专利名称：：采用改性abs材料构造三维物体的方法
技术领域：
：本发明涉及采用基于挤压的分层沉积系统制造三维(3D)物体。特别地，本发明涉及由包含改性ABS材料的构成材料制造3D物体。
背景技术：
：基于挤压的分层沉积系统(如，由Stratasys,Inc.的EdenPrairie,MN开发的熔融沉积建模系统)被用来通过挤出易流动的构成材料以逐层的方式由计算机辅助设计(CAD)模型构造3D物体。构成材料通过由挤出头携带的喷嘴被挤出，并如路线(roads)顺序一样沿x-y平面沉积在基底上。挤出的构成材料与先前沉积的构成材料熔合，并随着温度的下降而凝固。随后，挤出头相对于基底的位置沿着z轴(垂直于x-y平面)增长，且随后重复该过程，以形成类似CAD模型的3D物体。挤出头相对于基底的运动在计算机控制下进行，与代表3D物体的构造数据一致。构造数据通过最初将3D物体的CAD模型分成多个水平切割层而获得。随后，对于每个切割层，主机产生用于沉积构成材料路线以形成3D物体的构造路径。在通过沉积构成材料层而制造3D物体的过程中，支撑层或结构通常构造在不由构成材料本身支撑的伸出部分之下，或者构造在不由构成材料本身支撑的构造中的物体的空腔中。支撑结构可以采用与沉积构成材料相同的沉积技术构造。主机产生附加的几何形状作为形成中的3D物体的伸出或自由空间部分的支撑结构。随后，根据在构造过程中所产生的几何形状，支撑材料由第二挤出顶端沉积。在制造过程中，支撑材料粘结到构成材料上，并且当构造过程完成时可以从完成的3D物体上去除。构成材料通常表现出非牛顿流动特性，即构成材料在挤出流动的初始启动阶段抵抗移动。因此，许多3D物体共有的问题是由于非牛顿流动特性所导致的挤出头的响应时间的限制。这种限制可能降低沉积精确度，并且特别是可以看到其中每层所沉积的构成材料的量相对较小的微细部件结构。因此，需要改善用于沉积构成材料的挤出头的响应时间的构造3D物体的方法。
发明内容本发明涉及一种采用基于挤压的分层沉积系统构造3D物体的方法。该方法包括将改性ABS材料送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头，并在改善挤出头的响应时间的条件下，在挤出头中熔化所送入的改性ABS材料。随后，以逐层的方式沉积所熔化的热塑性材料，以形成三维物体。图1为基于挤压的(extrusion-based)分层沉积系统的构造腔的透视图，示出根据本发明构造的3D物体。图2为基于挤压的分层沉积系统的挤出头构造流水线的局部放大截面图。图3为采用基于挤压的分层沉积系统构造3D物体的方法的流程图。图4-7为表示根据本发明进行的挤出行程和对比例的挤出行程的驱动压力与挤出速率之比的图表。图8为表示根据本发明进行的挤出行程和对比例的挤出行程的驱动压力与挤出速率之比的图表。具体实施例方式图1为基于挤压的分层沉积系统的构造腔10的透视图，其包括挤出头12、导轨14、构造平台16、3D物体18和支撑结构20。可以结合构造腔10的合适的基于挤压的分层沉积系统包括熔融沉积建模系统，该熔融沉积建模系统可以通过市售的来自Stratasys，Inc.,EdenPrairie,MN的商品标识"FDM"获得。挤出头12配置成挤出分别以逐层方式构造3D物体18和支撑结构20的易流动构成材料和支撑材料的装置。挤出头12的适合装置的例子在LaBossiere等美国专利申请公开文件No.2007/0003656和LaBossiere等的美国专利申请No.11/396,845(公开为美国专利申请公开文件No.2007/0228590)中被披露。挤出头12由在构造腔10内沿着x轴延伸的导轨14和沿y轴沐示出)延伸的辅助导轨(未示出)支撑在构造腔10内。导轨14和辅助导轨允许挤出头12在沿x轴和y轴的平面内沿任何方向移动。构造平台16为构造3D物体18和支撑结构20的工作面，并且沿着z轴可以调整高度。用来构造3D物体18的构成材料为能够从挤出头12挤出的改性ABS材料，具有改善的响应时间，由此改善沉积工艺的精确度。用于本发明的合适的改性ABS材料的例子包括由附加的单体、低聚体和/或聚合物改性ABS材料，如丙烯酸基材料。市售可获得的合适的改性ABS材料的例子包括来自GeneralElectricCo.，Pittsfield，MA的具有商品标识"CYCOLAC，，ABSMG94-NA1000的甲基丙烯酸甲酯改性ABS/聚乙烯(苯乙烯丙烯腈)混合物。3D物体18包括销钉结构22和伸出部分24，其中销钉结构22为在沿x轴和y轴的平面具有较小的平均横截面的多层、精细部件结构。销钉结构22为精细部件结构的例子，其在标准ABS共聚物(如，市售可以获得的来自DowChemicalCompany,Midland,MI的具有商品标识"AG700ABS"的ABS共聚物)一起构造时可能表现出显著的构造不精确性。例如，当构造在沿x轴和y轴的平面内具有至少一个约3.0毫米(约120密耳)或更小的宽度的精细部件结构时，标准的ABS共聚物将导致明显的不精确性。这可能会损坏所产生的3D物体的美学和物理品质。相反，由于通过从挤出头12沉积改性ABS材料而获得的改善的响应时间，销钉结构22被构造为具有更大的沉积精确度。结果，在沿x轴和y轴的平面内适合的销钉结构22的横截面尺寸包括约3.0毫米(约120密耳)或更小的宽度，特别适合的宽度范围为约1.5毫米(约60密耳)至约2.8毫米(约110密耳)。在下文讨论的处理条件下，这种材料能够获得更大牛顿性(Newtonian-like)(与标准ABS共聚物相比)，由此在构造3D物体10改善了挤出头12的响应时间。此外，改性ABS材料能够为3D物体提供优良的层间粘附力和零件强度。支撑结构20采用支撑材料以逐层的方式在构造平台上构造，由此支撑3D物体18的伸出区域24。除了用增强的响应时间进行沉积之外，改性ABS材料还适合与市售可获得的来自Stratasys,Inc.,EdenPrairie，MN的具有商品标识"WATERWORKS"和"SOLUBLESUPPORTS"的水溶性支撑材料一起使用。此外，改性ABS材料还适合与市售可获得的来自Stratasys，Inc.,EdenPrairie,MN的具有商品标识"BASS"的分离支撑材料和在Crump等人的美国专利No.5，503，785中公开的材料一起使用。相比之下，标准的ABS共聚物表现出对"BASS"基支撑结构的明显的粘附力。改性ABS材料非常容易从"BASS"基支撑结构上分离，同时还允许在构造过程中具有合适的粘附力。图2为用于挤出的改性ABS材料以构造3D物体18(如图1所示)的挤出头12(如图1所示)的构造流水线26的局部放大截面图。构造流水线26包括进料管28、基块30、进料道32、驱动系统34、液化器组件36和构造顶端38，这些被配置为与在LaBossiere等的美国专利申请No.11/396，845(公开为美国专利申请公开No.2007/0228590)中公开的方式一样。进料管28从位于构造腔10外部(如图1所示)的供应源(未示出)接收改性ABS材料的丝状体(称为丝状体40)。丝状体40延伸通过基块30的进料管28和进料道32，由此允许驱动系统34将丝状体40送入液化器组件36。驱动系统34包括被配置为啮合并夹紧丝状体40的驱动辊42和惰辊44。驱动辊42轴向连接至驱动电动机(未示出)，驱动电动机允许驱动辊42和惰辊44将丝状体送入液化器组件36。液化器组件36包括液化器块46和液化器通道48。液化器通道48是延伸通过液化器块46的通道，液化器块46具有靠近驱动系统34的入口和构造顶端38处的出口。挤出通道48为丝状体40提供了穿过液化器块46的路径。液化器块46为基于沿液化器块46的热分布将丝状体熔化至希望的流型的加热块。构造顶端38为固定至液化器组件36的挤出顶端。构造顶端38具有用于沉积改性ABS材料路线的顶端直径，其中路线宽度和高度部分地基于顶端直径。构造顶端38的合适的顶端直径的例子的范围为约250微米(约10密耳)至510微米(约20密耳)。通过从驱动电动机向驱动辊42施加旋转力，改性ABS材料挤出通过挤出头12的构造流水线26。驱动辊42和惰辊44的摩擦粘着力将旋转力转换成施加至丝状体40的驱动压力。驱动压力将丝状体40的连续部分用力推入液化器通道48，其中改性ABS材料由液化器块46熔化。丝状体40的未熔化部分用作活塞，以将熔化的改性ABS材料用力推动通过液化器通道48和构造顶端38，由此挤出熔化的改性ABS材料。将丝状体40推入液化器通道48并挤出烙化的改性ABS材料所需要的驱动压力基于多个因素，如改性ABS材料的流动阻力、驱动辊42的轴承磨擦、驱动辊42和惰辊44之间的夹紧摩擦、以及其它因素，所有的这些因素抵抗由驱动辊42和惰辊44施加丝状体40的驱动压力。在构造工艺期间，构成材料的挤出流动特性通常属于三个挤出阶段(1)启动阶段，其中挤出流率从零流率增加至稳态流率；(2)稳态阶段；以及(3)停止阶段，其中挤出流率从稳态流率降至零流率。在稳态阶段，构成材料的挤出流率是施加至丝状体(如，丝状体40)的驱动压力和上述对驱动压力的阻力之间的差。然而，在启动阶段，构成材料最初表现出对挤出的附加阻力，该附加阻力需要在将挤出构成材料之前被克服。这种附加阻力在此称为构成材料的触变阈值(thixiotropicthreshold)。较高的触变阈值通常要求更大的驱动压力启动挤出流动。这相应地增加了在驱动电动机将旋转力施加至驱动辊时和挤出流动实际开始时之间的时间，由此限制了挤出头的响应时间。如上所述，这种响应时间的限制可能会降低沉积精确度，而沉积精确度对精细部件结构来说是特别明显的。因此，如下所述，通过在为改性ABS材料提供降低的触变阈值的条件下挤出改性ABS材料，改善了挤出头12的响应时间。图3为方法50的流程图，其为在启动阶段期间以改善的响应时间来构造3D物体18(如图1所示)的合适方法。方法50包括步骤52-58，并且最初包括将改性ABS材料的丝状体送至挤出头12(步骤52)。在一个实施例中，选择改性ABS材料，使得改性ABS材料可以以16，4微升/秒(1，000微立方英寸每秒(mics))的挤出速率从标准形状的液化器以最大的液化器温度，以约6.9兆帕(约1000磅/平方英寸(psi))或更小、更希望的是约5.2兆帕(约750psi)或更小的驱动压力被挤出。如在此所使用的，术语"标准形状的液化器"被定义为具有构造顶端的液化器，具有从1.943毫米(0.0765英寸)至1.905毫米(0.075英寸)范围的9液化器管内径、77.343+/-0.254毫米(3.045+/-0.010英寸)的顶端总长度、0.762+/-0.051毫米(0.030+/-0.002英寸)的内径颈部长度、以及0.406+/-0.013毫米(0.016+/-0.0005英寸)的顶端末端平台内径。而且，如在此所使用的，术语"最大的液化器温度"被定义为改性ABS材料在两分钟内不改变颜色或流动特性而能够承受的最大液化器温度。满足这种标准的改性ABS材料包括上述讨论的合适的改性ABS材料。随后，改性ABS材料在挤出头内熔化(步骤54)。如上所述，改性ABS材料的丝状体采用驱动系统34送至液化器组件36。所希望的是液化器组件36具有改性ABS材料热稳定所处的液化器峰值温度，并且该峰值温度降低改性ABS材料的触变阈值。对液化器组件36来说，合适的液化器峰值温度的例子的范围为约280°C至约360°C，特别适合的温度范围为约300°C至约340°C，并且甚至更特别适合的温度范围为约300°C至约320°C。随后，熔化的改性ABS材料从挤出头12挤出(步骤56)，并以逐层的方式沉积，以在构造腔10内构造三维物体(步骤58)。对构造腔10来说，合适的环境温度的范围为约70°C至约105°C，特别合适的环境温度的范围为约80°C至约95°C。合适的液化器峰值温度和合适的环境温度比通常用来挤出标准的ABS共聚物的相应的温度高。更高的温度有利于增加零件强度，并降低所产生的3D物体18的多孔性。所产生的3D物体18具有增强的沉积精确度，其对改善美学品质是非常明显的，特别是在销钉结构22处。因此，改性ABS材料有利于提供高分辨率的精细部件结构。在沉积之后，所希望的是三维物体中的改性ABS材料基本上不会热降解。标准的ABS共聚物中的热降解通常表现为所沉积的材料中的褐色化条纹。实施例在接下来的例子中本发明将被更详细地描述，这些实施例仅用于举例的目的，因为在本发明范围内的大量修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。实施例1-12和比较例A-D的挤出行程的驱动压力被定量测量，以比较所产生的作为液化器峰值温度和挤出流率的函数的挤出形状。每个挤出行程市售可获得的来自Stratasys,Inc.,EdenPrairie,MN的具有商品标识"FDMTITAN"的熔融沉积建模系统上进行。所附带的挤出头包括具有1.943毫米(0.0765英寸)至1.905毫米(0.075英寸)范围的液化器管内径、77.343+/-0.254毫米(3.045+/-0.010英寸)的顶端总长度、以及0,762+/-0.051毫米(0.030+/-0.002英寸)的内径颈部长度的"TITAN"TI构造顶端。实施例1-12的挤出行程采用市售可获得的来自GeneralElectricCo.,Pittsfield，MA的具有商品标识"CYCOLAC"MG94-NA1000ABS的改性ABS材料来进行。比较例A-D的挤出行程釆用市售可获得的来自DowChemicalCompany,Midland,MI的具有商品标识"AG700ABS，，的标准的ABS共聚物来进行。挤出行程以不同的温度和挤出速率进行，其中实施例1-4的挤出行程中的每一个都由0.254毫米(O.OIO英寸)的顶端末端平台内径进行，实施例5-8的挤出行程中的每一个都由0.305毫米(0.012英寸)的顶端末端平台内径进行，且实施例9-12和比较例A-D的挤出行程中的每一个都由0.406毫米(0.016英寸)的顶端末端平台内径进行。表1列出了用于实施例1-12和比较例A-D的构成材料、顶端直径和挤出速率。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>比较例AAG700ABS0.4060.01616.4l，OOO比较例BAG700ABS0.4060.01632.82,000比较例cAG700ABS0.4060.01649.13,000比较例DAG700ABS0.4060.01665.64,000对于每个挤出行程，构造循环开始，以挤出指定的构成材料。构成材料以丝状体("TITAN"TI构造顶端的标准丝状体直径，如约1.796毫米(约0.0707英寸)的直径)的形式供给至挤出头，并由传送系统驱动至液化器。液化器峰值温度保持在第一水平(如，240°C)，并且丝状体被驱动，直到获得稳态操作。随后，定量测量驱动电动机的功率需要值，且基于驱动电动机的功率需要值计算挤出构成材料所需要的相应的驱动压力。随后，对于范围240°C至340°C内的各种不同的液化器峰值温度，重复该过程。图4-7为表示根据实施例1-12和比较例A-D的挤出行程的驱动压力与挤出速率之比的图表。如同所预期的那样，比较图4-6显示出驱动压力随着压力液化器峰值温度的增加而下降，随着顶端直径的减小而下降，并随着挤出速率的增加而下降。然而，比较实施例9-12的挤出行程(如图6所示)和比较例A-D的挤出行程(如图7所示)显示出，对于可比较条件，与标准ABS(AG700ABS)相比，适合用于本发明的改性ABS材料(MG94-NA1000ABS)可以以降低的驱动压力挤出。图8为表示在图6和7中提供的数据的可选图表，其表示280°C时比较例A-D的挤出行程驱动压力与挤出速率之比，280。C时实施例9-12的挤出行程驱动压力与挤出速率之比，和300°C时实施例9-12的挤出行程的驱动压力与挤出速率之比。比较例A-D的标准的ABS共聚物在约290。C以上的温度时不是热稳定的。因此，没有比较300°C时比较例A-D的挤出行程。如图8所示，280°C和300°C时的实施例9-12的挤出行程以比从2S0。C时比较例A-D的挤出行程获得的驱动压力低的驱动压力进行。此外，挤出行程的指数衰退线外推至零流率(即，与y轴相交)，对于每个挤出行程用虚线示出。Y轴交叉点的驱动压力对应于相应液化器峰值温度的构成材料的触变阈值。同样，在适合于挤出用于比较例A-D的标准的ABS共聚物的280°C的液化器峰值温度，标准的ABS共聚物具有约6.8兆帕(约980psi)的触变阈值。相比之下，用于实施例9-12的改性ABS材料在280°C的液化器峰值温度时具有约3.9兆帕(约560psi)的触变阈值。而且，对于300。C的液化器峰值温度(该温度为挤出用于实施例9-12的改性ABS材料所希望的温度)，改性ABS材料具有约3.0兆帕(约430psi)的触变阈值。因此，与标准ABS共聚物相比，改性ABS材料流动特性接近牛顿性流动(Newtonianflow)。表现出牛顿性流动的材料将展现出线性挤出行程形状，并与y轴在零驱动压力处交叉(即，没有触变阈值)。由于几个因素，如液化器中的润湿环形室(wettingdoughnuts)更接近构造顶端、构成材料在液化器中更长时间内为固态、以及剪切层被推动为更靠近液化器壁，使得图8所示的挤出行程形状表现出指数趋向。从定量上说，在280°C的液化器峰值温度，改性ABS材料具有小于标准的ABS共聚物的触变阈值的约60%的触变阈值。此外，当比较适合于挤出材料的温度时(即，标准的ABS共聚物的280。C，以及改性ABS材料的300°C)，改性ABS材料具有小于标准的ABS共聚物的触变阈值的约50%的触变阈值。同样，与改性ABS材料相比，挤出头将需要产生大于两倍的静态驱动压力来启动标准的ABS共聚物的挤出流动。因此，在上述操作条件下采用改性ABS材料改善了挤出工艺的响应时间，由此增强了构造3D物体时的沉积精确度。虽然已经参照较佳实施例描述了本发明，本领域技术人员将会认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面进行各种修改。权利要求1.一种采用基于挤压的分层沉积系统构造三维物体的方法，该方法包括将改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料的丝状体送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头，当以16.4微升/秒的挤出速率从标准形状的液化器中在最大液化器温度挤出时，改性ABS材料需要约6.9兆帕或更小的驱动压力；在挤出头中熔化所送入的改性ABS材料；以及以逐层的方式沉积所熔化的改性ABS材料，以形成三维物体。2.根据权利要求1所述的方法，其中所需要的驱动压力约为5.2兆帕或更小。3.根据权利要求1所述的方法，其中改性ABS材料包括甲基丙烯酸甲酯。4.根据权利要求1所述的方法，其中在挤出头中熔化所送入改性ABS材料包括在约300°C至约340°C范围的峰值温度熔化所送入的改性ABS材料。5.根据权利要求4所述的方法，其中峰值温度范围为约300°C至约320oC。6.根据权利要求4所述的方法，其中三维物体包括具有至少一个约3.0毫米或更小的横截面尺寸的多层部件。7.根据权利要求1所述的方法，其中所沉积的改性ABS材料基本上不会热降解。8.根据权利要求1所述的方法，其中在相同的条件下挤出时，所熔化改性ABS材料具有小于标准的ABS共聚物的触变阈值的触变阈值。9.一种采用基于挤压的分层沉积系统构造三维物体的方法，该方法包括将改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头；在约300°C至约340°C范围的峰值温度，在挤出头内熔化所送入的改性ABS材料；从挤出头挤出熔化的改性ABS材料；以及以逐层的方式沉积熔化的改性ABS材料，以构造三维物体，其中三维物体中的熔化的改性ABS材料基本上不会热降解。10.根据权利要求9所述的方法，其中峰值温度范围为约300。C至约320oCo11.根据权利要求9所述的方法，其中改性ABS材料包括甲基丙烯酸甲酯。12.根据权利要求9所述的方法，其中熔化的改性ABS材料沉积在基于挤压的分层沉积系统的构造腔中，构造腔具有约70°C至约105°C范围的环境温度。13.根据权利要求12所述的方法，其中构造腔的环境温度的范围为约80°C至约95°C。14.根据权利要求9所述的方法，其中三维物体包括具有至少一个约3.0毫米或更小的横截面尺寸的多层部件。15.—种采用基于挤压的分层沉积系统构造三维物体的方法，该方法包括将改性丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头；在峰值温度，在挤出头内熔化所送入的改性ABS材料，其中该峰值温度为改性ABS材料提供了约为在该峰值温度熔化的标准的ABS共聚物的触变阈值的60%或更小的触变阈值；从挤出头挤出熔化的改性ABS材料；以及以逐层的方式沉积熔化的改性ABS材料，以构造三维物体。16.根据权利要求15所述的方法，其中改性ABS材料包括甲基丙烯酸甲酯。17.根据权利要求15所述的方法，其中三维物体包括具有至少一个约3.0毫米或更小的横截面尺寸的多层部件。18.根据权利要求15所述的方法，其中所沉积的改性ABS材料基本上不会热降解。19.根据权利要求15所述的方法，其中熔化的改性ABS材料沉积在基于挤压的分层沉积系统的构造腔中，构造腔具有约70°C至105°C范围的环境温度。20.根据权利要求19所述的方法，其中构造腔的环境温度的范围为约80°C至约95°C。全文摘要一种采用基于挤压的分层沉积系统构造3D物体(18)的方法，包括将改性ABS材料送入基于挤压的分层沉积系统的挤出头(12)，在改善挤出头(12)的响应时间的条件下，在挤出头(12)中熔化所送入的改性ABS材料，以及以逐层的方式沉积所熔化的改性ABS材料，以形成3D物体(18)。文档编号B29C45/14GK101641199SQ200880008204公开日2010年2月3日申请日期2008年2月15日优先权日2007年3月14日发明者保罗·E·霍普金申请人:斯特拉塔西斯公司