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CN105209241B - 基于聚合物的模具和其制造方法 - Google Patents

基于聚合物的模具和其制造方法 Download PDF

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CN105209241B CN201480027027.8A CN201480027027A CN105209241B CN 105209241 B CN105209241 B CN 105209241B CN 201480027027 A CN201480027027 A CN 201480027027A CN 105209241 B CN105209241 B CN 105209241B
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Abstract

描述了基于聚合物的模具和制造方法。方法包括沉积具有低于约70℃的玻璃化转变温度(Tg)的第一材料的两个或更多个层，以便形成模具的第一部分并且然后沉积具有高于约80℃的Tg的第二材料的两个或更多个层以形成模具的第二部分。方法还可以包括沉积具有低于约70℃的Tg的材料的两个或更多个层，形成模具的第三部分以覆盖第二部分。

Description

基于聚合物的模具和其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及，但不限于基于聚合物的模具和其制造方法。
背景
注射模制工艺包括将软化的或液化的材料注射到具有空腔的模具中，所述空腔被设计为期望的最终产品的几何结构的倒转的几何结构。注射的材料在模具中经由物理过程比如热相转变、或经由化学过程比如交联或缩聚被凝固。注射模制工艺伴随有升高的温度和高的应力，这被需要以用于迅速且有效形成意图的部分。此外，注射模制工艺通常在大量生产中被实施，所以模具不得不在其使用期限期间承受数千且甚至数百万个循环。
用于注射模制的模具可以由多种材料制造。大部分模具由金属例如钢或铝合金制成。这些金属模具通过不同方法的组合产生，大部分方法是减去的方法，例如计算机数控(CNC)碾磨。减去的方法是成本高的，因此限制这些模具对非常大的生产系列的使用。
用于制造用于注射模制的模具的较低成本的生产方法包括使用热固性聚合物的三维(3D)打印或3D制造工艺。然而，这样的模具可以呈现相对于金属模具的较差的性质(比如，模具的较短的寿命周期)以及最终产品的较差的性质(比如，尺寸失真或几何结构的不精确度)。
发明内容
本发明涉及以下方面：
项目1.一种制备用于注射模制的模具的方法，所述方法包括：
沉积具有低于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的第一材料的两个或更多个层，形成所述模具的第一部分；以及
沉积具有高于约80℃的Tg的第二材料的两个或更多个层，形成所述模具的第二部分。
项目2.如项目1所述的方法，还包括：
沉积具有低于约80℃的Tg的材料的两个或更多个层，形成所述模具的第三部分以覆盖所述第二部分。
项目3.如项目2所述的方法，其中所述第三部分的厚度小于300μm。
项目4.根据前述项目中任一项所述的方法，其中沉积是通过喷墨打印。
项目5.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述模具的所述第二部分至少部分地覆盖所述模具的所述第一部分。
项目6.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度。
项目7.根据前述项目中任一项所述的方法，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的多功能单体和低聚体。
项目8.根据项目1-6中任一项所述的方法，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
项目9.根据前述项目中任一项所述的方法，还包括：
根据在所述注射模制期间所述模具中的温度分布，确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构。
项目10.如项目9所述的方法，其中所述第二部分在较高的预期温度的区域较厚。
项目11.如项目9所述的方法，还包括：
基于所述注射模制工艺的计算机模拟，确定所述温度分布。
项目12.根据前述项目中任一项所述的方法，其中所述第一材料具有低于约60℃的Tg并且所述第二材料具有高于约90℃的Tg。
项目13.根据前述项目中任一项所述的方法，还包括：
确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构，使得所述第二部分的几何失真在打印期间小于1mm。
项目14.一种用于注射模制的聚合物模具，包括：
第一部分，其包含具有低于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的第一材料；以及
第二部分，其包含具有高于约80℃的Tg的第二材料。
项目15.如项目14所述的聚合物模具，其中所述第二部分至少部分地覆盖所述第一部分。
项目16.如项目14所述的聚合物模具，还包括：
第三部分，其包含具有低于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的材料，所述第三部分覆盖所述第二部分。
项目17.如项目16所述的聚合物模具，其中所述第三部分的厚度小于300μm。
项目18.根据项目14-17中任一项所述的聚合物模具，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度。
项目19.根据项目14-18中任一项所述的聚合物模具，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的多功能单体和低聚体。
项目20.根据项目14-18中任一项所述的聚合物模具，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
项目21.根据项目14-20中任一项所述的聚合物模具，其中所述第一材料具有低于约60℃的Tg并且所述第二材料具有高于约90℃的Tg。
项目22.一种制备用于注射模制的模具的方法，包括：
获得所述模具的第一部分，所述第一部分包含具有高于2.5GPa的弹性模量的材料；以及
将具有高于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的聚合物材料的两个或更多个层沉积在所述第一部分之上，形成所述模具的第二部分。
项目23.如项目22所述的方法，还包括：
沉积具有低于约80℃的Tg的材料的两个或更多个层，形成所述模具的第三部分以覆盖所述第二部分。
项目24.如项目23所述的方法，其中所述第三部分的厚度小于300μm。
项目25.根据项目22-24中任一项所述的方法，其中所述第二部分至所述第一部分的粘附是通过使用胶。
项目26.根据项目22-24中任一项所述的方法，其中所述第二部分至所述第一部分的粘附是通过将金属网焊接至所述第一部分的形成与所述第二部分的界面的表面。
项目27.根据项目22-26中任一项所述的方法，其中所述第二部分至所述第一部分的粘附使得所述第二部分的几何失真在打印期间小于1mm。
项目28.一种用于注射模制的模具，包括：
所述模具的第一部分，其包含具有高于2.5GPa的弹性模量的材料；以及
第二部分，其包含具有高于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的第二材料。
项目29.如项目28所述的模具，其中所述第二部分至少部分地覆盖所述第一部分。
项目30.如项目28或29所述的模具，还包括：
第三部分，其包含具有低于约80℃的玻璃化转变温度(Tg)的材料，所述第三部分覆盖所述第二部分。
项目31.如项目30所述的模具，其中所述第三部分的厚度小于300μm。
项目32.根据项目28-31中任一项所述的模具，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度。
项目33.根据项目28-32中任一项所述的模具，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的多功能单体和低聚体。
项目34.根据项目28-32中任一项所述的模具，其中在硬化之后导致所述第二材料的组合物包含以高于来自总重量的按重量百分比计45％的浓度的具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
项目35.一种制备用于注射模制的模具的方法，所述方法包括：
获得所述模具的第一部分；以及
沉积具有高于约80℃的热变形温度(HDT)的第二材料的两个或更多个层，形成所述模具的第二部分。
项目36.一种用于注射模制的模具，包括：
所述模具的第一部分；以及
第二部分，其包含具有高于约80℃的热变形温度(HDT)的第二材料。
附图简述
被视为本发明的主题被特别地指出并且在说明书的结论部分中被明确地要求保护。然而，当与附图一起阅读时，关于组织和操作的方法两者，本发明与其目的、特征、和优点一起可以通过参考以下详细描述被最好地理解，在附图中：
图1是根据本发明的某些实施方案的打印系统的高水平方框图；
图2是根据本发明的某些实施方案制造的模具的图示；
图3-6是根据本发明的某些实施方案的模具部分的图示；
图7是制造根据本发明的某些实施方案的模具的方法的流程图；并且
图8是制造根据本发明的某些实施方案的模具的方法的流程图。
将理解，为了简单且清楚阐明，在附图中示出的元件不一定按比例绘制。例如元件中的某些的尺寸可以相对于其他元件被放大以便清楚。进一步地，在认为合适的情况下，参考数字可以在附图中被重复以指示相应的或类似的元件。
详述
在以下详细描述中，大量具体的细节被陈述以便提供本发明的完全的理解。然而，本领域技术人员将理解本发明可以在没有这些具体细节下被实践。在其他情况下，熟知的方法、程序、和组分未曾被详细地描述，以便不模糊本发明。
本发明的实施方案可以涉及使用添加制造(AM)系统，例如三维喷墨打印系统，制造用于注射模制的模具。尽管本发明的实施方案将关于选择性沉积建模(SDM)、固体自由制造(SFF)或3D打印被描述以便易于解释，但应该意识到本发明不限于这样的系统并且可以在其他AM系统中被使用。
在注射模制期间，模具被暴露于升高的温度、高的压力和应力。因此，这样的模具可以被要求具有良好的机械性质、高表面质量和在升高的温度下的热稳定性。例如，在某些注射模制工艺中，熔化的聚合物可以在约400-1600巴的高压、约20-80吨的夹压下和在约220℃的温度下被注射至模具，引起模具自身被保持在高闭合压力下。在注射之后，在打开模具之后，高的拉应力可以被应用在毗邻注射的部分的模具区域上。
根据本发明的某些实施方案的模具可以包含两种不同热固性或UV固化的聚合物以改进模具耐受涉及注射模制的高温和高应力、同时保持在材料沉积过程期间模具制造必需的尺寸精度的能力。根据本发明的某些实施方案的模具可以包括：第一部分或区域，其包含具有低于约80℃、例如低于约70℃、60℃或55℃的玻璃化转变温度(Tg)或热变形温度(HDT)的第一材料；以及第二部分或区域，其包含具有高于约80℃、例如高于约90℃的Tg或HDT的第二材料。在添加制造工艺期间，通过UV固化产生的具有低于约80℃的Tg或HDT的聚合物，可以允许良好的或可接受的尺寸精度，因此由这些聚合物制造的物体在沉积过程之后可以具有精确的尺寸。
热变形温度(HDT)是材料例如聚合物或塑料样品在特定的负载下被弯曲的温度。特定的聚合物的HDT通过在ASTM D648中概述的标准测试被确定。在测试中，样本以三点弯曲在沿边的方向上在以2℃/min提高的多个温度下被负载。用于测试的外部纤维应力是0.455MPa或1.82MPa。样本被负载并且温度提高直到样本弯曲了0.25mm。玻璃化转变温度在无定形材料(例如聚合物)中是从硬的并且任选地脆性状态转变成软化的或弹性的状态的可逆转变。Tg可以根据ASTM D4065被测量，作为E”(损耗模量)峰值温度。
根据本发明的某些材料可以具有约相同的Tg和HDT。例如，具有60℃的Tg的材料可以具有约55℃的HDT，并且具有90℃的Tg的材料可以具有约85℃的HDT。
模具的体积的主要部分可以使用具有低于约80℃例如低于约70℃、60℃或55℃的Tg和/或HDT的第一材料被添加地制造。第一材料可以是单一建造材料或复合材料。第一材料可以被沉积以便获得尺寸上精确的几何结构。然而，具有低于约80℃的Tg和/或HDT的材料如果在将熔化的聚合物注射至模具期间暴露于高温，可以变形。例如，第一材料可以具有约40-60℃的Tg和/或HDT。
具有高于约80℃(比如，高于约90℃)的Tg和/或的第二材料可以被沉积至第一材料之上和/或以毗邻第一材料。第二材料可以具有较小的厚度并且可以占据比第一材料更小的模具体积。如果被用作单一建造材料(建模材料)，例如在 Eden500TM 3D打印机中，这样的材料如果以高厚度(比如，高于5mm)沉积，可以导致多于3mm的尺寸失真。然而，因为第二材料可以被沉积使得第一材料形成第二材料的基底，所以沉积的多种元件的尺寸精度可以被保持并且尺寸失真可以小于3mm，例如小于约1mm。第二材料可以在注射模制温度下具有好得多的热稳定性，因此被第二材料覆盖的模具区域可以被暴露于被注射到模具内的高温材料而没有明显的几何结构变形或失真。
如本文所使用，如果具有500mm x 400mm x 200mm的尺寸的沉积的部分的尺寸失真在任何方向上小于3mm(比如，小于约1mm)，材料可以被认为在添加制造工艺期间具有良好的尺寸精度。第一聚合物可以是第一热固性或UV固化的聚合物；即，由被沉积以形成第一区域的组合物的UV引发的聚合产生第一聚合物。例如用于Objet Eden500 3D打印机的典型的树脂组合物可以包含功能单体或低聚体。
树脂组合物可以包含，例如丙烯酸单体和/或丙烯酸低聚体。丙烯酸单体是可以是例如丙烯酸和甲基丙烯酸的酯的功能丙烯酸化分子。单体可以是单功能的或多功能的(例如，双、三、四功能的，以及其他)。用于本发明的丙烯酸单功能单体的实例是由Sartomer以商标名SR-339市售的丙烯酸苯氧基乙酯。丙烯酸双功能单体的实例是由Sartomer以商标名SR-9003市售的丙氧基化(2)新戊二醇二丙烯酸酯。丙烯酸低聚体是可以是例如丙烯酸和甲基丙烯酸的聚酯的功能丙烯酸化分子。丙烯酸低聚体的其他实例是聚氨酯丙烯酸酯和聚氨酯甲基丙烯酸酯的类别。聚氨酯丙烯酸酯由脂肪族或芳香族或脂环族二异氰酸酯或聚异氰酸酯和包含羟基的丙烯酸酯制造。一个实例是由Cognis以商标名Photomer-6010市售的聚氨酯丙烯酸酯低聚体。
如本文使用的高功能或多功能单体或低聚体是具有多于一个(比如，双、三、四功能的，以及其他)反应性基团的单体或低聚体，使得当被包含在聚合物中时可以在硬化过程(比如，固化)期间增强交联。交联度越高，聚合物的Tg越高。可以影响聚合物的Tg的单体或低聚体的另一性质是分子的刚性。分子的刚性越高，Tg越高。
模具还可以包括第二部分，所述第二部分包含具有高于约80℃的Tg和/或HDT的第二材料。包含具有高于约80℃的Tg和/或HDT的第二材料的第二部分可以沉积在第一部分之上和/或以水平地毗邻第一部分、和/或以任选地覆盖第一部分。在某些实施方案中，模具的第二部分区域被预期被暴露于高温和高应力。在沉积之后，第二部分可以具有小于0.5mm的尺寸失真。第二材料可以是第二热固性或UV固化的聚合物。第二聚合物可以使用在均聚时导致具有高Tg(比如，高于100℃)的聚合物的单体或低聚体的组合物被制造，所述单体或低聚体例如以至少45％(按重量计，即w/w)的浓度。如本文所使用，全部组成百分比是按重量计来自总组合物。
用于第二材料的组合物可以包含例如至少45％的多功能单体和/或多功能低聚体。示例性丙烯酸双功能单体是由Sartomer以商标名SR-9003市售的丙氧基化(2)新戊二醇二丙烯酸酯。
现在参考图示示例性3D打印系统的高水平方框图的图1。3D打印系统可以被用于制造根据本发明的某些实施方案的注射模制模具。系统10可以包括打印单元或打印块20、供应系统30、一个或更多个控制器40、使用者界面50和制造平台或托盘60。控制器(controller)或多个控制器(controllers)40可以被配置以控制系统10的全部其他元件。
打印单元20可以包括一个或更多个打印头22，例如图示的打印头1-n、一个或更多个硬化、凝固或固化装置24，例如图示的两个装置24以及一个或更多个平整装置26。打印头22可以被配置以使用任何喷墨方法沉积材料。打印单元20可以在X和Y方向两者上水平地和/或在Z方向上竖直地移动。
打印头22可以包括例如以单线或以2D阵列布置的两个或更多个喷嘴阵列。打印头22可以沉积不同材料。例如，打印头1和2可以被配置以沉积具有低于约80℃的Tg和/或HDT或低于60℃的HDT的第一材料，并且打印头3和4可以被配置以沉积具有高于约80℃(高于80℃或高于100℃)的Tg和/或HDT的第二材料。在某些实施方案中，其他打印头可以沉积支撑体材料，所述支撑体材料被配置以提供对模具中的在模具的建造/制造工艺期间需要被支撑的元件的支撑，比如悬垂、中空等。打印头22可以用来自供应系统30的沉积材料被进料。
硬化装置24可以包括被配置以发出光、热或可以引起沉积的材料硬化的类似物的任何装置。例如，硬化装置24可以包括用于固化UV可固化的沉积的材料的一个或更多个UV灯。平整装置26可以包括被配置以通过扫过层或移除多余材料来平整和/或建立新形成的层的期望的厚度的任何装置。例如，平整装置26可以是滚筒。平整装置24可以包括用于收集在平整期间产生的多余材料的废物收集装置(未图示)。
供应系统30可以包括被配置以提供多种建造材料至打印头22的两个或更多个材料容器或盒。在某些实施方案中，第一、第二、第三等建造材料中的每种可以被沉积以形成模具的不同部分。可选择地，来自被包括在供应系统30中的不同容器的两种或更多种建造材料可以各自从不同打印头22被沉积，所述打印头22在打印表面/托盘上彼此毗邻，其中建造材料可以重叠，但不混合，即每种建造材料保留其个体性质，以在沉积之后形成非均匀的第一材料。当第二材料包含被一起沉积以形成非均匀的第二材料的一种或更多种建造材料的相同的‘组合’时，相同的过程可以关于第二材料被实施。两种或更多种建造材料的沉积过程以及从供应系统30至打印头22的材料供应的其他方面可以被控制器40控制。
每个或一个或更多个控制器40可以包括处理器42，所述处理器42可以例如是中央处理单元处理器(CPU)、芯片或任何合适的计算或计算的装置、存储器44和储存单元46。例如，处理器42可以控制打印单元20在期望的方向上的移动。存储器44可以包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SD-RAM)、双数据速率(DDR)存储器芯片、闪速存储器、易失存储器、非易失存储器、高速缓冲存储器、缓冲器、短期存储器单元、长期存储器单元、或其他合适的存储器单元或储存单元。存储器44可以是或可以包括多个可能地不同的存储器单元。
一个或更多个存储器44可以包括可执行的代码，比如应用、程序、过程、任务或脚本。可执行的代码可以包括用于控制设备10以打印根据本发明的实施方案的3D物体的代码或指令。例如，存储器44可以包括用于使用例如第一组打印头22在3D物体(比如，模具)的第一部分处沉积第一建造材料和使用例如硬化装置24使在第一部分中的材料硬化的代码。代码还可以包括使模具的第二部分中的第二建造材料沉积在第一部分之上和/或以毗邻第一部分。
储存单元46可以储存包含通过设备10被制造(manufacture)/被建造/被制造(fabricate)的3D模具的设计参数的文件。例如，包含3D模具的设计的3D计算机辅助设计(CAD)文件可以被储存在储存单元46中。文件可以包含模具的不同部分的尺寸和位置。
设备10还可以包括使用者界面50。使用者界面50可以是或可以包括输入装置，例如鼠标、键盘、触摸屏或垫或任何合适的输入装置。将认识到，任何合适数目的输入装置可以被包括在使用者界面50中。使用者界面50还可以包括输出装置，例如：一个或更多个显示器、扬声器和/或任何其他合适的输出装置。将认识到，任何合适数目的输出装置可以被包括在使用者界面50中。任何可应用的输入/输出(I/O)装置可以被连接至控制器40，如通过方框50示出。例如，有线或无线网络界面卡(NIC)、调制解调器、打印机或传真机、通用串行总线(USB)装置或外接硬盘可以被包括在使用者界面50中。使用者界面50可以允许使用者上载和/和用于控制根据本发明的某些实施方案的模具的沉积的指令，和/或上载和更新包含向储存单元46内沉积的模具的设计的文件(比如，计算机辅助设计(CAD)文件)。
托盘60可以是适于支撑即承受3D物体的喷墨打印或其他添加制造的任何托盘。托盘60可以被附接或连接至X-Y表格并且可以被控制，比如被控制器40控制以根据打印或沉积过程的要求在Z方向上移动。另外地或可选择地托盘60可以被配置以在X-Y平面中移动。
控制器40可以控制打印单元20和/或托盘60以引起打印单元20和托盘60或已经被沉积在托盘上的物体的部分之间的相对移动，使得打印头22的每个可以在X-Y平面中的预定的位置和在Z方向上的预定的高度沉积建造材料(比如，第一或第二建造材料)的液滴。
参考图2，图2是根据本发明的某些实施方案的示例性模具的图示。模具200可以包括第一部分210和第二配对物220。第一部分210可以包括空腔215并且第二部分220可以包括突出物225。在附接部分210和220之后，受限空间被形成。空间的形状对应于使用模具被制造的产品的形状。熔化的聚合物可以被注射到此空间内并且被允许在模具中至少部分地凝固以形成最终产品。空腔215和突出物225可以在注射模制工艺期间被暴露于约150-330℃的升高的温度和约400-1600巴的高压。部分210和220中的每个可以使用3D打印方法由热固性或UV固化的聚合物制造。
图3-6图示根据本发明的某些实施方案的具有空腔的示例性模具部分。示例性模具部分310在图3A中被图示。模具部分310可以包括空腔315、第一部分312和第二部分314。第一部分312可以使用具有低于约80℃例如低于约70℃、60℃或55℃或在40-60℃范围内的玻璃化转变温度(Tg)和/或HDT的第一材料(比如在固化之后形成热固性或UV固化的聚合物的材料)逐层地被沉积(比如，通过喷墨打印)。此材料可以在沉积期间呈现良好的尺寸精度。第一部分312可以占据模具部分310的大部分体积。根据本发明的某些实施方案的示例性第一材料可以具有约48℃的Tg和/或HDT和约2-2.5GPa的弹性模量。
第一材料可以是第一建造材料组合物的UV引发的聚合的结果。所述第一组合物可以包含可固化的组分、具有功能基团(比如，可固化的组合物可以包含功能单体和/或低聚体)、光引发剂、表面活性剂和稳定剂。可固化的组分可以是(甲基)丙烯酸单体、(甲基)丙烯酸低聚体、(甲基)丙烯酸交联剂、或其任何组合。第一组合物可以包含具有50-80％的单功能单体和/或低聚体和/或0-50％的多功能单体和/或低聚体的可固化的组分。
第二部分314可以通过沉积第二建造材料组合物被产生。所述组合物在聚合时具有高于约80℃例如高于约90℃或在85-100℃范围内的Tg和/或HDT。第二部分可以在模具310中的可以被暴露于约150-330℃的升高的温度和约400-1600巴的高压的地方、例如面向空腔315的地方形成。第二部分314可以覆盖第一部分312，使得第一和第二部分之间的附接可以具有以可以在沉积过程期间防止第二部分314的沉积的材料的失真的量的强度。第一部分312可以在尺寸上支撑第二部分314以防止大于1mm的尺寸失真。第二部分314可以具有1-5mm的厚度。
第二组合物可以包含可固化的组分、具有多功能基团(比如，可固化的组分可以包含多功能单体和/或低聚体)、光引发剂、表面活性剂和稳定剂。可固化的组分可以是(甲基)丙烯酸单体、(甲基)丙烯酸低聚体、(甲基)丙烯酸交联剂、或其任何组合。示例性第二组合物可以包含至少45％的多功能单体和/或低聚体。第二组合物可以包含至少45％的组分，如果被均聚所述组分导致具有高Tg的聚合物，例如具有高Tg(～100℃以上)的多功能丙烯酸酯和/或具有刚性分子的单体或低聚体，例如商业上由Sartomer市售的，如SR833s、SR834、CN968、CN975、SR368、SR295、SR9041及其他。
在某些实施方案中，另外的第三部分可以覆盖第一部分。第三部分可以包含第一材料或具有低于约80℃的Tg和/或HDT的其他材料。第三部分可以保护第二部分免受破裂和脆化。包括第三部分的模具部分320在图3B中被图示。模具部分320可以大体上包括与模具部分310相同的部分和材料。模具部分320还可以包括第三部分316。第三部分316可以使用与第一部分312相同的第一组合物被沉积或可以使用另一种组合物(比如，在硬化或聚合之后导致具有低于约80℃的Tg和/或HDT的聚合物材料的材料)被沉积。这样的材料可以具有比具有高于约80℃的Tg和/或HDT的第二材料更高的延展性。第三部分可以覆盖第二部分并且还可以具有约0.05-0.5mm，例如0.3mm的厚度。
另一个示例性模具部分410在图4中被图示。模具部分410可以包括第一部分412和第二部分414，所述第二部分414包括两个亚部分，较薄的亚部分415和较厚的亚部分416。第一部分412可以使用具有低于约80℃例如低于约70℃、60℃或55℃的玻璃化转变温度(Tg)和/或HDT的第一材料(比如，在硬化之后形成聚合物的材料)被沉积。第一部分412可以占据模具部分410的大部分体积。
第二部分414可以使用具有高于约80℃例如高于约90℃的Tg和/或HDT的第二材料被沉积。第二部分可以在模具部分410中的可以面对约150-330℃的升高的温度和约400-1600巴的高压的地方被沉积。第二部分414可以包括被沉积以覆盖且保护第一部分412的具有例如1-5mm的厚度的较薄的亚部分415。第二部分414还可以包括在可以面对被注射到模具内比如模具的空腔的熔化的聚合物的地方沉积的较厚的亚部分416，因此可以要求对升高的温度和压力的较高的抵抗性。亚部分416的厚度可以是，例如6-10mm。
在某些实施方案中，另外的抵抗性和耐久性可以在模具部分中的期望的位置被需要，例如在整个空腔内或在空腔内的某些明显的位置。此位置可以通过对模具中注射和凝固过程的计算机模拟被确定。期望的位置可以被包括在第二部分中，但可以被具有高于被包括在第二部分中的聚合物的Tg或HDT的Tg或HDT、例如高于约100℃的Tg和/或HDT的第三材料进一步地包覆。具有在期望的位置沉积的第四部分的示例性模具部分在图5中被图示。模具部分510可以大体上包括与模具410相同的部分。然而，在某些期望的位置，模具部分510可以包括被沉积以覆盖第二部分414中的被暴露于约150-330℃的较高温度的期望的位置的至少第四部分518。第四部分518的厚度可以是0.05-0.5mm。
硬化或聚合时形成第三材料的组合物可以包含可固化的组分、具有多功能基团(比如，可固化的组分可以包含多功能单体和/或低聚体)、光引发剂、表面活性剂和稳定剂。示例性组合物可以包含40-80％之间的多功能单体和/或低聚体。组合物可以包含具有0-50％的单功能单体和/或40-80％的多功能低聚体的可固化的组分。
在某些实施方案中，第一部分可以由除了聚合物之外的材料构建，例如金属或金属合金，例如铝合金、钢或类似物、或陶瓷材料，例如熔融二氧化硅、氧化铝或类似物。此第一部分可以被构建以作为多种不同模具的基底被重复使用。第一部分可以被预制，例如不通过添加制造并且空腔细节随后通过添加制造添加。例如第一部分可以具有一般空腔构造并且模具的详细的元件可以使用在硬化之后形成根据期望的设计的热固性或UV固化的聚合物的材料被沉积。模具部分的沉积的第二部分可以使用具有高于约80℃例如高于90℃的Tg和/或HDT的材料被沉积。为了避免第二沉积的部分中的尺寸失真，非常良好的粘附必须在第一部分和沉积的第二部分之间被建立。这样的粘附可以通过在第一和第二部分之间产生包含特定的胶的区域，或通过将网焊接至面向第二部分的第一部分的表面或改变表面的粗糙度被建立。沉积的部分可以被连接至具有充足粘附力的第一部分，以便避免在沉积的第二部分的沉积过程期间并且进一步地也在注射模制工艺期间沉积的部分与金属部分的任何断开。
现在参考图6，图6图示根据本发明的某些实施方案的示例性模具部分。模具部分610可以包括第一部分612、第二沉积的部分614和连接部分614至部分612的粘附区610。第一部分612可以包括具有高于2.5GPa的弹性模量的任何材料。第一部分可以包含适于形成用于注射模制的模具的金属或金属合金，例如铝合金或钢。部分612可以通过任何已知的方法，例如机械加工被成形为期望的形式。部分612可以被成形为可以被用作用于沉积第二部分614的基础的一般模具形状。部分612在注射模制工艺期间可以从部分614带走热。
部分614可以使用例如喷墨打印方法被沉积在第一部分612之上或以毗邻第一部分612。在某些实施方案中，被注射模制的物体的细节可以在部分614中被轮廓地沉积。3D沉积方法的制造灵活性可以允许在短时间内和在低成本下制造详细的模具。部分614可以被沉积在面向被注射至模具的熔化的聚合物的模具部分610的空腔内。部分614可以使用在硬化之后形成具有高于约80℃(比如，高于90℃)的Tg和/或HDT的热固性或UV固化的聚合物、例如具有至少45％的多功能单体和/或多功能低聚体的聚合物的组合物被沉积。部分614可以使用具有至少45％的具有高于约100℃的Tg和/或HDT的单体和/或低聚体的聚合物被沉积。
为实现部分614的沉积期间的尺寸精度，良好的粘附应该在第一部分612和第二沉积的部分614之间被获得，使得第一部分可以在沉积期间支撑并且稳定沉积的层。这样的粘附可以使用若干粘附方法，比如通过形成部分612和部分614之间的粘附区616被建立。粘附区612可以包含胶以增强部分612和沉积的聚合物之间的粘附。胶可以在第二部分614的沉积之前被沉积。粘附区612可以包括被焊接至可以与沉积的部分614接触的部分612的表面的金属网，使得接触表面金属/聚合物可以被提高，提高两部分之间的粘附。此外或可选择地，人工表面粗糙度可以通过例如在表面产生磨损被引入到部分612的表面内，因此提高沉积的聚合物和金属或陶瓷部分之间的接触表面面积。
在某些实施方案中，另外的第三部分(未图示)可以被沉积以覆盖第二部分。第三部分(例如在图3B中图示的部分316)可以使用在硬化之后形成具有低于约80℃例如低于约60℃或55℃或在40-60℃范围内的Tg和/或HDT的热固性或UV固化的聚合物的材料组合物被沉积。这样的材料可以具有比具有高于约80℃的Tg和/或HDT的材料更高的延展性。第三部分可以覆盖第二部分并且还可以具有约0.3mm例如0.05-0.5mm的厚度。
参考图7，图7表示制造根据本发明的某些实施方案的模具的方法的流程图。在方框700中，方法可以包括根据在注射模制期间模具中的温度分布确定第一和第二部分(比如，部分312-314或412-414)的几何结构。第一部分可以包括具有低于约80℃例如低于约70℃、60℃或55℃或在40-60℃范围内的Tg和/或HDT的第一材料，并且第二部分可以包括具有高于约80℃例如高于约90℃或在85-100℃范围内的Tg和/或HDT的第二材料。在注射模制期间预期的温度的计算机模拟可以使用模具的3D模型被进行。模拟的温度分布可以是用于确定第二材料必须被沉积于模具的哪部分(例如在模具的面向较高温度(比如，高于150℃)的部分)的基础。模拟的温度分布还可以确定第一材料可以被沉积于模具的哪部分，例如在模具的面向中低温度(比如，40-150℃)的部分。
在某些实施方案中，第二部分可以在较高预期温度的区域是较厚的。例如，较厚的亚部分416可以在如图4中图示的模具的芯的中部被沉积。在某些实施方案中，方法可以包括确定包含第一材料(或具有低于约80℃，例如低于70℃或在40-60℃的范围内的Tg和/或HDT的任何其他材料)的第三部分(比如，部分316)的几何结构和形状。第三部分可以比第一和第二部分薄很多并且可以覆盖第二部分，例如0.05-0.5mm。
第一和第二(以及任选地还有第三)部分的确定的几何结构可以被保存(比如，作为CAD文件)在用于制备3D模型或物体的沉积设备的关联的存储介质中，例如被包括在喷墨设备10中的储存器46。储存的部分可以被用于进一步确定在通过沉积设备沉积的每层中的第一和第二或更多的建造材料的沉积顺序。在某些实施方案中，沉积顺序可以包括沉积支撑体材料，以用于支撑沉积的模具的特定元件。
操作710、720和730可以使用例如图1中图示的系统10通过喷墨打印被进行。可选择地，操作可以使用可以允许通过逐层地沉积建造材料来制备3D物体的任何沉积/打印工艺被进行。
在方框710中，方法可以包括沉积具有低于约80℃例如低于约70℃、60℃或55℃或在40-60℃范围内的玻璃化转变温度(Tg)和/或HDT的第一材料的两个或更多个层，形成模具的第一部分(比如，部分312和412)。第一材料可以被逐层地沉积以形成模具的第一部分。在某些实施方案中，在打印单元(比如，打印单元20)的单次扫描中，仅第一材料可以以单层被沉积，其中扫描的模具的全部横截面被包含在第一部分中，例如模具310、410和510的第一部分的下端。
在方框720中，方法可以包括沉积具有高于约80℃例如高于约90℃或在85-100℃范围内的Tg和/或HDT的第二材料的两个或更多个层，形成模具的第二部分(比如，部分314和414)。第二材料可以被逐层地沉积以形成模具的第二部分。第二材料可以由在硬化之后可以导致热固性或UV固化的聚合物的组合物形成，所述组合物包含至少45％的单体或低聚体且具有高于100℃的Tg和/或至少45％的多功能单体或低聚体。
在某些实施方案中，方法可以包括沉积具有例如高于约100℃的Tg和/或HDT的另外的高Tg材料以在模具中的在注射模制工艺期间可以被暴露于极高温度例如300℃以上的位置覆盖第二部分的至少部分。另外的部分(比如，部分518)可以被沉积在模具中的在注射模制工艺期间要求较好热稳定性的区域和位置。
在某些实施方案中，在打印单元(比如，打印单元20)的单次扫描中，第一材料和第二材料两者可以同时被沉积以形成单层，其中扫描的模具的横截面包括第一部分和第二部分两者，例如模具部分310、410和510的中间截面。在某些实施方案中，仅第二材料可以在单次扫描期间以单层被沉积，例如在模具部分310、410和510的上端。在某些实施方案中，三种或更多种不同的材料可以在打印单元的单次扫描期间以单层被沉积。例如，第一材料、第二材料、任选地第三材料、以及支撑体材料可以被沉积以形成模具部分的芯中的形状。
在方框730中，方法可以包括沉积具有低于约80℃例如低于约60℃或55℃的Tg和/或HDT的材料的两个或更多个层，形成模具的第三部分(比如，部分316)以覆盖第二部分。第三部分可以使用第一材料或具有低于约80℃的Tg和/或HDT的任何其他材料被沉积。第三部分可以被沉积，具有0.1-0.3mm的厚度。
参考图8，图8表示制造根据本发明的某些实施方案的模具(比如，模具610)的方法的流程图。在方框810中，方法可以包括获得包含具有高于2.5GPa的弹性模量的材料的模具的第一部分(比如，部分612)。第一部分可以包含金属，例如钢或铝合金、陶瓷材料例如氧化铝、复合材料或具有高于2.5GPa的弹性模量的任何其他材料。第一部分可以被制造以具有可以被用于且被重复用于制备多种模具的标准形状。
在方框820中，方法可以包括将具有高于约80℃例如高于90℃的玻璃化转变温度(Tg)和/或HDT的聚合物材料的两个或更多个层沉积在第一部分之上，形成模具的第二部分(比如，部分614)。第二材料可以逐层地被沉积以形成模具的第二部分。在某些实施方案中，第二部分的厚度大于1mm。
在某些实施方案中，粘附区(比如，区域616)可以被获得以增强第一和第二部分之间的粘附。在某些实施方案中，第二部分至第一部分的粘附是通过使用胶。在某些实施方案中，第二部分至第一部分的粘附是通过焊接金属网至第一部分的形成与第二部分的界面的表面(比如，区域616)。此外或可选择地，面向第二部分的第一部分的表面可以通过提高表面的粗糙度被修改(比如，通过添加人工划痕)，以提高第二部分与第一部分的材料的附接表面面积。
在方框830中，方法可以包括沉积具有低于约80℃例如70℃或在40-60℃范围内的Tg和/或HDT的材料的两个或更多个层，形成模具的第三部分(比如，图3B中图示的部分316)以覆盖第二部分。第三部分可以被沉积，具有0.1-0.3mm的厚度。
尽管本发明的某些特征已经在本文中被图示且描述，然而许多修改、替换、变化和等同物现在将由本领域普通技术人员想起。因此，将被理解的是当这样的修改和变化落在本发明的真实精神内时，所附权利要求被意图覆盖全部这样的修改和变化。

Claims (33)

1.一种制备用于注射模制的聚合物模具的方法，所述方法包括：
以层的形式沉积第一建造材料组合物，所述第一建造材料组合物在聚合时导致具有低于80℃的玻璃化转变温度(Tg)的第一材料，并且使所沉积的第一建造材料组合物硬化，从而形成所述聚合物模具的第一部分；以及
以层的形式沉积第二建造材料组合物，所述第二建造材料组合物在聚合时导致具有高于80℃的Tg的第二材料，并且使所沉积的第二建造材料组合物硬化，从而形成所述聚合物模具的第二部分，
其中所述第二部分至少部分地覆盖所述第一部分，所述第二部分比所述第一部分更薄并且面向所述聚合物模具中的空腔，
其中与所述第一材料相比，所述第二材料在注射模制温度下具有更高的热稳定性。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
以层的形式沉积所述第一建造材料组合物或第三建造材料组合物，所述第一建造材料组合物在聚合时导致所述第一材料，所述第三建造材料组合物在聚合时导致具有低于80℃的Tg的第三材料，并且使所沉积的第一建造材料组合物或所沉积的第三建造材料组合物硬化，从而形成所述聚合物模具的第三部分以覆盖所述第二部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其中沉积是通过喷墨打印来进行。
4.根据权利要求2所述的方法，其中沉积是通过喷墨打印来进行。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第二材料具有高于80℃的热变形温度(HDT)。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含多功能单体和低聚体。
7.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，还包括：
根据在所述注射模制期间预期的在所述聚合物模具中的温度分布，确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构，使得所述第二部分在较高的预期温度的区域较厚。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括：
根据在所述注射模制期间预期的在所述聚合物模具中的温度分布，确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构，使得所述第二部分在较高的预期温度的区域较厚。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括：
根据在所述注射模制期间预期的在所述聚合物模具中的温度分布，确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构，使得所述第二部分在较高的预期温度的区域较厚。
11.根据权利要求7所述的方法，还包括：
根据在所述注射模制期间预期的在所述聚合物模具中的温度分布，确定所述第一部分和所述第二部分的几何结构，使得所述第二部分在较高的预期温度的区域较厚。
12.如权利要求8所述的方法，还包括：
基于注射模制工艺的计算机模拟，确定所述温度分布。
13.如权利要求9-11中任一项所述的方法，还包括：
基于注射模制工艺的计算机模拟，确定所述温度分布。
14.根据权利要求1-4和9-12中任一项所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
15.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
16.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
17.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
18.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
20.一种用于注射模制的聚合物模具，所述聚合物模具通过添加制造来生产，所述聚合物模具包括：
第一部分，其包含具有低于80℃的玻璃化转变温度(Tg)并且向所述聚合物模具提供尺寸精度的第一材料；以及
第二部分，其包含为热固性的或UV固化的聚合物的第二材料，所述第二材料具有高于80℃的Tg并且向所述聚合物模具提供热稳定性，
其中所述第二部分至少部分地覆盖所述第一部分，所述第二部分比所述第一部分更薄并且面向所述聚合物模具中的空腔。
21.如权利要求20所述的聚合物模具，还包括：
第三部分，其包含具有低于80℃的玻璃化转变温度(Tg)的材料，所述第三部分覆盖所述第二部分。
22.根据权利要求20所述的聚合物模具，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度。
23.根据权利要求21所述的聚合物模具，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度。
24.根据权利要求20-23中任一项所述的聚合物模具，其中，所述第二材料是通过沉积第二建造材料组合物且随后使所沉积的第二建造材料组合物硬化来获得的，所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含多功能单体和低聚体。
25.根据权利要求20-23中任一项所述的聚合物模具，其中，所述第二材料是通过沉积第二建造材料组合物且随后使所沉积的第二建造材料组合物硬化来获得的，所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
26.根据权利要求20-23中任一项所述的聚合物模具，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
27.根据权利要求24所述的聚合物模具，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
28.根据权利要求25所述的聚合物模具，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
29.一种用于注射模制的聚合物模具，所述聚合物模具通过添加制造来生产，所述聚合物模具包括：
第一部分，其包含具有低于80℃的玻璃化转变温度(Tg)并且向所述聚合物模具提供尺寸精度的第一材料；以及
第二部分，其包含具有高于80℃的Tg并且向所述聚合物模具提供热稳定性的第二材料，其中所述第二部分具有至少1mm的厚度，
其中所述第二部分至少部分地覆盖所述第一部分，所述第二部分比所述第一部分更薄并且面向所述聚合物模具中的空腔。
30.如权利要求29所述的聚合物模具，还包括：
第三部分，其包含具有低于80℃的玻璃化转变温度(Tg)的材料，所述第三部分覆盖所述第二部分。
31.根据权利要求29-30中任一项所述的聚合物模具，其中，所述第二材料是通过沉积第二建造材料组合物且随后使所沉积的第二建造材料组合物硬化来获得的，所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含多功能单体和低聚体。
32.根据权利要求29-30中任一项所述的聚合物模具，其中，所述第二材料是通过沉积第二建造材料组合物且随后使所沉积的第二建造材料组合物硬化来获得的，所述第二建造材料组合物以高于来自所述组合物的总重量的按重量百分比计45％的浓度包含具有高于100℃的Tg的单体和低聚体。
33.根据权利要求29-30中任一项所述的聚合物模具，其中所述第一材料具有低于60℃的Tg并且所述第二材料具有高于90℃的Tg。
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