DE112004000682T5 - Schmelzbare wasserlösliche Filme zur Herstellung dreidimensionaler Objekte - Google Patents

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Darrel H. Corvallis Cummings
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Abstract

Ein Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte, wobei das Material folgende Merkmale umfasst: eine Mischung thermoplastischer Teilchen (302) und einer wasserlöslichen Polymatrix (304), die als ein Film (300) gebildet sind, der in einen nichtwasserlöslichen Zustand schmelzbar ist, wenn er einer Erwärmung ausgesetzt wird, wobei der Film (300) ferner ein Oberflächenaktivmittelsystem umfasst, 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) in ein Volumen hin jedoch hydrophob werden, wenn das oberflächenaktive Mittel in das Volumen eingebaut wird.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • Mehrere Hauptformen der Festkörper-Freiform-Herstellung beinhalten einen Flüssigkeitsauswurfvorgang. Es gibt zwei Haupttypen der Festkörper-Freiform-Herstellung, die einen Flüssigkeitsauswurf verwenden: Bindemittelausstoßsysteme und Volumenausstoßsysteme.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Eine detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen:
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Herstellers, der zur Implementierung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
  • 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
  • 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.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Die 3A3D 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • 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.

Claims (15)

  1. Ein Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte, wobei das Material folgende Merkmale umfasst: eine Mischung thermoplastischer Teilchen (302) und einer wasserlöslichen Polymatrix (304), die als ein Film (300) gebildet sind, der in einen nichtwasserlöslichen Zustand schmelzbar ist, wenn er einer Erwärmung ausgesetzt wird, wobei der Film (300) ferner ein Oberflächenaktivmittelsystem umfasst, 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) in ein Volumen hin jedoch hydrophob werden, wenn das oberflächenaktive Mittel in das Volumen eingebaut wird.
  2. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem der Film (300) ferner ein Füll- oder Verstärkungsmaterial umfasst.
  3. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem der Film (300) ferner ein Farbmittel umfasst.
  4. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem der Film (300) mit Wasser benetzbar ist.
  5. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem der Film (300) eine Dicke aufweist, die von etwa 10 bis 250 μm variiert.
  6. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem der Film (300) eine Zusammensetzung aufweist, die von etwa 1:1 bis 2:1 (Thermoplast:Matrix) variiert.
  7. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die thermoplastischen Teilchen (302) als ein thermoplastisches Latex mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von etwa 30°C bis 150°C gebildet sind.
  8. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die thermoplastischen Teilchen (302) Polystyrol umfassen.
  9. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die thermoplastischen Teilchen (302) Polystyrol-Co-Butyl-Acrylat (SBA) umfassen.
  10. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die thermoplastischen Teilchen (302) Polymethyl-Methacrylat-Co-Butyl-Acrylat (MBA) umfassen.
  11. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die thermoplastischen Teilchen (302) Polymethyl-Methacrylat (MMA) umfassen.
  12. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die Polymermatrix (304) Polyvinyl-Alkohol (PVA) umfasst.
  13. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die Polymermatrix (304) Polyvinyl-Pyrrolidon (PVP) umfasst.
  14. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 1, bei dem die Polymermatrix (304) eine Mischung aus Polyvinyl-Alkohol (PVA) und Pentaerythritol umfasst.
  15. Das Material zur Verwendung bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß Anspruch 14, bei dem der PVA ein Molekulargewicht von etwa 85.000 g/mol aufweist.
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