[发明专利]用于增材制造应用的构建材料

说明书

公开了一种用于增材制造应用的构建材料。该构建材料包含呈粉末形式的构建组合物。该构建组合物包含半结晶聚合物，通过DSC测量，该半结晶聚合物的玻璃化转变温度为至少60℃，通过SALS测量，该半结晶聚合物的最小半结晶时间大于100分钟。还描述了一种用于增材制造应用的半结晶聚合物、一种用于生产三维物体的增材制造方法以及一种增材制造的聚合物制品。

技术领域

本发明大体涉及用于增材制造应用的构建材料和半结晶聚合物。

背景技术

3-D打印，在本领域中也称为增材制造，是指用于生产三维物体的一类方法，其中，以逐层的方式，将多层材料(称为“构建材料”)施加到床身(bed)或基底。这种方法在原型、模型和模具的制造中尤其有用；然而，最近这些方法已经越来越多地用于生产零件、消费品、医疗装置等。

在本领域中，一种公认且广泛实践的增材制造方法称为激光烧结。通常，激光烧结涉及：将一层粉末状或粉状的聚合物材料施加至目标表面或构建表面；加热材料的一部分；用激光能量辐射选定的或期望的零件位置/形状，以烧结那些部分，并生产零件“片(slice)”；重复这些步骤多次(该重复通常称为“构建”)，以按顺序形成的多个熔融层的形式，创建有用的零件。激光烧结描述于例如美国专利No.6,100,411、5,990,268和8,114,334，其说明书和公开内容通过引用并入本文。利用其他辐射能量源(诸如红外线照射)的增材制造方法也是本领域中已知的。熔融可以是完全熔融或部分熔融。

现有技术详细描述了激光烧结过程中使用的各种温度与聚合物粉末的温度相关和/或温度依赖性特征和参数之间的密切相互关系和细微平衡，所述特征和参数例如是玻璃化转变温度、熔化温度、结晶度和结晶速率(以及熔化后的再结晶速率)。在描述激光烧结方法和系统时，美国专利No.9,580,551(其说明书和公开内容通过引用并入本文)指出，如果系统将粉末床身保持在太低的温度下(例如，太接近这种粉末的再结晶点)，那么熔融的粉末可能会过快地返回到固态(或“再结晶”)，这可导致形成的物体翘曲或变形。该专利进一步指出，如果系统将粉末床身保持在过高的温度下(例如，太接近这种粉末的熔点)，则剩余的未熔融粉末可能部分熔化，这可能增加将剩余的未熔融粉末与形成的物体分离的相对难度。这种分离的难度反过来又降低了材料的可再利用性，或再利用该材料的能力。美国专利No.7,906,063中也描述了通过将温度保持在刚好低于聚合物材料熔点的“最大均匀度”来避免卷曲。上面提到的‘268专利定义了“烧结性的窗口”温度范围，并指出，狭义定义的窗口的主要实践结果要求：零件床身保持在特定温度下，并具有特定温度分布，使得待烧结的各层位于选择性激光烧结窗口的边界内。如上所述，无论是较高还是较低的不同温度，和/或不同的温度分布，都会导致粉末的刚烧结初始片的多个区域，这将导致已经烧结的片熔化，以及在已“结块”的一层零件床身中有变形；或者如果零件床身温度太低，将导致已经烧结的片卷曲。另外，‘268专利已将结晶速率与(熔化开始和再结晶开始之间的)温度差联系起来，联系基本的聚合物特征(诸如半结晶时间)将结晶速率描述得更准确和密切。半结晶时间被描述为比熔化和重结晶吸热的差值更基本的聚合物特性，因为所述差值是可以调节的。总之，‘268专利提供了“已经发现，半结晶有机聚合物的结晶速率是控制卷曲及达到烧结零件尺寸控制的关键特性。材料在熔化后相对较慢地再结晶，表现出足够的尺寸稳定性，并在选择性激光烧结过程中产生几乎完全致密、无变形的零件”。

虽然该结论可表明在用于激光烧结的聚合物粉末构建材料领域中的开发努力的方向，但是迄今为止，商品供应并未减轻制造商的如下负担：细致的过程温度控制，以及相应的设备和制造成本，以及产品质量问题(诸如翘曲和卷曲)——可能是随着无法保持这样的控制的失败而来。

发明内容