CN106660268A - 在材料挤出增材制造中用于增强粘结的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种形成三维物体的方法,包括:以预设图案将热塑性聚合物材料的层沉积在平台(14)上以形成沉积层(50);经由能量束在所述沉积层(50)上的能源靶向区(56)处引导能源(54)以增加在所述能源靶向区处的所述沉积层的表面能量;将所述能源靶向区(56)与随后的层(52)接触,其中,沿着所述预设图案的路径沉积所述随后的层(52);其中,在所述能源靶向区(56)处引导所述能源(54)包括在所述随后的层沉积至区域之前施加能量至该区域处的层;以及重复前述步骤以形成三维物体。
Description
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)(AM)是转换制成各种物品的方式的新型生产技术。AM由数字模型制成虚拟地任何形状的三维(3D)立体物(solid object)。通常,通过利用计算机辅助设计(CAD)模拟软件生成期望的立体物的数字模型,然后切片虚拟的蓝图成为非常小的数字横截面,将此实现。在连续分层过程中在AM机中形成或沉积这些横截面以生成3D物体。AM具有许多优势,包括显著地减少从设计至原型至商业产品的时间。运行设计变化是可能的。可以在单一装配中建造多个部件。不需要工具。需要最小量的能量来制成这些3D立体物。其还减少废弃物和原材料的量。AM还促进极其复杂的几何部件的生产。由于根据需要以及在现场可以迅速地制成部件,因此AM还降低用于交易的部件存量。
材料挤出(一类AM)可以用作为用于生产塑料部件的低资金形成过程,和/或用于困难几何形状的形成过程。材料挤出包括基于挤出的增材系统,其是用于由3D模型的数字代表物以逐层方式通过选择性地分配可流动的材料通过喷嘴或孔口(orifice)构建三维(3D)模型。在挤出材料之后,然后在基板上在x-y平面中以通路(road)的序列将其沉积。挤出的建模材料(modeling material)熔融至之前沉积的建模材料,并在温度下降时凝固。然后,相对于基板的挤出头的位置沿着z轴(垂直于x-y平面)增加,且重复该过程以形成相似于数字代表物的3D模型。
材料挤出部件可以用作为原型模型以检查(review)几何形状。由于通过后加工抛光(post process finishing)步骤如涂覆或砂磨已经实现了改善的美观性,因此部件强度和外观仅次于总体设计构思沟通(design concept communication)。然而,在构建方向(build direction)上部件的强度受限于在该构建的随后的层(subsequent layer)之间的粘结强度和有效粘结表面面积。这些因素受限于两个原因。首先,每个层是单独的熔体流股。因此,使得新层的聚合物链不能与先前层的那些相互混合。其次,由于先前层已经冷却,其必须依靠新层的热量传导以及材料的任何的固有粘着性能用于发生粘结。在层之间的粘附力降低也导致高度分层的表面光洁度。
因此,对于增强能够生产具有改善的美学质量和结构性能的部件的AM方法,存在需要。
发明内容
通过以下附图和详细说明举例说明以上所描述的及其他性质。
一种形成三维物体的方法,包括:以预设图案将热塑性聚合物材料的层沉积在平台上以形成沉积层;经由能量束在沉积层上的能源靶向区(energy source target area)处引导能源以增加在能源靶向区处的沉积层的表面能量;将能源靶向区与随后的层(subsequent layer)接触,其中,沿着预设图案的路径沉积随后的层;其中,在能源靶向区处引导能源包括在随后的层沉积至区域之前施加能量至该区域处的层;以及重复前述步骤以形成三维物体。
一种用于形成三维物体的装置,包括:配置为支撑三维物体的平台;相对于平台布置且配置为以预设图案沉积热塑性材料以形成三维物体的层的挤出头;相对于挤出头设置且配置为增加能源靶向区的表面能量的能源;其中,在能源靶向区用于沉积随后的层之前,能源靶向区包括沉积层的一部分;配置为控制相对于平台的挤出头和能源的位置的控制器。
一种形成三维物体的方法,包括:使用熔融沉积建模装置(fused depositionmodeling apparatus)以预设图案将热塑性聚合物材料的层沉积于平台上;增加层的至少一部分的表面能量;沉积随后的层至该层上;重复前述步骤以形成三维物体。
附图说明
现在参照附图,这些附图是示例性的实施方式,并且其中相同要素标号相同且提供它们用于举例说明本文中公开的示例性实施方式的目的,而不是为了限制本发明的目的。
图1是示例性的基于挤出的增材制造系统的前视图。
图2是在没有能源的情况下沉积热塑性材料的层的挤出头的前视图。
图3是具有能源的沉积热塑性材料的层的挤出头的前视图。
图4是沉积以形成三维物体的热塑性材料的层的侧视图。
图5是沉积以形成三维物体的热塑性材料的层的俯视图。
图6是用于形成三维物体的示例性过程的流程图。
图7是用于形成三维物体的示例性过程的流程图。
图8是具有能源、压力源、和温度传感器的沉积热塑性材料的层的挤出头的前视图。
具体实施方式
本文中公开的是能够生产在相邻层之间粘结增加的部件的增材制造建模方法以及装置。在不受理论限制的情况下,应认为本文中获得的有利结果,例如高强度的三维聚合物组分,可以通过在沉积随后的层至沉积层的部分上和/或邻近于该部分之前增加该部分的表面能量来获得。由于沉积层的表面能量更高以及粘附力改善,因此也可以增加层之间的表面接触区域(surface contact area),从而改善在构建方向上和/或在邻近层之间横向上的强度。此外,增加层之间的粘结可以克服层之间的一些表面张力,导致粘着,其可以能够改善部件的表面质量。因此,可以制造具有优异的机械特性和美观性的部件。
如在本说明书和权利要求中使用的,术语“材料挤出增材制造技术(materialextrusion additive manufacturing technique)”是指制造的制品可以通过任何增材制造技术制成,通过选择性地分配通过喷嘴或孔口通过由数字模型由热塑性材料如单纤丝或颗粒分层放下(laying down)材料制成任何形状的三维立体物。例如,通过放下从线卷退绕的或由挤出头(extrusion head)沉积的塑料纤丝,可以制成挤出材料。这些单丝增材制造技术包括ASTM F2792-12a定义的熔融沉积建模和熔融纤丝制造以及其他材料挤出技术。
术语“熔融沉积建模(Fused Deposition Modeling)”或者“熔融纤丝制造(FusedFilament Fabrication)”包括通过加热热塑性材料至半液态且根据计算机控制的路径挤出逐层地构建部件或制品。熔融沉积建模利用建模材料和支撑材料。建模材料(modelingmaterial)包括完成件,并且支撑材料包括在完全该过程时可以机械地去除、洗涤掉或溶解的支架(scaffolding)。该方法包括在基底沿Z轴向下移动并且下一个层开始之前沉积材料以完成每个层。
材料挤出挤压的材料可以由热塑性材料制成。这种材料可以包括聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯乙烯醇(EVOH)、液晶聚合物(LCP)、甲基丙烯酸苯乙烯丁二烯(MBS)、聚缩醛(POM或缩醛)、聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯(也统称为丙烯酸类)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA、也称为尼龙)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)、聚芳醚酮(PAEK)、聚丁二烯(PBD)、聚丁烯(PB)、聚酯如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚己内酯(PCL)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亚环己基二亚甲基对苯二甲酸酯(polycyclohexylene dimethylene terephthalate)(PCT)、以及聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate)(PHA)、聚酮(PK)、聚烯烃如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)、氟化的聚烯烃如聚四氟乙烯(PTFE)聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚砜、聚酰亚胺(PI)、聚乳酸(PLA)、聚甲基戊烯(PMP)、聚苯醚(polyphenyleneoxide)(PPO)、聚苯硫醚(polyphenylene sufide)(PPS)、聚苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚砜(PSU)、聚苯砜、聚三亚甲基对苯二甲酸酯(polytrimethyleneterephthalate)(PTT)、聚氨酯(PU)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、或包括上述至少一种的组合。特别注意具有ABS、SAN、PBT、PET、PCT、PEI、PTFE、或包括上述至少一种的组合的聚碳酸酯共混物以获得期望性质如熔体流动性、抗冲击性和耐化学性的平衡。基于单纤丝的重量,这些其他的热塑性材料的量可以是0.1%至70wt.%,在其他情况下1.0%至50wt.%,且在又一其他情况下5%至30wt.%。
如在本文中使用的,术语“聚碳酸酯”是指具有式(1)的重复结构的碳酸酯单元的聚合物或共聚物
其中,R1基团的总数量的至少60百分数是芳香族的,或者每个R1包含至少一个C6-30芳香族基团。具体地,每个R1可以衍生自二羟基化合物,如式(2)的芳香族二羟基化合物或者式(3)的双酚。
在式(2)中,每个Rh独立地是卤素原子,例如溴,C1-10烃基基团,如C1-10烷基、卤素取代的C1-10烷基,C6-10芳基,或卤素取代的C6-10芳基,并且n是0至4。
在式(3)中,Ra和Rb各自独立地是卤素、C1-12烷氧基、或C1-12烷基;并且p和q各自独立地是0至4的整数,使得当p或q小于4时,环的每个碳的化合价被氢填充。在一种实施方式中,p和q各自是0,或者p和q各自是1,并且Ra和Rb各自是C1-3烷基基团,特别是布置于每个亚芳基基团上的羟基基团的间位的甲基。Xa是连接两个羟基取代的芳香族基团的桥连基,其中将每个C6亚芳基的桥连基和羟基取代基布置为在C6亚芳基上彼此相邻、相间、或相对(特别是对位),例如单键、-O-、-S-、-S(O)-、-S(O)2-、-C(O)-、或C1-18有机基团,其可以是环状或非环状的、芳香族或非芳香族的,并且可以进一步地包括杂原子如卤素、氧、氮、硫、硅、或磷。例如,Xa可以是取代或未取代的C3-18环烷叉基;式–C(Rc)(Rd)–的C1-25烷叉基,其中Rc和Rd各自独立地是氢、C1-12烷基、C1-12环烷基、C7-12芳基烷基、C1-12杂烷基、或环状的C7-12杂芳基烷基;或者式–C(=Re)–的基团,其中Re是二价的C1-12烃基。
特定的二羟基化合物的一些说明性的实例包括以下:双酚化合物如4,4'-二羟基联苯、1,6-二羟基萘、2,6-二羟基萘、双(4-羟基苯基)甲烷、双(4-羟基苯基)二苯基甲烷、双(4-羟基苯基)-1-萘基甲烷、1,2-双(4-羟基苯基)乙烷、1,1-双(4-羟基苯基)-1-苯基乙烷、2-(4-羟基苯基)-2-(3-羟基苯基)丙烷、双(4-羟基苯基)苯基甲烷、2,2-双(4-羟基-3-溴苯基)丙烷、1,1-双(羟基苯基)环戊烷、1,1-双(4-羟基苯基)环己烷、1,1-双(4-羟基苯基)异丁烯、1,1-双(4-羟基苯基)环十二烷、反式-2,3-双(4-羟基苯基)-2-丁烯、2,2-双(4-羟基苯基)金刚烷、α,α'-双(4-羟基苯基)甲苯、双(4-羟基苯基)乙腈、2,2-双(3-甲基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-乙基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-正丙基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-异丙基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-仲丁基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-叔丁基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-环己基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-烯丙基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3-甲氧基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(4-羟基苯基)六氟丙烷、1,1-二氯-2,2-双(4-羟基苯基)乙烯、1,1-二溴-2,2-双(4-羟基苯基)乙烯、1,1-二氯-2,2-双(5-苯氧基-4-羟基苯基)乙烯、4,4'-二羟基二苯甲酮、3,3-双(4-羟基苯基)-2-丁酮、1,6-双(4-羟基苯基)-1,6-己二酮、乙二醇双(4-羟基苯基)醚、双(4-羟基苯基)醚、双(4-羟基苯基)硫醚、双(4-羟基苯基)亚砜、双(4-羟基苯基)砜、9,9-双(4-羟基苯基)氟、2,7-二羟基芘、6,6'-二羟基-3,3,3',3'-四甲基螺(双)茚满(“螺二茚满双酚”)、3,3-双(4-羟基苯基)苯二甲酰亚胺、2,6-二羟基二苯并-对-二噁英、2,6-二羟基噻蒽、2,7-二羟基吩噻噁、2,7-二羟基-9,10-二甲基吩嗪、3,6-二羟基二苯并呋喃、3,6-二羟基二苯并噻吩、和2,7-二羟基咔唑;间苯二酚、取代的间苯二酚化合物如5-甲基间苯二酚、5-乙基间苯二酚、5-丙基间苯二酚、5-丁基间苯二酚、5-叔丁基间苯二酚、5-苯基间苯二酚、5-枯基间苯二酚、2,4,5,6-四氟间苯二酚、2,4,5,6-四溴间苯二酚等;邻苯二酚;对苯二酚;取代的对苯二酚如2-甲基对苯二酚、2-乙基对苯二酚、2-丙基对苯二酚、2-丁基对苯二酚、2-叔-丁基对苯二酚、2-苯基对苯二酚、2-枯基对苯二酚、2,3,5,6-四甲基对苯二酚、2,3,5,6-四-叔丁基对苯二酚、2,3,5,6-四氟对苯二酚、2,3,5,6-四溴对苯二酚等。
特定的二羟基化合物包括间苯二酚、2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(“双酚A”或“BPA”,其中A1和A2中的每一个是对亚苯基并且Xa是在式(3)中的异丙叉基)、3,3-双(4-羟基苯基)苯并吡咯酮、2-苯基-3,3'-双(4-羟基苯基)苯并吡咯酮(也被称为N-苯基酚酞双酚、“PPPBP”、或3,3-双(4-羟基苯基)-2-苯基异吲哚啉-1-酮)、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环己烷(DMBPC)、以及1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)-3,3,5-三甲基环己烷(异佛尔酮双酚)。
可以通过已知的方法,例如,通过根据以上引用文献以及美国专利第4,123,436号中阐述的方法将二羟酚与碳酸酯前体如光气反应,或者通过如在美国专利第3,153,008中公开的酯交换方法,以及本领域技术人员已知的其他方法,制备这些芳香族的聚碳酸酯。
在期望碳酸酯共聚物或互聚物(interpolymer)而不是均聚物的情形下,还可能的是采用两种或更多种不同的二羟基的酚类。聚碳酸酯共聚物可以进一步地包含非碳酸酯重复单元,例如,重复酯单元(聚酯-碳酸酯)、重复硅氧烷单元(聚碳酸酯-硅氧烷)、或酯单元和硅氧烷单元两者(聚碳酸酯-酯-硅氧烷)。支链的聚碳酸酯也是有用的,如在美国专利第4,001,184号中所描述的。同样,可以使用直链聚碳酸酯和支链聚碳酸酯的组合。此外,可以使用任何的以上材料的组合。
在任何情形下,优选的芳香族聚碳酸酯是均聚物,例如,衍生自2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚-A)的均聚物以及碳酸酯或碳酸盐前体,以登记TM的商品名称LEXAN商业可获得自SABIC。
在本文中使用的热塑性聚碳酸酯具有化学及物理特性的某些组合。它们由至少50摩尔%的双酚A制成,并且具有通过在聚碳酸酯标准上校准的凝胶渗透色谱法(GPC)测量的10,000至50,00克每摩尔(g/mol)的重均分子量(Mw),并且具有130至180摄氏度(℃)的玻璃化转变温度(Tg)。
除了这种物理性能的组合之外,这些热塑性聚碳酸酯组合物也可具有某些可选的物理性能。这些其他的物理特性包括具有大于5,000磅每平方英寸(psi)的屈服拉伸强度,以及大于1,000psi的100℃下的弯曲模量(如根据ASTM D4065-01由动态机械分析(DMA)在3.2mm棒上测量的)。
也可以将其他的成分添加至单纤丝。这些包括着色剂,如溶剂紫36、颜料蓝60、颜料蓝15:1、颜料蓝15.4、碳黑、二氧化钛或包括上述至少一种的组合。
参考附图可以获得在本文中公开的组分、方法、和装置的更加完全的了解。这些附图(在本文中也被称为“图”)仅仅是基于方便和证实本公开的容易性的示意性表示,因此不旨在指示设备或它们的部件的相对尺寸和/或维度(dimension),和/或以限定或限制示例性实施方式的范围。尽管为了清楚起见在以下的描述中使用了特定术语,但是这些术语仅旨在指示用于附图中的说明所选择的实施方式的特定结构,并且不旨在限定或限制本公开的范围。在以下的附图和随后的描述中,应理解相同的数字标识指示相同功能的组件。
如在图1中示出的,系统10是示例性的材料挤出增材制造,并且包括构建平台(build platform)14、导轨系统16、挤出头18、和供给源20。构建平台14是在其上可以构建制品24且基于计算机操作的控制器28提供的信号可以垂直地移动的支撑结构。导轨系统16可以基于由控制器28提供的信号移动挤出头18至平行于构建平台14的平面中的任一点。可替代地,可以将构建平台14配置为水平地移动,并且可以将挤出头18配置为垂直地移动。还可以使用其他相似的布置,使得平台14和挤出头18中的一个或两个相对于彼此可移动。
可以将能源54连接至挤出头18或者与挤出头18分离。例如,如在图3中示出的,通过支撑臂58,将能源54连接至挤出头18。可替代地,可以将能源54连接至系统10的内部表面或者连接至可移动的支撑结构。能源54可以是可移动的并且由计算机操作的控制器28控制。例如,能源54可以是可移动的以提供能量至在系统10内的特定点。可以使用多个能源54。能源可以包括能够加热预先沉积层50的顶部部分51的区域56至离开挤出头18(Y)的热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)和热塑性聚合物材料的熔点之间的任何设备或者能够加热预先沉积层50的顶部部分51的区域56至温度(X),即Y≥X≥Y-20、具体地Y≥X≥Y-10、或Y-5≥X≥Y-20的任何设备。换言之,如果离开挤出头18的热塑性聚合物材料的Tg是280℃,那么该设备能够加热区域56至260℃-280℃,具体地270℃至280℃或260℃至275℃。可能的能源的一些实例包括光源(例如,紫外光源、红外光源、激光)、加热的惰性气体、热板、红外热、以及包括上述至少一种的组合。例如,能源54可以是具有约20瓦特(W)至200功率范围的具有1064纳米(nm)波长的YAG激光器。可能的惰性气体取决于特定的热塑性材料,并且包括在加工温度下将不会降解或与热塑性材料另外起反应的任何的气体。可能的惰性气体的实例包括氮气、空气、和氩气。
可选地,温度传感器72(例如,非接触的温度传感器)可以包括于该装置中以测定邻近于将被加热的区域的层50的顶部部分51的温度,使得在应用能源之前可以测定层50的顶部部分51的温度。这将允许基于顶部部分51的实际温度以及区域56的期望温度,在线地调节来自能源54的热量的强度。
为了获得期望的粘附特征,和或其他的部件特征,能源(例如,热气体喷嘴)以及挤出头(例如,熔体-尖端(melt-tip))可以串联地(in tandem)移动直至完成部件。
可选地还包括在装置中的可以是配置为在使用热塑性材料之后施加压力至例如邻近于挤出头18的层的压力源74,以便挤压沉积的热塑性材料至前层(prior layer)中(例如,至挤压层52至层50中),例如以致密化材料,以去除间隙或气泡,和/或以增强层之间的粘附。(参见图8)
此外,如同在材料挤出增材制造中良好理解的,在相邻层之间生成台阶(step)或凹陷(valley)。在层之间的这种凹陷80降低最终产物的美感且是不期望的。(参见图5)凹陷具有从凹陷的底部至相邻层的表面的深度。在已经施加热塑性材料之后施加压力至其上,压紧热塑性材料,导致其流动至凹陷80中,减小它们的尺寸。施加压力至层可以减小凹陷的深度大于或等于50%、具体地大于或等于70%、且甚至大于或等于80%。例如,如果在没有施加压力下凹陷的深度是10微米(μm),那么在施加压力之后深度将小于或等于5μm。
施加的压力可以足够地进行以下中的至少一项:致密化层、去除气泡、去除施加的层和前层之间的间隙,并且允许热塑性材料流动至凹陷中。
例如,压力源可以是能够使气体流股向下(gas stream)(例如,压缩气体)至层上的设备。可以进一步地修改该过程以使用高压气体流股以导致刚沉积的聚合物熔体轻微地流动最高达仅仅足以充满两个相邻层之间的角落部分的预先沉积的层的边缘,使得锥形(tapered)表面更平滑,从而改善所形成部件的美感和强度。为了确保尺寸控制,相应于用于使得表面更平滑的使得流动填充角落部分的熔体的量,将需要沉积另外量的熔体。
用于系统10中的合适的挤出头的实例可以包括美国专利第7,625,200号公开的那些,通过引证将它的全部内容合并。此外,系统10可以包括用于从一个或多个尖端沉积建模和/或支撑材料的多个挤出头18。由供给源20可以供给热塑性材料至挤出头18,从而允许挤出头18沉积热塑性材料以形成制品24。
可以将热塑性材料提供至在基于挤出的增材制造系统中的在各种不同介质中的系统10。例如,可以以连续单纤丝的形式供给材料。例如,在系统10中,可以将建模材料提供为分别地由供应源20进料的连续的单纤丝线束(strand)。用于建模和支撑材料的纤丝线束的合适的平均直径的实例是约1.27毫米(约0.050英寸)至约3.0毫米(约0.120英寸)的范围。然后使用基于层的增材制造技术,将接收的支撑材料沉积至构建平台14上以构建制品24。还可以沉积支撑结构以提供用于制品24的层的可选的突出区域(overhanging region)的垂直支撑,允许将制品24构建具有各种几何图形。
如在图2中示出的,可以在没有伴随的能源54下使用挤出头18制成3D模型。使用这种技术,挤出头18沉积层50a至平台14上。允许将层50a硬化,且在层50a的顶部沉积随后的层52a。将表面接触区域60a定义为在层50a和随后的层52a之间。重复该过程直至完成制品24。
如在图3中示出的,通过支撑臂58,将能源54连接至挤出头18。在操作中,图3的挤出头18沉积层50至平台14上。在沉积随后的层52之前,能源54引导能量至能源靶向区56。激光器波长的选择取决于组合物的吸收和基板之间的相互作用,并且可以通过修改激光器参数如功率、频率、速度、聚焦等操控激光器。通过添加吸收激光的波长的添加剂,还可以调整或改善激光器和基板之间的相互相用。准分子激光器(excimer laser)可以用于紫外线波长(例如,120-450nm)。二极管激光器可以用于在可见光谱内的波长(例如,400-800nm)。以及固态或纤维激光器可以用于在近红外区内的波长(例如,800-2100nm)。例如,取决于激光波长,可以使用特定的添加剂以获得特性和相互作用之间的有效平衡。非限制性的示例性添加剂可以包括用于紫外线波长的2-(2羟基-5-叔辛基苯基)苯并三唑,用于可见光谱波长的碳黑,以及用于近红外波长的六硼化镧。
能源靶向区56可以包括位于随后的层52将沉积于其中的区域的层50的顶部部分51。换言之,能源54可以递送能量至能源靶向区56以在层52沉积至层50上之前增加沉积层50的顶部部分51的表面能量。因此,能源54增加在层52沉积之前在能源靶向区56处的层50的至少顶部部分51(也被称为其中将层52沉积的层50的部分)的表面能量,其导致两个层之间的粘结强度增加。这种改善的粘结强度来自于层50和层52之间的能量差异降低。层52的较高温度允许表面之间的分子缠结改善,能够粘着更强。由于不相称(disproportional)的收缩,在层之间的较低温度的差异限制界面处的应力。此外,层50的顶部部分51的表面能量的增加可以允许层50和52之间的表面接触区域60增加超过其中没有使用能源的表面接触区域60a(图2)。能源靶向区56可以包括大于或等于约50%的层50的宽度。能源靶向区56可以包括小于或等于约50%的层30的宽度。
如在图4和5中示出的,能源靶向区66可以包括位于邻近于其中将沉积随后的层52的区域的层65的侧面部分61。换言之,能源54可以递送能量至能源靶向区66以在层52沉积邻近于层65之前增加沉积层60的侧面部分61的表面能量。因此,能源54增加在层52沉积之前在能源靶向区66处的层65的至少侧面部分61的表面能量,其导致两个层之间的粘结强度增加。这种改善的粘结强度来自于层65和层52之间的能量差异降低。层52的较高温度允许表面之间的分子缠结改善,能够粘着更强。由于不相称的收缩,在层之间的较低温度的差异限制界面处的应力。
使用能源54以增加目标区域56的表面能量也可以允许在最终制品24中的孔隙率降低。例如,与通过不使用能源54的增材制造方法制成的产物相比,通过这种方法制成的产物可以具有30%更小的孔隙率。此外,如根据ASTM D-3039测量的,层与层的粘附可以改善最高至约50%。
在一个实施方式中,能源54仅仅施加能量至在开始接触且然后粘附至其他随后的层的层50的部分上的能源靶向区。在该实施方式中,没有直接地施加能量至层50的其他部分。在其他实施方式中,可以将能量传递至层的其他部分。在施加能源54至能源靶向区56和接触随后的层之间的时间是相对短的,以便不允许所施加的能量从该层耗散。在一些实施方式中,这种时间段将是小于1分钟,具体地小于0.5分钟,且甚至小于0.25分钟。
图6示出了制造三维制品24的方法。在步骤100中,将热塑性聚合物材料的层50以预设图案沉积在平台14上。然后,在步骤101中,通过在层50上的能源靶向区56处的能量束引导能源54以增加在能源靶向区56处的层50的表面能量。在步骤102中,沿着预设图案的路径,将随后的层52沉积在层50上。重复步骤100-102以形成三维制品24。
图7示出了用于形成三维制品24的另一种方法。在步骤110中,使用熔融沉积建模装置,将热塑性聚合物材料的层50以预设图案沉积在平台14上。在步骤111中,增加层50的至少一部分的表面能量。在步骤112中,将随后的层52沉积在层50上。重复步骤110-112以形成三维制品24。
孔隙率的降低、邻近层之间的粘结强度的增加、以及邻近层之间的表面接触增加可以改善3D制品24的美学品质。此外,可以减少另外的后处理步骤,如砂磨、固化、和/或另外的抛光(additional finishing)。因此,使用本文中所描述的系统和方法,可以达到生产速率和产物质量的增加。
实施方式1:一种形成三维物体的方法,包括:以预设图案将热塑性聚合物材料的层沉积在平台上以形成沉积层;经由在沉积层上的能源靶向区(energy source targetarea)处的能量束,引导能源,以增加在能源靶向区处的沉积层的表面能量;将能源靶向区与随后的层(subsequent layer)接触,其中,沿着预设图案的路径沉积随后的层;其中,在能源靶向区处引导能源包括在随后的层沉积至区域之前施加能量至该区域处的层;以及重复前述步骤以形成三维物体。
实施方式2:一种形成三维物体的方法,包括:通过喷嘴,使用熔融沉积建模装置(fused deposition modeling apparatus)以预设图案将热塑性材料的层沉积于平台上形成沉积层;增加沉积层的至少一部分的表面能量;将随后的层沉积在包含增加的表面能量的至少部分上的沉积层上;重复前述步骤以形成三维物体。
实施方式3:前述实施方式中任一项的方法,其中,增加表面能量包括在沉积层上的能源靶向区处引导能源以增加在能源靶向区处的沉积层的表面能量;其中,在能源靶向区处引导能源包括在随后的层沉积至区域之前施加能量至该区域处的层。
实施方式4前述实施方式中任一项的方法,进一步地包括在增加在其中将增加表面能量的区域中的表面能量之前感测沉积层的温度,并且基于感测的温度增加表面能量。
实施方式5:前述实施方式中任一项的方法,其中,增加表面能量包括以下至少一种:在沉积随后的层至顶部表面的区域之前,施加能量至在该区域处的沉积层的顶部表面;以及在沉积随后的层至侧表面的区域之前,施加能量至在该区域处的邻近的沉积层的侧表面。
实施方式6:前述实施方式中任一项的方法,进一步地包括施加压力至邻近于喷嘴的随后的层。
实施方式7:前述实施方式中任一项的方法,其中,该层包含挤出的线束(strand)。
实施方式8:前述实施方式中任一项的方法,其中,能源包括光源、热板、红外热、加热的惰性气体、以及包括上述至少一种的组合。
实施方式9:前述实施方式中任一项的方法,其中,引导能源包括以下至少一种:升高能源靶向区的温度至大于热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度;升高能源靶向区的温度至温度(X),即是Y≥X≥Y-20;以及升高能源靶向区的温度至热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度和热塑性聚合物材料的熔点之间的温度。
实施方式10:实施方式9的方法,其中,引导能源包括升高温度(X),其中温度(X)是Y≥X≥Y-10,优选地Y-5≥X≥Y-20。
实施方式11:前述实施方式中任一项的方法,其中,在层和随后的层之间的表面接触区域(surface contact area)大于不包括在能源靶向区处引导能源的步骤的层和随后的层的表面接触区域。
实施方式12:前述实施方式中任一项的方法,其中,在增加表面能量的步骤和沉积随后的层的步骤之间的时间段小于1分钟。
实施方式13:前述实施方式中任一项的方法,其中,在能源靶向区处引导能源包括在沉积随后的层至顶部表面的区域之前,施加能量至在该区域处的沉积层的顶部表面。
实施方式14:前述实施方式中任一项的方法,其中,在能源靶向区处引导能源包括在沉积随后的层至侧表面的区域之前,施加能量至在该区域处的邻近的沉积层的侧表面。
实施方式15:前述实施方式中任一项的方法,其中热塑性聚合物材料包括聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、丙烯酸橡胶、液晶聚合物、甲基丙烯酸苯乙烯丁二烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚已酸内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚亚环己基二亚甲基对苯二甲酸酯(polycyclohexylene dimethylene terephthalate)、聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoate)、聚酮、聚酯、聚酯碳酸酯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺、聚乳酸、聚甲基戊烯(polymethylpentene)、聚烯烃、聚苯醚(polyphenylene oxide)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide)、聚苯二甲酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、聚苯砜、聚对苯二甲酸三亚甲基酯(polytrimethylene terephthalate)、聚氨酯、苯乙烯-丙烯腈、硅酮聚碳酸酯共聚物、或包括上述至少一种的组合。
实施方式16:前述实施方式中任一项的方法,其中,热塑性聚合物材料包含聚碳酸酯。
实施方式17:前述实施方式中任一项的方法,其中,能源包括紫外线光源、红外光源、激光器、热板(heated plate)、红外热、以及包括上述至少一种的组合。
实施方式18:前述实施方式中任一项的方法,其中,能源是激光器。
实施方式19:前述实施方式中任一项的方法,其中,引导能源包括升高能源靶向区的温度以大于热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度。
实施方式20:前述实施方式中任一项的方法,其中,能源靶向区包括大于或等于约30%的层的宽度。
实施方式21:前述实施方式中任一项的方法,其中,能源靶向区包括小于或等于约30%的层的宽度。
实施方式22:前述实施方式中任一项的方法,其中,引导能源包括升高能源靶向区的温度至热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度和热塑性聚合物材料的熔点之间的温度。
实施方式23:前述实施方式中任一项的方法,其中,由挤出头(extrusion head)沉积层。
实施方式24:实施方式23的方法,其中,在沉积随后的层之前,增加挤出头和层之间的垂直距离。
实施方式25:实施方式24的方法,其中,增加垂直距离包括降低平台。
实施方式26:实施方式24的方法,其中,增加垂直距离包括升高挤出头。
实施方式27:前述实施方式中任一项的方法,其中,与通过不使用能源的增材制造方法(additive manufacturing process)制成的产物相比,三维物体包括30%更少的孔隙率。
实施方式28:前述实施方式中任一项的方法,其中,在层和随后的层之间的表面接触区域大于不包括在能源靶向区处引导能源的步骤的层和随后的层的表面接触区域。
实施方式29:前述实施方式中任一项的方法,其中,增加垂直距离包括以下至少一种:降低平台;以及升高挤出头。
实施方式30:前述实施方式中任一项的方法,其中,仅仅在作为表面面积目标区域的层的部分中增加了层的表面能量。
实施方式31:前述实施方式中任一项的方法,其中,在增加层的至少一部分的表面能量步骤和沉积随后的层的步骤之间的时间段小于1分钟。
实施方式32:前述实施方式中任一项的方法,其中,将随后的层沉积在具有增加的表面能量的层的部分上。
实施方式33:前述实施方式中任一项的方法,其中,具有增加的表面能量的面积小于或等于10%层的表面的面积。
实施方式34:前述实施方式中任一项的方法,其中,具有增加的表面能量的面积小于或等于5%层的表面的面积。
实施方式35:前述实施方式中任一项的方法,其中,具有增加的表面能量的面积小于或等于2%层的表面的面积。
实施方式36:一种用于形成三维物体的装置,包括:配置为支撑三维物体的平台;相对于平台布置且配置为以预设图案沉积热塑性材料以形成三维物体的层的挤出头;相对于挤出头设置且配置为增加能源靶向区的表面能量的能源;其中,在能源靶向区用于沉积随后的层之前,能源靶向区包括沉积层的一部分;配置为控制相对于平台的挤出头和能源的位置的控制器。
实施方式37:实施方式36的装置,进一步地包括能够感测在增加在其中将增加表面能量的区域中的表面能量之前的沉积层的温度,并且基于感测的温度增加表面能量的温度传感器。
实施方式38:实施方式36-37中任一项的装置,进一步地包括能够施加压力至邻近于喷嘴的随后的层的压力传感器。
实施方式39:实施方式36-38中任一项的装置,其中,能源包括光源、热板、红外热、加热的惰性气体、以及包括上述至少一种的组合。
实施方式40:实施方式36-39中任一项的装置,其中,能源靶向区包括沉积层的顶部部分。
实施方式41:实施方式36-40中任一项的装置,其中,能源靶向区包括沉积层的侧面部分。
实施方式42:实施方式36-41中任一项的装置,其中,经由支持臂将能源连接至挤出头。
实施方式43:实施方式36-42中任一项的装置,其中,不将能源连接至挤出头。
实施方式44:实施方式36-43中任一项的装置,其中,能源靶向区包括大于或等于约50%的层的宽度。
实施方式45:实施方式36-44中任一项的装置,其中,能源靶向区包括小于或等于约50%的层的宽度。
实施方式46:实施方式36-45中任一项的装置,其中热塑性聚合物材料包括聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、丙烯酸橡胶、液晶聚合物、甲基丙烯酸酯苯乙烯丁二烯、聚丙烯酸酯(丙烯酸类)、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚已酸内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚亚环己基二亚甲基对苯二甲酸酯、聚羟基烷酸酯、聚酮、聚酯、聚酯碳酸酯、聚乙烯、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺、聚乳酸、聚甲基戊烯、聚烯烃、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯二甲酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、聚苯砜、聚三亚甲基对苯二甲酸酯、聚氨酯、苯乙烯-丙烯腈、硅酮聚碳酸酯共聚物、或包括上述至少一种的组合。
实施方式47:实施方式36-46中任一项的装置,其中,热塑性聚合物材料包含聚碳酸酯。
实施方式48:实施方式36-47中任一项的装置,其中,将控制器配置为在沉积随后的层之前修改挤出头和层之间的垂直距离。
实施方式49:实施方式36-48中任一项的装置,其中,能源是激光器。
实施方式50:实施方式36-49中任一项的装置,其中,能源是加热的惰性气体。
实施方式51:实施方式36-50中任一项的装置,其中,在平台和挤出头之间的垂直距离是可调节的。
通常,本发明可以可替换地包括任何本文中公开的适当的组分、由其组成或者基本上由其组成。本发明可以另外地或可替代地配制成不含或基本上不含在现有技术组合物中使用的或者另外地不是实现本发明的功能和/或目的所必需的任何的组分、材料、成分、佐剂或物质。
本文中公开的所有范围包括端点,并且端点可彼此独立地组合(例如,“最高至25wt.%,或更具体地,5wt.%至20wt.%”的范围包括端点以及“5wt.%至25wt.%”的范围的所有中间值等)。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。此外,在本文中术语“第一”、“第二”等不表示任何的顺序、数量、或重要性,而是用于表示一个要素不同于另一个要素。除非在本文中另有说明或与上下文明显矛盾,否则本文中的术语“一个”、“一种”以及“该”不表示数量的限制,并且被解释为涵盖单数和复数两者。除非通过上下文明确地另有规定,“或”是指“和/或”。如在本文所使用的后缀“(s)”旨在包括其修饰的术语的单数和复数两者,从而包括该术语的一个或更多个(例如,膜(film(s))包括一个或更多个膜)。贯穿整个说明书对“一个实施方式”、“另一实施方式”、“实施方式”等的参考是指结合实施方式所描述的特定要素(例如,性质、结构和/或特征)被包括在本文中所描述的至少一个实施方式中,并且可以存在或不存在于其他实施方式中。此外,应该理解的是,所描述的要素可以以任何合适的方式组合于各个实施方式中。除非在本文中另有说明,所有的检验标准是至本申请的提交日期为止最新的检验标准。
通过引证以它们的全部内容将所有的参考合并于此。
虽然已经描述了特定的实施方式,但是本申请人或本领域的其他技术人员可以想到当前不可预见的或可能不可预见的替代、修改、变体、改进和实质等效物。因此,所提交的以及可能被修改的所附权利要求旨在涵盖所有这样的替代、修改、变体、改进和实质等效物。
Claims (18)
1.一种形成三维物体的方法,包括:
通过喷嘴,使用熔融沉积建模装置以预设图案将热塑性材料的层沉积于平台上以形成沉积层;
增加所述沉积层的至少部分的表面能量;
沉积随后的层至在包含增加的所述表面能量的至少部分上的所述沉积层上;
重复前述步骤以形成所述三维物体。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,增加所述表面能量包括在所述沉积层上的能源靶向区处引导能源以增加在所述能源靶向区处的沉积层的表面能量;其中,在所述能源靶向区处引导能源包括在所述随后的层沉积至区域之前施加能量至所述区域处的层。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法,进一步地包括在增加在其中将增加表面能量的区域中的表面能量之前感测所述沉积层的温度,并且基于感测的温度增加表面能量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,增加所述表面能量包括以下至少一种:
在沉积随后的层至顶部表面的区域之前,施加能量至在所述区域处的沉积层的所述顶部表面;以及
在沉积随后的层至侧面表面的区域之前,施加能量至在所述区域处的邻近的沉积层的所述侧面表面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,进一步地包括施加压力至邻近于喷嘴的随后的层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述层包含挤出的线束。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,能源包括光源、热板、红外热、加热的惰性气体、以及包括上述至少一种的组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,引导能源包括
升高所述能源靶向区的温度至大于所述热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度;
升高所述能源靶向区的温度至温度(X),即是Y≥X≥Y-20;以及
升高所述能源靶向区的温度至所述热塑性聚合物材料的玻璃化转变温度和所述热塑性聚合物材料的熔点之间的温度。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,增加垂直距离包括以下至少一种:
降低平台;
升高挤出头。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在层和随后的层之间的表面接触区域大于不包括在能源靶向区处引导能源的步骤的层和随后的层的表面接触区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中,在增加所述表面能量的步骤和沉积所述随后的层的步骤之间的时间段小于1分钟。
12.一种形成三维物体的方法,包括:
通过喷嘴将热塑性材料的层沉积于平台上以形成沉积层;
沉积随后的层至所述沉积层上;
施加压力至邻近于所述喷嘴的随后的层;以及重复前述步骤以形成所述三维物体。
13.根据权利要求5-12中任一项的方法,包括为了以下至少一项施加足够的压力
致密化所述层,
去除气泡,
去除所述沉积层和随后的层之间的间隙;以及
允许所述热塑性材料流动进入位于所述沉积层和随后的层之间的凹陷。
14.一种用于形成三维物体的装置,包括:
配置为支撑所述三维物体的平台;
相对于所述平台布置且配置为以预设图案沉积热塑性材料以形成所述三维物体的层的挤出头;
相对于所述挤出头设置且配置为增加能源靶向区的表面能量的能源;
其中,在所述能源靶向区沉积随后的层之前,所述区包括沉积层的部分;
配置为控制相对于所述平台的所述挤出头和所述能源的位置的控制器。
15.根据权利要求14所述的装置,其中,在所述平台和所述挤出头之间的垂直距离是能够调节的。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的装置,进一步地包括在增加在其中将增加表面能量的区域中的所述表面能量之前能够感测所述沉积层的温度的温度传感器,并且基于感测的温度增加所述表面能量。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的装置,进一步地包括能够施加压力至邻近于喷嘴的随后的层的压力传感器。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的装置,其中,所述能源包括光源、热板、红外热、加热的惰性气体、以及包括上述至少一种的组合。
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