[發明專利]壓電復合長絲及其在增材制造中的用途

在審

• 申請號: 202210266346.0
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN115109406A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: S·J·維拉;朱昱潔
• 申請（專利權）人: 施樂公司
• 主分類號: C08L77/02
• 分類號: C08L77/02;C08K3/24;C08L67/04;C08L27/16;C08L53/02;B29C64/118;B29C48/05;B33Y70/10;B33Y10/00
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 周志明;郭丹

本發明題為“壓電復合長絲及其在增材制造中的用途”。通過增材制造制得的零件本質上通常是結構性的，而并非具有由聚合物或其它組成部分傳遞的功能特性。可以使用包含分散在熱塑性聚合物中的多個壓電微粒的復合長絲來形成具有壓電特性的打印零件。該復合長絲能夠通過熔融共混和擠出來形成。該復合長絲能夠與熔絲制造相容并具有能夠與熔絲制造相容的長度和直徑，并且該壓電微粒基本上是非團聚的并沿著該復合長絲的長度分散。該壓電微粒在通過熔融共混分散在該熱塑性聚合物中時能夠保持基本上是非團聚的。增材制造方法能夠包括以等于或高于此類復合長絲的熔點或軟化溫度的溫度加熱此類復合長絲以形成軟化的復合材料，以及逐層沉積該軟化的復合材料以形成打印零件。

技術領域

本公開一般涉及增材制造，并且更具體地涉及利用能夠形成表現出壓電特性的打印零件的復合材料及其長絲的增材制造方法。

背景技術

增材制造，也稱為三維(3D)打印，是快速增長的技術領域。雖然增材制造傳統上用于快速原型制作活動，但是該技術正被越來越多地用于生產具有任何數量的復雜形狀的商業零件和工業零件。增材制造方法通常通過逐層構建物體來操作，例如，通過：1)從連續長絲獲得的熔融打印材料的料流的沉積，或2)使用激光燒結打印材料的粉末顆粒。逐層沉積通常在計算機的控制下進行，以基于待制造零件的數字三維“藍圖”將打印材料沉積在精確位置，其中打印材料的固結與沉積結合進行以形成打印零件。形成打印零件的主體的打印材料在本文中可被稱為“構建材料”。

采用熔融打印材料流來形成零件的增材制造方法通常利用熱塑性聚合物長絲作為熔融打印材料的來源。此類增材制造方法有時被稱為“熔融沉積成型”或“熔絲制造”方法。在本文中使用了后一術語。采用熱塑性球劑作為打印材料源的增材制造方法也是已知的。

采用打印材料的粉末顆粒的增材制造方法通常在打印材料沉積之后在顆粒床的所選擇的位置執行直接加熱以促進粉末顆粒局部聚結成固結零件。適用于促進粉末顆粒固結以形成固結零件的技術包括例如粉末床融合(PBF)、選擇性激光燒結(SLS)、電子束熔融(EBM)、粘結劑噴射和多射流熔融(MJF)。

可使用這兩種類型的增材制造方法來制造具有各種形狀的各種零件。在許多情況下，在這兩種類型的增材制造方法中采用的構建材料本質上可以在很大程度上是結構性的，而并非是本身具有先天功能性的聚合物。一個例外是壓電功能性，其可以在由包含聚偏二氟乙烯的長絲形成的打印物體中表現出來，聚偏二氟乙烯是具有先天壓電特性的聚合物。壓電材料在機械應變下生成電荷，或者相反地，當向其施加電勢時發生機械應變。壓電材料的潛在應用包括感測、切換、致動和能量收集。

盡管期望形成具有壓電特性的打印零件，但目前僅存在有限的選項來這樣做。聚偏二氟乙烯長絲是當前適用于生產具有壓電特性的打印零件的唯一可商購獲得的長絲。雖然聚偏二氟乙烯在許多情況下可以適當地形成打印零件，但是壓電聚合物的范圍原本是相當有限的，并且一些替代聚合物不適用于形成適用于熔絲制造的長絲。這些缺點可能會限制打印壓電零件可以暴露于其下的條件的廣度，并且可能會限制可從其獲得的功能性。此外，與其它類型的壓電材料相比，聚偏二氟乙烯的壓電性相當低。具有高壓電性的許多陶瓷材料是可獲得的，但它們本身是不可打印的并且通常非常易碎。此外，在沉積(主要為)壓電陶瓷之后可能需要高的燒結溫度(300℃)來促進零件固結。聚合物和陶瓷壓電材料的摻加物在固結零件中尚未實現高壓電性能。

發明內容

本公開提供了適用于熔絲制造的復合長絲。該復合長絲包含：熱塑性聚合物以及與該熱塑性聚合物熔融共混的多個壓電微粒；其中該壓電微粒基本上是非團聚的并且以足夠的量存在，使得該復合長絲能夠被打印為單層薄膜，如使用APC國際寬范圍d₃₃測量儀所測量的，該單層薄膜在極化之后在約200微米的膜厚度下具有約1pC/N或更大的d₃₃值。任選地，該壓電微粒可以均勻地分布在該熱塑性聚合物中。