CN116917106A - 用于在打印的聚合物制品上压印表面图案的仪器和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在聚合物制品上形成表面图案的仪器和方法，该聚合物制品特别是通过增材制造制成的。该仪器包括制品的临时表面软化站(2)，其中，聚合物软化物质的蒸汽与制品的表面保持接触预定时间；以及图案压印站(3)，该图案压印站(3)用于在离开临时表面软化站(2)的制品的已软化表面上压印图案，图案压印站(3)包括用于将图案转移到所述制品的表面上的压力装置。

Description

用于在打印的聚合物制品上压印表面图案的仪器和方法

技术领域

本发明总体上涉及塑料成型领域，特别是三维打印(3D打印)或增材制造技术。更具体地，本发明涉及一种用于在通过增材制造获得的聚合物制品上压印表面图案的仪器和方法。

背景技术

塑料成型的常规成型技术，例如热成型、压缩成型、注塑成型等，使得有可能对面向待成型部件的模具面进行相应的塑形，为成型部件的表面或表面部分赋予任何期望的外观，以满足美学和/或功能需求。以这种方式，可以通过在成型制品上复制例如印花或镂空设计、文字、标志以及花式或几何重复图案来改变成型制品的表面结构。在本说明书中，表面结构的这些改变通常用术语“纹理”来表示，并且重复组成的纹理通常也用术语“图案”来表示。

通过增材制造技术(所谓的3D打印)或FDM(熔融层积成型)生产的物品，通常不能达到相同的结果，尽管这是期望得到的。事实上，当表面图案要印在以这种方式生产的物品上时，增材制造技术表现出严重的、固有的限制。

第一个问题在于FDM打印中可以获得的最大分辨率极限。这取决于所用的打印机、喷嘴尺寸和打印参数。即使在最有利的条件下，也不可能在平行于层的方向上为打印表面赋予细节小于200微米的表面图案，因为这是普通3D打印机所配备的喷嘴的半径。

第二个问题源于这样一个事实，即由于部件是通过连续材料层沉积的方式形成的，3D打印过程产生的产品可能呈现各种粗糙、多孔和不均匀的表面。这些表面缺陷通常需要去除，并且为此已经提出了多种技术和装备(参见同一申请人的WO2018/235121和Stratasys的WO2010/0002643中所述的所有内容)。使用这些技术，在处理结束时，物体的表面光滑、有光泽且没有瑕疵。然而，在某些情况下，这种结果并不是所期望的，因为如果一方面需要去除粗糙度和多孔性，另一方面并不是所有生产的物体都需要光滑的表面(例如，在某些情况下，哑光或缎面表面是优选的)，此外，在这些处理过程中，与打印缺陷具有相同尺寸的所有细节都不可避免地被去除。

例如，能够在醋酸纤维素制成的眼镜框上压印“三维”表面图案(例如，仿织物或仿木图案等)的需求目前尚未得到满足。这种情况下的主要问题是，传统的印花技术可以用于诸如纸、金属、布、皮革等材料，但不能用于这种聚合物，这种聚合物在冷时不能充分变形，并且随着温度升高而分解，因此不能加热到足够高的温度来软化聚合物的表面。

这些要求以及类似的困难和问题在所有期望通过3D打印在物品表面上获得非常精确细节的情况下都是常见的，然而，这些细节不能通过打印和精加工工艺提供。

GB883222公开了一种通过注塑成型生产塑料层压制品(例如，眼镜框)的方法，该方法包括将合适溶剂的蒸汽与其表面的至少一部分接触，以使其暂时软化。之后，将制品放入注塑成型机的模具中。进行表面软化是为了改善注入模具的流体合成树脂和处理过的制品表面之间的结合。

US2011/217544公开了一种将例如颗粒形式的添加剂掺入聚合物制品表面或其涂层的方法，该方法包括用流体溶剂软化制品表面，并将添加剂颗粒部分或全部掺入制品表面。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种仪器和方法，由此可以在通过模制，尤其是通过增材制造技术制成的聚合材料制品或制品表面的部分上创建表面图案。

本发明的另一个目的是提供一种上述类型的仪器和方法，该仪器和方法既可以配置用于手工或小批量生产，也可以配置用于全自动、大批量、高产能生产。

本发明的另一个目的是提供一种上述类型的仪器和方法，其具有高制造灵活性，使得即使在复杂形状的制品上它们也可以用来创建表面图案。

本发明的一个特定目的是提供一种上述类型的仪器和方法，其能够将表面图案压印在由醋酸纤维素制成并通过模制尤其是通过增材制造技术生产的制品或其部分上。

根据本发明，这些目的通过根据权利要求1和15的用于在成型聚合物制品上压印表面图案的仪器和方法来实现，聚合物制品特别是通过增材制造生产。从属权利要求中阐述了进一步的重要特征。

本发明的基本思路是使待处理的制品的表面层暂时变软，优选是厚度可控的表面层，然后使软化层与适合于通过压力产生表面图案的装置接触，特别是通过在表面上按压模具，在该模具上以负片形式形成要转印到工件上的图案。

根据本发明的一个方面，用于在聚合物制品上复制表面图案的仪器，该聚合物制品特别是通过增材制造制成的，该仪器包括：用于所述制品的临时表面软化站，其中，软化物质的蒸汽与制品的表面保持接触预定时间；用于在离开表面软化站的所述制品的软化表面上压印图案的站，该站包括用于将图案转移到制品表面的压力装置。

优选地，该仪器还包括位于临时软化站上游的用于制品准备和可能的热调节的站。

优选地，该仪器还包括干燥站，用于在图案压印站下游干燥制品。

优选地，该仪器包括根据共同的前进方向定向的输送装置，以将制品从一个站传送到下一个站。

优选地，用于转移图案压印站的图案的压力装置包括压力机，该压力机带有模具，在该模具上以负片(negative)形式形成要被复制在制品上的图案。在一种变体中，模具是刚性模具。在另一种变体中，模具是柔性且柔软的模具。

在另一个实施例中，用于转移图案压印站的图案的压力装置包括用于产生极细颗粒射流的装置和至少一个指向制品的分配喷嘴，该分配喷嘴被控制以便通过极细颗粒在制品的软化表面上的冲击来复制所需的图案。

优选地，提供支架，制品放置在支架上，该支架可选地提供有外壳，该外壳具有与制品形状相对应的形状。

根据本发明的仪器的另一方面，用于制品表面软化的站由多个单元并联组成，这些单元的数量足以补偿在软化站中较长持续的停留时间，相对于在随后的图案压印站中的停留时间。

优选地，表面软化站包括至少一个密封腔室，该密封腔室与软化物质管理单元可操作地连通，该软化物质管理单元包括软化物质的冷凝和回收单元以及用于在腔室内分配软化物质的装置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在通过模制，特别是通过增材制造获得的聚合物制品上复制表面图案的方法，其中，通过使与制品材料相容的软化物质的蒸汽接触制品的表面层来软化该制品的表面层，并且其中，制品的已软化表面在其硬化之前与用于在表面上压印图案的压力装置接触，该装置包括用于在压力下将图案转移到表面上的装置。

根据本发明的仪器和方法特别有利地适用于生产醋酸纤维素眼镜框，在这种情况下，所使用的相容软化物质是丙酮或甲基乙基酮。

附图说明

从下面参照附图对其实施例进行的示例性而非限制性的描述中，将明显看出在由成型生产特别是由增材制造生产的聚合物制品上压印表面图案的仪器的更多特点和优点，其中：

图1是本发明仪器的示意图；

图2是本发明仪器的实施例的平面布局图。

具体实施方式

如本文所用，术语“聚合物制品”是指由聚合物制成的任何物体，尤其可以使用增材制造技术来生产。这些聚合物的非穷尽列表包括ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、PLA(聚乳酸)、聚酰胺例如尼龙、TPU(热塑性聚氨酯)、弹性体材料、ASA(丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯)、聚碳酸酯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚苯硫醚、聚醚酮、乙烯丙烯橡胶、丁腈橡胶、热塑性弹性体、聚醚酰亚胺、纤维素酯以及本领域技术人员已知的其它聚合物。

如本文所用，术语“软化物质”是指能够与构成待进行图案压印的制品的聚合物温和相互作用的任何物质，结果导致制品表面或制品表面的部分的层暂时软化。

对于所使用的每种聚合物，考虑到所使用的特定聚合物的最合适的操作条件，本领域技术人员将能够为具体应用选择最合适的相容软化物质。这些软化物质的非穷尽列表可包括有机溶剂，例如醇类(例如，甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、异丁醇、丁醇、新戊醇)、醚类(例如，二乙醚、二甲醚、四氢呋喃、二恶烷、环氧丙烷)、酯类(例如，乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、苯甲酸苄酯、乙酸丁酯、乙酸异戊酯)、酮类(例如，丙酮、甲基乙基酮、甲基丁基酮、环己酮、异佛尔酮、甲基异丁基衍生物、二元醇和二元醇衍生物、2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇)、酸类(例如，甲酸、乙酸)、其他烃类溶剂(例如，烷烃、烯烃、炔烃、苯、甲基苯、二甲苯、萜烯)、卤代烃或其组合和混合物。

图1示意性地示出了根据本发明的仪器。在图1中，该仪器被配置为能够在相当多的物品上压印表面图案的生产线或真正的生产工厂，因此具有更高的生产能力。举例来说，在图1中，必须在其上复制表面图案的制品是由醋酸纤维素制成的眼镜框。举例来说，A表示来自3D打印工艺的原始制品，因此存在表面缺陷。从根据本发明的仪器出来的制品用B表示，在该制品上已经压印了所需的图案。

在本发明的实施例中，该仪器被配置在成直线布置的多个站1、2、3和4上，多个站1、2、3和4通过输送装置5、6、7和8可操作地连通和交叉，输送装置5、6、7和8尤其是由沿着共同的前进方向X-X定向的相应输送带组成。

待压印的制品安装在支架9上，支架位于输送装置上，支架被从一个站传送到下一个站。优选地，在支架9上形成外壳(未示出)，该外壳具有与待处理制品的形状相对应的形状。

具体而言，该仪器包括用于准备制品的第一站1，其中，制品被安装在支架9上，然后被放置在相应的输送带5上，并且温度可能被调节，即达到下一阶段最合适的条件。

该仪器还包括第二站2，用于制品的表面软化，特别是用于软化表面层的形成。第二站包括密封腔室10和与聚合材料相容的物质的蒸汽发生器11，即当该物质的蒸汽与制品表面接触时，能够使表面产生软化。当构成制品的聚合物是醋酸纤维素时，如在眼镜框的示例性情况下，或者ABS、PLA和其它适用于3D打印的聚合物时，相容物质可以是丙酮或甲基乙基酮。当然，如本领域技术人员所熟知的，取决于构成模制制品的材料，可以使用不同的软化物质。

为了达到腔室10的必要气密性，同时使承载制品的支架能够进出，腔室10在前进方向X-X的上游和下游设置有密封门12和13或隔板，以将其与第一站1和下一站隔离。密封门12和13由过程控制器自动启动，过程控制器通常用14表示。

在第二站2中，所采用的表面软化工艺是WO2018/235121中描述的工艺，操作细节参考该专利。基本上，软化物质的蒸汽，即在示例性情况下的丙酮，在预定时间和预定温度下与待处理制品保持接触，以便创造最佳条件来促进蒸汽渗透到制品的表面层中几百微米的深度。丙酮蒸汽和构成制品的材料之间的混合物具有足以在制品表面上创建软化层的玻璃化转变温度Tg。在这种层中，材料获得有限的流动性，足以去除由增材制造工艺产生的制品的任何表面不平坦(粗糙、多孔等)。

在由醋酸纤维素制成的眼镜框的示例性情况下，在根据本发明的仪器和方法中使用诸如丙酮的溶剂是特别有利的，这是由于丙酮的挥发性和低沸点，允许在大约30℃的温度下操作，在该温度下醋酸纤维素可以被软化到所需的程度，而没有热分解的风险。

处理腔室2与用于管理软化物质的站连通，该站通常用22表示，稍后将参照图2进行描述，用于蒸汽的冷凝以及软化物质的回收和再循环。

该仪器还包括第三站3。在第三站3中，所需的图案被压印在从第二站2出来的制品上。第三站包括压力机15，该压力机15带有模具16，在该模具16上以负片形式形成要压印在制品上的图案。通过第三站3的制品被定位在安置于输送带7上的支架9中，并在导向件(未示出)内前进，该导向件确保在压力机15下精确对准。输送带在构成压力机支撑面的板上运行，以确保模具能够在制品上施加足够的压力，从而将图案压印在制品的软化表面上。当然，模具可以是多个，即同时在多个运输中的制品上压印图案。

最后，根据本发明的仪器包括第四站4，其中，来自第三站3的其上已经压印有图案的制品用热空气干燥，该热空气例如借助于穿过加热设备的风扇来供应，该加热装置示意性地以17表示。在第三站3中经过预定的停留时间，足以完成制品的干燥并将制品表面恢复到其原始硬度之后，包含处理过的制品的支架9(用B表示)离开仪器。

为了获得厚度适合于随后的图案压印操作的软化表面层，需要相对长的蒸汽暴露时间，大约20-60分钟，因此制品在第二站2中的停留时间比在仪器的其它站中所需的时间长得多。这涉及仪器内制品流动的不连续性，并且可能需要自动或手动阶段来将制品从表面软化站传送到图案压印站。

在本发明的一个实施例中，可以保持不连续的流动，其中，图案压印站3保持非工作状态，直到第二站2中执行的软化操作完成，并且一旦包含制品的支架已经被手动定位在压力机15下方，或者通过使用相应的输送带6和7将它们从第二站2自动传送到第三站3，图案压印站3就开始工作。

在本发明的另一个实施例中，可以平行设置多个第二表面软化站2，其数量足以补偿第二表面软化站2中更长持续的停留时间，相对于随后的第三图案压印站3中的停留时间。例如，如果在第二站2中的停留时间是20分钟，在第三站中的停留时间是5分钟，可以平行提供3或4个软化站，通过相应的输送装置与图案压印站连接。

图2示出了根据本发明的仪器的示意性平面图，其中，为了平衡制品上的软化和图案压印阶段的持续时间的差异，表面软化站2由并联的三个单元2a、2b和2c组成。待处理的制品(在示例的情况下，眼镜框A)被容纳在准备站1中的支架9上，并且支架被定位，甚至堆叠在输送带5a、5b和5c上，用于供给到相应的单元2a、2b和2c。

表面软化站2的每个单元包括处理腔室20a、20b和20c，处理腔室配备有加热装置和内部通风系统21。每个腔室配备有各自的入口和出口滑动隔板12，以在处理过程中密封腔室。

三个处理腔室20a、20b和20c与软化物质管理站(通常用22表示)连通，该软化物质管理站包括物质(在示例性情况下为丙酮)罐23、通过分配回路28将物质供应到每个腔室的分配泵24、用于将物质蒸汽从腔室返回到物质冷凝和回收单元26的相应的抽吸管道25a、25b和25c以及将回收的软化物质返回到罐23的泵27。

软化物质的冷凝可以有利地在与散热器相关联的热电模块(珀耳帖电池)中进行。模块可以位于蒸汽通过的区域之外，而散热器在内部，使得蒸汽可以在冷却后的散热器上方冷凝。在另一种配置中，冷凝器可以是浸没在冷却液中的盘管(coil)。

在表面软化站2和图案压印站3之间，设有由三个输送装置30a、30b和30c形成的分配站29，特别是由从软化表面站2的单元2a、2b和2c出来并向图案压印站3汇聚的输送带形成。需要在其上压印图案的制品通过相应的输送带7被单独输送到站3。为了从它们各自的支架9上拾取物品并将它们正确地布置在带式输送机7上，提供了取放型的机械臂31或功能等同的设备。

从图案压印站3出来的制品可以被操作者直接拾取，或者被引导到其他输送带用于后续操作，例如，如果需要的话，被送到干燥站4。

在图案压印站3中，模具16可以由传统的气动或液压压力机承载，或者在替代配置中，由压力辊承载。在制品具有平坦或基本平坦形状的情况下，如在眼镜框的情况下，具有带外壳的支架9就足够了，该外壳具有与待定位在其中的制品相对应的形状，并适于释放由压力机施加的力。在复杂形状的制品的情况下，要压印在制品上的图案的负片被复制在柔性且柔软的模具上。当模具被推靠在与制品形状匹配的支架9上的制品上时，模具变形。在这种情况下，压印技术等同于众所周知的移印技术，通常使用硅树脂垫，不同之处在于，在这种情况下不使用油墨，而是利用制品软化的短暂软化来将在垫的表面上形成的图案压印在制品上。在任何情况下，模具都由与构成待处理制品的材料和用于表面软化的物质相容的材料制成，并且适于承受在制品上压印图案所需的压力。

可能有必要使用脱模物质，例如通常在硅树脂模制中使用的脱模物质，以防止软化的制品粘附到模具上。脱模剂通常是一种液体物质，用喷雾器或喷枪喷洒，在要避免粘模的物体上形成一层可去除的薄膜。

实际上，使用如上所述的制品表面层的缓慢软化过程，表面是不粘的。事实上，由于软化物质的蒸发和环境空气流向图案压印站而导致的冷却在其表面上形成了薄膜，而几百微米的软层保留在其下方。软层需要几分钟才能再次变成固体，因此可用于压印甚至数百微米深的图案，制品粘在模具上的风险非常低。

在本发明的另一个实施例中，在第三站3中，图案压印可以通过极细颗粒射流来实现，其中，微米/毫米物体的冲击在制品表面的所需部分上留下印记。为此目的，第三站3包括能够产生颗粒射流的设备和至少一个分配喷嘴，该分配喷嘴指向位于下面的支架9中的制品的仍然柔软的表面，以及颗粒回收设备。

该仪器还包括过程控制器14，其管理输送装置5、6、7和8的前进、待处理制品在第一站1中的任何热调节、在第三站3中的图案压印步骤和所用软化剂的管理，以及该仪器的安全系统。还提供了显示器32，操作者可以通过显示器32设置仪器所需的操作。

根据本发明的方法在基本类似于上述以半连续方式操作的仪器的原型机上进行测试。使用对应于支架9的1米×1米的装载模块，在该装载模块上放置150个由醋酸纤维素制成的眼镜框(平坦覆盖区15×4厘米)，没有镜腿。将带有镜框的装载模块送入处理腔室，在温度为32℃的丙酮蒸汽环境中保持约20分钟。一旦处理时间过去，模块离开处理站进入图案压印站，该图案压印站配备有专门设计的多个模具，以同时在所有镜框上压印图案。在压印站中所花费的时间是5分钟。最后，将装有成品镜框的模块放置在干燥站中，该干燥站缓慢移动以确保在40℃的干燥空气温度下停留约20分钟。

借助于相同尺寸的装载模块，可以将多达300个单独的镜腿或多达32个完整的且拆解开的镜框输送到系统，即镜腿从用于支撑镜片的相应镜架上拆下。

从前述内容可以清楚地看出，根据本发明的仪器和方法允许实现前述目的和本领域技术人员可以推断出的其他目的。特别是，提供制品的暂时表面软化允许任何类型的表面图案被压印在制品上，而不会损坏经过处理的制品。由于使用了能够使其形状与表面形状相适应的压印方法，甚至可以在形状复杂的制品表面上创建表面图案。由冷时难以加工而热时容易变质的聚合材料制成的制品，例如醋酸纤维素，可以用根据本发明的仪器和方法容易地加工。由于可以在低温下获得暂时的表面软化，所以可以在制品表面上形成所需的图案，而没有聚合物热分解的风险。此外，即使在本说明书中主要参考了通过3D打印制造的聚合材料工件或制品，但是应当理解，根据本发明的方法和仪器可以有利地用于在通过另一种技术(例如注塑成型)制造的聚合材料工件或制品上压印表面图案。事实上，在这种情况下，利用生产具有光滑表面的工件和制品的单个模具，可以获得不同类型的成品，其特点是表面图案不同。

Claims (20)

1.一种用于在聚合物制品上形成表面图案的仪器，所述聚合物制品特别是通过增材制造制成的，所述仪器包括：

-所述制品的临时表面软化站(2)，其中，聚合物软化物质的蒸汽与所述制品的表面保持接触预定时间；并且

其特征在于，包括：

-图案压印站(3)，所述图案压印站(3)用于在离开所述临时表面软化站(2)的所述制品的已软化表面上压印图案，所述图案压印站(3)包括用于将所述图案转移到所述制品的表面上的压力装置。

2.根据权利要求1所述的仪器，还包括在所述临时表面软化站(2)上游的站(1)，用于制品准备，以及可选地，用于制品热调节。

3.根据权利要求1或2所述的仪器，还包括位于所述图案压印站(3)下游的干燥站(4)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，提供沿着共同的前进方向(X-X)驱动的输送装置(5、6、7、8)，所述输送装置(5、6、7、8)将所述制品从一个站传送到下一个站。

5.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，用于转移所述图案压印站(3)的所述图案的所述压力装置包括压力机(15)，所述压力机(15)带有模具(16)，在所述模具(16)上形成待复制在所述制品上的负片图案。

6.根据权利要求5所述的仪器，其中，所述模具(16)是刚性的模具。

7.根据权利要求5所述的仪器，其中，所述模具(16)是柔性且柔软的模具。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的仪器，其中，用于转移所述图案压印站(3)的所述图案的所述压力装置包括用于产生极细颗粒射流的装置和至少一个指向所述制品的分配喷嘴，所述分配喷嘴被控制以便通过所述极细颗粒在所述制品的软化表面的冲击来形成期望的图案。

9.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述制品布置在支架(9)上。

10.根据权利要求9所述的仪器，其中，所述支架(9)形成有外壳，所述外壳具有与所述制品的形状相对应的形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述临时表面软化站(2)由平行布置的多个单元组成，所述单元的数量布置成足以补偿在所述站中较长持续的停留时间，相对于在下一个图案压印站(3)中的停留时间。

12.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述临时表面软化站(2)至少包括密封腔室(20)，所述密封腔室(20)与软化物质管理单元(22)可操作地连通，所述软化物质管理单元(22)包括软化物质的冷凝和回收单元(26)以及用于在所述腔室(20)中分配所述软化物质的分配装置(24、28)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述聚合物制品是由醋酸纤维素制成的眼镜框。

14.根据前述权利要求中任一项所述的仪器，其中，所述软化物质是丙酮或甲基乙基酮。

15.一种用于在聚合物制品上形成表面图案的方法，所述聚合物制品特别是通过增材制造制成的，其中，与制品材料相容的软化物质的蒸汽接触所述制品的表面层而将其软化，其特征在于，所述制品的已软化表面在硬化之前与能够在所述表面上压印所述图案的压力装置接触。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，能够压印图案的所述装置包括压力机和模具，在所述模具上形成负片图案。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述模具选自刚性的模具、柔性且柔软的模具、或压力辊。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述图案是通过极细颗粒撞击到软化表面而被压印的，所述极细颗粒以射流的形式产生，以受控的方式射向所述表面。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述聚合物制品是由醋酸纤维素制成的眼镜框。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述软化物质是丙酮或甲基乙基酮。