基于聚合物的模具和其制造方法
【專利說明】基于聚合物的模具和其制造方法 WW] 背景
[0002] 注射模制工藝包括將軟化的或液化的材料注射到具有空腔的模具中，所述空腔被 設(shè)計(jì)為期望的最終產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)的倒轉(zhuǎn)的幾何結(jié)構(gòu)。注射的材料在模具中經(jīng)由物理過程 比如熱相轉(zhuǎn)變、或經(jīng)由化學(xué)過程比如交聯(lián)或縮聚被凝固。注射模制工藝伴隨有升高的溫度 和高的應(yīng)力，運(yùn)被需要W用于迅速且有效形成意圖的部分。此外，注射模制工藝通常在大量 生產(chǎn)中被實(shí)施，所W模具不得不在其使用期限期間承受數(shù)千且甚至數(shù)百萬個(gè)循環(huán)。
[0003] 用于注射模制的模具可W由多種材料制造。大部分模具由金屬例如鋼或侶合金制 成。運(yùn)些金屬模具通過不同方法的組合產(chǎn)生，大部分方法是減去的方法，例如計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC)娠磨。減去的方法是成本高的，因此限制運(yùn)些模具對(duì)非常大的生產(chǎn)系列的使用。
[0004] 用于制造用于注射模制的模具的較低成本的生產(chǎn)方法包括使用熱固性聚合物的 =維（3D)打印或3D制造工藝。然而，運(yùn)樣的模具可W呈現(xiàn)相對(duì)于金屬模具的較差的性質(zhì) (比如，模具的較短的壽命周期）化及最終產(chǎn)品的較差的性質(zhì)（比如，尺寸失真或幾何結(jié)構(gòu) 的不精確度）。 陽0化]附圖簡(jiǎn)述
[0006] 被視為本發(fā)明的主題被特別地指出并且在說明書的結(jié)論部分中被明確地要求保 護(hù)。然而，當(dāng)與附圖一起閱讀時(shí)，關(guān)于組織和操作的方法兩者，本發(fā)明與其目的、特征、和優(yōu) 點(diǎn)一起可W通過參考W下詳細(xì)描述被最好地理解，在附圖中：
[0007] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的打印系統(tǒng)的高水平方框圖；
[000引圖2是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案制造的模具的圖示；
[0009] 圖3-6是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的模具部分的圖示；
[0010] 圖7是制造根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的模具的方法的流程圖；并且
[0011] 圖8是制造根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的模具的方法的流程圖。
[0012] 將理解，為了簡(jiǎn)單且清楚闡明，在附圖中示出的元件不一定按比例繪制。例如元件 中的某些的尺寸可W相對(duì)于其他元件被放大W便清楚。進(jìn)一步地，在認(rèn)為合適的情況下，參 考數(shù)字可W在附圖中被重復(fù)W指示相應(yīng)的或類似的元件。
[0013] 詳述
[0014] 在W下詳細(xì)描述中，大量具體的細(xì)節(jié)被陳述W便提供本發(fā)明的完全的理解。然而， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明可W在沒有運(yùn)些具體細(xì)節(jié)下被實(shí)踐。在其他情況下，熟知的 方法、程序、和組分未曾被詳細(xì)地描述，W便不模糊本發(fā)明。
[0015] 本發(fā)明的實(shí)施方案可W設(shè)及使用添加制造（AM)系統(tǒng)，例如S維噴墨打印系統(tǒng)，審U 造用于注射模制的模具。盡管本發(fā)明的實(shí)施方案將關(guān)于選擇性沉積建模（SDM)、固體自由制 造（SF巧或3D打印被描述W便易于解釋，但應(yīng)該意識(shí)到本發(fā)明不限于運(yùn)樣的系統(tǒng)并且可W 在其他AM系統(tǒng)中被使用。
[0016] 在注射模制期間，模具被暴露于升高的溫度、高的壓力和應(yīng)力。因此，運(yùn)樣的模具 可W被要求具有良好的機(jī)械性質(zhì)、高表面質(zhì)量和在升高的溫度下的熱穩(wěn)定性。例如，在某些 注射模制工藝中，烙化的聚合物可W在約400-1600己的高壓、約20-80噸的夾壓下和在約 220°C的溫度下被注射至模具，引起模具自身被保持在高閉合壓力下。在注射之后，在打開 模具之后，高的拉應(yīng)力可W被應(yīng)用在郵鄰注射的部分的模具區(qū)域上。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的模具可W包含兩種不同熱固性或UV固化的聚合物 W改進(jìn)模具耐受設(shè)及注射模制的高溫和高應(yīng)力、同時(shí)保持在材料沉積過程期間模具制造必 需的尺寸精度的能力。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的模具可W包括：第一部分或區(qū)域，其 包含具有低于約80°c、例如低于約70°c、6(rc或55°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度燈g)或熱變形溫 度（皿T)的第一材料；W及第二部分或區(qū)域，其包含具有高于約80°C、例如高于約90°C的 Tg或皿T的第二材料。在添加制造工藝期間，通過UV固化產(chǎn)生的具有低于約80°C的Tg或 皿T的聚合物，可W允許良好的或可接受的尺寸精度，因此由運(yùn)些聚合物制造的物體在沉積 過程之后可W具有精確的尺寸。
[0018] 熱變形溫度（皿T)是材料例如聚合物或塑料樣品在特定的負(fù)載下被彎曲的溫度。 特定的聚合物的皿T通過在ASTMD648中概述的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試被確定。在測(cè)試中，樣本W(wǎng)S點(diǎn) 彎曲在沿邊的方向上在W2°C/min提高的多個(gè)溫度下被負(fù)載。用于測(cè)試的外部纖維應(yīng)力 是0. 455MPa或1. 82MPa。樣本被負(fù)載并且溫度提高直到樣本彎曲了 0. 25mm。玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度在無定形材料（例如聚合物）中是從硬的并且任選地脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成軟化的或彈性的 狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。Tg可W根據(jù)ASTMD4065被測(cè)量，作為E"(損耗模量）峰值溫度。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的某些材料可W具有約相同的Tg和皿T。例如，具有60°C的Tg的材 料可W具有約55°C的皿T，并且具有90°C的Tg的材料可W具有約85°C的皿T。
[0020] 模具的體積的主要部分可W使用具有低于約80°C例如低于約70°c、6(rc或55°C 的Tg和/或皿T的第一材料被添加地制造。第一材料可W是單一建造材料或復(fù)合材料。第 一材料可W被沉積W便獲得尺寸上精確的幾何結(jié)構(gòu)。然而，具有低于約80°C的Tg和/或 皿T的材料如果在將烙化的聚合物注射至模具期間暴露于高溫，可W變形。例如，第一材料 可W具有約40-60°C的Tg和/或皿T。
[0021] 具有高于約80°C(比如，高于約90°C)的Tg和/或的第二材料可W被沉積至第 一材料之上和/或W郵鄰第一材料。第二材料可W具有較小的厚度并且可W占據(jù)比第一材 料更小的模具體積。如果被用作單一建造材料（建模材料），例如在Objet液Eden500?3D 打印機(jī)中，運(yùn)樣的材料如果W高厚度（比如，高于5mm)沉積，可W導(dǎo)致多于3mm的尺寸失 真。然而，因?yàn)榈诙牧峡蒞被沉積使得第一材料形成第二材料的基底，所W沉積的多種元 件的尺寸精度可W被保持并且尺寸失真可W小于3mm，例如小于約1mm。第二材料可W在注 射模制溫度下具有好得多的熱穩(wěn)定性，因此被第二材料覆蓋的模具區(qū)域可W被暴露于被注 射到模具內(nèi)的高溫材料而沒有明顯的幾何結(jié)構(gòu)變形或失真。
[0022] 如本文所使用，如果具有500mmX400mmX200mm的尺寸的沉積的部分的尺寸失 真在任何方向上小于3mm(比如，小于約Imm)，材料可W被認(rèn)為在添加制造工藝期間具有良 好的尺寸精度。第一聚合物可W是第一熱固性或UV固化的聚合物；即，由被沉積W形成第 一區(qū)域的組合物的UV引發(fā)的聚合產(chǎn)生第一聚合物。例如用于化jetEdenSOO3D打印機(jī)的 典型的樹脂組合物可W包含功能單體或低聚體。
[0023] 樹脂組合物可W包含，例如丙締酸單體和/或丙締酸低聚體。丙締酸單體是可 W是例如丙締酸和甲基丙締酸的醋的功能丙締酸化分子。單體可W是單功能的或多功 能的（例如，雙、S、四功能的，W及其他）。用于本發(fā)明的丙締酸單功能單體的實(shí)例是 由SartomerW商標(biāo)名SR-339市售的丙締酸苯氧基乙醋。丙締酸雙功能單體的實(shí)例是由SartomerW商標(biāo)名SR-9003市售的丙氧基化（2)新戊二醇二丙締酸醋。丙締酸低聚體是 可W是例如丙締酸和甲基丙締酸的聚醋的功能丙締酸化分子。丙締酸低聚體的其他實(shí)例是 聚氨醋丙締酸醋和聚氨醋甲基丙締酸醋的類別。聚氨醋丙締酸醋由脂肪族或芳香族或脂環(huán) 族二異氯酸醋或聚異氯酸醋和包含徑基的丙締酸醋制造。一個(gè)實(shí)例是由CognisW商標(biāo)名 Photomer-6010市售的聚氨醋丙締酸醋低聚體。
[0024] 如本文使用的高功能或多功能單體或低聚體是具有多于一個(gè)（比如，雙、S、四功 能的，W及其他）反應(yīng)性基團(tuán)的單體或低聚體，使得當(dāng)被包含在聚合物中時(shí)可W在硬化過 程（比如，固化）期間增強(qiáng)交聯(lián)。交聯(lián)度越高，聚合物的Tg越高?？蒞影響聚合物的Tg的 單體或低聚體的另一性質(zhì)是分子的剛性。分子的剛性越高，Tg越高。
[00巧]模具還可W包括第二部分，所述第二部分包含具有高于約80°C的Tg和/或皿T的 第二材料。包含具有高于約8(TC的Tg和/或皿T的第二材料的第二部分可W沉積在第一 部分之上和/或W水平地郵鄰第一部分、和/或W任選地覆蓋第一部分。在某些實(shí)施方案 中，模具的第二部分區(qū)域被預(yù)期被暴露于高溫和高應(yīng)力。在沉積之后，第二部分可W具有小 于0. 5mm的尺寸失真。第二材料可W是第二熱固性或UV固化的聚合物。第二聚合物可W使 用在均聚時(shí)導(dǎo)致具有高Tg(比如，高于IOCTC)的聚合物的單體或低聚體的組合物被制造， 所述單體或低聚體例如W至少45% (按重量計(jì)，即w/w)的濃度。如本文所使用，全部組成 百分比是按重量計(jì)來自總組合物。
[00%] 用于第二材料的組合物可W包含例如至少45%的多功能單體和/或多功能低聚 體。示例性丙締酸雙功能單體是由SartomerW商標(biāo)名SR-9003市售的丙氧基化（2)新戊 二醇二丙締酸醋。 陽027] 現(xiàn)在參考圖示示例性3D打印系統(tǒng)的高水平方框圖的圖1。3D打印系統(tǒng)可W被用 于制造根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案的注射模制模具。系統(tǒng)10可W包括打印單元或打印塊 20、供應(yīng)系統(tǒng)30、一個(gè)或更多個(gè)控制器40、使用者界面50和制造平臺(tái)或托盤60?？刂破?(controller)或多個(gè)控制器（controllers) 40可W被配置W控制系統(tǒng)10的全部其他元件。 陽02引打印單元20可W包括一個(gè)或更多個(gè)打印頭22,例如圖示的打印頭1-n、一個(gè)或更 多個(gè)硬化、凝固或固化裝置24,例如圖示的兩個(gè)裝