[发明专利]具有改进的颜色、制品性能和易用性的三维印刷材料体系

说明书

相关申请

本申请要求2007年1月10日提交的美国临时申请序列号60/879,703的利益和优先权，该文献的公开内容在此整体引入作为参考。 

背景

快速原型设计技术包括从计算机产生的设计数据直接生产原型制品和少量功能部件以及用于金属浇铸的结构陶瓷和陶瓷壳模。 

用于快速原型技术的两种公知方法包括选择性激光烧结法和液体粘结剂三维印刷法。这些技术在一定程度上类似，都用分层技术构建三维制品。两方法形成所期望的制品的连续且薄的截面。通过将位于颗粒材料床的大体平的表面上的粒状(即颗粒状)材料的相邻颗粒粘结在一起形成单独截面。在每一层的颗粒粘结在一起的同时，每一层都粘结到之前形成的层上，而形成期望的三维制品。激光烧结和液体粘结剂技术都是有利的，因为它们直接从计算机产生的设计数据生产部件，而且能生产具有复杂几何构型的部件。此外，通过常规的″硬″或″软″制模技术机械制造原型部件，或者生产浇铸或模制部件时，根据物品的复杂程度，将需要数周到数月的时间，与之相比，三维印刷可能更快，而且更便宜。 

早期的三维印刷技术(在美国专利号5,204,055中进行了描述，该文献在此全文引入作为参考)描述了用喷墨型印刷头将液体或胶体粘结剂材料输送到依次施加的粉末材料层上。该三维喷墨印刷技术或液体粘结剂方法包括用逆向辊把粉末材料层施加到表面上。在将粉末材料施加到表面上之后，喷墨印刷头将按预定图案将液体粘结剂输送到该粉末层上。粘结剂渗入粉末材料的间隙中并硬化而将该粉末 材料粘结成凝固层。硬化的粘结剂还把每一层粘结到之前的层上。在形成第一截面部分之后，重复前述步骤，从而构建连续的截面部分，直到形成最终制品。任选地，可以将粘合剂悬浮在载体中，该载体将蒸发而留下硬化的粘合剂。粉末物料可以是陶瓷、金属、塑料或复合材料，并且还可以包括纤维。液体粘结剂材料可以是有机或无机的。使用的典型的有机粘结剂材料是聚合树脂或者陶瓷前体，如聚碳硅氮烷。当粘结剂结合到最终制品中时，使用无机粘结剂；氧化硅通常用于此种应用。 

现有的3D印刷材料提供制备原型和概念模型的快速、低成本方法。三维印刷能够在一个生产操作中形成全色三维部件。然而，许多现有的材料具有缺点，例如低的使用强度，使用者需要渗透生部件(即，机器制造时的部件)以提高强度，和产生的颜色的质量。 

在三维印刷期间的颜色精确度影响产品的应用。当颜色质量接近计算机屏幕的颜色质量时，设计者、设计师等可以产生计算机文件，将标记和阴影直接地置于模型上，并跳过印刷和施加标记，为模型涂漆等的步骤。与纸印刷类似，颜色精确度的一个方面是要求具有明亮、白色、中性的基材。在三维印刷(在此还称作″3D印刷″)中，模型比纸印刷高得多的孔隙度，并且在施加油墨之前，不预先以层状方式制备基材，然后干燥。必须选择合适的起始材料，即粉末、油墨和渗透剂，以致它们在它们的反应状态下结合形成白色部件或制品以产生高质量着色部件。仅包括高剂量任何白色颜料以获得更明亮的白色是不足够的。加载具有白色颜料的粉末配方确实提高印制部件的白度，但是确牺牲了色域中更暗、更饱和的颜色。 

现有的三维印刷制品(特别是由石膏基体系例如Z公司的zp130制成的那些)的另一个特征是制品的最终、渗透的强度的性能可能随环境条件和渗透剂的粘度而变化。一种常用的渗透剂是Z公司的zbond101，氰基丙烯酸酯基粘合剂。相似的产品由许多公司制造，例如Loctite。在印刷部件没有完全干燥的潮湿条件中，或当渗透剂已经老化(因此粘度提高)时，渗透剂的穿透性可能降低。降低的穿透性 导致效力较弱的原型。性能的易变性也可能是失败的源头，因为使用者也许能在这一年的一次艺术过程中将他的原型用于他的应用，但是在另一次过程中确不能。 

发明内容

本发明的实施方案可以包括以下特征中的一个或多个。首先，对粉末体系的改进允许使得通过包括经选的增白剂产生更白的三维制品。其次，用于激活三维印刷粉末的流体包括校正粉末体系的白点而不会损害更深颜色的光学增白剂。再次，添加抑制渗透剂在浸渍过程期间的固化的成分便于产生更强、更持久的原型。最后，粒度的更小心选择便于高的生部件强度、最终渗透的制品强度和未反应粉末在三维印刷过程期间改进的机械行为。这些特征能产生强的、具有良好颜色、具有明显特征界限和能够实现一致的用户经验的三维印刷部件。