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 設計為期望的最終產品的幾何結構的倒轉的幾何結構。注射的材料在模具中經由物理過程 比如熱相轉變、或經由化學過程比如交聯或縮聚被凝固。注射模制工藝伴隨有升高的溫度 和高的應力，運被需要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 生產中被實施，所W模具不得不在其使用期限期間承受數千且甚至數百萬個循環。
[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。運些金屬模具通過不同方法的組合產生，大部分方法是減去的方法，例如計算機數控 (CNC)娠磨。減去的方法是成本高的，因此限制運些模具對非常大的生產系列的使用。
[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，運樣的模具可W呈現相對于金屬模具的較差的性質 (比如，模具的較短的壽命周期）化及最終產品的較差的性質（比如，尺寸失真或幾何結構 的不精確度）。 陽0化]附圖簡述
[0006] 被視為本發明的主題被特別地指出并且在說明書的結論部分中被明確地要求保 護。然而，當與附圖一起閱讀時，關于組織和操作的方法兩者，本發明與其目的、特征、和優 點一起可W通過參考W下詳細描述被最好地理解，在附圖中：
[0007] 圖1是根據本發明的某些實施方案的打印系統的高水平方框圖；
[000引圖2是根據本發明的某些實施方案制造的模具的圖示；
[0009] 圖3-6是根據本發明的某些實施方案的模具部分的圖示；
[0010] 圖7是制造根據本發明的某些實施方案的模具的方法的流程圖；并且
[0011] 圖8是制造根據本發明的某些實施方案的模具的方法的流程圖。
[0012] 將理解，為了簡單且清楚闡明，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相對于其他元件被放大W便清楚。進一步地，在認為合適的情況下，參 考數字可W在附圖中被重復W指示相應的或類似的元件。
[0013] 詳述
[0014] 在W下詳細描述中，大量具體的細節被陳述W便提供本發明的完全的理解。然而， 本領域技術人員將理解本發明可W在沒有運些具體細節下被實踐。在其他情況下，熟知的 方法、程序、和組分未曾被詳細地描述，W便不模糊本發明。
[0015] 本發明的實施方案可W設及使用添加制造（AM)系統，例如S維噴墨打印系統，審U 造用于注射模制的模具。盡管本發明的實施方案將關于選擇性沉積建模（SDM)、固體自由制 造（SF巧或3D打印被描述W便易于解釋，但應該意識到本發明不限于運樣的系統并且可W 在其他AM系統中被使用。
[0016] 在注射模制期間，模具被暴露于升高的溫度、高的壓力和應力。因此，運樣的模具 可W被要求具有良好的機械性質、高表面質量和在升高的溫度下的熱穩定性。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，高的拉應力可W被應用在郵鄰注射的部分的模具區域上。
[0017] 根據本發明的某些實施方案的模具可W包含兩種不同熱固性或UV固化的聚合物 W改進模具耐受設及注射模制的高溫和高應力、同時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。根據本發明的某些實施方案的模具可W包括：第一部分或區域，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中概述的標準測試被確定。在測試中，樣本WS點 彎曲在沿邊的方向上在W2°C/min提高的多個溫度下被負載。用于測試的外部纖維應力 是0. 455MPa或1. 82MPa。樣本被負載并且溫度提高直到樣本彎曲了 0. 25mm。玻璃化轉變 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轉變成軟化的或彈性的 狀態的可逆轉變。Tg可W根據ASTMD4065被測量，作為E"(損耗模量）峰值溫度。
[0019] 根據本發明的某些材料可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構。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 打印機中，運樣的材料如果W高厚度（比如，高于5mm)沉積，可W導致多于3mm的尺寸失 真。然而，因為第二材料可W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定性，因此被第二材料覆蓋的模具區域可W被暴露于被注 射到模具內的高溫材料而沒有明顯的幾何結構變形或失真。
[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 一區域的組合物的UV引發的聚合產生第一聚合物。例如用于化jetEdenSOO3D打印機的 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）。用于本發明的丙締酸單功能單體的實例是 由SartomerW商標名SR-339市售的丙締酸苯氧基乙醋。丙締酸雙功能單體的實例是由SartomerW商標名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 族二異氯酸醋或聚異氯酸醋和包含徑基的丙締酸醋制造。一個實例是由CognisW商標名 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（比如，雙、S、四功 能的，W及其他）反應性基團的單體或低聚體，使得當被包含在聚合物中時可W在硬化過 程（比如，固化）期間增強交聯。交聯度越高，聚合物的Tg越高。可W影響聚合物的Tg的 單體或低聚體的另一性質是分子的剛性。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。在某些實施方案 中，模具的第二部分區域被預期被暴露于高溫和高應力。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 用在均聚時導致具有高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，即w/w)的濃度。如本文所使用，全部組成 百分比是按重量計來自總組合物。
[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商標名SR-9003市售的丙氧基化（2)新戊 二醇二丙締酸醋。 陽027] 現在參考圖示示例性3D打印系統的高水平方框圖的圖1。3D打印系統可W被用 于制造根據本發明的某些實施方案的注射模制模具。系統10可W包括打印單元或打印塊 20、供應系統30、一個或更多個控制器40、使用者界面50和制造平臺或托盤60。控制器 (controller)或多個控制器（controllers) 40可W被配置W控制系統10的全部其他元件。 陽02引打印單元20可W包括一個或更多個打印頭22,例如圖示的打印頭1-n、一個或更 多個硬化、凝固或固化裝置24,例如圖示的兩個裝