通过热挤压进行增材制造的方法与流程

本发明涉及增材制造的，并且更具体地，涉及一种通过热挤压进行增材制造的方法。

背景技术：

1、增材制造，也称为三维(3d)打印，旨在通过计算机辅助设计模型构建三维物体。

2、换言之，3d打印技术由受控的机器人过程组成，从而通过3d计算机设计程序cad或者从某些在线服务下载3d平台来逐层构建产品。

3、在该技术领域，挤压式3d打印(也称为由挤压的增材制造)被认为是最容易开发的。

4、这种技术主要涉及一个沿表面移动的圆筒(即注射器)，通过喷嘴挤出材料。通过将圆筒引导在3d模型预定的位置，进行连续的层沉积。

5、这种基于注射器的挤压式打印机通常使用高粘度的食品浆料。食品油墨通过模具或打印头挤出，并且被预期具有允许垂直装配的粘度/机械性能(自支撑浆料)。油墨还必须适合挤压，并且在表面沉积时必须保持自支撑能力。

6、特别地，通过挤压进行的增材制造可以包括“冷挤压”，其中打印油墨需要具有足够低的粘度以推进打印模具(通常直径较小，如1-3mm)，但也足够坚固以允许在垂直方向上通过连续层构建物体。

7、由挤压的增材制造还由“热挤压”组成，其中原理是将材料熔化通过打印模具(或打印喷嘴)，使材料在沉积时处于凝胶状态(熔化但非液态)。之后，材料在打印平台上凝固。

8、然而，由于高粘度，大多数打印组合物在用于3d打印机的传统泵送系统(通常为注射器类型)中无法通过狭窄的打印模具轻松循环。

9、同时，在低粘度的情况下，凝胶会不够牢固而无法在垂直方向上构建物体，或者在最终回到环境温度后，最终打印的项目会具有低机械阻力并且缺乏光滑度(沉积油墨的表面质量)。

10、为了克服这些缺点，一种解决方案是使用一种包含水性打印基质的可打印组合物，在该基质中分散有非糊化的淀粉颗粒。

11、的确，非糊化的淀粉颗粒只在打印步骤中经历加热和糊化。在沉积为一层后，可打印组合物由于自然冷却(有利地，在打印机的环境中)而凝固。

12、然而，在传统淀粉类打印油墨的情况下，热挤压技术在质量流量以及然后打印速度方面受到限制。

13、的确，要使含有非糊化的淀粉颗粒的油墨完全糊化，需要在喷嘴中停留较长时间。

14、因此，任何可以提高这种打印油墨中所述淀粉的糊化性能和/或糊化动力学，以提高打印速度的解决方案都会引起极大的兴趣。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的该缺点，本发明提供了一种通过热挤压进行增材制造的新方法。

2、更具体地，本发明涉及一种通过热挤压进行增材制造的方法，其中所述增材制造的方法包括以下连续步骤：

3、-提供步骤，其中提供可打印组合物，

4、所述可打印组合物包括水性打印基质，在该基质中分散有非糊化的淀粉颗粒，

5、其中所述非糊化的淀粉颗粒具有优选低于70℃的糊化温度，

6、-打印步骤，其中所述可打印组合物经受热处理并且逐层沉积。

7、根据本发明，在所述打印步骤期间，所述可打印组合物会连续经受两种不同的加热温度：

8、-低于所述糊化温度的储存加热温度，优选低于所述糊化温度20℃至10℃，以便加热所述可打印组合物而不使所述非糊化的淀粉颗粒糊化，以及

9、-高于所述糊化温度的打印加热温度，优选高于所述糊化温度20℃至50℃，以便使所述层中的非糊化的淀粉颗粒糊化。

10、因此，本发明利用可打印组合物在一段时间内的转化来进行打印并获得打印物品。

11、特别地，储存加热温度(旨在加热所述可打印组合物而不使所述非糊化的淀粉颗粒糊化)主要旨在通过缩短在喷嘴中的停留时间来提高打印速度。这项技术也很有趣，因为它允许降低水性打印基质的粘度，并因此提高被挤出的能力。

12、的确，非糊化的淀粉颗粒仅在打印步骤中被预热并经历糊化。

13、非糊化的淀粉颗粒中含有的生物聚合物分散在可打印组合物中；由于在打印模具的狭窄通道中施加剪切力，有利地改善了分散性。

14、沉积后，可打印组合物由于自然冷却(有利地，在打印机的环境中)而凝固。

15、在优选的实施方式中，在自然冷却期间，从嵌入可打印组合物的淀粉颗粒中分散的生物聚合物(有利地，支链淀粉和直链淀粉)会经历老化(支链淀粉重结晶)和结晶(对于直链淀粉)，从而增加可打印组合物的硬度。

16、因此，在逐层沉积时将获得坚固的凝胶，从而构建比传统冷挤压打印质量更好的打印物体并且更能形成垂直物体。

17、换言之，本方法的优势是获得可以在用于3d打印机的传统泵送系统(注射器)中通过狭窄的打印模具进行循环的可打印组合物。同时，在最终回到环境温度后，最终打印的项目将具有更高的机械阻力和光滑度(沉积油墨的表面的质量)。

18、因此，未糊化的淀粉颗粒在该过程由于打印和加热温度而糊化，并且作为添加剂改善打印物体的质地。

19、根据本发明的工艺的其他非限制性和有利特征，单独或以任何技术上可能的组合进行，如下：

20、-所述方法用增材制造装置实现，该增材制造装置包括储存外壳(旨在容纳所述可打印组合物)、喷嘴和加热装置，其中所述储存外壳和所述喷嘴包括单独的加热装置，并且所述增材制造装置还包括控制装置(设计为在不同温度下控制所述加热装置)，根据所述打印加热温度的所述喷嘴的温度设定点大于根据所述储存加热温度的储存外壳的温度设定点；

21、-所述非糊化的淀粉颗粒包括通过天然淀粉颗粒的改性获得的非糊化的改性淀粉颗粒，其中所述非糊化的改性淀粉颗粒的胶凝(gelation)能力高于所述天然淀粉颗粒的胶凝能力；有利地，所述胶凝能力在于由所述未糊化的淀粉颗粒产生的水胶体组织自身以形成三维结构、从而产生更强的水凝胶的潜力，其中所述胶凝能力优选在于凝胶固化能力，并且其中所述非糊化的改性淀粉颗粒的所述凝胶固化能力是所述天然淀粉颗粒的凝胶固化能力的至少4倍高。

22、-非糊化的淀粉颗粒选自从木薯获得的淀粉颗粒，优选非糊化的改性木薯淀粉颗粒，其胶凝能力高于天然木薯淀粉颗粒的胶凝能力；

23、-非糊化的改性淀粉颗粒由通过干热处理(dht)或通过臭氧氧化处理非糊化的天然淀粉颗粒组成；

24、-可打印组合物包括按重量计1％至10％的非糊化的淀粉颗粒；

25、-水性打印基质选自水凝胶，有利地选自淀粉水凝胶，有利地选自热可逆水凝胶；

26、-提供步骤包括制造可打印组合物的步骤，即制造步骤(其中制造所述水性打印基质)和分散步骤(其中将所述非糊化的淀粉颗粒分散在所述水性打印基质内)。

27、本发明还涉及一种用于根据本发明的增材制造方法的可打印组合物，包括

28、-水性打印基质，和

29、-分散在或旨在分散在所述水性打印基质中的非糊化的淀粉颗粒，

30、其中所述非糊化的淀粉颗粒包括通过天然淀粉颗粒的改性获得的非糊化的改性淀粉颗粒，

31、其中所述非糊化的改性淀粉颗粒的胶凝能力高于所述天然淀粉颗粒的胶凝能力。

32、本发明还涉及可打印组合物在通过热挤压进行增材制造的方法中的用途，

33、其中所述可打印组合物包括其中分散有非糊化的淀粉颗粒的水性打印基质，

34、其中所述非糊化的淀粉颗粒包括通过天然淀粉颗粒的改性获得的非糊化的改性淀粉颗粒，

35、其中所述非糊化的改性淀粉颗粒的胶凝能力高于所述天然淀粉颗粒的胶凝能力。

36、此外，本发明涉及一种用于根据本发明的增材制造的方法的增材制造装置，

37、该增材制造装置包括：

38、-旨在容纳所述可打印组合物的储存外壳，

39、-喷嘴，和

40、-加热装置，

41、其中所述储存外壳和所述喷嘴包括单独的加热装置，

42、并且所述增材制造装置还包括控制装置(设计为在不同的温度下控制所述加热装置)其中所述喷嘴的温度设定点大于储存外壳的温度设定点。

43、有利地，所述储存外壳的长度是所述喷嘴的1至3倍长，优选2至3倍长，并且优选2.2至2.5倍长，有利地是与所述储存外壳和所述喷嘴的直径无关。

44、增材制造装置还优选包括：

45、-安装在储存外壳中的压力传感器，和/或

46、-光学捕获工具，用于测量模具膨胀现象并且通过作用于增材制造装置的体积流量来控制它。

47、当然，只要它们并非不相容或相互排斥，本发明的不同特征、变体和实施方式可以以各种组合相互关联。