[发明专利]水系粘合剂及用于零件增材制造的方法

说明书

制造方法，其包括：在工作表面(204)上沉积粉末层(202)；将水系粘合剂溶液(206)以代表零件结构的图案选择性地沉积至所述粉末层，所述水系粘合剂溶液(206)包含0.1wt％至5wt％的非水溶剂和热塑性粘合剂(216)，所述非水溶剂在1atm下的沸点大于100℃且小于或等于175℃，其中，所述热塑性粘合剂(216)包含具有第一官能团的第一聚合物链(220)和具有第二官能团的第二聚合物链(222)，所述第二官能团不同于所述第一官能团。该方法还包括：通过第一官能团和第二官能团之间的相互作用，将第一聚合物链(220)和第二聚合物链(222)非共价偶联在一起，形成生坯零件。

技术领域

本公开涉及增材制造(additive manufacturing)，更具体涉及用于增材制造过程的水系粘合剂(water-based binder)。

背景技术

增材制造，也称为3D打印，是一种将材料逐层堆积以形成三维零件的过程。粘合剂喷射(binder jetting)是一种增材制造技术，其基于使用粘合剂将粉末颗粒连接起来以形成三维零件。具体地，以堆积体积将粘合剂从打印头喷射到粉末的连续层上，其中粉末和粘合剂的层彼此粘附以形成生坯(green body)零件。在某些应用中，生坯零件适用于终端使用。在其他应用中，可能需要后续处理(例如移除粘合剂和烧结粉末)以将生坯零件转变为成品三维零件。

许多粘合剂喷射增材制造过程使用粘合剂材料系统，该粘合剂材料系统需要“固化”步骤以将液体粘合剂转变成固体。传统的粘合剂溶液可能需要很长的固化时间，这可能会增加打印三维零件所需的总时间。较长的固化时间会降低增材制造设备的生产量，并因此降低其生产率。

因此，需要能够减少固化时间并提高增材制造设备的生产量的替代粘合剂溶液。

发明内容

本文公开的各种实施方式通过提供包含热塑性粘合剂和沸点大于100℃的非水溶剂的水系粘合剂溶液来满足这些需求。与常规粘合剂相比，该制剂具有适合于喷射的粘度，同时能够使溶剂更快地蒸发并因此更快地固化。下文将更详细地描述其他特征和优点。

根据本文公开的第一方面，制造方法包括：在工作表面上沉积粉末层；将水系粘合剂溶液以代表零件结构的图案选择性地沉积至所述粉末层，所述水系粘合剂溶液包含0.1wt％至5wt％的非水溶剂和热塑性粘合剂，所述非水溶剂在1atm下的沸点大于100℃且小于或等于175℃，其中，所述热塑性粘合剂包含具有第一官能团的第一聚合物链(strand)和具有第二官能团的第二聚合物链，所述第二官能团不同于所述第一官能团。该方法还包括：通过第一官能团和第二官能团之间的相互作用，将第一聚合物链和第二聚合物链非共价偶联在一起，形成生坯零件。

根据本文公开的第二方面，制造方法包括根据第一方面所述的方法，其中，所述非水溶剂以2wt％至4wt％的量存在于所述水系粘合剂溶液中。

根据本文公开的第三方面，制造方法包括根据第一方面或第二方面所述的方法，其中，所述非水溶剂包括2-甲氧基乙醇、丁醇、2-丁醇、叔丁醇、1-甲氧基-2-丙醇、2-丁氧基乙醇、异戊醇、异丁醇、乙二醇丁醚或它们的组合。

根据本文公开的第四方面，制造方法包括根据第一方面至第三方面中任一项所述的方法，其中，所述水系粘合剂溶液的粘度为8cP至12cP。

根据本文公开的第五方面，制造方法包括根据第一方面至第四方面中任一项所述的方法，其中，所述第一聚合物链的平均分子量为7,000g/mol至50,000g/mol。

根据本文公开的第六方面，制造方法包括根据第一方面至第五方面中任一项所述的方法，其中，第一聚合物链的平均分子量为13,000g/mol至23,000g/mol。

根据本文公开的第七方面，制造方法包括根据第一方面至第六方面中任一项所述的方法，所述方法还包括：从所述生坯零件周围的粉末层中除去未粘合颗粒；重新放置生坯零件；固化所述生坯零件中的所述热塑性粘合剂。