[发明专利]用于积层制造的无定形聚芳醚酮及其共混物

说明书

用于3D打印机的材料包括具有无定形形态的聚芳醚酮(PAEK)。在一些实施方案中，所述材料还包括一种或多种具有无定形形态的其他化合物。在一些其他实施方案中，除了无定形PAEK以外，所述材料还包括具有半结晶形态的化合物。

技术领域

本发明总体上涉及用于积层制造(更通常称为“3D打印”)的组合物。

背景技术

积层制造工艺被广泛称为物体的三维(“3D”)打印。存在各种3D打印工艺，如VAT聚合、材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出、粉末床融合、薄片层压和定向能量沉积。

基于挤出的3D打印涉及热塑性材料的沉积。该工艺使用通常呈长丝形式的材料如热塑性塑料和金属材料根据物体的数学模型来制造三维物体。在热塑性材料的情况下，通过将热塑性长丝送入加热的挤出头中来构建所述物体。将热塑性塑料加热超过其玻璃化转变温度，并随后通过挤出头沉积为处于连续运动状态下的一系列珠粒。沉积后，珠粒快速凝固并与珠粒邻侧和下方的珠粒融合。挤出头的喷嘴遵循由计算机辅助制造(CAM)软件包控制的加工路径，并且从下往上每次一层地构建物体。

使用材料诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、甲基丙烯酸甲酯丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABSi)和聚碳酸酯(PC)及其他材料，原型制造是目前最常见的基于挤出打印的应用。

为了打印适合生产的部件，使用高端工程半结晶和无定形聚合物以及具有较高机械、化学、热学和电学性质的金属和陶瓷。半结晶聚合物的实例包括半结晶聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)及其他。无定形工程聚合物的实例包括聚苯砜

(PPSU)和聚醚酰亚胺(PEI)及其他。

无定形聚合物相对容易通过材料挤出进行加工。不幸的是，这些聚合物常常是耐化学性相对差、耐热性差且机械性质较差，使得由所述聚合物使用材料挤出形成的部件往往不适于生产(与原型制造相反)应用。

上述半结晶热塑性PEEK与其他聚合物相比具有极高的拉伸强度和抗弯强度，并且可以在高温下承受负载。其耐化学性和对蒸汽和热水的耐受性使其能够用于医疗和石油天然气行业的高强度应用。

虽然由PEEK形成的部件已经使用材料挤出进行打印，但由于其半结晶形态，该聚合物给3D打印工艺带来了挑战。特别是需要更先进的构建平台和罩体来管控打印过程中的高环境温度。此外，该半结晶聚合物与低温无定形材料相比具有更长的冷却时间，其增加了最小积层时间并且需要使用冷却来加速凝固。通过材料挤出打印的PEEK部件与由无定形材料打印的部件相比还经历更显著的收缩和翘曲。这导致以这种方式打印的PEEK部件的尺寸精度下降且公差较大。除非使用高构建室温度(约280至310°摄氏度)，否则增加的翘曲也会导致部件与构建表面分离。另外，PEEK与无定形材料相比具有更高的熔体流动，在挤出和打印过程中需要更高的压力。

为了克服与使用PEEK通过材料挤出进行打印相关的问题，本发明人将PEEK与其它无定形热塑性塑料共混，其如在美国专利申请号14/297,185中所公开的。这些组合物已经针对材料挤出打印工艺进行了优化，从而允许形成大型复杂的生产部件。尽管比纯半结晶PEEK更容易加工，但这些PEEK共混物未表现出纯PEEK的优异机械耐性、热学耐性和化学耐性性质。

因此，仍然需要用于3D打印的材料，通过材料挤出以及其他3D打印技术，其相对容易加工并且将带来具有高耐化学性、高耐热性和高强度的打印部件，使得这些部件可以在相对苛刻的应用如航空航天、医疗保健和石油天然气行业中用作生产/工作部件。

发明内容

本发明提供了用于3D打印的材料，其避免了现有技术的一些缺点。