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CN112888542A - 用于制备三维物体的3d打印系统 - Google Patents

用于制备三维物体的3d打印系统 Download PDF

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CN112888542A
CN112888542A CN201980071144.7A CN201980071144A CN112888542A CN 112888542 A CN112888542 A CN 112888542A CN 201980071144 A CN201980071144 A CN 201980071144A CN 112888542 A CN112888542 A CN 112888542A
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Abstract

本发明涉及一种用于制备至少部分地由已膨胀聚合物制成的三维物体的三维打印系统,其包括:i)打印设备(10),所述打印设备(10)用于制备可膨胀聚合物熔体,并且用于将可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物的股线沉积到表面上;以及ii)三维移动设备,所述三维移动设备用于在预先限定的三维矩阵中调整所述打印设备的位置,从而允许在预先确定的时间将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积在所述三维矩阵内的精确位置处,其中所述打印设备包括:a)馈送区段(16),所述馈送区段(16)在所述打印设备的上游端处;b)加热区段(20);c)加压区段(22);d)发泡剂供应管线(26);e)混合区段(24);f)冷却区段(28);以及g)末端打印头区段(30),所述末端打印头区段(30)在所述打印设备的下游端处,包括用于将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积到所述表面上的模具,其中所述混合区段e)和所述冷却区段f)布置在所述馈送区段a)、所述加热区段b)和所述加压区段c)的下游,并且其中所述发泡剂供应管线d)具有一个或多个排放端,所述一个或多个排放端与所述加压区段c)、混合区段e)和冷却区段f)中的一者或多者连接。

Description

用于制备三维物体的3D打印系统
技术领域
本发明涉及一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物(例如聚苯乙烯泡沫)制成的三维物体的三维打印系统,并且涉及一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法。
背景技术
已膨胀聚合物(即,聚合物泡沫)是多孔结构,其特征在于低密度。泡沫分为闭孔泡沫、开孔泡沫、混合多孔泡沫和整体泡沫。虽然闭孔泡沫包括被固体聚合物材料完全环绕并且填充有气体的孔,但是开孔泡沫的孔不被固体聚合物材料完全环绕、并且因此彼此互连。因此,开孔泡沫可以吸收液体(例如水),而闭孔泡沫不吸收液体。混合多孔泡沫包括开孔和闭孔,而整体泡沫具有厚的非多孔或至少基本上非多孔的外壁以及在其间的多孔芯,其中密度基本上连续地从外壁到内芯减小。
泡沫容易形成、具有低张力强度、具有高隔音性质,并且此外,其特征在于低导热性。由于这些性质,泡沫容易加工,并且应用于各种商业领域中。例如,闭孔泡沫(例如由聚苯乙烯或聚氨酯制成的那些)在多个工业领域中用作绝热材料,诸如例如用作建筑保温材料。泡沫的商业应用的其它示例是隔音材料、衬垫、床垫、垫子和海绵。
泡沫可以由几乎所有市售聚合物制成,例如由乙烯-醋酸乙烯酯、聚乙烯、丁腈橡胶、丙烯腈和丁二烯的共聚物、聚氯丁烯、聚酰亚胺、聚酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乳酸和聚氯乙烯制成。
已知数种用于生产泡沫制品的方法。因此,一个示例是直接注射膨胀泡沫模制工艺,其中通过喷嘴将包括发泡剂的经加压的聚合物熔体注射到模子中。在其中存在比经加压的聚合物熔体的压力更低的压力的模子中,发泡剂膨胀,因此按所期望的形状形成聚合物泡沫。另一示例是在释放压力和降低温度之前通过发泡剂(例如二氧化碳)在升高的温度和压力下在高压釜中温育聚合物颗粒,以便使所述颗粒发泡成泡沫珠粒(bead)。然后,可以将这些泡沫珠粒注射到模子中,然后通过施加压力和蒸汽,使所述泡沫珠粒在所述模子中热熔融成所期望的形状。因此,仍另一示例是通过使包括聚合物熔体的经加压的发泡剂通过模具板的模具挤出并且通过在水下造粒机中使聚合物熔体股线(strand)直接在模具后面造粒来形成可膨胀的聚合物珠粒,其中聚合物熔体在压力下冷却以避免聚合物股线的膨胀。然后,所述可膨胀聚合物珠粒可以在模子中发泡和熔融成具有所期望形状的制品。
最近,已经提出利用三维(3D)打印来生产泡沫制品。这具有如下优点:不需要费力且生产昂贵的模制品。此外,3D打印很快,从而允许在所述过程期间改变材料,并且仅产生非常少量的废物。
CN 106493968 A公开一种基于3D打印生产发泡产品的方法和装置。所述装置包括作为模制单元的3D打印机、超临界渗透单元和发泡单元。虽然所述超临界渗透单元包括预热器、增压泵、二氧化碳存储罐和渗透容器,但是发泡单元主要由蒸汽发生器、泡沫箱和盖板组成。所述方法包括以下步骤:首先,经由3D打印机打印聚合物熔体的三维模型;其次,将所形成的三维模型放入超临界渗透单元的渗透容器中,并且使超临界二氧化碳渗透;以及第三,在泡沫箱中执行三维模型的蒸汽发泡,以便获得发泡产品。然而,此过程具有数个缺点。首先,其并不允许生产包括发泡区段和非发泡区段的混合制品。相反,此方法仅允许生产完全且均匀发泡的制品。另外,无法令人满意地控制通过此方法生产的发泡产品的泡沫结构和密度。
发明内容
鉴于此,本发明的目的是提供一种3D打印系统以及一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法,其更灵活,并且特别允许控制发泡产品的泡沫结构和密度,并且允许生产包括发泡区段和非发泡区段的混合制品。
根据本发明,此目的通过提供一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的3D打印系统来满足,所述3D打印系统包括:
i)打印设备,所述打印设备用于制备可膨胀聚合物熔体,并且用于将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物的股线沉积到表面上;以及
ii)三维移动设备,所述三维移动设备用于在预先限定的三维矩阵中调整所述打印设备的位置,从而允许在预先确定的时间将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积在所述三维矩阵内的精确位置处,
其中所述打印设备包括:
a)馈送区段,所述馈送区段在所述打印设备的上游端处,
b)加热区段,
c)加压区段,
d)发泡剂供应管线,
e)混合区段,
f)冷却区段;以及
g)末端打印头区段,所述末端打印头区段在所述打印设备的下游端处,包括用于将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积到表面上的模具,
其中所述混合区段e)和所述冷却区段f)布置在所述馈送区段a)、所述加热区段b)和所述加压区段c)的下游,并且其中所述发泡剂供应管线d)具有一个或多个排放端,所述一个或多个排放端与所述加压区段c)、所述混合区段e)和所述冷却区段f)中的一者或多者连接。
根据本发明的3D打印系统并不将聚合物股线沉积到目标表面上,所述聚合物股线必须随后注射发泡剂、并且然后发泡。相反,根据本发明的3D打印系统将包括发泡剂的聚合物的混合物的股线沉积到目标表面上。在已经馈送到打印设备的馈送区段a)中之后,所述聚合物在加热区段b)中熔化,并且在加压区段c)中加压,然后经由发泡剂供应管线d)将发泡剂注射到经加压的聚合物熔体中。由于所施加的压力,如此形成的可膨胀经加压的聚合物熔体并不在打印设备的此区段中分别膨胀或发泡。随后,混合并冷却所述可膨胀经加压的聚合物熔体,然后通过将其按压通过打印设备的末端打印头区段的模具而将其沉积到目标表面上。尤其依赖于在打印设备中调整的混合物的流率和在冷却区段中调整的温度,将可膨胀聚合物、膨胀中的聚合物或已膨胀聚合物的股线沉积到目标表面上。如果混合物的温度在末端打印头区段中足够低,则所述混合物将仅在离开末端打印头区段之后、在经受打印设备外部的环境温度时分别膨胀或发泡,使得可以沉积可膨胀聚合物(即,未膨胀聚合物)的股线,所述聚合物在沉积期间或者在所述表面上沉积之后立即膨胀。然而,如果末端打印头区段中的混合物的温度较高,则所述混合物在离开末端打印头区段时就将已经分别膨胀或发泡(使得沉积了膨胀中聚合物的股线)或者甚至在离开末端打印头区段之前就将已经分别膨胀或发泡(使得沉积了已经膨胀的聚合物的股线)。因此,根据本发明的3D打印系统在这方面非常灵活。另外,根据本发明的3D打印系统允许改变打印设备中包括发泡剂的聚合物的混合物中发泡剂的浓度,从而允许通过改变冷却区段的温度来改变打印设备中的所述混合物的温度,从而允许改变所述混合物通过打印设备的流率,并且从而允许随时间的推移改变馈送到打印设备中的聚合物的种类。由于这些原因,根据本发明的3D打印系统允许任意控制发泡产品的泡沫结构和密度。此外,通过暂时停止将发泡剂添加到聚合物熔体中,允许生产包括发泡区段和非发泡区段的混合制品。总而言之,本发明提供一种3D打印系统以及一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法,其更灵活,并且特别允许控制发泡产品的泡沫结构和密度,并且允许生产包括发泡区段和非发泡区段的混合制品。
原则上,关于打印设备及其区段的形式,本发明并不特别受限。因此,所述区段中的一者或多者可以具有例如正方形、矩形、椭圆体或圆形横截面,其中单个区段的尺寸可以彼此相同或不同。当馈送区段 a)、加热区段b)、混合区段e)和冷却区段f)中的一者或多者具有圆形横截面、并且因此(三维地观看)为管状时,特别地获得良好结果。所述区段中的每一者可以具有例如1至10 mm或2至4 mm的相同内直径或不同内直径。更优选地,至少馈送区段a)、加热区段b)、混合区段e)和冷却区段f)全部都是具有相同内直径的管状区段,所述内直径优选地在1与10 mm之间、并且更优选地在2与4 mm之间。
同样,原则上,关于打印设备的单个区段的次序,本发明并不特别受限,只要混合区段e)和冷却区段f)布置在馈送区段a)、加热区段b)和加压区段c)的下游,并且只要发泡剂供应管线d)具有一个或多个排放端,所述一个或多个排放端与加压区段c)、混合区段e)和冷却区段f)中的一者或多者连接。在此上下文中,区段表示纵向段,即,沿打印设备的纵向方向延伸的段。
根据本发明的一个特别优选的实施例,区段a)至c)以及e)至g)从打印设备的上游端到下游端按此次序布置。
可替代地,区段a)至c)以及e)至g)从打印设备的上游端到下游端按如下次序布置:馈送区段a)、之后是加压区段c)、之后是加热区段b)、之后是混合区段e)、之后是冷却区段f)、之后是末端打印头区段g)。
根据本发明的仍替代性实施例,区段a)至c)组合成一个区段,即,馈送区段a)被实施成也是加热区段b)和加压区段c)。此组合区段 a)、b)、c)的下游之后是混合区段e)、之后是冷却区段f)、之后是末端打印头区段g)。
仍可替代地,区段e)和f)组合成一个区段,即,混合区段e)被实施成也是冷却区段f)。此实施例与上述实施例兼容,根据此,区段a)至c)组合成一个区段,使得本发明的此实施例的打印设备包括组合馈送、加热和加压区段a)、b)、c)以及其下游的组合混合和冷却区段e)、f)。可替代地,区段a)、b)和c)可以不同,使得所述打印设备包括上游馈送区段a)、其下游的加热区段b)、其下游的加压区段c)、其下游的组合混合和冷却区段e)、f)以及其下游的末端打印头区段g)。
馈送区段a)在其最简单实施例中是管道的管状端部区段。
为了形成加热区段,打印设备的相应区段可以设置有任何能够加热管道中存在的聚合物以使其熔化的器件。例如,打印设备的相应区段可以设置有主动加热元件,例如珀尔帖(Peltier)元件或电阻加热器,或者设置有热交换器。更具体来说,珀尔帖元件、电阻加热器或热交换器可以设置在加热区段的外壁上,特别优选的是如果,打印设备的加热区段b)是管状区段,使得所述珀尔帖元件、所述电阻加热器或所述热交换器设置在所述管子的外壁上。
在本发明的构思的进一步扩展中,建议在馈送区段a)与加热区段b)之间布置冷却区段。这允许可靠地避免聚合物因下游加热区段b)中传递到所述聚合物的热量而在馈送区段a)中熔化。所述冷却区段可以是包括管子的管状区段,其中珀尔帖元件、热交换器、或者优选地冷却翅片设置在所述管子的外壁上。
同样关于加压区段c),本发明并不特别受限。因此,加压区段c)可以通过任何方式形成,其能够对管道中存在的聚合物进行加压,所述聚合物呈固体形式(如果加热区段b)在加压区段c)的下游)或者优选地呈熔体形式(如果加热区段b)在加压区段c)的上游)。优选地,所述加压区段c)包括活塞压缩机、螺杆压缩机或齿轮压缩机。如果加压区段c)布置在加热区段b)的下游,则进一步优选的是,加压区段c)包括加热元件,以便避免流过加压区段c)的聚合物熔体凝固。加压区段c)中设置的加热元件可以是珀尔帖元件、电阻加热器或热交换器。
如上文所阐述的,根据本发明,发泡剂供应管线d)具有一个或多个排放端,所述一个或多个排放端与加压区段c)、混合区段e)和冷却区段f)中的一者或多者连接。因此,发泡剂供应管线d)可以包括三个排放端,其中的一者与加压区段c)连接,其中的另一者与混合区段e)连接,并且其中的另一者与冷却区段f)连接。可替代地,发泡剂供应管线d)可以包括两个排放端,其中的一者与混合区段e)连接,并且其中的另一者与冷却区段f)连接。仍可替代地,并且实际上优选地,发泡剂供应管线d)包括一个排放端,其与混合区段e)连接、并且更优选地与混合区段e)的上游部分连接。当混合区段e)布置在冷却区段f)的上游时,后一实施例是特别优选的。如果冷却区段f)布置在混合区段e)的上游,则发泡剂供应管线d)可以具有一个排放端,其与冷却区段f)连接。
在本发明的构思的进一步扩展中,建议混合区段e)包括一个或多个静态混合器。即使原则上也可以使用动态混合器(例如挤出机或捏合机),但是实际上优选的是使用一个或多个静态混合器。这是优选的,因为于是分别缺少移动或旋转元件,因为其是动态混合器的整体部件。因此,需要较少维护。此外,静态混合器可以实施成足够小,使得其可以集成到具有1至10 mm、并且优选地2至4 mm的内直径的管子中。
冷却区段f)可以具有例如正方形、矩形、椭圆体或圆形横截面。然而,优选的是,冷却区段f)是包括管子的管状区段,其中珀尔帖元件、热交换器或冷却翅片设置在所述管子的外壁上。更优选地,管状冷却区段f)的内直径为1至10 mm、并且特别优选地为2至4 mm。
根据本发明的另一特别优选的实施例,打印头区段g)是渐缩管状区段,其中打印头区段g)的下游部分渐缩以便形成模具。优选地,打印头区段g)的上游部分具有与馈送区段a)、加热区段b)、混合区段e)和冷却区段f)中的至少一者相同的内直径,并且更优选地,优选地具有与馈送区段a)、加热区段b)、混合区段e)和冷却区段f)中的所有都相同的内直径。所述模具优选地具有0.1至1.0 mm、并且更优选地0.1至0.5 mm的内直径。
根据另一方面,本发明涉及一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法,其中所述方法在上述三维打印系统中实施。
优选地,所述方法包括以下步骤:
a)使聚合物熔化以便获得聚合物熔体,
b)对所述聚合物熔体加压以便获得经加压的聚合物熔体,
c)将至少一种发泡剂施配到所述经加压的聚合物熔体中,以便获得可膨胀经加压的聚合物熔体,
d)通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个混合器、并且优选地通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个静态混合器来使其均质化,以便获得经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体,
e)使所述经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体冷却,以便获得经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物;以及
f)通过使所述经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物通过打印设备的模具挤出来对其进行成形、沉积和发泡。
在替代性实施例中,改变上述步骤的次序。例如,可以通过使聚合物通过组合馈送、加热和加压区段a)、b)、c)挤出来同时实施步骤a)和b)。
同样,可以通过使可膨胀经加压的聚合物熔体聚合物通过组合混合和冷却区段e)、f)挤出来同时实施步骤d)和e)。
可以组合两个上述实施例,使得通过使所述聚合物通过组合馈送、加热和加压区段a)、b)、c)挤出来同时实施步骤a)和b),并且通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体聚合物通过组合混合和冷却区段e)、f)挤出来同时实施步骤d)和e)。在此实施例中,所述方法包括如下步骤:i)使聚合物熔化并对其加压以便获得经加压的聚合物熔体, ii)将至少一种发泡剂施配到所述经加压的聚合物熔体中以便获得可膨胀经加压的聚合物熔体, iii)使所述可膨胀经加压的聚合物熔体均质化并使其冷却,以及iv)通过使所述经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物通过打印设备的模具挤出来对其进行成形、沉积和发泡。
在仍替代性实施例中,在包括步骤a)至f)的上述实施例中,步骤b)可以在步骤a)之前实施,使得首先对聚合物进行加压,然后使所述经加压的聚合物熔化。
在仍替代性实施例中,在包括步骤a)至f)的上述实施例中,步骤e)可以在步骤d)之前实施,使得首先使所述可膨胀经加压的聚合物熔体冷却,然后混合所述经冷却的可膨胀经加压的聚合物熔体。
可以组合两个上述实施例,使得所述方法包括以下步骤:
a)对聚合物加压以便获得经加压的聚合物,
b)使所述经加压的聚合物熔化以便获得经加压的聚合物熔体,
c)将至少一种发泡剂施配到所述经加压的聚合物熔体中,以便获得可膨胀经加压的聚合物熔体,
d)使所述可膨胀经加压的聚合物熔体冷却,以便获得经冷却的可膨胀经加压的聚合物混合物,以及
e)通过使所述经冷却的可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个混合器、并且优选地通过使所述经冷却的可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个静态混合器来使其均质化,以便获得经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物,
f)通过使所述经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物通过打印设备的模具挤出来对其进行成形、沉积和发泡。
为了调整在膨胀期间由发泡剂形成的气泡的大小,在本发明的构思的进一步扩展中,建议将至少一种成核剂添加到所述聚合物,其中所述至少一种成核剂优选地在熔化步骤a)之前和/或在熔化步骤a)之后、但是在均质化步骤e)之前添加。
当所述成核剂选自由以下组成的群组时,特别地获得良好结果:滑石粉、蜡、石墨、膨润土以及上述化合物中的两者或更多者的任意组合。
本发明可以用任何可发泡聚合物实施。因此,合适示例是选自由以下组成的群组的聚合物:热塑性聚氨酯、聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯)、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚苯乙烯、聚乳酸、热塑性弹性体、丁腈橡胶、丙烯腈和丁二烯的共聚物、聚氯丁烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯以及上述聚合物中的两者或更多者的任意组合。
所述聚合物可以按任何形式进入打印设备的馈送区段a),例如特别是分别按聚合物熔体、聚合物颗粒、聚合物料球、聚合物丝或聚合物线的形式。
即使本发明可以用一种或多种化学发泡剂实施,但是特别优选的是,在根据本发明的方法中使用的发泡剂是物理发泡剂。物理发泡剂的优选示例是选自由以下组成的群组的那些:二氧化碳、氮气、水、环戊烷、异丁烷、戊烷以及上述化合物中的两者或更多者的任意组合。
根据所施加聚合物的种类,在步骤c)中获得的所述可膨胀经加压的聚合物熔体可以具有60至270°C的温度,并且被加压到2至50 MPa。
例如,如果所述聚合物是热塑性聚氨酯,则在步骤c)中获得的可膨胀经加压的聚合物熔体优选地具有100至180°C的温度,并且被加压到2至50 MPa。
然而,如果所述聚合物是聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯),则优选的是,在步骤c)中获得的可膨胀经加压的聚合物熔体具有60至120°C的温度,并且被加压到2至50 MPa。
根据另一个方面,本发明涉及一种可通过上述方法获得的三维物体。所述三维物体可以特别是隔音材料、衬垫、床垫、垫子、海绵、鞋底、运动鞋、保护装备、支撑结构或填充结构。
附图说明
随后参考所附图1描述根据本发明的具体实施例。
在附图中:
图1 示出根据本发明的一个示例性实施例的打印设备的示意性横截面,所述打印设备用于制备可膨胀聚合物熔体并且用于将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物的股线沉积到用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的3D打印系统的表面上;
图2 示出在示例1中获得的正方形PET单层;
图3 示出在示例2中获得的两个PET立方体;
图4 示出通过示例2中的打印喷嘴挤出的股线的放大图片。
具体实施方式
图1中所示的打印设备10从其上游端12到其下游端14按此次序包括以下区段:
i)馈送区段16,
ii)冷却区段18,
iii)加热区段20,
iv)加压区段22,
v)混合区段24,
vi)冷却区段28,以及
vii)末端打印头区段30,末端打印头区段30在所述打印设备的下游端处,包括用于将所述可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积到所述表面上的模具32,
其中发泡剂供应管线26设置有排放端,所述排放端与混合区段24的上部部分连接。
虽然馈送区段16是打印设备10的上游管状端部区段,但是冷却区段18实施为在其外壁上设置有冷却翅片的管状区段。加热区段20是在外部管子壁上包括珀尔帖元件的管状区段,而加压区段22包括螺杆压缩机。混合区段24是包括静态混合器的管状区段,而冷却区段28是管状区段,其外壁设置有珀尔帖元件。
在操作期间,实施一种用于制备至少部分由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法,其包括以下步骤:
i)将聚合物馈送到馈送区段16中,
ii)在冷却区段18中使所述聚合物冷却,以避免在馈送区段16中已经熔化,
iii)在加热区段20中使所述聚合物熔化,以便获得聚合物熔体,
iv)在加压区段22中对所述聚合物熔体加压,以便获得经加压的聚合物熔体,
v)通过气体供应管线26将至少一种发泡剂施配到混合区段24的上游部分中的经加压的聚合物熔体中,以便获得可膨胀经加压的聚合物熔体,
vi)通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体通过混合区段24中设置的混合器来使其均质化,以便获得经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体,
vii)在冷却区段28中使所述经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体冷却,以便获得经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物,以及
viii)通过使所述经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物通过打印设备10的打印头区段30的模具32挤出来对其进行成形、沉积和发泡。
随后,通过非限制性示例进一步示出本发明。
示例1
根据本专利申请的权利要求1构造3D打印机的热端(打印头)以使发泡剂直接溶解到熔化聚合物中。熔化区段的内直径为1.7 mm。借助于HPLC泵将发泡剂泵送到发泡剂供应管线中。使熔化聚合物和发泡剂的混合物通过静态混合器(SMX DN3的4个元件),其中发泡剂与聚合物均质化。最后,使浸渍熔体通过标准0.4 mm打印喷嘴。用电加热的铝块来加热熔化区段和发泡剂注射部,而用不带加热筒的铝块来使静态混合器冷却(热量耗散到环境)。将两个加热块加热到相同温度。
打印条件如下:
丝:来自3D-Printerstore.ch公司的Pro Fill PET
打印温度:205°C
挤出速度:15毫米/分钟(在有发泡剂的情况下,0.6倍)
发泡剂:丙酮(0.005毫升/分钟)
发泡剂含量(17% w/w)
图2示出正方形PET单层。打印从外部进行到内部,即,首先铺设股线的外圈。在第三圈期间,发泡剂流动开始,并且挤出速度降低40%。前两个圈的股线透明且清晰,而后面的股线显然包含由发泡剂引起的气泡。
在所实施的测试中,发泡过程稳定;聚合物丝随时间的推移不断发泡,而大小和/或流率无明显变化。
最终物体的尺寸精度在视觉上不受发泡过程的影响。为了补偿密度的减小,在打印发泡物体期间降低流率。
观察到发泡物体中的层之中的良好粘附力,并且可以通过手动挤压发泡物体来对其进行确认。
示例2
图3中示出以相同打印喷嘴移动打印的两个PET立方体。左侧立方体在不添加发泡剂的情况下打印,而右侧锥体在17%发泡剂并且使丝挤出速度降低到0.6的情况下打印。发泡立方体比在无发泡剂的情况下打印的立方体轻35%。如在以上单层中一样,股线中的气泡可见。
图4示出通过打印喷嘴挤出的股线的放大图片。在右侧,在没有添加发泡剂的情况下以15毫米/分钟的挤出速度挤出PET丝。所述股线清晰且均质,无气泡可见。在左侧,在9毫米/分钟的挤出速度并且添加丙酮作为发泡剂的情况下挤出PET。由于发泡剂,股线现在包含气泡,即,其会发泡。
在所实施的测试中,发泡过程稳定;聚合物丝随时间的推移不断发泡,而大小和/或流率无明显变化。
最终物体的尺寸精度在视觉上不受发泡过程的影响。为了补偿密度的减小,在打印发泡物体期间降低流率。
观察到发泡物体中的层之中的良好粘附力,并且可以通过手动挤压发泡物体来对其进行确认。
附图标记列表
10 打印设备
12 打印设备的上游端
14 打印设备的下游端
16 馈送区段
18 冷却区段
20 加热区段
22 加压区段
24 混合区段
26 发泡剂供应管线
28 冷却区段
30 打印头区段
32 模具

Claims (15)

1. 一种用于制备至少部分地由已膨胀聚合物制成的三维物体的三维打印系统,其包括:
i)打印设备(10),所述打印设备(10)用于制备可膨胀聚合物熔体,并且用于将可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物的股线沉积到表面上;以及
ii)三维移动设备,所述三维移动设备用于在预先限定的三维矩阵中调整所述打印设备(10)的位置,从而允许在预先确定的时间将可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积在三维矩阵内的精确位置处,
其中,所述打印设备(10)包括:
a)馈送区段(16),所述馈送区段(16)在所述打印设备的上游端(12)处,
b)加热区段(20),
c)加压区段(22),
d)发泡剂供应管线(26),
e)混合区段(24),
f)冷却区段(28);以及
g)末端打印头区段(30),所述末端打印头区段(30)在所述打印设备(10)的下游端(14)处,包括用于将可膨胀、膨胀中或已膨胀聚合物股线沉积到所述表面上的模具(32),
其中,所述混合区段(24)和所述冷却区段(28)布置在所述馈送区段(16)、所述加热区段(20)和所述加压区段(22)的下游,并且其中,所述发泡剂供应管线(26)具有一个或多个排放端,所述一个或多个排放端与所述加压区段(22)、所述混合区段(24)和所述冷却区段(28)中的一者或多者连接。
2. 根据权利要求1所述的三维打印系统,其中,至少所述区段(16)、(20)、(24)和(28)是具有相同内直径的管状区段,所述内直径优选地在1与10 mm之间、并且更优选地在2与4mm之间。
3. 根据权利要求1或2所述的三维打印系统,其中,
i)所述馈送区段(16)、所述加热区段(20)、所述加压区段(22)、所述混合区段(24)、冷却区段(28)和所述打印头(30)从所述打印设备(10)的上游端(12)到下游端(14)按此次序布置,或者
ii)所述馈送区段(16)、所述加热区段(20)、所述加压区段(22)、所述混合区段(24)、冷却区段(28)和所述打印头(30)从所述打印设备(10)的上游端(12)到下游端(14)按如下次序布置:馈送区段(16)、之后是所述加压区段(22)、之后是所述加热区段(20)、之后是所述混合区段(24)、之后是所述冷却区段(28)、之后是所述打印头区段(30),或者
iii)所述馈送、加热和加压区段(16)、(20)和(22)组合成一个区段,之后是所述混合区段(24)、之后是所述冷却区段(28)、之后是所述打印头区段(30)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的三维打印系统,其中,所述加热区段(20)是包括管子的管状区段,其中,珀尔帖元件、电阻加热器或热交换器设置在所述管子的外壁上。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的三维打印系统,其中,所述加压区段(22)包括活塞压缩机、螺杆压缩机或齿轮压缩机,其中,所述加压区段(22)的壁优选地包括加热器件,所述加热器件优选地是珀尔帖元件、电阻加热器或热交换器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的三维打印系统,其中,所述冷却区段(28)布置在所述混合区段(24)的下游,并且其中,所述发泡剂供应管线(26)具有一个排放端,所述排放端与所述混合区段(24)连接、并且优选地与所述混合区段(24)的上游部分连接。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的三维打印系统,其中,所述冷却区段(28)布置在所述混合区段(24)的上游,并且其中,所述发泡剂供应管线(26)具有一个排放端,所述排放端与所述冷却区段(28)或者与所述混合区段(24)、并且优选地与所述混合区段(24)的上游部分连接。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的三维打印系统,其中,所述打印头区段(30)是渐缩管状区段,其中,所述打印头区段(30)的下游部分渐缩以便形成所述模具(32),并且其中,所述打印头区段(30)的上游部分优选地具有与所述馈送区段(16)、所述加热区段(29)、所述混合区段(24)和所述冷却区段(28)中的至少一者相同的内直径,并且更优选地,优选地具有与所述馈送区段(16)、所述加热区段(29)、所述混合区段(24)和所述冷却区段(28)中的所有都相同的内直径,并且其中,所述模具(32)优选地具有0.1至1.0 mm、并且更优选地0.1至0.5 mm的内直径。
9.一种用于制备至少部分地由已膨胀聚合物制成的三维物体的方法,其中,所述方法在根据前述权利要求中的任一项所述的三维打印系统中实施。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述方法包括以下步骤:
a)使聚合物熔化,以便获得聚合物熔体,
b)对所述聚合物熔体加压,以便获得经加压的聚合物熔体,
c)将至少一种发泡剂施配到所述经加压的聚合物熔体中,以便获得可膨胀经加压的聚合物熔体,
d)通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个混合器、并且优选地通过使所述可膨胀经加压的聚合物熔体通过至少一个静态混合器来使其均质化,以便获得经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体,
e)使所述经均质化的可膨胀经加压的聚合物熔体冷却,以便获得经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物;以及
f)通过使所述经冷却经均质化的可膨胀经加压的聚合物混合物通过所述打印设备(10)的所述模具(32)挤出来对其进行成形、沉积和发泡。
11.根据权利要求9或10所述的方法,其中,将至少一种成核剂添加到所述聚合物,其中,所述至少一种成核剂优选地在步骤a)之前和/或在步骤a)之后、但是在步骤d)之前添加。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法,其中,所述聚合物选自由以下组成的群组:热塑性聚氨酯、聚烯烃、聚酯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚苯乙烯、聚乳酸、热塑性弹性体、丁腈橡胶、丙烯腈和丁二烯的共聚物、聚氯丁烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯以及上述聚合物中的两者或更多者的任意组合。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法,其中,所述发泡剂是物理发泡剂,并且优选地是选自由以下组成的群组的物理发泡剂:二氧化碳、氮气、水、环戊烷、异丁烷、戊烷以及上述化合物中的两者或更多者的任意组合。
14. 根据权利要求9至13中的任一项所述的方法,其中,在步骤c)中获得的所述可膨胀经加压的聚合物熔体具有60至270°C的温度,并且被加压到2至50 MPa。
15.一种能够通过根据权利要求9至14中的任一项所述的方法获得的三维物体,其优选地是隔音材料、衬垫、床垫、垫子、海绵、鞋底、运动鞋、保护装备、支撑结构或填充结构。
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