[发明专利]用于制备三维打印快速成型的软性打印材料的热塑性弹性体组合物

说明书

技术领域

本发明属于热塑性弹性体组合物领域，具体涉及一种用于制备三维打印快速成型的软性打印材料的热塑性弹性体组合物。本发明还涉及利用该热塑性弹性体组合物制备软性打印材料的方法。

背景技术

三维打印（3DP）是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属、陶瓷或高分子材料等材料，以粉末、液体或丝状等起始形状，通过不同的打印手段，以逐层打印的方式来构造物体的技术。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于珠宝、鞋类、工业设计、玩具、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以等领域来生产零部件或直接制造产品。

从技术角度来看，目前已有十余种不同的三维打印快速成型方法，如立体光固化成型法（SLA）、选择性激光烧结法（SLS）、熔融沉积快速成型法（FDM）、分层实体制造成型法（LOM）、掩模固化法（SGC）等，其中最主要的是以下三种方法：

（1）立体光固化成型法（SLA）

自1984年的第一台快速成形设备即采用了光固化立体成型的工艺。现在的快速成型设备中，以立体光固化成型法的研究最为深入，运用也最为广泛。该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。在计算机控制下的紫外线，沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。

（2）选择性激光烧结法（SLS）

这种工艺以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未获得实用。

（3）熔融沉积快速成型法（FDM）

1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔融沉积快速成型的设备。将计算机辅助设计（CAD）模型分为一层层极薄的截面，生成控制熔融沉积成型喷嘴移动轨迹的二维几何信息。熔融沉积成型的加热头（打印头）把热塑性高分子材料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）树脂、聚碳酸酯（PC）、尼龙（Nylon）塑料等，加热到临界状态，呈现半流体性质，在计算机控制下，沿计算机辅助设计确定的二维几何信息运动轨迹，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。熔融沉积成型工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料并没有固定的熔点，需要精确控制其温度。

本发明主要涉及用于熔融沉积快速成型法的热塑性高分子材料。对于熔融沉积快速成型法的成型材料，现在市场上普遍以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚乳酸（PLA）硬质塑料为主流，也有部分使用聚碳酸酯（PC）和尼龙（Nylon）等其他硬质材料。这些材料成型出来的产品或部件的硬度一般是在洛氏硬度（Rockwell，简称R）100～120范围，具有较强的刚性，结构挺实，应用范围也因此受到局限，难以用于某些特别设计，例如履带和装饰链条等。由于这些成型材料硬度高，缺乏柔软的手感，并容易因其棱角对人体造成伤害，难以用于玩具、装饰品和手模等其他产品领域。此外，做成丝状的此类打印材料，在三维打印供丝过程中，因其刚性过强，没有延展性，容易折弯后不能恢复或发生断裂，造成打印不顺畅，影响制作的连续性。

因此，有必要开发一种普遍适用于熔融沉积快速打印的软性打印材料，使熔融沉积快速成型法能够用于更广泛的领域。

发明内容