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Hintergrund
der Erfindung
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Herstellungstechniken
dreidimensionaler (3D-) Objekte, wie z. B. Festkörper-Freiform-Herstellung (SFF),
ermöglichen
es, dass ein 3D-Objekt Schicht für
Schicht oder Punkt für
Punkt ohne die Verwendung eines vorgeformten Werkzeugs (Form oder
Matrize) aufgebaut werden kann. Üblicherweise werden
Daten, die die Geometrie oder Form eines herzustellenden Objekts
darstellen, verwendet, um ein Herstellungswerkzeug zum Aufbauen
des Objekts zu Steuern.
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Die
Festkörper-Freiform-Herstellung
(SFF) ist ein allgemeiner Ausdruck für ein Verwenden einer von mehreren
Technologien zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte, wie z. B.
von Prototyp-Teilen, Modellen und Arbeitswerkzeugen. Die Festkörper-Freiform-Herstellung
ist z. B. ein zusätzlicher Vorgang,
bei dem ein Objekt, das durch computerlesbare Daten beschrieben
ist, automatisch, üblicherweise
Schicht für
Schicht, aus Basismaterialien aufgebaut wird.
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Mehrere
Hauptformen der Festkörper-Freiform-Herstellung
beinhalten einen Flüssigkeitsauswurfvorgang.
Es gibt zwei Haupttypen der Festkörper-Freiform-Herstellung,
die einen Flüssigkeitsauswurf
verwenden: Bindemittelausstoßsysteme
und Volumenausstoßsysteme.
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Bindemittelausstoßsysteme
erzeugen Objekte durch ein Auswerfen eines Bindemittels auf ein flaches
Bett eines pulvrigen Aufbaumaterials. Jede Pulverschicht könnte als
ein Trockenpulver oder ein Schlamm abgegeben oder verteilt werden.
Wo das Bindemittel selektiv in die Pulverschicht ausgeworfen wird,
wird das Pulver in einen Querschnitt oder eine Schicht des zu formenden
Objekts gebunden.
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Volumenausstoßsysteme
erzeugen Objekte durch ein Auswerfen eines verfestigbaren Aufbaumaterials
und eines verfestigbaren Trägermaterials
auf eine Plattform. Das Trägermaterial,
das vorübergehender
Natur ist, wird abgegeben, um Überhänge in dem
Objekt zu ermöglichen,
und kann aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material
wie das Objekt sein.
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In
beiden Fällen
wird die Herstellung üblicherweise
Schicht für
Schicht durchgeführt,
wobei jede Schicht einen weiteren Querschnitt des letztendlichen
erwünschten
Objekts darstellt. Benachbarte Schichten werden in einem vorbestimmten
Muster aneinandergeheftet, um das erwünschte Objekt aufzubauen.
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Zusätzlich zu
einem selektiven Bilden jeder Schicht des erwünschten Objekts können Festkörper-Freiform-Herstellungssysteme
eine Farbe oder ein Farbmuster auf jeder Schicht des Objekts liefern. In
Bindemittelausstoßsystemen
könnte
das Bindemittel derartig farbig sein, dass die Funktionen des Bindens
und der Farbgebung integriert sind. In Volumenausstoßsystemen
könnte
das Aufbaumaterial farbig sein.
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Eine
Tintenstrahltechnologie kann eingesetzt werden, bei der eine Anzahl
von Tinten unterschiedlicher Farben selektiv aus den Düsen einer
Flüssigkeitsauswurfvorrichtung
ausgestoßen
und auf dem Aufbaumaterial vermischt wird, um ein volles Farbspektrum
zu schaffen. Oft besteht die Flüssigkeitsauswurfvorrichtung
aus mehreren Druckköpfen,
wobei jeder ein unterschiedliches Basisfarb-Bindemittel oder -Aufbaumaterial
auswirft, wie z. B. Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz und/oder klar.
Bei jeder einzelnen Schicht können
herkömmliche
zweidimensionale Mehrdurchlauf-Farbtechniken und Halbtongebungsalgorithmen
verwendet werden, um Defekte zu verstecken und einen breiten Bereich
erwünschter
Farbtöne
zu erzielen.
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Die
meisten 3D-Drucktechnologien jedoch besitzen aufgrund der beinhalteten
technischen Herausforderungen keine Farbfähigkeit. Selbst in den Fällen, in
denen dies technisch möglich
ist, fügt
das Erzeugen von Vollfarbteilen wesentliche Kosten hinzu.
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Heute
wird eine 3D-Digitalherstellung (Schnell-Prototyperzeugung) hauptsächlich von
Entwurfsingenieuren verwendet. Diese Ingenieure verwenden üblicherweise
eine Service-Büro-Technologie, wie
z. B. Stereolithographie, um schnelle Prototypen ihrer Entwürfe herzustellen.
Die Ausrüstung der
Dreidimensional-Schnell-Prototyperzeugung, wie es sie heute gibt,
kostet 30.000 Dollar bis 3.000.000 Dollar und kann teuer und kompliziert
zu bedienen sein. Zusätzlich
sind diese Maschinen aufgrund von Schmutz, Gerüchen und Rauschen, die üblicherweise
bekannte 3D-Digitalherstellungsvorgänge begleiten, nicht geeignet
zur Verwendung in den meisten Büro-
oder Heimumgebungen. Gegenwärtige
Marktlösungen
zur Reduzierung der Kosten haben zu Maschinen, die extrem langsam
sind, oder Vorgängen, die
komplex und schmutzig sind, geführt.
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Die
Herstellung eines laminierten Objekts, ein bestimmter Typ von 3D-Digitalherstellung,
weist zusätzliche
Nachteile auf, die die schwierige Entfernung des überschüssigen Aufbaumaterials,
das das erzeugte 3D-Objekt umgibt, umfassen. Bei der Herstellung
eines laminierten Objekts wird überschüssiges Aufbaumaterial üblicherweise
durch ein Schneiden desselben in kleine Würfel entfernt, so dass es manuell
von der Objektoberfläche
losgebrochen werden kann. Dieser Vorgang funktioniert bei teilweise umschlossenen
Bereichen nicht gut und das Material trennt sich nicht von horizontalen
Trennlinien.
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So
wäre es
nützlich,
in der Lage zu sein, billige 3D-Objektherstellungsvorrichtungen,
-Vorgänge und
-Materialien bereitzustellen, die geeignet für sowohl Büro- als auch Heimumgebungen
sind. Insbesondere wäre
es hilfreich in der Lage zu sein, Eingabematerialien für derartige
Vorrichtungen bereitzustellen, während
Sicherheitsgefährdungen
oder Sauberkeitsprobleme, die den Pulvern und Flüssigkeiten zugeordnet sind,
die durch viele gegenwärtige
Maschinen verarbeitet werden, vermieden werden. Es wäre außerdem hilfreich,
in der Lage zu sein, die Fähigkeit
bereitzustellen, überschüssiges nichtgebundenes
Material und/oder Materialien aus zurückgesetzten und komplexen Formen
zu entfernen, ohne gefährliche
chemische Substanzen verwenden zu müssen.
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Es
wäre ebenso
hilfreich, wenn derartige Herstellungsvorrichtungen wie ein Tischdrucker
zugänglich
wären und
eine derartige kompakte Größe aufweisen
würden.
Ferner wäre
es hilfreich und kosteneffektiv, wenn derartige Vorrichtungen billige
und ohne weiteres verfügbare
Komponenten beinhalten würden.
Es wäre
ebenso wünschenswert,
wenn derartige Vorrichtungen wesentlich schneller arbeiten könnten als
gegenwärtige
billige Systeme, d. h. heutige Systeme, die auf einer einzelnen
Abgabedüse beruhen.
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Es
wäre ebenso
nützlich,
in der Lage zu sein, eine 3D-Objektherstellungsvorrichtung
bereitzustellen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Medientypen unterbringt,
wie z. B. Medien unterschiedlicher Typen und Größen, Medien, die aus unterschiedlichen
Materialtypen gebildet sind, usw.
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Zusätzlich wäre es nützlich,
in der Lage zu sein, 3D-Objektherstellungsvorrichtungen
und -Vorgänge
bereitzustellen, die Druckverfahren, wie z. B. Tintenstrahldrucken,
zur Erzeugung vollfarbiger 3D-Objekte verwenden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
erfolgt Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Herstellers,
der zur Implementierung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
konfiguriert ist;
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2 ist
eine Teilquerschnittsansicht eines dreidimensionalen Herstellers,
die eine Schicht eines Aufbaufilms, die an die obere Schicht eines
Stapels zuvor geschmolzener Aufbaufilmschichten geschmolzen wird,
während
der Herstellung eines dreidimensionalen Objekts zeigt; und
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3A bis 3D stellen
dar, wie ein Abschnitt einer Einzelfilmschicht geschmolzen wird,
und wie nichtgeschmolzene Abschnitte der Filmschicht danach weggewaschen
werden, was nur den geschmolzenen Abschnitt des Films hinterlässt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Es
folgte eine detaillierte Beschreibung zur Ausführung der Erfindung. Diese
Beschreibung soll in keinem einschränkenden Sinn aufgefasst werden, sondern
wird lediglich zu Zwecken einer Darstellung der allgemeinen Prinzipien
der Erfindung vorgelegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler
Objekte sowohl löslich
als auch in einen unlöslichen
Zustand schmelzbar. Beispielhaft ist das Material als ein Film gebildet,
der in einen nicht wasserlöslichen
Zustand schmelzbar ist, wenn er Leitung oder einem anderen Erwärmen ausgesetzt
wird. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst der Film eine Mischung thermoplastischer Teilchen und einer
wasserlöslichen
Polymermatrix. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der
Film ferner ein Oberflächenaktivmittelsystem,
das an die thermoplastischen Teilchen gebunden ist. Das Oberflächenaktivmittelsystem
liefert eine Umkehreigenschaft, derart, dass die thermoplastischen
Teilchen hydrophil sind, jedoch auf ein Schmelzen des Films in ein
Volumen hin hydrophob werden, wenn das oberflächenaktive Mittel in das Volumen
eingebaut wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der
Film ferner ein Füll-
oder Verstärkungsmaterial
(z. B. Glas oder Kohlestofffasern, Ton, Glasperlen, Metallteilchen, Dispersionsmittel,
oberflächenaktive
Mittel usw.). Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Film
ferner eines oder mehrere Farbmittel. Beispielhaft ist der Film
mit Wasser benetzbar, was es ermöglicht,
dass Schichten eines derartigen Films mit einem Farbbild unter Verwendung
billiger Tintenstrahldruckverfahren bedruckt werden können. Wie
unten detaillierter erläutert
ist, ermöglicht
die Fähigkeit
einer Bereitstellung löslicher
und schmelzbarer Farbfilme die Erzeugung von Vollfarb-3D-Objekten.
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In
Bezug auf die thermoplastischen Teilchen können Polymere, die durch eine
Emulsionspolymerisation erzeugt werden, für die thermoplastische Phase
verwendet werden, was zu sehr kleinen Teilchen (üblicherweise 50 bis 500 nm)
führt,
die in Wasser dispergiert sind. Oberflächenaktive Mittel, die verwendet
werden können,
um derartige Polymerisationen zu stabilisieren, enden auf der Oberfläche der Teilchen
und haben wahrscheinlich eine starke Wirkung darauf, wie sich das
Material in Wasser verhält und
wann es sich mit einem Matrixpolymer mischt, sowie wie es schmilzt.
Es sollte jedoch zu erkennen sein, dass der thermoplastische Stoff
kein hydrophiles Material sein muss. Die schmelzbaren Filme der vorliegenden
Erfindung können
z. B. aus Emulsionen aus Polystyrol, Polystyrol-Co-Butyl-Acrylat
(SBA), Polymethyl- Methacrylat-Co-Butyl-Acrylat
(MBA) hergestellt sein, sowie aus anderen Emulsionspolymerzusammensetzungen
und Stabilisationssystemen. Die thermoplastischen Teilchen können auch
unter Verwendung von Polymethyl-Methacrylat (MMA) gebildet werden.
Eine Erläuterung
zusätzlicher
Materialien, die zur Herstellung der thermoplastischen Teilchen
geeignet sind, ist in dem gemeinschaftlich übertragenen U.S.-Patent Nr.
6,417,248 von Gore, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist,
enthalten.
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Die
Emulsionspolymerisation beinhaltet üblicherweise die Polymerisation
eines hydrophoben Monomers, das durch ein Oberflächenaktivmittel in Wasser stabilisiert
ist. Sobald sich das Polymer bildet, wird die Mischung (Kolloidsuspension)
von Polymerteilchen in Wasser oft als ein Latex bezeichnet. Als
ein Ergebnis der Polymerisation sind die Latexteilchen mit dem oberflächenaktiven
Mittel beschichtet, was ihnen stärker
hydrophile Eigenschaften verleiht.
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Die
Polymermatrix kann beispielhaft Polyvinyl-Alkohol (PVA) oder Polyvinyl-Pyrrolidon
(PVP) umfassen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die
Polymermatrix eine Mischung aus Polyvinyl-Alkohol (PVA) (Molekulargewicht
von etwa 85.000 g/mol) und Pentaerythritol, wie z. B. das kommerziell
erhältliche
Material, das unter dem Markennamen Sulky Solvy bei Sulky of America,
3113 Broadpoint Drive, Punta Gorda, FL 33983, erhältlich ist.
Auch andere wasserlösliche
Polymere können verwendet
werden.
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Die
Glasübergangstemperatur
(Tg) des thermoplastischen Latex ist sehr
wichtig. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen
sind die Glasübergangstemperaturen
etwas höher
als Raumtemperatur, um ein vorzeitiges Schmelzen bei Raumtemperatur
zu vermeiden. Außerdem
sollte die Glasübergangstemperatur
nicht so hoch sein, dass eine übermäßige Wärmemenge
zum Schmelzen des Materials benötigt
wird. So ist beispielhaft ein Glasübergangstemperaturbereich von
etwa 30°C
bis 150°C
in den meisten Fällen
geeignet. Noch bevorzugter ist der Glasübergangstemperaturbereich etwa
50°C bis
110°C. Materialien
mit Glasübergangstemperaturen
von etwa 75°C
umfassen SBA- und MBA-Emulsionen. Dow, Latex PB 6688ANA BK, basierend
auf Polystyrol, ist ein kommerziell erhältliches Material mit einer
Tg von etwa 108°C, das auch zur Herstellung
von Filmen gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. Thermoplastische Latizes mit Glasübergangstemperaturen
von weniger als 30°C,
z. B. nahe bei Raumtemperatur, können
ebenso verwendet werden, obwohl diese eine vorsichtigere Verarbeitung und
Handhabung zum Vermeiden eines vorzeitigen Schmelzens erfordern
könnten. Ähnlich sind
auch Filme, die aus thermoplastischen Latizes mit Glasübergangstemperaturen
von mehr als 150°C
gebildet sind, innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist der Film eine Zusammensetzung,
die von etwa 1:1 bis 2:1 (Thermoplast:Matrix) variiert, und eine
Dicke auf, die von etwa 10 bis 250 Mikrometer (etwa 0,4 bis 10 tausendstel
Zoll) variiert. Eine exemplarische Filmdicke beträgt etwa
100 Mikrometer (etwa 4 tausendstel Zoll). Allgemein liefern dünnere Filme
mehr Schichten und eine größere Auflösung, wohingegen
dickere Filme für
einen schnelleren Herstellungsvorgang, jedoch eine kleinere Auflösung, sorgen.
So sollte zu erkennen sein, dass die Filmdicke innerhalb oder außerhalb
des 10- bis 250-Mikrometer-Bereichs variiert werden kann, um unterschiedliche
Herstellungsvorgänge,
Geschwindigkeits- und Auflösungsanforderungen,
usw. unterzubringen.
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Ein
exemplarisches Medium zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler
Objekte ist aus thermoplastischen SBA-Teilchen, gemischt mit einem
wasserlöslichen
PVA-Bindemittel, hergestellt. Das SBA-Material ist als eine Emulsion
in Wasser hergestellt, mit sehr kleinen Teilchengrößen in dem
Bereich von 50 bis 500 nm. Die SBA-Lösung wird mit einer Lösung aus
PVA gemischt, mit einem typischen Verhältnis von 2:1 (SBA-PVA), um
sicherzustellen, dass das SBA das PVA nach dem Schmelzen umschließt. Die
resultierende Mischung wird in einen Film gegossen, z. B. unter
Verwendung eines Tisch-Band-Gießers
(Rakelmesser), obwohl andere Gießtechniken ebenso verwendet
werden können. Umschlossene
Fragmente des Bindemittels innerhalb des letztendlichen Teils liefern
noch immer mechanische Stabilität
und tragen zu einer Materialzähigkeit
bei. In dem Fall eines PVA-haltigen
Bindemittels könnte
das PVA sich auch vernetzten und unlöslich werden, wenn es erwärmt wird,
was eine Materialzähigkeit
weiter verbessert.
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Ein
Beispiel einer Filmformulierung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Folgende:
- – 10 g thermoplastische Teilchen
(üblicherweise bereitgestellt
etwa 50 Gewichtsprozent in Wasser, so dass 10 g 20 g dieser Lösung erforderlich
machen würden)
- – 5
g Sulky Solvy (üblicherweise
Beginn mit etwa 15 Gewichtsprozent in Wasser, so dass 5 g 33 g dieser
Lösung
erforderlich machen würden)
- – 1
g farbige Tinte
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Weiter
beispielhaft werden die obigen Bestandteile auf Rollen zumindest
18 Stunden lang gemischt und dann unter Verwendung eines Tisch-Band-Gießers in
einen Film auf einen mit Polytetrafluoroethylen- (PTFE-) beschichteten
Kapton-Träger gegossen.
Nach dem Gießen
können
die Filme bei Raumtemperatur trocknen, üblicherweise über Nacht.
Abhängig
von ihrer Zerbrechlichkeit könnten
resultierende Filme eine Unterstützung
benötigen,
bis dieselben geschmolzen sind, oder auch nicht.
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So
umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Films zur Verwendung
bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte: Herstellen eines
thermoplastischen Latex durch Emulsionspolymerisation; Mischen des
Latex mit einem wasserlöslichen
Polymer (WSP), um eine Latex-WSP-Mischung
zu bilden; Gießen
der Latex-WSP-Mischung in einen Film; und Trocknenlassen des Films,
wobei eine Zusammensetzung der Latex-WSP-Mischung derart ausgewählt ist,
dass Abschnitte des Films, die einer vorbestimmten Leitungsmenge
oder einer anderen Erwärmung
ausgesetzt werden, in einen nichtwasserlöslichen Zustand schmelzen,
und Abschnitte des Films, die dem nicht ausgesetzt werden, wasserlöslich bleiben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die Emulsionspolymerisation durch ein Stabilisationssystem
(durch ein oberflächenaktives
Mittel in Wasser) stabilisiert.
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Bezug
nehmend auf 1 umfasst ein exemplarisches
SFF-Werkzeug, wie
z. B. ein dreidimensionaler Hersteller 100, einen Aufbaubehälter 102,
eine Wärmevorrichtung 104 und
einen Transportmechanismus 106. Nachdem jede Schicht des 3D-Objekts
hergestellt ist, wird der Aufbaubehälter 102 (in dem das
Objekt sitzt) nach unten entlang der z-Achse neupositioniert, so
dass die nächste
Schicht des Objekts auf der zuvor gebildeten Schicht gebildet werden
kann. Beispielhaft kann der Aufbaubehälter 102 Abmessungen,
wie z. B. 8'' × 10'' × 10'' oder 6'' × 6" × 6'',
aufweisen, um Hersteller und 3D-Objekte verschiedener
Größen unterzubringen.
Der Transportmechanismus 106 weist beispielhaft einen motorisierten
Transportmechanismus auf, der an der Heizvorrichtung 104 angebracht
ist und sich entlang eines Gleitbalkens in der x-Achse bewegt. Der
dreidimensionale Hersteller 100 umfasst außerdem eine
Steuerung (nicht gezeigt), die programmiert ist, um unter anderem
die zuvor genannte Neupositionierung der Heizvorrichtung 104 während des
3D-Objekt-Herstellungsvorgangs zu steuern. Die Steuerung kann die Form
eines diskreten Moduls annehmen, das nahe an der Heizvorrichtung 104 positioniert
ist; alternativ können
die durch die Steuerung durchgeführten Operationen
unter einer Mehrzahl von Steuerungen, Prozessoren oder dergleichen
verteilt sein und/oder die Steuerung kann entfernt relativ zu der
Heizvorrichtung 104 angeordnet sein.
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Die
Heizvorrichtung 104 umfasst beispielhaft einen thermischen
Seitenbreite-Druckbalken, einen sich bewegenden thermischen Kopf
oder einen Laserstrahl. Die Heizvorrichtung 104 kann die
Form eines Arrays von Heizelementen annehmen, wie z. B. denjenigen,
die auf einem thermischen Dünnfilmdruckkopf
oder einem Flach-Typ-Druckkopf zu finden sind. Bei verschiedenen
Ausführungsbeispielen nimmt
die Heizvorrichtung 104 die Form einer Nicht-Laser-Heizvorrichtung
an. Allgemein ist die Heizvorrichtung 104 konfiguriert,
um eine Leitungsmenge oder ein anderes Erwärmen anzulegen, die/das ausreichend
ist, um erwünschte
Abschnitte einer ersten Schicht des Aufbaufilms zu schmelzen, die
auf dem Aufbaubehälter 102 positioniert
ist, und dann erwünschte
Abschnitte nachfolgender Schichten des Aufbaufilms zu schmelzen,
jede zu der oberen Schicht eines Stapels zuvor geschmolzener Aufbaufilmschichten,
während
der Herstellung eines dreidimensionalen Objekts.
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Die
Heizvorrichtung 104 kann außerdem einen oder mehrere Sensormechanismen
(nicht gezeigt) zum Identifizieren des Typs von Film oder einem
anderen Medium umfassen. Derartige Sensormechanismen können zusätzlich oder
alternativ separat von der Heizvorrichtung 104 angeordnet
sein. Unabhängig
davon liefern der eine oder die mehreren Sensormechanismen Informationen
an die Steuerung, die es ermöglichen,
dass die Steuerung die Menge an Leitung oder anderer Erwärmung, die
angelegt wird, durch ein Implementieren gespeicherter Protokolle,
Algorithmen oder dergleichen, die den bestimmten Informationen zugeordnet
sind, die durch den einen oder die mehreren Sensoren bereitgestellt werden,
steuern kann. Eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen
Objekts gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst z. B. folgende Merkmale: einen Mechanismus zum
Identifizieren eines Medientyps (z. B. nach Größe, physischen Eigenschaften,
codierten Informationen) und zum nachfolgenden Aneinanderschmelzen
von Schichten der Medien in ein dreidimensionales Objekt durch Anlegen
einer Menge an Leitung oder anderer Erwärmung, die unter Betrachtung
einer Charakteristik des Medientyps bestimmt wird (z. B. Glasübergangstemperatur schmelzbarer
Teilchen in dem Medium, Verhältnis schmelzbarer
Teilchen zu wasserlöslichen
Materialien in dem Medium, Typ schmelzbaren Teilchens in dem Medium,
Typ wasserlöslichen
Materials in dem Medium); und einen Aufbaubehälter, der konfiguriert ist,
um die eine oder die mehreren geschmolzenen Schichten während einer
Herstellung des dreidimensionalen Objekts zu tragen. So erlaubt
die vorliegende Erfindung eine digitale Herstellung aus einer Vielzahl
unterschiedlicher Medientypen, wie z. B. Medien mit unterschiedlichen
Dicken, Medien, die aus unterschiedlichen Typen thermoplastischer
Materialien gebildet sind, Medien, die aus unterschiedlichen Materialzusammensetzungen
gebildet sind, usw.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Heizvorrichtung 104 konfiguriert sein, um die Funktionen
sowohl des Filmschmelzens als auch der Farbgebung bereitzustellen,
und umfasst bei derartigen Ausführungsbeispielen
auch einen Drucker 105 (in gestrichelten Linien gezeigt).
Eine Integration dieser Funktionen kann z. B. durch ein Versehen
der Heizvorrichtung 104 mit einem Drucker 105,
der Tintenstrahldruckmechanismen umfasst, erzielt werden. Alternativ
kann eine separate Vorrichtung verwendet werden, um den Film einzufärben, bevor
derselbe an den dreidimensionalen Hersteller 100 geliefert
wird. In beiden Fällen
kann jede Schicht des Films vor dem Schmelzen digital mit einem
Farbbild bedruckt werden. Außerdem
kann, wie oben erläutert
wurde, der Film voreingefärbt
werden (d. h. mit einem oder mehreren Farbmitteln in der Mischung
gebildet werden).
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2 ist
eine Teilquerschnittansicht eines dreidimensionalen Herstellers 100', die zeigt,
wie gerade eine Schicht eines Aufbaufilms 150 während der Herstellung
eines dreidimensionalen Objekts an die obere Schicht eines Stapels 160 zuvor
geschmolzener Aufbaufilmschichten geschmolzen wird. Bei diesem Beispiel
umfasst der dreidimensionale Hersteller 100' einen Medienvorschubmechanismus
in der Form einer oder mehrerer Rollen 170 und die Schicht des
Aufbaufilms 150 und eines benachbarten Lösefilms 180 werden
von einer Rolle bereitgestellt. Beispielhaft ist der Lösefilm 180 ein
mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtetes Polyester oder PTFE-beschichtetes
Polyimid.
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Gemäß verschiedenen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird Film von Rollen oder Lagen zu einem
Aufbaubereich zugeführt,
jeweils eine Schicht zu einer Zeit, und erzeugt deshalb keine Sicherheitsgefährdung oder
Sauberkeitsproblem, wie dies der Fall bei den Pulvern und Flüssigkeiten
vieler gegenwärtiger
Maschinen ist. Nachdem jede Schicht in dem Aufbaubereich platziert
ist, wird diese selektiv auf eine derartige Art und Weise erwärmt, um
die thermoplastischen Teilchen nur in den ausgewählten Bereichen aufzuschmelzen
und dieselben aneinander und an die Lage darunter zu binden. Durch
ein Variieren der ausgewählten
erwärmten
Bereiche in jeder Schicht mit fortschreitendem Aufbau wird ein dreidimensionales
Objekt in dem Aufschmelzbereich erzeugt. Wie oben erläutert wurde,
kann dieses selektive Erwärmen
durch die Verwendung eines thermischen Seitenbreite-Druckbalkens,
der über
die Oberfläche
des Films bewegt wird (z. B. mit einer stetigen Rate), oder eines
sich bewegenden thermischen Kopfs oder eines Laserstrahls, usw erzielt
werden. Abhängig
von der Natur des Films und der Teilchen des Objektherstellungsvorgangs
könnte
ein Lösefilm
zwischen der Heizvorrichtung und dem Film benötigt werden. Nach Abschluss des
Aufbaus kann der Stapel verbundener Filme aus dem Aufbaubereich
entfernt und mit Wasser gewaschen werden, um die unverbundenen Bereiche
von Film abzulösen.
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Die 3A–3D stellen
dar, wie ein Abschnitt einer einzelnen Filmschicht geschmolzen wird,
und wie nichtgeschmolzene Abschnitte der Filmschicht danach weggewaschen
werden, was nur den geschmolzenen Abschnitt des Films hinterlässt. Bezug
nehmend auf 3A umfasst eine einzelne Filmschicht 300 thermoplastische
Teilchen 302, die durch eine wasserlösliche Polymer- (WSP-) Matrix oder
ein -Bindemittel 304 zusammengehalten werden. Wie in 3B gezeigt
ist, schmilzt der Film 300 in den Bereichen, wo Wärme angelegt
wird, was eine einheitliche, geschmolzene thermoplastische Matrix oder
Region 310 erzeugt, innerhalb der WSP-Teilchen 312 gefangen sind.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen „invertieren" die thermoplastischen Teilchen 302,
und verändern
sich dabei von hydrophil zu hydrophob, wenn sie in die thermoplastische
Matrix 310 geschmolzen werden. Die geschmolzene thermoplastische
Region 310 ist nicht mehr wasserlöslich, während die WSP-Matrix-Bereiche 314,
die nicht erwärmt
wurden, durch Wasser gelöst
werden können
(3C), was nur den geschmolzenen Abschnitt des Films
hinterlässt,
d. h. die Region 310, innerhalb der WSP-Teilchen 312 gefangen sind (3D).
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Durch
ein Strukturieren aufeinanderfolgender Schichten von Film mit Querschnittsstücken eines
Festkörperteils
baut der geschmolzene Bereich ein dreidimensionales Objekt auf.
Nachdem das Objekt vollständig
definiert wurde, wird der nicht-geschmolzene Film mit Wasser weggewaschen.
Wie oben erläutert
wurde, können
Vollfarbobjekte durch ein Drucken auf jede Filmschicht, z. B. mit
dem Drucker 105 (1), vor
dem selektiven Heizvorgang, erzeugt werden.
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Ein
beispielhaftes Verfahren zum Verwenden einer Heizvorrichtung zur
Herstellung eines dreidimensionalen Objekts beginnt mit einem Platzieren
eines wasserlöslichen
Aufbaufilms (enthält
z. B. klare thermoplastische Teilchen) auf dem Arbeitsbereich. Ein
dünner
nicht-haftender Lösefilm
bedeckt zeitweilig die Oberfläche
des Aufbaufilms. Ein thermischer Seitenbreite-Druckbalken wird über den
Aufbaubereich bewegt, was selektiv diejenigen Bereiche erwärmt, die
Teil des letztendlichen Objekts werden. Der Lösefilm wird abgehoben, eine
neue Schicht Aufbaufilm wird zu dem Arbeitsbereich zugeführt und das
Verfahren wird wiederholt, bis das Teil vollständig ist. Der Stapel verbundenen
Films wird aus dem Drucker entfernt und der unverbundene Film wird
mit Wasser weggewaschen. Der Aufbaubereich kann variiert werden,
um Materialabfall zu minimieren, indem eine schmalere Filmrolle
(Breite) geladen wird oder die Filme auf die minimale Größe geschnitten
werden, die erforderlich ist (Länge),
um das spezifische Teil aufzubauen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst ein Verfahren zum Verwenden einer Heizvorrichtung zur Herstellung
eines dreidimensionalen Objekts die folgenden Schritte: aufeinanderfolgendes Zuführen von
Schichten eines Aufbaufilms und eines benachbarten Lösefilms
auf einen Aufbaubereich, wobei der Aufbaufilm ein wasserlöslicher
Verbundstoff thermoplastischer Teilchen in einem Bindemittelmaterial
ist; für
jede Schicht, Verwenden einer Heizvorrichtung zum Erwärmen ausgewählter Bereiche der
Schicht, und danach Abheben des Lösefilms derselben, bevor die
nächste
Schicht zum Aufbaubereich zugeführt
wird, um die thermoplastischen Teilchen in den ausgewählten Bereichen
aufzuschmelzen und die thermoplastischen Teilchen aneinander und
an die Schicht unterhalb zu binden, um ein dreidimensionales Objekt
zu erzeugen; und Wegwaschen unverbundener Abschnitte des Aufbaufilms mit
Wasser, um das dreidimensionale Objekt freizugeben. Bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel
werden der Aufbaufilm und der Lösefilm
von einer Rolle oder als Lagen zugeführt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
werden die Aufbaufilmschichten mit einem oder mehreren Farbmitteln
(z. B. farbiger Tinte), bevor dieselben miteinander verbunden werden, bedruckt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Lösefilm
ein PTFE-beschichtetes Polyester oder Polyimid.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen
Objekts folgende Merkmale: einen Drucker mit einer Heizvorrichtung,
die konfiguriert ist, um nacheinander Schichten eines Mediums in
ein dreidimensionales Objekt zusammen zu schmelzen, indem eine Menge
an Leitung oder weiterer Erwärmung, die
unter Betrachtung einer Glasübergangstemperatur
schmelzbarer Teilchen in den Medien bestimmt wird, angelegt wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
beträgt
die Glasübergangstemperatur
etwa 30°C
bis 150°C.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst der Drucker einen Aufbaubehälter, der konfiguriert ist,
um die eine oder die mehreren geschmolzenen Schichten relativ zu
der Heizvorrichtung zwischen dem Schmelzen jeder Schicht zu tragen
und neu zu positionieren. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Drucker konfiguriert, um die Schichten des Mediums von einer
Rolle zu ziehen und nachfolgend die Schichten über dem Aufbaubehälter zu
positionieren.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Films, der in einen
nicht-wasserlöslichen
Zustand schmelzbar ist, wenn er Leitung oder einer anderen Erwärmung ausgesetzt
wird, wobei der Film eine Mischung thermoplastischer Teilchen und
einer wasserlöslichen
Polymermatrix ist, wobei der Film ferner ein Oberflächenaktivmittelsystem
umfasst, das an die thermoplastischen Teilchen gebunden ist, wobei
das Oberflächenaktivmittelsystem
eine Umkehreigenschaft bereitstellt, derart, dass die thermoplastischen
Teilchen hydrophil sind, jedoch auf ein Schmelzen des Films in ein
Volumen hin hydrophob werden, wenn das oberflächenaktive Mittel in das Volumen
eingebaut wird; Positionieren von Schichten des Films nacheinander
entlang einer Aufbauachse und, für
jede der Schichten, bevor eine nachfolgende Schicht positioniert
wird, Erwärmen
von Bereichen der Schichten, die aneinander geschmolzen werden sollen,
um ein geschmolzenes dreidimensionales Objekt zu bilden; und Lösen nicht-geschmolzener Abschnitte
der Schichten mit Wasser, um das geschmolzene dreidimensionale Objekt
freizugeben. So ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Entfernung überschüssigen nichtgebundenen Materials (einschließlich Materialien
aus zurückgesetzten
und komplexen Formen) durch ein Lösen in Wasser, was ein Vorgang
ist, der vorzugsweise keine gefährlichen chemischen
Substanzen beinhaltet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel liefert der
Schritt des Erwärmens
eine Menge an Energie an die Schichten, die eine Funktion einer
Glasübergangstemperatur
der thermoplastischen Teilchen ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
liefert der Schritt des Erwärmens
eine Menge an Energie an die Schichten, die eine Funktion einer
Zusammensetzung der Mischung der thermoplastischen Teilchen und
der wasserlöslichen
Polymermatrix ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf das obige bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschrieben wurde, wären
zahlreiche Modifizierungen und/oder Hinzufügungen an dem oben beschriebenen
bevorzugten Ausführungsbeispiel
für Fachleute auf
diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich. Es ist beabsichtigt, dass
der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sich über alle
derartigen Modifizierungen und/oder Hinzufügungen erstreckt.
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Zusammenfassung
der Offenbarung
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Ein
Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte
umfasst eine Mischung thermoplastischer Teilchen (300)
und einer wasserlöslichen
Polymermatrix (304), die als ein Film (300) gebildet
sind, der in einen nicht-wasserlöslichen
Zustand schmelzbar ist, wenn er einer Erwärmung ausgesetzt wird. Der
Film (300) umfasst ferner ein Oberflächenaktivmittelsystem, das
an die thermoplastischen Teilchen (302) gebunden ist, wobei
das Oberflächenaktivmittelsystem
eine Umkehreigenschaft bereitstellt, derart, dass die thermoplastischen Teilchen
(302) hydrophil sind, auf ein Schmelzen des Films (300)
hin jedoch hydrophob werden, wenn das oberflächenaktive Mittel in das Volumen
eingebaut wird.