TWI844560B - 用以製備三維物件之三維列印系統 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種用以製備一至少部分地由一膨脹聚合物所製之三維物件的三維列印系統，其包含： i)   一列印裝置，用以製備一可膨脹聚合物熔體並用以將該可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之一股沈積至一表面上，及 ii)   一三維移動裝置，用以於一預定義三維矩陣中調整該列印裝置之位置以容許在預定時間沈積可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股於該三維矩陣內之一精確位置上， 其中該列印裝置包含： a)   在該列印裝置之該上游端上的一饋送區段， b)   一加熱區段， c)   一加壓區段， d)   一發泡劑供應線， e)   一混合區段， f)   一冷卻區段，及 g)   在該列印裝置之該下游端上的一終端列印頭區段，其包括一用以將可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股沈積至該表面上的晶粒， 其中該混合區段e)和該冷卻區段f)被配置在該饋送區段a)、該加熱區段b)和該加壓區段c)的下游處，且其中該發泡劑供應線d)具有一或更多排出端，其係與該加壓區段c)、混合區段e)和冷卻區段f)之一或更多者連接。

Description

用以製備三維物件之三維列印系統

本發明係有關於一種用以製備一至少部分地由膨脹聚合物(諸如聚苯乙烯泡沫)所製的三維物件之三維列印系統；以及有關於一種用以製備一至少部分地由膨脹聚合物所製的三維物件之方法。

膨脹聚合物(亦即，聚合物泡沫)為多孔結構，其係由低密度所特徵化。泡沫被劃分為閉孔泡沫、開孔泡沫、混合孔泡沫和集成泡沫。雖然閉孔泡沫包含孔(其係完全地由固體聚合物材料所包圍且係以氣體來填充)，但開孔泡沫之孔並未完全地由固體聚合物材料所包圍而因此係彼此互連。由於此原因，開孔泡沫可吸收液體(諸如水)，而閉孔泡沫不會。混合孔泡沫包含開孔以及閉孔，而集成泡沫具有厚的、無孔的或至少實質上無孔的外壁以及介於其間的孔核，其中密度係從外壁至內核實質上連續地減少。 泡沫是輕易可形成的，其具有低張力強度、具有高聲響絕緣性質且進一步以低熱傳導性為特徵。考量這些性質，泡沫為可輕易工作的且被應用於多種商業領域。例如，閉孔泡沫(諸如由聚苯乙烯或聚氨酯所製之那些)被使用為熱絕緣材料，在工業之複數部分中，諸如(例如)當作建築絕緣材料。針對泡沫之商業應用的其他範例為聲響絕緣材料、襯墊、床墊、墊子及海綿。 泡沫可由幾乎所有商業上可用的聚合物所製，諸如乙烯-醋酸乙烯、聚乙烯、腈橡膠、丙烯腈和丁二烯之共聚物、聚氯平、聚醯亞胺、聚酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚乳酸、及聚氯乙烯。 用以產生泡沫物件的數種方法是已知的。因此一個範例是直接注射膨脹泡沫模製程序，其中包括發泡劑之加壓聚合物熔體係透過噴嘴而被注入模具。在該模具(其中存在有比加壓聚合物熔體之壓力更低的壓力)中，發泡劑膨脹，因此形成具有所欲形狀的聚合物泡沫。另一範例是在昇高的溫度下以及在具有發泡劑(諸如二氧化碳)的壓力下培養聚合物微粒於高壓釜中，在壓力被釋放以及溫度被降低前，以發泡該等微粒來發泡珠粒(beads)。這些泡沫珠粒可接著被注入模具，在該等泡沫珠粒被熱熔凝在其中而成為所欲形狀(藉由壓力及蒸汽之施加)以前。因此又另一範例係藉由如下方式以形成可膨脹聚合物珠粒：擠出包括聚合物熔體之已加壓、發泡劑通過晶粒板之晶粒；及在水中粒化器中粒化其直接位於該等晶粒後方的聚合物熔體股(strands)，其中該聚合物熔體在壓力下被冷卻以避免聚合物股之膨脹。可膨脹聚合物珠粒可接著被發泡且在模具中被熔凝成一具有所欲形狀的物件。 近來，已提議利用三維(3D)列印來產生發泡物件。此具有無須模製的優點，模製是費力且昂貴的。再者，三維列印是快速的，容許在製程期間改變材料且僅產生極小量的浪費。 CN 106493968 A揭露一種根據三維列印以產生發泡產品的方法及設備。該設備包含三維印表機，當作模製單元、超臨界滲透單元及發泡單元。雖然超臨界滲透單元包含預熱器、增壓泵、二氧化碳儲存槽及滲透容器，但發泡單元主要係由蒸汽產生器、泡沫盒及蓋板所組成。該方法包含以下步驟：第一，經由三維印表機以列印聚合物熔體之三維模型；第二，接著將已形成的三維模型置入超臨界滲透單元之滲透容器並滲透超臨界二氧化碳；及第三，在泡沫盒中執行三維模型之蒸汽發泡以獲得發泡產品。然而，此製程具有數個缺點。首先，其不容許產生其包含發泡區段及非發泡區段的併合物件。反之，此方法僅容許產生物件，其被完全地且均勻地發泡。此外，以此方法所產生的發泡產品之泡沫結構及密度無法被令人滿意地控制。 有鑑於此，強調本發明之目標係提供一種用以製備一至少部分地由膨脹聚合物所製之三維物件的三維列印系統及方法，該膨脹聚合物是更有彈性的且特別容許控制發泡產品之泡沫結構及密度並容許產生包含發泡區段和非發泡區段的併合物件。

依據本發明，此目標係藉由提供一種用以製備一至少部分地由一膨脹聚合物所製之三維物件的三維列印系統來滿足，該系統包含： i)   一列印裝置，用以製備一可膨脹聚合物熔體並用以將該可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之一股沈積至一表面上，及 ii)   一三維移動裝置，用以於一預定義三維矩陣中調整該列印裝置之位置以容許在預定時間沈積可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股於該三維矩陣內之一精確位置上， 其中該列印裝置包含： a)   在該列印裝置之該上游端上的一饋送區段， b)   一加熱區段， c)   一加壓區段， d)   一發泡劑供應線， e)   一混合區段， f)   一冷卻區段，及 g)   在該列印裝置之該下游端上的一終端列印頭區段，其包括一用以將可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股沈積至該表面上的晶粒， 其中該混合區段e)和該冷卻區段f)被配置在該饋送區段a)、該加熱區段b)和該加壓區段c)的下游處，且其中該發泡劑供應線d)具有一或更多排出端，其係與該加壓區段c)、該混合區段e)和該冷卻區段f)之一或更多者連接。 依據本發明之三維列印系統不會將一聚合物股沈積至該目標表面上，該聚合物股隨後必須被注入以發泡劑並接著被發泡。反之，依據本發明之三維列印系統係將包括發泡劑之聚合物的混合物之一股沈積至該目標表面上。在已被饋送入該列印裝置之該饋送區段a)後，該聚合物被熔化於該加熱區段b)中且被加壓於該加壓區段c)中，在發泡劑經由該發泡劑供應線d)而被注入該已加壓聚合物熔體。由於所供應的壓力，如此所形成的可膨脹已加壓聚合物熔體不會個別地膨脹或發泡在該列印裝置之此區段中。隨後，該可膨脹已加壓聚合物熔體被混合並冷卻，在藉由將其擠壓通過該列印裝置之該終端列印頭區段的該晶粒而使其被沈積至目標表面上以前。取決於(除了其他者之外)該列印裝置中所調整的該混合物之流率以及該冷卻區段中所調整的溫度，可膨脹聚合物、膨脹中聚合物或已膨脹聚合物之一股被沈積在該目標表面上。假如該混合物之溫度在該終端列印頭區段中是夠低的，則該混合物將僅(個別地)膨脹或發泡，在離開該終端列印頭區段後，當其接受該列印裝置外部之周遭溫度時，以使得其可膨脹聚合物(亦即，非已膨脹聚合物)之一股被沈積，其係於沈積期間(或者緊接於其後)膨脹在該表面上。然而，假如該終端列印頭區段中之混合物的溫度是更高的，則該混合物將已膨脹或發泡(個別地)，當離開該終端列印頭區段時(以使得膨脹中聚合物之一股被沈積)或甚至在離開該終端列印頭區段前(以使得已膨脹聚合物之一股被沈積)。因此，依據本發明之三維列印系統在此方面是極有彈性的。此外，依據 本發明之三維列印系統容許改變該列印裝置中包括發泡劑之聚合物的混合物中之發泡劑的濃度；容許藉由改變該加熱區段之溫度以改變該列印裝置中之混合物的溫度；容許改變其通過該列印裝置之混合物的流率；以及容許改變其隨著時間經過而饋送入該列印裝置之聚合物的種類。由於這些原因，依據本發明之三維列印系統容許隨意地控制發泡產品之泡沫結構及密度。再者，其容許產生包含已發泡區段及未發泡區段之併合物件，藉由暫時地停止將發泡劑添加入該聚合物熔體中。總之，本發明提供一種用以製備一至少部分地由膨脹聚合物所製之三維物件的三維列印系統及方法，該膨脹聚合物是更有彈性的且特別容許控制發泡產品之泡沫結構及密度並容許產生包含發泡區段和非發泡區段的併合物件。 原則上，本發明不特別限制有關列印裝置及其區段的形式。因此，該等區段之一或更多者可具有(例如)方形、矩形、橢圓形或圓形橫斷面，其中單一區段之尺寸可彼此相同或不同。當饋送區段a)、加熱區段b)、混合區段e)、及冷卻區段f)之一或更多者具有圓形橫斷面而因此(三維地看)為管狀的時，特別獲得了良好的結果。該等區段之各者可具有(例如)1至10 mm或2至4 mm之相同的內徑或不同的內徑。更理想地，至少饋送區段a)、加熱區段b)、混合區段e)及冷卻區段f)之各者均為具有相同內徑的管狀區段，其最好是介於1與10 mm之間而更理想地介於2與4 mm之間。 同時，本發明原則上不特別限制關於列印裝置之單一區段的順序，只要該混合區段e)和該冷卻區段f)被配置在該饋送區段a)、該加熱區段b)和該加壓區段c)的下游處，且只要該發泡劑供應線d)具有一或更多排出端，其係與該加壓區段c)、該混合區段e)和該冷卻區段f)之一或更多者連接。區段(在本背景中)係標示縱向段，亦即，延伸在列印裝置之縱向方向之段。 依據本發明之特定較佳實施例，區段a)至c)及e)至g)被依此順序配置從列印裝置之上游端至下游端。 替代地，區段a)至c)及e)至g)係依以下順序而被配置從該列印裝置之上游端至下游端：饋送區段a)接續以加壓區段c)接續以加熱區段b)接續以混合區段e)接續以冷卻區段f)接續以終端列印頭區段g)。 依據本發明之又一替代實施例，區段a)至c)被結合至一區段，亦即饋送區段a)被體現以亦為加熱區段b)及加壓區段c)。此結合區段a)、b)、c)接著接續以該混合區段e)接續以該冷卻區段f)接續以該終端列印頭區段g)。 又替代地，區段e)及f)被結合至一區段，亦即混合區段e)被結合以亦為冷卻區段f)。此實施例係與前述實施例相容，據此該等區段a)至c)被結合至一區段，以使得本發明之此實施例的列印裝置包含一結合的饋送、加熱和加壓區段a)、b)、c)以及其下游之一結合的混合和冷卻區段e)、f)。替代地，區段a)、b)和c)可為不同的，以使得列印裝置包含一上游饋送區段a)、其下游一加熱區段b)、其下游一加壓區段c)、其下游一結合的混合和冷卻區段e)、f)及其下游該終端列印頭區段g)。 饋送區段a)在其最簡單的實施例中是管子的管狀端區段。 為了形成加熱區段，列印裝置之個別區段可被設置以任何機構，其能夠加熱一存在管子中之聚合物以使得其熔化。例如，列印裝置之個別區段可被設置有一主動加熱元件(諸如帕耳帖元件)或一電阻加熱器、或者有一熱交換器。更明確地，帕耳帖元件、電阻加熱器或熱交換器可被設置在加熱區段之外壁上，其係特別較佳的，假如列印裝置之加熱區段b)是管狀區段的話以使得帕耳帖元件、電阻加熱器或熱交換器被設置在管之外壁上。 在本發明之概念的進一步發展中建議配置一冷卻區段於饋送區段a)與加熱區段b)之間。如此容許可靠地避免該聚合物被熔化在饋送區段a)中，由於熱被轉移入下游加熱區段b)中之聚合物。冷卻區段可為包含一管的管狀區段，其中帕耳帖元件、熱交換器或最好是冷卻風扇被設置在該管的外壁上。 亦關於加壓區段c)，本發明不特別限制。因此，加壓區段c)可由任何機構來形成，該機構能夠加壓一存在該管子中之聚合物，無論以固體之形式(假如加熱區段b)是在加壓區段c)之下游的話)或者最好是以熔體之形式(假如加熱區段b)是在加壓區段c)之上游的話)。最好是，加壓區段c)包含一活塞壓縮機、一螺旋壓縮機或一齒輪壓縮機。假如加壓區段c)被配置在加熱區段b)之下游處，則其進一步最好是：加壓區段c)包含一加熱元件以避免其流經加壓區段c)之聚合物熔體固化。在加壓區段c)中所提供的加熱元件可為帕耳帖元件、電阻加熱器或熱交換器。 如上所述，依據本發明，發泡劑供應線d)具有一或更多排出端，其係與加壓區段c)、混合區段e)及冷卻區段f)之一或更多者連接。因此，發泡劑供應線d)可包含三個排出端，其一個係與加壓區段c)連接，其另一個係與混合區段e)連接且其又另一個係與冷卻區段f)連接。替代地，發泡劑供應線d)可包含兩個排出端，其一個係與混合區段e)連接，其另一個係與冷卻區段f)連接。又替代地且實際上較佳地，發泡劑供應線d)包含一個排出端，其係與混合區段e)連接，且更理想地係與混合區段e)之上游部分連接。後者實施例是特別較佳的，當混合區段e)被配置在冷卻區段f)之下游處時。假如冷卻區段f)被配置在混合區段e)之下游處，則發泡劑供應線d)可具有一個排出端，其係與冷卻區段f)連接。 在本發明之概念的進一步發展中，建議其混合區段e)包含一或更多靜態混合器。即使原則上動態混合器(諸如擠壓機或揑合機)可被使用，但實際上最好是使用一或更多靜態混合器。此為較佳的，因為則個別地移動或旋轉元件(由於其為動態混合器之組件)是缺乏的。因此，需要較少的維修。再者，靜態混合器可被體現得夠小以使得其可被集成入一具有1至10 mm(且最好是2至4 mm)之內徑的管中。 冷卻區段f)可具有(例如)方形、矩形、橢圓形或圓形橫斷面。然而，最好是：冷卻區段f)是包含一管的管狀區段，其中帕耳帖元件、熱交換器或冷卻風扇被設置在該管的外壁上。更理想地，管狀冷卻區段f)之內徑是1至10 mm且特別最好是2至4 mm。 依據本發明之另一特別較佳的實施例，列印頭區段g)是錐形管狀區段，其中列印頭區段g)之下游部分被錐形化以形成晶粒。較佳地，列印頭區段g)之上游部分具有如饋送區段a)、加熱區段b)、混合區段e)及冷卻區段f)之至少一者的相同內徑，且更理想地具有如饋送區段a)、加熱區段b)、混合區段e)及冷卻區段f)之各者的相同內徑。晶粒最好是具有0.1至1.0 mm(且更理想地0.1至0.5 mm)之內徑。 依據另一形態，本發明係有關於一種用以製備一至少部分地由已膨脹聚合物所製的三維物件之方法，其中該方法被履行在前述三維列印系統中。 較佳地，該方法包含以下步驟： a)   熔化一聚合物以獲得一聚合物熔體， b)   加壓該聚合物熔體以獲得一已加壓聚合物熔體， c)   發送至少一發泡劑入該已加壓聚合物熔體中以獲得一可膨脹已加壓聚合物熔體， d)   使該可膨脹已加壓聚合物熔體均勻化，藉由使其通過至少一混合器且最好是藉由使其通過至少一靜態混合器以獲得一已均勻化可膨脹已加壓聚合物熔體， e)   冷卻該已均勻化的、可膨脹已加壓聚合物熔體以獲得一已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，及 f)   成形、沈積和發泡該已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，藉由將其擠壓通過該列印裝置之該晶粒。 於一替代實施例中，前述步驟之順序被改變。例如，步驟a)及b)可藉由將該聚合物擠壓通過一結合的饋送、加熱和加壓區段a)、b)、c)而被同時地履行。 同時，步驟d)及e)可藉由將該可膨脹已加壓聚合物熔體聚合物擠壓通過一結合的混合和冷卻區段e)、f)而被同時地履行。 兩個前述實施例可被結合以使得步驟a)及b)係藉由將該聚合物擠壓通過一結合的饋送、加熱和加壓區段a)、b)、c)而被同時地履行；且步驟d)及e)藉由將該可膨脹已加壓聚合物熔體聚合物擠壓通過一結合的混合和冷卻區段e)、f)而被同時地履行。在此實施例中，該方法包含以下步驟：i)熔化並加壓一聚合物以獲得一已加壓聚合物熔體，ii)發送至少一發泡劑入該已加壓聚合物熔體中以獲得一可膨脹已加壓聚合物熔體，iii)均勻化並冷卻該可膨脹已加壓聚合物熔體，及iv)成形、沈積和發泡該已冷卻、已均勻化、可膨脹已加壓聚合物混合物，藉由將其擠壓通過該列印裝置之該晶粒。 於又一替代實施例中，在包含步驟a)至f)之前述實施例中，步驟b)可被履行在步驟a)之前，以使得首先該聚合物被加壓，在該已加壓聚合物被熔化以前。 於又一替代實施例中，在包含步驟a)至f)之前述實施例中，步驟be)可被履行在步驟d)之前，以使得首先該可膨脹已加壓聚合物熔體被冷卻，在該已冷卻可膨脹已加壓聚合物熔體被混合以前。 兩個前述實施例可被結合以使得該方法包含以下步驟： a)   加壓該聚合物以獲得一已加壓聚合物， b)   熔化該已加壓聚合物以獲得一已加壓聚合物熔體， c)   發送至少一發泡劑入該已加壓聚合物熔體中以獲得一可膨脹已加壓聚合物熔體， d)   冷卻該可膨脹已加壓聚合物熔體以獲得一已冷卻可膨脹已加壓聚合物混合物，及 e)   使該已冷卻可膨脹已加壓聚合物混合物均勻化，藉由使其通過至少一混合器且最好是藉由使其通過至少一靜態混合器以獲得一已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物， f)   成形、沈積和發泡該已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，藉由將其擠壓通過該列印裝置之該晶粒。 為了調整由該發泡劑在膨脹期間所形成的泡泡之大小，在本發明之概念的進一步發展中建議：至少一成核劑被添加至該聚合物，其中該至少一成核劑最好是被添加在該熔化步驟a)之前及/或在該熔化步驟a)之後、但在該均勻化步驟e)之前。 當該成核劑被選自由以下所組成之群組時特別獲得了良好的結果：滑石、蠟、石墨、皂土及前述成分之二或更多者的任意組合。 本發明可被履行以任何可發泡聚合物。因此適當範例為選自由以下所組成之群組的聚合物：熱塑性聚氨酯、聚烯(諸如聚乙烯或聚丙烯)、聚酯(諸如聚對酞酸乙二酯)、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚苯乙烯、聚乳酸、熱塑性彈性體、腈橡膠、丙烯腈和丁二烯之共聚物、聚氯平、聚醯亞胺、聚乙烯氯化物 及前述聚合物之二或更多者的任意組合。 該聚合物可進入該列印裝置之饋送區段a)以任何形式，諸如特別地以聚合物熔體、聚合物微粒、聚合物小丸、聚合物纖維或聚合物佈線之形式，個別地。 即使本發明可被履行以一或更多化學發泡劑，特別最好是：依據本發明之方法中所使用的發泡劑是物理發泡劑。物理發泡劑之較佳範例是選自由以下所組成之群組的那些：二氧化碳、氮、水、環戊烷、異丁烷、戊烷及前述成分之二或更多者的任意組合。 根據所應用的聚合物之種類，在步驟c)中所獲得之可膨脹已加壓聚合物熔體可具有60至270℃之溫度且被加壓到2至50 MPa。 例如，假如該聚合物為熱塑性聚氨酯的話，則在步驟c)中所獲得之可膨脹已加壓聚合物熔體具有最好是100至180℃之溫度且被加壓到2至50 MPa。 然而，假如該聚合物為聚烯(諸如聚乙烯或聚丙烯)，則最好是在步驟c)中所獲得之可膨脹已加壓聚合物熔體具有60至120℃之溫度且被加壓到2至50 MPa。 依據進一步形態，本發明係有關於一種三維物件，其可利用前述方法來獲得。三維物件可特別地是聲響絕緣材料、襯墊、床墊、墊子、海綿、鞋底、運動鞋、保護性設備、支撐結構或填充結構。 依據本發明之特定實施例係參考附圖1而接著被描述。

圖1中所示之列印裝置10包含(從其上游端12至其下游端14)依此順序之以下區段： i)    一饋送區段16， ii)   一冷卻區段18， iii)  一加熱區段20， iv)  一加壓區段22， v)   一混合區段24， vi)  一冷卻區段28，及 vii) 在該列印裝置之該下游端上的一終端列印頭區段30，其包括一用以將可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股沈積至該表面上的晶粒32， 其中提供一具有排出端之發泡劑供應線26，其係與混合區段24之上部分連接。 雖然饋送區段16是列印裝置10之上游管狀端區段，但冷卻區段18被體現為設置在具有冷卻風扇之其外壁上的管狀區段。加熱區段20為一管狀區段，其包含在外管壁上之帕耳帖元件，而加壓區段22包含螺旋壓縮機。混合區段24為包含靜態混合器之一管狀區段，而冷卻區段28為一管狀區段，其外壁設有帕耳帖元件。 在操作期間，一種用以製備至少部分地由一已膨脹聚合物所製之三維物件的方法被履行，其包含以下步驟： i)    饋送一聚合物入該饋送區段16， ii)   冷卻該冷卻區段18中之該聚合物以避免在該饋送區段16中已熔化， iii)  在該加熱區段20中熔化該聚合物以獲得一聚合物熔體， iv)  在該加壓區段22中加壓該聚合物熔體以獲得一已加壓聚合物熔體， v)   發送至少一發泡劑通過該氣體供應線26而進入該已加壓聚合物熔體，在該混合區段24之上游部分中，以獲得一可膨脹已加壓聚合物熔體， vi)  使該可膨脹已加壓聚合物熔體均勻化，藉由使其通過該混合區段24中所提供的混合器以獲得一已均勻化可膨脹已加壓聚合物熔體， vii) 在該冷卻區段28中冷卻該已均勻化的、可膨脹已加壓聚合物熔體以獲得一已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，及 viii) 成形、沈積和發泡該已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，藉由將其擠壓通過該列印裝置10之該列印頭區段30的該晶粒32。 之後，本發明係藉由非限制性範例來進一步闡明。範例 1 一三維印表機之熱端(列印頭)係依據本專利申請案之申請專利範圍第1項來建構，以將發泡劑直接地溶解為已熔化聚合物。熔化區段之內徑為1.7 mm。發泡劑係藉由HPLC泵而被打入發泡劑供應線。已熔化聚合物與發泡劑之混合物通過靜態混合器(SMX DN3之4元件)，其中發泡劑被與聚合物均勻化。最後，已浸漬熔體通過一標準的0.4 mm列印噴嘴。熔化區段及發泡劑注入係藉由一電氣加熱鋁塊而被加熱，同時靜態混合器係藉由鋁塊被冷卻而無加熱匣(熱消散至環境)。兩加熱塊被加熱至相同溫度。 列印條件係如下： 纖維：來自3D-Printerstore.ch之Pro Fill PET 列印溫度：205℃ 擠壓速度：15 mm/min (乘以0.6與發泡劑) 發泡劑：Acetone(丙酮) (0.005 ml/min) 發泡劑含量(17% w/w) 圖2顯示PET之一方形單層。列印係從外部至內部進行，亦即，股之外回被先放下。在第三回期間，發泡劑流開始且推擠速度減少40%。首兩回之股是透明且清澈的，而接下來的股清楚地含有由發泡劑所造成的泡泡。 在已履行的測試中，發泡製程是穩定的；聚合物纖維係恆定地發泡為時間的函數，沒有在大小及/或流速上之可見的改變。 在最終物件上之尺寸精確度不會可見地受發泡製程所影響。為了補償密度之減少，其係減少在列印已發泡物件期間的流率。 在已發泡物件中之多層間的良好黏合被觀察到且可藉由手動地擠壓已發泡物件來證實。範例 2 以相同列印噴嘴移動所列印的PET方塊被顯示於圖3中。左方塊係無添加發泡劑地被列印而右方塊被列印以17%發泡劑且纖維推擠速度減少0.6之因數。已發泡方塊比以沒有發泡劑所列印的方塊輕了35%。由於在上述單層中，該等股中之泡泡是可見的。 圖4顯示其被推擠通過列印噴嘴的股之放大圖。在右邊，PET纖維係以15 mm/min之推擠速度被推擠而無添加發泡劑。該股為清澈且均勻的，沒有可見的泡泡。在左邊，PET被推擠以9 mm/min且添加丙酮以當作發泡劑。由於發泡劑，該股現在含有泡泡，亦即，其被發泡。 在已履行的測試中，發泡製程是穩定的；聚合物纖維係恆定地發泡為時間的函數，沒有在大小及/或流速上之可見的改變。 在最終物件上之尺寸精確度不會可見地受發泡製程所影響。為了補償密度之減少，其係減少在列印已發泡物件期間的流率。 在已發泡物件中之多層間的良好黏合被觀察到且可藉由手動地擠壓已發泡物件來證實。

10:列印裝置 12:列印裝置之上游端 14:列印裝置之下游端 16:饋送區段 18:冷卻區段 20:加熱區段 22:加壓區段 24:混合區段 26:發泡劑供應線 28:冷卻區段 30:列印頭區段 32:晶粒

於附圖中： [圖1]顯示一列印裝置之概略橫斷面圖，該列印裝置係用以製備一可膨脹聚合物熔體並用以將該可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之一股沈積至一三維列印系統之一表面上，該三維列印系統係用以製備一至少部分地由一已膨脹聚合物所製的三維物件，依據本發明之範例實施例。 [圖2]顯示範例1中所獲得的PET之方形單層。 [圖3]顯示範例2中所獲得的量個PET方塊。 [圖4]顯示其被推擠通過範例2中之列印噴嘴的股之放大圖。

10:列印裝置

12:列印裝置之上游端

14:列印裝置之下游端

16:饋送區段

18:冷卻區段

20:加熱區段

22:加壓區段

24:混合區段

26:發泡劑供應線

28:冷卻區段

30:列印頭區段

32:晶粒

Claims (12)

1. 一種用以製備一至少部分地由一已膨脹聚合物所製之三維物件的三維列印系統，其包含：i)一列印裝置(10)，用以製備一可膨脹聚合物熔體並用以將該可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之一股沈積至一表面上，及ii)一三維移動裝置，用以於一預定義三維矩陣中調整該列印裝置之位置以容許在預定時間沈積可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股於該三維矩陣內之一精確位置上，其中該列印裝置(10)包含：a)在該列印裝置之該上游端(12)上的一饋送區段(16)，b)一加熱區段(20)，c)一加壓區段(22)，d)一發泡劑供應線(26)，e)一混合區段(24)，f)一冷卻區段(28)，及g)在該列印裝置(10)之該下游端(14)上的一終端列印頭區段(30)，其包括一用以將可膨脹、膨脹中或已膨脹聚合物之該股沈積至該表面上的模具(32)，其中該混合區段(24)和該冷卻區段(28)被配置在該饋送區段(16)、該加熱區段(20)和該加壓區段(22)的下游 處，其中該發泡劑供應線(26)具有一或更多排出端，其係與該加壓區段(22)、該混合區段(24)和該冷卻區段(28)之一或更多者連接，其中該冷卻區段f)是包含一管之一管狀區段，其中一帕耳帖元件、一電阻加熱器、一熱交換器或冷卻風扇被設置在該管之外壁上，且其中該加壓區段(22)包含一活塞壓縮機、一螺旋壓縮機或一齒輪壓縮機，及其中i)該饋送區段(16)、該加熱區段(20)、該加壓區段(22)、該混合區段(24)、該冷卻區段(28)及該列印頭(30)係依此順序從該列印裝置(10)之該上游端(12)至該下游端(14)配置，或ii)該饋送區段(16)、該加熱區段(20)、該加壓區段(22)、該混合區段(24)、該冷卻區段(28)及該列印頭(30)係依以下順序從該列印裝置(10)之該上游端(12)至該下游端(14)配置：該饋送區段(16)接續以該加壓區段(22)接續以該加熱區段(20)接續以該混合區段(24)接續以該冷卻區段(28)接續以該列印頭(30)，或iii)該饋送、加熱及加壓區段(16)、(20)及(22)被結合至一區段，其係接續以該混合區段(24)，其係接續以該冷卻區段(28)，其係接續以該列印頭區段(30)。
2. 如請求項1之三維列印系統，其中至少該饋送區段(16)、該加熱區段(20)、該混合區段(24)及該冷卻區段(28)為具有相同內徑的管狀區段，該內徑是介於1 與10mm之間。
3. 如請求項1之三維列印系統，其中該加熱區段(20)是包含一管之一管狀區段，其中冷卻風扇被設置在該管之外壁上。
4. 如請求項1之三維列印系統，其中該加壓區段(22)之該壁包含一加熱機構，其為一帕耳帖元件、一電阻加熱器或一熱交換器。
5. 如請求項1之三維列印系統，其中該冷卻區段(28)被配置在該混合區段(24)之下游處，且其中該發泡劑供應線(26)具有一排出端，其係與該混合區段(24)之上游部分連接。
6. 如請求項1之三維列印系統，其中該冷卻區段(28)被配置在該混合區段(24)之上游處，且其中該發泡劑供應線(26)具有一排出端，其係與該混合區段(24)之上游部分連接。
7. 如請求項1之三維列印系統，其中該列印頭區段(30)是錐形管狀區段，其中該列印頭區段(30)之下游部分被錐形化以形成模具(32)；及其中該列印頭區段(30)之上游部分具有如該饋送區段(16)、該加熱區段(29)、該混合區段(24)及該冷卻區段(28)之至少一者的相同內徑，及其中該模具(32)具有0.1至1.0mm之一內徑。
8. 一種用以製備一至少部分地由一已膨脹聚合物所製之三維物件的方法，其中該方法被履行在依據如請求項1的三維列印系統中， 其中該方法包含以下步驟：a)熔化一聚合物以獲得一聚合物熔體，b)加壓該聚合物熔體以獲得一已加壓聚合物熔體，c)發送至少一發泡劑入該已加壓聚合物熔體中以獲得一可膨脹已加壓聚合物熔體，d)使該可膨脹已加壓聚合物熔體均勻化，此係藉由使其通過至少一混合器以獲得一已均勻化可膨脹已加壓聚合物熔體，e)冷卻該已均勻化的、可膨脹已加壓聚合物熔體以獲得一已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，及f)成形、沈積和發泡該已冷卻已均勻化可膨脹已加壓聚合物混合物，此係藉由將其擠壓通過該列印裝置(10)之該模具(32)。
9. 如請求項8之方法，其中至少一成核劑被添加至該聚合物，其中該至少一成核劑最好是被添加在步驟a)之前及/或在步驟a)之後、但在步驟d)之前。
10. 如請求項8之方法，其中該聚合物被選自由以下所組成之群組：熱塑性聚氨酯、聚烯烴、聚酯、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、乙烯丙烯酸丁酯共聚物、聚苯乙烯、聚乳酸、熱塑性彈性體、腈橡膠、丙烯腈和丁二烯之共聚物、聚氯平、聚醯亞胺、聚氯乙烯及前述聚合物之二或更多者的任意組合。
11. 如請求項8之方法，其中該發泡劑是選 自由以下所組成之群組的一物理發泡劑：二氧化碳、氮、水、環戊烷、異丁烷、戊烷及前述成分之二或更多者的任意組合。
12. 如請求項8之方法，其中在步驟c)中所獲得之該可膨脹已加壓聚合物熔體具有60至270℃之溫度且被加壓到2至50MPa。

Images