[发明专利]一种用于三维复合产品的增材制造的复合材料

说明书

本发明涉及具有适用于挤出增材制造的流变特性的复合材料纤丝，一种采用增材制造系统由这种复合材料纤丝制备三维复合产品的方法以及一种通过使用该复合材料的增材制造系统得到的三维复合产品。所述纤丝由包含半结晶聚乳酸和木质纤维素纤维的化学浆料的材料形成，其中对木质纤维素纤维的化学浆料的量进行选择，以在熔融状态获得充分的复数粘度，这样在进行挤出增材制造时，在等于或高于133℃的条件下，由纤丝形成的复合熔体的剪切存储模量与剪切损失模量之比G’/G'’等于或高于1.0。

技术领域

本发明涉及适合在挤出增材制造中使用的复合材料，涉及一种采用增材制造系统由这种复合材料的纤丝制备三维复合产品的方法，以及一种通过使用该复合材料的增材制造系统得到的三维复合产品。

背景技术

增材制造(additive manufacturing)作为一种技术是指在基于模型形成固体物体，正如在标准ISO 17296-1和ASTM 2792-12中被定义的那样。增材制造也被称为增量制造、三维打印或者3D打印。

热塑性材料，一般是聚合物或者包含基质聚合物的复合材料，当被加热至高于材料的玻璃态转变温度或者熔化温度的温度时，会经历一个从刚性的状态到一个更软的熔化状态的转变。挤出增材制造是指一种包含以预定的方式使通过喷嘴流动的热塑性材料沉积在平台上以得到依照模型的产品的方法。之后，这样的三维产品也被称为“3D打印的产品”。挤出增材制造与传统的挤出和模具成型方法不同，其中单发材料被连续地处理成特定的形状。通常，可使用模具或者反压在材料固化前来支撑熔化的或者半固体的材料。挤出增材制造不需要模具就能运行。因此，在增材制造中使用的热塑性材料可能需要与在传统挤出或者成型方法中使用的那些热塑性材料不同的特性。

材料可能以不同形式供应至增材制造系统，比如以纤丝、粉末或者颗粒形式。通常，增材制造系统已经被设置成接收特定形式的固体材料，比如以纤丝的形式。许多挤出方法，比如熔融沉积成型和熔融纤丝制造，使用纤丝形式的材料。供应的材料的形状和热机械特性对用于增材制造的材料适应性有影响。从支持器(也被称为卷轴)中拉出的纤丝材料是为按照挤出原则工作的增材制造系统提供材料的方便的方法。

用于挤出增材制造的纤丝可能由包含热塑性聚合物作为基质材料的复合材料形成。聚乳酸(之后简称为PLA)可能在挤出增材制造中用作基质材料。PLA可以具有适合于挤出增材制造的流变特性。PLA一般对于加热平台有好的粘附性，比如在挤出增材制造系统中用于接收熔体的玻璃床。

PLA在挤出增材制造中的一个挑战是该聚合物的HDT和T_g很低，一般在60℃左右或者更低。PLA在玻璃态转变温度以下的温度有高刚度。因此，由PLA制造的纤丝通常是相对脆的并且具有类似玻璃的坚硬表面。尤其是在拉紧状态下保持较长的时间时，这种纤丝会容易断裂并导致从纤丝到增材制造系统的进料中断。尤其是当纤丝的进料速度增加时，更多的力作用到该纤丝上，从而增加进料中断的风险。

通常PLA的加工温度很高。PLA的加工温度可能在180至195℃甚至更高的范围内。加工温度和T_g间的巨大差异导致了由PLA形成的熔体冷却缓慢。当半结晶级PLA比无定形级PLA的结晶速度更快时，存在的问题是熔化状态的PLA材料在它凝固之前可能不足以维持该挤压的形状。PLA具有相对低的熔体粘度，可能导致混乱的打印结果，导致处于熔化状态的打印材料不保持挤出形状而继续流动并可能崩溃的情况。当喷嘴的尺寸增加并且更大量的材料在同时被提供时问题特别严重。

增材制造的另一方面是3D打印的产品的特性可能和传统生产的挤出产品不同。3D打印的产品一般包含很多层和相邻排的打印材料。取决于打印速度和打印路径，形成的3D打印产品的机械特性可能会不同。当两个相邻的排或者层已经被打印使得接下来的一排或者一层在凝固材料层的顶部或者在凝固材料层旁作为熔体沉积时，在互相粘附的两层之间形成界面。在这样的情况下，处于熔化状态的材料可能不会从喷嘴及时停止流动。具有低熔体粘度的材料可能难以操作。特别是在打印操作需要不连续形状的生产时更是如此，在不连续形状的生产中增材制造系统应该在沉积的材料部分或者层之间留下空的空间或者间隙。