使用电子束对增材制造部件进行后固化的方法
阅读说明：本技术 使用电子束对增材制造部件进行后固化的方法 (Method for post-curing an additive manufactured part using an electron beam ) 是由 克里斯托弗·迈克尔·舒伯特 马克·爱德华·尼科尔斯 李正琪 于 2019-01-09 设计创作，主要内容包括：一种形成部件(50)的方法包括3D打印可光聚合树脂并且形成预成型部件,随后用电子束(127)对预成型部件(50)进行后固化。可以通过紫外线固化来固化预成型部件。用电子束后固化的预成型部件的一部分可以具有至少1.0厘米的厚度,例如具有至少2.0厘米或至少3.0厘米的厚度。对预成型部件进行后固化的电子束剂量可以在10千戈瑞(kGy)和100kGy之间。可以使用立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)和材料喷射(MJ)3D打印预成型部件,并且可光聚合树脂可以包括丙烯酸酯官能聚合物和甲基丙烯酸酯官能聚合物中的至少一种。在替代方案中,或除此之外,可光聚合树脂可以包括氨基甲酸酯、聚酯和聚醚中的至少一种。(A method of forming a part (50) includes 3D printing a photopolymerizable resin and forming a preform part, followed by post-curing the preform part (50) with an electron beam (127). The pre-formed part may be cured by ultraviolet curing. A portion of the pre-formed part that is post-cured with an electron beam may have a thickness of at least 1.0cm, for example at least 2.0cm or at least 3.0 cm. The electron beam dose to post cure the preform component may be between 10 kilograys (kGy) and 100 kGy. The preform component may be 3D printed using Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP), and Material Jetting (MJ), and the photopolymerizable resin may include at least one of an acrylate functional polymer and a methacrylate functional polymer. In the alternative, or in addition, the photopolymerizable resin may include at least one of urethane, polyester, and polyether.)
技术领域
本发明涉及增材制造，以及尤其涉及通过增材制造形成的部件的后固化。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且不构成现有技术。
增材制造(AM)(在本文中也称为“3D打印”)是一种制造技术，其用于通过材料的顺序沉积和固化来生产部件，使得部件在给定方向(通常称作“z-方向”)上逐渐组装。紫外线(UV)固化树脂用于形成聚合物AM部件。当暴露在特定波长的紫外光线下时，紫外线固化树脂通过自由基反应聚合。此外，一旦去除紫外光线，树脂的固化就会停止，并且通常需要进行后处理或后固化以提高AM部件的“生坯强度”。后固化技术包括额外的紫外光固化和热固化。额外的紫外光固化要求AM部件足够薄，以便光线能够穿透AM部件的整个体积，而热固化需要将昂贵的热活化交联添加剂加入到紫外线固化树脂中。此外，(例如，≥1.0cm的)厚截面的热固化需要延长的固化时间(例如，≥1小时)并且如果最终聚合物的玻璃化转变温度(Tg)接近后固化温度，则可能会对AM部件的尺寸稳定性产生负面影响。
本发明解决了后固化的AM部件的问题以及与使用需要后固化的材料的AM有关的其他问题。
发明内容
本节提供了本发明的一般概述，并不是对其全部范围或所有特征的全面公开。
在本发明的一种形式中，形成部件的方法包括3D打印可光聚合树脂并且形成预成型部件，以及随后用电子束对预成型部件进行后固化。在本发明的一些方面，形成预成型部件包括紫外线固化并且用电子束后固化的预成型部件的一部分具有至少1.0厘米、例如至少2.0厘米或至少3.0厘米的厚度。用于后固化预成型部件的电子束的电子束剂量在10千戈瑞(kGy)和100kGy之间。可以使用立体光刻(SLA)、数字光处理(DLP)和材料喷射(MJ)3D打印预成型部件，并且可光聚合树脂可以包括丙烯酸酯官能聚合物和甲基丙烯酸酯官能聚合物中的至少一种。在替代方案中，或除此之外，可光聚合树脂可以包括氨基甲酸酯、聚酯和聚醚中的至少一种。
在本发明的一些方面，预成型部件具有多个部分并且多个部分中的每一个具有至少1.0厘米的厚度。在这样的方面，多个部分可以彼此不平行地定向。此外，预成型部件在被电子束辐照时可以旋转也可以不旋转。
在本发明的一些方面，该方法包括使预成型部件通过电子束固化腔室，在该电子束固化腔室中用电子束对预成型部件进行后固化。此外，预成型部件用电子束进行后固化，无需额外加热预成型部件。
在本发明的另一形式中，后固化多个3D打印的预成型部件的方法包括3D打印可光聚合树脂和形成多个预成型部件。多个预成型部件移动通过电子束腔室并且通过电子束辐照被后固化。在本发明的一些方面，多个预成型部件具有多个部分并且多个部分中的至少一个具有至少1.0厘米的厚度。
在本发明的又一种形式中，后固化多个3D打印的预成型部件的方法包括使用3D打印可光聚合树脂，使用紫外线固化并且形成多个预成型部件。多个预成型部件的第一子集与多个预成型部件的第二子集具有不同的形状。而且，每个多个预成型部件都具有至少一个尺寸等于或大于1.0厘米的部分。多个预成型部件移动通过电子束固化腔室，在该电子束固化腔室中用电子束辐照预成型部件的第一子集和预成型部件的第二子集。在本发明的一些方面，用电子束以第一时间周期辐照预成型部件的每个第一子集，以及用电子束以等于第一时间周期的第二时间周期辐照预成型部件的每个第二子集。也就是，用电子束以相同的时间周期辐照预成型部件的第一子集和预成型部件的第二子集。在这样的方面，来自电子束的剂量对于预成型部件的第一子集和预成型部件的第二组可以相同或不同。在本发明的其他方面，用电子束以第一剂量辐照预成型部件的每个第一子集，以及用电子束以等于第一剂量的第二剂量辐照预成型部件的每个第二子集。也就是，用相同的剂量辐照预成型部件的第一子集和预成型部件的第二子集。在这些方面，电子束的辐照时间对于预成型部件的第一子集和预成型部件的第二子集可以相同也可以不同。
进一步的应用领域将从本文提供的描述中变得明显。应当理解，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不用于限制本发明的范围。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将通过示例的方式描述其各种形式，并参考附图，其中：
图1示意性地描绘了根据本发明的教导的用于3D打印和后固化预成型部件的方法；
图2示意性地描绘了根据本发明的教导的用于3D打印和后固化多个预成型部件的方法；
图3示意性地描绘了根据本发明的教导的用于3D打印和后固化多个预成型部件的方法；
图4示意性地描绘了通过根据本发明的教导的方法形成的示例性3D打印部件；
图5示意性地描绘了通过根据本发明的教导的方法形成的另一示例性3D打印部件；
图6是根据本发明的教导的3D打印和后固化预成型部件的方法的流程图；以及
图7是根据本发明的教导的3D打印和后固化多个预成型部件的方法的流程图。
在此描述的附图仅用于说明的目的并且不旨在以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下说明本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。提供示例以向本领域技术人员充分传达本发明的范围。阐述了许多特定细节，例如特定组件、设备和方法的类型，以提供对本发明的变体的透彻理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节并且本文提供的示例可以包括替代实施例并且不旨在限制本发明的范围。在一些示例中，不对众所周知的工艺、众所周知的设备结构和众所周知的技术进行说明。
现在参考图1，示意性地描绘了根据本发明教导的3D打印预成型部件和后固化3D打印的预成型部件的方法10。方法10包括在包含3D打印机102的3D打印站100处3D打印预成型部件50(本文也简称为“部件50”)并且在后固化站120处对部件50进行后固化以提供后固化部件60。在本发明的一些方面，后固化部件60被完全固化。如本文所用，短语“完全固化”是指用于形成部件的材料内的充分交联，使得后固化部件具有用于给定的应用或用途的预定特性(例如，机械特性、蒸汽排放特性、耐溶剂特性等。)。在本发明的一些方面，部件50由可光聚合树脂51形成。在这些方面，可光聚合树脂51可以是在3D打印站100处3D打印部件50期间用紫外光104进行紫外线固化的紫外线固化树脂51。
仍参考图1，部件50在后固化站120处由从电子束源126产生并传播的电子束127后固化。电子束源126在腔室122内。应当理解，电子束中的电子使紫外线固化树脂51中的分子电离，从而产生与其他分子(与自由基)交联的自由基，使得部件50发生额外固化并且提供后固化部件60。还应当理解，电子束127穿透到部件50中不受紫外线固化树脂51的不透明性的限制，并且部件50的厚的部分可以用电子束127进行后固化。在本发明的一些方面中，尺寸等于或大于1.0厘米(cm)(即，h和/或w≥1.0cm)的部件50的部分可以用电子束进行后固化。例如，可以调节电子束127的能量(MeV)，使得电子束穿透到3D打印部件中使得尺寸大于2.0cm或大于3.0cm的部分能够根据本发明的教导进行后固化。在本发明的一些方面，部件50的一个或多个部分具有在1.0cm和2.0cm之间、在2.0cm和3.0cm之间、在3.0cm和4.0cm之间、或者在4.0cm和5.0cm之间的尺寸。然而，在本发明的其他方面，部件50的一个或多个部分具有小于1.0cm的尺寸，例如，在1.0cm和0.75cm之间、在0.75cm和0.50cm之间、在0.50cm和0.25cm之间、或者在0.25cm和0.1cm之间。应当理解，虽然可以根据用于形成部件50的紫外光树脂51使用紫外线辐射完全固化具有更薄尺寸(例如，尺寸小于0.25cm)的部分，但电子束127完全固化紫外光树脂51的时间比紫外线固化或热固化的时间短。也就是，部件50的电子束固化将完全固化部件50的时间减少至少50％，例如，至少60％，至少70％，至少80％，或至少90％。
腔室122具有可以在后固化期间提供围绕部件50的惰性气氛的内部124。或者，腔室122的内部124可以在部件50的后固化期间提供含氧气氛(例如，空气)。例如，部件50在3D打印站100处的紫外光固化提供了通常非多孔表面52使得阻滞氧气渗透到部件52中。因此，防止了在后固化期间可能改变部件50的内部的紫外线固化树脂51的性质或影响紫外线固化树脂51的交联的氧的电离并且不需要惰性气氛。
在本发明的一些方面，部件50具有在部件50的后固化期间和之后保持的形状和尺寸。例如并且如图1示意性所示，部件50具有宽度‘w’和高度‘h’，以及后固化部件60具有相同的宽度‘w’和高度‘h’。在本发明的一些方面，紫外线固化树脂51在3D打印站100处的紫外线固化为部件50提供形状稳定性，使得部件50可以移动到后固化站120而不改变其形状和/或尺寸，并且在后固化站120用电子束127对部件50进行后固化为后固化部件60提供结构和/或化学稳定性，使得后固化部件60可用于其预期目的。
现在参考图2，示意性地描绘了根据本发明的教导的3D打印和后固化多个3D打印部件的方法20。方法20包括在包含3D打印机202的3D打印站200处3D打印多个部件50并且在后固化站220处后固化多个部件50以提供多个后固化部件60。在本发明的一些方面，后固化部件60被完全固化。部件50可由紫外线固化树脂51形成，并且在3D打印站200处在部件50的3D打印期间，用紫外光204对紫外线固化树脂51进行紫外线固化。
仍参考图2，部件50经由传送带210以恒定速度(也就是传送带210提供恒定线速度)移动通过后固化站220并且在后固化站220处通过从电子束源226产生和传播的电子束227被后固化。应当理解，在本发明的一些方面，部件50具有在部件50的后固化期间和后固化之后保持的形状和尺寸。例如，并且如图示意性所示，部件50具有宽度‘w’和高度‘h’，以及后固化部件60具有相同的宽度‘w’和高度‘h’。腔室222具有内部224，其可在后固化期间提供围绕(屏蔽)部件50的惰性气氛。或者，腔室222的内部224可以在部件50的后固化期间提供含氧气氛(例如，空气)。
在本发明的一些方面，紫外线固化树脂51在3D打印站200处的紫外线固化为部件50提供形状稳定性，使得部件50可以移动到后固化站220而不改变它们的形状和/或尺寸，以及在后固化站220处用电子束227对部件50进行后固化为后固化部件60提供结构和/或化学稳定性，使得后固化部件60可用于其预期目的。
虽然图2示意性地描绘了具有相同形状和尺寸的部件50，应当理解，根据本发明的教导可以对具有不同形状和尺寸的3D打印部件进行后固化。例如，并参考图3，示意性地描绘了根据本发明的教导的3D打印和后固化多个具有不同形状和尺寸的3D打印部件的方法30。方法30包括在3D打印站200处3D打印多个具有不同形状和尺寸的部件52并且在后固化站220处后固化多个部件52，以提供多个后固化部件62。在本发明的一些方面，后固化部件62被完全固化。而且，部件52可由紫外线固化树脂51形成，并且在3D打印站200处在部件52的3D打印期间，用紫外光204对紫外线固化树脂51进行紫外线固化。
在本发明的一些方面，部件52经由传送带210以恒定速度移动通过后固化站220。在这些方面，电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量在每个部件52的后固化期间可以是恒定的或可以不是恒定的。例如，电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量可以随着部件52以恒定线速度移动通过后固化站220而被调整。在替代方案中，当部件52以恒定线速度移动通过后固化站220时，电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量可以是恒定的。在本发明的其他方面，电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量是恒定的并且随着部件52经由传送带210移动通过后固化站220而调节线速度。例如，当具有相对较厚的部分的部件52移动通过后固化站220时，可以降低传送带210的线速度。
虽然图2和3示意性地描绘了形成分别在后固化站120、220处被后固化的多个部件50、52的单个3D打印机102、202，应当理解，可以使用多于一个3D打印机以形成在单个后固化站处被后固化的多个部件。还应当理解，可以使用多于一个后固化站对来自单个3D打印机的多个部件进行后固化。
现在参考图4和图5，示意性地描绘了根据本发明的教导的用电子束后固化的3D打印部件的非限制性示例。特别地，在图4中示意性地描绘了齿轮60，以及在图5中示意性地描绘了多边形支架70。齿轮60(图4)具有厚度‘t’和径向厚度‘ro’。在本发明的一些方面，厚度t和/或径向厚度ro可以在1.0cm和2.0cm之间、在2.0cm和3.0cm之间、在3.0cm和4.0cm之间，或在4.0cm和5.0cm之间。多边形支架70具有三个部分，也就是，厚度为‘t1’并且宽度为‘w1’的第一部分71、厚度为‘t2’并且宽度为‘w2’的第二部分72、以及厚度为‘t3’并且宽度为‘w3’的第三部分73。而且，第二部分72与第一部分71间隔开。在本发明的一些方面，第一部分71的t1和/或w1、第二部分72的t2和/或w2，和/或第三部分73的t3和/或w3可以在1.0cm和2.0cm之间、在2.0cm和3.0cm之间、在3.0cm和4.0cm之间、或在4.0cm和5.0cm之间。然而，电子束227的穿透使后固化腔室220能够在几秒的时间内对诸如齿轮60和多边形支架70的部件进行后固化，这与需要几分钟和几小时时间周期的此类部件的热固化相反。特别地，在本发明的一些方面，根据本发明的教导，在少于60秒内，例如，少于45秒或少于30秒内，用电子束对具有厚的部分(也就是，厚度在1.0cm和5.0cm之间的部分)的预成型3D打印部件进行后固化。相比之下，热固化具有厚的部分的预成型3D打印部件需要一小时或更长时间。此外，应当理解，取决于用于形成特定部件的紫外线树脂，虽然可以使用紫外线辐射对尺寸较薄(例如，尺寸小于0.25cm)的部分完全固化，与紫外线固化或热固化相比，电子束完全固化紫外线树脂的时间更少。也就是，部件的电子束固化，即使是薄的部分的部件(例如，厚度小于0.25cm)，将完全固化部件50的时间减少至少50％，例如至少60％、至少70％、至少80％者或至少90％。
如上所述，在本发明的一些方面中，电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量是恒定的并且根据给定部件52的形状和尺寸来改变部件52通过腔室222的移动速率(也就是，线速度)。在本发明的其他方面，部件52通过腔室222的移动速率是恒定的，并且根据给定部件52的形状和尺寸来改变电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量。在其他方面，部件52的尺寸和形状使得向后固化部件62提供的电子束227的能量和/或由电子束227提供的剂量是恒定的，以及向后固化部件62提供的部件52通过腔室222的移动速率是恒定的。
现在参考图6，在附图标记80处示意性地描绘了后固化3D预成型部件的方法的流程图。方法80包括在步骤82处提供3D打印预成型部件和在步骤84处用电子束后固化3D打印预成型部件。
现在参考图7，在附图标记90处示意性地描绘了后固化多个3D预成型部件的方法的流程图。方法90包括在步骤92处由可光聚合树脂(例如，紫外线固化树脂)3D打印多个预成型部件，并且在步骤94处使多个预成型部件移动通过电子束腔室。在步骤96处，在电子腔室中用电子束辐照多个预成型部件并进行后固化。
尽管术语第一、第二、第三等可用于描述各种元件、组件、区域、部分和/或时间段，但这些元件、组件、区域、部分和/或时间段不应受这些术语的限制。这些术语可能仅用于将一个元件、组件、区域、部分和/或时间段与另一元元件、组件、区域、层和/或部分区分开来。除非上下文明确指出，否则本文使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语不暗示序列或顺序。因此，在不脱离示例形式的教导的情况下，第一元件、组件、区域、层和/或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层和/或部分。此外，元件、组件、区域、层和/或部分可以被称为“第二”元件、组件、区域、层和/或部分，而无需将元件、组件、区域、层和/或部分称为“第一”元件、组件、区域、层和/或部分。
如本文所用，短语A、B和C中的至少一个应被解释为表示逻辑(A或者B或者C)，使用非排它性逻辑或，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个。
除非另有明确说明，所有表示机械/热性能、组成百分比、尺寸和/或公差或其他特性的数值都应理解为在描述“大约”或“大概”的范围时被修饰本发明。出于各种原因，包括工业实践、制造技术和测试能力，需要进行这种修饰。
本文中使用的术语仅用于描述特定示例形式的目的，并不旨在进行限制。单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也可旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”和“具有”是包容性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征(整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组)的存在或添加。除非被明确标识为执行顺序，否则不应将本文描述的方法步骤、过程和操作解释为必然要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明的实质的示例旨在包含在本发明的范围内。此类示例不应被视为背离本发明的精神和范围。本发明的广泛教导可以以多种形式实施。因此，虽然本发明包括特定示例，但本发明的真实范围不应受到如此限制，因为通过研究附图、说明书和以下权利要求，其他修改将变得显而易见。