专利名称：用于数字化制造系统的支撑材料的制作方法
技术领域：
本发明公开内容涉及用于构建三维(3D)模型的数字化制造系统。尤其是，本发明涉及与数字化制造系统(诸如基于挤出的数字化制造系统)一起使用的支撑材料。
背景技术：
基于挤出的数字化制造系统(例如由明尼苏达州(MN)伊甸草原市的Mratasys， Inc.开发的熔融沉积建模系统)用来通过挤出可流动的建模材料以逐层的方式根据3D模型的数字化表示构建3D模型。通过由挤出头承载的挤出尖端挤出建模材料，并按照一定顺序的路线沉积在x_y平面内的基座上。被挤出的建模材料与先前沉积的建模材料熔合，并在温度下降时凝固。随后，挤出头相对于基座的位置沿着ζ轴线(垂直于x_y平面)逐渐增量，且随后重复该过程，以形成像所述数字化表示的3D模型。
根据表示3D模型的构建数据，挤出头相对于基座的运动在计算机的控制下进行。 构建数据通过首先将3D模型的数字化表示划分成多个水平切片层而被获得。随后，对于每个切片层，主机产生用于沉积建模材料的路线的构建路径以形成3D模型。
在通过沉积建模材料层而制造3D模型时，支撑层或结构通常构建在悬空部分的下面或在建对象的腔中，其没有被建模材料自身支撑。支撑结构可以采用与沉积建模材料相同的沉积技术构建。主机产生额外的几何构型作为被形成的3D模型的悬空或自由空间段的支撑结构。随后，根据在构建过程中所产生的几何构型，从第二喷嘴沉积支撑材料。在制造过程中，支撑材料粘结到建模材料上，并且当构建过程完成时可以从完成的3D模型上去除支撑材料。
发明内容
本公开内容的一个方面涉及一种支撑材料原料，所述支撑材料原料用于与数字化制造系统一起使用。所述支撑材料原料包含共聚物，所述共聚物具有第一单体单元，包含羧基；和第二单体单元，包含苯基。所述支撑材料原料还包含聚合物抗冲击改性剂。
本公开内容的另一方面涉及一种与数字化制造系统一起使用的支撑材料原料，其中所述支撑材料原料包含第一共聚物和第二共聚物。所述第一共聚物包含包含羧基的多个第一单体单元；包含苯基的多个第二单体单元；和包含羧酸酯基的多个第三单体单元。 第二共聚物包含多个以环氧封端的羧酸酯基。
本公开内容的另一方面涉及一种用数字化制造系统构建三维模型的方法。所述方法包括使用基于层的添加技术将支撑材料沉积到所述数字化制造系统的构建腔中以形成支撑结构，其中所述支撑材料包含第一共聚物和聚合物抗冲击改性剂，其中所述第一共聚物包含包含羧基的多个第一单体单元和包含苯基的多个第二单体单元。所述方法还包括使用所述基于层的添加技术将建模材料沉积到所述数字化制造系统的构建腔中以形成所述三维模型，其中所述三维模型包括由所述支撑结构支撑的至少一个悬空区域。所述方法还包括用水溶液从三维模型基本上移除所述支撑结构。
图1是用于构建3D模型和支撑结构的数字化制造系统的正面示意图。
图2是用于挤出构建支撑结构的支撑材料的挤出头的构建线的放大部分剖视图。
具体实施例方式如图1所示，系统10是与支撑结构一起使用的用于构建3D模型的数字化制造系统，且包括构建腔12、台板14、构台16、挤出头18以及供给源20和22。用于系统10的适合的系统的例子包括基于挤出的数字化制造系统，诸如由明尼苏达州(MN)Eden Prairie市 WMratasysdnc.开发的熔融沉积建模系统。构建腔12是封闭的环境，其包括台板14、构台16以及用于构建3D模型(称为3D模型24)和对应的支撑结构(称为支撑结构沈)的挤出头18。如下文所述，支撑结构沈由可溶在水溶液(诸如碱性水溶液)中的支撑材料形成。这允许在完成构建操作之后从3D模型M容易地移除支撑结构26。
台板14是其上建造了 3D模型M和支撑结构沈的平台，且期望基于由计算机操作的控制器观提供的信号沿着垂直的ζ轴线移动。构台16是引导轨道系统，其期望配置成基于由控制器观提供的信号在构建腔12内的水平的χ-y平面内移动挤出头18。水平 x-y平面是由χ轴线和y轴线限定的平面(在图1中未显示)，其中χ轴线、y轴线和ζ轴线彼此正交。在可替代的实施例中，台板14可以配置成在构建腔12内的水平x-y平面内移动，挤出头18可以配置成沿ζ轴线移动。另外可以使用其它的类似配置，使得台板14和挤出头18中的一个或两者彼此相对移动。
基于由控制器观提供的信号，挤出头18由构台16支撑，用于以逐层的方式在台板14上构建3D模型M和支撑结构26。在图1显示的实施例中，挤出头18是双尖端挤出头，配置成沉积分别来自供给源20和供给源22的建模材料和支撑材料。用于挤出头18 的适合的挤出头的例子包括在LaBossiere等人的美国专利申请公开No. 2007/0003656和 No. 2007/00228590和Leavitt的美国专利申请公开No. 2009/003M05中公开的这些。可替代地，系统10可以包括一个或更多的双台泵组件，诸如在Batchelder等人的美国专利 No. 5，764，521和Skubic等的美国专利申请公开No. 2008/0213419中所公开的那些。另外， 系统10可以包括多个挤出头18，用于沉积建模和/或支撑材料。
建模材料被从供给源20通过进料管线30供给至挤出头18，从而允许挤出头18沉积建模材料来构建3D模型24。相应地，可溶的支撑材料被从供给源22通过进料管线32供给至挤出头18，从而允许挤出头18沉积支撑材料来构建支撑结构26。在构建操作期间，构台16在构建腔12内的水平的x-y平面中来回移动挤出头18，一个或更多的进料机构(未显示)被从供给源20和22间断地使建模和支撑材料供给通过挤出头18。之后通过使用基于层的额外技术将接收的建模和支撑材料沉积到台板14上，以构建3D模型M和支撑结构 26。期望地沉积支撑结构22以沿着ζ轴线提供竖直支撑件，用于悬空3D模型对的层中的区域。这允许以各种几何构型构建3D对象M。在完成构建操作之后，可以从构建腔12移除最终获得的3D模型24/支撑结构沈，且将其放置在包含水溶液(碱水溶液)的浴器中以从3D模型M移除支撑结构26。
建模和支撑材料可以以各种不同媒介的形式提供至系统10。例如，建模和支撑材料可以提供成分别从供给源20和22供给的连续的丝线，如在Swanson等人的美国专利 No. 6，923，634和Comb等人的美国公开No. 2005/0129941中所公开的。用于建模和支撑材料的丝线的适合的平均直径的例子在约1.27毫米(约0.050英寸)至约2. M毫米(约 0. 100英寸)的范围内，且尤其适合的平均直径从约1.65毫米(约0.065英寸)至约1. 91 毫米(约0.075英寸)的范围内。可替代地，建模和支撑材料可以设置成来自其它类型的储存和传递部件(例如供给储料器和器皿)的其它形式的媒介(例如球和树脂)。
来自供给源22的支撑材料期望地可溶于水溶液，诸如碱性水溶液。支撑材料在组成上包含具有羧基单体单元和苯基单体单元的主要共聚物。更期望地是，主要共聚物包含多个羧基单体单元和多个苯基单体单元，其中单体单元可以布置成沿着共聚物链的线性和 /或枝状布置。另外，单体单元期望地布置成沿着主要共聚物链的周期性的和/或随机的布置。如此处所使用的，术语“共聚物”表示具有两个或更多的单体种类的共聚物，且包含三元共聚物(即具有三种单体种类的共聚物)。
一个或更多的羧基单体单元每一个包含羧基，且可以由常见的单体或由各种不同的单体获得。羧基帮助使得主要共聚物溶解到水溶液中，且尤其适合于与碱水溶液一起使用。用于主要共聚物的适合的羧基单体单元包含具有下述的分子式的这些
权利要求
1.一种支撑材料原料，所述支撑材料原料用于与数字化制造系统一起使用，所述支撑材料原料包含第一共聚物，包含 第一单体单元，包含羧基；和第二单体单元，包含苯基；和聚合物抗冲击改性剂。
2.根据权利要求1所述的支撑材料原料，其中所述第一单体单元由甲基丙烯酸聚合得到，其中所述第二单体单元由苯乙烯聚合得到。
3.根据权利要求1所述的支撑材料原料，其中所述第一共聚物还包含第三单体单元， 所述第三单体单元包含羧酸酯基。
4.根据权利要求3所述的支撑材料原料，其中所述第三单体单元是由丙烯酸烷基酯聚合得到的。
5.根据权利要求1所述的支撑材料原料，其中所述聚合物抗冲击改性剂包含第二共聚物，所述第二共聚物包含以环氧封端的羧酸酯基。
6.根据权利要求5所述的支撑材料原料，其中所述第二共聚物是由包括乙烯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的单体聚合得到的。
7.根据权利要求5所述的支撑材料原料，其中所述第二共聚物还包含羧酸酯基。
8.根据权利要求1所述的支撑材料原料，其中所述支撑材料原料可溶解在碱性水溶液中。
9.一种与数字化制造系统一起使用的支撑材料原料，所述支撑材料原料包含 第一共聚物，包含多个第一单体单元，包含羧基； 多个第二单体单元，包含苯基；和多个第三单体单元，包含羧酸酯基；和第二共聚物，包含多个以环氧封端的羧酸酯基。
10.根据权利要求9所述的支撑材料原料，其中所述第一单体单元构成所述第一共聚物的约10重量％至约50重量％，其中所述第二单体单元构成所述第一共聚物的约30重量<%至约60重量<%，以及其中所述第三单体单元构成所述第一共聚物的约5重量％至约40重量％。
11.根据权利要求10所述的支撑材料原料，其中所述第一单体单元构成所述第一共聚物的约30重量％至约45重量％，其中所述第二单体单元构成所述第一共聚物的约35重量％至约50重量％，以及其中所述第三单体单元构成所述第一共聚物的约15重量％至约25重量％。
12.根据权利要求9所述的支撑材料原料，其中所述第二共聚物还包含多个羧酸酯基。
13.根据权利要求9所述的支撑材料原料，其中所述第二共聚物构成所述支撑材料原料的约1重量％至约25重量％。
14.根据权利要求9所述的支撑材料原料，还包含由甲基丙烯酸的单体聚合成的第三共聚物。
15.一种用数字化制造系统构建三维模型的方法，所述方法包括使用基于层的添加技术将支撑材料沉积到所述数字化制造系统的构建腔中以形成支撑结构，其中所述支撑材料包含第一共聚物和聚合物抗冲击改性剂，所述第一共聚物包含 多个含羧基的第一单体单元和多个含苯基的第二单体单元；使用所述基于层的添加技术将建模材料沉积到所述数字化制造系统的构建腔中以形成所述三维模型，其中所述三维模型包括由所述支撑结构支撑的至少一个悬空区域；和用水溶液从所述三维模型基本上移除所述支撑结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述用水溶液从所述三维模型基本上移除所述支撑结构的步骤包括将所述支撑结构和所述三维模型浸没到所述水溶液的浴中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述水溶液包括碱性水溶液。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述构建腔保持在从约85°C至约110°C范围内的一个或多个温度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一共聚物还包含多个含羧酸酯基的第三单体单元。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述聚合物抗冲击改性剂包括具有多个以环氧封端的羧酸酯基的第二共聚物。
全文摘要
支撑材料原料(36)包含第一共聚物和聚合物抗冲击改性剂，其中第一共聚物包含包含羧基的第一单体单元和包含苯基的第二单体单元。
文档编号C08L33/14GK102186918SQ200980141090
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月12日 优先权日2008年10月17日
发明者保罗·E·霍普金, 威廉姆·R·小普列德埃曼, 杰弗里·F·拜伊 申请人:斯特拉塔西斯公司