[发明专利]用于3D打印的核壳聚合物

说明书

本发明提供了适用于三维打印的核/壳聚合物材料。所述核/壳聚合物材料可以包括作为核颗粒的至少一种非晶态聚合物以及作为围绕所述核颗粒的壳材料的至少一种半结晶聚合物。

背景

技术领域

本公开涉及用于增材制造(additive manufacturing)的材料及其制备方法，更具体地，涉及各自具有聚合物核和聚合物壳的粉状聚合物颗粒，所述粉状聚合物颗粒非常适合增材制造应用。

背景技术

增材制造诸如三维打印(3D打印)，例如FDM打印，不仅在打印技术的发展方面，而且在产品开发、原型制作和实验能力的发展方面表现出明显的先进性。3D打印的功能包括形成几乎任何几何形状的物理对象。作为非限制性示例，现在可以使用3D打印机构建齿轮、链轮、玩具、模型、原型和无数其他物理对象。

通常，首先将要构建的对象创建为3D数字建模图像。使用通用计算机辅助设计(CAD)软件，虚拟地创建建模图像。之后，将对象模型虚拟地“切片”成薄层，这从根本上包括通过3D打印机如何物理构建模型的指令。该虚拟“切片”是有用的，因为3D打印的传统方法涉及打印头，该打印头根据基于每层的打印指令的建模图像的几何形状连续地将材料沉积在薄层中。然后，根据层指令，例如从下到上，通过将连续的材料层一个在另一个之上沉积来生产所述物理对象。打印头能够在沿多个线性方向移动的同时沉积加热的材料，同时基座以三维方式移动。打印头继续沉积材料，直到到达所述对象的顶层或最后一层，从而完全形成对象。

已经开发了许多基于粉末的3D打印方法。选择性激光烧结(SLS)是一种使用激光根据3D模型的几何形状将粉末材料熔合在连续的层上的一种3D打印技术。高速烧结(HSS)和多喷射熔合(MJF)3D打印采用多个喷嘴，所述喷嘴类似地将连续层的IR吸收墨水沉积到粉末材料上，然后暴露于IR能量以选择性地熔融粉末层。电子摄影3D打印采用旋转光电导体，从基底逐层构建对象。

SLS、MJF和HSS 3D打印通常使用自由浮动、非固定的粉末床，用于生产对象。它们对材料与打印工艺的兼容性具有相似的要求，因为仅采用不同的加热机制来获得熔融相，增材构建的对象的自由体图将施加相同的应力。3D打印对象的自由体图可用于确定对象中预期的残余应力。如果残余应力太高，则对象可能变形进入打印区域中并且通过诸如粉末沉积刀片或滚轴的打印工艺在部件床(part bed)中发生移位。

通常，为了在自由浮动粉末床中获得最低量的残余应力，熔融相的弹性模量和体积变化都应适当较低。这有利于在对象离开构建平面时，选择性熔融区域不会对对象产生足够大的残余应力。解决这些基于粉末床的3D打印机的残余应力的方法是使用在其熔融温度和再结晶温度之间具有足够大的操作窗口(operating win陶氏)的聚合物。因此，保持熔融区域的低弹性模量和未结晶化使得大的应变最小化，直到构建出完整的对象。不幸的是，很少有聚合物在上述两个相变之间具有足够宽的窗口，以促使SLS、HSS和MJF工艺来构建具有理想低的残余应力的对象。

因此，当选择3D打印材料时，操作窗口的宽度是重要的工艺参数。合适的聚合物的物理特性包括高于其再结晶温度的熔融温度，以及有效局部熔融的适合性。因此，聚合物的熔点和再结晶温度之间的间距尺寸(gap size)形成合适的操作窗口，以更好地允许在SLS、HSS和MJF 3D打印系统中进行聚合物打印。为了扩大这些打印系统中能够获得的可使用材料的范围，必须考虑聚合物的物理性质，以及可能改变其物理性质和扩展操作窗口的工艺。

历史上，适用于基于粉末的3D打印的聚合物材料的数量有限。为了符合要求，要求聚合物在其熔融温度和再结晶温度之间具有足够大的操作窗口。很少有聚合物在两个相变之间具有足够宽的窗口以允许SLS、HSS和MJF工艺来构建具有足够低的残余应力的对象。