压电复合长丝及其在增材制造中的用途制造技术

本发明专利技术题为“压电复合长丝及其在增材制造中的用途”。通过增材制造制得的零件本质上通常是结构性的，而并非具有由聚合物或其它组成部分传递的功能特性。可以使用包含分散在热塑性聚合物中的多个压电微粒的复合长丝来形成具有压电特性的打印零件。该复合长丝能够通过熔融共混和挤出来形成。该复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且该压电微粒基本上是非团聚的并沿着该复合长丝的长度分散。该压电微粒在通过熔融共混分散在该热塑性聚合物中时能够保持基本上是非团聚的。增材制造方法能够包括以等于或高于此类复合长丝的熔点或软化温度的温度加热此类复合长丝以形成软化的复合材料，以及逐层沉积该软化的复合材料以形成打印零件。层沉积该软化的复合材料以形成打印零件。层沉积该软化的复合材料以形成打印零件。

【技术实现步骤摘要】
压电复合长丝及其在增材制造中的用途


[0001]本公开一般涉及增材制造，并且更具体地涉及利用能够形成表现出压电特性的打印零件的复合材料及其长丝的增材制造方法。

技术介绍

[0002]增材制造，也称为三维(3D)打印，是快速增长的
虽然增材制造传统上用于快速原型制作活动，但是该技术正被越来越多地用于生产具有任何数量的复杂形状的商业零件和工业零件。增材制造方法通常通过逐层构建物体来操作，例如，通过：1)从连续长丝获得的熔融打印材料的料流的沉积，或2)使用激光烧结打印材料的粉末颗粒。逐层沉积通常在计算机的控制下进行，以基于待制造零件的数字三维“蓝图”将打印材料沉积在精确位置，其中打印材料的固结与沉积结合进行以形成打印零件。形成打印零件的主体的打印材料在本文中可被称为“构建材料”。
[0003]采用熔融打印材料流来形成零件的增材制造方法通常利用热塑性聚合物长丝作为熔融打印材料的来源。此类增材制造方法有时被称为“熔融沉积成型”或“熔丝制造”方法。在本文中使用了后一术语。采用热塑性球剂作为打印材料源的增材制造方法也是已知的。
[0004]采用打印材料的粉末颗粒的增材制造方法通常在打印材料沉积之后在颗粒床的所选择的位置执行直接加热以促进粉末颗粒局部聚结成固结零件。适用于促进粉末颗粒固结以形成固结零件的技术包括例如粉末床融合(PBF)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔融(EBM)、粘结剂喷射和多射流熔融(MJF)。
[0005]可使用这两种类型的增材制造方法来制造具有各种形状的各种零件。在许多情况下，在这两种类型的增材制造方法中采用的构建材料本质上可以在很大程度上是结构性的，而并非是本身具有先天功能性的聚合物。一个例外是压电功能性，其可以在由包含聚偏二氟乙烯的长丝形成的打印物体中表现出来，聚偏二氟乙烯是具有先天压电特性的聚合物。压电材料在机械应变下生成电荷，或者相反地，当向其施加电势时发生机械应变。压电材料的潜在应用包括感测、切换、致动和能量收集。
[0006]尽管期望形成具有压电特性的打印零件，但目前仅存在有限的选项来这样做。聚偏二氟乙烯长丝是当前适用于生产具有压电特性的打印零件的唯一可商购获得的长丝。虽然聚偏二氟乙烯在许多情况下可以适当地形成打印零件，但是压电聚合物的范围原本是相当有限的，并且一些替代聚合物不适用于形成适用于熔丝制造的长丝。这些缺点可能会限制打印压电零件可以暴露于其下的条件的广度，并且可能会限制可从其获得的功能性。此外，与其它类型的压电材料相比，聚偏二氟乙烯的压电性相当低。具有高压电性的许多陶瓷材料是可获得的，但它们本身是不可打印的并且通常非常易碎。此外，在沉积(主要为)压电陶瓷之后可能需要高的烧结温度(>300℃)来促进零件固结。聚合物和陶瓷压电材料的掺加物在固结零件中尚未实现高压电性能。

技术实现思路

[0007]本公开提供了适用于熔丝制造的复合长丝。该复合长丝包含：热塑性聚合物以及与该热塑性聚合物熔融共混的多个压电微粒；其中该压电微粒基本上是非团聚的并且以足够的量存在，使得该复合长丝能够被打印为单层薄膜，如使用APC国际宽范围d
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测量仪所测量的，该单层薄膜在极化之后在约200微米的膜厚度下具有约1pC/N或更大的d
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值。任选地，该压电微粒可以均匀地分布在该热塑性聚合物中。
[0008]在一些实施方案中，该复合长丝可以包含：分散在热塑性聚合物中的多个压电微粒；其中该复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且该压电微粒基本上是非团聚的并沿着该复合长丝的长度分散。
[0009]本公开还提供了用于形成适用于熔丝制造的复合长丝的方法。该方法包括：形成包含热塑性聚合物和多个压电微粒的熔体；任选地在搅拌下将熔体共混以形成具有分布在其中的压电微粒的熔融共混物；以及挤出该熔融共混物以形成复合长丝，该复合长丝包含以基本上非团聚的形式与该热塑性聚合物熔融共混的该压电微粒。任选地，该压电微粒可以均匀地分布在该热塑性聚合物中。
[0010]在一些实施方案中，该方法可以包括：形成包含热塑性聚合物和多个压电微粒的熔体；任选地在搅拌下将熔体共混以形成具有分布在其中的压电微粒的熔融共混物；以及挤出该熔融共混物以形成复合长丝，该复合长丝包含分散在该热塑性聚合物中的多个压电微粒，其中该复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且该压电微粒基本上是非团聚的并沿着该复合长丝的长度分散；并且其中形成、共混和挤出相继发生或同时发生。
[0011]本公开还进一步提供了用于形成具有压电性的打印零件的增材制造方法。该方法包括：提供包含热塑性聚合物以及与该热塑性聚合物熔融共混的多个压电微粒的复合长丝；其中压电微粒基本上是非团聚的并且以足够的量存在，使得该复合长丝能够被打印为单层薄膜，如使用APC国际宽范围d
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测量仪所测量的，该单层薄膜在极化之后在约200微米的膜厚度下具有约1pC/N或更大的d
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值；以高于该复合长丝的软化温度的温度加热该复合长丝以形成软化的复合材料；以及逐层沉积该软化的复合材料以形成打印零件。任选地，该压电微粒可以均匀地分布在该热塑性聚合物中。
[0012]在一些实施方案中，该增材制造方法可以包括：提供包含分散在热塑性聚合物中的多个压电微粒的复合长丝；其中该复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且该压电微粒基本上是非团聚的并沿着该复合长丝的长度分散；以等于或高于该复合长丝的熔点或软化温度的温度加热该复合长丝以形成软化的复合材料；以及逐层沉积该软化的复合材料以形成打印零件；并且其中加热和沉积相继发生或同时发生。
附图说明
[0013]包括以下附图是为了示出本公开的某些方面，并且不应被视为排他的实施方案。如受益于本公开的本领域普通技术人员将想到的，所公开的主题能够在形式和功能上实现相当大的修改、改变、组合和等同物。
[0014]图1示出了用于使用构建材料和可移除支撑材料生产零件的例示性熔丝制造方法
的示意图。
[0015]图2示出了具有插置在零件与打印床之间的第一可移除支撑和插置在零件的两个部分之间的第二可移除支撑的例示性零件的示意图。
[0016]图3A和3B示出了样本2A的复合长丝的例示性SEM图像。
[0017]图4A和4B示出了样本2B的复合长丝的例示性SEM图像。
具体实施方式
[0018]本公开一般涉及增材制造，并且更具体地涉及可以形成具有压电特性的打印零件的增材制造方法。更具体地，本公开提供了适用于熔丝制造增材制造方法的复合长丝，该复合长丝能够形成具有压电特性的零件。复合材料的粒化形式也可以通过利用本文所公开的熔融共混方法来形成。
[0019]如上所述，增材制造方法诸如熔丝制造是用于生成宽泛的复杂形状范围的打印零件的强大工具。在许多情况下，用于执行熔丝制造的聚合物本质上在很大程度上是结构性的，并且其本身不向打印零件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合长丝，包含：分散在热塑性聚合物中的多个压电微粒；其中所述复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且所述压电微粒基本上是非团聚的并沿着所述复合长丝的所述长度分散。2.根据权利要求1所述的复合长丝，其中所述压电微粒以足够的量存在，使得所述复合长丝能够被打印为单层薄膜，如使用APC国际宽范围d
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测量仪所测量的，所述单层薄膜在极化之后在约200微米的膜厚度下具有约1pC/N或更大的d
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值。3.根据权利要求1所述的复合长丝，其中所述压电微粒具有约10微米或更小的平均粒度。4.根据权利要求1所述的复合长丝，其中所述压电微粒占所述复合长丝的约10体积％至约85体积％。5.根据权利要求1所述的复合长丝，其中所述压电微粒包含选自由以下项组成的组的压电材料：锆钛酸铅、掺杂锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸铅、铌镁酸铅、铌镁酸铅钛酸铅、铌酸钾钠、钛酸铜钙、钛酸铋钠、磷酸镓、石英、电气石以及它们的任何组合。6.根据权利要求1所述的复合长丝，其中所述热塑性聚合物包括选自由以下项组成的组的聚合物：聚酰胺、聚己内酯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚(苯乙烯
‑
异戊二烯
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苯乙烯)(SIS)、聚(苯乙烯
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乙烯
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丁烯
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苯乙烯)(SEBS)、聚(苯乙烯
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丁烯
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苯乙烯)(SBS)、高抗冲聚苯乙烯、热塑性聚氨酯、聚(丙烯腈
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丁二烯
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苯乙烯)(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(乙烯基吡咯烷
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乙酸乙烯酯)、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚甲醛、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚环氧乙烷、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚(四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯)、它们的任何共聚物以及它们的任何组合。7.一种方法，包括：形成包含热塑性聚合物和多个压电微粒的熔体；任选地在搅拌下将所述熔体共混以形成具有分布在其中的所述压电微粒的熔融共混物；以及挤出所述熔融共混物以形成复合长丝，所述复合长丝包含分散在所述热塑性聚合物中的所述多个压电微粒，其中所述复合长丝能够与熔丝制造相容并具有能够与熔丝制造相容的长度和直径，并且所述压电微粒基本上是非团聚的并沿着所述复合长丝的所述长度分散；并且其中形成、共混和挤出相继发生或同时发生。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述压电微粒以足够的量存在，使得所述复合长丝能够被打印为单层薄膜，如使用APC国际宽范围d
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测量仪所测量的，所述单层薄膜在极化之后在约200微米的单层膜厚度下具有约1pC/N或更大的d
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值。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述压电微粒具有约10微米或更小的平均粒度。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述压电微粒占所述复合长丝的约10体积％至约85体积％。11.根据权利要求7所述的方法，其中所述压电微粒包含选自由以下项组成的组的压电材料：锆钛酸铅、掺杂锆钛酸铅、钛酸钡、钛酸铅、铌镁酸铅、铌镁酸铅钛酸铅、铌酸钾钠、钛
酸铜钙、钛酸铋钠、磷酸镓、石英、电气石以及它们的任何组合。12.根据权利要求7所述的方法，其中所述热塑性聚合物包括选自由以下项组成的组的聚合物：聚酰胺、聚己内酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：