[发明专利]用于3-D打印的结构化长丝

说明书

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。

发明领域

本发明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。

发明背景

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。FFF 3D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。