用于擠出式3d打印法的經(jīng)涂布長絲的用途和制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于隨后在擠出式3D打印機，例如FDM打印機(熔融-沉積-成型打印機)中打印施加的經(jīng)涂布長絲的新型制備方法。此處長絲在打印機外在單獨過程中涂布并也可用于現(xiàn)有技術(shù)的適當(dāng)?shù)奈锤脑齑蛴C。本發(fā)明還涉及用于進行所述方法的涂布裝置和帶有經(jīng)涂布長絲的輥。
【背景技術(shù)】
[0002]快速原型成型或快速制備法是旨在將可得的三維CAD數(shù)據(jù)直接和快速轉(zhuǎn)化成工件，而盡可能沒有人工干預(yù)或不使用模具的制備方法。
[0003]在快速原型成型法的范圍內(nèi)目前有各種方法。這些可分成兩類:基于激光的方法和不使用激光的方法。
[0004]最廣為已知的激光型并同時是最古老的3D打印法是立體平版印刷(SLA)。在這種方法中，可輻射固化的聚合物的液體組合物利用激光逐層硬化。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以清楚看出，通過這種方法制成的工件只能隨后在表面上著色。這是復(fù)雜并耗時的。
[0005]類似的是選擇性激光燒結(jié)法(SLS)，其中與SLA類似地，借助激光逐層選擇性燒結(jié)粉末狀原材料，例如熱塑性塑料或可燒結(jié)金屬。采用這種方法也可在第一方法步驟中只獲得單色或非特定著色的3D物體。這同樣適用于第三種激光型方法，“疊層物體制備”，其中將帶有粘合劑的紙幅或塑料膜的層與層互相膠粘并借助激光切割。例如在US 6，713，125中描述了物體的隨后著色。
[0006]也可用于制備多色物體的已知3D打印法是UV噴墨法。在這種三階段法中，以薄層施加粉末狀材料，將UV可固化液體以后續(xù)三維產(chǎn)品的相應(yīng)層的形式印刷到所述層上，最后利用UV源使經(jīng)印刷的層硬化。這些方法步驟逐層重復(fù)。
[0007]在EP I 475 220中，準(zhǔn)備各種不同著色的含固化劑的液體，在WO 2008/077850中額外在小室中直接在印刷過程之前混合。因此有可能選擇性著色。但是，由于該混合室，清晰的顏色過渡是不可能的。此外，這種類型的方法在固化邊界處不清晰，這會導(dǎo)致較低光滑度的表面并有時造成不均勻著色。在WO 01/26023中，描述了具有各種不同顏色的固化劑組合物的兩個印刷頭，其導(dǎo)致具有不同的彈性性能的物體部件。但是，沒有描述多于兩種的顏色。
[0008]WO 2008/075450描述了一種變體，其中采用熱輻射代替采用紫外光進行硬化，并同樣使用各種不同顏色的固化劑組合物。
[0009]GB 2419679公開了可選擇性施加各種不同著色的聚合物粒子并在各種波長下硬化的方法。這種方法極其復(fù)雜并同時導(dǎo)致不清晰的顏色圖像。
[0010]在根據(jù)WO 2009/139395的類似于3D噴墨印刷的方法中，逐層施加有色液體并選擇性地用第二液體印刷，其導(dǎo)致與第一液體發(fā)生固化反應(yīng)。這種類型的方法只能逐層構(gòu)造油墨，除了在未固化的液體層之間可能發(fā)生混合以外。
[0011]另一方法是三維印刷(TDP)。在這種方法中，類似于噴墨法，將粉末狀材料(但是其優(yōu)選是陶瓷)逐層用一種熱塑性聚合物的熔體選擇性浸透。在各印刷層后，必須施加新的粉末材料層。熱塑性塑料硬化時形成三維物體。
[0012]在US 2004/0251574中描述的方法中，在印刷熱塑性塑料后選擇性地用油墨印刷。這種方法的優(yōu)點是能高度選擇性地印刷。但是，這種方法的缺點在于不可能實現(xiàn)均勻并且明亮的顏色圖像，因為不可能使油墨均勻滲透到由(陶瓷)粉末和粘結(jié)劑制成的復(fù)合材料中。
[0013]在EP I 491 322中描述的方法中，印刷兩種不同的材料。第一種包含粘結(jié)劑和在與第二種材料接觸時沉淀并由此將表面選擇性著色的著色劑。以此方式可以在物體表面上產(chǎn)生更好的顏色性質(zhì)。但是，這兩種材料的均勻混合和復(fù)雜的兩階段法成為問題。沒有描述如何和是否可以確保在多色印刷下實現(xiàn)良好的顏色圖像。
[0014]在US 6，401，002中，使用含不同著色劑和粘結(jié)劑的各種液體。所述液體分開滴加或在滴加過程之前經(jīng)由噴嘴中的管線合并。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道這兩種程序都導(dǎo)致不是最佳的顏色圖像。在前者中，在表面上在粘性液體中發(fā)生著色劑的混合。這種混合因此只是很少是完全的。在第二種程序中，管線中的壓力差可能造成非常強的顏色變化。
[0015]在借助印刷法制備三維物體方面最節(jié)省材料的并就機械設(shè)計而言也最有利的方法是熔融-沉積-成型(FDM)。這涉及擠出式數(shù)字制備體系。具有輕微改動的基本類似的方法，例如還以術(shù)語:熔絲制備(FFM)、熔融擠出制備(MEM)或選擇性沉積成型(SDM)提到。
[0016]在FDM法中，兩種不同的聚合物絲線在噴嘴中熔融并選擇性印刷。所述一種材料是只有在其上隨后印刷例如3D物體的外懸部分(其在印刷操作過程中必須被支撐)的位置需要的支撐材料?？呻S后例如通過溶解在酸、堿或水中來除去所述支撐材料。另一材料(構(gòu)造材料)形成真正的3D物體。在此，通常也逐層實現(xiàn)印刷。FDM法首次描述在US5，121，329中。在US 2000/20111707中泛泛地提到著色，但沒有詳細(xì)描述。
[0017]在EP I 558 440中描述的方法中，在后續(xù)方法步驟中彩色印刷各層。這種方法緩慢，而且在已固化的熱塑性塑料的印刷中造成分辨率差的顏色圖像。
[0018]在根據(jù)US 6，165，406的彩色3D打印法中，對各個顏色使用單獨的噴嘴。但是因此只有非常有限的混色可能性，并且顏色圖像變得非常簡單。
[0019]在US 7，648，664中描述的FDM的變體中，各種不同著色的構(gòu)造材料以顆粒形式使用，彼此分開熔融，并在將其打印施加之前根據(jù)顏色而定借助中間連接的擠出機彼此混合。這種方法需要非常復(fù)雜的裝置并失去FDM的許多優(yōu)點。
[0020]在根據(jù)EP I 432 566的非常類似的體系中，在熔融顆粒被直接打印施加之前在經(jīng)加熱的打印頭中直接進行熔融顆粒的混合。所述混合肯定不可能完全進行，且打印圖像的質(zhì)量相應(yīng)地差。此處的另外的缺點還在于，必須使用顆?；蚍勰┣疫@些必須在該機器中分開儲存和熔融。
[0021]US 6，129，872描述了構(gòu)造材料在噴嘴中熔融并在噴嘴末端將各種著色劑混合物選擇性計量到熔體中的方法。但是，這導(dǎo)致混合不足并且不干凈的顏色圖像。
[0022]US 2010/0327479描述了一種方法，其中在微擠出機中合并多個有色長絲并在其中連續(xù)擠出以產(chǎn)生新的著色長絲，隨后其進一步導(dǎo)引入打印頭以打印施加。這種方法需要要求很高和復(fù)雜的裝置?？蓪崿F(xiàn)的顏色范圍還受到長絲數(shù)的限制。在另選的實施方案中，也可以將不同顏色的長絲直接送入打印頭并在此混合。但是，這種變體也表現(xiàn)出所述缺點。
[0023]所有現(xiàn)有技術(shù)的方法都僅公開了其中基于擠出式3D打印，例如FDM 3D打印-要么在線涂布要么材料的基體本身已著色的技術(shù)。但是，在線涂布的缺點是為此需要具有相應(yīng)的在線涂布體系的專用3D打印機。相反，經(jīng)著色或含添加劑的基體材料具有必須使用不必要地大量染料、顏料或添加劑以實現(xiàn)良好結(jié)果的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]技術(shù)問題
[0025]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供用于3D打印法的長絲，采用其可使用少量染料、顏料和/或添加劑，制備經(jīng)著