用于三维印刷的聚合物材料制造技术

本发明专利技术提供一种在三维印刷机系统中能够用作成型材料和/或支承材料的聚合物材料。所述聚合物材料由包含连续相的热塑性组合物形成，所述连续相包括基体聚合物。微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂以离散区域的形式分散在所述连续相中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】用于三维印刷的聚合物材料 相关申请 本申请要求2013年8月9日提交的第61/863, 944号的美国临时申请的优先权， 将其整体在此引入本文作为参考。 发曰月背景 使用基于挤出的分层沉积系统来通过挤出可流动的成型材料以逐层的方式从计 算机辅助设计（"CAD"）模型建造三维物体。在这样的系统中，成型材料通常被挤出通过挤 出端并且以一系列的层被沉积到在x-y平面中的基材上。一旦温度下降，挤出的成型材料 融合到先前沉积的成型材料并固化。然后沿着z-轴（与x-y平面垂直）增加挤出头相对 于基材的位置，并重复该过程以形成类似CAD模型的三维物体。在建造中的物体的悬空部 分的下面或腔中通常建造支承结构，该物体不通过成型材料本身支承。支承结构可以使用 与沉积成型材料相同的沉积技术建造。主计算机生成额外的几何体充当用于正在形成的三 维物体的悬空或自由空间片段的支承结构。然后在建造过程中，依照已生成的几何体，从与 成型材料相同的喷嘴或第二喷嘴沉积支承材料。在制造过程中，支承材料粘附到成型材料， 并且当建造过程完成时，支承材料可从完成的三维物体上移除。此外，支承结构还可以在打 印3-D物体之前创建，从而为所述物体提供更稳定的基底。 不管使用的具体的系统，用作成型和支承材料的两种最常用的聚合物是丙烯腈丁 二烯苯乙烯（"ABS"）和聚乳酸（"PLA"）。ABS是相对挠性和可加工的聚合物，但它是不 可再生的并且当将其放置与印刷表面接触时，它也倾向于卷曲或弯曲。另一方面，虽然PLA 是可再生的并且不易卷曲，但它相对较脆并缺少挠性。这样的性能会显著地限制PLA在复 杂的形状中的使用，所述复杂的形状中要求材料刚度和冲击强度之间的良好平衡。这样，目 前对能够用作三维印刷系统中的成型材料和/或支承材料的改进的聚合物材料存在需求。 专利技术概沐 根据本专利技术的一个实施方案，公开了用于三维印刷机系统的印刷机硒鼓。所述印 刷机硒鼓包括携带聚合物材料的卷轴。所述聚合物材料由包含连续相的热塑性组合物形 成，所述连续相包括基体聚合物，并且微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂以离散区域 的形式分散在所述连续相中。 根据本专利技术的另一个实施方案，公开了用于形成三维物体的方法。所述方法包括 印刷三维结构作为成型材料的一系列连续层和任选地由支承材料印刷支承结构。所述成型 材料、支承材料或两者包含由包括连续相的热塑性组合物形成的聚合物材料，所述连续相 包括基体聚合物。微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂以离散区域的形式分散在连续相 中。 下面将更详细地讨论本专利技术的其它特征和方面。 附图简沐 参照附图，在说明书的其余部分中，更具体地阐述针对本领域普通技术人员而言 包括其最佳实施方式的本专利技术的完整且能够实现的公开内容，其中： 图1是可以用于本专利技术的基于挤出的三维印刷机系统的一个实施方案的前视图； 图2是可以使用本专利技术的聚合物材料形成的三维前体物体的一个实施方案的透 视图； 图3A-3C是图2沿着线3A-3A的横截面图，描绘了建造三维物体的过程； 图4是可以用于本专利技术的印刷机硒鼓的一个实施方案的分解透视图； 图5-6是实施例1的未拉伸的材料的SEM显微照片，其中在图5中材料在垂直于 机器方向被切割并且在图6中材料在平行于机器方向被切割； 图7-8是实施例1的拉伸的材料的SEM显微照片（材料在平行于机器方向的取向 被切割）； 图9-10是实施例2的未拉伸的材料的SEM显微照片，其中在图9中材料在垂直于 机器方向被切割并且在图10中材料在平行于机器方向被切割；和 图11-12是实施例2的拉伸的材料的SEM显微照片，（材料在平行于机器方向的 取向被切割）。 在本说明书和附图中的附图标记的重复使用旨在代表本专利技术的相同或类似的特 征或元件。 代表件卖施方案的详沐 现在将详细参照本专利技术的各种实施方案，其一个或多个实施例在下文阐述。每个 实施例以解释本专利技术而不是限制本专利技术的方式提供。事实上，对于本领域技术人员显而易 见的是，在不背离本专利技术的范围或精神的情况下，可以在本专利技术中做出各种修改和变化。例 如，作为一个实施方案的部分举例说明或描述的特征，可以用于另一个实施方案以产生又 一个实施方案。因此，本专利技术意在覆盖落入所附权利要求及其等同方案的范围内的这样的 修改和变化。 -般而言，本专利技术涉及能够在三维印刷机系统中用作成型材料和/或支承材料的 聚合物材料。所述材料是挠性的，并且也能够保持它的形状，这能够允许材料更容易地被印 刷为复杂的形状。对于单一的、整体的聚合物材料，通过对材料形成方式的选择性控制，可 以实现挠性和形状保持性的独特组合。更具体地，聚合物材料由包含连续相、微米包含物添 加剂和纳米包含物添加剂的热塑性组合物形成，所述连续相包括基体聚合物。可选择所述 添加剂以使得它们具有不同于基体聚合物的弹性模量。以这种方式，所述微米包含物添加 剂和纳米包含物添加剂可以分别作为离散的微米级和纳米级相区域分散在所述连续相中。 当在三维印刷之前、过程中和/或之后经受形变应变时，由于材料的不相容性引起的应力 集中，在微米级离散相区域附近可以形成加强的局部剪切区域和/或应力强度区域（例如， 法向应力）。这些剪切和/或应力强度区域可能导致在邻近微米级区域的聚合物基体中的 一些初始剥离。然而，值得注意地，局部剪切和/或应力强度区域还可以在与微米级区域重 叠的纳米级离散相区域附近产生。这样的重叠的剪切和/或应力强度区域导致在聚合物基 体中发生甚至进一步的剥离，从而产生邻近纳米级区域和/或微米级区域的大量的孔。 由此可以在聚合物材料中形成多孔网络。在该网络中的大部分孔可以是"纳米级" 大小（"纳米孔"），比如具有约800纳米或更小的平均横截面尺寸的那些，在一些实施方案 中为约5至约250纳米，并且在一些实施方案中，约10至约100纳米。术语"横截面尺寸" 通常是指孔的特征尺寸（例如宽度或直径），所述特征尺寸与孔的主轴（例如长度）基本 正交，并且通常还与应变过程中所施加的应力的方向基本正交。这样的纳米孔例如可以占 聚合物材料中总孔体积的约15vol. %或更多，在一些实施方案中为约20vol. %或更多，在 一些实施方案中为约30vol. %至约100vol. %，以及在一些实施方案中为约40vol. %至约 90vol. %。由于它们的位置邻近离散区域（如微米级和/或纳米级），在多孔网络中的纳米 孔的边界之间可以形成桥，作为内部结构的"铰链"以帮助稳定网络。这尤其增强了材料的 挠性并允许它保持足够的强度，从而在印刷后，它可以保持所需的形状。 在拉伸过程中也可在微米级区域处和附近形成微米孔，所述微米孔具有约0. 5至 约30微米，在一些实施方案中约1至约20微米，以及在一些实施方案中约2微米至约15 微米的平均横截面尺寸。所述微米孔和/或纳米孔可具有任何规则或不规则的形状，如球 形、伸长的等。在某些情况下，所述微米孔和/或纳米孔的轴向尺寸可以大于所述横截面尺 寸，以使得长宽比（轴向尺寸与横截面尺寸之比）为约1至约30,在一些实施方案中为约 1. 1至约15,以及在一些实施方案中为约1.2至约5。所述"轴向尺寸"是主轴（例如长度） 方向上的尺寸。本专利技术人也已经发现，所述孔（例如微米孔、纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于三维印刷机系统的印刷机硒鼓，其中，所述印刷机硒鼓包含携带聚合物材料的卷轴，其中所述聚合物材料由包含连续相的热塑性组合物形成，所述连续相包括基体聚合物，并且进一步地其中，微米包含物添加剂和纳米包含物添加剂以离散区域的形式分散在所述连续相中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·A·托波尔卡雷夫，R·J·麦克尼尼，N·T·肖勒，
申请(专利权)人：金伯利克拉克环球有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US