮在所述粘结剂体系中的粉末材料，所述粉末材料包括烧结性粉末，所述粘结剂体系包括主要粘结剂和次要粘结剂，所述粉末材料的净形在主要脱粘过程期间能通过所述主要粘结剂保持，所述粉末材料的净形在热烧结循环期间能通过次要粘结剂保持，和所述主要粘结剂和所述次要粘结剂的至少一种包括第一聚合物；和围绕所述芯的护套，所述护套包括第二聚合物，并且所述护套在基本上低于所述原料的挤出温度的温度下具有大于所述芯的机械性能的机械性能。2.如权利要求1所述的原料，其中所述芯和护套的机械性能通过如下的任一项度量：在应力-应变测试的曲线下的面积、肖氏硬度、洛氏硬度、悬臂梁冲击能、简支梁冲击能、和抗拉屈服强度、和抗拉极限强度。3.如权利要求1所述的原料，其中所述粉末材料具有在所述粉末材料的振实密度±10体积％内的在所述芯中的浓度。4.如权利要求1所述的原料，其中所述第二聚合物具有大于所述第一聚合物的分子量的分子量。5.如权利要求1所述的原料，其中所述粘结剂体系包括两种或更多种聚合物，和其中所述第二聚合物具有大于所述粘结剂体系中的所述两种或更多种聚合物的分子量平均值的分子量。6.如权利要求1所述的原料，其中所述粘结剂体系包括所述第二聚合物。7.如权利要求1所述的原料，其中所述第二聚合物在基本上低于所述原料的挤出温度的温度下具有大于所述第一聚合物的肖氏硬度D的肖氏硬度D。8.如权利要求1所述的原料，其中所述第二聚合物具有高于所述第一聚合物的熔化温度的熔化温度。9.如权利要求1所述的原料，其中在约23摄氏度的温度下，所述原料能卷绕在具有至多36英寸的直径且至少约所述原料的直径的卷轴上而不断裂。10.如权利要求1所述的原料，其中在约23摄氏度的温度下，所述原料基本上是刚性的。11.如权利要求1所述的原料，其中所述护套的第二聚合物具有比所述粘结剂体系的第一聚合物的聚合物链长的聚合物链。12.如权利要求1所述的原料，其中所述护套包含一定量的所述粉末材料。13.如权利要求12所述的原料，其中在所述护套中所述粉末材料的体积百分数小于在所述芯中所述粉末材料的体积百分数。14.如权利要求13所述的原料，其中在所述护套中所述粉末材料的体积百分数基本上等于在所述芯中所述粉末材料的体积百分数。15.如权利要求13所述的原料，其中所述次要粘结剂部分地由所述第二聚合物形成，和在所述护套中所述第二聚合物的体积百分数大于在所述芯中所述第二聚合物的体积百分数。16.如权利要求1所述的原料，其中所述第一聚合物为聚苯乙烯。17.如权利要求1所述的原料，其中所述第二聚合物为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)的一种或多种。18.如权利要求1所述的原料，其中所述次要粘结剂包括聚丙烯、聚乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)的一种或多种。19.制作原料的方法，该方法包括：挤出包括粘结剂体系和粉末材料的连续芯，所述粉末材料具有在所述粉末材料的振实密度±10体积％内的在所述连续芯中的浓度，所述粘结剂体系包括主要粘结剂和次要粘结剂，所述粉末材料的净形在主要脱粘过程期间能通过所述主要粘结剂保持，和所述粉末材料的净形在热烧结循环期间能通过所述次要粘结剂保持，所述主要粘结剂和所述次要粘结剂的至少一种包括第一聚合物，和所述粉末材料的粉末包括烧结性粉末；和由护套材料围绕所述连续芯形成护套。20.如权利要求19所述的方法，其中在约23摄氏度下，所述护套材料具有大于所述连续芯的肖氏硬度的肖氏硬度。21.如权利要求19所述的方法，其中所述粘结剂体系包括低分子量聚合物，所述护套包括用于所述低分子量聚合物的交联剂，和所述低分子量聚合物的聚合能通过所述交联剂触发而在用于所述原料的挤出温度下形成较长链的聚合物。22.如权利要求21所述的方法，其中所述低分子量聚合物具有不大于十万g/mol的分子量。23.如权利要求21所述的方法，其中所述挤出温度至少为一百摄氏度。24.如权利要求19所述的方法，其中形成所述护套包括将所述护套材料围绕所述连续芯共挤出。25.如权利要求19所述的方法，其中形成所述护套包括将所述护套材料喷到所述连续芯上或将所述连续芯浸渍在所述护套材料中。26.增材制造的方法，该方法包括：沿着挤出路径相对于构建板移动一个或多个喷嘴；将原料通过所述一个或多个喷嘴挤出，所述原料包括粘结剂体系和分散在所述粘结剂体系中的粉末材料，所述原料的挤出沿着所述挤出路径形成三维物体；将所述三维物体暴露到化学溶液，所述化学溶液使所述粘结剂体系的主要粘结剂的聚合物化学分解，和所述聚合物的化学分解在所述主要粘结剂的至少一部分从所述三维物体化学溶解期间发生，同时所述粘结剂体系的次要粘结剂支撑所述三维物体的形状；使所述次要粘结剂从所述三维物体脱粘；和使所述三维物体中的所述粉末材料致密化以形成最终零件。27.如权利要求26所述的方法，其中所述次要粘结剂在所述三维物体暴露到其的所述化学溶液中基本上是不溶解的。28.如权利要求26所述的方法，其中所述主要粘结剂的聚合物为高分子量聚合物。29.如权利要求28所述的方法，其中所述主要粘结剂的高分子量聚合物具有大于约100,000g/mol的分子量。30.如权利要求28所述的方法，其中所述次要粘结剂包括第二聚合物，和所述第二聚合物具有小于或约等于所述高分子量聚合物的分子量的分子量。31.如权利要求26所述的方法，其中所述粉末材料包括金属、金属合金、或陶瓷的一种或多种。32.如权利要求26所述的方法，其中所述主要粘结剂进一步包括当将所述三维物体暴露到所述化学溶液时能在所述化学溶液中溶解的蜡。33.如权利要求26所述的方法，其中所述主要粘结剂从所述三维物体脱粘，留下包括单糖水溶液的废弃物流。34.如权利要求26所述的方法，其中使所述粉末致密化包括如下的一个或多个：烧结所述三维物体或用液态金属渗入所述三维物体。35.用于增材制造的原料，所述原料包括：粉末材料；主要粘结剂，其包含当暴露到化学溶液时能化学分解和能溶解的高分子量聚合物；和用于在热加工期间保持由所述原料形成的零件的形状的次要粘结剂，所述次要粘结剂在能使所述高分子量聚合物解聚的所述化学溶液中基本上是不溶解的。36.如权利要求35所述的原料，其中所述高分子量聚合物具有大于约100,000g/mol的分子量。37.如权利要求35所述的原料，其中所述化学溶液包括用于所述高分子量聚合物的化学分解的催化剂。38.如权利要求37所述的原料，其中所述化学分解经由解聚发生。39.如权利要求35所述的原料，其中所述主要粘结剂的高分子量聚合物包括热塑性多糖、聚乳酸、聚乙醇酸、聚(丙交酯)-共-(己内酯)、含苯乙烯嵌段的共聚物、聚乙二醇、PEG-PMMA、尿烷酯和聚酸酐的至少一种。40.如权利要求35所述的原料，其中所述高分子量聚合物在水溶液或碱性溶液的一种或多种中能化学分解。41.如权利要求35所述的原料，其中所述化学溶液为水溶液并且所述高分子量聚合物在该水溶液中能水解。42.如权利要求35所述的原料，其中所述高分子量聚合物在酸性溶液中能化学分解。43.三维物体，其包括：共同形成所述三维物体的多个层，各层结合到至少一个其它层，并且各层包括粉末材料、包含通过化学溶液能化学分解和能溶解的高分子量聚合物的主要粘结剂、和用于在热加工期间保持所述三维物体的形状的次要粘结剂，所述次要粘结剂在能使所述高分子量聚合物化学分解的所述化学溶液中基本上是不溶解的。44.如权利要求43所述的三维物体，其中所述高分子量聚合物具有大于约100,000g/mol的分子量。45.如权利要求43所述的三维物体，其中所述次要粘结剂包括第二聚合物，和所述第二聚合物具有小于、约等于所述高分子量聚合物的分子量的分子量。46.方法，其包括：沿着挤出路径相对于构建板移动一个或多个喷嘴；将原料通过所述一个或多个喷嘴挤出，所述原料的挤出沿着所述挤出路径形成三维物体，所述原料包括粘结剂体系和分散在所述粘结剂体系中的粉末材料；将所述三维物体暴露到溶剂，所述溶剂使所述粘结剂体系的第一聚合物相对于所述粘结剂体系的第二聚合物优先地溶解以在所述第二聚合物支撑所述三维物体时从所述三维物体除去所述第一聚合物，所述第一聚合物具有中等或高分子量并且所述第二聚合物具有高分子量；使所述第二聚合物从所述三维物体脱粘；和使所述三维物体中的所述粉末材料致密化以形成最终零件。47.如权利要求46所述的方法，其中所述粉末材料包括金属、金属合金、或陶瓷的一种或多种。48.如权利要求46所述的方法，其中所述粉末材料的粉末在所述原料中具有在所述粉末材料的振实密度±10体积％内的密度。49.如权利要求46所述的方法，其中所述第二聚合物在所述溶剂中是不溶解的。50.如权利要求46所述的方法，其中将所述三维物体暴露到所述溶剂在所述三维物体中形成开孔结构，并且使所述第二聚合物脱粘包括经由热分解使所述第二聚合物的至少一部分通过所述三维物体中的所述开孔结构除去。51.如权利要求46所述的方法，其中所述第一聚合物包括聚苯乙烯。52.如权利要求51所述的方法，其中所述溶剂包括脂族烃、乙酸乙酯、丙酮、甲乙酮、反式-二氯乙烯、苯或甲苯的一种或多种。53.如权利要求46所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：MA吉布森，JS迈尔伯格，R富洛普，MJ塔尔卡尼安，A博斯，JC托比亚，RR丰塔纳，AC巴巴蒂，
申请(专利权)人：德仕托金属有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US