專利名稱：用于三維模型制作的材料和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及使用加法技術(shù)模型制作(modeling)方法的三維物體制作。更具體而言，本發(fā)明涉及由以下方法形成三維物體以預(yù)定的圖形沉積第一種可固化材料以形成三維物體，與之配合沉積第二種可固化材料以提供三維物體建造時的支撐結(jié)構(gòu)。
加法技術(shù)模型制作機器基于計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)提供的設(shè)計數(shù)據(jù)，通過建立模型制作的中間物而制造三維模型。使用三維模型的作用包含美感判斷、CAD數(shù)學(xué)模型驗證、硬質(zhì)工具形成、干擾和空間布局研究、以及功能測試等。一種技術(shù)是根據(jù)CAD系統(tǒng)提供的設(shè)計數(shù)據(jù)以預(yù)定圖案沉積可固化材料，其中建立形成模型的多個沉積層。
通過擠出頭多層沉積可固化模型制作材料制造三維模型的工具和方法的實例已描述于Valavaara的美國專利4,749,347；Crump的美國專利5,121,329；Batchelder等的美國專利5,303,141；Crump的美國專利5,340,433；Batchelder等的美國專利5,402,351；Crump等的美國專利5,503,785；Batchelder等的美國專利5,764,521；Danforth等的美國專利5,900,207；Batchelder等的美國專利5,968,561；Stuffle等的美國專利6,067,480；和Batchelder等的美國專利6,238,613；所有這些專利都已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人斯特拉塔西斯公司(Stratasys，Inc.)。如美國專利5,121,329中所公開的，模型制作材料可以固體形式輸送給擠出頭，例如以纏繞于供料盤的撓性絲線形式或以固體棒條的形式。如美國專利4,749,347中所述，備選地，模型制作材料可以以液體形式從儲液容器泵入。在任何一種情況下，熔融的模型制作材料都是由擠出頭從噴嘴擠出到基底上的。擠出材料一層一層地沉積到CAD模型限定的區(qū)域中。使用的模型制作材料為固化時具有足夠的粘結(jié)力粘附到上一層的可固化材料。已發(fā)現(xiàn)熱塑塑料特別適用于這類沉積模型制作技術(shù)。
由可固化材料建造模型的另一種分層沉積技術(shù)則從噴射頭的噴嘴沉積模型制作材料液滴。通過噴射頭對可固化模型制作材料進行多層沉積制造三維模型的裝置和方法的實例描述于例如授予Helinski等的美國專利5,136,515和授予Leyden等的美國專利6,193,923。
在現(xiàn)有技術(shù)的用絲線進料的Stratasys FDM三維模型制作機器中，絲線模型制作材料(或支撐材料)通過一對馬達驅(qū)動的送料輥送進裝載在擠出頭上的液化器。在液化器內(nèi)部，絲線被加熱到流動溫度。送料輥將絲線“泵”入到液化器，使液化器加壓。絲線自身的作用相當(dāng)于活塞，從而形成了泵。送料輥將絲線持續(xù)送進擠出頭時，進入的絲線的力量將流動材料從分配噴嘴擠出，由此沉積到安裝在建造平臺上的可拆除基材上?，F(xiàn)有技術(shù)的Stratasys FDM三維模型制作機器的模型制作材料使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)熱塑塑料組合物、蠟材料、或聚碳酸酯樹脂。
在通過加法技術(shù)，如通過沉積可固化模型制作材料的多層來建造三維物體時，這是一種規(guī)律而不是例外，即必須在建造中物體的外伸部分的下面或內(nèi)腔中使用支撐層或結(jié)構(gòu)，其并不由模型制作材料自身直接支撐的。支撐結(jié)構(gòu)可利用與模型制作材料沉積相同的沉積技術(shù)和裝置來建造。裝置在適當(dāng)軟件的控制下另外產(chǎn)生幾何結(jié)構(gòu)，作為形成中物體的外伸或空閑空間部分的支撐結(jié)構(gòu)。支撐材料既可從模型制作裝置中單獨的分配頭沉積，也可使用沉積模型制作材料的同一個分配頭。
為了支撐模型，支撐材料必須粘附到模型制作材料上。同時，典型地，由于支撐材料用于產(chǎn)生模型賴以建立的沉積材料的基礎(chǔ)層，支撐材料應(yīng)同樣地可拆除地粘附到制作模型的基材上。模型坐落在支撐材料上會產(chǎn)生從完成后的模型上拆除支撐結(jié)構(gòu)而不損壞模型的問題。
通過在模型和支撐結(jié)構(gòu)之間形成不牢固、易脫離的粘結(jié)，來處理拆除支撐結(jié)構(gòu)的問題，如描述于美國專利5,503,785。物體建成后，必須從其剝離的支撐結(jié)構(gòu)被稱作“拆離”支撐。商業(yè)上高抗沖聚苯乙烯可用于建造拆離支撐。另外，已知一種在浴槽中洗掉的可溶性支撐材料。斯特拉塔西斯公司已在未決的美國專利申請10/019,160公開了一種用于建造可溶性支撐、以WaterworksTM名稱銷售的材料。
最近，高溫熔融沉積模型制作機器已為人所知，這種機器可用高溫、高強度的熱塑性工程塑料建造模型。由于高溫?zé)崴苄怨こ趟芰夏途脠怨?，用這類材料建造模型很受歡迎，但也給支撐結(jié)構(gòu)的建造和拆除帶來了困難。擬選用的支撐材料必須能經(jīng)受模型制作時的高溫建造環(huán)境而不降解或下垂。通常這類材料十分堅固且抗裂。但支撐必須在模型建造之后從中拆除。因此就產(chǎn)生了如何從完成后的模型拆離支撐的問題。
分層沉積高強度工程聚合材料制造耐久三維物體的裝置和方法公開于美國專利6,067,480。該專利公開了聚碳酸酯、聚芳醚酮和聚(甲基丙烯酸甲酯)的高壓擠出。該專利沒有公開支撐材料。
分層沉積高溫?zé)崴苄怨こ趟芰现圃烊S模型的裝置和方法公開于2001年2月27日提交的未決的美國專利申請09/804,401和于2001年12月13日提交的10/018,673，每個申請都轉(zhuǎn)讓給斯特拉塔西斯公司。這些申請?zhí)貏e地公開了使用聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚砜、聚醚砜和無定形聚酰胺建造三維模型，但沒有公開用于建造這一模型的拆離支撐結(jié)構(gòu)所配制的材料。
用于三維模型制作的高溫模型材料和支撐材料公開于未決的美國專利申請09/854,220，該申請于2001年5月11日提交并轉(zhuǎn)讓給斯特拉塔西斯公司。該申請所公開的支撐材料去除方法會非常繁雜。
對從用高性能熱塑性工程塑料建造的模型中方便地脫除支撐結(jié)構(gòu)的技術(shù)一直有改進的要求。若能提供源自既能經(jīng)受高溫環(huán)境又可更易從制成模型上拆除的熱塑塑料的模型支撐材料會十分理想。
發(fā)明概述本發(fā)明為一種含有硅氧烷的熱塑塑料組合物和一種使用這種組合物用分層沉積模型制作技術(shù)建造三維模型的方法。這種熱塑塑料組合物含有最多可達約10重量百分比的硅氧烷。
依據(jù)本發(fā)明的一種方法利用含有硅氧烷的熱塑塑料組合物做支撐材料，在模型建造中為其建立支撐結(jié)構(gòu)，其中硅氧烷起脫模劑的作用，促進模型建成后從中拆除支撐結(jié)構(gòu)。硅氧烷脫模劑還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，促進該材料在高溫建造環(huán)境中的使用。有利的是，硅氧烷還可保護三維模型制作裝置的擠出頭或噴射頭噴嘴避免產(chǎn)生材料堵塞。因此，使用本發(fā)明的熱塑塑料組合物除了作為支撐材料，還可作為模型制作材料在建造模型本身時發(fā)揮優(yōu)勢。
用作支撐材料時，本發(fā)明的熱塑塑料組合物優(yōu)選含有約1至10重量百分比的硅氧烷。用作于模型制作材料時，本發(fā)明的熱塑塑料組合物含有更少量的硅氧烷，優(yōu)選約0.5至2重量百分比的硅氧烷。熱塑塑料組合物的基礎(chǔ)聚合物的選用要根據(jù)沉積模型制作技術(shù)所要求的各種物理、熱學(xué)和流變性能。
附圖簡述

圖1為使用分層擠出技術(shù)形成的模型及其支撐結(jié)構(gòu)的示意圖。
發(fā)明詳述參考圖1所示類型的沉積模型制作系統(tǒng)，來描述本發(fā)明。圖1表示根據(jù)本發(fā)明的擠出裝置10，其通過支撐結(jié)構(gòu)28建造模型26。擠出裝置10包括擠出頭12、材料接受基礎(chǔ)14及材料供給器18。擠出頭12相對于基礎(chǔ)14在X和Y方向移動，而基礎(chǔ)14則在Z垂直方向移動。材料供給器18向擠出頭12提供原料進料。在所述的實施方案中，固體的原料進料提供給擠出頭12，并由擠出頭12攜帶的液化器22中熔化。液化器22將原料進料加熱到略高于其固化點的溫度，將其變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。熔融原料通過液化器22的噴嘴24擠出到基礎(chǔ)14上。進料的形式可以是連續(xù)絲線、棒條、塊體、球粒、顆粒等。
擠出頭的運動受到控制，以使材料多路徑和多層沉積到基礎(chǔ)14上建造三維模型26，并進一步建造設(shè)定的支撐結(jié)構(gòu)28，以便在建造模型26時對其進行物理支撐。在建造室(未示出)中，模型26及其支撐結(jié)構(gòu)28建造在基礎(chǔ)14上，建造室的環(huán)境受到控制以促進熱固化。第一層沉積材料粘附在基礎(chǔ)14上以形成底層，隨后的每層材料則互相粘附。
分配模型制作材料A形成模型26，與模型制作材料A的分配相配合，分配支撐材料B形成支撐結(jié)構(gòu)28。為方便起見，所示的擠出裝置10只帶有一個材料供給器18。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本發(fā)明的應(yīng)用中，模型制作材料A和支撐材料B是作為單獨的原料進料從單獨的材料供給器提供給擠出裝置10的。
在所述的實施方案中，模型制作材料A和支撐材料B是以基本上連續(xù)的“路徑”從擠出頭沉積在水平層上，并以固體形式提供給擠出頭。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明在應(yīng)用中也可利用各種其他類型的模型制作機器的優(yōu)點，包含使用噴射頭和選用液體形式的材料提供給擠出頭的那些機器。
模型制作和支撐材料的流變學(xué)模型制作材料A和支撐材料B必須滿足它們所應(yīng)用的特定模型制作系統(tǒng)的許多模型制作標準，通常涉及熱性能、強度、粘度和粘附力。模型制作材料A和支撐材料B必須具有適合模型制作技術(shù)的熔體粘度。理想的是，用于熔融沉積模型制作的材料具有低的熔體粘度。擠出溫度時的熔體粘度必須足夠低，以便材料才能以大致連續(xù)的路徑或珠粒擠出。此外，擠出溫度時的熔體粘度必須足夠低，以便材料的沉積路徑或珠粒具有很低的熔體強度，以使它們鋪平而不卷起。通過提高材料擠出時的溫度，來降低熔體粘度。但是，較高的擠出溫度增加了能耗、增加熱生成量、并且增加材料降解的機會。
理論上，融體的粘度與材料的分子量有關(guān)，且接近臨界分子量時性能降低。因此，熔體粘度的低限定義為臨界分子量時的粘度，但幾乎所有商業(yè)級聚合物都會高于臨界分子量以便能發(fā)揮出好的物理性能。
熔體粘度的測量可通過其反向參數(shù)，熔體流動指數(shù)(melt flow)。用于在帶絲線泵擠出機(filament-pump extruder)的Stratasys FDM模型制作機器中建造模型的材料必須在擠出溫度時具有高的熔體流動指數(shù)，以便在相對較低的壓力下，約211kg/cm(3000psi)或更低，材料作為連續(xù)珠粒擠出。通過絲線泵類型擠出機沉積的材料高熔體流動指數(shù)的合適值大于約5gms/10min，其是根據(jù)ASTM D1238，在擠出溫度、1.2kg荷載下測量的。更優(yōu)選熔體流動指數(shù)為5至30g/10min。較低的熔體流動指數(shù)(較高的粘度)適合于高壓擠出，如適宜于通過公開于美國專利6,067,480中的裝置的高壓擠出。
為了合理地支撐建造中的模型，支撐材料B必須與自身粘結(jié)(自層疊)。支撐材料B必須與模型制作材料A形成弱的、可分離的粘結(jié)(共層疊)，以便才能從完成后的模型上分離而不損及模型。在基礎(chǔ)上建立支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)域，支撐材料還必須與基礎(chǔ)粘結(jié)。
為了制備尺寸精確的模型，模型制作和支撐材料必須在制造環(huán)境(build envelope)條件下冷卻時表現(xiàn)出很小的收縮性。支撐材料B的收縮必須與模型制作材料A的相匹配。材料的收縮差異會沿著模型和支撐結(jié)構(gòu)的粘結(jié)點產(chǎn)生應(yīng)力和粘結(jié)失敗。根據(jù)ASTM注塑成型測試標準，典型地，無定形聚合物固化時的收縮率小于或等于0.010英寸/英寸。無定形聚合物的收縮特性用于沉積模型制作的目的是可以接受的，而結(jié)晶性聚合物用于沉積模型制作時則表現(xiàn)出過高的收縮率?？梢栽诓牧现屑尤胩盍弦詼p少收縮?？梢栽诒景l(fā)明材料中加入結(jié)晶性添加劑，只要其加入量足夠的少，以保證材料繼續(xù)表現(xiàn)出無定形聚合物的收縮特性即可。
可根據(jù)制成模型的特定應(yīng)用來選擇特定的模型制作材料A。固體狀態(tài)的支撐材料B必須有足夠的機械強度，以便在模型成形時為其提供支撐。支撐材料B必須承受模型制作材料A施加的力，否則模型會出現(xiàn)不合要求的卷曲和變形。要求的拉伸強度典型地為211kg/cm(3000psi)至844kg/cm(12000psi)。
當(dāng)以絲線或棒條的形式供料時，模型制作材料A和支撐材料B必須有足夠的強度以保證運輸中不會破裂。當(dāng)以絲線形式供料時，無論是繞軸還是不繞軸，材料還必須具有足夠的強度和撓度以保證可被加工成絲線，并通過擠出裝置進料而不發(fā)生破裂。類似地，以絲線形式供料的材料必須有足夠的剛度以保證通過擠出裝置進料時不因壓縮力而變形。
對于熱性能，模型制作材料A和支撐材料B應(yīng)當(dāng)具有相似的熱撓曲特性，以便兩種材料可成功地擠出到同一建造室內(nèi)。如美國專利5,866,058所教導(dǎo)，在一個加熱到高于熱塑塑料或其他熱固化模型制作材料的固化溫度的室內(nèi)建造模型，然后逐漸冷卻，將應(yīng)力從材料中釋放。應(yīng)力在模型制作過程中從模型中退火除去，以便完成后的模型就不會有應(yīng)力，且具有的扭變會非常小。該專利還教導(dǎo)，模型制作材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)應(yīng)高于建造室的溫度，以便模型就不會因變?nèi)醵l(fā)生下垂。因此，建造室溫度的優(yōu)選范圍在模型制作材料A的固化溫度和它的蠕變松弛溫度(蠕變松弛溫度定義為應(yīng)力松弛模量自其溫度低限下降十倍時的溫度點)之間。類似地，支撐材料B的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)高于建造室的溫度，以便支撐結(jié)構(gòu)不會變形并可保持其支撐的模型的結(jié)構(gòu)精確度。實驗中發(fā)現(xiàn)支撐材料B的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(或熱撓曲溫度)應(yīng)約在模型制作材料A的20℃以內(nèi)，優(yōu)選15℃以內(nèi)。材料中加入填料具有提高材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的作用。實踐中，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度用熱撓曲溫度來表示。在此公開的示例性材料的熱撓曲溫度用材料DMA軟化點測得。
用作模型制作材料A和支撐材料B的示例性聚合物、或用于配制這類材料的示例性聚合物包括聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚亞苯基、聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、無定形聚酰胺、聚酯、尼龍、PEEK、PEAK和ABS。如所述的，特定材料配方的選擇要考慮沉積模型制作技術(shù)所要求的各種物理、熱學(xué)和流變性能。支撐材料的選擇還需進一步考慮它與模型制作材料的粘結(jié)強度。
材料測試以下為材料配方的實施例，作為非常高模型制作環(huán)境溫度下(建造室溫度為200℃或更高)的支撐材料進行測試。材料配方作為聚苯砜模型制作材料的支撐材料進行測試。具體地，在每一種情況下，聚苯砜模型制作材料為Radel R 5600 NT(獲自BP Amoco)。聚苯砜樹脂的熱撓曲溫度為236℃，在1.2kg荷載、400℃時的熔體流動指數(shù)為20-30gms/10min。實例3為本發(fā)明的實施例，而實施例1和2為比較例。
所有經(jīng)測試的材料都滿足以上討論的流變學(xué)標準。在每一種情況下，都使用聚合物化學(xué)中的常規(guī)技術(shù)對組分材料進行混合。示例性材料成功地形成為直徑非常小的[約1.778mm(0.070英寸)]模型制作絲料，經(jīng)干燥后水分含量低于700ppm，并且用于絲線進料的沉積模型制作機器。根據(jù)上述實施例的材料在測試時，使用未決的美國專利申請09/804,401(2001年2月27日提交)及10/018,673(2001年12月13日提交)所公開類型的絲線進料分層沉積模型制作機器。
實施例1
各種尺寸的模型在溫度為約200至225℃的建造室內(nèi)建造，使用的模型制作材料為聚苯砜、且支撐材料包含聚苯砜與無定形聚酰胺的混合物。在某些情況下，支撐材料還包含聚砜。各種組分材料的重量百分比約60至90重量百分比的聚苯砜和約10至40重量百分比的無定形聚酰胺的摻混物，或約60至90重量百分比的聚苯砜、約1至40重量百分比的聚砜和約10至40重量百分比的無定形聚酰胺的摻混物。一種所測試的特別示例性樹脂為50重量百分比的Radel R 5600 NT聚苯砜(獲自BP Amoco)、25重量百分比的Udel P 1710 NT 15聚砜(獲自BP Amoco)和25重量百分比的EMS TR 70無定形聚酰胺(獲自瑞士EMS-Chemie AG)的摻混物。該樹脂的熱撓曲溫度為224℃，且熔體流動指數(shù)與模型制作材料的類似。支撐材料從溫度為約350℃的液化器中擠出，形成用聚苯砜樹脂制造的模型的支撐結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本實施例，對于制造時間少于20小時的模型該支撐材料令人滿意，但對于制造時間更長的模型并不成功。據(jù)觀察，在制造室中超過20小時后支撐材料表現(xiàn)出熱不穩(wěn)定性。熱不穩(wěn)定性表現(xiàn)在材料變暗，最終變黑，并且牢固地粘接在模型上。理想的是，能經(jīng)受長達200小時制造時間的材料才可用于建造大型、復(fù)雜的部件。因此，雖然發(fā)現(xiàn)本實例的支撐材料用于支撐小型部件時令人滿意，但不適于更普遍的高溫應(yīng)用。
實施例2測試模型在溫度為約200至225℃的建造室內(nèi)建造，使用的模型制作材料為聚苯砜、支撐材料包含各種聚醚砜、聚苯砜或聚醚酰亞胺的樹脂(即UltemTM)。這些材料表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，卻不能從模型上脫離。含有聚苯砜的支撐材料十分牢固地粘附在模型上。含有聚醚酰亞胺的支撐材料比較牢固地粘附在模型上，而含有聚醚砜的支撐材料雖然粘附在模型上的牢固度最低，還是過于牢固而不適使用。
實施例3大型及小型的聚苯砜模型在溫度為約200至225℃的建造室內(nèi)建造，使用的支撐材料包含聚醚砜基礎(chǔ)聚合物和硅氧烷脫模劑。為了方便起見，使用商購的材料(compound)來制備含有硅氧烷的“母料”，硅氧烷與基礎(chǔ)聚合物混合。對各種母料進行了測試，其中包含聚丙烯、線性低密度聚乙烯和高抗沖聚苯乙烯。此外，也對各種硅氧烷進行了測試，其粘度范圍從約60,000厘沲(中等粘度)至5千萬厘沲(極高粘度)。極高粘度的硅氧烷的分子量高，而粘度較低的硅氧烷的分子量也較低。
已發(fā)現(xiàn)，與極高粘度的硅氧烷相比，中等粘度的硅氧烷是一種更好的脫模劑；與測試過的其它母料相比，高抗沖聚苯乙烯母料更容易從聚苯砜模型制作材料脫離。在一個優(yōu)先實施方案中，母料含有約75重量百分比的高抗沖聚苯乙烯共聚物和約25重量百分比粘度為60,000厘沲(cSt)的硅氧烷。在該實施方案中，支撐材料包含約90-95重量百分比的聚醚砜、為約3-8重量百分比的高抗沖聚苯乙烯和為約1-3重量百分比的硅氧烷。該組合物的示例性實例使用BASF的Ultrason E-1010聚醚砜和Dow-Corning的MB25-504苯乙烯-丁二烯共聚物，其含有羥基封端聚二甲基硅氧烷(即羥基封端硅氧烷)。該材料從溫度為約420℃的液化器中擠出，成功形成用聚苯砜樹脂制造的模型的支撐結(jié)構(gòu)。模型建成后支撐結(jié)構(gòu)令人滿意地從模型上脫離。
本實施例的支撐材料顯示的拉伸強度為352kg/cm(5000psi)至844kg/cm(12,000psi)，顯示出典型的無定性聚合物的收縮性，在1.2kg荷載、高達450℃的溫度時的熔體流動指數(shù)為約5-30gms/10min，且熱撓曲溫度為約232℃。
結(jié)果討論表明在基礎(chǔ)聚合物中加入少量的硅氧烷削弱了基礎(chǔ)聚合物與模型制作材料之間的粘接，從而使聚合物可用來形成可從模型脫離的支撐結(jié)構(gòu)。雖然各種硅氧烷都可望有效地應(yīng)用于本發(fā)明，但中等粘度(相當(dāng)于約104至105厘沲)的硅氧烷提供了良好的脫模特性。
由于硅氧烷脫模劑在溫度為225℃時表現(xiàn)出的耐熱性超過200小時，本發(fā)明尤其適用于對非常熱的環(huán)境中用高溫?zé)崴芩芰现频玫哪Ｐ吞峁┲巍?br> 雖然本發(fā)明的組合物通過使用一種聚醚砜基礎(chǔ)聚合物而得到證明，但也可以將硅氧烷脫模劑加入到多種其它的基礎(chǔ)聚合物中，可類似地減少支撐結(jié)構(gòu)在模型上的粘附?；A(chǔ)聚合物的選用要根據(jù)沉積模型制作方法所要求的各種物理、熱學(xué)和流變性能。對于高溫方法，加入到聚苯砜或聚醚砜基礎(chǔ)聚合物的硅氧烷表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。可用于各種建造環(huán)境的其它可能的基礎(chǔ)聚合物包括聚亞苯基、聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、無定形聚酰胺、聚酯、尼龍、PEEK、PEAK和ABS?；A(chǔ)聚合物和模型制作材料之間粘附力越大的地方，硅氧烷的加入量越多。適當(dāng)?shù)墓柩跬榧尤肓靠梢詼p弱但不會破壞支撐結(jié)構(gòu)與模型之間的粘接，以便可以為建造中的模型提供足夠支撐的粘附力。在某些情況下，需要的硅氧烷可望多達約10重量百分比。
雖然將高抗沖聚苯乙烯共聚物用于證明本發(fā)明，然而這類共聚物只是本發(fā)明組合物可以包含的共聚物的一個示例。在硅氧烷與基礎(chǔ)聚合物混合(compound)時使用高抗沖聚苯乙烯母料是出于方便。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認可，可以使用多種母料(如用支撐材料的基礎(chǔ)聚合物制造的母料)，可以使用不需要母料的其它混合技術(shù)(如液體硅氧烷可直接加入到基礎(chǔ)聚合物中)，并且熱塑塑料組合物可以以不同的用量包含多種其它共聚物以滿足特定應(yīng)用的加工要求。
含硅氧烷的熱塑塑料的意外好處是該材料可防止擠出頭液化器噴嘴阻塞。材料的這一特性，雖然不是有意的，卻非常理想。典型地，由于無法接受噴嘴中材料堵塞，基于擠出的分層沉積模型制作機器的液化器在僅擠出約32kg(7磅)的材料后就需要更換。觀察到含硅氧烷的材料的抗堵塞性能超過了本領(lǐng)域此前所知的任何材料。用于含硅氧烷的熱塑塑料擠出的液化器噴嘴可擠出超過18kg(40磅)的材料，才需更換。噴嘴壽命因此可延長超過400％。因此，證明硅氧烷提供模型制作材料以及支撐材料所需要特性的熱塑塑料。
證明包含僅為0.75重量百分比硅氧烷的組合物具有抗噴嘴堵塞性能。對于模型制作材料，材料中硅氧烷的含量因此可保持非常低的含量，約0.5重量百分比至2重量百分比，以延長液化器的壽命，而不會降低模型材料的強度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認可，粘度較高的硅氧烷，其脫模性能要差一些，可能有利用作模型制作材料的添加劑。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會認可，當(dāng)模型制作材料和支撐材料都含有硅氧烷時，可能優(yōu)選減少支撐材料中的硅氧烷用量。
同時本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會認可，模型制作材料A和支撐材料B可以包括惰性和/或活性填充材料。填料可以提供增強的材料特性，這些增強的特性可能是正是所需求的，依最終模型的使用目的而定。例如，填料可提供RF屏蔽、導(dǎo)電性或不傳導(dǎo)無線電的特性(在某些醫(yī)療應(yīng)用中有用)。備選地，填料可以降低材料的特性，但這對于某些應(yīng)用可以接受。如廉價的填料可加入到模型制作材料A或支撐材料B中，以降低這些材料的成本。填料也可改變材料的熱特征，如，填料可增強材料的耐熱性，填料可減少材料熱固化時的收縮。代表性填料包含玻璃纖維、碳纖維、碳黑、玻璃微球、碳酸鈣、云母、滑石、二氧化硅、氧化鋁、碳化硅、硅灰石、石墨、金屬和鹽。
有助于脫除支撐結(jié)構(gòu)的填充材料也可用于本發(fā)明的組合物中。例如，接觸水或另一種溶劑時會溶脹的填充材料可以對拆除支撐結(jié)構(gòu)有用。接觸水或另一種溶劑時會釋放氣體的填充材料可能同樣對拆除支撐結(jié)構(gòu)有用。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會認可，許多其它添加劑也可能根據(jù)特定應(yīng)用的要求用于材料性能的改進。例如，添加增塑劑可以降低熱塑塑料的耐熱性和熔體流動指數(shù)。添加染料或顏料可以改變顏色。添加抗氧劑可以緩解材料在擠塑機中的熱降解。
上述實例中的模型制作材料A和支撐材料B可以被成型為絲線、棒條、顆粒等，用作模型制作的原料，或者，可以無需預(yù)先固化作為液體原料使用。也可選擇將混合物固化造粒。
應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然材料在本申請中被稱作“模型制作”或“支撐”材料，但這些材料也可相互替換，以使用所謂的“支撐”材料形成模型，以及使用所謂的“模型制作”材料形成該模型的支撐結(jié)構(gòu)。然而，在特定的制造技術(shù)中，希望的是，用于形成模型的材料具有優(yōu)越于用于形成支撐結(jié)構(gòu)的材料的性能(如，更高的強度和硬度)。
雖然本發(fā)明通過參考代表性實施方案而進行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于實施方案中的細節(jié)，而是由后附權(quán)利要求范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種建造三維模型的加法技術(shù)方法，該方法包含下面的步驟沉積含有約0.5至10重量百分比硅氧烷的熱塑塑料組合物的多層。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述的熱塑塑料組合物包含少于約2重量百分比的硅氧烷，并且所述的熱塑塑料組合物形成所述的模型。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述的熱塑塑料組合物包含大于約1重量百分比的硅氧烷，并且所述熱塑塑料組合物形成所述模型的支撐結(jié)構(gòu)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述的熱塑塑料組合物還包含一種基礎(chǔ)聚合物，其選自聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚亞苯基、聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、無定形聚酰胺、聚酯、尼龍、PEEK、PEAK和ABS。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑塑料組合物的熱撓曲溫度大于約220℃。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述熱塑塑料組合物在1.2kg荷載、高達450℃溫度時的熔體流動指數(shù)為約5至30gms/10min，且拉伸強度為約352kg/cm(5,000psi)至844kg/cm(12,000psi)。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述熱塑塑料組合物還包含選自聚醚砜、聚苯砜和聚醚酰亞胺的基礎(chǔ)聚合物。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述硅氧烷的粘度相當(dāng)于約104至105厘沲。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述硅氧烷為羥基封端聚硅氧烷。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑塑料組合物的熱撓曲溫度大于約40℃，在荷載1.2kg、高達450℃溫度時的熔體流動指數(shù)為約5至30gms/10min，拉伸強度為約211kg/cm(3,000psi)至844kg/cm(12,000psi)。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑塑料組合物沉積到溫度為約180℃至250℃的制造室中。
12.一種建造三維模型及其支撐結(jié)構(gòu)的加法技術(shù)方法，所述的模型通過多層沉積可固化模型制作材料形成，且所述支撐結(jié)構(gòu)通過多層沉積可固化支撐材料形成，其中所述支撐材料為一種包含約1至10重量百分比硅氧烷脫模劑的熱塑塑料組合物。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述支撐材料還包含一種基礎(chǔ)聚合物，其選自聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚亞苯基、聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、無定形聚酰胺、聚酯、尼龍、PEEK、PEAK和ABS。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述基礎(chǔ)聚合物為聚醚砜，且其中所述支撐材料還包含高抗沖聚苯乙烯。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述模型制作材料包含作為主組分的聚苯砜樹脂。
16.權(quán)利要求12的方法，其中所述支撐材料還包含聚醚砜基礎(chǔ)聚合物。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述的支撐材料還包含高抗沖聚苯乙烯，且其中所述模型制作材料包含作為主組分的聚苯砜樹脂。
18.一種用于多層沉積三維模型制作的熱塑塑料組合物，該組合物包含選自一種基礎(chǔ)聚合物和重量百分比為約0.5至10的硅氧烷，所述的基礎(chǔ)聚合物選自聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚亞苯基、聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、無定形聚酰胺、聚酯、尼龍、PEEK、PEAK和ABS，該組合物的熱撓曲溫度大于約40℃，在1.2kg荷載、高達450℃溫度時的熔體流動指數(shù)為約5至30gms/10min，且拉伸強度為約211kg/cm(3,000psi)至844kg/cm(12,000psi)。
19.權(quán)利要求18的熱塑塑料組合物，其中所述基礎(chǔ)聚合物選自聚醚砜、聚苯砜和聚醚酰亞胺，其中熱撓曲溫度大于約220℃。
20.權(quán)利要求19的熱塑塑料組合物，其中所述的組合物在至少200小時的時間長度、高達約225℃溫度時表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性。
21.權(quán)利要求18的熱塑塑料組合物，其中所述硅氧烷為羥基封端聚硅氧烷。
22.權(quán)利要求18的熱塑塑料組合物，其中所述組合物中基礎(chǔ)聚合物的重量百分比為約60％至約99％。
23.權(quán)利要求22的熱塑塑料組合物，其中所述熱塑塑料組合物還包含約3至15重量百分比的高抗沖聚苯乙烯。
24.權(quán)利要求23的熱塑塑料組合物，其中所述基礎(chǔ)聚合物為聚醚砜。
25.權(quán)利要求24的熱塑塑料組合物，其中所述組合物中聚醚砜的重量百分比為約90至95百分比，所述組合物中高抗沖聚苯乙烯的重量百分比為約3至8百分比，并且所述組合物中硅氧烷脫模劑的重量百分比為約1至3百分比。
26.權(quán)利要求18的熱塑塑料組合物，其為絲線形式。
全文摘要
通過熔融沉積模型制作技術(shù)制造三維模型(26)及其支撐結(jié)構(gòu)(28)，其中使用一種含硅氧烷的熱塑塑料形成支撐結(jié)構(gòu)(28)和/或模型(26)。硅氧烷起到脫模劑的作用，促進支撐結(jié)構(gòu)在模型完成后從中脫離。含有硅氧烷的熱塑塑料表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，并可阻止三維模型制作裝置(10)的擠出頭(12)或噴射頭的噴嘴(24)堵塞。
文檔編號C08L71/12GK1666217SQ03815762
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者小威廉·R·普列德曼 申請人:斯特拉塔西斯公司