[发明专利]三维打印材料系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2013年3月15日提交的美国临时专利申请61/787,591的优先权，所述申请全文通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明主要涉及快速原型制造技术，更具体地讲，涉及使用降低速率固化的三维(3D)打印材料和方法。

发明背景

快速原型制造领域包括制备原型制品和少量功能部件及用于直接从计算机产生的设计数据铸造金属的结构陶瓷和陶瓷壳模。

用于快速原型制造的两种熟知方法包括选择性激光烧结方法和液体粘合剂3D打印方法。在它们二者用分层技术构建三维制品的程度上，这些技术是类似的。两种方法都形成所需制品的连续薄横截面。通过在粒状材料床的大致平的表面上将粒状(即，颗粒状)材料的相邻晶粒结合在一起，形成单独横截面。在各层晶粒一起粘合形成所需的三维制品时，同时使各层粘合到先前形成的层。激光烧结和液体粘合剂技术是有利的，因为它们直接从计算机产生的设计数据制作部件，并且可制造具有复杂几何结构的部件。另外，3D打印可能比原型部件机械加工或通过常规“硬”或“软”加工技术(根据物件的复杂性，可能需要数星期至数月)制造铸造或模制部件更快和廉价。

美国专利5,204,055(全文通过引用结合到本文中)描述的早期3D打印技术描述用喷墨式打印头将液体或胶体粘合剂材料输送到依序施加的粉末材料层。三维喷墨打印技术或液体粘合剂方法包括用反向辊将粉末材料层施加到表面。在粉末材料施加到表面后，喷墨打印头将液体粘合剂以预定图案递送到粉末层。粘合剂渗入粉末材料中的间隙并硬化，以使粉末材料粘合成固化层。硬化粘合剂也使各层粘合到先前层。在第一横截面部分形成后，重复先前步骤，构建连续横截面部分，直至形成最终制品。可任选使粘合剂悬浮于载体中，所述载体蒸发，留下硬化的粘合剂。粉末材料可以为陶瓷、塑料或复合材料。液体粘合剂材料可以为有机或无机的。所用的典型有机粘合剂材料为聚合树脂或陶瓷前体，例如聚碳硅氮烷。在粘合剂加入最终制品时，可使用无机粘合剂。例如，可在此应用中使用二氧化硅。

对于颗粒材料，也可进行丙烯酸酯粘合剂的紫外固化。丙烯酸酯粘合剂提供数个优点。首先，它们可通过紫外(UV)光固化，从而使比用其它典型固化方法可实现的更快成形过程成为可能。其次，它们允许形成有具有塑料外观的表面的制品，从而能够更逼真的模制各种物体。最后，由于丙烯酸粘合剂基本为固体，在粘合剂打印后，不发生蒸发，从而允许形成稳定的韧性结构。

然而，(甲基)丙烯酸酯聚合的UV引发的快速固化机制可导致自由流动颗粒材料过度变形，导致打印部件卷曲，可使得打印具有大于1毫米厚度的部件特别困难。为了减小由于快速固化的卷曲，可在玻璃构建板上形成粘合到它的第一打印层。

发明概述

在本发明的一个实施方案中，可通过对颗粒构建材料3D打印制造强固的部件，而不需要渗透。典型的现有打印方法包括后处理渗透步骤，以提高打印制品的强度。用本文所述粘合剂打印的制品具有可与渗透制品相比的强度，例如，约20MPa，从而排除对渗透步骤的需要。

(甲基)丙烯酸酯聚合的UV引发的快速固化机制可导致由于收缩立即发生卷曲和变形。不旨在受理论限制，收缩可能是由于单独(甲基)丙烯酸酯单体的碳-碳双键转化成碳-碳单键到另一个(甲基)丙烯酸酯单体的自由体积瞬时减小。这可阻碍从自由流动颗粒构建材料制造厚于1mm的制品，因为制品倾向于在此过程中被破坏。同样，不旨在受理论限制，相信本发明的引发的较慢固化机制减慢碳-碳双键转化成单键的速率，并因此减小立即卷曲和变形。另外，含丙烯酸酯的粘合剂在与颗粒材料接触时固化，因此，提供稳定双组分产物的优点。

可在本发明的实施方案中利用有氧固化和无氧固化二者。与其中可用胺只在紫外固化中作为氧清除剂的现有方法相比，可用本文所述的烯丙基醚在紫外固化和过氧化物引发二者中作为氧清除剂。

在一个实施方案中，本发明的特征是一种用于3D打印的粉末材料系统，所述系统包括包含不可溶填料、可溶填料和过渡金属催化剂的基本干的颗粒材料。干颗粒材料适用于3D打印，以形成具有多个层的制品，这些层包括颗粒材料和在3D打印期间接触颗粒材料的非水流体的反应产物。