CN107921703A - 清洁组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开多种新颖的清洁组合物,可用于从通过3D喷墨印刷等积层制造所获得的一印刷物体除去一固化支撑材料。所述清洁组合物是含有两种碱性物质的一组合的含水碱性组合物,所述两种碱性物质为:一碱金属氢氧化物及一碱金属硅酸盐,分别具有一浓度不超过所述组合物的总重量的3重量百分比。所述清洁组合物的特征在于高及恒定的溶解速率,并且特别适用于除去包括多个交联聚合物链(如多个交联聚丙烯酸酯链)的一固化支撑材料。本发明还公开多种包含所述碱性物质的套组,及多种利用所述清洁组合物或套组制造三维模型物体的方法,以及一种由所述方法制造的三维模型物体。

Description

清洁组合物
技术领域及背景技术
本发明在其一些实施例中,是有关于积层制造(AM),特别但不限于是有关于一种用于除去可用于积层制造的一固化支撑材料的多个制剂,也作为多个清洁组合物,以及用于制备多个所述清洁组合物的多个套组,以及使用其的积层制造方法。
积层制造(AM)是通过积层形成步骤(积层制造,AM)直接从计算机数据制造任意形状结构的技术。任何积层制造系统的基本操作包括将一三维计算机模型切片成多个薄的横截面,将结果转换成二维位置数据并将所述数据提供给以一分层方式制造一三维结构的控制设备。
积层制造需要许多不同的制造方法,包括三维印刷,如3D喷墨打印、电子束熔化、立体光刻、选择性激光烧结、层压物体制造、熔融沈积建模等。
三维(3D)印刷工艺(例如3D喷墨打印)通过多个建构材料的逐层喷墨沉积来执行。因此,一建构材料从具有一组多个喷嘴的喷头分配,以将多个层沉积在一支撑结构上。视建构材料而定,然后可以使用一合适的装置使多个层被固化或固体化。
各种三维印刷技术存在并被公开在例如美国专利公告第6,259,962号、第6,569,373号、第6,658,314号、第6,850,334号、第6,863,859号、第7,183,335号、第7,209,797号、第7,225,045号、第,7,300,619号和第7,500,846号以及美国专利申请公开第20130073068号,全部为同一个申请人。
在积层制造(AM)过程中,所述建构材料可以包括“模型材料”(也称为“物体材料”或“制模材料”),其被沉积以产生期望的模型物体,并且经常使用另一种材料(“支撑材料”或“支承材料”)来为模型物体在建造时提供临时支撑。另一种材料在本文中被称为“支撑材料”或“支承材料”,并用于在建构中支撑物体的特定区域并确保后续多个物体层能够垂直放置。例如,在模型物体包括悬垂的特征或形状的情况下,例如弯曲的几何形状、负角、空隙等等,物体通常使用相邻的支撑构造来建构,所述相邻的支撑构造在印刷期间被使用,并且随后被移除以显示所制造的模型物体的最终形状。
制模材料和支撑材料最初可以是液体并随后硬化以形成所需的层形状。硬化过程可以通过多种方法进行,例如UV固化、相变、结晶、干燥等。在所有情况下,支撑材料都沉积在制模材料附近,使得可能形成复杂的物体几何形状和填充物体空隙。在这种情况下,去除硬化的支撑材料可能是困难且耗时的,并且可能损坏形成的最终物体。
当使用目前可用的商业喷头如喷墨印刷头时,在加工即喷射温度下,支撑材料应该具有相对低的粘度(约10-20cPs),以使其能够被喷射。此外,支撑材料应该快速硬化以允许构建之后的多个层。此外,硬化的支撑材料应该具有足够的机械强度来固定模型材料,并且具有低的形变以避免几何缺陷。
现有的用于去除支撑材料的方法包括机械冲击(由工具或水喷射施加)以及化学方法,例如在加热或不加热的情况下在溶剂中溶解。机械方法是劳动密集型的,并且常常不适用于小的复杂部件,因此经常使用化学溶解方法。
为了溶解支撑材料,通常将制造的物体浸入水中或能够溶解支撑材料的溶剂中。用于溶解支撑材料的溶液在本文中也称为“清洁溶液”或“清洁组合物”。然而,在很多情况下,支撑材料去除过程可能涉及危险材料、手工及/或需要训练有素的人员的专用设备、防护服和昂贵的废物处理。再者,溶解过程通常受扩散动力学的限制,并且可能需要非常长的时间,特别是当支撑结构庞大且厚重时。另外,后期处理可能需要去除模型物体表面上的“混合层”的痕迹。本文所用术语“混合层”指的是混合的硬化模型材料和支撑材料的一残余层,其形成在物体的表面上的两种材料之间的交界处,通过在两种材料之间的界面处的模型材料和支撑材料彼此混合而被制造。更进一步地,在某些情况下观察到清洁溶液的“饱和”,需要一过程反复引入新鲜批次的清洁溶液。
此外,在支撑材料去除期间需要高温的方法可能是有问题的,因为存在对温度敏感的模型材料,例如蜡和某些弹性材料。用于去除支撑材料的机械方法和溶解方法在主要考虑因素是易用性、清洁性和环境安全性的办公室环境中尤其会成为问题。
现有技术已经描述了用于3D建构物的水溶性材料。例如,美国专利第6,228,923号描述了一种水溶性热塑性聚合物-聚(2-乙基-2-恶唑啉)-作为三维构建过程中的支撑材料,其有关于在高压及高温下将选定材料的博带挤出到板上。
适用于支撑3D物体的水溶性组合物也被公开,例如,为同一个申请人的美国专利第7,479,510号,第7,183,335号和第6,569,373号。一般而言,专利中公开的这些组合物包含至少一种UV可固化(反应性)组分,例如丙烯酸组分,至少一种非UV可固化组分,例如多元醇或二醇组分,和光引发剂。照射后,这些组合物提供了能够暴露于水、碱性或酸性溶液或水洗涤剂溶液时溶解或溶出的半固体或凝胶状材料。使用这种可溶性支撑材料的3D打印方法学也被称为“可溶性支撑技术”或“SST”,支撑材料配方通常被称为“可溶性支撑材料”或“可溶性支撑材料配方”。一可溶性支撑材料被要求在水溶液中具有足够的溶解度,以便在相对较短的时间内去除,同时使用非危险的清洁溶液,同时显示出在积层制造过程中足以支撑印刷物体的机械性能。
除了溶出之外,这种支撑材料的另一个特征是暴露在水中、碱性或酸性溶液或水洗涤剂溶液时分解的能力,因为支撑材料是由亲水性组分制成的。在溶出过程中,内部力导致固化的支撑物的断裂和破裂。另外,支撑材料可以包含一种暴露于水时释放气泡的一物质,例如碳酸氢钠,其与酸性溶液接触时转化成二氧化碳。气泡有助于从模型中去除支撑物。
一些洗涤剂组合物,由Alconox、Detergents制造,包含碱性物质的多种组合。这些洗涤剂组合物由制造商指出用于各种生物技术、实验室、电子、清洁和其他应用,不包括积层制造或任何其他印刷工艺。
发明内容
对用于去除在积层制造工艺如3D喷墨印刷中获得的硬化(例如固化)的支撑材料的改进方法存在未被满足的需求。
本发明人现在已经设计并成功地实施了一种新颖的清洁溶液,其从印刷物体有效地去除了硬化的支撑材料。所设计的清洁溶液是一种碱性清洁溶液,其取代了目前使用的碱性清洁溶液,目前使用的碱性清洁溶液特征为溶解速率差及/或达到饱和的溶解曲线(当使用普通清洁溶液时),并且经常需要由一批新鲜的清洁溶液重复更换清洁溶液。
本文公开的所述清洁溶液特别适用于去除可溶于浓碱溶液中的固化的支撑材料,例如3重量百分比或更多的碱性氢氧化物,例如氢氧化钠及/或氢氧化钾。
通常,可溶于碱性溶液的固化支撑材料的溶解速率较低,特别是溶解速率的特征在于饱和曲线。由于支撑材料的溶解导致目前使用的碱性清洁溶液的饱和度经常需要用新批次替换一批清洁溶液,以便在合理的时间内实现支撑材料的完全溶解。
本文公开的清洁溶液包含多个碱性物质,其相较于溶解某种固化的支撑材料所需的浓度有更低的一浓度,并且值得注意地导致固化的支撑材料基本上恒定的溶解速率,其特征在于基本上是非饱和曲线。例如参见图1。
本文公开的清洁溶液包含碱金属氢氧化物和另外具有缓冲能力的碱性试剂(例如洗涤剂),例如碱金属硅酸盐如偏硅酸钠。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种清洁组合物,用于从通过一积层制造所获得的一印刷物体中去除一固化支撑材料,其特征在于,所述组合物包含:一碱金属氢氧化物、一碱金属硅酸盐以及水。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度低于所述组合物的总重量的5重量百分比,或者低于4重量百分比,或者低于3重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐的一总浓度低于所述组合物的总重量的10重量百分比,或低于8重量百分比,或低于6重量百分比,或低于5重量百分比,或低于4重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比,以及所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的一浓度为所述组合物的总重量的2重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度为所述组合物的总重量的1重量百分比。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述组合物由所述碱金属氢氧化物、碱金属硅酸盐及水组成,所述组合物是一水溶液。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物是氢氧化钠。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐是偏硅酸钠。
根据本文描述的任何实施例中的一些,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间基本相同或者低于在所述印刷物体中的所述固化支撑材料在使所述印刷物体与包含5重量百分比的氢氧化钠的一水溶液接触时的一溶解时间。
根据本文描述的任何实施例中的一些,当所述清洁组合物包含至少5重量百分比的已溶解的支撑材料或至少10重量百分比的已溶解的支撑材料或至少20重量百分比的已溶解的支撑材料时,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间增加不超过50%。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种套组,所述套组包含:一碱金属氢氧化物及一碱金属硅酸盐,以及一包装材料,所述碱金属氢氧化物和所述碱金属硅酸盐包装于其中。所述套组被指定用于制备一清洁组合物,所述清洁组合物用于从通过一积层制造中所获得的一印刷物体中去除一固化支撑材料。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述套组更包括多个指示以制备一水溶液,所述水溶液包含1至3重量百分比的所述碱金属氢氧化物及1至3重量百分比的所述碱金属硅酸盐,从而制备所述清洁组合物。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物与所述碱金属硅酸盐的一重量比为2:1。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述套组更包括多个指示通过在每2克的所述碱金属氢氧化物及1克的所述碱金属硅酸盐中加入97克的水,以制备所述清洁组合物。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐被分开包装在所述套组中。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种制造一个三维模型物体的方法,其特征在于,所述方法包括:
分配一建构材料,用于对应对象的形状的一配置图案依序形成多个层,其中所述建构材料包括一模型材料配方及一支撑材料配方;
在所述分配之后,将所述建构材料暴露于一固化能量,从而获得由一固化模型材料及一固化支撑材料所组成的一印刷物体;以及
使所述印刷物体与根据各个实施例中的任何一个及其任何组合所述的清洁组合物接触,从而从所述固化模型材料中去除所述固化支撑材料,
因而获得所述三维模型物体。
根据本文描述的任何实施例中的一些,所述固化支撑材料包含多个交联聚合物链,例如一交联聚丙烯酸酯。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种三维模型,所述三维模型通过如本文所述的方法加以制造。
除非另有定义,否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然在本发明实施例的实施或测试中可以使用与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料,下面描述的方法和/或材料为例示性的。如果发生矛盾,专利说明书包括其定义,将受到限制。另外,这些材料、方法和实例仅是说明性的,并非用以限制。
本发明实施例的方法及/或系统的实现可以关于手动地、自动地或者其组合地执行或完成选择的任务。而且,根据本发明方法及/或系统的实施例的实际仪器和设备,可以通过硬件、通过软件、或通过韧体或其组合通过使用操作系统来实现几个选择的任务。
例如,根据本发明的实施例执行选定任务的硬件可以被实现为芯片或电路。作为软件,根据本发明实施例的选定任务可以被实现为由使用任何合适的操作系统的计算器执行的多个软件指令。在本发明例示性实施例中,根据本文描述的方法及/或系统的例示性实施例的一个或多个任务由诸如用于执行多个指令的计算平台的数据处理器执行。可选地,数据处理器包括用于存储指令及/或数据的挥发性内存和/或用于存储指令和/或数据的非挥发性内存,例如磁性硬盘和/或可移动介质。可选地,也提供网络连接。更可选地提供显示器及/或用户输入设备,例如键盘或鼠标。
附图说明
这里仅通过举例的方式参考附加的图式来描述本发明的一些实施例。现在具体参照附图详细说明,强调的是,所示出的细节是作为例示并且出于对本发明实施例的说明性讨论的目的。就这一点而言,对于本领域技术人员而言,利用附图进行的描述对于可以如何实践本发明的实施例是显而易见的。
在附图中:
图1呈现了对比图,显示一固化支撑材料在5重量百分比氢氧化钠溶液中以及在一本发明含有2重量百分比氢氧化钠+1重量百分比偏硅酸钠的例示性实施例的清洁溶液中的标准化清洁时间。偏硅酸钠作为溶液中溶解的支撑材料浓度的一函数。标准化清洁时间是指在溶液中的一定支撑材料浓度下的溶解时间除以相同物体的支撑材料在新鲜溶液(0%支撑材料浓度)中的初始溶解时间。
具体实施方式
本发明在其一些实施例中,是有关于积层制造(AM),特别但不限于是有关于一种用于除去可用于积层制造的一支撑材料的多个制剂,也作为多个清洁组合物,以及用于制备多个所述清洁组合物的多个套组,以及使用其的积层制造方法。
在详细解释本发明的至少一实施例之前,应当理解的是,本发明在其应用中不一定限于以下描述中阐述的组件及/或方法及/或在附图及/或实施例中所示出的构造和设置细节。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实施或执行。
本发明人设计一种新颖的清洁组合物,用于例如从通过3D喷墨印刷等积层制造所获得的一印刷物体除去一固化支撑材料。所述清洁组合物是含有两种碱性物质的一组合的含水碱性组合物,所述两种碱性物质为:一碱金属氢氧化物及一碱金属硅酸盐,分别具有一浓度不超过所述组合物的总重量的3重量百分比。所述清洁组合物的特征在于高及恒定的溶解速率,并且特别适用于除去包括多个交联聚合物链的一固化支撑材料。与现有用于除去这种固化的支撑材料的清洁组合物相比,使用起来更安全。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种清洁组合物,其可用于从通积层制造获得的一印刷物体中去除一固化支撑材料。
本文中所用术语“物体”或“印刷物体”在此描述了制造过程的产品。所述术语是指在除去支撑材料之前通过如本文所述的方法获得的产物。因此印刷物体由硬化的(例如固化的)模型材料和硬化的(例如固化的)支撑材料制成。
如本文通篇使用的术语“印刷物体”是指整个印刷物体或其一部分。
如本文所用术语“模型”是指制造过程的最终产品。所述术语是指在除去支撑材料之后通过如本文所述的方法获得的产物。因此,除非另外指出,否则所述模型基本上由固化的模型材料组成。这个术语在这里也被称为“模型物体”、“最终物体”或简称为“物体”。
如本文所用术语“模型”、“模型物体”、“最终物体”及“物体”是指整个物体或其一部分。
本文中所用术语
“未固化的建构材料”共同描述在制造过程期间分配的材料,以便如本文所述顺序地形成多个层。所述术语包括为了形成印刷物体(即,一种或多种未固化的模型材料配方)而分配的未固化材料和分配以形成支撑物的未固化材料(即未固化的支撑材料配方)。
在本文中,可互换使用的术语“固化模型材料”和“硬化模型材料”描述形成一模型物体中部分的建构材料,如本文所定义,在将分配的建构材料暴露用于固化时,以及后续去除所述固化支撑材料。根据本文所述的方法中使用的模型材料配方,固化的模型材料可以是单一固化材料或两种或更多种固化材料的混合物。
在本文中,通篇使用的术语“建构材料配方”(在本文中也可互换地称为“建构配方”或简称为“配方”)描述未经固化的建构材料的一部分,其被分配以形成模型物体,如本文中所述。建构配方是一未固化的建模制剂,其在暴露于固化能时形成最终物体或其一部分。
未固化的建构材料可以包括一种或多种建构配方,并且可以被分配,使得在固化不同的建构配方时制造模型物体的不同部分,并且因此由不同的固化建构材料或不同的固化建构材料的混合物制成。
在本文中,通篇使用的术语“硬化的支撑材料”在本文中还可互换地称为“固化的支撑材料”或简称为“支撑材料”,并且描述了在制造过程期间旨在支撑所制造的最终物体的建构材料部分,并且在完成所述制造并且获得一硬化的建构材料后被移除。
在本文中,通篇使用的术语“支撑材料配方”,在本文中也可互换地称为“支撑物配方”或简称为“配方”,描述分配以形成支撑材料的未固化建构材料的一部分,如本文中所述。支撑材料配方是未固化的配方,其在暴露于固化能量下时形成硬化的支撑材料。
如本文所用术语“水混溶性”描述了至少部分可溶解或可分散于水中的材料,即至少50%的分子在混合时移动入水中。这个术语包括术语“水溶性”和“水分散性”。
本文所用术语“水溶性”描述了当与等体积或重量的水混合时形成一均匀溶液的材料。
本文所用术语“水分散性”描述了当与等体积或重量的水混合时形成一均匀分散体的材料。
本文所用术语“溶解速率”在此处描述了物质溶解在液体介质中的速率。在本发明实施例中,溶解速率可以通过溶解一定量的支撑材料所需的时间来确定。测量的时间在这里被称为“溶解时间”。
在本文中,无论何时,术语“重量百分比”指的是在支撑材料配方的实施例的背景下,如本文所述的未固化的支撑材料配方的总重量的重量百分比。
在本文中,无论何时,术语“重量百分比”指的是在清洁组合物的实施例的上下文中,如本文所述的清洁组合物或溶液的总重量的重量百分比。
本文所用术语“重量百分比”在本文中也被称为“重量%”或“wt%”。
在本文中,在3D喷墨印刷的积层制造的背景下描述本发明的一些实施例。然而,可以考虑其他积层制造工艺,例如但不限于SLA和DLP。
清洁组合物:
根据本发明一些实施例,所述清洁组合物是一碱性清洁组合物,并且在一些实施例中,它是一碱性水性清洁组合物或一碱性水性清洁溶液。如本文所述的术语“清洁组合物”在一些实施例中涵盖术语“清洁溶液”,并且可与其互换。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述清洁组合物或清洁溶液包含两种碱性物质的组合:碱金属氢氧化物和具有缓冲能力的一额外的碱性物质。
在本文中,“缓冲能力”是指所述物质能够作为一缓冲剂的作用,使得含有所述物质的溶液的pH保持基本不变,或者在少量或中量的强酸或强碱被添加到溶液中。因此,含有所述物质的溶液在加入或消耗氢氧离子时表现出对pH变化的抗性。
根据一些实施例,所述额外的碱性物质是一碱性洗涤剂。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述额外的碱性物质是一碱金属硅酸盐。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述清洁组合物或溶液除了所述碱性物质外还包含水。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述清洁组合物或溶液由如本文所述的两种碱性物质和水组成。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物(M-OH,其中M是碱金属,如锂、钠、钾等)是在固化的支撑材料的清洁组合物中常用的碱金属氢氧化物,其不溶于水。这样的碱金属氢氧化物通常包括氢氧化钠、氢氧化钾或其混合物。但是,也考虑了其他碱金属氢氧化物。在一些实施例中,碱金属氢氧化物是氢氧化钠(NaOH)。
本文所用术语“碱金属硅酸盐”描述由碱金属氧化物和二氧化硅(SiO2)制成的物质,并且通常由化学式M2O(SiO2)n或可互换地用M2(SiO2)nO表示,其中M是碱金属,通常是钠或钾,n表示二氧化硅和碱金属氧化物之间的摩尔比,并且在1.00至约3.00的范围内。当n=1时,碱金属硅酸盐被表示为碱金属偏硅酸盐,并且由化学式M2SiO3表示。
最常见的碱金属硅酸盐是由化学式Na2O(SiO2)n或Na2(SiO2)nO表示的硅酸钠,或化学式为Na2SiO3的偏硅酸钠。
碱金属硅酸盐可以是一无水形式或一水合物形式,其中化学式M2SiO3·nH2O(其中n=5,6,8,9)表示。水合物被构造成含有由水分子之一形成的Si(OH)2 -2阴离子。例如,五水偏硅酸钠Na2SiO3·5H2O构成为Na2SiO2(OH)2·4H2O。应当注意的是,当使用碱金属硅酸盐的水合物形式时,清洁组合物总重量的水合物形式的重量百分比为使用没有吸收水分子的碱金属硅酸盐的指定重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,碱金属氢氧化物是氢氧化钠,碱金属硅酸盐是偏硅酸钠,如本文所述。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度低于所述组合物的总重量的5重量百分比,或者低于4重量百分比,或者低于3重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐的一总浓度低于所述组合物的总重量的10重量百分比,或低于8重量百分比,或低于6重量百分比,或低于5重量百分比,或低于4重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的浓度不超过3重量%,并且在一些实施例中,其范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比,以及所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属氢氧化物的一浓度为所述组合物的总重量的2重量百分比。
根据本文所述的任何实施例中的一些,所述碱金属硅酸盐的一浓度为所述组合物的总重量的1重量百分比。
根据本发明的一实施例的一优选的清洁组合物,包含浓度为1-3重量百分比或浓度为2重量百分比的氢氧化钠;和浓度为1-3重量百分比的偏硅酸钠,或浓度为1重量百分比的偏硅酸钠。
根据本发明的一实施例的一优选的清洁组合物,由浓度为1-3重量百分比的氢氧化钠或浓度为2重量百分比的氢氧化钠组成;和浓度为1-3重量百分比,或者浓度为1重量百分比的偏硅酸钠,其余组分为水。
在此,碱金属硅酸盐的所指出的重量百分比是其一无水形式。
如本文所讨论的,本文所述的清洁组合物以高且恒定的溶解速率和相对低的溶解时间有效地溶解固化的支撑材料。
根据本文所述的任何实施例中的一些,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间基本相同或者低于在所述印刷物体中的所述固化支撑材料在使所述印刷物体与包含5重量百分比的氢氧化钠的一水溶液接触时的一溶解时间。
本文所用术语“一印刷物体的固化支撑材料”包括由模型材料配方和支撑材料配方以积层制造方式获得的印刷物体,以及仅由支撑材料配方以积层制造方式获得的用于实验目的印刷物体。
根据本文所述的任何实施例中的一些,当所述清洁组合物包含至少5重量百分比的已溶解的支撑材料或至少10重量百分比的已溶解的支撑材料或至少20重量百分比的已溶解的支撑材料时,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间增加不超过50%。
即,随着清洁组合物中溶解的支撑材料的量(负载)增加,印刷物体中固化支撑材料的溶解时间的改变不超过50%。作为对照,对于相同的支撑材料配方,在印刷物体中的固化支撑材料在5%NaOH中的溶解时间的变化至少高10倍。
在本发明的一些实施例中,本文所述的多种清洁组合物能够进行一固化支撑材料的重复溶解,例如从印刷物体反复去除固化支撑材料,而不需要在去除程序之后替换所述清洁组合物。也就是说,可以将多个需要去除固化支撑材料的物体与清洁组合物接触,从而使一个接一个的物体不需要更换清洁组合物,同时保持满意且基本恒定的溶解固化支撑材料的比率。
本文所述清洁组合物可以用于相较于未使用的所述清洁组合物(含有0%溶解的固化支撑材料),当所述清洁组合物包含至少5重量百分比的已溶解的支撑材料或至少10重量百分比的已溶解的支撑材料或至少20重量百分比的已溶解的支撑材料或甚至更高的负荷时,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间增加不超过50%
套组:
根据本发明一些实施例的一目的,提供了用于制备如本文所述的清洁组合物的多种套组。
部分实施例中,如本文所述的套组包含如各实施例中的任一个中所述的碱金属氢氧化物和包装在套组内的在各个实施例中的任一个中所述的碱金属硅酸盐。
部分实施例中,在任何相应的实施例中,如本文所述,所述套组被指定用于制备清洁组合物,用以从各实施例中的任何一个所述的以积层制造方式获得的印刷物体中除去一固化支撑材料。
部分实施例中,所述套组被指定用于制备如本文所述的用于三维物体的积层制造(例如3D喷墨印刷)的清洁组合物。在一些实施例中,积层制造使用各个实施例中的任一个如本文所述的支撑材料配方。
部分实施例中,所述套组更包括多个指示以制备一水溶液,所述水溶液包含1至3重量百分比的所述碱金属氢氧化物及1至3重量百分比的所述碱金属硅酸盐,从而制备所述清洁组合物。
所述指示,例如说明书,可以印在所述套组的包装上或所述套组内的小册子上。说明书可包括例如称取一定量的碱金属氢氧化物和一定量的碱金属硅酸盐,并加入一定量的水以获得所指定的浓度。
或者,说明书可以指导使用者添加一定量的碱金属氢氧化物和一定量的碱金属硅酸盐,每种物质在预定量的水中将达到其指定浓度。
部分实施例中,所述碱金属氢氧化物与所述碱金属硅酸盐的一重量比为2:1。
部分实施例中,所述套组更包括多个指示通过在每2克的所述碱金属氢氧化物及1克的所述碱金属硅酸盐中加入97克的水,以制备所述清洁组合物。
当所述碱性物质作为混合物包装在所述套组内时,说明书可以是以每3克混合物加入97克水,或者每97克水加入3克混合物。
根据本文所述的任何实施例中的一些,将碱金属氢氧化物和碱金属硅酸盐分别包装在所述套组中。或者,将碱金属氢氧化物和碱金属硅酸盐作为即用的混合物一起包装在所述套组中,例如以2:1的重量比包装。
根据本文所述的任何实施例中的一些,将碱金属氢氧化物和碱金属硅酸盐作为即用的混合物一起包装在所述套组中,例如,以2:1的重量比,或以本文所述的任何其它比例,并且总量为适合于获得具有预定重量(例如根据特定清洁装置)的如本文所述的清洁溶液。这样的套组可以进一步包括多个指示,将混合物添加到填充有预定量水的容器以实现指定浓度的碱性物质。
例如,如本文所述的一套组用于制备10公斤的一清洁溶液,或在10升容器中用于制备一清洁溶液,并且包含100克至300克或200克如本文所述的碱金属氢氧化物以及100克至300克或100克如本文所述的碱金属硅酸盐。所述套组包括指示,将混合物添加到装有9400克水至9800克水或相对于200克碱金属氢氧化物加上100克碱金属硅酸盐为9700克水的容器中,以获得根据本发明的实施例的10公斤清洁溶液。这种套组可用于制备适用于某些清洁设备的清洁溶液。
可用于包装如本文所述的固体碱性物质的任何包装材料被预期使用。部分实施例中,碱性物质被压实以形成例如片剂。在一些实施例中,碱性物质为粉末或颗粒或丸粒等形式。
可去除的支撑材料:
如本文所述的清洁组合物和用于制备所述组合物的套组适用于或可用于除去支撑材料,即,将固化的支撑材料与由积层制造(例如如本文所述的一印刷物体,通过3D喷墨印刷形成)形成的物体中的固化模型材料分离,如本文所述。
可以通过如本文所述的清洁组合物有益地除去的固化支撑材料是不溶于水的固化支撑材料。
在一些实施例中,适于通过如本文所述的清洁组合物除去的固化支撑材料是已知的通过如本文所述的浓缩的(例如5重量百分比)一金属碱性氢氧化物溶液除去的固化支撑材料。
这种固化的支撑材料通常至少在一定程度上包含多个交联的聚合物链。
如本领域已知的,支撑材料配方通常包含一种或多种可固化材料(例如可固化单体、低聚物或聚合物),其在受固化能量时聚合形成一聚合物材料。一些支撑材料配方包含多官能(例如双官能)可固化材料,任选地除了单官能可固化材料之外。一些支撑材料配方包含单官能可固化材料以及交联剂和至少某些程度上可以作为交联剂的多官能(例如双官能)可固化材料中的一种或两种。
包含一种或多种多官能(例如双官能)可固化材料的支撑材料配方,作为单独的可固化材料或者除了一种或多种单官能可固化材料之外,通常形成包含多个交联聚合物链的固化支撑材料。
支撑材料配方包含一种或多种单官能可固化材料,并且除了一种或多种多官能可固化材料及/或交联剂之外的支撑材料配方通常形成包含多个交联聚合物链的固化支撑材料。
以下描述可包含在支撑材料配方中的多种可固化材料的一些示例性实施例,所述支撑材料配方形成一固化支撑材料,可由本文所述的清洁组合物有益地除去。
本文中术语一“可固化材料”在此定义是当暴露于如本文所述的固化能时固化或硬化以形成固化的支撑材料的化合物或化合物的混合物(单体及/或低聚合及/或聚合化合物)。可固化材料通常是可聚合材料,当暴露于合适的能量来源时,其经历聚合及/或交联。
“可固化材料”在本文中也被称为“反应性”材料。
在本文所述的任何实施例的一些实施例中,可固化材料是一光聚合材料,其在暴露于辐射时聚合或产生交联,如本文所述,并且在一些实施例中,可固化材料是一紫外光-可固化材料,或在暴露于紫外光-可见光辐射时发生交联,如本文所述。
在一些实施例中,如本文所述的可固化材料是通过光诱导自由基聚合而聚合的可聚合材料。
在本文所述的任何实施例的一些中,可固化材料包含各自如本文所述可聚合的一单体及/或一低聚物及/或一短链聚合物。
在本文所述的任何实施例的一些中,当可固化材料暴露于固化能量(例如辐射)时,其通过链延长和交联中的任何一种或其组合来聚合。
根据本文所述的任何实施例中的一些,可固化材料是当暴露于产生聚合反应的固化能量时可以在聚合反应时形成聚合物支撑材料的一单体或多个单体的一混合物。这种可固化材料在本文中也被称为“单体可固化材料”,或称为“可固化单体”。
在本文所述的任何实施例中的一些,一可固化材料是当暴露于产生聚合反应的固化能量时可以在聚合反应时形成一聚合物载体材料的一聚合物或一低聚物或聚合物及/或低聚物的混合物。
可固化材料可以包含单官能可固化材料及/或多官能可固化材料。
此处,单官能可固化材料包含一个官能团,当暴露于固化能量(例如辐射)时可以进行聚合。多官能可固化材料包含两个或更多个当暴露于固化能量(例如辐射)时能够发生聚合的官能基团,并且其另外可以参与暴露于固化能量时形成的聚合物链的化学交联。
在本文所述的任何实施例中的一些,本文所述的可固化材料是水溶性的或至少与水可混溶的,例如水分散性的,如本文所定义。
在本文所述的任何实施例中的一些,可固化单官能材料包含一种或多种增强其在水溶液中的溶解度的亲水取代基。
如本文通篇所用术语“亲水性”描述化合物或化合物的一部分(例如化合物中的化学基团)的一物理性质,其说明了一般来说通过氢键与水分子的键结瞬时形成。
亲水性基团通常是电荷极化的并且能够与氢键结合。
亲水性基团通常包括一个或多个与水分子形成强氢键的提供电子的杂原子。这样的杂原子包括但不限于氧和氮。
亲水性基团通常是极性基团,包含一个或多个提供电子的杂原子,如氧和氮。例示性的亲水性基团包括但不限于提供电子的杂原子、羧酸酯、硫代羧酸酯、氧代(=O)、直链酰胺、羟基、(C1-4)烷氧基、(C1-4)醇(例如具有如本文所定义的碳原子或杂原子的比例)、环状羧酸酯如内酯、环酰胺如内酰胺、氨基甲酸酯、硫代氨基甲酸盐、氰尿酸酯、异氰脲酸酯、硫氰酸酯、脲、硫醇、亚烷基二醇(例如乙二醇或丙二醇)、磷酸盐、膦酸盐、硫酸盐、磺酸盐、磺酰胺及其任何组合(例如,包含两个或更多个指定的亲水性基团的亲水性基团)。
根据本发明一些实施例的可固化的单官能材料可以是由化学式I表示的含乙烯基化合物:
化学式I
其中R1和R2中的至少一个是及/或包含如本文所定义的一亲水性基团。
化学式I中(=CH2)基团表示可聚合基团,并且通常是UV可固化基团,使得所述材料是UV可固化材料。
例如,R1是如本文所定义的亲水性基团,并且R2是非亲水性基团,例如氢、C(1-4)烷基、C(1-4)烷氧基或任何其他取代基,只要化合物是水溶性的。
在一些实施例中,R1是羧酸根,并且所述化合物是单官能丙烯酸酯单体。在这些实施例中的一些,R2是甲基,并且所述化合物是单官能甲基丙烯酸酯单体。在其它实施例中,R2是亲水性取代基,即是如本文所述的或者包含亲水性基团的取代基。
在这些实施例的任何一些中,羧酸酯基团-C(=O)-OR'包含为亲水性基团的R'。例示性的R'基团包括但不限于杂脂环族基团(碳原子与提供电子的杂原子,如吗啉、四氢呋喃、草肟酸等,其比例为5:1或更低),羟基C((例如羟基、-O-、胺或-NH-)、羟基、巯基、亚烷基二醇、聚(亚烷基二醇)或低聚(亚烷基二醇)或被一个或多个亲水性基团取代的乙二醇)。例示性的这种单体是聚(亚烷基二醇)丙烯酸酯,如聚(乙二醇)丙烯酸酯。其他水溶性丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单官能单体也列入考虑。
在一些实施例中,R1是酰胺,并且所述化合物是单官能丙烯酰胺单体。在这些实施例中的一些,R2是甲基,并且所述化合物是单官能甲基丙烯酰胺单体。在这些实施例中的一些,酰胺被取代。例如,酰胺基团-C(=O)-NR'R”可以包含R'和R”中的一个或两个,其为如本文对R'所述的亲水性基团。例示性的这种单体包括丙烯酰吗啉(ACMO)、羟乙基丙烯酰胺、N-(3,3-二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺(2-甲基丙烯酰胺)。其它水溶性丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺单官能单体也列入考虑。
在一些实施例中,R1和R2中的一个或两个是除羧酸酯或酰胺以外的亲水性基团,例如环酰胺(内酰胺)、环酯(内酯)、磷酸酯、膦酸酯、硫酸酯、磺酸酯、烷氧基、取代的烷氧基等。在这样的实施例中,单体是取代的乙烯基单体。例示性的这种乙烯基单体是乙烯基膦酸和羟丁基乙烯基醚。其它水溶性单官能乙烯基醚或其它取代的乙烯基单体也列入考虑。
在本文所述的任何实施例中的一些,可用于形成如本文所述的固化支撑材料的支撑材料配方包含一种或多种如本文所述的可固化单体。
在本文所述的任何实施例中的一些,如本文所述,可用于形成固化支撑材料的支撑材料配方包含一种或多种如本文所述的可固化单官能单体和一种或多种如本文所述的双官能可固化单体,并且是本领域已知的。在一些实施例中,双官能可固化单体由化学式II表示:
化学式II
其中:
R3和R4中的每一个独立地为氢、C(1-4)烷基或如本文所定义的亲水性基团;
L为一连接部分;以及
X1和X2中的每一个独立地为羧酸根、酰胺或本文对于R1所定义的任何其它基团。
化学式II的双官能可固化单体是双官能丙烯酸酯,其中X1和X2中的一个或两个是羧酸根。当R3和R4中的一个或多个是甲基时,可固化单体是双官能甲基丙烯酸酯。
在一些实施例中,L是聚合物或低聚物的基团。在一些实施例中,L为或包含亚烷基二醇部分或聚(亚烷基二醇)的基团。在一些实施例中,L是亚烷基的基团,任选被一个或多个杂原子如O、S或NR'打断。
例示性的双官能可固化单体包括聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇-聚乙二醇氨基甲酸酯二丙烯酸酯和部分丙烯酸酯化的多元醇低聚物。
在化学式II的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯双官能可固化材料的任何实施方式中的一些,R3和R4中的一个或两个是例如本文中化学式I中R'所述的亲水性基团。
或者,X1和X2中的一个或两个是-O-,使得所述双官能可固化单体中的至少一个官能基团是乙烯基醚。
在本文所述的任何实施例的一些中,所述支撑材料配方包含一单官能可固化单体和一多官能可固化单体的一混合物,并且在这些实施例的一些中,所述多官能可固化单体是一双官能可固化单体,如本文在任何相应的实施例及其任何组合中所述。
除了上述或替代本文所述的可固化单体之外,可用于积层制造方法中形成固化的支撑材料的任何其他可固化单体在本文中被考虑,包括在所述支撑材料配方中。
例示性的其它可固化单体包括但不限于二丙烯酸酯,如聚氨酯二丙烯酸酯低聚物及/或单体二丙烯酸酯,优选为短链二丙烯酸酯,例如但不限于二丙烯酸异冰片酯。
在本文所述的任何实施例的一些中,包含在所述支撑材料配方中的可固化单体中的每一个是如本文所定义的UV可固化材料,例如,丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯(单官能或多官能、单体或低聚物)。
在本文所述的任何实施例的一些中,除了可固化单体以外,一支撑材料配方还包含水混溶性聚合物材料,其可以是通常用于支撑材料配方中的任何水混溶性聚合物材料。
在本文所述的任何实施例的一些中,所述水混溶性聚合物材料是不可固化的(在本文中也称为“非反应性”)。本文所用术语“不可固化的”包括在任何条件下不可聚合的聚合物材料,或在本文所述单官能单体可固化的条件下不可固化的聚合物材料,或者在用于制造一对象的任何条件下。这种聚合物材料通常不含可聚合基团或UV可光聚合基团。在一些实施例中,所述聚合物材料对于如本文所述的可固化单体是非反应性的,即在制程条件下,包括固化条件,其不与所述单体反应并且不能干扰所述单体的固化。
在本文所述的任何实施例的一些中,所述聚合物材料是如本文所定义的水溶性或水分散性或水混溶性聚合物材料。
部分实施例中,所述聚合物材料包含本文所定义的多个亲水性基团,其在聚合物的主链或作为侧基团。这种聚合物材料的例示性包括多元醇。一些代表性实例包括但不限于多元醇3165、聚丙二醇、聚乙二醇、聚甘油、这些聚合物的乙氧基化形式、石蜡油等及其任何组合。
在本文所述的任何实施例的一些中,所述支撑材料配方还包括一水混溶的、不可固化的非聚合物材料,例如丙二醇。
如本文所述支撑材料配方,在各个实施例中的任一个中,可以进一步包含额外的试剂,例如引发剂、抑制剂、稳定剂等。
根据本发明一些实施例的例示性支撑材料配方包含以下物质:
如本文所述的一种或多种可固化的单官能单体;以及
一种或多种不可固化的水混溶聚合物,例如一种或多种如本文所述的多元醇;以及
任选地,如本文所述的一种或多种双官能或多官能可固化单体。
更可任选地,所述固化支撑材料配方中的一个或多个可固化单官能单体能够干扰聚合物链之间形成的分子间相互作用(例如化学交联)。这样的一可固化单体可具有两个或更多个形成氢键的化学基团,并且可以是由例如能够形成氢键的化学基团取代的丙烯酰胺,例如包含一个或多个氧原子及/或氮原子。
在本文所述的任何实施例的一些中,如本文所述的清洁组合物适用于溶解一固化支撑材料或用于从一印刷物体上除去固化支撑材料,其中所述固化支撑材料由一支撑材料配方形成,所述支撑材料配方包含:
如本文所述的一水混溶性(例如不可固化的)聚合物,于一浓度范围为所述配方总重量的30重量百分比至80重量百分比;
聚(亚烷基二醇)丙烯酸酯,任选与聚(亚烷基二醇)二丙烯酸酯以70:30至95:5的重量比组合,并且总浓度为所述配方总重量的5重量百分比至30重量百分比;以及
一种或多种由下列化学式独立表示的可固化材料:
其中,
如本文所述,Ra选自氢、碳(1-4)烷基(例如甲基),或任选地可以是一亲水性基团;
k是1至10,或2至10,或2至8,或2至6,或2至4,或2或3的整数;
Y可以是如本文所定义的羟基、烷氧基、芳氧基、胺、烷基胺、二烷基胺、羧酸酯、肼类、氨基甲酸酯、肼、含氮杂脂环和含氧杂脂环;以及
X是-O-或-NRc-,其中Rc可以是例如氢、烷基、环烷基或芳基,其中烷基、环烷基和芳基可以是取代基或未取代基,如本文所述;
其浓度范围为所述配方总重量的5至40或5至20重量百分比。
根据这些实施例中的一些,所述支撑材料配方还包含浓度为所述组合物总重量的0.1-2重量百分比的引发剂(例如光引发剂);浓度为所述组合物总重量0-2重量百分比的抑制剂;以及表面活性剂,其浓度为所述组合物总重量的0-2重量百分比。
在本文所述的任何实施例中的一些及其任何组合中,所述支撑材料配方进一步包含一引发剂,用于在暴露于固化能量或固化条件下时引发所述可固化材料的聚合。
在这些实施例中的一些,所述可固化材料是一UV可固化材料并且所述引发剂是一光引发剂。
所述光引发剂可以是一自由基光引发剂、阳离子光引发剂或其任何组合。
在本文所述的任何实施例中的一些,如本文所述的清洁组合物适用于溶解一固化支撑材料或用于从一印刷物体上移除固化支撑材料,其中所述固化支撑材料如美国临时专利申请案申请号62/205,009所描述,所述文献的教示通过引用并入本文,如同在本文中充分描述一样。
模型制作:
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种制造一三维模型物体的方法,其使用如本文所述的一支撑材料配方和一清洁组合物。所述方法在本文中也被称为一制造工艺或一模型制造工艺。在一些实施例中,所述方法包括分配一未固化的建构材料,以便于对应于所述物体的形状的一配置图案顺序地形成多个层。在一些实施例中,(未固化的)建构材料包含一模型材料配方及一支撑材料配方。
所述模型材料配方可以是在积层制造中使用的任何模型材料配方,例如3D喷墨印刷,并且优选在与所述支撑材料配方可固化的相同条件下固化。所述支撑材料配方可以如本文在任何相应的实施例及其任何组合中所描述的。
根据本发明的一些实施例,所述制造方法是三维模型物体的积层制造。
根据一些实施例的这个目的,通过分配至少一种未固化的建构材料,并且将分配的建构材料暴露于固化能量或固化条件,从而形成固化的建构材料来实现每一层的形成,所述固化的建构材料由一固化模型材料和一固化支撑材料组成。
根据本文所述的任何实施例中的一些,积层制造优选通过三维喷墨印刷。
本实施例的方法通过以对应于所述物体的形状的配置图案形成多个层而以分层方式制造三维物体。
每个层都由一积层制造设备形成,所述设备扫描二维表面并对其进行图案化。在扫描的同时,所述设备标记二维层或表面上的多个目标位置,并且针对每个目标位置或一目标位置组确定所述目标位置或所述目标位置组是否被建构材料以及哪种类型的建构材料(例如模型材料配方或支撑材料配方)将被分配到其中。这个方式是根据表面的一计算器图像做出的。
当所述积层制造由三维喷墨印刷进行,如本文所定义的未固化的建构材料从具有一组喷嘴的一喷头来分配,以将所述建构材料分层沉积在一支撑结构上。因此,所述积层制造设备在要使用的所述目标位置分配所述建构材料,并使其他目标位置空缺。所述设备通常包括多个喷头,每个喷头可以被设置成分配不同的建构材料。因此,不同的建构材料(例如,如本文所定义的模型配方和/或支撑配方)可以建构在不同的目标位置。
在本发明的任何实施例中的一些实施例的目的,所述方法通过接收与所述物体的形状对应的3D打印数据开始。所述数据可以被接收,例如来自一主计算器,其传输基于计算器物体数据的与制造指令有关的数字数据,例如以标准曲面细分语言(STL)或立体光刻轮廓(SLC)格式、虚拟现实建模语言(VRML)、积层制造文件(AMF)格式、图形交换格式(DXF)、多边形文件格式(PLY)或适用于计算器辅助设计(CAD)的任何其他格式。
接下来,根据所述打印数据,使用至少两个不同的多喷嘴喷墨印刷头将如本文所述的未固化的建构材料的多个小滴分层分配在一接收介质上。所述接收介质可以是三维喷墨系统的托盘或先前沉积的层。未固化的建构材料包含如本文所述的用于任何相应实施例及其任何组合的支撑材料配方。
在本发明的一些实施例中,上述分配在外围环境下进行。
任选地,在被分配之前,将所述未固化的建构材料或其一部分(例如,一种或多种所述建构材料的配方)加热。这些实施例对于在3D喷墨印刷系统的工作室的操作温度下具有相对高粘度的未固化的建构材料配方特别有用。配方(一种或多种)优选加热至允许各个配方通过3D喷墨印刷系统的喷头的喷嘴喷射的温度。在本发明的一些实施例中,加热至相应配方显示不超过X厘泊的粘度的温度,其中X为约30厘泊,优选约25厘泊,更优选约20厘泊或18厘泊,或者16厘泊,或者14厘泊,或者12厘泊,或者10厘泊。
所述加热可以在将相应配方装载到3D打印系统的喷头中之前,或者当配方在喷头中时,或者当所述组合物通过喷头的喷嘴的同时执行。
在一些实施例中,所述加热在将各组合物装载到喷头中之前进行,以避免所述组合物粘度太高而堵塞喷头。
在一些实施例中,通过加热喷头来执行加热,至少在使第一及/或第二组合物通过喷头的喷嘴的同时进行加热。
一旦未固化的建构材料根据所述3D打印数据被分配在所述接收介质上,所述方法任选地并且优选地继续通过暴露所分配的建构材料来调节固化的效果。在一些实施例中,通过将固化能量施加到所沉积的层而使所分配的建构材料暴露于固化能量。优选地,在沉积前一层之后且在沉积下一层之前,将固化施加到每个单独的层。
根据所使用的建构材料,固化能量或条件可以是例如辐射,如紫外线或可见光辐射,或其它电磁辐射,或电子束辐射。施加到所分配的层的固化能量或条件用于固化或固化模型材料配方和支撑材料配方。优选地,施加相同的固化能量或条件以实现模型材料和支撑材料的固化。或者,将不同的固化能量或条件同时或顺序地施加到分配的建构材料上,以实现模型材料配方和支撑材料配方的有效固化。
根据本发明任何一个实施例中的一些的目的,一旦所述建构材料被分配以形成一物体并施加固化能量或条件,则固化的支撑材料被移除,从而获得最终的三维物体。
根据本文所述的任何实施例中的一些,通过使固化的载体材料与本文所述的各个实施例中任一个以及其任何组合所述的一清洁组合物接触,来移除所述支撑材料。
接触可以通过本领域已知的手段来实现,例如通过将物体浸入水中及/或通过将水喷射到物体上。接触可以手动或自动进行。预期可用于移除固化的支撑材料的任何系统或设备。
在本文所述的任何实施例中的一些,移除所述支撑材料不包括机械移除所述支撑材料。
在本文所述的任何实施例中的一些实施例中,所述接触需要进行一段时间,与印刷物体中固化的支撑材料的量和模型物体的几何形状相关。
在一些实施例中,在不替换清洁组合物的情况下(例如,不将清洁组合物引入到进行固化的支撑材料的去除设备或系统中)进行接触。
任何系统适用于物体(例如,模型物体)的积层制造可用于执行如本文所述的方法。
根据本发明的一些实施例,适用于物体积层制造的代表性系统且非限制性的例示包括具有分配单元的积层制造设备,所述分配单元包括多个分配头。每个分配头优选地包括一个或多个喷嘴的数组,液体(未固化的)建构材料通过所述数组被分配。
优选但非限制性的,所述积层制造设备是一三维喷墨打印设备,在这种情况下,多个分配头是多个喷墨打印头,并且所述建构材料通过喷墨技术分配。并非是这种情况,因为对于一些应用,积层制造设备可能不需要采用三维印刷技术。根据本发明各种例示性实施例所设想的积层制造设备的代表性实例包括但不限于基于粘结剂喷射粉末的设备、熔融沈积造型设备和熔融材料沉积设备。
每个分配头可任选地且优选地经由一个或多个任选地包括一温度控制单元(例如温度传感器及/或加热装置)的建构材料储存器和材料含量传感器来供给。为了分配所述建构材料,例如像在压电喷墨印刷技术中一样,将电压信号施加到分配头以经由分配头的喷嘴选择性地沉积材料液滴。每个分配头的分配速度取决于喷嘴的数量、喷嘴的类型和所施加的电压信号速率(频率)。这种分配头对于固体自由成形制造领域的技术人员是已知的。
任选地但非必须地,分配喷嘴或喷嘴数组的整体数量被选择为使得一半的分配喷嘴被指定为分配支撑材料配方,并且一半分配喷嘴被指定为分配模型材料配方,即喷射模型材料的喷嘴数量与喷射支撑材料的喷嘴数量相同。然而,应该理解的是,这不在于限制本发明的范围,并且模型材料沉积喷头(模型喷头)的数量和支撑材料沉积喷头(支撑喷头)的数量可以不同。通常,在每个个别的喷头或喷头数组中,多个模型喷头的数量、多个支撑喷头的数量和多个喷嘴的数量被选择,以在支撑材料的最大分配速率和模型材料的最大分配速率之间提供一预定比率a。所述预定比率a的值优选地被选择以确保在每个成形的层中,模型材料的高度等于支撑材料的高度。a的典型值为约0.6至约1.5。
例如,对于a=1而言,当所有模型喷头和支撑喷头操作时,支撑材料配方的总分配速率通常与模型材料配方的总分配速率相同。
在一个优选实施例中,存在M个模型喷头,每个模型喷头具有m个含有p个喷嘴的数组,以及S个支撑喷头,每个支撑喷头包括s个具有q个喷嘴的数组,使得M×m×p=S×s×q。每个M×m的模型数组和S×s支撑数组都可以作为独立的物理单元来制造,可以从一组数组中组装和拆卸。在所述实施例中,每个这样的数组可任选地并且优选地包括其本身的温度控制单元和材料含量传感器,并且为使其操作而接收一单独控制电压。
所述积层制造设备更包括一固化单元,所述固化单元可以包括固化能量或固化条件的一个或多个来源。取决于所使用的模型材料配方,固化源可以是例如辐射源,例如紫外线或可见光或红外线,或其它电磁辐射源或电子光束源。所述固化能量源用于固化或固化(多个)建构材料配方。
所述分配头和固化能量源(例如辐射源)优选地安装在一框架或架体中,所述框架或架体优选地并可操作地在作为操作表面(接收介质)的托盘上往复运动。在本发明的一些实施例中,所述固化能量源(例如辐射)被安装在架体中,使得它们接着在分配头之后,以至少部分地固化先前由分配头分配的材料。根据惯例,所述托盘被定位在X-Y平面中,并且优选地被构造成垂直地(沿着Z方向)移动,典型地向下移动。在本发明的各种例示性实施例中,所述积层制造设备还包括一个或多个整平装置,例如,在其上形成连续层之前用于拉直、整平及/或调整新形成的层的厚度的滚轮。整平装置优选地包括用于收集在整平期间产生的多余材料的废物收集装置。废物收集装置可以包括将材料输送到废物箱或废料筒的任何机构。
在使用中,如本文所述的分配头在一扫描方向上移动,在本文中称为X方向,并且在其通过托盘的过程中选择性地以一预定配置量分配建构材料。所述建构材料通常包括一种或多种类型的支撑材料配方和一种或多种类型的模型材料配方。在多个分配头通过之后,通过固化能量或条件(例如,辐射)的来源使模型和支撑材料配方固化。在分配头的反向路径中,返回到刚刚沉积的层的起始点,可以根据预定的构造进行建构材料的额外分配。在分配头的前向及/或后向路径中,由此形成的层可以通过所述整平装置变平直,所述整平装置优选地依循多个所述分配头在其向前及/或向后运动中的路径。一旦多个分配头沿着X方向返回其起始点,它们可以沿着在此被称为Y方向的分度方向移动到另一个位置,并且继续沿着X方向往复移动来构建相同的层。或者,多个所述分配头可以在前向和后向运动之间或者在多于一次前向后向运动之后沿Y方向移动。由分配头执行的完成单个层的一系列扫描在本文中被称为单一扫描周期。
一旦所述层完成,根据随后要印刷的层的期望厚度,所述托盘沿Z方向降低到预定的Z水平。重复上述过程以层状方式形成包含模型材料和支撑材料的三维物体。
在一些实施例中,所述托盘可以被放置在所述层内的分配头的前向和后向路径之间在Z方向上移位。进行这样的Z位移是为了使整平装置与所述表面在一个方向上接触,并且防止在另一个方向上的接触。
用于执行如本文所述的方法的系统可任选地并且优选地包括一建构材料供应装置,其包括多个建构材料容器或容器匣,并且将多个建构材料配方(如本文所述的模型材料配方和支撑材料配方)供应至所述制造设备。
所述系统更可以包括一控制单元,其控制所述制造设备,并且可任选地并且优选地还控制如本文所述的供应装置。所述控制单元优选地与一数据处理器通信连接,所述数据处理器以标准曲面细分语言(STL)格式的形式基于计算器物体数据发送关于制造指令的数字数据,所述计算器物体数据存储在一计算器可读介质,优选为一非暂时性介质,或者任何其他格式,例如但不限于上述格式。通常,所述控制单元控制施加到每个分配头或喷嘴数组的电压以及相应喷头中的建构材料的温度。
一旦上述制造数据被加载到所述控制单元,它就可以在没有用户干预的情况下运行。在一些实施例中,所述控制单元例如使用数据处理器或者使用与控制单元通信链接的用户界面来接收来自操作者的附加输入。用户界面可以是本领域已知的任何类型,例如但不限于键盘、触控屏幕等。例如所述控制单元可以接收作为附加输入的一种或多种建构材料类型及/或属性,例如但不限于颜色、特征型变及/或转变温度、粘度、导电特性、电磁特性。其他属性和属性的群组也是可以预期的。
例如在此描述的积层制造系统的原理和操作的进一步细节可以在公开号为2013/0073068的美国专利申请中找到,其内容通过引用并入本文。
根据本文所述的每种方法和系统的一些实施例,未固化的建构材料包含至少一种如本文所述的支撑材料配方。
模型物体:
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种三维模型物体,其通过如本文所述的方法以及其任何实施例及其任何组合来制备。
根据本发明一些实施例的一目的,提供了一种3D模型物体,由如本文所述的积层制造方法制造。
如本文所用的术语“约”是指±10%。
如本文所用的术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。
如本文所用的术语“由......组成”是指“包括但不限于”。
如本文所用的术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件,但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。
本文所使用的单数型式“一”、“一个”及“所述”包括复数引用,除非上下文另有明确规定。例如,术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物,包括其混合物。
在整个本申请中,本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在。应当理解,以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁,不应理解为对本发明范围的硬性限制。因此,应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如,应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围,例如从1到3,从1到4,从1到5,从2到4,从2到6,从3到6等,以及所数范围内的单一数字,例如1、2、3、4、5及6,此不管范围为何皆适用。
每当在本文中指出数值范围,是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。术语,第一指示数字及第二指示数字"之间的范围”及第一指示数字"到”第二指示数字"的范围"在本文中可互换,并指包括第一及第二指示数字,及其间的所有分数及整数。
如本文所用的术语「方法(method)」指的是用于完成一特定任务的方式(manner),手段(means),技术(technique)和程序(procedures),包括但不限于,那些方式,手段,技术和程序,其是已知的,或是从已知的方式,手段,技术或程序很容易地被化学,药理,生物,生化及医学领域从业者所开发。
可以理解,本发明中的特定特征,为清楚起见,在分开的实施例的内文中描述,也可以在单一实施例的组合中提供。相反地,本发明中,为简洁起见,在单一实施例的内文中所描述的各种特征,也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各种实施例的内文中所描述的特定特征,并不被认为是那些实施例的必要特征,除非该实施例没有那些组件就不起作用。
在本文中,如本文所用的术语“连接部分”或“连接基团”描述连接化合物中的两个或更多个部分或基团的基团。连接部分通常衍生自双官能或三官能化合物,并且可以被认为是二或三自由基的基团,其分别通过其两个或三个原子与两个或三个其它基团连接。
当定义为连接基团时,例示性的连接基团包括任选被一个或多个如本文所定义的杂原子插入的烃部分或链及/或以下列出的任何化学基团。
当化学基团在本文中被称为“尾端基团”时,它被解释为通过其一个原子与另一个基团连接的取代基。
在本文中,如本文所用的术语“烃”总体上描述了主要由碳和氢原子组成的化学基团。烃可以由烷基、烯烃、炔烃、芳基及/或环烷基组成,各自可以被取代或未被取代,并且可以被一个或多个杂原子间隔。碳原子的数量可以在2至20个的范围内,并且优选为较低的,例如1至10,或1至6,或1至4。烃可以是一连接基团或一尾端基团。
如本文所用的术语“胺”描述-NRxRy基团和-NRx-基团,其中Rx和Ry各自独立地为氢、烷基、环烷基、芳基,如这些术语在下文中所定义。
因此,胺基可以是一级胺,其中Rx和Ry两者都是氢、二级胺(其中Rx是氢并且Ry是烷基,环烷基或芳基)、或者三级胺,其中Rx和Ry各自独立地是烷基、环烷基或芳基。
可任选地,Rx和Ry可以各自独立地为羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、羰基、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。
如本文所用的术语“胺”用于描述-NRxRy基团,其中胺是如下定义的尾端基团,并且在本文中用于描述-NRx-基团,其中胺是一连接基团或者是一连接基团的一部分。
如本文所用的术语“烷基”描述包括直炼和支链基团的饱和脂族烃。优选地,烷基具有1至20个碳原子。每当一个数值范围-例如“1-20”-被陈述,这指的是所述基团(在这种情况下为烷基)可含有1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子…等,最多包括20个碳原子。更优选地,烷基是具有1至10个碳原子的中等大小的烷基。除非另有说明,最优选的烷基是具有1至4个碳原子的低级烷基(C(1-4)烷基)。烷基可以被取代或未被取代。取代的烷基可以具有一个或多个取代基,其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。
所述烷基可以是尾端基团,在上文中所定义的所述术语,其中它连接于单个相邻原子或连接基团,因为如上文所定义的所述术语,其长链中通过至少两个碳原子连接两个或多个基团。当烷基是连接基团时,其在本文中也称为“亚烷基”或“亚烷基链”。
本文所用的烯和炔是如本文所定义的烷基,其分别含有一个或多个双键或三键。
如本文所用的术语“环烷基”描述了一个或多个环不具有完全共轭π电子系统的一全碳单环或多个稠环(即共享相邻碳原子对的环)基团。实例包括但不限于环己烷、金刚烷、降冰片烷、异冰片基等。环烷基可以被取代或未被取代。取代的环烷基可以具有一个或多个取代基,其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、O-氨基甲酸酯、N-氨基甲酸酯、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。环烷基可以是尾端基团,因为如上文所定义的所述术语,其中它连接于单个相邻原子或连接基团,如本文所定义,其在两个或更多个位置连接两个或更多个基团。
如本文所用的术语“杂脂环族”描述在环中具有一个或多个原子,如氮、氧和硫的一单环或稠环基团。所述环也可以具有一个或多个双键。但是,环没有完全共轭π电子系统。代表性的例子是哌啶、哌嗪、四氢呋喃、四氢吡喃、吗啉代、草酰胺等。杂脂环可以被取代或未被取代。例如,羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。杂脂环基团可以是如上文所定义的尾端基团,其中它连接于单个相邻原子或连接基团,如本文所定义的,在其两个或更多个位置连接两个或更多个部分。
如本文所用的术语“芳基”描述具有完全共轭π电子系统的全碳单环或稠环多环(即共享相邻碳原子对的环)基团。芳基可以被取代或未被取代。取代的芳基可以具有一个或多个取代基,其中每个取代基可以独立地为例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、N-氨基甲酸盐、O-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。
如本文所用的术语“杂芳基”描述在环中具有一个或多个原子(例如氮、氧和硫)的单环或稠合环(即共享相邻原子对的环),另外,具有完全共轭的π电子系统。非限制性地,杂芳基的实例包括吡咯、呋喃、噻吩、咪唑、恶唑、噻唑、吡唑、吡啶、嘧啶、喹啉、异喹啉和嘌呤。杂芳基可以被取代或未被取代。例如羟基烷基、三卤代烷基、环烷基、烯基、炔基、芳基、杂芳基、杂脂环基、胺、卤化物、磺酸盐、亚砜、膦酸盐、羟基、烷氧基、芳氧基、硫羟基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、氰基、硝基、偶氮基、磺酰胺、C-羧酸盐、O-羧酸盐、N-硫代氨基甲酸盐、O-硫代氨基甲酸盐、脲、硫脲、O-氨基甲酸盐、N-氨基甲酸盐、C-酰胺、N-酰胺、脒基、胍和肼。杂芳基可以是如上文所定义的尾端基团,其中它连接于单个相邻原子或连接基团,如本文所定义,其在其两个或更多个位置连接两个或更多个基团。代表性的例子是吡啶、吡咯、恶唑、吲哚、嘌呤等。
如本文所用术语“卤化物”和“卤代物”描述氟、氯、溴或碘。
如本文所用术语“卤代烷基”描述瞭如上定义的烷基,其进一步被一个或多个卤素取代。
如本文所用术语“硫酸盐”描述了-O-S(=O)2-ORx尾端基团,如在上文中所定义的所述术语,或者-OS(=O)2-O-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如上文所定义。
如本文所用术语“硫代硫酸盐”描述了-O-S(=S)(=O)-ORx尾端基团或-O-S(=S)(=O)-O-连接基团,,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如上文所定义。
如本文所用术语“亚硫酸盐”描述了-O-S(=O)-O-Rx尾端基团或OS(=O)O-基团连接基团,如所述术语在上文中所定义的,其中Rx'如上文所定义。
如本文所用术语“硫代亚硫酸盐”描述了-O-S(=S)-ORx尾端基团或-O-S(=S)-O-连接基团,如所述术语在上文中所定义的,其中Rx如上定义述及。
如本文所用术语“亚磺酸酯”描述了-S(=O)-ORx端基或-S(=O)-O-基团连接基团,如所述术语在上文中所定义的,其中Rx如上文所定义。
如本文所用术语“亚砜”或“亚磺酰基”描述-S(=O)Rx尾端基团或-S(=O)-连接基团,如所述术语在上文中所定义的,其中Rx如上文所定义。
如本文所用术语“磺酸酯”描述了-S(=O)2-Rx尾端基团或-S(=O)2连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用术语“S-磺酰胺”描述了-S(=O)2-NRxRy尾端基团或-S(=O)2-NRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“N-磺酰胺”描述了RxS(=O)2-NRy-尾端基团或S(=O)2-NRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“二硫化物”是指-S-SRx-尾端基团或-S-S-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用术语“膦酸酯”描述了-P(=O)(ORx)(ORy)-尾端基团或P(=O)(ORx)(O)-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“硫代膦酸酯”指的是-P(=S)(ORx)(ORy)-尾端基团或P(=S)(ORx)(O)-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“氧膦基”指的是-PRxRy-尾端基团或-PRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“氧化膦”描述-P(=O)(Rx)(Ry)尾端基团或P(=O)(Rx)连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“硫化膦”描述-P(=S)(Rx)(Ry)尾端基团或P(=S)(Rx)连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“亚磷酸酯”指的是-O-PRx(=O)(ORy)尾端基团或-O-PRx(=O)(O)-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如此所定义。
如本文所用术语“羰基”或“碳酸盐”描述-C(=O)-Rx尾端基团或-C(=O)-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用术语“硫代羰基”描述-C(=S)-Rx尾端基团或-C(=S)-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用“氧代”指的是一个(=O)基团,其中氧原子通过双键与指定位置处的原子(例如碳原子)连接。
如本文所用术语“硫代氧基”指的是一种(=S)基团,其中硫原子通过双键与指定位置处的原子(例如碳原子)连接。
如本文所用术语“肟”指的是a=N-OH尾端基团或a=N-O-连接基团,如在上文中所定义的所述术语。
如本文所用术语“羟基”指的是-OH基团。
如本文所用术语“烷氧基”指的是如本文所定义的-O-烷基和-O-环烷基两者。
如本文所用术语“芳氧基”指的是如本文所定义的-O-芳基和-O-杂芳基。
如本文所用术语“硫代羟基”指的是-SH基团。
如本文所用术语“硫代烷氧基”指的是如本文所定义的-S-烷基基团和-S-环烷基基团。
如本文所用术语“硫代芳氧基”指的是如本文所定义的-S-芳基和-S-杂芳基。
如本文所用“羟烷基”在本文中也指的是“醇”,并且描述如本文所定义的被羟基取代的烷基。
如本文所用术语“氰基”指的是-C≡N基团。
如本文所用术语“异氰酸酯”指的是-N=C=O基团。
如本文所用术语“异硫氰酸酯”指的是-N=C=S基团。
如本文所用术语“硝基”指的是-NO2基团。
如本文所用术语“酰基卤”指的是-(C=O)Rz基团,其中Rz是如上所定义的卤化物。
如本文所用术语“偶氮”或“双氮”指的是-N=NRx尾端基团或-N=N连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx如上文所定义。
术语“过氧化物”指的是-O-ORx端基或-O-O连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如上文所定义。
如本文所用,术语“羧酸盐”包括C-羧酸盐和O-羧酸盐。
如本文所用术语“C-羧酸酯”指的是-C(=O)-ORx尾端基团或-C(=O)-O连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用术语“羧酸根”描述-OC(=O)Rx尾端基团或-OC(=O)连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
羧酸盐可以是直链或环状的。当形成环状时,Rx和碳原子在C-羧酸酯中连接在一起形成环状,并且所述基团也被称为内酯。或者,Rx和O连接在一起形成O-羧酸酯环。环状羧酸酯可以用作连接基团,例如,当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用的术语“硫代羧酸酯”包括C-硫代羧酸酯和O-硫代羧酸酯。
如本文所用术语“C-硫代羧酸酯”指的是-C(=S)-ORx尾端基团或-C(=S)-O连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
如本文所用术语“硫代羧酸酯”指的是-OC(=S)Rx尾端基团或-OC(=S)连接基团,如在上文中所定义的所述术语,其中Rx如本文所定义。
硫代羧酸酯可以是直链或环状的。当形成环状时,Rx和碳原子在C-硫代羧酸酯中连接在一起形成环状,并且该基团也被称为硫代内酯。或者,Rx和O连接在一起形成O-硫代羧酸酯环。环状硫代羧酸酯可以用作连接基团,例如,当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“氨基甲酸酯”涵盖N-氨基甲酸酯和O-氨基甲酸酯。
如本文所用术语“N-氨基甲酸酯”指的是RyOC(=O)-NRx-尾端基团或OC(=O)-NRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“O-氨基甲酸酯”指的是-OC(=O)-NRxRy尾端基团或-OC(=O)-NRx连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
氨基甲酸酯可以是直链或环状的。当为环状时,Rx和碳原子在O-氨基甲酸酯中连接在一起形成一环。或者,Rx和O连接在一起形成N-氨基甲酸酯环。环状氨基甲酸酯可以用作连接基团,例如,当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“氨基甲酸酯”包括N-氨基甲酸酯和O-氨基甲酸酯。
如本文所用术语“硫代氨基甲酸盐”包括N-硫代氨基甲酸盐和O-硫代氨基甲酸盐。
如本文所用术语“O-硫代氨基甲酸盐”指的是-OC(=S)NRxRy尾端基团或OC(=S)NRx连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“N-硫代氨基甲酸盐”指的是RyOC(=S)NRx-尾端基团或OC(=S)NRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
硫代氨基甲酸盐可以是直炼或环状的,如本文对氨基甲酸酯所述。
如本文所用术语“二硫代氨基甲酸盐”包括S-二硫代氨基甲酸盐和N-二硫代氨基甲酸盐。
如本文所用术语“S-二硫代氨基甲酸盐”指的是-SC(=S)NRxRy尾端基团或SC(=S)NRx连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“N-二硫代氨基甲酸盐”指的是RySC(=S)NRx-尾端基团或-SC(=S)NRx-连接基团,如在上文中所定义的所述术语,Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“脲基”,也称为“脲素”指的是-NRxC(=O)-NRyRq尾端基团或NRxC(=O)-NRy连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rz和Ry如本文所定义,且Rq如本文对Rx和Ry所定义。
如本文所用术语“硫脲基”,也称为“硫脲”指的是-NRx-C(=S)-NRyRq尾端基团或-NRx-C(=S)-NRy连接基团,其中Rx、Ry和Rq如本文所定义。
如本文所用的术语“酰胺”涵盖C-酰胺和N-酰胺。
如本文所用术语“C-酰胺”指的是-C(=O)-NRxRy尾端基团或-C(=O)-NRx连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“N-酰胺”指的是RxC(=O)-NRy-尾端基团或RxC(=O)-N-连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx和Ry如本文所定义。
酰胺可以是直链或环状的。当为环状时,Rx和碳原子在C-酰胺中连接在一起形成一环,并且所述基团也被称为内酰胺。环酰胺可以作为连接基团,例如,当形成的环中的原子与另一个基团连接时。
如本文所用术语“脒基”指的是RxRyNC(=N)-尾端基团或-RxNC(=N)-连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx和Ry如本文所定义。
如本文所用术语“胍”描述-RxNC(=N)-NRyRq尾端基团或-RxNC(=N)-NRy-连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx、Ry和Rq如本文所定义。
如本文所用术语“肼基”描述了-NRx-NRyRq尾端基团或-NRx-NRy-连接基团,如这些术语在上文中所定义,Rx,Ry和Rq如本文所定义。
如本文所用术语“酰肼基”描述了-C(=O)-NRxNRyRq尾端基团或-C(=O)-NRx-NRy-连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx、Ry和Rq如本文所定义。
如本文所用术语“硫代酰肼基”描述-C(=S)-NRxNRyRq尾端基团或-C(=S)-NRx-NRy-连接基团,如这些术语在上文中所定义,其中Rx、Ry和Rq如本文所定义。
如本文所用术语“亚烷基二醇”描述了-O-[(CRxRy)zO]y-Rq尾端基团或-O-[(CRxRy)zO]y-连接基团,其中Rx、Ry和Rq如本文所定义。并且其中z是1至10的整数,优选为2至6的整数,更优选为2或3的整数,并且y是1或更大的整数。优选Rx和Ry都是氢。当z是2且y是1时,所述基团是乙二醇。当z是3且y是1时,所述基团是丙二醇。
当y大于4时,亚烷基二醇在本文中称为聚(亚烷基二醇)。在本发明的一些实施例中,聚(亚烷基二醇)基团或部分可以具有10至200个重复的亚烷基二醇单元,使得z为10至200,优选为10至100,更优选为10至50。
如上所述以及如下面的权利要求部分所要求保护的本发明的各种实施方式和目的将在以下实施例中寻求实验支持。
实施例
现在参考以下实施例,其连同以上描述以非限制的方式说明了本发明的一些实施方式。
实施例1
本发明人已经开发一种清洁溶液,其从由一固化支撑材料和一固化模型材料制成的一印刷物体上有效地去除一固化的支撑材料。更具体地说,本发明人已经开发一种清洁溶液,其能够有效地溶解不溶于水但需要高浓度碱性溶液(例如碱金属氢氧化物,如NaOH或KOH)的多种固化支撑材料,以于合理的溶解时间将所述固化的支撑材料溶解。例示性的多种固化支撑材料是那些在固化时表现出至少一定程度的交联的聚合物链,例如交联聚丙烯酸酯及/或交联聚甲基丙烯酸酯。
虽然已知为了提高溶解速率并因此减少溶解时间,可以使用更高浓度的碱金属氢氧化物,也已经认识到这种高度浓缩的溶液具有腐蚀性和危险性,因此不希望它们被使用。进一步认识到,当碱金属氢氧化物的溶液用于溶解例如交联聚丙烯酸酯或任何其它可水解的酯或酰胺时,以一化学计量方式参与交联聚合物中存在的酯及/或酰胺键的水解反应,因此相对较快地达到饱和,并且随着溶液中溶解的支撑材料浓度的增加,应该重复地被置换。例如,当使用5%NaOH溶液时,当溶液含有5重量百分比溶解的支撑材料时,溶解速率已经增加了2倍。
例如参考图1,其中显示溶解时间的线性增加作为支撑材料在溶液中的负载函数,而指出饱和程度。在图1所示的例示性实验中,5%NaOH的斜率是20.4。
在使用各种碱性物质,包括各种市售的洗涤剂、有机碱性物质、各种浓度的NaOH和KOH、以及金属碱与表面活性剂的各种组合、各种碱性物质的溶液进行了广泛的研究,本发明人已经发现,两种碱性物质,即氢氧化钠和偏硅酸钠的组合的碱性溶液,各自的浓度为1-3重量百分比,并且碱性物质的总浓度不超过4重量百分比,提供的一溶解时间与在支撑材料的0%负载下通常使用的5%NaOH溶液相似,并且溶解时间在提高的支撑物含量情况下降低许多。
偏硅酸钠以及其它碱金属硅酸盐在非常高的pH(例如pH>11)下表现出缓冲能力。与氢氧化钠一起,偏硅酸钠缓冲能力增加至更高的pH(pH>14),因此在其存在下,在支撑材料溶解期间保持恒定的pH(氢氧根离子浓度)。这使清洁溶液具有更长的“使用寿命”。即,即使溶解的支撑材料(支撑物或支撑负载)在高浓度下,清洁溶液也保持活性,并且溶解速率保持基本恒定,并且与通常使用的5%NaOH溶液相比,由于浓度较NaOH溶液为低,安全性问题很小。
本案发明人进一步研究了溶液中每种碱性物质的最佳浓度和碱性物质之间的最佳比例,并且发现用含有2重量百分比的NaOH和1重量百分比的偏硅酸钠(溶液其余部分为水)的溶液可以获得最佳的性能,即高和恒定的溶解速率。
图1显示了比较图,其显示了标准化清洁时间(溶解时间),其是在溶液中溶解的支撑材料在一定浓度下的清洗时间除以同一物体在新溶液(包含0%溶解的支撑材料,也被称为100%溶液)中的清洗时间,作为溶液中溶解的支撑材料浓度函数(支撑物负载量)。用以测定由一支撑材料配方制成的固化支撑材料,所述支撑材料配方包含单丙烯酸酯和二丙烯酸酯的混合物并因此表现出一定程度的交联。数据是针对包含5%NaOH(蓝色菱形)和本文所述的例示性的NaOH和偏硅酸钠溶液(红色正方形)的清洁溶液所呈现的。
简而言之,对于每种溶液,使用包含固化模型材料和固化支撑材料的相同印刷物体进行测定。计算每种印刷物体在溶解支撑材料之前和之后的重量,并计算在溶解时引入到溶液中的溶解的支撑材料的量(例如,每个印刷物体100克含支撑物)。
准备两种清洁溶液:5%重量百分比的NaOH和2重量百分比的NaOH+1重量百分比硅酸钠。将一个印刷物分别浸渍在各溶液中,直到支撑物完全溶解,记录清洁时间(溶解时间)(例如1小时)。记录的溶解时间作为一参考时间(100%值),其用于在新溶液中溶解一定量几何形状的固化支撑材料。
接下来,将另外的相同的印刷物体浸入已经含有例如100克溶解的支撑材料的同一溶液中,记录溶解时间(例如1.5小时)。这个印刷物体的标准化清洁时间是所记录的清洁时间除以在新溶液中的参考时间,即1.5小时/1小时=150%,对于每个之后的印刷物体而言皆是。
如图1所示,由于酯键断裂(氢氧根离子耗尽)可用的氢氧离子越来越少,清洁时间不断增加。对于5%NaOH溶液,观察到标准化清洁时间的急剧增加,代表清洁溶液的饱和度,图的斜率为20.4。
然而,由于硅酸钠溶液作为缓冲剂,氢氧离子的浓度保持恒定,因此,对于NaOH/Na2SiO3溶液来说,清洁时间受溶解的支撑材料量的影响较小,溶解时间大大降低。对应曲线的斜率为2.7(与5%NaOH溶液相比几乎低10倍)。
这样可以延长清洁溶液的“使用寿命”(需要较少的溶液更换来达到相同的清洁时间)。
虽然已经结合具体实施例描述了本发明,但是很显然的,对于本领域技术人员而言,许多替换、修改及变化将是显而易见的。因此,本发明意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。
在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用并入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用并入本文中。此外,所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解,而不应被解释为必要的限制。

Claims (25)

1.一种清洁组合物,用于从通过一积层制造所获得的一印刷物体中去除一固化支撑材料,其特征在于,所述组合物包含:一碱金属氢氧化物、一碱金属硅酸盐以及水。
2.如权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物是氢氧化钠。
3.如权利要求1所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐是偏硅酸钠。
4.如权利要求3所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐是偏硅酸钠。
5.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐的一浓度低于所述组合物的总重量的5重量百分比,或者低于4重量百分比,或者低于3重量百分比。
6.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐的一总浓度低于所述组合物的总重量的10重量百分比,或低于8重量百分比,或低于6重量百分比,或低于5重量百分比,或低于4重量百分比。
7.如权利要求5所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐的一总浓度低于所述组合物的总重量的10重量百分比,或低于8重量百分比,或低于6重量百分比,或低于5重量百分比,或低于4重量百分比。
8.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
9.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
10.如权利要求8所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
11.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比,以及所述碱金属硅酸盐的一浓度范围为所述组合物的总重量的1至3重量百分比。
12.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属氢氧化物的一浓度为所述组合物的总重量的2重量百分比。
13.如权利要求1至4任一项所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐的一浓度为所述组合物的总重量的1重量百分比。
14.如权利要求12所述的组合物,其特征在于:所述碱金属硅酸盐的一浓度为所述组合物的总重量的1重量百分比。
15.如权利要求1至14任一项所述的组合物,其特征在于:所述组合物由所述碱金属氢氧化物、碱金属硅酸盐及水组成,所述组合物是一水溶液。
16.如权利要求1至15任一项所述的组合物,其特征在于:在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间基本相同或者低于在所述印刷物体中的所述固化支撑材料在使所述印刷物体与包含5重量百分比的氢氧化钠的一水溶液接触时的一溶解时间。
17.如权利要求1至16任一项所述的组合物,其特征在于:当所述清洁组合物包含至少5重量百分比的已溶解的支撑材料或至少10重量百分比的已溶解的支撑材料或至少20重量百分比的已溶解的支撑材料时,在一印刷物体中的一固化支撑材料在使所述印刷物体与所述清洁组合物接触时的一溶解时间增加不超过50%。
18.一种套组,其特征在于,所述套组包含:一碱金属氢氧化物及一碱金属硅酸盐,所述套组被指定用于制备一清洁组合物,所述清洁组合物用于从通过一积层制造中所获得的一印刷物体中去除一固化支撑材料。
19.如权利要求18所述的套组,其特征在于:所述套组更包括多个指示以制备一水溶液,所述水溶液包含1至3重量百分比的所述碱金属氢氧化物及1至3重量百分比的所述碱金属硅酸盐,从而制备所述清洁组合物。
20.如权利要求18所述的套组,其特征在于:所述碱金属氢氧化物与所述碱金属硅酸盐的一重量比为2:1。
21.如权利要求20所述的套组,其特征在于:所述套组更包括多个指示通过在每2克的所述碱金属氢氧化物及1克的所述碱金属硅酸盐中加入97克的水,以制备所述清洁组合物。
22.如权利要求18至21任一项所述的套组,其特征在于:所述碱金属氢氧化物及所述碱金属硅酸盐被分开包装在所述套组中。
23.一种制造一个三维模型物体的方法,其特征在于,所述方法包括:
分配一建构材料,用于对应物体的形状的一配置图案依序形成多个层,其中所述建构材料包括一模型材料配方及一支撑材料配方;
在所述分配之后,将所述建构材料暴露于一固化能量,从而获得由一固化模型材料及一固化支撑材料所组成的一印刷物体;以及
使所述印刷物体与如权利要求1-17中任一项所述的清洁组合物接触,从而从所述固化模型材料中去除所述固化支撑材料,因而获得所述三维模型物体。
24.如权利要求23所述的方法,其特征在于:所述固化支撑材料包含多个交联聚合物链,例如一交联聚丙烯酸酯。
25.一种三维模型,其特征在于,所述三维模型通过如权利要求23或24所述的方法加以制造。
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