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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein die Feststoffmodellierung und insbesondere
ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abgabe eines härtbaren
Phasenwechselmaterials zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts.
Das härtbare
Phasenwechselmaterial wird in fließfähigem Zustand abgegeben, der
sich nach der Abgabe verfestigt, und wird dann aktinischer Bestrahlung
ausgesetzt, wodurch es aushärtet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
letzter Zeit wurden mehrere neue Technologien zur schnellen Herstellung
von Modellen, Prototypen und Teilen begrenzter Auflage entwickelt.
Diese neuen Technologien werden allgemein als Fest-Freiform-Herstellungstechniken
(Solid-Freeform-Fabrication-Techniken)
bezeichnet, und werden im Folgenden „SFF" genannt. Diese SFF-Techniken umfassen
z.B. Stereolithographie, selektives Ablagerungsmodellieren, das
Herstellen laminierter Objekte, selektive Phasengebietsablagerung,
Mehrphasen-Strahlverfestigung, ballistische Teilchenherstellung,
Verbindungs-Ablagerungsmodellieren, Teilchenablagerung, Lasersinterung
und ähnliches.
Allgemein werden bei SFF-Techniken aus dem Modelliermaterial komplexe
Teile hergestellt, und zwar im Zugabeverfahren im Gegensatz zu konventionellen
Fabrikationstechniken, die naturgemäß allgemein substraktiv sind.
Zum Beispiel wird bei den meisten herkömmlichen Herstellungsverfahren
Material durch mechanische Bearbeitung entfernt oder in einer Modellform
oder Gussform geformt, um sich der Endform anzunähern, und dann feinbearbeitet.
Im Gegensatz dazu fügen
additive Herstellungstechniken schrittweise Anteile eines Aufbaumaterials
auf zielgenaue Orte Schicht für
Schicht zu, um ein komplexes Teil zu bauen. SFF-Technologien verwenden typischerweise
eine Computergrafikrepräsentation
eines Teils und einen Vorrat an Aufbaumaterial, um das Teil in aufeinander
folgenden Schritten herzustellen. SFF-Technologien haben viele Vorteile
gegenüber
herkömmlichen
Herstellungsverfahren. Zum Beispiel verkürzen SFF-Technologien die Entwicklungszeit
für Prototypteile
dramatisch und können
eine begrenzte Zahl an Teilen in schnellen Herstellungsprozessen
erzeugen. Außerdem
beheben sie die Notwendigkeit komplexer Werkzeugbereitstellung und
maschineller Bearbeitung, die mit den herkömmlichen substraktiven Herstellungsverfahren
verknüpft
ist, einschließlich
der Notwendigkeit, Formen für
maßgefertigte
Anwendungen zu erstellen. Zusätzlich
können
maßgefertigte
Objekte direkt aus den Computergrafikdaten in SFF-Techniken hergestellt
werden.
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Im
Allgemeinen werden bei den meisten SFF-Techniken Strukturen in einer
Schicht-für-Schicht-Weise geformt,
indem man aufeinanderfolgende Schichten eines Aufbaumaterials verfestigt
oder erhärtet.
Zum Beispiel wird bei der Stereolithographie ein eng fokussierter
Energiestrahl, typischerweise im ultravioletten Strahlungsband, über eine
Schicht eines flüssigen
Photopolymerharzes gescannt, um selektiv das Harz zum Bilden einer
Struktur zu härten.
Beim selektiven Ablagerungsmodellieren (Selective Deposition Modeling),
das im folgenden als „SDM" bezeichnet wird,
wird ein Phasenwechsel-Aufbaumaterial in einzelnen Tröpfchen ausgestoßen oder
in einzelnen Tropfen abgegeben oder durch eine Düse ausgestoßen, um sich bei Kontakt mit
einer Aufbauplattform oder einer vorangegangenen Schicht eines verfestigten
Materials zu verfestigen, um ein dreidimensionales Objekt schichtweise
aufzubauen. Andere in dieser neuen Branche verwendete synonyme Namen
für SDM
sind: solid object imaging (Aufbau fester Objekte), Ablagerungsmodellieren,
Mehrdüsen-Modellieren,
dreidimensionales Drucken, thermische Stereolithografie und ähnliches.
Häufig
wird ein thermoplastisches Material mit niedrigem Schmelzpunkt als
festes Modelliermaterial verwendet, welches durch ein Düsensystem
wie z.B. einen Extruder oder Druckkopf ausgebracht wird. Eine Art
SDM-Prozeß,
bei dem ein thermoplastisches Material ausgebracht wird, ist z.B.
in dem US-Patent Nr. 5,866,058 von Batchelder et al. beschrieben.
Ein SDM-Prozeß,
bei dem Tintenstrahldruckköpfe
verwendet werden, ist z.B. in dem US-Patent Nr. 5,555,176 von Menhennett
et al. beschrieben. Einige thermoplastische Aufbaumaterialen, die
bei SDM verwendet werden, werden unter den Namen Thermojet®2000
und Thermojet®88
vertrieben und sind von 3D Systems, Inc. Valencia, Kalifornien,
erhältlich
und werden dort verkauft. Auch sind einige Rezepturen für thermoplastische
Phasenwechsel-Aufbaumaterialien in dem US-Patent Nr. 6,132,665 von Bui et al.
offenbart.
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Phasenwechselmaterialien
verwendende SDM-Systeme haben bestimmte Vorteile gegenüber anderen
SFF-Systemen, wie z.B. der Stereolithographie. Ein signifikanter
Vorteil der SDM-Systeme ist, dass sie deutlich kostengünstiger
sind als Stereolithographiesysteme. Dies liegt üblicherweise daran, dass bei
den SDM-Systemen
relativ kostengünstige
Abgabeeinrichtungen verwendet werden, wie z.B. Tintenstrahldruckköpfe, anstatt
der für
Stereolithographiesysteme verwendeten teuren Laser- und Scankomponenten.
Ein weiterer Vorteil von SDM ist es, dass die Phasenwechsel-Aufbaumaterialien
typischerweise nicht reizend sind und direkt gehandhabt werden können, ohne
dass spezielle Behandlungsverfahren notwendig sind. Da sie weiterhin
keine Laser verwenden, die konzentrierte Strahlen erzeugen, sind
die für
das Arbeiten mit Lasern erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen
nicht erforderlich. Daher werden SDM-Systeme vorzugsweise in Büroräumen verwendet,
da spezielle Behandlungs- und/oder Sicherheitsmaßnahmen nicht erforderlich
sind.
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SDM-Systeme
haben jedoch im Vergleich zu Stereolithographiesystemen einige Nachteile.
Ein Nachteil ist es, dass die durch SDM aus herkömmlichen thermoplastischen
Materialien geformten dreidimensionalen Objekte im Vergleich zu
durch Stereolithographiesysteme geformten Objekten schlechtere mechanische Eigenschaften
aufweisen. Dies ist üblicherweise
auf den hohen Wachsgehalt zurückzuführen, der
in dem Material vorhanden sein muss, um die für die Abgabe notwendigen Phasenwechseleigenschaften
zu gewährleisten.
Da Wachs eine sehr geringe Bruchfestigkeit hat, reduziert der hohe
Wachsgehalt signifikant die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen
geformten Objekte. Zusätzlich
sind die geformten Objekte temperaturempfindlich, da die meisten
herkömmlichen
in SDM-Systemen
verwendeten Materialien thermoplastische Phasenwechselmaterialien
sind. Z.B. beginnen die Objekte bei etwas erhöhten Temperaturen klebrig zu
werden, was unerwünscht
ist.
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Es
besteht seit längerem
die Notwendigkeit, ein Aufbaumaterial mit verbesserten mechanischen
Eigenschaften für
die Verwendung in SDM-Systemen zu entwickeln. Einer der ersten Vorschläge war,
ein durch Ultraviolettstrahlung (UV) härtbares Phasenwechselmaterial
zu entwickeln, das nach der Ausgabe aus einer in einem SDM-System
verwendeten Abgabeeinrichtung gehärtet werden konnte. Theoretisch
sollte das Endprodukt, nachdem das abgesetzte Material durch Flutbelichtung
mit UV-Strahlung gehärtet
wurde, hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen, ähnlich den
Eigenschaften, die bei Stereolithographiesystemen unter Verwendung
flüssiger
Photopolymere erreicht wurden. Bis vor kurzem hat sich jedoch das
erfolgreiche Abgeben eines strahlungshärtbaren Phasenwechselmaterials
in einem SDM-System als problematisch erwiesen.
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Einer
der ersten Vorschläge
zur Verwendung eines strahlungshärtbaren
Phasenwechselmaterials findet sich in dem US-Patent Nr. 5,136,515
von Helinski, in dem vorgeschlagen wird, in einem SDM-System ein UV-härtbares
Aufbaumaterial selektiv abzugeben. Es sind jedoch keine UV-härtbaren
Rezepturen offenbart. Einige der ersten UV-härtbaren Materialrezepturen,
die für
die Verwendung in SDM-Systemen
vorgeschlagen wurden, finden sich in Appendix A der Internationalen
Patentveröffentlichung
WO 97/11837, wo drei reaktive Materialzusammensetzungen angegeben
sind. Allerdings findet sich keine Diskussion dieser Zusammensetzungen
in der Beschreibung. Weiterhin weist das US-Patent Nr. 6,133,355
von Leyden et al., welches dieselben drei Zusammensetzungen auflistet
und mit WO 97/11837 verwandt ist, darauf hin, dass es bevorzugt
ist, diese aus dem Druckkopf bei Temperaturen zwischen 90 und 140°C auszustoßen. Leyden
bemerkt weiterhin, dass eine reaktives Phasenwechsel-Aufbaumaterialzusammensetzung
nicht weniger als 20 Gew.-% eines reaktiven Photopolymerbestandteils
enthalten dürfte,
um die Vorteile des reaktiven Bestandteils realisieren zu können. Leyden
bemerkt weiterhin, dass die reaktive Phasenwechsel-Aufbaumaterial-Rezeptur
eine Viskosität von
18–25
Centipoise bei einer Abgabetemperatur von 125 bis 130°C haben sollte.
Es wird jedoch nicht angegeben, ob die Rezepturen erfolgreich abgegeben
wurden. Diese reaktiven Rezepturen sind ebenfalls in dem US-Patent
Nr. 5,855,836 von Leyden et al. offenbart.
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Ein
Haupterfordernis für
jegliches in SDM verwendetes Material ist, dass es dimensions-stabil
oder bei Umgebungstemperatur fest sein sollte und bei durch Wärmeanwendung
erzeugten höheren
Temperaturen schmilzt oder flüssig
wird. Sowohl beim Tintenstrahldrucken als auch bei SDM, wo Tintenstrahldruckköpfe verwendet
werden, muss die Abgabetemperatur wenigstens derjenigen des Schmelzpunktes
entsprechen, bei dem das Material in den geschmolzenen oder flüssigen Zustand übergeht.
In Tintenstrahldruckvorgängen
werden Phasenwechsel tintenmaterialien im geschmolzenen oder flüssigen Zustand
aus den Tintenstrahldruckköpfen
bei Temperaturen zwischen 85 und 150°C abgegeben, wie z.B. in dem
US-Patent Nr. 5,380,769 von Titterington et al. diskutiert wird.
Bei SDM werden thermoplastische Phasenwechselmaterialien typischerweise von
einem Tintenstrahldruckkopf bei ca. 130°C ausgestoßen, wie z.B. in dem US-Patent
Nr. 6,133,355 von Leyden et al. diskutiert wird. Weiterhin ist in
dem US-Patent Nr. 5,855,836 von Leyden et al. eine reaktive Materialrezeptur
offenbart, die in einem SDM-Verfahren abgegeben werden soll, mit
einem Tintenstrahldruckkopf bei einer Temperatur von vorzugsweise
ca. 140°C.
In der Internationalen Patentanmeldung WO 00/11092 ist ebenfalls
eine UV-härtbare
Phasenwechselrezeptur angegeben, die bei 130°C abgegeben werden soll, mit
einer Viskosität
von zwischen 20–25
Centipoise. Demgemäß weisen
die SDM-Techniken des Standes der Technik darauf hin, dass härtbare Phasenwechselmaterialien
bei Temperaturen von ca. 130°C
abgegeben werden sollten, und bei zweidimensionalem Drucken liegen
die Temperaturen üblicherweise
zwischen 85° und
150°C.
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Thermische
Stabilität
wird jedoch zu einem signifikanten Problem für härtbare Phasenwechselmaterialien,
wenn diese erhöhten
Abgabetemperaturen für
längere
Zeiträume
gehalten werden müssen.
In der WO 00/11092 wurde dieses Problem der thermischen Instabilität zunächst entdeckt,
indem man eine Erhöhung
der Viskosität
des Materials maß,
wenn dieses bei ca. 130°C über einen
längeren
Zeitraum gehalten wurde. Die WO 00/11092 offenbart den Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 14.
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Man
nimmt an, das diese Erhöhung
der Viskosität
durch thermische Initiierung des Härtungsprozesses verursacht
wird, wobei die langen reaktiven Moleküle beginnen, sich zu vernetzen.
Dies ist unerwünscht,
da die thermische Initiierung des Härtungsprozesses die Abgabeöffnungen
des Druckkopfes verstopfen und bewirken kann, dass das System versagt.
Bei dem Versuch, dieses Problem anzugehen, schlägt die WO 00/11092 vor, das
Material bei einer niedrigeren Temperatur (100°C) in einem Aufbewahrungsbehälter zu
halten, bevor es in den Druckkopf eingeführt wird, der dann das Material
bei einer Temperatur von ca. 130°C
abgibt. Dies unterbindet jedoch nicht das Vernetzen, das immer noch
in dem Tintenstrahldruckkopf auftreten kann und unerwünschterweise
dazu führen
kann, dass der Druckkopf versagt. Weiterhin kann das Vernetzen ebenfalls
in dem Aufbewahrungsbehälter
auftreten, so dass das Material so weit zerfällt, dass es nicht mehr richtig abgegeben
werden kann.
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Die
thermische Initiierung des Vernetzens in härtbaren Phasenwechselmaterialien,
die aus Tintenstrahldruckköpfen
ausgestoßen
werden, ist kein triviales Problem. Um die erwünschten mechanischen Festigkeiten
in den resultierenden Objekten zu erhalten, ist eine ausreichende
Menge an reaktiven Komponenten mit hohem molekularem Gewicht, wie
z.B. Monomere, Oligomere, multifunktionelle Acrylate u.ä. erforderlich.
Diese Komponenten erhöhen
jedoch die Viskosität
des formulierten Materials im Fließzustand, und häufig liegt dieser
Anstieg deutlich über
dem möglichen
Viskositäts-Schwankungsbereich
des Druckkopfes. Bisherige Ansätze
in SDM haben versucht, die Materialien bei den höchstmöglichen Temperaturen abzugeben,
bei denen die Viskosität
niedrig genug wäre,
um die Spezifikationen der Tintenstrahldruckköpfe zu erfüllen. Diese Vorgehensweise
funktioniert jedoch nicht bei UV-härtbaren Materialien, da die
hohen Abgabetemperaturen den Härtungsprozess
initiieren können,
was dazu führt,
dass die Viskosität
des Materials sich erhöht
und ungewünschte
Abgabeeffekte bewirkt. Das Zufügen
von Monomeren mit niedrigem Molekulargewicht zur Senkung der Viskosität der Formulierung
kann helfen; jedoch können
Geruchsprobleme auftreten, da diese Monomere zum Verdunsten neigen;
das Kondensieren innerhalb der Maschine verursacht außerdem Kontamination,
die zum Versagen der Maschine führen
kann. Daher ist es wünschenswert,
die Zugabe von Monomeren mit niedrigem Molekulargewicht zu minimieren.
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Das
Vernetzungsproblem wird weiter kompliziert, da in der Tintenstrahldruckindustrie
der Trend besteht, höhere
Druckauflösung
durch Verkleinern der Druckkopföffnungen
zu erzielen. Wenn die Öffnungsgröße sich
verringert, müssen
die Viskositätserfordernisse
für das
abzugebende Material steigen. Die ersten Phasenwechseltintenstrahldruckköpfe erforderten
eine Viskosität
von 18 bis 25 Centipoise bei Abgabetemperatur. Heutige Spezifikationen
erfordern typischerweise eine Viskosität von ca. 13 und ca. 14 Centipoise
bei Abgabetemperatur, wie z.B. der Z850-Druckkopf, der im Phaser®-850-Drucker,
der von der Xerox Corporation Wilsonville, Oregon, erhält ist,
verwendet wird. Druckköpfe
der nächsten
Generation könnten
sogar noch niedrigere Viskositätswerte
erfordern, wie z.B. 10 Centipoise oder weniger. Je mehr die für Tintenstrahldruckköpfe benötigten Viskositätswerte
sinken, umso schwieriger wird das Formulieren von Phasenwechselmaterialen, die
diese Erfordernisse erfüllen,
insbesondere für
strahlungshärtbare
Phasenwechselmaterialien.
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Neuere
Lehren zur Verwendung von härtbaren
Materialien beim dreidimensionalen Drucken sind in dem US-Patent
Nr. 6,259,962 von Gothait und in der Internationalen Veröffentlichungsnummer
WO01/26023 angegeben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Materialien
Phasenwechselmaterialien sind, die sich bei der Abgabe verfestigen.
Weder Schmelzpunkt noch Gefrierpunkt dieser Materialien wird erwähnt. Weiterhin
werden in keiner dieser Referenzen die Probleme der Vernetzung und
der thermischen Stabilität
erwähnt,
noch werden Materialrezepturen, Viskositätswerte oder Abgabetemperatur
offenbart.
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Es
besteht daher Bedarf, ein Verfahren und eine Einrichtung zu entwickeln,
die in der Lage sind, strahlungshärtbares Phasenwechselmaterial
in SDM abzugeben, während
gleichzeitig die mit der Abgabe des Materials verbundenen thermischen
Stabilitätsprobleme
eliminiert werden. Diese und andere Schwierigkeiten des Standes
der Technik wurden mit Hilfe der vorliegenden Erfindung gelöst.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bietet über
ein breites Spektrum Vorteile. Während
die nachfolgende Beschreibung für
eine Anzahl derartiger Anwendungen repräsentativ sein soll, ist sie
nicht vollständig.
Wie verständlich
wird, können
die hier gelehrten grundlegenden Verfahren und die Einrichtung leicht
für viele
Anwendungen abgewandelt werden. Daher sollen die vorliegende Beschreibung
und die beiliegenden Ansprüche dem
Umfang der offenbarten Erfindung entsprechen, auch wenn durch die
Anforderungen bei der Bezugnahme auf spezifische Beispiele eingrenzende
Angaben verwendet wurden.
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Es
ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, erfolgreich ein härtbares
Phasenwechselmaterial und ein nicht-härtbares Phasenwechsel-Trägermaterial
in fließfähigem Zustand
in einer SDM-Einrichtung abzugeben, das sich nach der Abgabe schnell
verfestigt und dann durch aktinische Bestrahlung gehärtet wird.
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Es
ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein härtbares
Phasenwechselmaterial bei einer Abgabetemperatur abzugeben, die
einem thermisch stabilen Temperaturwert für das Material entspricht oder niedriger
liegt.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das strahlungshärtbare Phasenwechselmaterial für einen
gewünschten
Zeitraum bei Abgabetemperatur gehalten werden kann, in dem die Reaktionskomponente
des Materials im Wesentlichen ungehärtet bleibt.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein strahlungshärtbares
Phasenwechselmaterial zu formulieren, das einen Viskositätswert von
ca. 13 bis ca. 14 Centipoise bei Abgabetemperatur aufweist.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die gebildeten
dreidimensionalen Objekte überlegene
mechanische Eigenschaften haben im Vergleich zu Objekten, die unter
Verwendung von thermoplastischem Phasenwechselbaumaterial durch
SDM geformt wurden.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein härtbares
Phasenwechselmaterial abgegeben werden kann, um ein dreidimensionales
Objekt in Verbindung mit der Abgabe eines nicht härtbaren Trägermaterials,
das leicht durch Anwendung eines Lösemittels oder durch Wärme entfernt
werden kann, zu bilden.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Einmalig für
die vorliegende Erfindung ist es, dass das härtbare Phasenwechselmaterial
bei einer Temperatur abgegeben wird, die eine thermisch stabile
Temperatur des Materials nicht übersteigt.
Diese thermisch stabile Temperatur ist die Maximaltemperatur, die
das Material für
einen gewünschten
Zeitraum beibehalten kann, während
die Reaktivonskomponente des Materials im Wesentlichen ungehärtet bleibt,
vorzugsweise zwischen 2 und 8 Wochen. In einer Ausführungsform
hat das härtbare
Phasenwechselmaterial einen Schmelzpunkt, der ca. 80°C nicht übersteigt, und
es weist eine Viskosität
auf, die nicht über
18 Centipoise bei Abgabetemperatur hinausgeht. Vorzugsweise liegt
die Abgabetemperatur bei ca. 80°C
und das Material hat eine Viskosität von zwischen ca. 13 und ca.
14 Centipoise bei Abgabetemperatur. Der Gefrierpunkt des Materials
liegt vorzugsweise über
Umgebungstemperatur, so dass das Material sich schnell verfestigt,
nachdem es abgegeben wurde, um einen pastenartigen, nicht fließfähigen Zustand
zu bilden. Sodann wird ein Einebner über die Schicht gezogen, um
die Schicht zu glätten
und die Schicht auf eine gewünschte
Dicke zu bringen. Vorzugsweise wird die Schicht dann mit einer Flutbelichtung
aktinischer Strahlung ausgesetzt, um die Schicht zu härten. Alternativ
können
jedoch eine Vielzahl von Schichten abgegeben und eingeebnet werden
und dann mit Flutbelichtung aktinischer Strahlung ausgesetzt werden.
Die Schritte werden wiederholt, bis ein dreidimensionales Objekt
geformt wurde, das hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist,
im Vergleich zu Objekten, die zuvor mit thermoplastischen Phasenwechselmaterialien
geformt wurden.
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Die
Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 14 definiert.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden durch das Verfahren
und die Einrichtung der vorliegenden Erfindung erzielt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
unter Berücksichtigung
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere unter
Berücksichtigung
der beigefügten
Zeichnungen, deutlich, wobei:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Modelliereinrichtung für feste
Ablagerung zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Modelliereinrichtung
für feste
Ablagerung zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
isometrische Ansicht der Einrichtung von 2 für das Praktizieren
der vorliegenden Erfindung ist.
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Für ein leichteres
Verständnis
wurden, wenn möglich,
zur Kennzeichnung identischer Elemente, die den Figuren gemein sind,
identische Bezugsziffern verwendet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Während die
vorliegende Erfindung für
alle SDM-Techniken und hierdurch hergestellte Objekte anwendbar
ist, wird die Erfindung in Bezug auf eine SDM-Technik beschrieben, die einen Tintenstrahldruckkopf verwendet,
der ein mit Ultraviolettstrahlung härtbares Phasenwechselmaterial
abgibt. Es ist jedoch zu begrüßen, dass
die vorliegende Erfindung mit jeder SDM-Technik durchgeführt werden
kann, die eine große
Vielfalt von härtbaren
Phasenwechselmaterialien verwendet. Zum Beispiel kann das härtbare Phasenwechselmaterial dadurch
gehärtet
werden, dass man es aktinischer Strahlung aussetzt, welche andere
Wellenlängen
aufweist als das ultraviolette Band des Spektrums, oder indem man
das Material thermischer Wärme
aussetzt.
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Wie
im Folgenden verwendet, ist der Begriff „fließfähiger Zustand" eines Aufbaumaterials
ein Zustand, in dem das Material Scherkräften nicht widerstehen kann,
die durch eine Abgabeeinrichtung, wie einem Tintenstrahldruckkopf,
bei der Abgabe erzeugt werden, wodurch das Material sich bewegt
oder fließt.
Vorzugsweise ist der fließfähige Zustand
des Aufbaumaterials ein flüssiger
Zustand, wobei der fließfähige Zustand
des Aufbaumaterials jedoch auch thixotropähnliche Eigenschaften aufweisen
kann. Die Begriffe „verfestigt" und „verfestigbar", wie sie hier verwendet
werden, beziehen sich auf die Phasenwechseleigenschaften eines Materials,
bei dem die Materialübergänge vom
fließfähigen in
einen nicht fließfähigen Zustand
stattfinden. Ein „nicht
fließfähiger Zustand" von Aufbaumaterial
ist ein Zustand, in dem das Material ausreichend selbsthaltend unter
seinem eigenen Gewicht ist, um seine eigene Form beizubehalten.
Ein Aufbaumaterial, das sich in festem, Gel-, Pasten- oder thixotropem
Zustand befindet, ist ein Beispiel für einen nicht fließfähigen Zustand
eines Aufbaumaterials für
diese Zwecke. Zusätzlich
bezieht sich der Begriff „gehärtet" oder „härtbar" auf jegliche Polymerisationsreaktion.
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Die
Polymerisationsreaktion wird vorzugsweise durch aktinische Strahlung
oder thermische Wärme ausgelöst. Höchst vorzugsweise
umfasst die Polymerisationsreaktion das Vernetzen von Monomeren
und Oligomeren, das durch aktinische Strahlung im ultravioletten
oder infraroten Wellenlängenspektrum
ausgelöst wurde.
Weiterhin bezeichnet der Begriff „gehärteter Zustand" ein Material oder
einen Teil eines Materials, in dem die Polymerisationsreaktion im
Wesentlichen abgeschlossen ist. Es ist anzuerkennen, dass in der
Regel das Material leicht zwischen dem fließfähigen und dem nicht fließfähigen Zustand
wechseln kann, bevor es gehärtet
wird; wenn es jedoch gehärtet
wurde, kann es nicht in einen fließfähigen Zustand zurück wechseln und
durch die Einrichtung abgegeben werden.
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Erfindungsgemäß wurde
entdeckt, dass es bei der Arbeit mit strahlungshärtbaren Phasenwechselmaterialien
in SDM wünschenswert
ist, das Material bei der niedrigstmöglichen Temperatur abzugeben.
Dies liegt an einer Vielzahl von in Beziehung stehenden Gründen, deren
wichtigster Grund es ist, die thermische Initiierung des Härtungsprozesses
zu verhindern, wenn das Material sich vor der Abgabe im fließfähigen Zustand
befindet. Dies sollte verhindert werden, da die thermische Initiierung
des Härtungsprozesses
den Druckkopf verstopfen kann, was dazu führt, dass die Einrichtung versagt.
Sogar wenn die SDM-Einrichtung fortlaufend im Betrieb wäre, um das
Material abzugeben, können
die Abgabeöffnungen
am proximalen und am distalen Ende des Druckkopfes verstopfen, da
sie häufig
für längere Zeiträume nicht
in Betrieb sind. Weiterhin minimiert die Abgabe bei der niedrigstmöglichen
Temperatur die Menge der thermischen Wärme, die anfangs in das zu
formende Objekt einfließt.
Dies ist wichtig, da während
des durch aktinische Strahlung initiierten Härtungsprozesses eine signifikante
Menge exothermer Wärme
erzeugt wird. Diese Wärme
muss zusätzlich
zu der nach der Verfestigung schon in dem Material vorhandenen Wärme so gering
wie möglich
gehalten werden, so dass die Temperatur einer zuvor geformten Schicht über den
Gefrierpunkt des Materials steigt. Wenn dies geschehen ist, wird
der Aufbauprozess fehlschlagen, da die nächste Schicht abgegebenen Materials
sich nicht verfestigen wird, sondern statt dessen fließfähig bleibt
und von dem Objekt herunterlaufen wird. Demgemäß muss die in dem Härtungsprozess
zusätzlich
erzeugte Wärme
durch Verringerung der Abgabetemperatur des Materials ausgeglichen
werden, so dass nachfolgende Schichten des abgegebenen Materials
sich bei Kontakt mit den gehärteten
Schichten verfestigen. Wie viel Wärme erzeugt wird, ist von einer
Anzahl von Faktoren abhängig,
steht aber allgemein im Bezug zu der Menge und der Art reaktiven
Materials in der Rezeptur. In einigen Fällen kann es auch erwünscht sein,
ein aktives oder passives Kühlsystem
zu verwenden, um Wärme
von der Oberfläche
des Objekts abzuleiten. Zum Beispiel könnte ein aktives Kühlsystem
einen Luftstrom über
die Oberfläche
des Objekts bei dessen Formung leiten, um die exotherme Wärme durch
Konvektion abzuleiten. Ein passives Kühlsystem könnte eine große thermisch
leitende Plattform enthalten, die als Wärmesenke arbeitet, die exotherme
Wärme durch
Leitung abzieht. Daher könnte
das Kühlsystem
verwendet werden, um eine Umgebung herzustellen, die die Temperatur
des gehärteten
Materials unter dem Gefrierpunkt des Materials hält, das dispensiert werden
soll, um die nächste
Schicht zu bilden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Z850-Druckkopf zum Abgeben des härtbaren Phasenwechselmaterials
verwendet; es können
aber auch andere Abgabeeinrichtungen verwendet werden, wenn dies
erwünscht
ist. Es wird empfohlen, dass das aus dem Z850-Druckkopf abgegebene
Material eine Viskosität zwischen
ca. 13 bis ca. 14 Centipoise aufweist. Frühere Erfahrungen beim Dispensieren
thermoplastischer Phasenwechselrezepturen aus Druckköpfen in
SDM haben gezeigt, das eine Abweichung in der Viskosität von weniger
als ca. 20% akzeptable Abgabeergebnisse erzeugt. Weitere Erfahrungen
mit SDM-Techniken haben gezeigt, dass die Materialien für längere Zeiträume generell
auf Abgabetemperatur oder nahe daran gehalten werden müssen. Dies
ist nötig,
um das Material abgabebereit zu halten. Dieser Zeitraum kann Minuten,
Stunden, Tage oder Wochen betragen. Es ist zum Beispiel möglich, dass
ein Anwender vergisst, eine SDM-Einrichtung abzustellen, wodurch
die Einrichtung wochenlang in Betriebsbereitschaft wäre. Während dieser
Zeit würde
das Material in den Vorratstanks und im Druckkopf bei Abgabetemperatur
gehalten werden. Es wäre
nicht wünschenswert,
wenn die Viskosität
des Materials in der Einrichtung um mehr als 20% des vorgesehenen Wertes
anstiege. Wenn dies geschieht, könnte
der Druckkopf verstopfen, was dazu führt, dass die Einrichtung nicht
betriebsfähig
ist, oder das Material würde
nicht sauber abgegeben werden, was zum Scheitern des Aufbauprozesses
führen
würde.
Aus all diesen Gründen
ist es wünschenswert,
dass sich die Viskosität
der in SDM abgegebene Materialien nicht um mehr als ca. 20% erhöht, wenn
diese für
ca. vier Wochen auf Abgabetemperatur gehalten werden. Vorzugsweise
sollte der Viskositätsanstieg
weniger als ca. 5% betragen, wenn die Abgabetemperatur über vier
oder mehr Wochen beibehalten wird. Idealerweise steigt die Viskosität nicht
an, was allerdings generell nicht möglich ist, wenn man mit strahlungshärtbarem
Phasenwechselmaterial arbeitet.
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Es
wurden thermische Alterungstests durchgeführt, um einen akzeptablen Temperaturbereich
zu bestimmen, in dem der Z850-Druckkopf in Verbindung mit der Abgabe
eines strahlungshärtbaren
Phasenwechselmaterials betrieben werden kann, um so innerhalb ca.
20% der Viskositätserhöhungsgrenze
für einen
gewünschten
Zeitraum zu verbleiben. Diese Tests wurden an einer Anzahl von Rezepturen
durchgeführt,
die für verlängerte Zeitspannen
auf unterschiedlichen erhöhten
Temperaturen gehalten wurden. Während
dieser Zeitspannen wurden Viskositätsmessungen der Rezepturen
vorgenommen, um den Härtungsgrad
der Rezepturen zu bestimmen. Rezepturen, die einen im Wesentlichen
starken Anstieg der Viskosität
aufwiesen, zeigten, dass der Härtungsprozess
durch thermische Initiierung stark beeinflusst wurde, was diese
Rezeptur inakzeptabel machte. Es wurden Tests bei erhöhten Temperaturen
von ca. 95°C,
85°C und
65°C für eine Reihe
von Rezepturen durchgeführt.
Die Ergebnisse variierten, insbesondere, da verschiedene kleine
Inhibitor- und Antioxidationsmittel-Mengen einigen Rezepturen beigefügt wurden,
um zu versuchen, den Härtungsprozess
so weit wie möglich
zu verhindern. Vor dem Testen der Rezepturen wurde festgelegt, dass
ein Viskositätsanstieg
von mehr als ca. 20% bei jeglicher erhöhten Temperatur inakzeptabel
ist, und der Zeitraum, in dem die Rezepturen unter dieser Grenze
blieben, wurde bestimmt. Rezepturen, deren Viskosität über diesen
Wert sehr schnell hinausging, wie z.B. innerhalb weniger Stunden,
wurden als inakzeptabel erachtet. Der bevorzugte Viskositätsbereich zwischen
ca. 13 bis ca. 14 Centipoise war für die Abgabe erwünscht. Die
obere Viskositätsgrenze
wurde als ca. 18 Centipoise bestimmt, und vorzugsweise ca. 16,8
Centipoise. Die niedrigere Viskositätsgrenze wurde auf ca. 10,5
Centipoise bestimmt, da einige getestete Rezepturen mit einem Viskositätswert von
ca. 10,5 Centipoise erfolgreich abgegeben wurden. Aus den Daten
jedes Tests konnte daher für
jede Rezeptur bei einer bestimmten Temperatur ein akzeptabler thermisch
stabiler Zeitraum bestimmt werden. Dieser gewünschte Zeitraum wird im Folgenden
als das Abgabeleben des Materials bezeichnet, und er ist der kleinste
gewünschte Zeitraum, in
dem der reaktive Bestandteil des Materials im Wesentlichen ungehärtet bleibt,
wenn das Material auf der Abgabetemperatur gehalten wird. Als Minimum
sollte das Abgabeleben des Materials wenigstens eine Stunde betragen,
und vorzugsweise zwischen ca. 2 bis ca. 8 Wochen.
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Generell
hatten alle auf 95°C
gehaltenen Rezepturen ein inakzeptables Abgabeleben von weniger
als ca. 3 Tagen. Die meisten der auf 85°C und 80°C gehaltenen Rezepturen hatten
ein generell akzeptables Abgabeleben von ca. 2–3 Wochen. Die meisten der
auf 65°C
gehaltenen Rezepturen hatten ein festgestelltes Abgabeleben von
ca. 2 bis ca. 8 Wochen. Aus diesen Tests wurde ein Konsens erreicht,
dass die höchste
thermisch stabile Temperatur für
die Abgabe einer strahlungshärtbaren
Phasenwechselrezeptur ca. 90°C
beträgt, da
dieser Wert zwischen den bei 95°C
erhaltenen inakzeptablen Ergebnissen und den generell akzeptablen Ergebnissen
bei 85°C
liegt. Zusätzlich
wird angenommen, dass durch Abgleichen der Menge an Inhibitoren und
Antioxidationsmitteln in der Rezeptur die strahlungshärtbaren
Phasenwechselrezepturen bei diesen Temperaturen brauchbar sind und
dass dies insbesondere erreicht werden kann, wenn das akzeptable
Abgabeleben des Materials ca. 3 Wochen oder weniger beträgt.
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Schädigungen
der Piezoelemente in dem Z850-Druckkopf begannen bei Temperaturen
unter ca. 60°C aufzutreten.
Daher wurde der brauchbare Temperaturbereich für den Z850-Druckkopf auf zwischen
ca. 60°C und
ca. 90°C
für die
Abgabe strahlungshärtbaren
Phasenwechselmaterials festgelegt, wobei der bevorzugte Abgabetemperaturbereich
zwischen ca. 60°C
und ca. 85°C
liegt, und die am meisten bevorzugte Abgabetemperatur bei ca. 80°C liegt.
Daher kann eine thermisch stabile Abgabeumgebung für die Abgabe
eines strahlungshärtbaren
Phasenwechselmaterials erhalten werden, wenn die Abgabetemperatur
zwischen ca. 60°C und
ca. 90°C
liegt.
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Zur
Bestimmung der geeigneten Abgabetemperatur kann – wenn gewünscht – eine alternative Vorgehensweise
verwendet werden. Bei dieser Vorgehensweise können das Abgabeleben und die
Rezeptur vorgewählt
werde, und die thermisch stabile Temperatur könnte über Tests bestimmt werden.
Die Tests könnten durchgeführt werden,
um die höchste
Temperatur zu bestimmen, bei der das Material in einem fließfähigen Zustand
für einen
bestimmten Zeitraum gehalten werden kann, wie z.B. wenigstens eine
Stunde, in der die Reaktionskomponente in dem Material im Wesentlichen
ungehärtet
bleibt. Der gewünschte
Zeitraum kann zwischen ca. 2 bis ca. 8 Wochen liegen, wenn eine
lange Haltbarkeitsdauer erforderlich ist. Die durch Messen der Viskositätsänderung
des Materials gesammelten Daten über
den gewünschten
Zeitraum können
verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Material im Wesentlichen
ungehärtet
bleibt, z.B. wenn die Viskosität
nicht um mehr als ca. 20% steigt. Wenn das Material eine Anfangsviskosität von zwischen
ca. 13 und ca. 14 Centipoise hat, ist ein Anstieg auf nicht mehr
als 18 Centipoise erwünscht,
und vorzugsweise nicht mehr als 16,8 Centipoise. Tests könnten bei
verschiedenen Temperaturen fortgesetzt werden, und aus den Daten
könnte eine
thermisch stabile Temperatur bestimmt werden. Dann müsste die
Abgabetemperatur für
die Einrichtung lediglich entsprechend dieser Temperatur oder weniger
festgesetzt werden, um zu gewährleisten,
das die Abgabe fortlaufend und zuverlässig erfolgt. Daher könnte bei
diesem alternativen Ansatz die Abgabetemperatur auf eine spezifische
härtbare
Phasenwechselrezeptur angepasst werden.
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Es
wurde ein Anzahl von strahlungshärtbaren
Phasenwechsel-Aufbaumaterialrezepturen entwickelt. Die Rezepturen
wurden so entwickelt, dass sie durch Aussetzen einer Ultraviolettstrahlung
bei einer Viskosität von
zwischen ca. 13 und ca. 14 Centipoise und einer Temperatur von ca.
80°C aushärten. Es
wurde darauf abgezielt, dass die Materialrezepturen einen Schmelzpunkt
von zwischen ca. 50°C
bis ca. 60°C
hatten und einen Gefrierpunkt von zwischen 45°C bis ca. 55°C. Es ist wünschenswert, dass der Schmelzpunkt
des Materials wenigstens niedriger als die Abgabetemperatur ist,
aber generell nicht niedriger als ca. 50°C, da es anderenfalls möglich ist,
dass das Abgabematerial in der Umgebung nicht aushärtet, in
der exotherme Wärme
aus zuvor gehärteten
Schichten weiterhin abgegeben wird. Ein Schmelzpunkt zwischen ca.
50°C und
ca. 80°C
ist akzeptabel, allerdings sollte er vorzugsweise zwischen ca. 50°C und ca.
60°C liegen,
um sicherzustellen, dass das Material fließfähig bleibt, angesichts der
Tatsache, dass in dem Druckkopf Temperaturschwankungen auftreten
können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein nicht härtbares
Phasenwechsel-Trägermaterial
aus demselben Druckkopf wie das härtbare Phasenwechsel- Aufbaumaterial ausgestoßen. Bei
dieser Ausführungsform
müssen
Schmelzpunkt, Gefrierpunkt und Viskosität des Trägermaterials bei der Abgabetemperatur denjenigen
des härtbaren
Phasenwechsel-Aufbaumaterials entsprechen. Daher wird das Trägermaterial
vorzugsweise so gewählt,
dass es dieselben Phasenwechseleigenschaften hat wie das härtbare Phasenwechsel-Aufbaumaterial.
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Die
härtbaren
Phasenwechsel-Aufbaumaterialrezepturen hatten gemäß den thermischen
Alterungstests ein Abgabeleben von wenigstens ca. 4 Wochen. Es wird
angenommen, dass die Rezepturen ein Abgabeleben von wenigstens ca.
5 bis 8 Wochen haben, wenn auch die Tests nicht über 4 Wochen hinaus durchgeführt wurden.
Die Rezepturen umfassen generell zwischen ca. 20 bis ca. 40 Gew.-%
an Monomeren und Oligomeren mit hohem Molekulargewicht, zwischen
ca. 10 bis ca. 60 Gew.-% an Monomeren und Oligomeren mit niedrigem
Molekulargewicht, zwischen ca. 1 bis ca. 6 Gew.-% eines Photoinitiators
und zwischen ca. 5 bis 25 Gew.-% an Wachs. Die reaktiven Komponenten
sowohl mit hohem als auch mit niedrigem Molekulargewicht umfassen
zwischen ca. 75 bis ca. 95 Gew.-% des Materials. Die Kombination
von Monomeren mit hohem und niedrigem Molekulargewicht wurden entsprechend
abgestimmt, um so die gewünschte
Viskosität
von zwischen ca. 13 bis ca. 14 Centipoise für die Rezeptur bei einer Temperatur
von ca. 80°C
zu erhalten. Für
die Monomere mit hohem Molekulargewicht wurden sowohl Urethanacrylat
als auch Epoxidacrylat verwendet, getrennt und in Kombination. Für die Monomere
mit niedrigem Molekulargewicht wurden Methacrylat, Dimethacrylat,
Triacrylat und Diacrylat in unterschiedlichen Kombinationen verwendet.
Es wurden nicht-reaktive Urethanwachse verwendet; allerdings könnten auch
andere Wachse verwendet werden, wie z.B. Kohlenwasserstoffwachse,
Paraffinwachse, fetthaltige Esterwachse und ähnliches. Die Komponenten von
vier beispielhaft erstellten Materialrezepturen sind in Gew.-% in
Tabelle 1 dargestellt.
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Die
nachfolgenden, in den vier in Tabelle 1 aufgelisteten Rezepturen
sind bei der Firma Sartomer Inc. aus Exton, Pennsylvania, unter
den folgenden Bezeichnungen erhältlich:
CN980, CN981, CN975, CN2901, SR203, SR205, SR340, SR313, SR454,
CD406, SR406 und SR493D. Die Komponenten ADS 038 und ADS 043 sind
von American Dye Source, Inc. aus Quebec, Kanada, erhältlich.
Das Epoxidacrylat unter der Bezeichnung E3200 ist bei UBC Chemical,
Inc. aus Atlanta, Georgia, erhältlich.
Der Photoinitiator mit der Bezeichnung I-184 ist bei Ciba Specialty
Chemicals, Inc. aus New York, New York erhältlich.
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Die
Rezepturen in Tabelle 1 wurden gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt, indem man die einzelnen Komponenten in einem Kessel
mit einer Mischwelle mischte. Ein Kessel wurde auf ca. 85°C vorgeheizt und
die Komponenten wurden in den Kessel hinein gegeben. Daraufhin wurde
der Kessel geschlossen und der Rührvorgang
begann. Das Rühren
wurde fortgesetzt, während
die Komponenten sich schließlich
der Kesseltemperatur anpassten. Der Rührvorgang wurde dann fortgesetzt,
bis ein homogenisierter geschmolzener Zustand erreicht war. Die
Viskosität
wurde gemessen und nach Bedarf eingestellt. Es dauerte ca. 2,5 Stunden, um
eine Menge von 75 Pfund der Rezepturen in einen homogenisierten
Zustand zu versetzen. Die Rezepturen wurden dann aus dem Kessel
entnommen und im flüssigen
Zustand durch einen 1 Mikron Absolutes Filter gefiltert. Die Rezepturen
wurden dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt, bei der sie schließlich vom
fließfähigen in
den nicht fließfähigen Zustand übergingen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gibt die SDM-Einrichtung ein bevorzugtes UV-härtbares
Phasenwechselmaterial ab, um das Objekt zu formen, wie z.B. das
in Beispiel 4 von Tabelle 1, und ein weiteres nicht härtbares
Phasenwechselmaterial, um – wenn
gewünscht – Träger für das Objekt
zu formen. Dies ist erwünscht,
damit das nicht härtbare
Phasenwechselmaterial aus dem gehärteten Objekt durch Anwendung
eines Lösemittels
entfernt werden kann, um das Trägermaterial
zu lösen
oder durch Anwendung von Wärme, um
das Trägermaterial
zu schmelzen. Das Trägermaterial
kann ein thermoplastisches Phasenwechselmaterial sein wie z.B. das
in US-Patent 6,132,665 von Bui et al. offenbarte. Alternativ kann
das Trägermaterial
ein wasserlösliches
Material sein, das, wenn gewünscht,
ein Fluortensid einschließt,
um die Oberflächenspannung des
Materials zu verringern und somit die Tropfenform und die Kohäsion des
ausgestoßenen
Materials zu verbessern. Zusätzlich
kann das Material ein Gel sein, wie z.B. Gelatine, die nach Wunsch
von dem Objekt abgewischt werden kann. Zusätzlich kann das Trägermaterial
mechanisch weiche Eigenschaften aufweisen, so dass es leicht von
dem dreidimensionalen Objekt abgebröckelt werden kann.
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In
einer bevorzugten SDM-Einrichtung der vorliegenden Erfindung ist
ein Z850-Druckkopf
so ausgebildet, dass er auch ein nicht härtbares Phasenwechsel-Trägermaterial
ausstößt sowie
das härtbare
Phasenwechsel-Aufbaumaterial. Eine bevorzugte Trägermaterialrezeptur umfasst
70 Gew.-% Octadecanol, das bei Ruger Chemical Co., Inc., aus Irvington,
New Jersey, erhältlich
ist, und 30 Gew.-% eines Klebrigmachers, der unter der Bezeichnung
KE 100 bei Arakawa Chemical (USA) Inc., aus Chicago, Illinois, erhältlich ist.
Diese Trägermaterialrezeptur
hat eine Viskosität
von ca. 11,0 Centipoise bei einer Temperatur von ca. 80°C, und einen Schmelzpunkt
von ca. 58°C
und einen Gefrierpunkt von ca. 49°C.
Die Rezeptur wurde in einem mit einer Mischwelle ausgestatteten
Kessel gemischt. Der Kessel wird auf ca. 85°C vorgeheizt und das Octadecanol wird
als erstes in den Kessel gefüllt,
da es den niedrigeren Schmelzpunkt besitzt. Der Kessel wird geschlossen und
der Rührvorgang
beginnt. Sobald das Octadecanol geschmolzen ist, wird das KE 100
zu der Mischung zugefügt,
wobei fortlaufend gerührt
wird. Der Kessel wird geschlossen und das Rühren wird fortgesetzt, bis
ein homogenisierter Zustand der Mischung erreicht ist. Die Viskosität wird gemessen
und wenn nötig
eingestellt. Die Rezeptur wird dann aus dem Kessel entfernt und
durch einen 1 Mikron Absolutes Filter gefiltert, während sie
sich noch im fließfähigen Zustand
befindet. Die Rezeptur wird dann auf Umgebungstemperatur gekühlt, bei der
sie vom fließfähigen in
den nicht fließfähigen Zustand übergeht.
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Tenside
wie Fluortenside können
zu jeder der Aufbau- oder Trägermaterialrezepturen
zugefügt
werden, um die Kohäsion
des Materials und die Tropfenform bei der Abgabe zu verbessern.
Allgemein können durch
Zugabe von Fluortensiden Flüssigkeiten
mit höherer
Oberflächenspannung
ausgestoßen
werden. Fluortenside in Konzentrationen zwischen ca. 0,01% bis ca.
0,10% können
zugefügt
werden, insbesondere zu hochpolaren wasserlöslichen Phasenwechselrezepturen,
und zu Rezepturen, die mäßig polare
Tinten umfassen. Für
UV-härtbare
Phasenwechselrezepturen können
die Fluortenside die Oberflächenspannung
von ca. 33 Dyn/cm2 bis auf 27 Dyn/cm2 verringern.
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Die
härtbaren
Rezepturen wurden aus einem Z850-Druckkopf abgegeben, der zur Abgabe
von Materialien bei einer Temperatur von ca. 80°C modifiziert wurde. Es wurden
Testteile geformt, bei dem jede Schicht durch Ansetzen einer aktinischen
Strahlung durch Flutlichtbelichtung bei einer Temperatur von ca.
80°C gehärtet wurde.
Die Teile wurden dann getestet, um die erzielten resultierenden
physikalischen Eigenschaften zu bestimmen. Die für die ersten drei Rezepturen gemessenen
physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 angegeben, zusammen
mit ihren Viskositätswerten,
Schmelz- und Gefrierpunkten.
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Diese
mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit und Zugmodul) sind sehr
viel besser als diejenigen, die bei SDM unter Verwendung von thermoplastischem
Phasenwechselmaterial erhalten wurden. Zum Beispiel hat in US-Patent
Nr. 6,132,665 von Bui et al. die offenbarte nicht härtbare thermoplastische
Phasenwechselrezeptur eine Dehnung von 73% und eine Zugfestigkeit
von 3MPa (435 psi). Diese physikalischen Eigenschaften sind charakteristisch
für diejenigen,
die unter Verwendung des Thermojet® Festkörperdruckers,
der Thermojet®2000
Aufbaumaterial ausstößt, erzielt
werden, wobei sowohl Einrichtung als auch Material von 3D Systems,
Inc., Valencia, Kalifornien, vertrieben werden. Die vier härtbaren
Phasenwechselrezepturen zeigen klar hervorragende Zugfestigkeit
und Haltbarkeit im Vergleich mit nicht härtbaren thermoplastischen Rezepturen.
Zum Beispiel ist die Zugfestigkeit der Rezeptur in Beispiel 1 mehr
als fünfmal
höher als
die Zugfestigkeit der nicht-härtbaren
thermoplastischen Rezeptur. Die Rezeptur in Beispiel 4 wird bevorzugt,
da sie weniger brüchig
ist als die anderen Rezepturen und daher haltbarer. Die bevorzugten
Rezepturen sind ebenfalls in der kürzlich eingereichten US-Patentanmeldung
unter Aktenzeichen Nr. USA.282 offenbart, die den Namen „Selective
Deposition Modeling with Curable Phase Change Materials" (Selektive Ablagerungsmodellierung
mit härtbaren
Phasenwechselmaterialien) trägt,
und auf die hier Bezug genommen wird.
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Insbesondere
gemäß 1 wird
generell durch die Bezugsziffer 10 eine SDM-Einrichtung zum Durchführen des
SDM-Verfahrens der vorliegenden Erfindung angegeben. Die SDM-Einrichtung 10 wird
beim Aufbau eines dreidimensionalen Objekts 44 auf einem
Trägeraufbau 46 gezeigt,
in einer Aufbauumgebung, die generell durch die Bezugsziffer 12 dargestellt
ist. Das Objekt 44 und der Trägeraufbau 46 werden
Schicht für Schicht
auf einer Aufbauplattform 14 aufgebaut, die vertikal exakt
durch jegliche konventionellen Betätigungsmittel 16 positioniert
werden kann. Direkt über
und parallel zur Plattform 14 befindet sich ein Schienensystem 18,
auf dem ein Material-Abgabewagen 20 angeordnet ist, der
eine Abgabeeinrichtung 24 trägt. Vorzugsweise ist die Abgabeeinrichtung 24 ein
Tintenstrahl-Druckkopf, der ein Aufbaumaterial sowie Trägermaterial
abgibt und piezoelektrisch ist, also eine Mehrzahl von Abgabeöffnungen
aufweist. Je nach Wunsch können
jedoch auch andere Tintenstrahldruckköpfe verwendet werden, wie z.B.
akustische oder elektrostatische Druckköpfe. Ein bevorzugter Tintenstrahldruckkopf
ist der Z850-Druckkopf der Xerox Corporation, Wilsonville, Oregon.
Alternativ kann eine thermische Sprühdüse anstatt eines Tintenstrahldruckkopfes
verwendet werden, wenn dies gewünscht
ist.
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Der
den Druckkopf 24 tragende Wagen erhält das härtbare Phasenwechselmaterial 22 aus
einem entfernt gelegenen Behälter 49.
Der entfernt gelegene Behälter 49 weist
Heizelemente 25 auf, die das härtbare Phasenwechsel-Aufbaumaterial
in fließfähigen Zustand
versetzen und dieses auch so halten sollen. Dementsprechend wird
dem den Druckkopf 24 tragenden Wagen auch das nicht härtbare Phasenwechsel-Trägermaterial
aus dem entfernt gelegenen Behälter 50 in
flüssigem
Zustand zugeführt.
Zum Ausstoßen
der Materialien ist ein Heizelement vorhanden, das zunächst die
Materialien in einen fließfähigen Zustand
versetzt und diese dann auf ihrem Weg zum Druckkopf im fließfähigen Zustand
hält. Das
Heizelement umfasst Heizer 25 an beiden Behältern 49 und 50 und
zusätzliche
Heizelemente (nicht gezeigt) auf den Schläuchen 52, die die
Behälter mit
dem Druckkopf 24 verbinden. Auf dem Druckkopf 24 ist
eine Mehrzahl von Abgabeöffnungen 27 zum
Abgeben sowohl des Aufbaumaterials als auch des Trägermaterials
angeordnet, wenngleich lediglich eine in 1 dargestellt
ist. Jede Abgabeöffnung
soll entweder das Aufbaumaterial oder das Trägermaterial so auszustoßen, dass
jede der Materialien an jedem gewünschten Zielort auf der Aufbaufläche aufgebracht
werden kann.
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Für die Abgabeeinrichtung 24 ist
eine sich hin- und herbewegende Einrichtung vorgesehen, die sich auf
dem Schienensystem 18 entlang einem horizontalen Weg durch
ein herkömmliches
Antriebselement 26 wie z.B. einen Elektromotor hin- und
herbewegt. Generell braucht der die Abgabeeinrichtung 21 tragende
Wagen eine Mehrzahl von Durchläufen,
um eine vollständige
Materialschicht aus den Abgabeöffnungen 27 abzugeben.
In 1 ist ein Teil einer Schicht 28 von abgegebenem
Material dargestellt, nachdem der Wagen gerade seinen Weg von links
nach rechts begonnen hat. Ein abgegebener Tropfen 30 ist
im Flug gezeigt und der Abstand zwischen der Abgabeöffnung und
der Schicht 28 aus Aufbaumaterial ist zum Zwecke der Illustration stark
vergrößert. Die
Schicht 28 kann vollständig
aus Aufbaumaterial oder aus Trägermaterial
bestehen, oder je nach Bedarf eine Kombination aus Aufbau- und Trägermaterial
sein, um das dreidimensionale Objekt zu formen und zu halten.
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Aufbau-
und Trägermaterial
werden als einzelne Tröpfchen 30 in
fließfähigem Zustand
ausgestoßen, wobei
die Tröpfchen
sich beim Auftreffen auf die Schicht 28 als Ergebnis eines
Phasenwechsels verfestigen. Alternativ können die Materialien in einem
fortlaufenden Strom in einem SDM-System ausgestoßen werden, wenn dies gewünscht wird.
Jede Schicht des Objekts ist in eine Vielzahl von Pixeln auf einer
Bitmap unterteilt, wobei den Pixelorten eine Zielposition zugeordnet
ist, um das härtbare
Phasenwechselmaterial 22 aufzubringen. Dementsprechend
können
Pixelkoordinaten, die außerhalb
des Objekts liegen, für
die Abgabe von nicht härtbarem
Phasenwechselmaterial 48 angesteuert werden, um dem Objekt
den benötigten
Halt zu bieten. Generell kann man sagen, sobald die einzelnen Tröpfchen auf
allen angepeilten Pixelorten der Bitmap deponiert sind, um eine
erste Schicht zu bilden, ist der Zustand einer vollständigen Füllung erreicht.
Vorzugsweise ist die Dicke der bei der Abgabe erhaltenen ursprünglichen
Schichtdicke größer als
die endgültige
Schichtdicke, so dass der Zustand der vollständigen Füllung für jede Schicht mehr Material
enthält,
als für
die Schicht benötigt wird.
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Es
wird ein Einebner 32 über
die Schicht gezogen, um diese zur Festlegung der endgültigen Schichtdicke
zu glätten
und zu normalisieren. Man verwendet einen Einebner 32,
um die Schichten gemäß Vorgabe zu
normalisieren und die anfallenden Wirkungen von während des
Aufbauverfahrens auftretenden Tropfenvolumenabweichungen, thermischen
Verformungen u.ä.
auszuschalten. Der Einebner schmelzt, verschiebt und entfernt Teile
des ausgestoßenen
Aufbaumaterials, um dieses zu glätten
und die gewünschte
Dicke für
die zuletzt geformte Schicht festzulegen, bevor das Material gehärtet wird.
Dies gewährleistet
eine gleichmäßige Oberflächentopografie
und Schichtdicke für
alle Schichten, die das dreidimensionale Objekt bilden. Allerdings wird
hier Abfallmaterial erzeugt, das aus dem System entfernt werden
muss. Der Einebner 32 kann gegebenenfalls auf dem Abgabewagen 20 angebracht
sein, oder auch separat – wie
dargestellt – auf
dem Schienensystem 18.
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Der
Einebner 32 wird in SDM-Aufbautechniken verwendet, die
mehr Aufbaumaterial als nötig
für eine gewünschte Dicke
für jede
Schicht gemäß den Daten
eines bestimmten Musters für
jede Schicht abgeben, woraufhin dann der Einebner das überschüssige Aufbaumaterial
von jeder Schicht entfernen muss, um die gewünschte Dicke zu erzielen. Die
Verwendung des Einebners gemäß der vorliegenden
Erfindung ist generell bevorzugt, da hier kein aktives Feedbacksystem
erforderlich ist, das die Oberflächenbedingung
einer bestimmten Schicht überwacht.
Wichtig ist jedoch, dass das Einebnen für eine bestimmte Schicht abgeschlossen
ist, bevor diese gehärtet
wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
für das
Normalisieren der Schichten kann ein Oberflächenscansystem vorgesehen sein.
Ein derartiges System würde
den Oberflächenzustand
jeder Schicht aktiv überwachen
und Feedbackdaten erzeugen, die verwendet werden können, um
wahlweise zusätzliches
Material in niedrigeren Flächen
auszustoßen,
um eine gleichmäßige Schicht
zu formen. Ein derartiges System ist in der US-Veröffentlichung
Nr. 09/779,355 von Kerekes offenbart, die am 8. Februar 2001 angemeldet
wurde, und auf die hier Bezug genommen wird. Ein derartiger geschlossener
Regelkreis wäre
wünschenswert,
um das Anhäufen
des die Schichten bildenden Materials aktiv zu kontrollieren. Ein
solches System könnte
die Aufbaugeschwindigkeit erhöhen,
indem es die Notwendigkeit, überschüssiges Material
für eine
Schicht auszustoßen, das
dann durch einen Einebner entfernt wird, eliminiert. Daher kann
ein solches Oberflächenscansystem – wenn gewünscht – in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung zur Normalisierung der Schichten
verwendet werden.
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Zum
Sammeln des während
des Einebnens erzeugten überschüssigen Materials
wird ein Abfallsammelsystem (in 1 nicht
gezeigt) verwendet. Das Abfallsammelsystem kann einen Schlauch umfassen,
der das Material zu einem Abfalltank oder zu einer Abfallpatrone
führt,
wenn dies erwünscht
ist. Ein bevorzugtes Abfallsystem für härtbare Phasenwechselmaterialien
ist in der gleichzeitig angemeldeten US-Patentanmeldung unter Aktenzeichen Nr.
USA.229 offenbart, die den Titel „Quantized Feed System for
Solid Freeform Fabrication" trägt und ebenfalls
von 3D Systems Inc. angemeldet wurde, und die ebenfalls vollständig in
die vorliegende Erfindung eingeschlossen wurde.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform stößt ein einziger
Druckkopf sowohl das härtbare
als auch das nicht härtbare
Phasenwechselmaterial aus. Alternativ können mehrere Druckköpfe verwendet
werden, wobei jeder dazu bestimmt sein kann, entweder eines oder
beide Materialien auszustoßen.
Vorzugsweise wird das nicht härtbare
Material gewählt,
so dass es am Ende des schichtweisen Aufbauprozesses leicht von
dem dreidimensionalen Objekt entfernt werden kann, jedoch einen ähnlichen
Schmelz- und Gefrierpunkt wie das härtbare Material aufweist, so
dass das Abgeben und Glätten
gleichmäßig verläuft. Bei
dieser Ausführungsform
sind separate Abgabesysteme für
die beiden Materialien erforderlich, allerdings wird lediglich ein
Abfallsammelsystem benötigt,
da der Abfall eine Kombination von beiden Materialien ist, die nach
dem Einebnen gesammelt wurden.
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Einzigartig
für die
SDM-Einrichtung 10 ist das Vorsehen einer generell durch
die Bezugsziffer 36 gekennzeichneten aktinischen Strahlenquelle,
die auf dem Schienensystem 18 angeordnet ist. Die Strahlenquelle 36 wird
hin und her entlang dem Schienensystem 18 geführt, um
die Strahlenquelle über
einer gerade geformten Materialschicht zu positionieren. Die Strahlenquelle 36 umfasst
eine Ultraviolettstrahlung aussendende Glühlampe 38, die verwendet
wird, um eine Flutbelichtung mit UV-Strahlung für jede Schicht zu erzeugen, nachdem
der Einebner die Schicht vereinheitlicht hat. Alternativ können mehrere
Schichten ausgestoßen
und vereinheitlicht werden, bevor mit Hilfe der Flutbelichtung durch
UV-Strahlen gehärtet
wird. Die Belichtung wird als Blitz durchgeführt, vorzugsweise, indem man
die Glühlampe 38 zum
gewünschten
Zeitpunkt an- und ausschaltet, nachdem der Einebner aus dem Aufbaubereich
zurückgezogen
wurde und während
die Strahlenquelle entlang dem Schienensystem über den Aufbaubereich geführt wird.
Alternativ könnte
die Glühlampe
eingeschaltet bleiben und ein Blendensystem könnte verwendet werden, um die
Blitzbelichtung wunschgemäß durchzuführen. Obwohl
die aktinische Strahlenquelle 36 hin- und hergehend auf
dem Schienensystem 18 angeordnet gezeigt ist, kann sie
je nach Wunsch auch direkt auf dem Abgabewagen angeordnet sein.
Es ist wichtig, den Druckkopf und den Einebner gegen die aktinische
Strahlung zu schützen,
um zu verhindern, das Material in den Abgabeöffnungen oder auf der Oberfläche des
Einebners aushärtet,
da beides dazu führen
würde, das
der Aufbauprozess ruiniert und die Einrichtung beschädigt würde.
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Vorzugsweise
erzeugt ein externer Computer 34 eine Festkörper-Modellierungs-CAD-Datei, die dreidimensionale
Koordinatendaten eines zu formenden Objekts enthält bzw. die Datei wird ihm
zugeführt.
Typischerweise konvertiert der Computer 34 die Daten des
Objekts in Oberflächendarstellungsdaten, üblicherweise
im STL-Dateiformat.
In der bevorzugten Ausführungsform
ermittelt der Computer auch Daten, die Trägerregionen für das Objekt
entsprechen. Wenn ein Nutzer ein Objekt aufbauen möchte, wird
am externen Computer, in dem die STL-Datei durch Druck-Client-Software verarbeitet
wird, ein Druckbefehl ausgeführt
und an die Computersteuerung 40 der SDM-Einrichtung als
Druckjob geschickt. Die verarbeiteten Daten, die an die Computersteuerung 40 übertragen
wurden, können über jegliches
herkömmlichen
datentransferierendes Medium geschickt werden, wie z.B. über Magnetband,
mikroelektronischen Speicher, Netzwerkverbindung oder ähnlichem.
Die Computersteuerung verarbeitet die Daten und führt die
Signale aus, die die Einrichtung steuern, um das Objekt zu formen.
Der Datenübertragungsweg
und die Steuerungen der verschiedenen Komponenten der SDM-Einrichtung
sind bei 42 mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Die
Rezepturen für
das Aufbau- und Trägermaterial
werden durch die SDM-Einrichtung 10 ausgestoßen, während sie
sich in fließfähigem Zustand
befinden. Die bevorzugte Aufbaumaterialrezeptur ist Beispiel 4 von
Tabelle 1 dargestellt. Diese Rezeptur wurde bevorzugt, da sie die
haltbarste mit der höchsten
Streckung (11,3%) aufweist, während
sie aber im Vergleich zu thermoplastischen Phasenwechselmaterialien
des Standes der Technik immer noch beträchtlich verbesserte Zugfestigkeit
aufweist. Die Aufbau- und Trägerrezepturen erhärten im
Wesentlichen bei Kontakt mit der Aufbauplattform 14 für die erste
Schicht, und mit zuvor geformten Schichten für folgende Schichten. Der Gefrierpunkt
des Materials, der Punkt, an dem das Material sich in einen nicht
fließfähigen Zustand
verfestigt, sollte in einem Bereich zwischen ca. 40°C bis ca.
80°C liegen.
Vorzugsweise sollte der tatsächliche
Gefrierpunkt wenn möglich
in Richtung der höheren
Temperatur liegen, um sicherzustellen, dass trotz der beim Aushärten erzeugten
exothermen Wärme
die Verfestigung stattfindet. Typischerweise fiel der Gefrierpunkt
der getesteten Materialien in einen Bereich zwischen ca. 40°C und ca.
50°C angesichts
des angestrebten Bereichs von ca. 45°C bis 55°C. Bei diesen Tests war eine
aktive Kühlung
nicht erforderlich, um beim Senken der Temperatur des ausgestoßenen Materials
zum Verfestigen zu helfen, sie könnte jedoch
erforderlich sein, wenn große
Objekte geformt werden, die eine signifikante Menge exothermer Wärme nach
dem Aushärten
erzeugen können,
die den Vertestigungsprozess unterbrechen kann.
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Nachdem
alle Materialien für
jede Schicht ausgestoßen
und verfestigt wurden verwendete man zum Normalisieren einen Einebner 32.
Nach dem Normalisieren wurde jede Schicht dann einer Flutbelichtung
mit UV-Strahlen durch die Strahlenquelle 38 ausgesetzt,
die Teil eines Belichtungswagens 38 ist. Die Flutbelichtung
härtet
das Aufbaumaterial und nicht das Trägermaterial. Auf diese Weise
werden Musterbauteile hergestellt und das Trägermaterial wird entfernt,
um dreidimensionale Objekte zu zeigen.
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Das
Trägermaterial
wird durch weitere Bearbeitung entfernt. Generell ist der Einsatz
von thermischer Wärme
erforderlich, um das Trägermaterial
in einen fließfähigen Zustand
zurückzuführen, damit
im Wesentlichen alles Trägermaterial
von dem dreidimensionalen Objekt entfernt werden kann. Dies kann
auf vielfältige Weise
erfolgen. Zum Beispiel kann das Teil in eine erhitzte Wanne mit
flüssigem
Material wie z.B. Wasser oder Öl
platziert werden. Physikalische Agitation kann ebenfalls verwendet
werden, wie z.B. durch Richten eines Strahls des erhitzten flüssigen Materials
direkt auf das Trägermaterial.
Dies kann durch Dampfreinigung mit geeignetem Gerät erreicht
werden. Alternativ kann das Trägermaterial
auch durch Untertauchen des Materials in einem geeigneten flüssigen Lösemittel
entfernt werden, um das Trägermaterial
aufzulösen.
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Insbesondere
gemäß 2 ist
generell durch die Bezugsziffer 10 eine bevorzugte Ausführungsform einer
Einrichtung zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung dargestellt,
die freie Festformherstellung. Diese Einrichtung 10 ist
zusammen mit einem schematisch dargestellt Materialzufuhr- und Abfallsystem
gezeigt, das allgemein mit der Bezugsziffer 54 bezeichnet
ist. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten
SDM-Einrichtung wird die Aufbauplattform 14 in dieser Ausführungsform
hin und her durch das herkömmliche
Antriebsmittel 26 anstatt, dass der Abgabewagen 20 angetrieben
wird. Der Abgabewagen 20 wird durch ein Aktivierungsmittel 16 präzise vertikal
bewegt, um die Schichtdicken des Objekts zu kontrollieren. Vorzugsweise
enthält
das Aktivierungsmittel 16 durch Servomotoren angetriebene
lineare Präzisionsspindelaktuatoren.
In der bevorzugten Ausführungsform
befinden sich die Enden der linearen Aktuatoren 16 an einander
gegenüberliegenden
Enden der Aufbauumgebung 12 und in Querrichtung zur Richtung
der Hin- und Herbewegung der Aufbauplattform. Zur Vereinfachung
der Darstellung in 2 sind diese zweidimensional
und flach dargestellt, was den Anschein erweckt, dass die linearen
Aktuatoren in Richtung der Hin- und Herbewegung der Aufbauplattform 14 ausgerichtet
sind. Sie können
zwar in Hin- und Herrichtung ausgerichtet sein, es ist jedoch bevorzugt,
dass sie in Querrichtung angeordnet sind, um so die Platzausnutzung
innerhalb der Einrichtung zu optimieren.
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In
der allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichneten Aufbauumgebung
ist durch Bezugsziffer 44 ein dreidimensionales Objekt
bezeichnet, das mit integral ausgebildeten Trägern 46 geformt wird.
Das Objekt 44 und die Träger 46 sind beide
ausreichend auf der Aufbauplattform 14 fixiert, um so den
Beschleunigungs- und Abbremswirkungen während der Hin- und Herbewegung
der Aufbauplattform zu widerstehen, während sie gleichzeitig noch
immer von der Plattform entfernt werden können. Um dies zu erreichen,
ist es wünschenswert,
wenigstens eine vollständige
Schicht Trägermaterial
auf die Aufbauplattform abzugeben, bevor das Aufbaumaterial ausgestoßen wird,
da das Trägermaterial
am Ende des Aufbauprozesses entfernt werden soll. Bei dieser Ausführungsform
wird das mit der Bezugsziffer 22 bezeichnete härtbare Phasenwechselmaterial
zum Formen des dreidimensionalen Objekts 44 durch die Einrichtung 10 ausgestoßen, und
das mit der Bezugsziffer 48 bezeichnete nicht härtbare Phasenwechselmaterial
wird ausgestoßen,
um den Träger 46 zu
formen. Durch Bezugsziffern 56A und 56B bezeichnete
Behälter
enthalten jeweils eine separate Menge von diesen beiden Materialien 22 und 48.
Die Schläuche 58A und 58B führen jeweils
das Material zum Druckkopf 24. Die Materialien 22 und 48 werden
auf einen fließfähigen Zustand
erwärmt.
Auf den Leitungen 58A und 58B sind Heizaggregate
(nicht gezeigt) vorgesehen, um die Materialien in fließfähigem Zustand
zu halten, während
sie dem Druckkopf 24 zugeführt werden. Bei dieser Ausführungsform
ist der Tintenstrahldruckkopf so ausgebildet, dass er beide Material
aus einer Vielzahl von Abgabeöffnungen
abgeben kann, so dass beide Materialien wahlweise schichtähnlich auf
jegliche Zielposition auf jeglicher zu formenden Schicht ausgestoßen werden
können.
Wenn der Druckkopf 24 zusätzliches Material 22 oder 48 benötigt, werden
Extrusionsleisten 60A und 60B jeweils genutzt,
um das Material aus den Containern 56A und 56B durch
die Schläuche 58A und 58B und
zum Druckkopf 24 zu extrudieren.
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Der
Abgabewagen 20 in der in 2 gezeigten
Ausführungsform
umfasst einen erwärmten
Einebner 32, der überschüssiges Material
von den Schichten entfernt, um die Schichten, die ausgestoßen werden,
auszugleichen. Der erwärmte
Einebner kontaktiert das sich in nicht fließfähigem Zustand befindliche Material
und weil dieses erwärmt
wird, überführt er örtlich einiges
Material in einen fließfähigen Zustand.
Aufgrund der Kräfte der
Oberflächenspannung
haftet dieses überschüssige fließfähige Material
an der Oberfläche
des Einebners, und es wird während
der Drehung des Einebners nach oben zum Abstreifer 62 geführt, der
mit dem Einebner 32 in Kontakt steht. Der Abstreifer trennt
das Material von der Oberfläche
des Einebners 32 und führt
das fließfähige Material
in einen Abfallbehälter,
der allgemein mit der Bezugsziffer 64 bezeichnet und auf
dem Wagen 20 angeordnet ist. Ein Erhitzer 66 und
ein Heißleiter 68 auf
dem Abfallbehälter 64 halten
die Temperatur in dem Abfallbehälter
auf einer bestimmten Höhe,
so dass das Abfallmaterial in dem Behälter fließfähig bleibt. Der Abfallbehälter ist
mit einem Schlauch für
erwärmtes
Abfallmaterial 70 verbunden, um das Abfallmaterial zu den Abfallaufnahmen 72A und 72B zu
führen.
Das Abfallmaterial kann mittels Schwerkraft nach unten in die Abfallaufnahmebehälter 72A und 72B fließen. Obwohl
lediglich ein Schlauch 70 mit einer Teilungsverbindung
zu jedem Abfallaufnahmebehälter
gezeigt ist, ist es bevorzugt, eine getrennte Abfallleitung 70 zwischen
dem Abfallbehälter 64 und
jedem Abfallaufnahmebehälter 72A und 72B vorzusehen.
Für jeden
Abfallaufnahmebehälter 72A und 72B ist
ein zugeordnetes Magnetventil 74A bzw. 74B vorhanden,
das den Zufluss von Abfallmaterial zu den Abfallaufnahmebehältern regelt.
Die Ventile 74A und 74B bleiben vorzugsweise geschlossen
und öffnen
sich nur, wenn die jeweiligen Extrusionsleisten 60A und 60B zur
Entfernung zusätzlichen
Materials betätigt
werden. Wenn zum Beispiel lediglich die Extrusionsleiste 60A betätigt wird, öffnet sich
nur das Ventil 74A, damit Abfallmaterial 76 in
den Abfallaufnahmebehälter 72A ausgestoßen wird.
Diese Rückführungssteuerung der
Ventile verhindert, dass zuviel Abfallmaterial zu einem der beiden
Abfallaufnahmebehälter
geführt
wird, indem die Abgabe an Abfallmaterial in die Abfallaufnahmebehälter im
Verhältnis
zu der Häufigkeit,
mit der Material von den Behältern
der Abgabeeinrichtung zugeführt
wird, ausgeglichen wird. So wird die Zufuhr von Abfallmaterial an
die Abfallaufnahmebehälter
mit der Zufuhrrate von Aufbau- und Trägermaterial des Zufuhrsystems
ausgeglichen.
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Nachdem
das härtbare
Phasenwechsel-Aufbaumaterial 22 und das nicht härtbare Phasenwechsel-Trägermaterial 48 in
einer Schicht ausgestoßen
wurden, gehen sie vom fließfähigen in
einen nicht fließfähigen Zustand über. Nachdem
eine Schicht durch den Durchlauf des Einebners 32 über die
Schicht eingeebnet wurde, wird diese Schicht dann durch die Strahlenquelle 78 aktinischer
Strahlung ausgesetzt. Vorzugsweise liegt die aktinische Strahlung
im Ultraviolett- oder Infrarot-Band des Spektrums. Es ist jedoch
wichtig, dass das Einebnen stattfindet, bevor eine Schicht der Strahlenquelle 78 ausgesetzt
wird. Dies liegt darin begründet, dass
der bevorzugte Einebner nur dann die Schichten einebnen kann, wenn
das Material in den Schichten noch vom nicht fließfähigen in
den fließfähigen Zustand
versetzt werden kann, was nicht der Fall ist, wenn das Material 22 zunächst gehärtet wird.
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In
dieser Ausführungsform
werden beide Materialien durch den Einebner 32 gesammelt
und entfernt und bilden dann das Abfallmaterial. Vorzugsweise ist
eine zweite Strahlenquelle 80 vorhanden, über die
das Abfallmaterial in den Abfallaufnahmebehältern Strahlung ausgesetzt
wird, damit das Aufbaumaterial 22 in den Aufnahmen aushärtet, so
das kein reaktives Material in den Abfallaufnahmebehältern verbleibt.
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Im
Folgenden wird auf 3 Bezug genommen. Hier ist die
SDM-Einrichtung, die in 2 schematisch dargestellt ist,
mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Für den Zugang zur Aufbauumgebung
ist an der Vorderseite der Einrichtung eine Gleittür 82 angeordnet.
Die Tür
verhindert es, dass Strahlung in der Maschine in die Umgebung gerät. Die Einrichtung
ist so gestaltet, dass sie nicht läuft oder sich einschaltet,
wenn die Tür 82 geöffnet ist.
Zusätzlich öffnet sich
die Tür 82 nicht,
wenn die Einrichtung läuft.
Es sind Materialzufuhrtüren 84 angeordnet,
so dass das härtbare
Phasenwechselmaterial durch eine Tür 84 und das nicht
härtbare
Phasenwechselmaterial durch die andere Tür in die Einrichtung eingeführt werden
kann. Eine Abfalleinschub 86 ist am unteren Ende der Einrichtung 10 angeordnet,
so dass das ausgestoßene
Abfallmaterial aus der Einrichtung entfernt werden kann. Es ist
weiterhin ein Benutzer-Interface 88 vorhanden, dass mit
dem zuvor diskutierten externen Computer in Verbindung steht, und
das die Aufnahme der Druckerbefehlsdaten von dem externen Computer
verfolgt.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
können
Modifizierungen und Veränderungen
vorgenommen werden, ohne dass vom Umfang der beigefügten Patentansprüche abgewichen
wird.
