[发明专利]在基于挤出的增材制造中用作临时支撑材料的共混聚合物

说明书

本申请要求2014年9月9日提交的美国临时专利申请第62/047,723号的权益。美国临时专利申请第62/047,723号的教示内容以全文引入的方式并入本文中。

背景技术

按照定义，“快速成型”是可以用于使用3维计算机辅助设计(CAD)数据快速建造物理部件或组合件的比例模型的一系列技术。在快速成型中，部件或组合件的构建通常以增材逐层方式进行。相对于在本质上主要减少材料的传统制造方法，涉及以增材或逐层方式构造部件或组合件的那些技术被称为“增材制造”(AM)。增材制造通常被公众称为“3D打印”。

根据增材制造技术ASTM委员会F42，目前存在七种基本AM技术：材料挤出、材料喷射、粘合剂喷射、槽光固化(vat photopolymerization)、层叠、粉末床熔融以及直接能量沉积。这七种AM技术中最具有广泛用途的是基于材料挤出。虽然存在一些差异，但这种技术一般涉及以连续长丝的形式将热塑性聚合物进料于加热的喷嘴中，其中热塑性长丝变成粘稠熔体并且因此可以被挤出。喷嘴或挤出机组合件的3维运动通过步进电机和计算机辅助制造(CAM)软件精确控制。物件的第一层沉积于建造基材上，而其余层由于温度下降而通过凝固依序沉积并且融合(或部分融合)到前一层。该过程持续进行，直到3维部件被完全地构建好。该过程还可以涉及临时支撑材料，其向所建造的部件提供支撑并且随后通过机械手段或通过溶解在合适液体介质中从完工的部件中去除。这种方法通常称为熔融堆积成型(FDM)或熔丝制造(FFF)。这种技术首先由美国专利5,121,329的教示内容所描述。

美国专利5,121,329更具体地公开一种设备，此设备可以通过将可以凝固的材料一层层按照期望的图案不断沉积于底座构件上来打印出预设好形状的三维物体，所述设备包含：在其中具有流动-通过装置的活动头，其在一端连接到分配出口，所述出口包含在其中具有预定大小的排放孔的尖端；在预定温度下固化的材料的供应源，以及用于将流体状态的所述材料引入所述流动-通过装置中的装置；基座构件，其紧靠所述分配头的所述分配出口安置；机械装置，其用于使所述分配头和所述基座构件按预定顺序和图案，在沿着直角坐标系中的“X”、“Y”和“Z”轴的三个维度上彼此相对移动，并且用于在开始形成每一个连续层之前，相对于基座构件并且因此相对于所沉积的每一个连续层，将所述分配头以预定的递增距离位移，以形成具有预定厚度的所述材料的多个层，这些层由于在从所述孔排放后固化而依序彼此叠加；以及计量装置，其用于在所述分配头和基座构件彼此相对移动时，以预定速率将从所述排放孔排放的呈液体流形式的所述材料定量供应到所述基座构件上以形成三维物件。在这个专利中所描述的发明的一个实施例中，材料采取连续柔性束的形式。

基于材料挤出的AM(FDM或FFF)在过去的十年里变得非常普及，这很大程度上是由于出现了低成本的桌面型3D打印机。这类打印机的特点是尺寸很小(类似于桌面型喷墨打印机)，并且售价通常为每台低于$5,000(美元)。基于材料挤出的桌面型3D打印机的实例是MakerBot Industries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。这些3D打印机中的一些基于开源硬件并且是以自己动手套装的形式获得。

存在若干热塑性聚合物，它们目前用于基于材料挤出的AM工艺如FDM或FFF。这些材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)、聚己内酯(PCL)和聚酰胺以及一些其它聚合物材料。然而最常用的材料是ABS和PLA。

ABS具有良好的综合机械特性的优点；然而其却具有体积收缩率相对较大并且产生令人不适的臭味的缺点。此外，在打印过程中产生潜在毒性降解产物，使得ABS不太适合成为桌面型3D打印机的材料，因为这类打印机一般不具有加热的封闭体系和消除臭味和毒性降解产物的有效机制。另一方面，PLA具有较小的体积收缩率，这允许其甚至在无加热的封闭体系的情况下仍被适当打印。其在打印的过程中不产生令人不适的臭味，并且主要降解产物是对3D打印机用户造成最小健康风险的乳酸。根据许多调查，PLA日益成为桌面型3D打印机的最常用材料。但是，PLA又具有许多缺点，包括较差的冲击强度和低软化温度。低软化温度造成挤出困难和打印质量不好。