TWI448377B - 使用於以押出為基礎之添加式製造系統的半晶質可消耗材料 - Google Patents

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Description

使用於以押出為基礎之添加式製造系統的半晶質可消耗材料
本揭示案係關於用於建造三維(three-dimensional;3D)模型之添加式製造系統。詳言之，本揭示案係關於使用於以押出為基礎之添加式製造系統的可消耗材料。
以押出為基礎之添加式製造系統用以藉由押出可流動的模製材料，以逐層之方式自3D模型之數位呈現(digital representation)建造3D模型。模製材料經由押出頭所承載的押出尖端押出，並沈積為x-y平面中之基板上的段(road)之序列。押出的模製材料熔合至先前沈積的模製材料且隨著溫度下降而固化。押出頭相對於基板之位置隨後沿z軸增加(垂直於x-y平面)，且隨後重複該製程，以形成類似於數位呈現之3D模型。
根據呈現3D模型之建造資料，在電腦控制下執行押出頭相對於基板之移動。建造資料藉由最初將3D模型之數位呈現切分成多個水平切片層來獲得。隨後，針對每一切片層，主機電腦產生建造路徑，以沈積模製材料之段，來形成3D模型。
在藉由沈積模製材料之層來製造3D模型時，支撐層或結構通常建造於不被模製材料本身所支撐的懸伸部分下方或建造中之物件的腔室中。利用相同的沈積技術沈積模製材料可建造支撐結構。主機電腦產生額外的幾何結構，額外的幾何結構可作為正在形成的3D模型之懸伸區段或自由空間區段之支撐結構。支撐材料隨後按照在建造製程期間產生的幾何結構，自第二噴嘴沈積。支撐材料在製造期間黏接至模製材料，且當建造製程完成時，可自完成的3D模型移除支撐材料。
本揭示案之第一態樣係針對一種使用於以押出為基礎之添加式製造系統的可消耗長絲。該可消耗長絲包括第一部分，第一部分成分上包括第一半晶質聚合材料。半晶質長絲亦包括第二部分至少部分地包住第一部分，且第二部分成分上包括第二半晶質聚合材料，第二半晶質聚合材料的結晶溫度高於第一半晶質聚合材料之結晶溫度。可消耗長絲具有平均橫截面積，該平均橫截面積適用於以押出為基礎之添加式製造系統。第二部分具有平均體積，該平均體積範圍為可消耗長絲之平均體積的約5%至約50%。
本揭示案之另一態樣係針對一種使用以押出為基礎之添加式製造系統建造的三維物件。該三維物件包括複數個固化層，複數個固化層各自包含使用以押出為基礎之添加式製造系統自可消耗長絲押出的多個段，該可消耗長絲具有核心部分及外殼部分。核心部分成分上包含第一半晶質聚合材料，第一半晶質聚合材料具有第一峰值結晶溫度，且外殼部分包含第二半晶質聚合材料，第二半晶質聚合材料具有高於第一峰值結晶溫度之第二峰值結晶溫度。複數個固化層的多個段之至少一部分至少部分地保持對應於可消耗長絲的核心部分及外殼部分的橫截面輪廓。
本揭示案之另一態樣係針對一種用於使用添加式製造系統建造三維物件之方法，該添加式製造系統具有經加熱建造腔室及押出頭。該方法包括以下步驟：將可消耗長絲進料至押出頭，其中可消耗長絲包括第一部分及第二部分，第二部分至少部分地包住第一部分。第一部分成分上包括第一半晶質聚合材料，且第二部分成分上包括第二半晶質聚合材料，第二半晶質聚合材料的峰值結晶溫度高於第一半晶質聚合材料之峰值結晶溫度。該方法亦包括以下步驟：在押出頭中熔融進料的可消耗長絲，以形成熔融材料；以及在經加熱建造腔室中將沈積熔融材料成為押出段，該押出段界定三維物件之層之至少一部分，其中押出段成分上包括第一半晶質聚合材料及第二半晶質聚合材料。該方法進一步包括以下步驟：結晶押出段之第二半晶質聚合材料之至少一部分；以及在第二半晶質聚合材料之部分結晶後，結晶押出段之第一半晶質聚合材料之至少一部分。
定義
除另有規定外，以下用於本說明書中之術語具有以下提供的意義。
術語「半晶質聚合材料(semi-crystalline polymeric material)」代表包含聚合物之材料，其中該聚合物在固態下能夠呈現至少約10重量%之平均百分比結晶度。術語「半晶質聚合材料」包括具有高達100%之結晶度的聚合材料(亦即，完全晶質聚合材料)。由於大多數聚合材料具有至少小量的非晶區，故為便於論述，本文使用了術語「半晶質聚合材料」。
以下參考差示掃描熱量測定(differential scanning calorimetry;DSC)作圖及ASTM D3418-08定義術語「百分比結晶度(percent crystallinity)」、「峰值結晶溫度(peak crystallization temperature)」、「斜截式結晶溫度(slope-intercept crystallization temperature)」、「峰值熔融溫度(peak melting temperature)」及「斜截式熔融溫度(slope-intercept melting temperature)」。
術語長絲之「核心部分(core portion)」及「外殼部分(shell portion)」代表沿著長絲之橫截面之部分與長絲之縱向長度正交的相對位置，其中該核心部分為相對於該外殼部分之內部部分。除另有敍述外，此等術語並非意欲暗示任何更多對於該等部分之橫截面特性的限制。
術語「三維物件」代表使用以層為基礎之添加式製造技術建造的任何物件，且術語「三維物件」包括使用以層為基礎之添加式製造技術建造的3D模型及支撐結構。
歸因於熟習此項技術者已知的預期變化(例如，量測上的限制及可變性)，本文對於可量測值及範圍使用了術語「約(about)」及「大體上(substantially)」。
本揭示案係針對使用於以押出為基礎之添加式製造系統的可消耗材料。該等可消耗材料成分上包括具有不同結晶溫度的多種半晶質聚合材料。如下文所論述，當半晶質聚合材料沈積為押出段而形成3D模型之層時，結晶溫度之此差異理想地減少該等半晶質聚合材料之變形、內應力及下垂。所得3D模型可因此建造成具有降低水平的翹曲及變形、具有良好的尺寸精度且具有良好的層間z結合(z-bond)強度。
以押出為基礎之添加式製造系統目前使用非晶質聚合材料建造3D模型，非晶質聚合材料諸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile-butadiene-styrene；ABS)樹脂及聚碳酸酯樹脂。非晶質聚合材料僅有少數或沒有以該等非晶質聚合材料的固態形式存在的該等非晶質聚合材料的聚合物鏈之有序排列。因而，此等材料顯示玻璃轉化效應，該等玻璃轉化效應使得此等材料適合於在以押出為基礎之添加式製造系統中建造3D模型及支撐結構。舉例而言，如Batchelder的美國專利第5,866,058號所揭示，非晶質聚合材料可沈積至建造區域中，該建造區域維持在介於該材料之固化溫度與玻璃轉化溫度之間的溫度。此舉降低所得3D模型或支撐結構中之翹曲及塑性變形之效應。
然而，半晶質聚合材料具有與非晶質聚合材料不同的機械及熱特性。舉例而言，歸因於半晶質聚合材料的結晶度，相較於使用非晶質聚合材料建造的3D模型，使用半晶質聚合材料建造的3D模型可顯示優越的機械性質。然而，由於半晶質聚合材料的結晶度較高，一旦固化後，半晶質聚合材料表現出體積之不連續改變。因此，當半晶質聚合材料供應為單絲(monofilament)時，半晶質聚合材料可在沈積時縮小且收縮，以在以押出為基礎之添加式製造系統中形成3D模型。對於在固態下高度結晶的材料而言，尤其符合此狀況。
此收縮最初發生在將押出段沈積以形成3D模型之層之一部分時。額外的收縮亦發生在3D模型之進一步冷卻之後。此等收縮可引起正在製造的3D模型之累積變形、內應力及翹曲。對於非晶質聚合材料而言，翹曲及變形可藉由升高建造區域中之溫度而減少。然而，對於在固化後表現出體積之不連續改變的半晶質聚合材料而言，減少變形所需要的高溫會導致押出段下垂，減少變形所需要的高溫亦可導致正在建造的3D模型發生變形。
因此，在一個實施例中，本揭示案之可消耗材料包括可消耗、半晶質長絲，該可消耗、半晶質長絲具有第一或核心部分及第二或外殼部分，其中該第一及第二部分源自於具有不同結晶溫度的多種半晶質聚合材料。如下文所論述，結晶溫度之此差異允許第二部分之材料在沈積之後即結晶，而第一部分之材料在進一步冷卻之後結晶。當半晶質聚合材料沈積為押出段而形成3D模型之層時，結晶溫度之此差異理想地減少該等半晶質聚合材料之變形、內應力及下垂。
如第1圖所示，系統10為以押出為基礎之添加式製造系統，用於使用半晶質長絲建造3D模型。因而，所得3D模型可使用半晶質聚合材料來建造，顯示變形減少。系統10之適合的系統的實例包括以押出為基礎之添加式製造系統，諸如，在商業上可購自Stratasys,Inc.(Eden Prairie,MN)的商標「FUSED DEPOSITION MODELING」及「FDM」下之以押出為基礎之添加式製造系統。
系統10包括建造腔室12、平臺14、塔架16、押出頭18及供應源20及22。建造腔室12為封閉、可加熱的環境，該封閉、可加熱的環境含有平臺14、塔架16及押出頭18，以建造3D模型(稱為3D模型24)及對應的支撐結構(稱為支撐結構26)。平臺14為建造3D模型24及支撐結構26之平台，且平臺14基於自電腦操作的控制器28所提供的訊號，理想地沿著垂直的z軸移動。平臺14亦可包括聚合物膜(未圖示)，以進一步促進移除3D模型24及支撐結構26。
塔架16為導軌系統，該導軌系統理想地經配置以基於自控制器28提供的訊號，使押出頭18在建造腔室12內的水平x-y平面中移動。該水平x-y平面為x軸及y軸(未圖示)界定的平面，其中該x軸、該y軸與該z軸彼此正交。在替代性實施例中，平臺14可經配置以在建造腔室12內的水平x-y平面中移動，且押出頭18可經配置以沿著Z軸移動。亦可使用其他相似的佈置，以使得平臺14與押出頭18中之一者或兩者可相對於彼此移動。
押出頭18藉由塔架16來支撐，以基於自控制器28提供的訊號，以逐層之方式在平臺14上建造3D模型24及支撐結構26。在第1圖所示實施例中，押出頭18為雙尖端押出頭，該雙尖端押出頭經配置以分別沈積來自供應源20及供應源22之材料。押出頭18之適合的押出頭的實例包括在以下專利中所揭示的押出頭：Crump等人的美國專利第5,503,785號；Swanson等人的美國專利第6,004,124號；LaBossiere等人的美國專利第7,604,470號；以及Leavitt的美國專利第7,625,200號。此外，系統10可包括複數個押出頭18，以沈積模製及/或支撐材料。
該半晶質長絲可用作模製材料，以建造3D模型24。因而，該半晶質長絲可自供應源20經由進料管線30供應至押出頭18，藉此允許押出頭18使該等半晶質聚合材料熔融且沈積為一系列押出段，從而以逐層之方式建造3D模型24。相應地，該支撐材料可自供應源22經由進料管線32供應至押出頭18，藉此允許押出頭18使該支撐材料熔融且沈積為一系列押出段，從而以逐層之方式建造支撐結構26。供應源20及22之適合的設備包括在以下專利及專利申請公開案中所揭示的設備：Swanson等人的美國專利第6,923,634號；Comb等人的美國專利第7,122,246號；以及Taatjes等人的美國專利申請公開案第2010/0096485號及第2010/0096489號。
在一個實施例中，用以建造支撐結構26之支撐材料可為非晶質聚合材料，諸如，商業上可購自Stratasys,Inc.(Eden Prairie,MN)的水溶性且可脫離的支撐材料。在替代性實施例中，本揭示案之半晶質長絲亦可用作支撐材料，以建造支撐結構26。因而，在此替代性實施例中，支撐結構26亦可使用半晶質聚合材料來建造。
在建造操作期間，塔架16使押出頭18在建造腔室12內的水平x-y平面中四處移動，且一或更多驅動機構經導引以間歇地自供應源20及22，經由押出頭18進料模製材料及支撐材料。使用於押出頭18之適合的驅動機構之實例包括在以下專利及專利申請公開案中所揭示的驅動機構：Crump等人的美國專利第5,503,785號；Swanson等人的美國專利第6,004,124號；LaBossiere等人的美國專利第7,384,255號及第7,604,470號；Leavitt的美國專利第7,625,200號；以及Batchelder等人的美國專利申請公開案第2009/0274540號。
所接收的模製材料及支撐材料隨後沈積至平臺14上，以使用以層為基礎之添加式製造技術將3D模型24及支撐結構26建造為押出段。將建造腔室12理想地加熱至一或更多適合的溫度，以允許3D模型24之押出段在兩個階段中結晶。詳言之，建造腔室12之該一或更多溫度理想地允許第二或外殼部分之半晶質聚合材料在沈積之後即結晶，而第一或核心部分之半晶質聚合材料理想地在進一步冷卻之後結晶。此狀況允許押出段耐受重力及後續層之壓力，同時亦減少3D模型24之變形。
理想地沈積支撐結構26，以提供用於3D模型24的層之懸伸區域的沿z軸之垂直支撐件。此舉允許使用各種幾何結構建造3D物件24。在建造操作完成之後，所得3D模型24/支撐結構26可自建造腔室12移除。支撐結構26可隨後自3D模型24移除。舉例而言，在支撐材料為水溶性的實施例中，可將所得3D模型24/支撐結構26置放於含有水性液體及/或溶液(例如，水性鹼性溶液)的槽中，以自3D模型24移除支撐結構26。
第2圖圖示長絲34之區段，長絲34為本揭示案之適合的可消耗、半晶質長絲的實例。如圖所示，長絲34包括沿縱向長度40延伸之核心部分36及外殼部分38。核心部分36為長絲34之內部部分，核心部分36位於中心軸42周圍，且外殼部分38為長絲34之外部部分，外殼部分38鄰近於外表面44。核心部分36成分上包括第一半晶質聚合材料，第一半晶質聚合材料稱為核心材料。外殼部分38成分上包括第二半晶質聚合材料，第二半晶質聚合材料稱為外殼材料，其中外殼材料之結晶溫度高於核心材料之結晶溫度。
核心材料及外殼材料各自包括一或更多基質聚合物，且核心材料及外殼材料各自視需要包括一或更多添加劑，以修改基質聚合物之結晶溫度。使用於核心及外殼材料中之各材料的合適基質聚合物的實例包括聚醯胺、聚乙烯、聚丙烯、上述聚合物的共聚物及上述聚合物的組合物。適合的聚醯胺包括脂族耐綸聚醯胺，諸如，耐綸6、耐綸6-6、耐綸6-10、耐綸6-12、耐綸10、耐綸10-10、耐綸11、耐綸12及上述脂族耐綸聚醯胺之組合物。適合的聚乙烯包括低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯及上述聚乙烯之組合物。適合的聚丙烯包括等規聚丙烯、間規聚丙烯、上述聚丙烯之支鏈及直鏈變化物及上述聚丙烯之組合物。除非另外指明，用於核心及外殼材料之基質聚合物並非意欲局限於這些列示的聚合物。
如上文所定義，用於核心及外殼材料之基質聚合物各自能夠達到至少約10重量%之固態平均百分比結晶度。在一個實施例中，用於核心材料及/或外殼材料之一或更多基質聚合物能夠達到至少約25重量%之固態平均百分比結晶度。在另一實施例中，用於核心材料及/或外殼材料之一或更多基質聚合物能夠達到至少約50重量%之固態平均百分比結晶度。以下參閱差示掃描熱量測定(differential scanning calorimetry；DSC)作圖及ASTM D3418-08，定義了術語「百分比結晶度(percent crystallinity)」。
使用各種不同的材料組合物可獲得核心材料與外殼材料之間的結晶溫度之差異。在一個實施例中，核心及外殼材料包括不同的基質聚合物，以獲得不同的結晶溫度。舉例而言，核心部分36可源自於聚乙烯，且外殼部分38可源自於等規聚丙烯，等規聚丙烯的結晶溫度高於核心部分36之聚乙烯的結晶溫度。
在另一實施例中，核心及外殼材料所包括的基質聚合物可源自於相同或相似的單體單元，但核心及外殼材料可具有不同的分子性質，以產生不同的結晶溫度，諸如，不同的相對莫耳質量、不同的分子量、不同的端基化學性質、不同的立體化學性質及上述性質之組合。舉例而言，核心部分36可源自於高度支鏈化的等規聚丙烯，且外殼部分38可源自於直鏈的等規聚丙烯。
在又一實施例中，核心及外殼材料可包括相同或相似的基質聚合物，其中核心材料亦包括一或更多添加劑，以降低核心材料之結晶溫度。舉例而言，外殼材料可包括基質聚合物(例如，耐綸12聚醯胺)，且核心材料可包括相同或相似的基質聚合物(例如，耐綸12聚醯胺)及降低核心材料相對於外殼材料之結晶溫度的一或更多結晶抑制劑。
結晶抑制劑可藉由阻滯晶體表面上之生長位點來使核心材料中之基質聚合物的晶體生長減速。使用於核心材料之適合的結晶抑制劑的實例包括聚醚醯胺嵌段(polyether block amide；PEBA)共聚物等。結晶抑制劑可與基質聚合物摻合及/或併入基質聚合物之主鏈中。
核心材料中之結晶抑制劑之適合濃度的實例之範圍為自約0.1重量%至約20重量%。在一個實施例中，核心材料中之結晶抑制劑之適合濃度的範圍為自約0.5重量%至約15重量%。在又一實施例中，核心材料中之結晶抑制劑之適合濃度的範圍為自約1重量%至約10重量%。
在額外的實施例中，核心及外殼材料可包括相同或相似的基質聚合物，其中外殼材料亦包括一或更多添加劑，以提高外殼材料之結晶溫度。舉例而言，核心材料可包括基質聚合物(例如，耐綸12聚醯胺)，且外殼材料可包括相同或相似的基質聚合物(例如，耐綸12聚醯胺)及提高外殼材料相對於核心材料之結晶溫度的一或更多成核劑。
成核劑可增加外殼材料中之基質聚合物之成核速率，藉此提供更高的結晶度及更小的晶體。此舉亦可使外殼材料對可見光更透明。因而，在一些實施例中，成核劑亦可充當澄清劑。使用於外殼材料之適合的成核劑的實例包括二氧化矽(例如，燻製二氧化矽)、氧化鋁(例如，燻製氧化鋁)、二硫化鉬、苯甲酸鈉、滑石、石墨、氟化鈣、黏土、苯基次膦酸鈉、苯基次膦酸鋅、山梨糖醇基試劑及上述物質之組合物。
適合的山梨糖醇基試劑之實例包括商業上可購自Milliken&Company(Spartanburg,SC)的商標「MILLARD」下的山梨糖醇基試劑，諸如，「MILLARD 3988」成核劑。適合的山梨糖醇基試劑之額外實例包括商業上可購自Ciba Specialty Chemicals(Basel,Switzerland)(BASF SE(Ludwigshafen,Germany)的子公司)的商標「IRGACLEAR」下之山梨糖醇基試劑，諸如，「IRGACLEAR XT 386」成核劑。
外殼部分38之外殼材料中之成核劑的適合濃度之實例的範圍為自約0.01重量%至約20重量%。在一個實施例中，外殼材料中之成核劑之適合濃度的範圍為自約1重量%至約10重量%。在又一實施例中，外殼材料中之成核劑之適合濃度的範圍為自約1重量%至約5重量%。
在一些實施例中，核心材料之基質聚合物可以用使核心材料不含或大體上不含促進結晶的雜質之方式聚合。舉例而言，核心材料理想地不含或大體上不含可促進結晶的聚合催化劑或微粒添加劑，諸如，提供已聚合為未催化的水解聚合材料的聚醯胺。
以上論述的用於核心及外殼材料之材料組合物亦可進一步組合在一起。舉例而言，核心及外殼材料可包括相同或相似的基質聚合物，其中核心材料包括一或更多添加劑，以降低核心材料之結晶溫度，且其中外殼材料包括一或更多添加劑，以提高外殼材料之結晶溫度。因此，核心及外殼材料可包括各種組成的組合物，以獲得期望的結晶溫度差異。
在所示實施例中，長絲34具有圓柱形幾何結構。核心部分36具有稱為核心直徑36d之外徑，且外殼部分38具有稱為外殼直徑38d之外徑，其中外殼直徑38d亦對應於長絲34之外徑。外殼直徑38d對於核心直徑36d之相對尺寸經理想地選擇，以使得經押出的外殼材料之量屬於使用於系統10(圖示於第1圖中)之平衡範圍內。
長絲34中之外殼材料之量理想地足夠高，以使得用以建造3D模型24(圖示於第1圖中)之每一層的押出段具有充分量的外殼材料(在建造腔室12中，外殼材料在沈積之後即結晶)，以抵抗重力及在3D模型24之後續層形成期間施加於押出段上的壓力。另一方面，外殼材料之量理想地足夠低，以防止3D模型24在沈積之後發生實質變形。長絲34中之外殼材料之量可藉由自長絲34之總平均體積(亦即，核心部分36及外殼部分38之平均體積之和)劃分外殼部分38之平均體積來決定。本文所涉及的平均直徑、橫截面積及體積基於對長絲34沿縱向長度40之適合區段進行的平均量測，諸如，6.1公尺(20呎)之距離。
在核心直徑36d及外殼直徑38d各自沿縱向長度40大體上均勻的實施例中，外殼部分38及長絲34之體積的量測可簡化成各別橫截面積之函數。對於圓柱形長絲34而言，核心部分36、外殼部分38及長絲34之橫截面積可根據核心直徑36d及外殼直徑38d決定。
核心直徑36d之適合的平均直徑之實例的範圍為自約0.76公厘(約0.03吋)至約2.5公厘(約0.10吋)。在一個實施例中，核心直徑36d之適合的平均直徑的範圍為自約1.0公厘(約0.04吋)至約1.5公厘(約0.06吋)。外殼直徑38d之適合的平均直徑之實例的範圍為自約1.0公厘(約0.04吋)至約3.0公厘(約0.12吋)。在一個實施例中，外殼直徑38d之適合的平均直徑的範圍為自約1.0公厘(約0.04吋)至約1.5公厘(約0.06吋)。在另一實施例中，外殼直徑38d之適合的平均直徑的範圍為自約1.5公厘(約0.06吋)至約2.0公厘(約0.08吋)。
相應地，核心部分36之適合的平均橫截面積之實例的範圍為自約0.5平方公厘至約5平方公厘。在一個實施例中，核心部分36之適合的平均橫截面積範圍為自約0.75平方公厘至約2平方公厘。長絲34之適合的平均橫截面積之實例的範圍為自約0.5平方公厘至約8平方公厘。在一個實施例中，長絲34之適合的平均橫截面積範圍為自約1平方公厘至約3平方公厘。在另一實施例中，長絲34之適合的平均橫截面積範圍為自約1平方公厘至約2平方公厘。在又一實施例中，長絲34之適合的平均橫截面積範圍為自約2平方公厘至約3平方公厘。
使用橫截面積亦適於決定本揭示案之具有非圓柱形幾何結構(例如，橢圓形的、矩形的、三角形的、星形的等等形狀)的半晶質長絲的橫截面尺寸，如以下所論述。舉例而言，本揭示案之非圓柱形可消耗長絲之核心部分的適合平均橫截面積的範圍為自約0.25平方公厘至約0.75平方公厘。相應地，非圓柱形可消耗長絲之適合的平均橫截面積之實例的範圍為自約0.5平方公厘至約1.5平方公厘。
外殼部分38之適合的體積及橫截面積可根據以上論述的這些適合的橫截面積來決定。外殼部分38之適合的平均體積的實例的範圍為長絲34之平均體積的自約5%至約75%。在一個實施例中，外殼部分38之適合的平均體積的範圍為長絲34之平均體積的自約15%至約65%。在另一實施例中，外殼部分38之適合的平均體積的範圍為長絲34之平均體積的自約25%至約55%。
相應地，在核心部分36及外殼部分38各自沿縱向長度40大體上均勻的實施例中，外殼部分38之適合的平均橫截面積的實例的範圍為長絲34之平均橫截面積的自約5%至約75%。在一個實施例中，外殼部分38之適合的平均橫截面積的範圍為長絲34之平均橫截面積的自約15%至約65%。在另一實施例中，外殼部分38之適合的平均橫截面積的範圍為長絲34之平均橫截面積的自約25%至約55%。
如第2圖中進一步所示，外殼部分38沿縱向長度40完全延伸圍繞核心部分36。在替代性實施例中，外殼部分38可僅部分地延伸圍繞核心部分36，諸如，以「C」形佈置。在額外的替代性實施例中，外殼部分38可沿縱向長度40部分或完全地延伸圍繞非鄰近區段中之核心部分36。此等替代性實施例適合於修改經由系統10之長絲34的進料力學，且此等替代性實施例適合於獲得外殼材料之期望體積分率。
長絲34可使用共同押出製程來製造，其中核心及外殼材料可經單獨化合且共同押出，以形成長絲34。雖然在第2圖中將核心部分36及外殼部分38圖示為具有經界定的介面，但應理解，歸因於共同押出製程，核心及外殼材料可在此介面處至少部分地交互擴散。在形成之後，長絲34可捲繞至線軸上或以其他方式包裝，供系統10使用(例如，在供應源20內)。
雖然本文將本揭示案之可消耗、半晶質長絲論述為具有核心部分及一或更多外殼部分，但本揭示案之半晶質長絲可替代性地包括多種半晶質聚合材料之不同的佈置，以使得每一半晶質長絲包括第一部分及第二部分，第一部分成分上包括第一半晶質聚合材料，第二部分成分上包括第二半晶質聚合材料，第二半晶質聚合材料的結晶溫度比第一半晶質聚合材料之結晶溫度更高。
舉例而言，在一個實施例中，該半晶質長絲可經製造，以提供中心軸與外表面之間半晶質長絲材料之漸進式或階梯式的梯度。在此實施例中，半晶質長絲材料可高度交互擴散，以提供第一部分(例如，核心部分)與第二部分(例如，外殼部分)之間的漸進式介面。在中心軸處，半晶質長絲之成分理想地包括第一半晶質聚合材料(例如，核心材料)，且在外表面處，半晶質長絲之成分理想地僅包括第二半晶質聚合材料(例如，外殼材料)。在中心軸與外表面之間處，第二半晶質聚合材料之濃度可沿向外之方向自中心軸漸進地增加至外表面。
第3圖及第4圖分別圖示在長絲34之外殼及核心材料的冷卻階段期間，熱流對溫度之DSC作圖。如以上所論述，外殼部分38之外殼材料的結晶溫度比核心部分36之核心材料的結晶溫度更高。DSC提供一種用於量測核心及外殼材料之百分比結晶度、結晶溫度及熔融溫度之適合技術，其中本文涉及的DSC作圖係按照ASTM D3418-08量測。
如第3圖所示，在外殼部分38之外殼材料經加熱超過外殼材料之熔融溫度且經允許冷卻之後，外殼部分38之外殼材料產生DSC作圖46。詳言之，當量測溫度下降時，如箭頭48所指示，熱流保持大體上恆定，直至到達外殼材料之結晶起始溫度為止。在此點處，外殼材料結晶且釋放熱量，如結晶放熱峰50所指示。在結晶之後，外殼材料進一步冷卻，如箭頭52所指示。
峰50可用以決定外殼材料之結晶溫度，其中外殼材料之結晶溫度可藉由峰值結晶溫度或斜截式結晶溫度來識別。如本文所使用，術語「峰值結晶溫度(peak crystallization temperature)」代表對應於DSC作圖上的放熱結晶峰之峰值點的溫度，且術語「峰值結晶溫度」對應於外殼材料之結晶的最大速率。舉例而言，如第3圖所示，峰50在溫度T1處具有峰值點54。因此，溫度T1為外殼部分38之外殼材料之峰值結晶溫度。
如本文所使用，術語「斜截式結晶溫度(slope-intercept crystallization temperature)」代表對應於某一點的溫度，在該點處，DSC作圖上放熱結晶峰之上升曲線之斜率與放熱結晶峰之基線相交。放熱結晶峰之上升曲線基於當材料自熔融狀態開始結晶時經量測的熱流。舉例而言，如第3圖所示，外殼材料之峰50包括上升曲線56及基線58，其中上升曲線56具有由線60定義的斜率。線60與基線58相交於交點62處，該交點62位於溫度T2處。因此，溫度T2為外殼部分38之外殼材料之斜截式結晶溫度。
相應地，如第4圖所示，在核心部分36之核心材料經加熱超過該核心材料之熔融溫度且經允許冷卻之後，核心部分36之核心材料產生DSC作圖64。詳言之，當量測溫度下降時，如箭頭66所指示，熱流保持大體上恆定，直至到達核心材料之結晶起始溫度為止。在此點處，核心材料結晶且釋放熱量，如放熱結晶峰68所指示。在結晶之後，核心材料進一步冷卻，如箭頭70所指示。
峰68可用以用與外殼材料之峰50同樣的方式決定核心材料之結晶溫度，其中核心材料之結晶溫度亦可藉由峰值結晶溫度或斜截式結晶溫度來識別。舉例而言，如第4圖所示，峰68在溫度T3處具有峰值點72。因此，溫度T3為核心部分36之核心材料之峰值結晶溫度。此外，核心材料之峰68包括上升曲線74及基線76，其中上升曲線74具有由線78定義的斜率。線78與基線76相交於交點80處，該交點80位於溫度T4處。因此，溫度T4為核心部分36之核心材料之斜截式結晶溫度。
第3圖與第4圖之比較顯示，當溫度自材料之熔融狀態冷卻下來時，外殼材料在核心材料結晶之前開始結晶。因而，在外殼材料之結晶溫度(例如，溫度T1及T2)處，核心材料保持非結晶狀態或保持大體上非結晶狀態，直至溫度冷卻至核心材料之結晶溫度(例如，溫度T3及T4)為止。當到達核心材料之結晶溫度時，核心材料隨後結晶。當核心及外殼材料沈積為押出段，以形成3D模型24(圖示於第1圖中)之層時，結晶溫度之此差異理想地減少核心及外殼材料之變形、內應力及下垂。
相較於基於斜截式結晶溫度之量測，基於峰值結晶溫度之量測通常提供外殼材料的結晶溫度與核心材料的結晶溫度之間更大的差異。外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度(例如，溫度T1與T3之間)之適合的差異的實例包括至少約2℃的溫度。在一個實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約5℃的溫度。在另一實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約10℃的溫度。在又一實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約15℃的溫度。
外殼材料與核心材料之間的斜截式結晶溫度(例如，溫度T2與T4之間)之適合的差異的實例包括至少約3℃的溫度。在一個實施例中，外殼材料與核心材料之間的斜截式結晶溫度之適合的差異包括至少約5℃的溫度。在另一實施例中，外殼材料與核心材料之間的斜截式結晶溫度之適合的差異包括至少約8℃的溫度。
在一些實施例中，期望將結晶溫度之差異維持在甚至更大的差異程度上，以提供系統10中較寬鬆的操作參數。舉例而言，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約20℃的溫度。在一個實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約30℃的溫度。在另一實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括至少約40℃的溫度。
在其他的實施例中，期望將結晶溫度之差異維持在上閾限以下。因此，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異的實例亦包括小於約25℃的溫度。在一個實施例中，外殼材料與核心材料之間的峰值結晶溫度之適合的差異包括小於約20℃的溫度。相應地，外殼材料與核心材料之間的斜截式結晶溫度之適合的差異的實例亦包括小於約20℃的溫度。在一個實施例中，外殼材料與核心材料之間的斜截式結晶溫度之適合的差異包括小於約15℃的溫度。
DSC作圖亦可用以決定外殼及核心材料之百分比結晶度，熟習此項技術者已知此用法。舉例而言，峰50(圖示於第3圖中)可用以決定外殼材料之基質聚合物之熔合焓。外殼材料之基質聚合物的熔合焓可隨後常態化至對應於該外殼材料之基質聚合物的100%結晶聚合物的熔合焓，以決定外殼部分38中之基質聚合物之百分比結晶度。類似地，峰68(圖示於第4圖中)可用以決定核心材料之基質聚合物之熔合焓。核心材料之基質聚合物的熔合焓可隨後常態化至對應於核心材料之基質聚合物的100%結晶聚合物的熔合焓，以決定核心部分36中之基質聚合物之百分比結晶度。
此外，核心及外殼材料之熔融溫度理想地相同或相似，以允許長絲34易於在押出頭18之液化器中熔融。因而，核心材料及外殼材料可經選擇，以最小化熔融溫度之差異。DSC亦提供一種用於量測核心及外殼材料之熔融溫度之適合技術，其中該等熔融溫度亦可藉由峰值熔融溫度或斜截式熔融溫度來識別。
如本文所使用，「峰值熔融溫度(peak melting temperature)」代表對應於DSC作圖上吸熱熔融峰之峰值點的溫度(未圖示於第3圖或第4圖中)。相應地，術語「斜截式熔融溫度(slope-intercept melting temperature)」代表對應於某一點的溫度，在該點處，DSC作圖上吸熱熔融峰之上升曲線之斜率與吸熱熔融峰之基線相交。吸熱熔融峰之上升曲線係基於當材料自固態開始熔融時經量測的熱流。
峰值熔融溫度之適合的差異之實例包括約8℃或更小的溫度。在一個實施例中，峰值熔融溫度之適合的差異包括約3℃或更小的溫度。斜截式熔融溫度之適合的差異之實例包括約10℃或更小的溫度。在一個實施例中，斜截式熔融溫度之適合的差異包括約5℃或更小的溫度。
第5圖圖示自長絲34(圖示於第2圖中)之半晶質聚合材料建造3D模型24(圖示於第1圖中)之建造操作。如以上所論述，在使用系統10(圖示於第1圖中)之建造操作期間，將長絲34以固態形式自供應源20進料至押出頭18。在長絲34穿過押出頭18時，長絲34在液化器中經加熱至高於外殼及核心材料之熔融溫度的溫度。熔融材料隨後自押出頭18之押出尖端82以一系列押出段沈積至平臺14上，以形成3D模型24之層84。支撐材料(未圖示)之一或更多層亦可沈積在層84下方，以促進自平臺14移除3D模型24。
在所示實例中，核心及外殼材料之押出段可自長絲34至少部分地保持該等押出段的核心/外殼橫截面輪廓。舉例而言，頂部的押出段86包括核心材料之核心區域88及外殼材料之外殼區域90，其中外殼區域90可延伸圍繞核心區域88且包住核心區域88。在一個實施例中，該等押出段之至少一部分自長絲34至少部分地保持該等押出段的核心/外殼橫截面輪廓。在另一實施例中，大體上所有該等押出段自長絲34至少部分地保持該等押出段的核心/外殼橫截面輪廓。
雖然不希望受理論限制，但咸信，穿過押出頭18之液化器的熔融核心及外殼材料之大體上層流可允許該等押出段(例如，段86)至少部分地保持該等押出段的核心/外殼輪廓。應理解，熔融的核心及外殼材料之交互擴散可發生在核心區域88與外殼區域90之間的介面處。因而，所得押出段(例如，段86)可呈現與長絲34(如第2圖中所示)之橫截面輪廓相同或大體上相似之橫截面輪廓、可呈現核心材料與外殼材料之摻合，或可呈現介於此等兩個輪廓之間的變化橫截面輪廓(例如，核心及外殼材料部分地交互擴散之輪廓)。
如以上所論述，將建造腔室12理想地加熱至一或更多適合的溫度，以允許該等押出段在兩個階段中結晶。在一個實施例中，建造腔室12之殼可經加熱且維持在一或更多溫度，該一或更多溫度約等於該外殼材料之結晶溫度，或該一或更多溫度處於超過或低於該外殼材料之結晶溫度的較小範圍內。舉例而言，由於該外殼材料可在該外殼材料之峰值結晶溫度附近的溫度範圍內開始結晶，故建造腔室12之殼可經加熱且維持在一或更多溫度，該一或更多溫度約等於該外殼材料之結晶溫度，或該一或更多溫度處於超過或低於該外殼材料之結晶溫度約20℃內。在此實施例中，至少在鄰近於押出頭18之建造腔室12之上部區域處，建造腔室12之一或更多溫度亦理想地高於核心材料之結晶溫度。
在段86之熔融核心及外殼材料沈積至建造腔室12中之後，段86之熔融核心及外殼材料自押出頭18內升高的液化器溫度冷卻至建造腔室12之該一或更多溫度。此舉理想地將段86冷卻至外殼材料之結晶溫度或冷卻至外殼材料之結晶溫度以下，但此冷卻到達的溫度處於核心材料之結晶溫度以上，藉此允許外殼材料至少部分地結晶，同時防止核心材料實質上結晶。雖然不希望受理論限制，但咸信，當外殼材料固化，以形成押出段86之外殼區域90時，自該外殼材料發出的變性潛熱至少部分地為核心材料所吸收，藉此降低核心區域88相對於外殼區域90結晶的速率。進一步認為，此舉提供良好的層間熔合，而產生良好的層間z結合強度(亦即，沿垂直的z軸良好的層間結合)。
核心區域90之外殼材料理想地在比建造3D模型24之單一層所需要的時間更短的時間內結晶，以使得在後續層沈積之前，外殼材料呈現至少約30%的結晶度，且外殼材料更加理想地呈現至少約50%的結晶度。比較而言，核心區域88之核心材料理想地結晶更加緩慢，以使得收縮可在一或更多後續層形成之後發生。舉例而言，在後續層沈積之前，核心材料可呈現小於約10%的結晶度，更理想地呈現小於約5%的結晶度。
由核心及外殼材料的結晶溫度之差異造成的建造腔室12內結晶速率之此差異允許外殼材料在沈積之後即結晶。此狀況允許段86可抵抗重力及隨後沈積的層之壓力。雖然外殼區域90之結晶部分縮小，但核心區域88之非結晶核心材料防止段86完全縮小及變形，該縮小及變形原本發生於源自單一半晶質材料的押出段。
在替代性實施例中，建造腔室12之殼可維持在一或更多溫度，該一或更多溫度定義沿垂直的z軸在向下的方向上減少的溫度梯度。舉例而言，建造腔室12之上部區域可經加熱且維持在一或更多溫度，該一或更多溫度約等於外殼材料之結晶溫度，或處於超過或低於外殼材料之結晶溫度的小範圍內。然而，建造腔室12之下部區域可維持在一或更多較低溫度。舉例而言，建造腔室12之下部區域可經加熱且維持在一或更多溫度，該一或更多溫度約等於核心材料之結晶溫度，或處於超過或低於核心材料之結晶溫度的小範圍內。當平臺14沿垂直的Z軸以遞增方式向下降低時，漸進式或階梯式冷卻可允許核心材料隨著建造後續層之進行而緩慢結晶。
相反地，以上論述的外殼材料之適合的體積分率可提供平衡，以允許已結晶外殼區域90支撐隨後沈積的層，同時亦減少或最小化段86之收縮。當段86隨後冷卻至核心材料之結晶溫度以下時，核心材料可隨後逐漸結晶，以使段86完全固化。因而，當半晶質聚合材料沈積為押出段，以形成3D模型24之層時，此兩階段結晶理想地減少半晶質聚合材料之變形、內應力及下垂。
在替代性實施例中，可切換長絲34之核心及外殼材料，以使得核心材料的結晶溫度高於外殼材料之結晶溫度。在此實施例中，在沈積於建造腔室12中之後，核心部分可在外殼部分之前結晶，諸如，具有「海中之島狀物(islands in the sea)」的幾何結構，該等島狀物在外殼材料結晶之前成核且結晶。
第6A圖圖示長絲134，該長絲134為本揭示案之適合的可消耗、半晶質長絲之另一實例。長絲134與長絲34(圖示於第2圖中)相似，其中各別元件符號增加了「100」。如第6A圖中所示，長絲134之外殼部分138為多重外殼部分，該多重外殼部分包括內殼192及外殼194。在此實施例中，內殼192及外殼194各自理想地包括半晶質聚合材料，該半晶質聚合材料提供所要結晶特性之進一步的個別設計。
內殼192及外殼194中之每一者適合的材料包括以上針對外殼部分38(圖示於第2圖中)所論述之材料。舉例而言，內殼192之半晶質聚合材料的結晶溫度可介於核心部分136的結晶溫度與外殼194的結晶溫度之間。此狀況可允許步進的結晶梯度實現於建造腔室12(圖示於第1圖中)中。或者，內殼192可包括一材料，該材料限制或防止核心部分136之材料與外殼194之材料之間的交互擴散及/或晶體生長。在此替代性實施例中，內殼192之適合的材料可包括一或更多非晶質聚合物。
內殼192及外殼194之適合的尺寸可取決於所使用的特定材料而變化。在一些實施例中，內殼192及外殼194之組合尺寸可包括以上所論述的外殼部分38之適合的尺寸。因此，本揭示案之可消耗材料可包括兩個或兩個以上的層，以獲得所要的結晶生長特性，以用於使用以層為基礎之添加式製造技術建造3D模型。
此外，半晶質長絲之核心部分可不同於以上所論述的長絲34及134之實施例。舉例而言，在一些實施例中，核心部分(例如，核心部分36及136)可遠離半晶質長絲之中心軸。在額外的替代性實施例中，核心部分之幾何結構可為非圓柱形(例如，橢圓形、矩形、三角形及上述形狀之類似形狀)及/或中空，以修改所得押出段之結晶特性。
舉例而言，如第6B圖中所示，長絲234與長絲34(圖示於第2圖中)相似，其中各別元件符號增加了「200」。如第6B圖中所示，長絲234包括非圓柱形橫截面幾何結構，該非圓柱形橫截面幾何結構具有核心部分236及外殼部分238，該核心部分236及外殼部分238各自具有矩形橫截面幾何結構。核心部分236及外殼部分238之適合的材料的實例包括以上針對核心部分36及外殼部分38(圖示於第2圖中)所論述之材料。
適合的橫截面積包括以上所論述的橫截面積。舉例而言，核心部分236之適合的平均橫截面積範圍為自約0.25平方公厘至約0.75平方公厘。相應地，長絲234之適合的平均橫截面積之實例的範圍為自約0.5平方公厘至約1.5平方公厘。此外，長絲134(圖示於第6A圖中)之多層外殼實施例亦可應用於長絲234，以提供具有多個外殼層的非圓柱形、半晶質長絲。
實例
由於熟習此項技術者將顯而易見本揭示案之範疇內的若干修改及變更，故在以下僅意欲作為說明之實例中更具體描述了本揭示案。除另有注釋外，以下實例中所報告之所有部分、百分比及比率係基於重量，且用於該等實例中之所有試劑自以下所述化學品供應商獲得或購得，或用於該等實例中之所有試劑可藉由習知技術合成。
I.　實例1及實例2
實例1及實例2之可消耗、半晶質長絲以對應於長絲34(圖示於第2圖中)之核心及外殼佈置共同押出。核心部分之核心材料包括商業上可購自EMS-Grivory Inc.(Sumter,SC)(EMS-CHEMIE North America之單位)的商標「GRILAMID L16」下之耐綸12聚醯胺。外殼部分之外殼材料包括耐綸12聚醯胺及成核劑之摻合物，該摻合物可商業上購自EMS-Grivory Inc.(Sumter,SC)(EMS-CHEMIE North America之單位)的商標「GRILAMID L16-LM」下。該成核劑亦充當澄清劑。該外殼材料亦染有黑色著色劑，以可見地區分核心部分與外殼部分。
第7圖及第8圖分別為實例1及實例2之半晶質長絲之橫截面區段的照片。該等半晶質長絲之外殼部分顯示有由著色劑染料造成的較暗陰影。該等半晶質長絲之核心部分顯示有較淡陰影。
實例1及實例2之半晶質長絲以變化的進料速率共押出，以改變外殼部分之體積分率。實例1之長絲(圖示於第7圖中)具有約29%之平均外殼部分體積分率，且實例2之長絲(圖示於第8圖中)具有約43%之平均外殼部分體積分率。
第9圖及第10圖為用以形成實例1及實例2之長絲的外殼及核心材料之各別DSC作圖。該等DSC作圖係使用差示掃描量熱計量測，該差示掃描量熱計可商業上購自TA Instruments(New Castle,DE)的商標「DSC Q2000」下，該差示掃描量熱計具有以50立方公分/分鐘引入的氮氣氛及10℃/分鐘之熱量增加速率。外殼材料之樣本尺寸為5.1毫克，且核心材料之樣本尺寸為5.9毫克。
如第9圖之下方作圖所示，在加熱階段期間，外殼材料產生吸熱熔融峰，自吸熱熔融峰計算峰值熔融溫度(約179℃)及斜截式熔融溫度(約172℃)。在熔融之後，使外殼材料冷卻下來，如第9圖之上方作圖所示。在冷卻時，外殼材料產生放熱結晶峰，自放熱結晶峰計算峰值結晶溫度(約162℃)及斜截式結晶溫度(約163℃)。
如第10圖之下方作圖所示，在加熱階段期間，核心材料產生吸熱熔融峰，自該吸熱熔融峰計算峰值熔融溫度(約180℃)及斜截式熔融溫度(約174℃)。在熔融之後，使核心材料冷卻下來，如第10圖之上方作圖所示。在冷卻時，核心材料產生放熱結晶峰，自該放熱結晶峰計算峰值結晶溫度(約144℃)及斜截式結晶溫度(約153℃)。
自第9圖及第10圖之DSC作圖計算的結果提供約1℃的峰值熔融溫度之差異、約2℃的斜截式熔融溫度之差異、約18℃的峰值結晶溫度之差異及約10℃的斜截式結晶溫度之差異。因此，於外殼材料中包括成核劑可提高外殼材料之基質聚合物(亦即，耐綸12聚醯胺)相對於核心材料之相同基質聚合物的結晶溫度。因而，實例1及實例2之半晶質長絲之外殼及核心材料適合於兩個階段中之結晶。
此外，外殼材料與核心材料顯示相似的熔融溫度，藉此允許外殼材料與核心材料兩者皆易於在押出頭之液化器內熔融。具有相似熔融溫度之兩階段結晶之此組合使實例1及實例2之半晶質長絲適合於自以押出為基礎之層沈積系統押出，以建造期望具有降低水平的翹曲及變形之3D模型。因而，該等3D模型可使用半晶質聚合材料建造，同時維持尺寸精度。
實例1及實例2之半晶質長絲隨後用以建造3D模型。第11圖及第12圖為使用該等示例性半晶質長絲建造的3D模型之照片。第11圖中所示之3D模型為圓筒，該圓筒具有6吋之直徑及8吋之高度。第12圖中所示之3D模型具有星形的幾何結構。每一3D模型在以押出為基礎之添加式製造系統中建造，該以押出為基礎之添加式製造系統可商業上購自Stratasys,Inc.(Eden Prairie,MN)的商標「FDM TITAN」下。該等長絲在240℃至255℃之設定溫度範圍內熔融於系統之押出頭液化器中，該設定溫度範圍高於核心及外殼材料之熔融溫度。
熔融材料隨後經押出且沈積至建造腔室殼中，建造腔室殼維持在約160℃至180℃之溫度範圍內。此殼溫接近長絲之外殼材料之峰值結晶溫度，且高於長絲之核心材料之峰值結晶溫度。此狀況允許沈積材料在兩個階段中結晶(如以上所論述)，其中外殼材料在沈積之後即開始結晶，而核心材料在之後的時間點結晶，諸如，當3D模型自建造腔室移除時。
如第11圖及第12圖中所示，3D模型建造成具有降低水平之翹曲及變形且尺寸精度得以維持。此外，外殼材料之黑色著色劑使得3D模型之色彩為黑色。如以上所論述，這顯示對於押出段86之核心區域88及外殼區域90(圖示於第5圖中)而言，熔融材料之押出段保持押出段之核心/外殼橫截面輪廓。3D模型亦呈現良好的層間z結合強度，咸信良好的層間z結合強度是由於核心材料相對於外殼材料結晶的速率減小之故。
II.　實例3
實例3之可消耗、半晶質長絲亦以對應於長絲34(圖示於第2圖中)之核心及外殼佈置而共同押出。核心部分之核心材料包括商業上可購自EMS-Grivory Inc.(Sumter,SC)(EMS-CHEMIE North America之單元)在商標「GRILAMID L20」下的耐綸12聚醯胺。外殼部分之外殼材料包括耐綸12聚醯胺及成核劑之摻合物，其中成核劑亦充當澄清劑。在此實例中，外殼材料使用橙色著色劑染色。外殼材料具有約170℃之峰值結晶溫度，且核心材料具有約142℃之峰值結晶溫度。
實例3之半晶質長絲隨後用以建造3D模型。第13圖至第16圖為使用該等示例性半晶質長絲建造的3D模型之照片。每一3D模型在以押出為基礎之添加式製造系統中建造，該以押出為基礎之添加式製造系統可商業上購自Stratasys,Inc.(Eden Prairie,MN)的商標「FDM TITAN」下。該等長絲在240℃至255℃之設定溫度範圍內熔融於系統之押出頭液化器中，該設定溫度範圍高於核心及外殼材料之熔融溫度。
熔融材料隨後經押出且沈積至建造腔室殼中，該建造腔室殼維持在約170℃之溫度範圍內。此殼溫約等於長絲之外殼材料之峰值結晶溫度，且高於長絲之核心材料之峰值結晶溫度。此狀況允許沈積材料在兩個階段中結晶(如以上所論述)，其中外殼材料在沈積之後即開始結晶，而核心材料在之後的時間點結晶，諸如，當3D模型自建造腔室移除時。
如第13圖至第16圖中所示，此等3D模型亦建造成具有降低水平之翹曲及變形且尺寸精度得以維持。此外，外殼材料之橙色著色劑使得3D模型之色彩為橙色。如以上所論述，這顯示對於押出段86之核心區域88及外殼區域90(圖示於第5圖中)而言，熔融材料之押出段保持押出段之核心/外殼橫截面輪廓。3D模型亦顯示良好的層間z結合強度，如以上所論述，咸信良好的層間z結合強度是由核心材料相對於外殼材料結晶的速率減小之故。
儘管已參閱若干實施例描述了本揭示案，但熟習此項技術之工人將認識到，可對形式及細節進行改變，而不脫離本揭示案之精神及範疇。
10．．．系統
12．．．建造腔室
14．．．平臺
16．．．塔架
18．．．押出頭
20．．．供應源
22．．．供應源
24．．．3D模型
26．．．支撐結構
28．．．控制器
30．．．進料管線
32．．．進料管線
34．．．長絲
36．．．核心部分
36d．．．核心直徑
38．．．外殼部分
38d．．．外殼直徑
40．．．縱向長度
42．．．中心軸
44．．．外表面
46．．．DSC曲線
48．．．箭頭
50．．．峰
52．．．箭頭
54．．．峰值點
56．．．上升曲線
58．．．基線
60．．．線
62．．．交點
64．．．DSC曲線
66．．．箭頭
68．．．峰
70．．．箭頭
72．．．峰值點
74．．．上升曲線
76．．．基線
78．．．線
80．．．交點
82．．．押出尖端
84．．．層
86．．．押出段
88．．．核心區域
90．．．外殼區域
134．．．長絲
136．．．核心部分
138．．．外殼部分
192．．．內殼
194．．．外殼
234．．．長絲
236．．．核心部分
238．．．外殼部分
第1圖為以押出為基礎之添加式製造系統之前視圖，該添加式製造系統用於使用本揭示案之可消耗材料建造3D模型。
第2圖為本揭示案之可消耗、半晶質長絲之區段的透視圖，其中該半晶質長絲包括核心部分及外殼部分。
第3圖為在外殼部分之外殼材料的冷卻階段期間，熱流對溫度之說明性的差示掃描熱量測定圖。
第4圖為在核心部分之核心材料的冷卻階段期間，熱流對溫度之說明性的差示掃描熱量測定圖。
第5圖為建造操作期間3D模型之層的側視圖，其中為便於論述，誇示了該等層之尺寸及押出尖端距該等層之相對距離。
第6A圖為本揭示案之替代性可消耗、半晶質長絲之區段的透視圖，其中該替代性半晶質長絲包括核心部分及外殼部分，其中該外殼部分由內殼及外殼界定。
第6B圖為本揭示案之第二替代性可消耗、半晶質長絲之區段的透視圖，其中該第二替代性半晶質長絲包括矩形的橫截面幾何結構。
第7圖及第8圖為本揭示案之示例性半晶質長絲之橫截面區段的照片。
第9圖為該示例性半晶質長絲之外殼材料的熱流對溫度之差示掃描熱量測定圖。
第10圖為該示例性半晶質長絲之核心材料的熱流對溫度之差示掃描熱量測定圖。
第11圖及第12圖為使用本揭示案之第一示例性半晶質長絲建造的3D模型之照片。
第13圖至第16圖為使用本揭示案之第二示例性半晶質長絲建造的3D模型之照片。
34．．．長絲
36．．．核心部分
36d．．．核心直徑
38．．．外殼部分
38d．．．外殼直徑
40．．．縱向長度
42．．．中心軸
44．．．外表面

Claims (20)

  1. 一種使用於一以押出為基礎之添加式製造系統的可消耗長絲，該可消耗長絲包含：一核心部分，該核心部分沿該可消耗長絲之一縱向長度延伸，該核心部分成分上包含一第一半晶質聚合材料，該第一半晶質聚合材料具有一第一峰值結晶溫度；以及一外殼部分，該外殼部分沿該可消耗長絲之該縱向長度延伸且實質地包住該核心部分，該外殼部分成分上包含一第二半晶質聚合材料，該第二半晶質聚合材料具有一第二峰值結晶溫度，該第二峰值結晶溫度高於該第一峰值結晶溫度，其中該第一半晶質聚合材料及該第二半晶質聚合材料具有實質上相同的峰值熔融溫度，且其中該可消耗長絲具有範圍自約0.5平方公厘至約8平方公壓之一平均橫截面積，且其中該外殼部分具有一平均體積，該平均體積範圍為該可消耗長絲之一平均體積之約5%至約50%。
  2. 如請求項1所述之可消耗長絲，其中該第二峰值結晶溫度比該第一峰值結晶溫度高至少約5℃。
  3. 如請求項2所述之可消耗長絲，其中該核心部分及該外殼部分為共押出部分。
  4. 如請求項1所述之可消耗長絲，其中該外殼部分的該平均體積範圍為該可消耗長絲之該平均體積之約5%至約75%。
  5. 如請求項1所述之可消耗長絲，其中該可消耗長絲之該平均橫截面積範圍自約1平方公厘至約3平方公厘。
  6. 如請求項1所述之可消耗長絲，其中該外殼部分成分上進一步包含一著色劑。
  7. 如請求項1所述之可消耗長絲，其中該第一半晶質聚合材料及該第二半晶質聚合材料各包含一聚合物，該聚合物選自由聚醯胺、聚乙烯、聚丙烯、上述聚合物之共聚物及上述聚合物之組合物所組成之群組。
  8. 如請求項7所述之可消耗長絲，其中該外殼部分包含一內部殼及一外部殼，該內部殼設置於該核心部分與該外部殼之間。
  9. 如請求項7所述之可消耗長絲，其中該第一半晶質聚合材料包含一第一基質聚合物，且該第二半晶質聚合材料包含一第二基質聚合物，該第二基質聚合物與該第一基 質聚合物大體上相同，且其中該第一半晶質聚合材料與該第二半晶質聚合材料中之至少一者進一步包含一或更多添加劑，以促進該第一峰值結晶溫度與該第二峰值結晶溫度之一差異。
  10. 一種使用一以押出為基礎之添加式製造系統建造的三維物件，該三維物件包含：複數個固化層，各該複數個固化層包含使用該以押出為基礎之添加式製造系統自一可消耗長絲押出的多個段，該可消耗長絲具有一核心部分及一外殼部分，其中該核心部分成分上包含一第一半晶質聚合材料，該第一半晶質聚合材料具有一第一峰值結晶溫度，且該外殼部分包含一第二半晶質聚合材料，該第二半晶質聚合材料具有一第二峰值結晶溫度，該第二峰值結晶溫度高於該第一峰值結晶溫度；其中該複數個固化層之該等押出段之至少一部分各具有該第一半晶質聚合材料的一核心區域及該第二半晶質聚合材料的一外殼區域。
  11. 如請求項10所述之三維物件，其中該第一半晶質聚合材料及該第二半晶質聚合材料各包含耐綸-12聚醯胺。
  12. 如請求項11所述之三維物件，其中該第二半晶質聚合材料進一步包含一成核劑。
  13. 如請求項10所述之三維物件，其中該第二峰值結晶溫度比該第一峰值結晶溫度高至少約10℃，且其中該外殼部分與該核心部分具有大體上相同的峰值熔融溫度。
  14. 如請求項10所述之三維物件，其中該第一半晶質聚合材料及該第二半晶質聚合材料具有實質上相同的峰值熔融溫度。
  15. 一種用於使用一添加式製造系統建造三維物件之方法，該添加式製造系統具有一經加熱建造腔室及一押出頭，該方法包含以下步驟：將一可消耗長絲進料至該押出頭，該可消耗長絲包含一縱向長度、一沿該縱向長度延伸之核心部分及一沿該縱向長度延伸之外殼部分，該外殼部分實質地包住該核心部分，其中該核心部分成分上包含一第一半晶質聚合材料，且其中該外殼部分成分上包含一第二半晶質聚合材料，該第二半晶質聚合材料具有一峰值結晶溫度，該溫度高於該第一半晶質聚合材料之一峰值結晶溫度； 在該押出頭中熔融該進料的可消耗長絲，以形成一熔融材料；在該經加熱建造腔室中沈積該熔融材料成為一押出段，該押出段界定該三維物件之一層之至少一部分，其中該押出段包含該第一半晶質聚合材料的一核心區域及該第二半晶質聚合材料的一外殼區域；在該三維物件之一後續層形成之前，結晶該外殼區域之該第二半晶質聚合材料之至少一部分；以及在該外殼區域之該第二半晶質聚合材料之該部分結晶後，結晶該核心區域之該第一半晶質聚合材料之至少一部分。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該第二半晶質聚合材料之該峰值結晶溫度比該第一半晶質聚合材料之該峰值結晶溫度高至少約5℃。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該可消耗長絲具有範圍自約0.5平方公厘至約8平方公厘之一平均橫截面積。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該外殼部分具有一平均體積，該平均體積範圍為該可消耗長絲之一平均體積之約5%至約75%。
  19. 如請求項15所述之方法，其中在該三維物件之該後續層形成之前，該第二半晶質聚合材料呈現至少約30%的結晶度，且其中在該三維物件之該後續層形成之前，該第一半晶質聚合材料呈現小於約10%的結晶度。
  20. 如請求項15所述之方法，進一步包含以下步驟：將該經加熱建造腔室內之一環境維持在一或更多溫度，該一或更多溫度約等於該第二半晶質聚合材料之該峰值結晶溫度，或該一或更多溫度處於超過或低於該第二半晶質聚合材料之該峰值結晶溫度約20℃之一範圍內。
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