本文中描述了3D打印长丝，其具有核和壳热塑性挤出物。所述核和壳挤出物各自具有玻璃化转变温度，所述核的玻璃化转变温度大于或等于所述壳的玻璃化转变温度。所述核热塑性挤出物在打印温度下的粘度与所述壳热塑性挤出物在打印温度下的粘度的比率大于1、高达20。所述核和壳热塑性挤出物是相互可混的或相容的、或各自包含选自以下的聚合物：聚碳酸酯、聚氨酯、聚酯、丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯、苯乙烯‑丙烯腈、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚苯乙烯、聚砜、聚乳酸、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺。
Structured filament for 3-D printing
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3-D打印的结构化长丝专利
本专利技术涉及可用于三维打印(3D打印)的并且由至少两种不同的材料构成的呈核/壳构造的结构化长丝。专利技术背景3D打印在历史上曾用于快速原型设计以允许设计者想象和感觉产品的形状而不需要与建模有关的成本。随着3D打印技术的发展，3D打印的制品的品质和性质正变得接近由传统技术生产的那些，潜在地使得生产者能够将它们用作功能部件。这尤其可用于需要定制或小批量的应用。3D打印技术还允许制造在自由空间中具有需要的几何形状的三维制品。在3D打印技术中，熔融长丝制造(FFF)是用于打印塑料物体的最常见技术之一。FFF在消费市场中以及对于在家打印应用流行，但是由于可用于该技术的聚合物有限，其在工业应用中的使用并不普遍。3D打印在历史上曾用于快速原型设计以允许设计者想象和感觉产品的形状而不需要与建模有关的成本。随着3D打印技术的发展，3D打印的制品的品质和性质正变得接近由传统技术生产的那些，潜在地使得生产者能够将它们用作功能部件。这尤其可用于需要定制或小批量的应用。3D打印技术还允许制造在自由空间中具有需要的几何形状的三维制品。在3D打印技术中，熔融长丝制造(FFF)是用于打印塑料物体的最普通技术之一。FFF流行消费市场中以及对于在家打印应用流行，但是由于可用于该技术的聚合物有限，其在工业应用中的使用并不普遍。作为其核心，FFF基于与基础铣床类似的基本原理，但是不具有除去材料的加工头；其使用微型塑料挤出机以沉积熔融的聚合物挤出物。通过挤出机头的程序化的x-y-z运动，在平台上一层一层地打印所需的形状，如图1中所示。FFF3D打印机包括打印元件10，其含有在筒体11内的熔融的挤出物以通过喷嘴13以速度U如箭头19描绘地沉积长丝15，其可以被沉积在另一长丝16上，长丝16被沉积在床17上。加热外壳12确保挤出物保持熔融并以所需的温度沉积。随着加热元件进一步移动离开，长丝15和16将冷却并固化。辊14能根据需要升高或降低打印元件10以便在期望的位置沉积长丝。打印元件10还可以根据需要来回移动，或从一侧移动到另一侧，以构建3D打印的物体。在FFF中，被打印的熔融聚合物长丝理想地流到前面沉积的层的表面上并且在玻璃化之前与所有相邻的长丝熔合，制造连续的粘合部件。然而，由FFF打印的部件的机械强度经常劣于类似的注塑部件的机械强度。机械强度差的一个原因是存在打印方法过程中不完全的部件填充引起的空隙或间隙。此外，聚合物熔体的快速冷却和施加压力的缺乏限制了相邻长丝之间的扩散，导致在它们的界面处和打印的层之间差的粘合。这种差的粘合能使自身表现为部件的类似复合材料的破损与部件沿打印的长丝线的碎裂。可认为FFF打印的部件具有与打印的长丝的融合有关的多个聚合物融合线，在部件中是并排的和从上至下的。在FFF过程中，长丝作为圆柱体被挤出并因此其必须变形以产生具有最小的空隙的粘合部件。处于熔融状态的聚合物的高流动性允许更好的跨越挤出的长丝之间界面的扩散并且改善3D打印的部件的内部融合线之间的粘合。然而，高的流动性也可导致与数字模型部件相比的显著变形，这导致差的尺寸保真性或甚至部件坍塌。因此，在界面处的粘合和部件的填充通常是对保持3D打印的部件的品质和尺寸保真性的要求的损害。此外，传统熔融长丝的使用往往是高温敏感的。这导致在3D打印机上施加上极窄的约束以加工聚合物熔体，并且经常限制打印的速度和质量以便维持该温度。这些窄的约束限制3D打印机可操作的条件。这些条件也称为加工窗口。能够在更宽或更大的加工窗口内操作可有利于确保3D打印的部件的高品质。随着3D打印机内温度波动变得更可接受，宽的加工窗口允许在打印过程中更高的灵活性和材料的更宽选择。
技术实现思路
在一个实施方案中，3D打印长丝包含：核热塑性挤出物，其具有外表面、玻璃化转变温度Tg-核和在打印温度下的粘度V-核；和壳热塑性挤出物，其具有内表面和外表面、玻璃化转变温度Tg-壳和在打印温度下的粘度V-壳；其中所述核热塑性聚合物的外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触；其中Tg-核大于或等于Tg-壳，并且其中V-核/V-壳的比率大于1且最大为20，并且其中所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物展现出相互可混性或相容性。在另一个实施方案中，3D打印长丝包含：核热塑性挤出物，其具有外表面、玻璃化转变温度Tg-核和在打印温度下的粘度V-核；和壳热塑性挤出物，其具有内表面和外表面、玻璃化转变温度Tg-壳和在打印温度下的粘度V-壳；其中所述核热塑性聚合物的外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触；其中Tg-核大于或等于Tg-壳，并且其中V-核/V-壳的比率大于1且最大为20，并且其中所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物各自包含选自以下的聚合物：聚碳酸酯、聚氨酯、聚酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丙烯腈、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚苯乙烯、聚砜、聚乳酸、聚醚酰亚胺和聚酰亚胺。在还有另一个实施方案中，该3D打印长丝具有在25℃和325℃之间、优选地在90℃和220℃之间、最优选地在110℃和190℃之间的Tg-核和Tg-壳。在还有另一个实施方案中，3D打印长丝具有等于Tg-壳的Tg-核。在一个不同的实施方案中，Tg-核大于Tg-壳，大于的量大于0℃、高达100℃，优选地大于的量在30℃和90℃之间。在供选的实施方案中，3D打印长丝具有在1和15之间、优选地在1和10之间的V-核/V-壳的比率。在还未公开的实施方案中，该长丝包含35％-75％的核热塑性挤出物、优选地45％-55％的核热塑性挤出物。在不同的实施方案中，所述壳热塑性聚合物的基本上全部内表面与所述核的外表面接触。在另一个中，所述核热塑性聚合物的基本上全部外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触。在另一个实施方案中，所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物各自具有10％或更小的结晶度。附图简述现在出于说明而非限制的目的结合图描述本专利技术，其中：图1显示运转中的3-D打印机的示意图；图2显示运转中的3-D打印机的打印元件的示意图；图3显示共挤出系统的示意图；图4显示结构化的核-壳长丝的透视图；图5显示数根打印的挤出长丝的透视图；图6显示3-D打印的样品的俯视图；图7显示3-D打印的样品的侧视图；且图8显示对于一系列温度的三种树脂体系的图，并且显示它们各自的玻璃化转变温度。专利技术描述为了克服通过FFF打印三维部件中的损害，以核-壳构造挤出包含两种或更多种热塑性组分的结构化长丝并将其用作用于3D打印机的进料长丝。选择这些热塑性组分来展示在核和壳的玻璃化转变温度(Tg)(Tg-核和Tg-壳)上以及在核和壳的熔体粘度(V)(V-核和V-壳)上的差异以促进所谓的“壳”聚合物在层之间的融合线处的相互扩散，并保持被打印的部件的空间保真度。如图2中所示的，3D打印元件20包含筒体21、加热外壳22和喷嘴23。在筒体21内的是包含核24和壳25的结构化长丝28。结构化长丝28在喷嘴23处被压缩以形成挤出的长本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种3D打印长丝，其包含：/n核热塑性挤出物，其具有外表面、玻璃化转变温度Tg-核和在打印温度下的粘度V-核；和/n壳热塑性挤出物，其具有内表面和外表面、玻璃化转变温度Tg-壳和在打印温度下的粘度V-壳，/n其中所述核热塑性聚合物的外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触，/n其中Tg-核大于或等于Tg-壳，并且/n其中V-核/V-壳的比率大于1且最大为20，并且/n其中所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物是相互可混的或相容的。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种3D打印长丝，其包含：
核热塑性挤出物，其具有外表面、玻璃化转变温度Tg-核和在打印温度下的粘度V-核；和
壳热塑性挤出物，其具有内表面和外表面、玻璃化转变温度Tg-壳和在打印温度下的粘度V-壳，
其中所述核热塑性聚合物的外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触，
其中Tg-核大于或等于Tg-壳，并且
其中V-核/V-壳的比率大于1且最大为20，并且
其中所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物是相互可混的或相容的。
2.权利要求1的3D打印长丝，其中Tg-核和Tg-壳在25℃和325℃之间。
3.权利要求2的3D打印长丝，其中Tg-核和Tg-壳在90℃和220℃之间。
4.权利要求3的3D打印长丝，其中Tg-核和Tg-壳在110℃和190℃之间。
5.权利要求1的3D打印长丝，其中Tg-核等于Tg-壳。
6.权利要求1的3D打印长丝，其中Tg-核大于Tg-壳，大于的量大于0℃、高达100℃。
7.权利要求6的3D打印长丝，其中Tg-核大于Tg-壳，大于的量在30℃和90℃之间。
8.权利要求1的3D打印长丝，其中V-核/V-壳的比率在1和15之间。
9.权利要求8的3D打印长丝，其中V-核/V-壳的比率在1和10之间。
10.权利要求1的3D打印长丝，其中所述长丝包含35％-75％的核热塑性挤出物。
11.权利要求10的3D打印长丝，其中所述长丝包含45％-55％的核热塑性挤出物。
12.权利要求1的3D打印长丝，其中所述壳热塑性聚合物的基本上全部内表面与所述核的外表面接触。
13.权利要求1的3D打印长丝，其中所述核热塑性聚合物的基本上全部外表面与所述壳热塑性聚合物的内表面接触。
14.权利要求1的3D打印长丝，其中所述核热塑性挤出物和壳热塑性挤出物各自具有10％或更小的结晶度。
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【专利技术属性】
技术研发人员：M卡马克，BD沃格特，M罗古诺瓦，E西尔瓦莫吉卡，K海德，D瓦迪乌斯，
申请(专利权)人：科思创有限公司，阿克伦大学，
类型：发明
国别省市：美国;US
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