生产用于3D打印的建筑材料组合物的方法与流程

生产用于3d打印的建筑材料组合物的方法


背景技术：

1.三维(3d)打印，也称为增材制造，是一种将材料沉积到精确位置的技术，因此导致比传统制造技术显著更少的材料浪费，传统制造技术通常通过从散装材料减少或去除材料来形成部件。原型制作和制造、建筑、艺术、牙科、医疗器械和珠宝是3d打印应用的传统工业。在过去五年中，用于建筑的3d组分已经成为建筑业的重要应用。
2.各种建筑构件如墙板的大面积3d打印工艺的改进方法可有益于建筑工业和环境。


技术实现要素：

3.本发明总体上涉及用于生产在大规模3d打印工艺中使用的3d可打印复合材料的系统、装置和方法。在一个方面，方法可包括接收包含(甲基)丙烯酸类单体或(甲基)丙烯酸类低聚物或其组合的第一组分。该方法可以包括接收包括光引发剂的第二组分。该方法可以包括接收包含聚合增强剂的第三组分。该方法可包括用混合反应器混合第一组分、第二组分和第三组分以形成混合物。该方法可包括用过滤装置过滤混合物并从混合物中除去固体残余物。该方法可以包括用辐射单元将过滤的混合物固化成凝胶组分和液体组分。该方法可包括用相分离单元将凝胶组分与液体组分分离。该方法可包括用研磨单元研磨凝胶组分。该方法可包括接收包含矿物填料的第四组分。该方法可以包括在研磨成粉末之后接收包括先前3d打印的材料的第五组分，该材料包含第一组分、第二组分、第三组分和第四组分。并且在一个方面，该方法可以包括将凝胶组分、光引发剂、矿物填料和第五组分混合以形成复合材料。
4.在一个方面，第一组分还可包含1至6量的(甲基)丙烯酸类官能团，包括三甘醇甲基醚甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯(tegdma)、6－乙酰基硫代己基甲基丙烯酸酯或它们的组合。
5.在一个方面，光引发剂可包括双(η5－2,4－环戊二烯－1－基)双[2,6－二氟－3－(1－吡咯－1－基)苯基]钛、二苯基(2,4,6－三甲基苯甲酰基)－氧化膦、苯基双(2,4,6－三甲基苯甲酰基)氧化膦、2－苄基－2－(二甲基氨基)－1[4－(4－吗啉基)苯基]－1丁酮或其组合。
[0006]
在一个方面，聚合增强剂可以包括聚乙二醇4000、聚乙二醇8000、苯－1,2,4－三羧酸三辛酯、邻苯二甲酸二正辛酯，或其组合。
[0007]
在一个方面，矿物填料可以包括十水碳酸钠na2co3·
10h2o、十水四硼酸钠na2b4o7·
10h2o、石膏caso4·
2h2o、二氧化硅sio2或其组合。
[0008]
在一个方面，该方法可以还包括接收包括再循环光聚合物复合材料的第五组分。
[0009]
在一个方面，该方法可还包括混合凝胶组分、光引发剂、矿物填料和再循环光聚合物复合材料。
[0010]
在一个方面，复合材料可用于大规模3d打印建筑部件如墙板。建筑部件可形成建筑物的至少一部分，所述建筑物包括墙壁、地板、屋顶或其单件组合，例如商业或住宅建筑物的墙壁、地板、屋顶或其单件组合。
[0011]
在一个方面，制备用于3d打印的材料的方法可包括：接收包含第一材料的第一组分，接收包含第二材料的第二组分，接收包含第三材料的第三组分，混合第一组分、第二组分和第三组分以形成混合物，过滤混合物并从混合物中除去固体残余物，将经过滤的混合物固化成凝胶组分和液体组分，将凝胶组分与液体组分分离，研磨凝胶组分，接收包括第四材料的第四组分，并混合所述凝胶组分、所述第二组分和所述第四组分。
[0012]
在一个方面，该方法可还包括再循环液体组分并将液体组分与第一组分、第二组分和第三组分的混合物合并。在一个方面，第一材料可以是(甲基)丙烯酸类单体或(甲基)丙烯酸类低聚物，或它们的组合，第二材料可以是光引发剂，第三材料可以是聚合增强剂，并且第四材料可以是矿物填料。
[0013]
在一个方面，该方法可以还包括接收包括第五复合材料的第五组分，该第五复合材料可以是再循环光聚合物复合材料。
[0014]
在一个方面，该方法可还包括混合凝胶组分、第二组分、第四组分和再循环光聚合物复合材料。
[0015]
在一个方面，用于生产用于3d打印的材料的系统可包括：混合反应器，所述混合反应器经配置以接收一种或多种组分，所述一种或多种组分中的每一种可包括材料并混合成混合物；过滤单元，所述过滤单元经配置以过滤所述混合物并可从所述混合物中分离固体残余物；辐射单元，所述辐射单元包括辐射发射装置，所述辐射发射装置经配置以接收经过滤的混合物并将所述经过滤的混合物固化成凝胶组分和液体组分；相分离单元，所述相分离单元经配置以分离所述凝胶组分和所述液体组分；研磨单元，所述研磨单元用于研磨所述凝胶组分；以及第二混合反应器，所述第二混合反应器经配置以接收所述凝胶组分并将所述凝胶组分与所述一种或多种组分混合。
[0016]
在一个方面，所述一种或多种组分的材料可以是(甲基)丙烯酸类单体，所述一种或多种组分的材料可以是光引发剂，所述一种或多种组分的材料可以是聚合增强剂，所述一种或多种组分的材料可以是矿物填料，并且所述一种或多种组分的材料可以是第一至第四组分的再循环光聚合物复合材料。
[0017]
其他示例涉及与本文所述的方法相关联的系统、装置和计算机可读介质。
[0018]
参考下面的具体实施方式和附图可以更好地理解本发明的实施例的性质和优点。
附图说明
[0019]
图1示出了根据本主题技术的各个方面的复合材料生产设备的系统图。
[0020]
图2示出了根据本主题技术的多个方面的生产复合材料的示例性流程。
[0021]
图3示出了根据本主题技术的多个方面的生产复合材料的另一个示例性流程。
[0022]
图4示出了根据本主题技术的多个方面的生产复合材料的另一个示例性流程。
具体实施方式
[0023]
在本说明书中，详细参考本发明的具体实例。在附图中示出了一些示例或它们的方面。
[0024]
为清楚起见，已参考具体实例描述了本发明，然而应理解，本发明不限于所述实例。相反，本发明覆盖了可以包括在由任何专利权利要求限定的范围内的替换、修改和等同
物。阐述本发明的以下实施例，而不损失所要求保护的发明的一般性，并且不对所要求保护的发明施加限制。在以下描述中，阐述了具体细节以提供对本发明的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本发明。此外，为了避免不必要地模糊本发明，可能没有详细描述公知的特征。
[0025]
此外，应当理解，本示例性专利中阐述的示例性方法的步骤可以以与本说明书中呈现的顺序不同的顺序执行。此外，示例性方法的一些步骤可以并行执行而不是顺序执行。
[0026]
下面描述用于生产复合材料的系统和方法。本讨论总体上涉及生产复合材料的系统和方法，该复合材料在用于建筑物和包括商业和住宅建筑物的建筑物部件的大规模3d打印解决方案中使用。在一个实例中，系统可以包括用于获得复合配制物的复合设备，所述复合配制物含有单体或低聚物、引发聚合或缩聚反应的组分、矿物填料，上述中的一种可以预先使用大面积3d打印机打印，并且研磨成粉末并再使用。另外，该系统可以对材料的组分进行提取、混合、加工、处理、研磨、分离等或其组合以产生用于大面积3d打印的复合材料。
[0027]
图1示出了用于生产在大面积3d打印中使用的复合材料的复合材料生产设备的示例系统架构100。在一个实例中，由该装置生产的复合材料用于3d打印建筑构件或完整的建筑物。建筑构件可形成建筑物的至少一部分，所述建筑物包括墙壁、地板、屋顶或其单件组合，例如商业或住宅建筑物的墙壁、地板、屋顶或其单件组合。在一个示例中，系统架构100可以包括光聚合物复合设备或复合设备101。复合设备101可以包括混合单元105、过滤单元107、辐射单元109、相分离单元111和研磨单元115。在一个示例中，复合设备101可以包括第二混合单元115。在该示例性系统架构100中，复合设备可接收用于生产复合材料的一个或多个组分。所述一个或多个组分可包括接收第一组分121、第二组分、第三组分并且包括第n组分123，包括第一组分121、第二组分、第n组分123的组分中的每一个被进行提取、混合、处理、分离等或其组合，以产生所接收的组分的复合材料。一旦通过复合设备101接收和处理部件，复合设备101的输出可以是复合材料130，复合材料130用于建筑应用中的大面积3d打印。
[0028]
在一个实例中，下表说明用于利用光聚合系统和方法产生复合材料的多个组分。如下表1所示：
[0029]
表1：复合材料各组分含量
[0030][0031]
复合材料可包括多达五个组分。在该实例中，组分#1或第一组分121可包括(甲基)丙烯酸类单体或(甲基)丙烯酸类低聚物或它们的组合。组分121可还包括1至6量的(甲基)丙烯酸类官能团，包括三甘醇甲基醚甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯(tegdma)、6－乙酰基硫代己基甲基丙烯酸酯或其组合。在一个实例中，第一组分121还可包含其他官能团，诸如氟、氯、丙烯酰氯、环氧、氨基甲酸酯、硫醇－烯、马来酸酯和富马酸酯(包括丙烯酸2,2,3,4,4,4－六氟丁酯)的官能团或其组合。
[0032]
在一个实例中，第一组分121为液体形式。第一组分121可以在第一组分121之后固
化，或者与包括第一组分121的光引发剂的混合物在固化步骤中固化，如下所述。
[0033]
在一个实例中，待与第一组分121混合的第二组分可包括用于光聚合的光引发剂。光引发剂以0－3％质量百分比含量的固态被复合设备101接收。在该实例中，光引发剂可包括双(η5－2,4－环戊二烯－1－基)、双[2,6－二氟－3－(1h－吡咯－1－基)苯基]钛、二苯基(2,4,6－三甲基苯甲酰基)－氧化膦、苯基双(2,4,6－三甲基苯甲酰基)氧化膦2－苄基－2－(二甲基氨基)－1[4－(4－吗啉基)苯基]－1－丁酮或其组合。
[0034]
光引发剂经配置以引发当包括光引发剂的复合材料130用于3d打印过程时和在辐射单元109中的固化过程期间产生的复合材料130的聚合或缩聚反应。在一个实例中，聚合反应可以通过以1纳米(nm)至1毫米(mm)范围内的波长发射的辐射来获得。
[0035]
在一个实例中，在初始混合阶段或步骤中与第一组分121和第二组分混合的第三组分可包括增强剂或聚合增强剂。聚合增强剂可以以具有0－3％含量的质量百分比的固态由复合设备101接收。聚合增强剂可以是具有不同分子量的聚合化合物，例如聚乙二醇4000、聚乙二醇8000、苯－1,2,4－三羧酸三辛酯、邻苯二甲酸二正辛酯或其组合。
[0036]
在一个实例中，稍后与第一组分121、第二组分和第三组分的混合物混合的第四组分可包含矿物填料，所述矿物填料经配置以改进最终产生的复合材料130的阻燃性、化学和机械特性，阻燃性包括阻燃剂。
[0037]
在一个实例中，矿物填料可以以具有0－65％含量的质量百分比的范围的固体状态由复合设备101接收。矿物填料可以是无机或有机金属的水合物、盐、氧化物或其组合，包括十水碳酸钠na2co3·
10h2o、硼砂、十水四硼酸钠na2b4o7·
10h2o、石膏caso4·
2h2o、二氧化硅sio2及其组合。
[0038]
在一个实例中，第五组分可随后与第一组分121、第二组分和第三组分与第四组分的混合物混合。第五组分可以是再循环组分125。再循环组分125可以包括从先前3d打印的复合材料获得的任何和所有粉末，所述粉末具有与复合材料130相同的化学特性，处于0－65％含量的质量百分比的范围内的固态。
[0039]
在该示例中，回收部件125可以是回收光聚合物复合材料。再循环材料可以衍生自先前生产的复合材料，然后将组分的混合物研磨并修整成粉末。例如，由复合设备101接收的再循环组分125可具有0.01－3.00毫米(mm)的粒度。
[0040]
在一个实例中，混合单元105是经配置以接收一种或多种组分的混合反应器，所述一种或多种组分中的每一者可包括材料，且混合成混合物或形成混合物。在该实例中，混合反应器可接收包括第一材料的第一组分121，接收包括第二材料的第二组分，接收包括第三材料的第三组分。第一材料可以是(甲基)丙烯酸单体或(甲基)丙烯酸低聚物或其组合，第二材料可以是光引发剂，第三材料可以是聚合增强剂。一旦混合单元105接收一种或多种组分，例如第一组分121、第二组分和第三组分，混合单元105将混合所述组分以形成混合物或将组分混合成混合物。
[0041]
在一个实例中，混合反应器可以是机械混合反应器、循环混合反应器、气动混合反应器、超声混合反应器或包括来自其组合的混合反应器的组分。在该步骤中，混合单元105可以获得组分的均匀或非均匀混合物，用于复合设备101以进一步加工。
[0042]
在一个实例中，过滤单元107经配置以从任何不希望的或不适当的物质(如任何固体残余物或液体残余物)中过滤包含例如第一组分125、第二组分和第三组分的混合物。复
合设备101的过滤单元107可以从混合物中分离固体残余物，例如除去固体残余物并保留经过滤的混合物。
[0043]
在该示例中，过滤单元可包括多个不同的过滤装置，所述过滤装置包括主动或被动过滤装置。例如，过滤单元107可以包括离心过滤器、重力过滤器、真空过滤器、多层过滤器或包括来自其组合的过滤装置的部件。
[0044]
在一个示例中，辐射单元109可以经配置以接收来自过滤单元107的经过滤的混合物。辐射单元109可以固化和处理第一组分125、第二组分和第三组分的过滤混合物，并产生包括第一组分、第二组分和第三组分的混合物的凝胶组分和液体组分。
[0045]
在该示例中，辐射单元109可以包括辐射发射装置，该辐射发射装置包括一个或多个发光二极管(led)、一个或多个激光发射二极管、一个或多个灯(例如uv灯或热灯)或其组合。在一个示例中，所发射的辐射可以具有在1nm和1mm范围内的波长。在这个实例中，复合设备101可以包括在元件装载站和分离器之间伸展的柔性带形式的闭环输送机。在复合设备101的这种构造中，输送机可以承载一个或多个柔性托盘，这些托盘能够围绕闭环输送机的一个或多个滑轮形成环路。其中一个滑轮可以是配备有驱动马达的驱动滑轮。所述托盘可包括浅槽，所述浅槽具有敞开的顶部并承载来自第一组分、第二组分和第三组分的液体和固体混合物的计量部分。然后，混合物可以在其依次通过辐射固化设备(例如辐射单元109的辐射固化设备)的途中用辐射固化。
[0046]
然后该混合物可以通过光聚合过程变成凝胶。在一个实例中，第一组分、第二组分和第三组分的液体混合物可以周期性地转移到盘中。托盘可以用预定剂量的光能移动以将材料固化至所需粘度。在一个示例中，过程的参数(例如确定粘度、辐射剂量等)可以通过由用户或计算机应用控制的中央处理单元由传感器手动控制或自动控制。
[0047]
在一个实例中，复合设备101的相分离单元111可以经配置以用辐射单元109分离由复合设备101产生的凝胶组分和液体组分。在一个实例中，相分离单元111可包括一个或多个分离器，所述一个或多个分离器包括离心分离器、鼓式分离器、盘式分离器等，或包括来自其组合的分离器的部件。
[0048]
在上述实例中，胶凝物质在固化过程中可包含未固化的液体物质。在分离阶段，分离单元111可以将由固化第一组分、第二组分和第三组分的混合物形成的凝胶物质与未固化成凝胶组分并保持为液体组分的任何混合物分离。
[0049]
在一个实例中，液体组分可以从复合设备101中释放或去除。在另一个实例中，液体组分可以被再利用并且再循环回到混合单元105的混合反应器中，因为液体组分与用于生产复合材料130的复合设备所接收的第一组分121、第二组分和第三组分的任何新混合物基本上相同。液体组分可以与由混合单元105混合的任何新混合物组合，特别是当混合单元105接收包括第一组分121、第二组分和第三组分的附加材料时。
[0050]
在一个示例中，研磨单元113经配置以研磨凝胶组分。研磨单元113可以包括多个不同的研磨机，所述不同的研磨机包括粉碎机、胶体磨、研磨机等，或者包括来自其组合的研磨机的部件。在此实例中，研磨凝胶单元允许凝胶组分进一步与额外组分混合以产生复合材料130。
[0051]
在一个实例中，第四组分(例如矿物填料)由复合设备101接收。在此阶段，复合设备101在其接收包含矿物填料的第一组分121、第二组分和第三组分的相同步骤中接收第四
组分，或者现在可接收包含矿物填料的第四组分以与经研磨的凝胶组分混合以产生复合材料130。
[0052]
在一个实例中，混合单元115是混合反应器并且经配置以接收经研磨的凝胶组分、第四组分和包括第二组分的附加材料，例如光引发剂的附加材料。混合单元115可以将剩余的一种或多种组分与凝胶组分混合。例如，混合单元115可以混合凝胶组分、光引发剂和矿物填料以形成复合材料130。混合单元115可以是机械混合反应器、循环混合反应器、气动混合反应器、超声混合反应器或包括来自其组合的混合反应器的部件。在该步骤中，混合单元115可以获得均质或非均质的组分混合物以生产复合材料130。
[0053]
在此阶段，产生复合材料130，复合材料130可以是产生的凝胶状复合材料。在一个实例中，由复合设备101生产的复合材料130的粘度在100000－600000厘泊(cps)的范围内。
[0054]
在一个实例中，另外，混合单元115可接收由先前生产的用于大面积3d打印的复合材料组成的再循环粉末组分，并与研磨的凝胶组分、第二组分、第三组分和第四组分混合。
[0055]
图2示出了生产复合材料的示例性方法的流程图。在一个实例中，可执行所述方法以产生用于建筑部件或建筑物的大面积3d打印的材料。
[0056]
在图2的示例流程图20中，在框200处，复合设备可接收第一部件。在框201，复合设备可接收第二部件。在框202，复合设备可接收第三部件。
[0057]
在框205处，复合设备可在混合反应器中混合第一组分、第二组分和第三组分以形成混合物。
[0058]
在框210处，该复合设备可以过滤来自一个或多个过滤单元的混合物。在框212处，该复合设备可以从该混合物的过滤中释放任何残余物，包括固体残余物。
[0059]
在框215处，复合设备可固化来自一个或多个辐射发射单元的混合物以形成凝胶组分。
[0060]
在框220处，该复合设备可以将该混合物相分离成未固化成凝胶组分的混合物的液体组分，以及通过固化步骤形成的混合物的凝胶组分。在框222处，该复合设备可以释放该混合物的分离的液体组分。在框224处，该复合设备可以将该混合物的分离的液体组分再循环回到将残余物的混合物从该第一组分、第二组分和第三组分的混合物中过滤的过滤步骤中。
[0061]
在框225，复合设备可以接收混合物的凝胶组分。
[0062]
在框230，复合设备可以研磨混合物的凝胶组分。
[0063]
在框231，复合设备可接收第二组分。在框232，复合设备可接收第四组分。在框233，复合设备可接收第五组分。
[0064]
在框235，复合设备可在第二混合反应器中将凝胶组分与第二组分、第四组分和第五组分的附加材料混合。
[0065]
在框240，复合设备可以生成复合材料。
[0066]
图3示出了生产用于大面积3d打印的复合材料的示例性过程的另一流程图。
[0067]
在图3的示例性流程图30中，在框300处，复合设备可以接收(甲基)丙烯酸类单体、光引发剂和矿物填料。在一个实例中，复合设备还可以接收聚合增强剂。
[0068]
在框305，复合设备可将(甲基)丙烯酸类聚合物与光引发剂混合成混合物。
[0069]
在框310，该复合设备可以过滤来自一个或多个过滤单元的混合物。
[0070]
在框315，复合设备可以固化来自一个或多个辐射发射单元的混合物。
[0071]
在框320，该复合设备可以通过相分离该混合物并且接收该混合物的液体组分和凝胶组分。
[0072]
在框325，复合设备可以研磨混合物的凝胶组分。
[0073]
并且在框330，复合设备可以将凝胶组分与矿物填料混合。
[0074]
图4示出了生产用于大面积3d打印的复合材料的示例性过程的另一流程图。
[0075]
在图4的实例流程图40中，在框400处，复合设备可接收(甲基)丙烯酸类单体、光引发剂、增强剂、矿物填料和再循环光聚合物复合材料。
[0076]
在框405处，复合设备可将(甲基)丙烯酸类聚合物与光引发剂混合成混合物。
[0077]
在框410，复合设备可以过滤来自一个或多个过滤单元的混合物。
[0078]
在框415，复合设备可以固化来自一个或多个辐射发射单元的混合物。
[0079]
在框420，复合设备可以通过相分离该混合物并且接收该混合物的液体组分和凝胶组分。
[0080]
在框425，复合设备可以研磨混合物的凝胶组分。
[0081]
在框430，复合设备可以将该凝胶组分与第二光引发剂、矿物填料、以及再循环的光聚合物复合材料混合。
[0082]
本文使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其组合指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。
[0083]
虽然已经参照具体示例具体示出和描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所披露的示例的形式和细节进行改变。虽然本文已经参考各种示例讨论了本发明的各种优点，方面和目的，但是将理解，本发明的范围不应限于参考这些优点、方面和目的。相反，应当参考权利要求来确定本发明的范围。