[发明专利]3-D打印的半结晶和非晶态聚合物制品

说明书

本发明涉及由具有低硬化温度的热塑性聚合物制成的3D打印部件。本发明的3D打印部件具有非常好的Z层粘合性，在Z方向上具有高的断裂伸长率，优选大于50％，并且在屈服或断裂时Z与XY应力的比率至少为80％。所得部件可以几乎是各向同性的——在XY和Z打印方向上具有相似的机械性能。优异的层间粘附性使所得的打印部件更坚固——可以承受许多次使用循环。本发明的某些聚合物制造雾度非常低并且几乎透明的打印部件。

发明领域

本发明涉及由具有低硬化温度的热塑性聚合物制成的3D打印部件。本发明的3D打印部件具有非常好的Z层粘附性，在Z方向上具有高的断裂伸长率，优选大于50％，并且在屈服或断裂时Z与XY应力的比率至少为80％。所得部件可以几乎是各向同性的——在XY和Z打印方向上具有相似的机械性能。优异的层粘附性使所得的打印部件更坚固——可以承受许多次使用循环。本发明的某些聚合物制造雾度非常低并且几乎透明的打印部件。

发明背景

设备的进步和价格的下降已使3D打印广泛用于家庭、学校和工业，作为对客户终端用途部件进行原型化和制造的简便且往往便宜的快捷途径。具体而言，材料挤出3D打印(也称作熔丝制造或熔融沉积成型)已成为客户直接使用、更大规模生产和快速热塑成型的首选工艺，因为它最容易操作，产生废料最少，提供常规3D打印技术的最短周转时间。

从巧克力到胶原的许多材料已用来生产3D打印制品，用于广泛的终端用途。热塑性材料特别适用于3D打印机。有用的热塑性材料包括聚酰胺和聚醚酰胺嵌段共聚物，如PCT/US2018/53348中所述。聚酰胺的断裂伸长率高达约30％。聚氨酯甚至具有更高的伸长率，但是具有差的耐化学性和耐候性。

在一个优选的实施方式中，该3D打印材料在所有方向上的伸长率均大于50％，并且在Z方向上的层粘附性良好。打印材料具有良好的耐化学性、耐磨性和耐候性。优选地，3D打印材料将具有弹性体性质。许多弹性体部件或磨损部件都需要良好的层粘附性和坚固性。可能的应用是鞋子、运动器材、消费品、工业部件、将经历数百或数千次循环的物品。

问题

3D打印中的一个常见问题是，打印部件的机械性能比传统的注射成型部件弱得多。该问题归因于在沉积期间获得的不良的层间粘附性。层间焊缝的强度受许多因素影响，例如材料的固有特性(非晶态与晶态，流变行为，熔点和结晶点，沉积时的粘度和模量值，材料的热导率等)；以及加工条件(喷嘴的温度、进料速度、喷嘴出口的冷却条件等)。另外，通过3D打印工艺制造的非晶态、特别是半结晶部件的问题在于几乎不可能生产各向同性部件。这些部件几乎总是在打印(XY)方向上比在垂直于打印方向的方向(Z)上更坚固，并且性能更好。当它用于软弹性体材料时，较差的层粘附性意味着Z方向上的弹性体性能较差，并且引入了不对称性，即该部件在一个方向上的性能比另一个方向上的性能好得多，而且还会在Z方向上失去弹性体特性(例如能量返还)。另外，较差的层粘附性还意味着在压缩或拉伸状态下的部件(尤其是经历多次循环的部件)沿各层的潜在撕裂和破坏。这是阻碍3D打印部件实际应用的主要问题，尤其是在运动器材、消费品和工业应用中。相反，注射成型部件将是各向同性的，并且没有打印方向的影响，也没有层的薄弱性。希望有一种几乎各向同性且具有高弹性(断裂伸长率至少为50％)、耐化学性、耐磨性、耐疲劳性和耐候性的3D可打印材料。

方案