CN110382205A - 用于打印光滑fdm 3d物品的芯-壳型丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于借助于3D打印来制造3D物品(1)的方法。方法包括在打印阶段期间沉积可3D打印材料(201)以提供3D打印材料(202)的步骤，其中可3D打印材料(201)包括芯‑壳型丝(320)，该芯‑壳型丝(320)包括：(i)芯(321)，该芯包括芯材料(1321)，该芯材料具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度；以及(ii)壳(322)，该壳包括壳材料(1322)，该壳材料具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，其中壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度低于芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度。方法进一步包括在精加工阶段将3D打印材料(202)加热到一温度的步骤，该温度等于或者高于壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，并且等于或者低于芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度。

Description

用于打印光滑FDM 3D物品的芯-壳型丝
技术领域
本发明涉及一种用于制造3D(打印)物品的方法，涉及一种用于执行这种方法的3D打印机，并且涉及一种用于执行这种方法的计算机程序产品。本发明还涉及用这种方法可获得的3D(打印)物品。进一步地，本发明涉及一种包括这种3D(打印)物品的照明设备。
背景技术
包含层的挤出型3D打印机输入的使用在本领域中是已知的。例如，WO2015/077262描述了包括丝的3D打印机输入，这些3D打印机输入包括分离的层或者部段。具体地包括丝的这些输入可以通过共挤出、微层共挤出或者多组件/分形共挤出来制备。这些输入和具体地丝能够在所谓的3D打印工艺期间通过一个或多个喷嘴使不同材料同时分层或者组合。这些技术有助于更小层大小(毫米、微米和纳米)、不同层配置以及合并否则将不可用于标准3D打印机方法中的材料的潜力。
EP-2676784公开了一种制造物体的方法，其中方法包括将丝馈送至挤出头的步骤。丝具有半结晶聚合物强化部分和聚合物基质部分。强化和基质部分沿着丝的长度不断延伸。强化部分具有比基质部分更高的熔点和更高的结晶度。丝的温度在挤出头中升高至高于基质部分的熔点但低于强化部分的熔点，以使得丝的基质部分在挤出头内熔化，从而在挤出头内形成部分熔化的丝。部分熔化的丝从挤出头被挤出到衬底上，部分熔化的丝的强化部分在其从挤出头被挤出时保持在半结晶状态中。随着部分熔化的丝被挤出到衬底上，在挤出头与衬底之间生成相对移动，以便在衬底上形成挤出线。在挤出线已形成于衬底上之后，挤出线的基质部分固化。
发明内容
在接下来10-20年内，数字制造将越来越多地改变全球制造业的性质。数字制造方面中的一个方面是3D打印。目前，已经开发了许多不同技术，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。3D打印还可用于生产模具，这些模具随后可以用于复制物体。
出于制作模具的目的，已经建议使用聚合物喷射技术。这种技术利用可光聚合材料的逐层沉积，该可光聚合材料在每次沉积之后固化以形成固体结构。虽然这种技术产生了光滑表面，但是光可固化材料不是非常稳定，并且这些材料还具有相对低的导热率以适用于注塑成型应用。
最广泛使用的增材制造技术是称为熔融沉积成型(FDM)的工艺。熔融沉积成型(FDM)是通常用于成型、原型设计和生产应用的增材制造技术。FDM根据“增材”原理通过在层中铺设材料来工作；塑料丝或者金属线从线圈松开并且供应材料以生产部件。可能地，(例如针对热塑性塑料)在铺设之前丝被熔化并挤出。FDM是一种快速原型技术。FDM的其它术语是“熔融丝制造”(FFF)或者“丝3D打印”(FDP)，这些术语被视为与FDM等效。大体上，FDM打印机使用热塑性丝，该热塑性丝被加热至其熔点并且随后逐层(或者实际上丝接丝地)挤出，以产生三维物体。FDM打印机相对快速并且可用于打印复杂物体。
FDM打印机相对快速、廉价并且可以用于打印复杂3D物体。这种打印机用于使用各种聚合物来打印各种形状。技术还在LED灯具的生产和照明方案中进一步被开发。
熔融沉积成型(FDM)是最频繁使用的用于基于增材制造(3-D打印)来生产物体的技术中的一种技术。FDM根据“增材”原理通过在层中铺设塑料材料来工作。由于工艺的性质，因此这大体上产生粗糙的棱纹表面精加工(finish)。例如出于装饰原因，而且还出于功能原因(诸如表面的反射率、表面的可处理性等)，这可能并非始终都是所期望的。因此，在一些应用中，需要光滑表面。出于这个目的，可以使用各种后表面处理方法，诸如机械抛光和溶剂处理。然而，这种方法是精细的，和/或可能会使用附加的化学品。整个3D打印产品的热处理可能会造成产品的弱化，并且由此造成形状和/或功能的损失。
因此，本发明的一方面是提供备选的3D打印方法和/或3D(打印)物品，该3D打印方法和/或3D(打印)物品优选地进一步至少部分地消除上文所描述的缺陷中的一个或多个缺陷。本发明可以具有克服或者改善现有技术的缺点中的至少一个缺点或者提供有用的备选方案的目标。
除此之外，本文中建议使用具有同心层或者使用打印机喷嘴和丝馈送器的丝，以便产生从喷嘴出来的材料的两种材料呈同心层形式。材料可以被选择为仅具有玻璃化转变温度的玻璃状聚合物和/或具有熔化温度且还具有玻璃化转变温度的半结晶聚合物，使得外表面由聚合物制成，该聚合物具有比芯材料的Tg或者熔化温度Tm更低的Tg或者熔化温度Tm。以这种方式打印的物体因此具有一层，该层具有外表面，该外表面具有比芯聚合物更低的Tg或者熔化温度Tm。将物体放置在烘箱或者IR辐射器中可以将外聚合物加热至高于其Tg或者Tm的温度，但保持低于内聚合物的Tg或者Tm，使得外聚合物流动从而产生光滑的表面结构。在聚合物是半结晶时，熔化温度为主。在特定实施例中，聚合物不相容。不相容的聚合物在分子水平上无法混合。在混合在一起时，这些聚合物变成相分离。
因此，在第一方面中，本发明提供了一种用于制造3D物品(“物品”或者“3D打印物品”)的方法，其中该方法包括在打印阶段期间沉积可3D打印材料(“可打印材料”)以提供3D打印材料(“打印材料”，即沉积后的可打印材料)的步骤，其中可3D打印材料包括芯-壳型丝，该芯-壳型丝包括芯和壳，该芯包括芯材料，该芯材料具有芯玻璃化温度(Tg1)和芯熔化温度(Tm1)中的一个或多个，并且壳(其还可以被指示为“夹套(jacket)”)包括壳材料，该壳材料具有壳玻璃化温度(Tg2)和壳熔化温度(Tm2)中的一个或多个，其中壳玻璃化温度(Tg2)和壳熔化温度(Tm2)中的一个或多个低于芯玻璃化温度(Tg1)和芯熔化温度(Tm1)中的一个或多个。方法进一步包括在精加工阶段期间将3D打印材料加热到一温度的步骤，该温度等于或者高于壳玻璃化温度(Tg2)和壳熔化温度(Tm2)中的一个或多个，并且等于或者低于芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个。因此，芯材料和壳材料两者都包括聚合物材料。
利用根据本发明的第一方面的方法，表面粗糙度可以从丝的例如μm尺寸减小到加热之后的nm尺寸。进一步地，利用这种方法，可以相对容易地执行光滑化。如果需要，则大体上可以加热整个物品而无形状和/或功能的损失。进一步地，利用这种方法，每个丝中的骨架材料大体上可保持不变，同时使表面光滑，该骨架材料大体上可以由芯材料组成。因此，可以提供具有相对光滑表面的强大设备。
加热可以不同方式完成。在实施例中，加热包括以下项中的一项或多项：向3D打印材料提供热气体、向3D打印材料提供IR辐射和在加热腔中加热3D打印材料。加热可以在3D物品已经被提供之后或者在其部件已经被3D打印之后执行。因此，包括加热的精加工阶段可以在打印期间或者打印之后或者两者的情况下发生。加热可以局部完成，例如刚打印的部件的局部辐射，或者加热可以对整个3D打印物品执行。还可应用加热方法的组合。因此，打印阶段和精加工阶段可以及时组合或者可以相继地执行。
如上文所指示，加热可以产生相对光滑的表面。在特定实施例中，可以获得低于10μm或者甚至低于5μm或者甚至低于1μm的表面粗糙度。因此，加热可以使粗糙度降低。例如，这可以用激光散射测量。因此，在实施例中，3D打印材料形成3D物品的表面，并且在精加工阶段期间，3D打印材料被加热，直到表面的至少一部分具有对于至少25mm2(诸如至少100mm2)的区域而言的等于或者小于5μm的预定平均表面粗糙度(Ra)。在实施例中，3D打印材料形成3D打印物品的整个外部表面，并且可以具有这种平均表面粗糙度。
如上文所指示，方法包括在打印阶段期间沉积可3D打印材料。因此，术语“可3D打印材料”是指待沉积或者打印的材料，并且术语“3D打印材料”是指在沉积之后获得的材料。这些材料大体上可以相同，因为可3D打印材料可以特别地指在升高的温度下在打印机头或者挤出器中的材料，并且3D打印材料是指相同的材料但处于沉积的后一阶段中。可3D打印材料作为丝而被打印，并且如此沉积。可3D打印材料可以作为丝而被提供，或者可以形成为丝。因此，无论应用何种起始材料，包括可3D打印材料的丝由打印机头提供并且进行3D打印。
本文中，术语“可3D打印材料”还可以指示为“可打印材料”。术语“聚合物材料”在实施例中可以指不同聚合物的共混物，但是在实施例中还可以指大体上具有不同聚合物链长度的单一聚合物类型。因此，术语“聚合物材料”或者“聚合物”可以指单一类型的聚合物，但是还可以指多种不同的聚合物。术语“可打印材料”可以指单一类型的可打印材料，但是还可以指多种不同的可打印材料。术语“打印材料”可以指单一类型的打印材料，但是还可以指多种不同的打印材料。
因此，术语“可3D打印材料”还可以指两种或更多种材料的组合。大体上，这些(聚合物)材料具有玻璃化转变温度Tg和/或熔化温度Tm。可3D打印材料在其离开喷嘴之前将由3D打印机加热到一温度，该温度为至少玻璃化转变温度并且大体上为至少熔化温度。因此，在特定实施例中，可3D打印材料包括具有玻璃化转变温度(Tg)和/或熔点(Tm)的热塑性聚合物，并且打印机头动作包括将可3D打印材料加热到高于玻璃化转变温度，并且如果该可3D打印材料是半结晶聚合物则加热到高于熔化温度
在又一实施例中，可3D打印材料包括具有熔点(Tm)的(热塑性)聚合物，并且打印机头动作包括将待沉积在接收器物品上的可3D打印材料加热到至少熔点的温度。玻璃化转变温度与熔化温度大体上不相同。熔化是在结晶聚合物中出现的转变。熔化在聚合物链从其晶体结构脱落并且变成无序液体时发生。玻璃化转变是无定形聚合物发生的转变；即，尽管其处于固态但是其链不是以有序晶体布置而是以任何方式散布的聚合物。聚合物可以为无定形的，大体上具有玻璃化转变温度并且不具有熔化温度，或者可以为(半)结晶的，大体上具有玻璃化转变温度和熔化温度两者，其中大体上后者大于前者。例如，玻璃化温度可以用差示扫描量热法来确定。熔点或者熔化温度也可以用差示扫描量热法来确定。
如上文所指示，由此，本发明提供了一种方法，其包括提供可3D打印材料的丝，以及在打印阶段期间将所述可3D打印材料打印在衬底上，以提供所述3D物品。可以尤其有资格作为可3D打印材料的材料可以选自由以下组成的组：金属、玻璃、热塑性聚合物、硅酮等。特别地，可3D打印材料包括选自由以下组成的组的(热塑性)聚合物：ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、尼龙(或者聚酰胺)、醋酸酯(或者纤维素)、PLA(聚乳酸)、对苯二甲酸酯(诸如PET聚对苯二甲酸乙二醇酯)、丙烯酸(聚甲基丙烯酸酯、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA)、聚丙烯(polypropylene)(或者聚丙烯(polypropene))、聚苯乙烯(PS)、PE(诸如发泡高冲击聚乙烯(Polythene)(或者聚乙烯(polyethene))、低密度(LDPE)高密度(HDPE))、PVC(聚氯乙烯(polyvinyl chloride)或者聚氯乙烯(polychloroethene))、聚碳酸酯(PC)、聚砜、聚醚砜、聚苯砜、酰亚胺(诸如聚醚酰亚胺)等。可选地，可3D打印材料包括选自由以下组成的组的可3D打印材料：尿素甲醛、聚酯树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛、橡胶等。
由于打印材料加热到高于壳玻璃化温度，所以表面被光滑化，而芯材料大体上不会变弱。因此，3D物品的结构可以保持完整，同时结构被光滑化。
根据加热时间，加热可以暂时甚至高于芯玻璃化温度，但是特别地，在整个加热时间内，温度不是那么高。因此，在特定实施例中，方法包括在精加工阶段期间将3D打印材料加热到一温度，该温度等于或者低于芯玻璃化温度(Tg1)和/或芯熔化温度(Tm1)，特别地，低于芯玻璃化温度(Tg1)和/或芯熔化温度(Tm1)，但是等于或者高于壳玻璃化温度(Tg2)和/或壳熔化温度(Tm2)，特别地，高于壳玻璃化温度(Tg2)和/或壳熔化温度(Tm2)。例如，加热可以比壳玻璃化温度和/或壳熔化温度高至少1℃，诸如至少5℃，例如特别地，至少10℃，并且特别地，比芯玻璃化温度和/或芯熔化温度低至少1℃，诸如至少5℃，例如特别地，至少10℃。代替术语“玻璃化温度”，还可以使用术语“玻璃化转变温度”。在芯材料和壳材料中的一者或者两者具有熔化温度时，随后可以选择熔化温度而不是玻璃化温度。
大体上，芯材料和壳材料的玻璃化温度之间的差异为至少10℃，诸如至少20℃。特别地，材料被选择为在玻璃化温度之间具有本质差异。因此，在特定实施例中，无论何者适用，芯熔化温度Tm1或者芯玻璃化温度(Tg1)和壳熔化温度Tm2或者玻璃化温度(Tg2)至少相差40°，诸如在50-150℃的范围内。
可以区分以下情况，其中，T指示在精加工阶段期间的处理时间：
在实施例中，芯材料可以包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：聚碳酸酯(PC)、聚砜、PPS、PSU、高Tg PC(APEC(Covestro))、PBT、结晶PET、PEN、PEEK等，并且壳材料可包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、无定形共聚酯、ABS、PMMA、聚苯乙烯、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯、MABS、SBC、热塑性聚氨酯等。
因此，在特定实施例中，芯材料可以包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：聚碳酸酯(PC)、聚砜(PSU)、聚苯硫醚(PPS)、高Tg(诸如高于约183℃)改性聚碳酸酯共聚物(APEC-1895Coestro)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)。在又一特定实施例中，壳材料可以包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)PMMA、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯丙烯腈丁二烯苯乙烯(MABS)、苯乙烯嵌段共聚物(SBC)和热塑性聚氨酯。特别地，这种材料可以适合地用于3D物品的芯-壳型丝3D打印，这些3D物品可以被精加工以使得可以获得相对光滑的表面。
进一步地，可能需要材料在一些方面中不同。在特定实施例中，芯材料具有芯材料粘度，并且壳材料具有壳材料粘度，其中在高于芯玻璃化温度(Tg1)或者芯熔化温度Tm的温度下，芯材料粘度尤其高。这可以允许在精加工阶段期间在加热温度下良好和快速的光滑化。进一步地，这还可以允许在打印阶段期间良好的处理。优选地，具有更短链长度的分子用于壳部件。这使得材料能够更快流动以获得光滑表面。熔体流动速率(特别地，如在条件(300℃；1.2kg)下由ISO-113规定的)特别地高于20cm3/10min，更特别地高于50cm3/10min，并且最特别地高于100cm3/10min。在特定实施例中，芯和壳的聚合物材料可以不相容。这可以尤其意味着在(芯和壳的)两层的界面处大体上不存在混合。丝之间的接合可以尤其通过壳来提供。
在特定实施例中，芯-壳型丝具有选自100-3000μm的范围的芯直径(d1)，并且其中，壳厚度(d2)选自100–2000μm的范围，尤其高达约1000μm，诸如在100–500μm的范围中。芯-壳型丝可以照此提供和打印，或者可以在打印机头中生成，诸如用挤出型打印机头。
由于壳的可用性，丝之间的粘附可能受到影响，尤其是在应用加热时。因此，可以期望使3D打印材料中的丝之间的(多个)壳的厚度相对较薄，并且尤其比可3D打印材料(即尚未打印的材料)更薄。因此，在特定实施例中，在可打印材料被沉积在支架或者接收器物品上(即包括在接收器物品上的3D打印材料上)时，压力被施加在可打印材料上。该压力可以尤其用打印机头来被施加。以这种方式，丝可以被打印，其不具有大体上圆形的横截面形状而是压缩的管形形状，如沿轴线延伸。因此，在特定实施例中，在打印期间，压力被施加到芯-壳型丝，以提供所沉积的具有变形芯的芯-壳型丝，该变形芯具有彼此垂直且与芯-壳型丝的纵向轴线(A)垂直的第一尺寸(h1)和第二尺寸(w1)，该第一尺寸与该第二尺寸可以尤其具有小于1的比率(h1/w1)，诸如小于0.9，如小于0.8，诸如在0.2-0.6的范围中。如上文所指示，压力可以在沉积可3D打印材料期间用打印机头来被施加。
可打印材料被打印于接收器物品上。特别地，接收器物品可以是构建平台(building platform)或者可以由构建平台构成。接收器物品还可以在3D打印期间进行加热。然而，接收器物品还可以在3D打印期间进行冷却。
除此之外，短语“在接收器物品上打印”和类似短语除其他外还包括：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，或者在先前在接收器物品上打印的3D打印材料上打印。术语“接收器物品”可以指打印平台、打印床、衬底、支架、构建板或者构建平台等。代替术语“接收器物品”，还可使用术语“衬底”。除其他之外，短语“在接收器物品上打印”和类似短语还包括在位于打印平台、打印床、支架、构建板或者构建平台等上分离衬底上打印或者在由打印平台、打印床、支架、构建板或者构建平台等构成的分离衬底上打印。因此，除其他之外，短语“在衬底上打印”和类似短语包括：直接在衬底上打印，或者在衬底上的涂层上打印，或者在先前在衬底上打印的3D打印材料上打印。在下文中，进一步地，使用术语衬底，该术语衬底可以指打印平台、打印床、衬底、支架、构建板或者构建平台等，或者其上或者由其构成的分离衬底。
本文中所描述的方法提供了3D打印物品。因此，在第二方面中，本发明还提供了一种用本文中所描述的方法可获得的3D打印物品。特别地，本发明提供了一种3D物品，其包括由3D打印材料形成的表面，该3D打印材料包括多个芯-壳型丝，每个芯-壳型丝包括芯和壳，该芯包括芯材料，该芯材料具有芯玻璃化温度(Tg1)，并且壳包括壳材料，该壳材料具有壳玻璃化温度(Tg2)，其中，该壳玻璃化温度(Tg2)低于芯玻璃化温度(Tg1)，并且其中，表面的至少一部分具有对于至少25mm2的区域而言的等于或者小于5μm的平均表面粗糙度。
与上文所描述的3D打印方法有关的一些特定实施例不仅涉及该方法，而且还涉及3D打印物品。在下文中，更详细地论述了与3D打印物品有关的一些特定实施例。
如上文所指示，芯玻璃化温度(Tg1)和壳玻璃化温度(Tg2)可以相差至少40℃。
由此，上文所描述的与可3D打印材料有关的特定材料还应用于3D打印材料。因此，在实施例中，芯材料可以包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：聚碳酸酯(PC)、聚砜、PPS、PSU、高Tg PC(APEC(Covestro))、PBT、结晶PET、PEN、PEEK等，并且壳材料可以包括选自由以下组成的组的一种或多种材料：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、无定形共聚酯、ABS、PMMA、聚苯乙烯、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯、MABS、SBC、热塑性聚氨酯等。
如上文所指示，芯-壳型丝中的一个或多个具有变形芯，该变形芯具有彼此垂直并且与芯-壳型丝的纵向轴线(A)垂直的第一尺寸(h1)和第二尺寸(w1)，该第一尺寸与该第二尺寸具有小于1的比率(h1/w1)。特别地，这可以应用于全部芯的至少50％，诸如至少70％。因此，芯的总长内的至少50％具有变形芯。进一步地，相邻芯可以具有选自最大200μm的范围(诸如最大100μm，如最大50μm，或者甚至更小，诸如最大20μm)的芯-芯距离(d23)。
如本文中所描述的并且如用如本文中所描述的方法可获得的3D物品本质上可以为任何类型的物品。特别地，本文中的3D物品是本体，该本体可以为部分中空的或者可以为巨大的本体。3D物品可以为板、成形制品等。物品的特定示例是例如光学(半透明)滤光片、反射器、光混合腔、准直器、复合抛物面聚光器等，这些物品可以用本发明产生并且可以是本文中所描述的方法的结果。
由此获得的3D打印物品本身可以为功能性的。例如，3D打印物品可以为透镜、准直器、反射器等。由此获得的3D物品可以(可替代地)出于装饰或者艺术目的而被使用。3D打印物品可以包括或者设置有功能组件。功能组件可以尤其选自由光学组件、电气组件和磁性组件组成的组。术语“光学组件”尤其是指具有光学功能的组件，诸如透镜、反射镜、光源(如LED)等。术语“电气组件”可以指例如集成电路、PCB、电池、驱动器，而且还可以指光源(由于光源可以被视为光学组件和电气组件)等。术语磁性组件可以指例如磁性连接器、线圈等。可替代地或者另外，功能组件可以包括热组件(例如，被配置为冷却或者加热电气组件)。因此，功能组件可以被配置为生成热量或者清除热量等。
如上文所指示，3D打印物品可以出于不同目的来使用。除其他之外，3D打印物品可以用于照明。因此，在又一方面中，本发明还提供了一种照明设备，该照明设备包括如本文中所限定的3D物品。特别地，3D物品可以被配置为以下项中的一项或多项：照明设备壳体的至少一部分、照明腔的壁部和光学元件。由于相对光滑的表面可以被提供，所以3D打印物品可以用作反射镜或者透镜等。
返回到3D打印工艺，特定的3D打印机可以用来提供本文中所描述的3D打印物品。因此，在第三方面中，本发明还提供了一种3D打印机(诸如熔融沉积成型3D打印机)，以用于向衬底提供可3D打印材料。当然，可3D打印材料与已经在上文关于根据本发明的第一方面的方法所描述的材料相同。换言之，可3D打印材料包括芯-壳型丝，该芯-壳型丝包括芯和壳，该芯包括芯材料，该芯材料具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个，并且壳包括壳材料，该壳材料具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个，其中，壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个低于芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个。3D打印机包括：打印机头，其包括打印机喷嘴；3D可打印材提供设备，其被配置为向打印机头提供可3D打印材料；和加热系统(用于加热3D打印材料)。特别地，3D打印机可以进一步包括控制系统(C)，其中，该控制系统(C)被配置为执行根据本发明的第一方面的方法，特别是其中在打印期间将压力施加到芯-壳型丝以提供沉积的芯-壳型丝的方法，该沉积的芯-壳型丝具有变形芯，该变形芯具有彼此垂直并且与芯-壳型丝的纵向轴线(A)垂直的第一尺寸(h1)和第二尺寸(w1)，该第一尺寸与该第二尺寸具有小于1的比率(h1/w1)。可3D打印材料提供设备可以向打印机头提供包括可3D打印材料的丝，或者可以如此提供可3D打印材料，其中打印机头产生包括可3D打印材料的丝。因此，在实施例中，本发明提供了一种3D打印机，诸如熔融沉积成型3D打印机，其包括：(a)打印机头，其包括打印机喷嘴；和(b)丝提供设备，其被配置为向打印机头提供包括可3D打印材料的丝，其中3D打印机被配置为向衬底提供所述可3D打印材料。
代替术语“熔融沉积成型(FDM)3D打印机”，可以简短地使用术语“3D打印机”、“FDM打印机”或者“打印机”。打印机喷嘴还可以指示为“喷嘴”或者有时指示为“挤出器喷嘴”。
最后，在第四方面中，本发明提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品当在根据本发明的第三方面的3D打印机上执行时可以用于执行根据本发明的第一方面的方法。因此，本发明提供了一种计算机程序产品，其包括指令，该指令在计算机程序产品由3D打印机的控制器执行时使3D打印机执行如本文中所描述的方法。3D打印机的控制器可以功能性地耦合至3D打印机，或者该控制器可以由这种3D打印机包括。
附图说明
现将仅通过示例参照示意性附图来描述本发明的实施例，在这些示意性附图中，对应附图标记指示对应部件，且其中：
图1a-图1b示意性地描绘了3D打印机的一些通用方面；
图2a-图2c示意性地描绘了本发明的一些方面；
图3a-图3c示意性地描绘了与例如丝有关的一些方面；
图4示出了在退火之前和之后打印有200μm的层高度的立方体的粗糙度测量值(用DEKTAK 6M进行)；
图5示出了在退火之前和之后3D打印物品的粗糙度；
图6-图7示出了在退火之前(图6)和之后(图7)的沉积丝之后的横截面图的线图。
示意图不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1a示意性地描绘了3D打印机的一些方面。附图标记500指示3D打印机。附图标记530指示功能单元，其被配置为进行3D打印，尤其FDM 3D打印；该附图标记还可以指示3D打印阶段单元。此处，仅示意性地描绘了用于提供3D打印材料的打印机头，诸如FDM 3D打印机头。附图标记501指示打印机头。本发明的3D打印机可以尤其包括多个打印机头，但是其它实施例也是可能的。附图标记502指示打印机喷嘴。本发明的3D打印机可以尤其包括多个打印机喷嘴，但是其它实施例也是可能的。附图标记320指示可打印可3D打印材料的丝(诸如上文所指示)。为清楚起见，并未描绘3D打印机的全部特征，仅描绘了与本发明尤其相关的那些特征(还进一步参见下文)。
3D打印机500被配置为通过在接收器物品550上沉积多个丝320来生成3D物品，该接收器物品550在实施例中可以至少暂时被冷却，其中，每个丝20包括可3D打印材料，该可3D打印材料诸如具有熔点Tm。3D打印机500被配置为在打印机喷嘴502的上游加热丝材料。例如，这可以用包括挤出和/或加热功能中的一个或多个功能的设备来完成。这种设备用附图标记573指示，并且被布置在打印机喷嘴502的上游(即，在丝材料离开打印机喷嘴502之前的时间内)。打印机头501可以(由此)包括液化器或者加热器。附图标记201指示可打印材料。在沉积时，该材料指示为(3D)打印材料，该(3D)打印材料用附图标记202指示。
附图标记572指示卷轴或者滚轴，该卷轴或者滚轴具有尤其呈线的形式的材料。3D打印机500将其转变成在接收器物品上的或者在已经沉积的打印材料上的丝或者纤维320。大体上，相对于打印机头的上游的丝的直径，喷嘴的下游的丝的直径被。因此，打印机喷嘴有时(还)指示为挤出器喷嘴。逐丝地并且丝上丝地布置，3D物品10可以被形成。附图标记575指示丝提供设备，此处，除其他之外，该丝提供设备包括卷轴或者滚轴和驱动器轮，这些驱动器轮用附图标记576指示。
附图标记A指示纵向轴线或者丝轴线。
附图标记C示意性地描绘了控制系统，诸如尤其配置为控制接收器物品550的温度的温度控制系统。控制系统C可以包括加热器，该加热器能够将接收器物品550加热到至少50℃的温度，但是尤其高达约350℃的范围，诸如至少200℃。
图1b以3D形式更详细地示意性地描绘了构造中的3D物品的打印。此处，在该示意图中，单个平面中的丝320的端部不互相连接，但是实际上在实施例中可以是这种情况。
因此，图1a-图1b示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500的一些方面，该熔融沉积成型3D打印机500包括：(a)第一打印机头501，其包括打印机喷嘴502；(b)丝提供设备575，其被配置为向第一打印机头501提供包括可3D打印材料201的丝320；以及可选地(c)接收器物品550。在图1a-图1b中，第一或者第二可打印材料或者第一或者第二打印材料用通用指示可打印材料201和打印材料202来指示。
熔融沉积成型(FDM)是最频繁使用的用于基于增材制造(3-D打印)来生产物体的技术中的一种技术。FDM根据“增材”原理通过在层中铺设塑料材料来工作。由于工艺的性质，这产生如图2a中所示意性地示出的粗糙的棱纹表面加工。图2a非常示意性地示出了由丝320组成的3D打印物品1。
然而，在一些应用中，需要光滑表面。本文中，我们建议使用如下文图2b中所示出具有同心层的丝。芯用附图标记321指示，并且包括芯材料1321。壳用附图标记322指示，并且包括壳材料1322。所示出的丝320可以是可打印3D材料201(即，在沉积之前)，或者可以指打印3D材料202(即，在沉积之后)。因此，附图标记201和202两者被应用。芯-壳型丝320具有选自100-3000μm的范围的芯直径d1。壳厚度(d2)可以选自100-2000μm的范围。大体上，壳厚度小于芯直径。
还可以使用打印机喷嘴和丝馈送器，使得产生从喷嘴出来的材料的两种材料呈同心层形式。在图2c中，示意性地示出了喷嘴和从该喷嘴出来的材料的横截面。除其他之外，这种系统允许包括3D打印3D物品1的方法，方法包括在打印阶段期间沉积可3D打印材料201以提供3D打印材料202，其中可3D打印材料201包括芯-壳型丝320，该芯-壳型丝320包括：(i)芯321，其包括芯材料1321，该芯材料具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个；和(ii)壳322，其包括壳材料1322，该壳材料具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个，其中，壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个低于芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个，其中方法进一步包括在精加工阶段期间将3D打印材料202加热到一温度，该温度等于或者高于壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个。
图2c还非常示意性地描绘了熔融沉积成型3D打印机500，其包括：(a)打印机头501，其包括打印机喷嘴502；和(b)可3D打印材料提供设备(此处未示出；参见图1a-图1b))，其被配置为向打印机头501提供可3D打印材料201。熔融沉积成型3D打印机500被配置为向衬底1550提供所述可3D打印材料201。熔融沉积成型3D打印机500进一步包括加热系统700和控制系统C，其中控制系统C被配置为执行如本文中所描述的方法。通过示例，加热系统可以被配置为提供IR辐射。打印机喷嘴502具有针对芯的内直径dint和针对壳的外直径dext。
在打印期间，压力被施加到芯-壳型丝320以提供所沉积的具有变形芯321的芯-壳型丝，该变形芯321具有彼此垂直并且与芯-壳型丝320的纵向轴线A垂直的第一尺寸h1和第二尺寸w1，该第一尺寸与该第二尺寸具有小于1的比率h1/w1，还参见图3a-图3b。以这种方式，壳322的原始厚度(在图2b中用附图标记d2指示)也改变，因为该厚度可以在两个芯之间减小，如附图标记d23所指示，但是可以在细长侧处增加，用附图标记d22指示。因此，对于沉积壳322中的一部分可以应用d23＜d2，并且对于其它部分可以应用d22＞d2。在施加热量之后，表面可以被光滑化，如图3b中示意性地示出。因此，打印条件和夹套厚度与芯直径被选择为使得在将层打印在彼此之上之后，大部分夹套材料被挤出并且薄夹套材料层被保留在芯材料之间。在图3a中，示意性地示出了由芯壳层制成的结构的横截面。芯和夹套材料可以被选择为使得外表面由聚合物制成，该聚合物具有比芯材料的Tg低的Tg。以这种方式打印的物体因此具有一层，该层具有外表面，该外表面具有比芯聚合物更低的Tg。将物体放置在烘箱或IR辐射器中可以将外聚合物加热至高于其Tg的温度，但是保持低于内聚合物的Tg使得外聚合物流产生如图3b中所示意性地示出的光滑的表面结构。表面用附图标记205指示。
图3c示意性地描绘了包括3D物品1的照明设备1000的实施例。3D物品(1)被配置为以下项中的一项或多项：照明设备壳体的至少一部分、照明腔的壁部和光学元件。此处，通过示例，3D物品1被配置为壁部和/或(镜面反射)镜。
实验
在实验中的一个实验中，我们使用来自makrolon的PC 2805作为芯材料和XT PET作为夹套材料。PC和PET的玻璃化温度分别是140℃和70℃。因此，我们可以使用PC作为骨架材料，并且在高于70℃的温度下对样品进行退火，以使外表面光滑同时保持外在形式稳定。我们在130℃的温度下对产品进行退火隔夜。使用喷嘴打印样品，该喷嘴具有dext(d1+2*d2)＝1800μm的外直径、d1＝1000μm的芯直径和h＝200μm的层高度。PC与PET之间的比率是60:40。在60℃的床温度下，在250℃打印结构。
图4示出了在退火之前和之后打印具有200μm的层高度的立方体的粗糙度测量值(用DEKTAK 6M进行)。沿着具有长度L(此处为2000μm)的轨道，曲线A指示在退火之后表面的高度，且曲线B指示在退火之前表面的高度。
在图5中，标绘了在退火之前和之后样品的绝对粗糙度(Ra)、均方根粗糙度(Rq)和针对平均值的轮廓的最大高度(Rt)。清楚地，粗糙度在退火步骤之后以数量级降低。在退火之前，我们看见受层高度支配的典型粗糙表面。在退火之后，不再观察到这种结构特征。较高的条形是在退火之前，并且较低的条形是在退火之后。
微观图6和图7示出了使用芯夹套喷嘴的FDM打印样品的横截面，该FDM打印样品在芯中具有黑色PC(Tg＝140℃)，且在壳处具有透明PET(Tg＝70℃)。在图7中，外层PCL是薄的白色粉末涂层，其在示出了透明PET层的光滑化之后制造。因此，少量的粉末涂层材料可以用于(进一步)光滑化，并且因此，大量的昂贵涂层材料(通常需要这些大量的昂贵涂层材料来填充开口)可以被减少。直接在打印之后，结构被棱纹化为具有粗糙度，该粗糙度大体上由打印的层厚度确定。在使该产品在Tg PET(70℃)与Tg PC(140)之间的温度(即130℃)下退火2小时之后，外部“熔化”，并且因此，外部被光滑化，如通过微观图所观察且通过DEKTAK测量来量化(参见图4和图5)。重要的是，由于黑色PC材料中的棱纹结构仍然存在，所以内部PC材料大体上不受退火干扰。
在使该产品在Tg PET(70℃)与Tg PC(140)之间的温度(即130℃)下退火2小时之后，外部“熔化”，并且因此，外部被光滑化，如通过示出了退火之前的样品和退火之后的同一样品的DEKTAK测量来量化。样品具有200、400、600和800μm的层厚度(h1+d23)。
实验还用聚砜和高Tg PC来执行。
图6示出了如在加热之前沉积的材料，其中，外侧上的棱纹结构是可见的。图7示出了退火后的样品，其随后用粉末涂层来涂布。如可看见，由芯组成的骨架大体上不改变，而壳被光滑化。层厚度(即从表面205到表面205)约为2000μm。此外，图片示出了覆盖光滑的外表面的粉末涂层(PCL)。
因此，本发明可以产生3D结构，该3D结构具有棱纹状内部结构但具有相对光滑的表面，该相对光滑的表面至少具有比棱纹状内部结构的粗糙度小得多的粗糙度。
本领域技术人员将理解本文中的术语“大体上”，诸如“大体上组成”。术语“大体上”还可以包括用“完全地”、“彻底地”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，还可以去除形容词大体上。在可应用的情况下，术语“大体上”还可以涉及90％或者更高，诸如95％或者更高，特别地99％或者更高，甚至更特别地99.5％或者更高，包括100％。术语“包括”还包括其中术语“包括”意味着“由......组成”的实施例。术语“和/或”尤其涉及“和/或”之前和之后所提及的物品中的一个或多个物品。例如，短语“物品1和/或物品2”和类似短语可以涉及物品1和物品2中的一个或多个。术语“包括”在一个实施例中可以指“由......组成”，但是在另一实施例中还可以指“包含至少限定出的种类和可选地一个或多个其它种类”。
此外，本说明书中和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分，并且不一定用于描述次序或者时间顺序。要理解，如此使用的术语在适当情形下可互换，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以不同于本文中所描述或者图示的其它顺序操作。
除其他之外，在操作期间描述了本文中的设备。如本领域技术人员将清楚，本发明不限于操作方法或者操作中的设备。
应该注意，上面所提及的实施例说明了本发明，而不是限制本发明，并且在不脱离随附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计出许多备选实施例。在权利要求书中，放置在括号之间的任何附图标记都不应该被解释为是对该权利要求的限制。动词“包括”及其词形变化的使用不排除存在与权利要求中所陈述的元件或者步骤不同的元件或者步骤。在元件前面的冠词“一”或者“一个”不排除存在多个这种元件。本发明可以通过包括多种不同元件的硬件和通过适当编程的计算机来实施。在枚举了多种装置的设备权利要求项中，这些装置中的多个装置可以用同一硬件来体现。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹的事实并不指示这些措施的组合不能被用于有利。
本发明进一步应用于一种设备，该设备包括本说明书中所说明和/或附图中所示出的表征特征中的一个或多个。本发明进一步涉及一种方法或者过程，该方法或者过程包括本说明书中所说明和/或附图中所示出的表征特征中的一个或多个表征特征。
本专利中所论述的各种方面可以进行组合，以便提供附加的优点。进一步地，本领域技术人员将理解，实施例可以被组合，并且多于两个实施例还可以被组合。此外，特征中的一些特征可以形成一个或多个分案申请的基础。
不言而喻，第一(可打印或者打印)材料和第二(可打印或者打印)材料中的一个或多个材料可以包含填充料(诸如玻璃和纤维)，该填充料对(多个)材料的Tg或者Tm不具有(不必具有)影响。

Claims (13)

1.一种用于借助于3D打印来制造3D物品(1)的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-在打印阶段期间，沉积可3D打印材料(201)以提供3D打印材料(202)，其中所述可3D打印材料(201)包括芯-壳型丝(320)，所述芯-壳型丝(320)包括芯(321)和壳(322)，所述芯(321)包括芯材料(1321)，所述芯材料(1321)具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，并且所述壳(322)包括壳材料(1322)，所述壳材料(1322)具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，其中所述壳玻璃化温度Tg2和所述壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度低于所述芯玻璃化温度Tg1和所述芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，并且
其中所述方法进一步包括以下步骤：
-在精加工阶段期间，将所述3D打印材料(202)加热到一温度，所述温度等于或者高于所述壳玻璃化温度Tg2和所述壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，并且等于或者低于所述芯玻璃化温度Tg1和所述芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中(a)所述芯玻璃化温度Tg1和壳玻璃化温度Tg2、(b)所述芯熔化温度Tm1和所述壳熔化温度Tm2、(c)所述芯熔化温度Tm1和所述壳玻璃化温度Tg2、以及(d)所述芯玻璃化温度Tg1和所述壳熔化温度Tm2中的一者或多者相差至少40℃。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述芯材料(1321)包括选自由以下各项构成的组中的一种或多种材料：聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、高Tg聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮，并且其中所述壳材料(1322)包括选自由以下各项构成的组中的一种或多种材料：无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、苯乙烯甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯丙烯腈丁二烯苯乙烯、苯乙烯嵌段共聚物、和热塑性聚氨酯。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述芯-壳型丝(320)具有选自100μm至3000μm的范围的芯直径(d1)，其中壳厚度(d2)选自100μm至2000μm的范围，并且其中所述芯直径(d1)大于所述壳厚度(d2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述加热步骤包括以下项中的一项或多项：(i)向所述3D打印材料(202)提供热气体，(ii)向所述3D打印材料(202)提供IR辐射，以及(iii)在加热腔中加热所述3D打印材料(202)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述3D打印材料(202)形成所述3D物品(1)的表面(205)，并且其中在所述精加工阶段期间，所述3D打印材料(202)被加热，直到所述表面(205)的至少一部分具有对于至少25mm2的区域而言的等于或者小于5μm的预定平均表面粗糙度(Ra)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述打印阶段期间，压力被施加到所述芯-壳型丝(320)以提供所沉积的具有变形芯(321)的芯-壳型丝，所述变形芯(321)具有彼此垂直、且与所述芯-壳型丝(320)的纵向轴线(A)垂直的第一尺寸(h1)和第二尺寸(w1)，所述第一尺寸与所述第二尺寸具有小于1的比率(h1/w1)。
8.一种3D物品(1)，包括由3D打印材料(202)形成的表面(205)，所述3D打印材料(202)包括多个芯-壳型丝(320)，每个芯-壳型丝(320)包括芯(321)和壳(322)，所述芯(321)包括芯材料(1321)，所述芯材料(1321)具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，并且所述壳(322)包括壳材料(1322)，所述壳材料(1322)具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，
其中所述壳玻璃化温度Tg2和所述壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度低于所述芯玻璃化温度Tg1和所述芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，以及
其中所述表面(205)的至少一部分具有对于至少25mm2的区域而言的等于或者小于5μm的平均表面粗糙度(Ra)。
9.根据权利要求8所述的3D物品(1)，其中所述芯材料(1321)包括选自由以下各项构成的组中的一种或多种材料：高Tg聚碳酸酯(PC)、聚砜和聚醚醚酮，并且其中所述壳材料(1322)包括选自由以下各项构成的组中的一种或多种材料：无定形聚对苯二甲酸乙二醇酯和丙烯腈丁二烯苯乙烯。
10.根据前述权利要求8至9中任一项所述的3D物品(1)，其中所述芯-壳型丝(320)中的一个或多个芯-壳型丝具有变形芯(321)，所述变形芯(321)具有彼此垂直、且与所述芯-壳型丝(320)的纵向轴线(A)垂直的第一尺寸(h1)和第二尺寸(w1)，所述第一尺寸与所述第二尺寸具有小于1的比率(h1/w1)，并且其中相邻的芯具有选自最大100μm范围的芯-芯距离(d3)。
11.一种照明设备(1000)，包括根据前述权利要求8至10中任一项所述的3D物品(1)，其中所述3D物品(1)被配置为以下项中的一项或多项：照明设备壳体的至少一部分、照明腔的壁和光学元件。
12.一种3D打印机(500)，用于向衬底(1550)提供可3D打印材料(201)，所述可3D打印材料(201)包括芯-壳型丝(320)，所述芯-壳型丝(320)包括芯(321)和壳(322)，所述芯(321)包括芯材料(1321)，所述芯材料具有芯玻璃化温度Tg1和芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，并且所述壳(322)包括壳材料(1322)，所述壳材料(1322)具有壳玻璃化温度Tg2和壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度，其中所述壳玻璃化温度Tg2和所述壳熔化温度Tm2中的一个或多个温度低于所述芯玻璃化温度Tg1和所述芯熔化温度Tm1中的一个或多个温度，
其中所述3D打印机包括：
-打印机头(501)，包括打印机喷嘴(502)，
-可3D打印材料的提供设备(575)，被配置为向所述打印机头(501)提供所述可3D打印材料(201)，
-加热系统(700)，以及
-控制系统(C)，并且
其中所述控制系统(C)被配置为执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
13.一种计算机程序产品，包括指令，所述指令在所述计算机程序产品被根据权利要求12所述的3D打印机执行时使所述3D打印机执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
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