TW201609359A

TW201609359A - 用於浸漬積層製造物體及其類似物之方法與裝置

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Publication number: TW201609359A
Application number: TW103131011A
Authority: TW
Inventors: 提摩太渥維克
Original assignee: 提摩太渥維克
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本發明係有關於一種浸漬三維列印自由型製造或積層製造物體之方法；一種用於浸漬三維列印自由型製造或積層製造物體之裝置；及藉由功能性熱塑性聚合物浸漬之物體。於此方法，此物體係以一於控制之溫度及壓力條件下所引入的熱塑性材料來浸漬，且藉由將此物體浸入此熱塑性材料且藉由控制壓力振盪之頻率及振幅而使此熱塑性材料滲透此物體，以確保充份浸漬於此物體內而至少部份填充孔洞或孔隙及使製造此物體之材料顆粒或片材結合。於一實施例，裝置(100)促進此且包含a)一浸漬腔室(12)，於其中，欲以一熱塑性材料(110)浸漬之物體被浸漬；b)一貯存器(14)，其於使用時係以此熱塑性材料填充；c)一固化腔室(16)，其係用於加熱及固化此物體；及d)一控制器(18)，其係用於控制此該裝置之操作功能；此貯存器包含一加熱裝置(20)及感應器(22，26，28)，使得此熱塑性材料可於界定之溫度(T)參數內熔融，且此控制器使此裝置內之浸漬及固化之依序步驟可行。

Description

用於浸漬積層製造物體及其類似物之方法與裝置

引言

本發明係有關於一種浸漬三維列印自由型製造或積層製造物體之方法；一種用於浸漬三維列印自由型製造或積層製造物體之裝置，及以功能性熱塑性聚合物浸漬之物體。

背景

三維列印自由型製造或積層製造物體可使用已知方法相當簡單地製造，不受限地包含顆粒(不受限地諸如，石膏或塑料)或層狀物(不受限地諸如，紙、塑料或織物)之沉積。但是，形成之產物/物體會為多孔狀、“軟”，及易受損。因此，合意地係發展用於強化或以其它方式保護此等物體及/或對其提供品質表面處理(quality finishes)之改良方法。

現今用以強化/保護此等製造物體之方式係落於下列概括種類：

以一丙烯酸系樹脂浸透製造物體

一般，此丙烯酸系樹脂係氰基丙烯酸酯(由於其毒性係不利的)，且其於水(特別是氫氧離子)存在中被吸收於物體之孔洞或孔隙內，於其中快速聚合，形成長的強鏈，其使顆粒及/或層狀物連結及結合在一起。但是，因為水分存在造成氰基丙烯酸酯固化，曝露於空氣中之水分隨著時間會造成氰基丙烯酸酯之容器快速惡化且變成不可使用。為免於此，氰基丙烯酸酯需貯存於一具有乾燥劑(諸如，二氧化矽凝膠)包裝物之氣密式容器中。

以石蠟浸透製造物體

雖然蠟係比氰基丙烯酸酯更安全處理，且可“再熔融”能使物體再次加工，但其孔洞“收縮”，因此，一般提供一不令人滿意之表面處理。再者，其等之疏水性質使經蠟浸透之物體難以表面處理。

以一可固化樹脂浸透製造物體

如同氰基丙烯酸酯，可固化樹脂(諸如，經熱固化或經UV固化之樹脂)形成一永久性表面處理，且若表面處理不令人滿意係無法再次加工。其等於孔洞亦收縮，且由於其黏稠性，通常僅浸透最外表面，意指經固化之產物缺乏良好結構完整性；及

以二部份組份樹脂浸透製造物體

典型上，此二組份係預混合，使得其等“定形”，且於可加工時用於浸透此物體。例子包含：聚酯類、環氧樹脂類，及聚丙烯酸酯類。缺點包含其等係以一不可逆方式定形，遭受差品質表面處理及混合造成損耗。

此等可供選擇之浸透材料及方法的缺點係經由使用一熱塑性聚合物克服，其會於一第一定義溫度範圍於熔融態浸透孔洞及孔隙，且於一第二溫度範圍(低於該第一者)固化。

藉由使用，例如，壓力，會造成深度(且非僅於外表面)浸透孔洞及孔隙，造成較少收縮及較大結構完整性，提供較佳品質之表面處理。深度係意指能以大於10%，經20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，及90%至100%浸透而滲透孔洞，其係依物體厚度而定。

再者，不同於氰基丙烯酸酯，現今之“黃金標準”，其等係安全處理且不會遭遇過早損壞。更值得注意地，不同於氰基丙烯酸酯及固化樹脂，若良好表面處理於第一次未被達成，以熱塑性材料浸透可被徹底改變。

用於三維(3d)列印之含有吸收性填料之顆粒混合物係已知，且US2005/0059757提供積層製造技藝一般狀況之良好概況。其描述快速成型技術，包含一選擇性雷射燒結方法及一液體結合劑3d列印方法，二者皆使用成層技術建構3d物件。

選擇性雷射燒結方法可對照參考US4,863,568，且其它技術係對照參考US5,204,055、US5,902,441及US6,416,850。

US20050059757描述以一“浸漬劑”處理一“中間物件”，以界定一具有約20-70體積%之浸漬劑的實質上固體之“最終物件”。浸透被詳細說明，且描述之液體樹脂浸漬劑包含藉由熱、UV光及電子束、混合(二部份系統)、催化劑及水分(包含使用氰基丙烯酸酯)固化者。

亦提及使用液體浸漬劑，其可藉由冷卻(及乾燥)固化，且蠟係被指出的化合物之主要種類。

此等係藉由，例如，粉刷、噴灑、滴淋或浸泡塗敷至一中間物件，且中間物件置於一爐內或以其它方式固化。

此文件另外教示用於列印積層製造物體之粉末成份可包含活化流體，其包含相改變材料，包括熱塑性材料，其會熔融及固化使顆粒結合在一起。

其它被指示的技藝包含GB2,283,966，其係有關於藉由使紙漿塗敷於一網狀物而製造之紙漿模製物。層合物件製造(LOM)被用於製造一用於此網狀物之撐體，此撐體係藉由使片材結合在一起而形成。但是，層合物間之低結合強度會造成具有不適當結構剛性之物件。因此，樹脂可被用於浸透LOM產生之物件，其被設計成於相鄰層合物上之塑料”結合層)中含有孔洞或不連續處，使得以一樹脂浸透時可達成滲透。

DE 19927923揭露藉由浸入一溫浸漬材料(較佳係一低熔點的蠟)後處理多孔性經燒結的聚苯乙烯組件。

US 2003/0186042揭露一種選擇性之經雷射燒結(SLS)的產物，其中，孔隙被產生，此次係藉由鑽孔，此等孔隙係以一藉由倒入、注射、真空、擠壓、沉積，或其它方式引入之填料填充。廣範圍之填料被考慮到。

與此技藝中揭露者相反，本發明係利用： (i)低熔點結晶聚合物，更特別地，係具高度界定官能性(藉由開環加成聚合反應判定)及低黏度之己內酯，其能自物件表面良好地滲透及流動，能再生及品質表面處理；及(ii)另外於加壓下浸漬此材料，及於典型上但非必要之負壓及正壓間振盪，迫使熱塑性材料進入物件內。

再者，經浸漬之物件可於一固化腔室中回火及/或退小，以確保目標結晶性，藉此，賦予經浸漬的產物改良特性。

此方法及浸漬裝置之其它益處於其後會變明顯。

關於浸漬裝置，US 3,384,505揭露一種用於浸漬或浸透繞捲玻璃纖維包裝物。事實上，需要至少二個獨立操作之裝置，當一經預先乾燥之物件(從一爐)置入一壓力容器內，於其間抽真空以移除哺集於空隙中之空氣，於一液體樹脂被供應至經部份抽真空之浸沒容器內時促進樹脂擷取，於此容器中，經乾燥之物件(一繞捲纖維材料)於加壓下浸沒於一液體介質(含有一可熱固化之熱固性樹脂)內，然後，此物件被轉移至一用於固化之爐。

JP 01-254741揭露一種用於製造陶瓷紙之裝置，其包含一以樹脂填充之浸沒槽，及一乾燥爐。

與上述裝置相反，本發明之裝置能於一單一的多功能性裝置按序地控制所有操作。其能促進預處理(例如，驅走水或揮發物)，浸漬至浸透，藉由移動物件(依需要經由X、Y及Z軸)排放過量材料，使熱塑性材料位移；使用一吸引及/或吹除工具使過量材料自物件移除，然後促進固化，包含使熱塑性材料回火或退火等。事實上，於某些操作模式，可使用單一腔室實施浸入及於加壓下之固化。

與此項技藝之被設計成處理單一物件(諸如，繞捲玻璃纖維包裝物或片狀紙)的裝置相反，此一裝置提供處理獨特及不同物體的變通性。

本發明之有利熱塑性材料係聚己內酯類，其等當然係被廣為認知之聚酯類，例如，見US 2007/0111037及US 5,977,203及廣範圍之申請案，且係由諸如Perstop之公司生產。

本發明之第一目的係提供用浸漬三維列印自由型製造積層製造物體之改良方法。

一個別且另外之目的係識別出更安全且對於與該方法之使用具更大多用途的功能性聚合物，及提供以該等聚合物浸漬之更強及/或更佳之完成物體。

一另外且獨立之目的係提供用於自動浸漬三維列印自由型製造或積層製造物體之改良裝置。

揭露概要

依據本發明之第一方面，提供一種浸漬(infusion)、浸滲(infiltrating)或浸透(impregnating)三維列印自由型製造或積層製造物體之方法，該物體於製造此物體之材料顆粒或片材之內或之間包含孔洞或洞隙，該方法之特徵在於此物體係以一於控制之溫度及壓力條件下所引入的熱塑性材料來浸漬，且其中，藉由將此物體浸入熱塑性材料且藉由控制壓力振盪之頻率及振幅而使熱塑性材料滲透此物體，以確保充份浸漬於此物體內而至少部份填充此等孔洞或孔隙及使製造此物體之材料顆粒或片材結合。

較佳地，壓力係於負壓力或大氣壓與包含超壓力之正壓力間振盪。

較佳地，材料顆粒或片材係呈層狀物沉積。

於一實施例，材料片材包含紙、塑料，或織物。

於另一實施例，顆粒包含彩色吸收劑或彩色可塗覆材料，較佳係石膏或塑料。石膏通常係經改質之石膏，且較佳型式包含以溶劑為主之共聚物，典型上係此共聚物係聚乙酸乙烯酯(PVA)者。其等亦可包含著色劑。

用於本發明之方法的較佳熱塑性材料係具有40℃與65℃間之熔點及20℃與40℃間之固化/結晶點的線性或分支之半結晶性脂族聚酯熱塑性材料。

最佳係己內酯類或包含一或多種己內酯之摻合物。

於一有利方法，於以一熱塑性材料浸漬之前，此物體被加熱至一第一溫度(T1)且保持於一負壓力(P1)以自孔洞或孔隙驅走水或其它揮發物，藉此確保熱塑性材料可最佳地滲透此物體。然後，此物體被浸入此熱塑性材料，且於真空(P1)下或於大氣壓(P0)帶至一第二黏度降低溫度(T2)，典型上係從90℃至160℃。

較佳地，雖然並非必要，當達到第二黏度降低溫度(T2)，浸漬處理開始，且壓力於壓力間振盪，較佳係於一負壓力(P1)與一正壓力(P2)或一超壓力(P3)之間。

一旦經處理，第二黏度降低溫度(T2)被維持，且熱塑性材料於一正壓力(P2)或於加壓下自一貯存器(14)排出。然後，此物體於第二黏度降低溫度(T2)經由各種方向移動以使過量熱塑性材料位移。

然後，此物體可被送至檢查，溫度係從第二溫度(T2)降至第三可處理溫度(T3)，其係於第一溫度與第二黏度降低溫度(T1與T2)之間，且若需要，過量材料可使用一新穎之熱塑性材料移除裝置移除。

最後，此物體於正壓力(P2)下，藉由於一或多個另外的中間溫度(T4與T5)之間移動而回火以控制結晶度。

依據本發明之第二方面，提供一種裝置(10)，其係用於後處理三維列印自由型製造或積層製造物體(100)，此裝置包含：a)一浸漬腔室(12)，於其中，欲以一熱塑性材料(110)浸漬之物體被浸漬；b)一貯存器(14)，其於使用時係以熱塑性材料填充；c)一固化腔室(16)，其係用於加熱及固化此物體；及d)一控制器(18)，其係用於控制此裝置之操作功能；特徵在於貯存器包含一加熱裝置(20)及感應器(22，26，28)，使得熱塑性材料可於界定之溫度(T)參數內熔融，且控制器使此裝置內之浸漬及固化之依序步驟可行。

依據本發明之第三方面，提供一種裝置(10)，其係用於後處理三維列印自由型製造或積層製造物體(100)，此裝置包含：a)一浸漬腔室(12)，於其中，欲以一熱塑性材料(110)浸漬之物體被浸漬；b)一貯存器(14)，其於使用時係以熱塑性材料填充；c)一固化腔室(16)，其係用於加熱及固化此物體；及d)一控制器(18)，其係用於控制此裝置之操作功能；特徵在於至少一腔室被建構，使得反應可於負壓力(P1)及正壓力(P2/P3)下進行。

於第二及第三方面之裝置，具有一些共同特徵。

於一實施例，較佳係固化腔室具有與其結合之一真空泵，及至少一熱感應器、壓力感應器，及/或水平感應器之一或多者。

藉由“與其連接”，且由圖3(步驟7)明顯地，明顯地係當固化係於加壓下，浸漬腔室亦可作為固化腔室。

較佳地，此裝置進一步包含一用於支撐此物體之平台、容器或臂，及一用於加壓浸漬腔室及輔助其它操作功能之壓縮機。

更佳地，此裝置亦包含加熱裝置，其係與浸漬腔室及固化腔室之一或多者連接。

於一較佳實施例，一蓋子使反應腔室密封且對平台提供支撐，且此裝置進一步包含一觀察窗及一或多個風扇。

用於與本發明之方法使用的較佳熱塑性材料係具有40℃與65℃間之熔點及20℃與40℃間之固化/結晶點的線性或分支之半結晶性脂族聚酯熱塑性材料。

較佳之功能性聚合物係聚己內酯。最佳地，其係多元醇，更佳係二醇、三醇，或四醇。

聚己內酯可具有2000至100,000間之分子量。

依據本發明之第四方面，提供一種三維列印自由型製造或積層製造物體(100)，其係與具有40℃與65℃間之熔點及20℃與40℃間之固化/結晶點的一線性或分支之半結晶性脂族聚酯熱塑性材料浸漬，使得製造此物體之材料顆粒或片材內或之間的孔洞或孔隙係被滲透至少10%。

10‧‧‧浸漬裝置

12‧‧‧浸漬腔室

14‧‧‧貯存器

16‧‧‧固化腔室

18‧‧‧控制面板

20‧‧‧加熱裝置

22‧‧‧熱感應器

24‧‧‧真空泵

26‧‧‧水平感應器

28‧‧‧壓力感應器

30‧‧‧平台

32‧‧‧壓縮機

34‧‧‧蓋子

36‧‧‧觀察窗/門

38‧‧‧風扇

40‧‧‧外殼

42‧‧‧顯示器

44‧‧‧球閥

46‧‧‧材料移除裝置

48‧‧‧過濾器

50‧‧‧撞擊器

100‧‧‧物體

110‧‧‧熱塑性材料

L0,L1‧‧‧水平位置

T0‧‧‧室溫

T1‧‧‧第一溫度

T2‧‧‧第二黏度降低溫度

T3‧‧‧第三可處理溫度

T4,T5‧‧‧中間溫度

T6‧‧‧回火溫度

P0‧‧‧大氣壓

P1‧‧‧負壓力

P2‧‧‧正壓力

P3‧‧‧超壓力

圖式簡要說明

本發明之各方面係僅作為例示地參考下列圖式及範例作進一步說明，其中：圖1係一依據本發明之一方面的浸漬裝置的“簡單”透視圖；圖2係本發明之一浸漬裝置之平面圖(由前)；圖3係顯示與表示於不同加工階段之浸漬裝置一起的例示處理階段(1-8)之示意圖；及圖4a及4b係a)依據本發明一方面無加壓及b)依據本發明一較佳方面具有加壓而加工之物體的照片呈現。

詳細說明

參考圖1，本發明之浸漬裝置(10)可簡單地見到包含三個功能性腔室(12，14，16)，其等於例示之實施例係彼此堆疊於一外殼(40)內。

於此堆疊物之底部係一貯存器(14)，其於使用時係以一熱塑性材料(110)填充，見圖3，熱塑性材料提供使用本發明方法達成之許多益處。置放於其上係一浸漬腔室(12)，於其中，欲以熱塑性材料(110)浸漬之一物體(100)(圖3)於使用時被浸漬。緊接於浸漬腔室上係固化腔室(16)，其係用於使物體加熱及固化，且設有一觀察窗/門(36)。浸漬腔室及固化腔室可被認為係反應腔室。

於觀察/固化腔室(16)上，其設有“控制器”，未示出，此等係經由一控制面板(18)及一顯示器(42)操作。於此腔室之窗或門能於固化相之前或期間干預此物體(除非施加壓力)。

參考圖2，提供有關於提供功能性之主要元件及另外特徵間之相互關係的進一步細節。

位於此裝置底部於貯存器(14)兩側係一真空泵(24)及壓縮機(32)，其等之功能參考其後描述之加工會更好地瞭解。但是，簡要地，壓縮機能使氣壓式控制一門(36)、蓋子(34)、球閥(44)、貯存器(14)、浸漬腔室(12)，及材料移除裝置(46)可行。

與貯存器(14)結合係一用於使熱塑性材料加熱成液體之加熱裝置(20)，及熱感應器(22)、水平感應器(26)，及壓力感應器(28)，此等能抗制至及來自浸漬腔室(12)之熱塑性材料的溫度及壓力與流動。

浸漬腔室亦藉由加熱裝置(20)加熱，且具有監測液體水平(26)及壓力(28)之感應器。其亦設有一過濾器(48)以避免顆粒進入腔室。

一材料移除裝置(46)亦被設置。

上固化腔室(16)具有一透明(觀察)門(36)，其可被打開以便使一物體(100)置於一平台(30)上，此平台(30)係與一蓋子(34)連接，此蓋子(34)可被升高及降低進入浸漬腔室內，且於X、Y及Z面移除以使處理最佳化。其亦具有一加熱裝置(20)及加外具有至少一個與其結合之風扇(38)，以維持一均勻溫度。若壓力被用於固化，浸漬腔室亦可部份作為固化腔室。

本發明之方法亦可於具有或不具有包含超壓力之正壓力而應用，此等可藉由一撞擊器(50)液壓式達成。

本發明之一方法(使用正壓力)係參考圖3作說明。

階段1 一欲被處理之物體(100)係置於平台(30)上(若需要係牢固地夾住)於水平L1，或於一容器內，其係與蓋子(34)機械徑附接。此物體從室溫T0加熱至“第一目標溫度”(T1)(例如，60℃)持續一足夠時間，以使於大氣壓(P0)於整個此物體欲被達成之溫度完全均勻。熟習此項技藝者會瞭解目標溫度(T1)會隨欲被浸漬之物體及欲被使用之熱塑性材料而改變。

階段2 當第一目標溫度(T1)達成時，物體於平台上降低至浸漬腔室(12)內之位置L0，以於負壓力P1(例如， -1巴)乾燥。壓力感應器(28，圖2)檢測水或溶劑之缺乏。

階段3 於負壓力或大氣壓(P1或P0)下，浸漬腔室(12)以浸漬材料(110)從空(I0)填充，使得物體被完全浸入(I1)。填充水平係經由使用貯存器內之水平感應器(26，圖2)控制。一旦於所欲之填充水平(I1)(物體被浸入)，熱塑性浸漬材料(110)加熱至第二目標溫度(T2)，其係選擇使得熱塑性材料之黏度係足夠低使熱塑性材料會自物體排出。典型上，此對於有利之己內酯會於，例如，90℃與150℃之間，但以較高分子量之聚合物(大於10,000)，可使用增加之溫度及壓力(P2)。

階段4 一旦於浸漬腔室內之第二目標溫度(T2)達成，壓力係於二不同壓力間振盪，其可為負壓力(P1)(或大氣壓P0)與正壓力(P2)，包含超壓力(P3)，其可經由組件(50)以液壓式達成，例如，-1巴至1000巴。振盪之頻率及振幅可被改變以適於欲被處理之物體的幾何形狀及材料性質。腔室內之水平感應器(26，圖2)檢測及控制過量發泡，且確保足夠的浸漬材料(110)存在。

階段5 一旦被浸漬，浸漬材料(110)排至貯存器。此可經由正壓力或於正常大氣壓(P0)時之重力，或來自貯存器之負壓力下。

階段6 平台上升至位置(L1)至觀察/固化腔室內，且可經由任何方向(X，Y，Z面)造成旋轉，以確保所有浸漬材料(110)回收。可增加平台速度以助於材料移除。

階段7 一旦所有可利用之浸漬材料被回收，物體被冷卻至此物體可被處理之一或多個中間溫度(T3)，例如，40℃與90℃之間，以供檢測。於檢測期間，未凝固之材料可藉由一經由開窗(36，圖2)進入之新的手持式鼓風及真空裝直(46)輔助而移除。經由此裝置吹入之空氣的溫度維持於T3或高於T3之溫度。此於物體具有會留住不想要的熱塑性材料之幾何形狀及孔穴時特別有用。一旦檢測完全，物體被降低至浸漬腔室(12)內，且於正壓力(P2)下於一或多個回火溫度(T4；T5；T6)冷卻，此等溫度係低於中間溫度T3，於其間，此材料被回火以達最大結晶結構。回火可包含使溫度上升及降低至高於及低於T4，T5或T6。有關於此，浸漬腔室亦係部份地作為一固化腔室。

階段8 一旦回火，平台上升至L1，且物體可被移除。

使用壓力能使更廣範圍之熱塑性材料被使用，因為其等可於壓力下較不黏稠，因此，能如下之範例1所例示般，使更大滲透被達成。

範例1

使用壓力之益處係於下之範例中例示，其中，一物體被處理。

a)以己內酯(分子量25,000)，於120℃，(圖4a)；及b)以相同己內酯，於120℃，於-1巴與4巴間之振盪壓力(圖4b)。

由比較圖式，圖4a及4b可看出，提供壓力確保材料完全浸漬，其係由圖4中較暗之均勻中心證實。

與本發明方法使用之較佳熱塑性材料係具有40℃與65℃間之熔點及20℃與40℃間之固化/結晶點的線性或分支之半結晶性脂族聚酯熱塑性材料。

用於本發明之較佳聚酯係聚己內酯類。

聚己內酯之一般化學式係顯示於下之化學式1：

聚己內酯類一般於10,000及更高之分子量係定義為“熱塑性材料”，其等係具有9,300Mpa之黏度及58-60℃之熔點範圍。

但是，具有高於室溫(更佳係高於30℃，諸如，典型上係40-50℃)之熔點範圍且具有較低黏度(低達400-500Mpa)的較低分子量之多元醇(包含二醇類、三醇類及四醇類，及此等之一些共聚物)係特別適於本申請案。