[发明专利]用于材料挤出式增材制造的高结晶聚乳酸线材

说明书

本发明提供了一种全新的、效果更好的方案，用于解决三维制品增材制造中PLA线材的过早软化所导致的相关问题。这一方案基于通过获得高结晶度的聚乳酸线材从而提高线材对热软化的抵御能力。本发明的结晶聚乳酸线材能应用于三维制品的增材制造，同时不会降低质量和导致打印头阻塞等与线材过早软化有关的问题。本发明的结晶聚乳酸线材也能用于三维物品的增材制造，且不会降低最终产品的质量，不降低打印速度，不增加成本也不会导致打印机结构的复杂化。本发明特别披露了在三维打印中使用的一种由结晶聚乳酸制成的线材，其中线材的直径范围在1.65 mm到1.85 mm之间。

发明背景

“快速成型”是一类通过使用三维计算机辅助设计(CAD)数据，快速制造某一实体物件的比例模型或组件的技术。快速成型过程中，部件或组件的制作通常是通过一种增材、逐层叠加式的方法来实现。这些涉及增材或逐层叠加方式制造零件或部件的技术叫“增材制造”(AM)，与传统的大部分为减材式的制造方法不同。人们通常将增材制造称为“3D打印”。

根据美国材料与试验协会F42增材制造技术委员会的标准，目前有七种基本AM技术：材料挤出、材料喷射、粘合剂喷射、容器式光聚合、层叠制造、粉末床熔合、定向高能沉积。这七种AM技术中，最广泛使用的是材料挤出成型技术。虽然存在一些不同的形式，但该技术一般使用连续的热塑性聚合物线材，通过将其送入加热喷嘴，使其熔融形成粘性熔体并通过喷嘴持续挤出。同时，喷嘴或挤出机组件在步进电机和计算机辅助制造(CAM)软件的精确控制下进行三维运动来构建物件。物件的第一层通常直接打印在某一打印基板上，后续的打印层不断叠加，并通过降温凝固融合(或部分融合)到前一层。该过程一直持续到三维零件完全构造好为止。该过程也可能用到临时支撑材料，为零件的制造提供支撑且随后通过机械方法或通过某一合适的液体介质进行溶解去除。上述过程通常被称为熔融堆积成型(FDM)或熔丝制造(FFF)。该方法首次在美国专利(专利号5,121,329)中描述。

美国专利5,121,329详细披露了一种制备预先设计好形状的三维实体物体的装置，该装置根据需求，将可凝固物质在一基座板上进行连续多层沉积，该设备包括：一个具有内部流动通道装置的可移动机头，其一端与一个分流出口连接，该出口包含一个尖嘴，尖嘴上有一个尺寸精确的排出孔；可凝固打印材料的供料系统，及将材料以液态形式引入到前文所述流动通道装置的设备；一个放在靠近前文所述分流头部的分流出口，且在分流头工作距离内的基板；根据直角坐标系“X”、“Y”和“Z”三轴，按照预定顺序和方式使分流头相对于基板以设定的距离增量移动分流头的机械装置，从而使后续的每一层在前一层上放置，材料从孔洞挤出后固化，层层叠加形成由上述有预设厚度材料构成的多层；以及测量该材料流体挤出量的装置，材料流体从前文所述的排出口，按照预定速率流向基板，因分流头和基座件彼此相对位移而形成三维物品。根据本专利的一个发明实例描述，这种材料的形态是连续、有一定柔性的线材。

材料挤出式AM(FDM或FFF)在过去十年已经变得非常流行，主要归功于低成本的桌面式3D打印机。这种打印机尺寸较小(类似台式喷墨打印机)，且单台售价通常在$5000(美金)以下。材料挤出式技术的桌面式3D打印机的例子有MakerBctIndustries的系列3D打印机、Afinia的H系列打印机、MakerGear LLC的M系列打印机等等。这些3D打印机中的一部分以开源硬件为基础，能以DIY组装件的形式提供。

目前在材料挤出型AM制程(例如FDM或FFF)中使用的热塑性聚合物有数种。这些材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚已内酯(PCL)、聚酰胺、和一些其他聚合物材料。然而最常用的材料是ABS和PLA。