用于使用粒料打印3D物体的方法与流程

本发明涉及一种用于制造3d物品的方法。此外，本发明涉及一种用于这种方法的3d打印机。

背景技术：

1、在接下来的10年至20年内，数字化制造将日益转变全球制造业的性质。数字化制造的方面中的一个方面是3d打印。目前，已经开发出许多不同的技术，以便使用各种材料(诸如陶瓷、金属和聚合物)来生产各种3d打印物体。

2、最广泛使用的增材制造技术是被称为熔融沉积成型(fdm)的过程。熔融沉积成型(fdm)是一种常用于建模、原型设计和生产应用的增材制造技术。fdm通过将材料分层铺设，按照“增材”原理工作；塑料细丝或金属线从线圈解开，并且供给材料以生产零件。例如，对于热塑性塑料，细丝可以在铺设之前被熔化和挤出。通常，fdm打印机使用热塑性细丝，该细丝被加热到其熔点，然后被逐层挤出，或者一根一根地被挤出，以创建三维物体。fdm打印机相对较快、成本低，并且可以用于打印复杂的3d物体。这种打印机用于使用各种聚合物打印各种形状。该技术也在led照明器和照明解决方案的生产中得到进一步发展。

3、最近，在3d打印机中使用挤出机以用于使用粒状3d可打印材料直接打印到表面(例如，构建板)上变得越来越重要。在3d打印机中使用粒状3d可打印材料提供了成本效益的优势，因为这种材料与细丝相比便宜得多。此外，它还提供了能够使用以下材料的优势，该材料难以或者甚至不可能以细丝的形式使用，例如因为它们太脆。

4、在本文的其余部分，粒状3d可打印材料也被称为“粒料”(pellet)。然而，由于使用粒料状3d可打印材料的挤出过程的性质，开始和停止打印以及达到稳定状态的挤出需要时间。

5、因此，需要提供一种使用粒料状3d可打印材料制造3d打印物品的改进方法。

6、cn107116788公开了一种具有挤出设备的3d打印机，该挤出设备可以被提供有颗粒状打印材料。3d打印机还具有用于摇动颗粒状打印材料的冲击机构。

技术实现思路

1、考虑到上述情况，本发明提供了一种使用3d打印机借助于熔融沉积成型来生产3d物品的这种方法。该方法包括以下步骤：

2、a)提供多个细长粒料，多个细长粒料中的每个细长粒料包括第一3d可打印材料，第一3d可打印材料包括第一热塑性聚合物，其中多个细长粒料中的每个细长粒料沿纵向轴线具有长度l_p，并且在与纵向轴线基本垂直的方向上具有宽度w_p，

3、b)将多个细长粒料进料到送料容器中，

4、c)在对准元件中将多个细长粒料对准，使得多个细长粒料中的细长粒料的纵向轴线基本彼此平行，从而形成对准的多个细长粒料，

5、d)将对准的多个细长粒料通过进料管道进料到3d打印机的打印机头中，以及

6、e)逐层沉积第一3d可打印材料(1)，从而获得包括第一3d打印材料(1)的至少一个层的3d物品(6)。

7、使用粒料作为3d可打印材料的3d打印机通常具有挤出机，该挤出机包括螺杆和喷嘴。通过使用细长粒料，并且通过在对准元件中将这些细长粒料对准，可以不必使用挤出机螺杆来输送粒料。相反，现在可以简单地使用带有反向旋转轮的装置。

8、通过能够在不必使用挤出机螺杆的情况下输送粒料，现在可以克服使用粒状3d可打印材料的挤出过程的上述缺点，即它需要相对较长时间来开始和停止打印以及达到稳定状态的挤出。当使用挤出机螺杆输送粒料时，挤出机螺杆内部会建立压力，并且通常需要相对较长的时间才能释放该压力。这就是为什么在使用粒状3d可打印材料的通常挤出过程中需要相对较长的时间才能开始和停止打印以及达到稳定状态的挤出的原因。当使用备选输送机构(诸如，采用反向旋转轮的机构)代替挤出机螺杆时，不存在这种压力释放时间，因此开始和停止打印以及达到稳定状态的挤出要快得多。

9、术语“细长”在本发明的上下文中旨在意指粒料的长度l_p明显大于粒料的宽度w_p。特别地，多个细长粒料中的每个细长粒料的长宽比(ar)(被定义为l_p/w_p)可以具有从2到10的值。较高的ar提供更高效的粒料对准和输送。

10、优选地，所有细长粒料具有相同的长宽比。备选地，细长粒料的ar可以略有不同。

11、术语“3d可打印材料”指代要被沉积或打印的材料，并且术语“3d打印材料”指代在沉积之后获得的材料。这些材料可以基本上相同，因为3d可打印材料可以特别指代在高温下在打印机头或挤出机中的材料，并且3d打印材料指代相同的材料，但在沉积时处于后期阶段。3d打印材料可以作为细丝进行打印，并且被如此沉积。3d可打印材料可以被提供为细丝，或可以被形成为细丝。因此，无论应用哪种起始材料，包括3d可打印材料的细丝都可以由打印机头提供，并且进行3d打印。术语“挤出物”可以用于定义在打印机头的下游但尚未被沉积的3d可打印材料。后者被指示为“3d打印材料”。实际上，挤出物包括3d可打印材料，因为该材料尚未被沉积。在沉积3d可打印材料或挤出物时，该材料因此被指示为3d打印材料。通常，3d可打印材料、挤出物和3d打印材料是相同的材料，因为打印机头上游的材料、打印机头下游的材料以及沉积时的材料基本上是相同的材料。

12、在本文中，术语“3d可打印材料”也可以被指示为“可打印材料”。术语“聚合物材料”可以指代不同聚合物的混合物，但在实施例中也可以指代具有不同聚合物链长度的基本上单一聚合物类型。因此，术语“聚合物材料”或“聚合物”可以指代单一类型的聚合物，但也可以指代多种不同的聚合物。术语“可打印材料”可以指代单一类型的可打印材料，但也可以指代多种不同的可打印材料。术语“打印材料”可以指代单一类型的打印材料，但也可以指代多种不同的打印材料。

13、对准元件可以是管道等，并且可以是进料容器的组成部分。进料容器可以具有任何适当的形状和尺寸。特别地，进料容器可以是进料漏斗，该进料漏斗具有被布置成接纳细长粒料的第一端部，并且具有被布置成释放细长粒料的第二端部，其中第一端部的横截面大于第二端部的横截面。进料漏斗的第二端部可以被连接到对准元件。一旦细长粒料到达进料漏斗的第二端部，它们就被进料到对准元件，它们在对准元件中被对准。

14、步骤c)可以通过向进料容器提供机械力来执行。这种机械力可以是振动等。

15、步骤d)可以借助于推动元件和/或输送元件来执行。推动元件可以是柱塞，输送元件可以是轮式输送机。

16、多个细长粒料中的每个细长粒料沿着细长粒料的长度可以包括至少第一部分和至少第二部分。第一部分可以具有与第二部分的性质不同的性质。该性质可以从由以下各项组成的组中选择：光学性质、物理性质、机械性质及其组合。光学性质可以是颜色、反射率、吸收率和/或光透射率。物理性质可以是热导率。机械性质可以是热塑性聚合物。

17、多个细长粒料中的每个细长粒料可以包括多个第一部分和/或多个第二部分。多个第一部分和/或多个第二部分可以沿着细长粒料的长度对称布置。特别地，细长粒料沿着粒料的长度可以具有不同的颜色，优选以对称设计布置。由于粒料的细长形状，可以控制粒料摄入的定向，从而在3d物品中提供交替图案。通过使用具有对称图案的粒料，在3d物品中获得了完美的交替设计。如上所述，粒料可具有在反射率、吸收率和/或光透射率方面不同的部分。例如，细长粒料可以在一端具有透明部分，在另一端具有透明部分，并且在第一端和第二端之间布置有反射部分。提出的粒料例如可以通过双组分挤出制成。

18、多个细长粒料中的每个细长粒料可以包括3d可打印芯材料和3d可打印壳材料，其中第一3d打印材料包括芯和壳，芯包括3d打印芯材料，并且壳包括3d打印壳材料，其中壳至少部分地围住芯，并且其中3d可打印芯材料和/或3d可打印壳材料包括导电材料和/或导热材料。由于粒料的细长形状，可以控制粒料摄入的定向，从而将3d物品中的导电和/或导热芯的定向对准。细长粒料的壳可以包括导电和/或导热粒子，以便改进3d物品的电导率和/或热导率。

19、本发明的方法还可以包括以下步骤：

20、f)将第二3d可打印材料进料到3d打印机的打印机头中，以及

21、g)逐层沉积第二3d可打印材料，从而获得包括具有第二3d打印材料的至少一个层的3d物品。

22、第二3d可打印材料可以包括不同于第一热塑性聚合物的第二热塑性聚合物。优选地，第二3d可打印材料是细丝的形式。步骤f)可以紧接在步骤d)之前或之后出现。换句话说，将第二3d可打印材料进料到3d打印机的打印机头中，可以紧接在将对准的多个细长粒料通过进料管道进料到3d打印机的打印机头中之前出现。备选地，步骤f)可以紧接在步骤d)之前出现。还可以预期，步骤f)紧接在步骤d)之前和之后出现，即，第一3d可打印材料和第二3d可打印材料被交替地进料到3d打印机的喷嘴。

23、第一3d可打印材料和/或第二3d可打印材料可以包括添加剂，相对于热塑性材料和添加剂的总体积，添加剂的体积百分比最大是约60vol.％，特别地最大是约30vol.％，诸如最大是20vol.％。

24、至少一种添加剂可以从由以下各项组成的组中选择：抗氧化剂、热稳定剂、光稳定剂、紫外光稳定剂、紫外光吸收添加剂、近红外光吸收添加剂、红外光吸收添加剂、增塑剂、润滑剂、脱模剂、抗静电剂、防雾剂、抗菌剂、着色剂、激光标记添加剂、表面效果添加剂、辐射稳定剂、阻燃剂和防滴剂。添加剂可以具有选自光学性质、电性质、热性质和机械性质的有用性质。

25、通常，第一热塑性材料和第二热塑性材料具有玻璃化转变温度t_g和/或熔化温度t_m。第一热塑性材料的玻璃化转变温度t_g和/或熔化温度t_m可以与第二热塑性材料的玻璃化转变温度t_g和/或熔化温度t_m相同或不同。3d可打印材料在离开喷嘴之前将被3d打印机加热到至少玻璃化转变温度的温度，并且通常至少为熔化温度。因此，打印机头行动可以包括将3d可打印材料加热到玻璃化转变温度以上或熔化温度以上。应当注意，熔化在聚合物链脱离其晶体结构并且变为无序液体时出现，而玻璃化转变是发生在无定形聚合物上的转变；也就是说，聚合物的链不是被布置成有序晶体，而是以任何方式散布，即使它们处于固态。聚合物可以是无定形的，基本上具有玻璃化转变温度而没有熔化温度，或者可以是(半)结晶的，通常具有玻璃化转变温度和熔化温度两者，其中通常后者高于前者。玻璃化转变温度和熔点可以利用差示扫描量热法进行确定。

26、本发明的方法可以由3d打印机执行，例如借助于包括指令的计算机程序产品，计算机程序产品在由3d打印机执行时，使3d打印机实施该方法。

27、本发明还涉及一种借助于熔融沉积成型生产3d物品的3d打印机，该3d打印机包括第一供给元件，用于供给多个细长粒料，该多个细长粒料包括第一3d可打印材料，其中多个细长粒料中的每个细长粒料沿纵向轴线具有长度l_p，并且在与纵向轴线基本垂直的方向上具有宽度w_p。第一供给元件可以是传送带、漏斗、进料器等。

28、本发明的3d打印机还包括用于接纳多个细长粒料的进料容器以及对准元件，对准元件被布置成将多个细长粒料对准，使得多个细长粒料中的细长粒料的纵向轴线基本彼此平行，从而形成对准的多个细长粒料。

29、对准元件是对准管道等，并且可以是进料容器的组成部分。进料容器是进料漏斗，进料漏斗具有被布置成接纳细长粒料的第一端部，并且具有被布置成释放细长粒料的第二端部，其中第一端部的横截面大于第二端部的横截面。进料漏斗的第二端部被连接到对准元件。一旦细长粒料到达进料漏斗的第二端部，它们就被进料到对准元件，在那里它们被对准。对准元件可以是与进料容器机械连接的分离元件。

30、3d打印机还包括用于接纳对准的多个细长粒料的进料管道，以及包括喷嘴的打印机头。喷嘴可以被设置到喷嘴温度t_n，并且它被布置成逐层沉积第一3d可打印材料，从而获得包括第一3d打印材料的至少一个层的3d物品。

31、3d打印机还可以包括第二供给元件，用于提供第二3d可打印材料。第二3d可打印材料可以包括不同于第一热塑性聚合物的第二热塑性聚合物。优选地，第二3d可打印材料是细丝的形式。第一供给元件和第二供给元件可以被布置成基本彼此平行。

32、在特定实施例中，第一3d可打印材料和第二3d可打印材料可以被交替地进料到3d打印机的喷嘴，以便获得具有特定图案和/或其它性质的3d物品。例如，第一3d可打印材料可以包括多个细长粒料，其中多个细长粒料包括具有第一颜色的第一组细长粒料，以及具有第二颜色的第二组细长粒料。在对准的多个细长粒料中，第一组的细长粒料和第二组的细长粒料可以被交替布置。此外，第二3d可打印材料可以是具有第三颜色的细丝的形式。通过以特定方式进料第一3d可打印材料和第二3d可打印材料，可以在3d物品上创建所需的图案。

33、根据本发明的3d打印机还可以包括切割元件，切割元件被布置在第一供给元件的上游，并且被配置成提供多个细长粒料。换句话说，第一3d可打印材料可以作为细丝被提供，并且由切割元件切割成细长粒料。备选地，第一3d可打印材料可以作为块体被提供，例如以珠子等形式。在这种实施例中，可以使用挤出机一遍挤出第一3d可打印材料，第一3d可打印材料随后被进料到3d打印机的切割元件中。这种实施例提供了快速并且经济高效的制造优势。

34、根据本发明的3d打印机还可以包括沿进料管道布置的推动元件和/或传输元件。推动元件和/或传输元件可以促进对准的细长粒料通过进料管道的进料。推动元件可以是柱塞，并且传输元件可以是轮式输送机。

35、通过根据本发明的方法制造的3d物品可以容易地被提供有所需的性质，诸如颜色图案、透明部分、热导率和/或电导率等。3d物品包括彼此叠置的多个层。换句话说，3d物品包括层堆栈，其中层堆栈中的每个层具有宽度w_l和高度h_l。层的高度是在堆叠方向上测量的层的尺寸，并且层的宽度是垂直于层的高度定向的尺寸。各个3d打印层的宽度w_l和高度h_l可以从100μm至5000μm的范围进行选择，诸如200μm至2500μm，其中高度通常小于宽度。例如，高度和宽度的比率可以等于或小于0.8，诸如等于或小于0.6。应当注意，每个层的层宽度w_l和/或层高度h_l可以与其它层的层宽度w_l和/或层高度h_l相同或不同。3d打印物品可以包括至少5层，诸如至少8层，或至少10层。

36、通过根据本发明的方法制造的3d物品可以被包括在照明设备中，其中3d物品被配置为照明设备壳体的至少一部分、照明室壁的至少一部分、光学元件、电气部件、散热器中的一者或多者。

37、因此，根据本发明的方法允许使用粒状3d可打印材料来制造3d物品，从而提供简单和成本效益的优势。此外，该方法具有高度的通用性，提供了改进的设计自由度，其中用户可以根据3d物品所需的设计来选择适当的3d可打印材料以及调整材料的进料。

38、第一热塑性聚合物可以是单一材料，或者可以是两种以上材料的组合。类似地，第二热塑性聚合物可以是单一材料，或者可以是两种以上材料的组合。

39、可打印材料被打印在接收器物品上。特别地，接收器物品可以是构建平台，或者可以被构建平台包括。接收器物品也可以在3d打印期间被加热。然而，接收器物品也可以在3d打印期间被冷却。

40、短语“在接收器物品上打印”和类似短语尤其包括直接在接收器物品上打印，或者在接收器物品上的涂层上打印，或者在先前打印在接收器物品上的3d打印材料上打印。术语“接收器物品”可以指代打印平台、打印床、衬底、支撑件、构建板或构建平台。也可使得用术语“衬底”代替术语“接收器物品”。因此，短语“在衬底上打印”和类似短语尤其包括直接在衬底上打印、在衬底上的涂层上打印或者在先前打印在衬底上的3d打印材料上打印。

41、可打印材料被逐层沉积，由此在打印阶段期间生成3d打印物品。3d打印物品可以显示源自沉积细丝的特征肋状结构。然而，在打印阶段之后，还可以执行进一步的阶段，诸如最终确定阶段。该阶段可以包括从接收器物品移除打印物品，和/或一个或多个后处理行动。可以在从接收器物品移除打印物品之前执行一个或多个后处理行动，和/或可以在从接收器物品移除打印物品之后执行一个或多个后处理行动。后处理可以包括抛光、涂覆、添加功能性部件和交联中的一种或多种。后处理可以包括对肋状结构进行平滑，这可以导致基本光滑的表面。后处理可以包括热塑性材料的交联。这可以导致材料的热塑性性质减少或消失。