DE112006000416T5 - Kern/Mantel-Festkörperfreiformherstellung - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Festkörperfreiformherstellungsobjekts, das folgende Schritte aufweist:
Verteilen eines reaktionsfähigen Pulvers auf einem Substrat;
selektives Abgeben eines Kernbindemittels in das reaktionsfähige Pulver, um ein Kernmaterial zu bilden; und
selektives Abgeben eines Mantelbindemittels in das reaktionsfähige Pulver, um einen Mantel auf dem Kernmaterial zu bilden.

Description

  • HINTERGRUND
  • Festkörperfreiformherstellung (SFF, solid freeform fabrication) ist ein Prozess, wodurch dreidimensionale Objekte, wie Z. B. Prototypenstücke, Modelle, Arbeitswerkzeuge, Fertigungsstücke, Formen und andere Artikel, hergestellt werden. Ein computergestützter Entwurf (CAD, computer aided design) wird häufig verwendet, um den Entwurfsprozess zu automatisieren. Unter Verwendung eines geeigneten Computers kann eine Bedienperson einen dreidimensionalen Artikel entwerfen und dieses Objekt dann durch das Verwenden eines positionierbaren Ausstoßkopfes erzeugen, der selektiv ein erwünschtes Material ausgibt. Obwohl viele Verfahren entwickelt wurden, um SFF-Objekte gemäß den oben genannten Prinzipien herzustellen, werden tradionellerweise zwei Verfahren zum Herstellen von SFF-Objekten bevorzugt: Pulver/Bindemittel-Wechselwirkung, um ein Festkörperobjekt zu erzeugen, und das Verwenden von gespritzten härtbaren Photopolymeren, um ein Festkörperobjekt zu erzeugen.
  • Verfahren zur Erzeugung einer Pulver/Bindemittel-Wechselwirkung umfassen die selektive Aufbringung eines Bindemittels auf Pulverbestandteile. Nachdem sie aufgebracht wurden, reagieren die Pulverbestandteile mit dem Bindemittel, um ein Festkörperobjekt zu erzeugen. Gespritztes-Photopolymer-Erzeugungsverfahren umfassen die selektive Aufbringung von sowohl Bau- als auch Trägermaterial aus einem Spender auf ein Substrat, wo die zwei Materialien sich anschließend verfestigen.
  • Traditionelle pulverbasierte Verfahren und Materialien verlangen, dass ein Kompromiss zwischen Oberflächengüte und Biegefestigkeit des resultierendes SFF-Objekt getroffen wird. Das heißt, traditionelle pulverbasierte Verfahren und Materialien, die ein glattes dreidimensionales Objekt erzeugen, weisen typischerweise eine geringe Biegefestigkeit auf. Umgekehrt gilt, dass die resultierende Oberfläche rau ist, wenn eine hohe Biegefestigkeit unter Verwendung traditioneller pulverbasierter Verfahren und Materialien angestrebt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Festkörperfreiformherstellungsobjekts, das ein Verteilen eines reaktionsfähigen Pulvers auf einem Substrat, ein selektives Abgeben eines Kernbindemittels in das reaktionsfähige Pulver zum Bilden eines Kernmaterials und ein selektives Abgeben eines Mantelbindemittels in das reaktionsfähige Pulver zum Bilden eines Mantels auf dem Kernmaterial umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beiliegenden Zeichnungen stellen verschiedene Ausführungsbeispiele des vorliegenden Systems und Verfahrens dar und sind ein Teil der Spezifikation. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele des vorliegenden Systems und Verfahrens und schränken den Schutzbereich derselben nicht ein.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Festkörperfreiformherstellungssystems, das verwendet werden kann, um bespielhafte Ausführungsbeispiele des vorliegenden Systems und Verfahrens zu implementieren.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Festkörperfreiformherstellungssystems, das verwendet werden kann, um beispielhafte Ausführungsbeispiele des vorliegenden Systems und Verfahrens zu implementieren.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens unter Verwendung eines einteiligen reaktionsfähigen Materials gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 4A ist eine Querschnittsansicht, die ein Pulver darstellt, das durch das vorliegende Verfahren gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel verwendet werden kann.
  • 4B ist eine Querschnittsansicht, die die Aufbringung eines Kern- und eines Mantelmaterials in das Pulvermaterial gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel zeigt.
  • 4C ist eine Querschnittsansicht, die eine Anwendung von ultravioletten Strahlen (UV-Strahlen) auf ein Kern/Mantel-Objekt gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel darstellt.
  • 4D ist eine Querschnittsansicht, die ein Objekt darstellt, das durch das vorliegende Verfahren gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel gebildet ist, wobei das ungebundene Pulver entfernt ist.
  • In allen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche, aber nicht notwendigerweise identische Elemente.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hierin werden ein Verfahren und ein Gerät zum Durchführen einer Kern/Mantel-Festkörperfreiformherstellung beschrieben. Insbesondere kann ein dreidimensionales Objekt, das sowohl eine hohe Biegefestigkeit als auch eine glatte Oberflächengüte aufweist, durch ein Entkoppeln der Festigkeits- und Glättefunktion in einer Kern/Mantel-Struktur gebildet werden. Genauer gesagt kann eine Kernregion eines gebildeten Objekts aus einem polymerisierbaren Acrylat gebildet werden, das dem dreidimensionalen Objekt Biegefestigkeit verleiht. Ferner kann eine wasserbasierte Mantelregion auf der Kernregion gebildet werden, um die Oberflächengüte des resultierenden dreidimensionalen Objekts zu verbessern. Weitere Details der vorliegenden Kern/Mantel-Drucktechnik sowie ein Druckgerät und beispielhafte Kern/Mantel-Formulierungen werden nachstehend detaillierter geliefert.
  • Gemäß der Verwendung in dieser Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ist der Begriff „Bindemittel" im weitesten Sinne als jegliches Material zu verstehen, das verwendet wird, um getrennte Partikel miteinander zu verbinden oder eine Haftung an einer Oberfläche. zu ermöglichen. Darüber hinaus ist unter dem Begriff „Substrat" jegliche(s) Aufbauplattform, entfernbare Material oder zuvor aufgebrachte reaktionsfähige oder Pulver-Material zu verstehen. Eine „Aufbauplattform" ist typischerweise das starre Substrat, das verwendet wird, um ein aufgebrachtes Material aus einem SFF-Gerät (SFF, solid freeform fabrication) zu tragen. Desgleichen soll sich der Begriff „aushärten" auf den Prozess eines Verfestigens eines Materials, um ein dreidimensionales Festkörperobjekt zu bilden, beziehen.
  • In der folgenden Beschreibung sind zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein tiefgehendes Verständnis des vorliegenden Systems und Verfahrens zum Durchführen einer Kern/Mantel-Festkörper freiformherstellung zu vermitteln. Für einen Fachmann auf dem Gebiet wird jedoch ersichtlich sein, dass das vorliegende Verfahren ohne diese spezifischen Details praktisch angewandt werden kann. Eine Bezugnahme in der Beschreibung auf „ein Ausführungsbeispiel" bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Charakteristik, das bzw. die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, in zumindest einem Ausführungsbeispiel enthalten ist. Der Ausdruck „bei einem Ausführungsbeispiel" an verschiedenen Stellen in der Spezifikation ist nicht notwendigerweise immer auf dasselbe Ausführungsbeispiel bezogen.
  • Beispielhafte Struktur
  • Die 1 stellt ein Festkörperfreiformherstellungssystem (100) dar, das das vorliegende Verfahren eines Spritzens von reaktionsfähigen Materialien für eine pulverbasierte SFF beinhalten kann. Wie in der 1 gezeigt, kann ein Festkörperfreiformherstellungssystem einen Herstellungsbehälter (110), eine bewegbare Bühne (120) und ein Anzeigefeld (130) umfassen, die eine Anzahl von Steuerungen und Anzeigen umfasst.
  • Der Herstellungsbehälter (110), der in der 1 gezeigt ist, kann konfiguriert sein, um den Aufbau eines erwünschten dreidimensionalen Objekts an einem Substrat aufzunehmen und zu ermöglichen. Das Aufbauen des erwünschten dreidimensionalen Objekts kann das Verteilen eines Pulvers und das selektive Abgeben einer Anzahl von Bindemitteln benötigen. Während das Festkörperfreiformherstellungssystem (100) in der 1 als ein einzelnes, alleinstehendes, in sich abgeschlossenes Freiformherstellungssystem gezeigt ist, können das vorliegende Kern/Mantel-SFF-System und -verfahren in ein jegliches Freiformherstellungssystem integriert sein, das pulverbasierte Verfahren nutzt, ungeachtet der Struktur oder Konfiguration des Freiformherstellungssystems.
  • Die bewegbare Bühne (120) des in der 1 gezeigten Festkörperfreiformherstellungssystems (100) ist ein bewegbarer Materialspender, der eine beliebige Anzahl von Tintenstrahlmaterialspendern umfassen kann, die konfiguriert sind, um ein flüssiges Bindemittelmaterial abzugeben. Die bewegbare Bühne (120) kann durch eine Rechenvorrichtung (100) gesteuert werden und kann durch z. B. ein Wellensystem, ein Riemensystem, ein Kettensystem etc. steuerbar bewegt werden. Während die bewegbare Bühne (120) arbeitet, kann das Anzeigefeld(130) einen Benutzer über Arbeitsbedingungen informieren als auch den Benutzer mit einer Benutzerschnittstelle ausstatten. Während ein erwünschtes dreidimensionales Objekt geformt wird, kann eine Rechenvorrichtung die bewegbare Bühne (120) steuerbar positionieren und einen oder mehrere der Spender anweisen, Flüssigbindemittelmaterial bei vorbestimmten Orten in dem Herstellungsbehälter (110) steuerbar abzugeben, wodurch ein erwünschtes dreidimensionales Objekt geformt wird. Die Tintenstrahlmaterialspender, die durch das Festkörperfreiformherstellungssystem (100) verwendet werden, können eine beliebige Art von Tintenstrahlspender sein, der konfiguriert ist, um das vorliegende Verfahren durchzuführen, einschließlich, aber in keiner Weise beschränkt auf thermisch betätigte Tintenstrahlspender, mechanisch betätigte Tintenstrahlspender, elektrostatisch betätigte Tintenstrahlspender, magnetisch betätigte Spender, piezoelektrische betätigte Spender, kontinuierliche Tintenstrahlspender etc. Außerdem kann der Tintenstrahldruckkopfspender erwärmt werden, um ein Abgeben von viskosen chemischen Zusammensetzungen zu unterstützen. Zum Beispiel kann der Tintenstrahldruckkopfspender bis auf ungefähr 200°C erwärmt werden, und vorzugsweise in dem Bereich von 70 bis 120°C. Eine anschaulichere Querschnittsansicht des SFF-Geräts von der 1 ist in der 2 dargestellt.
  • Wie in der 2 gezeigt, kann die Rechenvorrichtung (140) kommunikativ mit einem Servomechanismus (200) gekoppelt sein. Die Rechenvorrichtung (140) kann konfiguriert sein, um Befehle an den Servomechanismus (200) zu kommunizieren, die bewirken, dass derselbe die bewegbare Bühne (120) selektiv positioniert. Ein Kernmaterialspender (210) und ein Mantelmaterialspender (215) können mit der bewegbaren Bühne (120) und mit einer Anzahl von Materialreservoirs (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Sobald durch den Servomechanismus (200) angemessen positioniert, kann der Kernmaterialspender (210) ein Kernbindemittel (220) ausstoßen, das durch ein Kernbindemittelmaterialreservoir (nicht gezeigt) geliefert wird. Gleichartig dazu, wenn durch den Servomechanismus (200) angemessen positioniert, kann der Mantelmaterialspender (215) selektiv Mantelbindemittel (225), das durch ein Mantelbindemittelmaterialreservoir (nicht gezeigt) geliefert wird, in eine Pulverkomponente (240) ausstoßen. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel weisen sowohl das Kernbindemittel (220) als auch das Mantelbindemittel (225) eine „spritzbare" Viskosität (< 70 cps) bei einer Arbeitstemperatur unter annäherungsweise 200°C auf, um ein selektives Abgeben aus einer jeglichen Anzahl von Tintenstrahlmaterialspendern zu ermöglichen. Darüber hinaus, gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, sind das Kernbindemittel (220) und das Mantelbindemittel (225) ausgewählt, um eine recht schnelle Reaktionsgeschwindigkeit aufzuweisen (gelieren innerhalb von Sekunden/Minuten), wenn dieselben aktiviert oder gemischt werden. Beispielhafte Reaktionschemien werden unten detaillierter beschrieben.
  • Die 2 stellt außerdem die Komponenten des vorliegenden Systems dar, die dazu verwendet werden können, um das Kernbindemittel (220) und das Mantelbindemittel (225) aufzunehmen, um bei der Bildung eines erwünschten dreidimensionalen Objektes zu helfen. Wie in der 2 gezeigt ist, kann der Herstellungsbehälter (110) des Festkörperfreiformherstellungssystems (100) ein Substrat (260) umfas sen, das eine Pulverkomponente (240) aufweist, die auf demselben angeordnet ist. Die Pulverkomponente (240) kann aus einem Pulverreservoir (nicht gezeigt) in großen Mengen auf das Substrat (260) abgegeben werden und durch das Verwenden einer mechanischen Rolle (230) zu einer erwünschten Dicke planarisiert werden. Ein Steuern der mechanischen Rolle (230) kann durch den Servomechanismus (200) durchgeführt werden, um die Pulverkomponente (240) auf dem Substrat (260) steuerbar aufzubringen und zu planarisieren. Die Pulverkomponente (240), die auf das Substrat (260) abgegeben ist, kann umfassen, aber ist in keiner Weise beschränkt auf Calciumphosphat, Calciumsulfat, Frühhochfestzement, einen Polymerisationsinitiator oder eine beliebige andere Pulverkomponente, die konfiguriert ist, um mit zumindest einem des Mantelbindemittels (225) oder dem Kernbindemittel (220) zu reagieren.
  • Sobald das reaktionsfähige Bindemittel (220) in die Schicht der Pulverkomponente (240) abgegeben ist, existiert auf dem Substrat (260) ein Kernmaterial (250) oder ein Mantelmaterial (255), das ein erwünschtes dreidimensionales Objekt definiert. Eine Anzahl von beispielhaften Zusammensetzungen der oben erwähnten Bindemittel und Pulver wird unten, gefolgt von einer Beschreibung eines beispielhaften Systems und Verfahrens zum Verwenden des Festkörperfreiformherstellungssystems (100) mit Bezug auf 3 bis 4D angegeben.
  • Beispielhafte Zusammensetzung
  • Wie vorausgehend angemerkt, umfasst das vorliegende beispielhafte System und Verfahren zum Erzeugen eines pulverbasierten dreidimensionalen Objekts, das sowohl eine Biegefestigkeit als auch eine glatte Oberflächengüte aufweist, eine Anzahl von reaktionsfähigen Komponenten. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das vorliegende beispielhafte System zumindest eine Pulverkomponente (240), ein Kernbindemittel (220) und ein Mantelbindemittel (225). Jede der oben erwähnten Komponenten wird hierin im Detail beschrieben.
  • Wie vorausgehend angemerkt, ist das Substrat (260) des Herstellungsbehälters (110) mit einer Schicht der Pulverkomponente (240) beschichten, die konfiguriert ist, um ein Mantelbindemittel (225) und ein Kernbindemittel (220) aufzunehmen und mit denselben zu reagieren. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Pulverkomponente (240) Folgendes umfassen, aber ist in keiner Weise beschränkt auf Frühhochfestzementpartikel, einen Polymerisationsinitiator, Reaktionsbeschleuniger/-verzögerer, pH-Modifikationsmittel und/oder Verfestigungsmittel.
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Frühhochfestzementpartikel, die in dem vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispiel beinhaltet sind, ausgewählt, um auf feststehende Weise mit dem erwünschten Mantelbindemittel (225) und dem Kernbindemittel (220) zu reagieren. Abhängig von den ausgewählten Bindemitteln kann der zementbildende Basispartikel Folgendes umfassen, aber ist in keiner Weise beschränkt auf Calciumphosphat-basierte Partikel, Calciumsulfat-basierte Partikel oder andere Frühhochfestzement-basierte Partikel.
  • Ein Polymerisationsinitiator in der Form einer Radikalquelle oder eines Radikalbildners kann ebenfalls in der vorliegenden Pulverkomponente (240) umfasst sein, um die Reaktion zwischen der Pulverkomponente und einem Bindemittel zu erleichtern. Die Radikalquelle kann chemisch oder durch Licht aktiviert werden und kann Folgendes umfassen, aber ist in keiner Weise beschränkt auf Peroxid plus einem Amin, Benzophenon oder UV-/Blaulichtinitiator. Ferner kann ein Polymerisationsinitiator, der bei Raumtemperatur aktiviert wird, ebenfalls in dem vorliegenden beispielhaften System beinhaltet sein.
  • Darüber hinaus können Reaktionsbeschleuniger/-verzögerer in der vorliegenden Pulverkomponente (240) umfasst sein. Diese Reaktionsbeschleuniger/-verzögerer können Folgendes umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf pH-Modifikationsmittel, die den pH-Wert des Systems erhöhen oder verringern, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Aushärtungszeit des resultierenden dreidimensionalen Objekts beeinflusst wird. Insbesondere der Einschluss von Zitronensäure in die vorliegende Pulverkomponente (240) kann einen Mechanismus zur Härtung durch Ausfällung beschleunigen. Die pH-Modifikationsmittel, die in der vorliegenden zementbildenden Partikulärmischung (240) umfasst sind, können umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf einen oder mehrere der Folgenden: Weinsäure, Zitronensäure, Glutaminsäure, Diglykolsäure, DL-Asparaginsäure, Iminodiessigsäure, Itaconsäure und NH4H2PO4.
  • Verfestigungsmittel, wie z. B. Nanozusammensetzungen, können ebenfalls in der vorliegenden Pulverkomponente (240) umfasst sein. Die Nanozusammensetzungen können umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf einen oder mehrere der Folgenden: PEO/Ton-Nanozusammensetzungen, Hydroxyapatit-Nanozusammensetzungen, geschichtete Doppelhydroxid-Nanozusammensetzungen (LDH-Nanozusammensetzungen; LDH, layered double hydroxide) und organophile Nanozusammensetzungen. Typische Nanozusammensetzungen wirken nicht nur als Verstärkungsagenzien, sie können auch als Feuchtigkeitsreservoirs in dem erwünschten dreidimensionalen Objekt wirken, um eine strukturelle Stütze hinzuzufügen, und einen Feuchtigkeitsverlust zu verhindern, der zu einer Austrocknung oder Rissbildung des erzeugten dreidimensionalen Objekts führen kann.
  • Eine zweite Komponente des vorliegenden beispielhaften Systems ist ein Kernbindemittel (220). Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Kernbindemittel ein polymerisierbares/vernetzbares Fluid, das konfiguriert ist, um mit der Pulverkomponente (240) zu reagieren, um eine hohe Biegefestigkeit des resultierenden dreidimensionalen Objekts zu liefern. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das polymerisierbare/vernetzbare Fluid ein Acrylat, das konfiguriert ist, um mit einem Frühhochfestzement, wie z. B. Calciumphosphat oder Calciumsulfat, zu reagieren. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel diffundiert und bindet das polymerisierbare/vernetzbare Fluid schnell mit der Pulverkomponente (240). Während einem Erzeugen eines resultierenden Objekts mit einer hohen Biegefestigkeit führt das Kernbindemittel (220) außerdem zu einer im Wesentlichen rauen Oberflächengüte.
  • Folglich ist eine dritte Komponente des vorliegenden beispielhaften Systems ein Mantelbindemittel (255), das konfiguriert ist, um eine glatte Oberflächengüte für das resultierende dreidimensionale Objekt zu liefern. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann das Mantelbindemittel (255) ein wässriges Fluid sein, das konfiguriert ist, um eine glatte Oberflächengüte zu liefern. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Mantelbindemittel (255) eine Phosphorsäure.
  • Ferner kann das Kernbindemittel (220) und/oder das Mantelbindemittel (255) ebenfalls umfassen, aber ist in keiner Weise beschränkt auf pH-Modifikationsmittel und einen oder mehrere der Folgenden: Farbstoff, Pigmentfarbmittel, Benetzungsagenzien, viskositätsmodifizierende Agenzien, oberflächenaktive Mittel, UV-Radikalbildner und Coinitiatoren.
  • Potentia-Hydrogenüsp-Modifikationsmittel (pH-Modifikationsmittel) können zu den Bindemitteln (220, 225) hinzugefügt werden, um den pH-Wert des Systems zu erhöhen, was nachfolgend die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Härtungszeit des resultierenden dreidimensionalen Objekts verringert. Die pH-Modifikationsmittel, die in den vorliegenden Bindemitteln umfasst sind, können Folgendes umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf Phytinsäure, Itaconsäure, Diglykolsäure, Mineralsäure (Phosphorsäure) etc.
  • Zusätzlich können Farbstofffarbmittel und Pigmentfarbmittel zu dem Bindemittel (220, 225) hinzugefügt sein, um ein dreidimensionales Objekt in einer oder mehreren Farben zu erzeugen. Die Farbstofffarbmittel und Pigmentfarbmittel können eine einzige Farbe besitzen, die gleichmäßig in den Bindemitteln (220, 225) verteilt ist, oder sie können mehrere Farben besitzen, die in getrennten Materialreservoirs (nicht gezeigt) untergebracht sind.
  • Benetzungsagenzien können ebenfalls in den oben erwähnten Bindemitteln umfasst sein, um ein Benetzen der vorliegenden Pulverkomponente (240) zu ermöglichen, als auch eine Anzahl von Komponenten in der Pulverkomponente in eine Lösung zu bringen, um eine Reaktion zu ermöglichen. Benetzungsagenzien, die in den vorliegenden Bindemittelformulierungen umfasst sein können, umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf Wasser. Wasser kann aufgrund seiner geringen Kosten und seiner Effizienz bei einem Benetzen von zementbildenden Pulvern verwendet werden.
  • Ferner können die oben dargestellten Bindemittel (220, 225) auch aus einem Tintenstrahlspender gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel spritzbar sein. Folglich kann das vorliegende Kern- und Mantelbindemittel (225, 220) oberflächenaktive Mittel und Viskositätsmodifikationsmittel umfassen, um eine Spritzbarkeit zu verbessern, einschließlich, aber in keiner Weise beschränkt, auf Surfynol 465.
  • UV-Radikalbildner und Coinitiatoren können ebenfalls zu den Bindemitteln (220, 225) hinzugefügt sein. Die UV-Radikalbildner und Coinitiatoren können zu den Bindemitteln (220, 225) hinzugefügt sein, um den Mechanismus, der die Polymerisation reguliert, zu erleichtern. Die Radikalbildner können entweder chemisch oder durch Licht aktiviert werden und können umfassen, aber sind in keiner Weise beschränkt auf Peroxid plus einem Amin, Benzophenon oder UV-/Blaulichtinitiator.
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die oben erwähnten Komponenten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel als ein System kombiniert sein, das eine Pulverkomponente (240), die Calciumsulfat und einen Polymerisationsinitiator aufweist, ein Kernbindemittel (220), das ein Acrylat umfasst, und ein Mantelbindemittel (225), das eine Phosphorsäure umfasst, aufweist. Gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Pulverkomponente (240) ein Calciumsulfat und einen Polymerisationsinitiator umfassen, das Kernbindemittel (220) kann ein Acrylat umfassen und das Mantelbindemittel kann ein wässriges Fluid umfassen. Eine beispielhafte getestete Formulierung für jede Komponente des vorliegenden Systems und Verfahrens für SFF ist unten als ein Beispiel bereitgestellt.
  • Beispielhafte Implementierung und Funktionsweise
  • Die 3 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben des in der 2 dargestellten Festkörperfreiformherstellungssystems (100; 2) darstellt, wobei dasselbe eine Kern/Mantel-Struktur gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel beinhaltet. Lediglich zum Zwecke einer leichten Erklärung wird das vorliegende System und Verfahren innerhalb des Kontexts eines Beinhaltens einer Anzahl von Bindemitteln, einschließlich eines UV-härtbaren Initiators, beschrieben. Die Bindemittel können in eine Pulverkomponente (240) gespritzt werden und nachfolgend aufgrund der Anwendung von UV-Strahlung ausgehärtet werden. Wie in der 3 dargestellt, kann das vorliegende Verfahren durch zuerst ein Auffüllen einer Anzahl von Materialspenderreservoirs mit einem Kernbindemittel beginnen (Schritt 300). Sobald die erwünschten Materialreservoirs mit dem erwünschten Kernbindemittel gefüllt sind (Schritt 300), wird eine Anzahl von anderen Materialreservoirs mit einem Mantelbindemittel gefüllt (Schritt 310). Wenn alle der erwünschten Reservoirs gefüllt sind und dazu bereit sind, die Fluide auf eine Pulverbasis zu spritzen, werden die Pulverkomponenten des vorliegenden beispielhaften Systems und Verfahrens in die Füll- und Zuführbehälter des SFF-Systems platziert (Schritt 320). Eine dreidimensionale Kern/Mantel-Datei wird an der Rechenvorrichtung erzeugt (Schritt 330) und verwendet, um das Kernmaterial (Schritt 340) und das Mantelmaterial (Schritt 350) selektiv auf die Pulverkomponenten aufzubringen. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Aufbringung des Kernmaterials (Schritt 340) und des Mantelmaterials (Schritt 350) auf die Pulverkomponenten in jeglicher Reihenfolge oder gleichzeitig stattfinden. Sobald das erwünschte Kern- und Mantelmaterial zufriedenstellend auf die Schicht der Pulverkomponenten aufgebracht wurde, werden die aufgebrachten Materialien ausgehärtet (Schritt 360) und die ungebundenen Pulverkomponenten, die das resultierende dreidimensionale Objekt umgeben, werden entfernt (Schritt 370), was zu dem erwünschten dreidimensionalen Objekt führt. Jeder der oben erwähnten Schritte der 3 wird nun im Detail mit Bezug auf die 4A bis 4D erklärt.
  • Wie in dem Flussdiagramm der 3 gezeigt, beginnt das vorliegende Verfahren mit einem Auffüllen einer Anzahl von Materialspenderreservoirs mit Kernbindemittel (Schritt 300), und zusätzlicher Materialspender mit Mantelbindemittel (Schritt 310). Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die Materialspenderreservoirs, die mit dem Kernbindemittel und dem Mantelbindemittel gefüllt sind, auf der Achse liegende Reservoirs, außeraxiale Reservoirs, Einkammerreservoirs oder untergliederte Reservoirs sein, die konfiguriert sind, um mehrere Bindemittelmaterialien zu empfangen und chemisch zu trennen. Ferner, wenn das zu formende dreidimensionale Objekt einen recht großen Kernbereich und einen relativ kleinen Umfang an Mantelbereich umfasst, kann eine höhere Anzahl an Materialspendern als Kernmaterialspender (210), mit ihren zugeordneten Material reservoirs, bestimmt sein. Umgekehrt, wenn es einen kleinen Kernbereich und einen relativ großen Umfang an Mantelbereich an dem erwünschten dreidimensionalen Objekt gibt, kann eine höhere Anzahl an Materialspendern als Mantelmaterialspender bestimmt werden, um eine Bildungszeit zu reduzieren.
  • Wenn die Materialspenderreservoirs gefüllt sind, können die Aufbau- und Zuführbehälter mit den Pulverkomponenten gefüllt werden (Schritt 320). Die 4A stellt einen Behälter dar, der eine Schicht der Pulverkomponente (240) enthält, die auf dem Substrat (260) verteilt ist. Wie dargestellt, kann die mechanische Rolle (230) eine dünne Schicht der Pulverkomponente (240) auf dem Substrat (260) verteilen und zusammenpressen. Zuerst wird eine vorbestimmte Menge der Pulverkomponente (240) von einem Pulverreservoir (nicht gezeigt) auf das Substrat (260) aufgebracht. Sobald dieselbe aufgebracht ist, presst die mechanische Rolle (230) eine Menge der Pulverkomponente zusammen und verteilt dieselbe. Die Menge der Pulverkomponente (240), die an dem Substrat (260) verbleibt, nachdem die mechanische Rolle (230) eine dünne Schicht verteilt und zusammengepresst hat, entspricht dem Abstand zwischen der mechanischen Rolle (230) und dem Substrat (260), wenn keine Materialaufbringungsvorgänge durchgeführt wurden. Gleichartig dazu, wenn eine Anzahl von Materialaufbringungsvorgängen vorhergehend durchgeführt wurden, dann entspricht die Menge der Pulverkomponente (240), die an dem Substrat (260) nach einem Rollvorgang verbleibt, dem Abstand zwischen der mechanischen Rolle (230), wenn dieselbe ihren Verteilungs- und Pressvorgang durchführt, und dem vorhergehend ausgehärteten Material. Die Menge der Pulverkomponente (240), die durch die mechanische Rolle (230) aufgebracht ist, kann durch den Servomechanismus (200; 2) eingestellt werden und optimiert werden, um den Materialauswurfraten der Kern- und Mantelmaterialspender (210, 215) zu entsprechen.
  • Sobald eine Schicht der Pulverkomponente (240) durch die mechanische Rolle verteilt und zusammengepresst wurde (Schritt 320; 3), kann eine dreidimensionale Kern/Mantel-Datei erzeugt werden (Schritt 330; 3). Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel enthält die dreidimensionale Kern/Mantel-Datei eine Anzahl von Servound Materialspenderbefehlen, die konfiguriert sind, um zu bewirken, dass das SFF-System (100; 2) das Kernbindemittel (225; 2) und das Mantelbindemittel (220; 2) bei erwünschten Bereichen der Pulverkomponente (240) selektiv abgibt.
  • Wenn die dreidimensionale Datei erzeugt wurde, kann das SFF-System (100; 2) auf die dreidimensionale Datei zugreifen, um die selektive Aufbringung des Kernbindemittels (Schritt 340; 3) und des Mantelbindemittels (Schritt 350; 3) zu steuern. Wie in der 4B dargestellt, kann die bewegbare Bühne (120) und nachfolgend der Kernmaterialspender (210) und der Mantelmaterialspender (215) durch die Rechenvorrichtung (140; 2) und den Servomechanismus (200) gesteuert benachbart zu der Pulverkomponente (240) positioniert werden. Wenn die bewegbare Bühne (120) bei einem erwünschten Ort ist, wie durch die dreidimensionale Datei angewiesen, wird der Kernmaterialspender (210) und/oder der Mantelmaterialspender (215) betätigt, um eine vorbestimmte Menge des Kernbindemittels (220) bzw. des Mantelbindemittels (225) abzugeben.
  • Wie in der 4B gezeigt ist, wenn das Kernbindemittel (220) oder das Mantelbindemittel (225) durch die jeweiligen Materialspender an die Schicht der Pulverkomponente (240) abgegeben ist, benetzt das jeweilige Bindemittel die Oberfläche der Pulverkomponente (240) und reagiert mit derselben. Diese Mischung (420) der Bindemittel (220, 225) und der Pulverkomponente (240) definiert den Querschnitt des erwünschten dreidimensionalen Objekts. Wenn genügend Kernbindemittel (220) oder Mantelbindemittel (225) auf eine Schicht der Pulverkomponente (240) aufgebracht ist, um einen Abschnitt der Pulverkomponente, der durch die dreidimensionale Kern/Mantel-Datei bestimmt ist, zu benetzen, wird die bewegbare Bühne (120) verschoben, um Bindemittel selektiv auf die anderen Bereiche der Pulverkomponente aufzubringen, wie dies durch den "Bewegung"-Pfeil angezeigt ist.
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Aufbringung des Bindemittels (220, 225) mit einem schichtweisen Prozess oder mit einem Prozess einer einmaligen Gesamtabgabe durchgeführt werden. Insbesondere gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die oben erwähnten Schritte eines Abgebens einer Pulverkomponente (240) auf das Substrat (Schritt 320; 3), ein Aufbringen eines Kernbindemittels (Schritt 340; 3) und ein selektives Aufbringen eines Mantelbindemittels (Schritt 350; 3) auf die Pulverkomponente in mehreren Iterationen durchgeführt werden. Zuerst wird eine erwünschte Menge der Pulverkomponente (240) auf das Substrat (260) abgegeben, und dann werden die zwei Bindemittel (220, 225) wie durch das zweidimensionale Kern/Mantel-Modell angewiesen, selektiv auf die Pulverkomponente aufgebracht. Nachfolgend kann eine weitere Schicht der Pulverkomponente (240) über das kürzlich aufgebrachte Bindemittel abgegeben werden, und der Prozess beginnt erneut, um ein mehrschichtiges dreidimensionales Objekt zu bilden. Wie vorausgehend angemerkt, können die zwei Bindemittel (220, 225) in einer jeglichen Reihenfolge oder gleichzeitig abgegeben werden.
  • Alternativ kann ein Prozess einer einmaligen Gesamtabgabe durchgeführt werden, wobei eine einzelne Menge der Pulverkomponente (240) über das Substrat (260) verteilt wird. Nachfolgend wird eine ausreichende Menge des Kernbindemittels (220) und des Mantelbindemittels (225) selektiv in die Pulverkomponente (240) abgegeben, um eine erwünschte Menge der Pulverkomponente (240) zu binden. Gemäß diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel werden das Kern- und das Mantelbindemittel (220, 225) an der Oberfläche der Pulver komponente (240) abgegeben und denselben wird ermöglicht, darin zu diffundieren, um das erwünschte dreidimensionale Objekt zu bilden.
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Wechselwirkung der zwei Materialien von einer Anzahl von Faktoren abhängen, die umfassen, aber in keiner Weise beschränkt sind auf die Viskosität der Bindemittelmaterialien (220, 225). Entsprechend kann ein optionaler Schritt eines Aufbringens von Ultraschallenergie auf die aufgebrachten Materialien durchgeführt werden. Gemäß diesem optionalen Schritt kann ein Ultraschallwandler (nicht gezeigt) oder ein anderes ähnliches Element einen Teil des SEE-Systems (100; 2) bilden, um die Ultraschallenergie zu liefern. Die Anwendung von Ultraschallenergie kann die Wechselwirkung der zwei Materialien erleichtern.
  • Sobald die aufgebrachten Bindemittel (220, 225) ausreichend mit der Pulverkomponente (240) „in Wechselwirkung getreten sind", kann die Kombination durch die Anwendung von ultravioletter (UV-) oder anderer Strahlungsenergie ausgehärtet werden (Schritt 360). Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in der 4C dargestellt ist, können die aufgebrachten Materialien durch ein Aussetzen derselben gegenüber einem Lichtemitter (430), der konfiguriert ist, um eine bekannte Lichtwellenlänge (440) zu emittieren, ausgehärtet werden. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der Lichtemitter (430) eine beliebige Anzahl von Lichtwellenlängen (440) emittieren, einschließlich, aber in keiner Weise beschränkt auf sichtbares Licht oder UV-Strahlung. Wenn eine UV- (oder eine andere) Strahlungsenergie von einer bekannten Lichtwellenlänge (440) auf den einteiligen reaktionsfähigen Harz (410) angewandt wird, löst die hinzugefügte Energie eine Polymerisation aus, um eine Festkörpermatrix zu bilden. Alternativ kann eine thermische Anwendevorrichtung verwendet werden, um thermische Energie zu liefern, um ein Aushärten des aufgebrachten Materials zu ermöglichen, oder dem aufgebrachten Material wird ermöglicht, natürlich in einer erwünschten Atmosphäre über die Zeit auszuhärten. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der oben erwähnte Aushärtungsschritt (Schritt 360; 3) nach einem oder mehreren Arbeitsgängen durchgeführt werden, wenn das SFF-System (100; 2) gemäß einem schichtweisen Prozess arbeitet.
  • Die UV- oder andere Strahlungsenergie in der Form einer bekannten Lichtwellenlänge (440) kann durch einen UV- oder einen anderen Lichtemitter (430) an die aufgebrachten Bindemittel geliefert werden. Der Lichtemitter kann eine beliebige Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um ultraviolette (UV-) oder eine andere Strahlungsenergie anzuwenden, die ausreichend ist, um eine Polymerisation der aufgebrachten Bindemittel auszulösen. Wie in der 4C gezeigt, kann der Lichtemitter (430) eine getrennte Belichtungsvorrichtung oder Abtasteinheit sein, die konfiguriert ist, um alle oder aufgewählte Abschnitte des aufgebrachten Bindemittels auf einmal zu belichten. Alternativ kann der Lichtemitter (430) als eine Abtasteinheit mit der bewegbaren Bühne (120) gekoppelt sein.
  • Sobald die erwünschten Bindemittel (220, 225) ausreichend ausgehärtet wurden (Schritt 360; 3), werden die ungebundenen Pulverkomponenten, die in dem Herstellungsbehälter (110; 1) vorliegen, von dem gebildeten dreidimensionalen Objekt entfernt. Wie in der 3 dargestellt, offenbart die Entfernung der ungebundenen Pulverkomponenten das dreidimensionale Objekt. Wie gezeigt weist das Kernmaterial (250), das dem resultierenden dreidimensionalen Objekt Biegefestigkeit hinzufügt, eine ziemlich unregelmäßige Oberflächengüte auf. Allerdings ist das Mantelmaterial (255) mit der unregelmäßigen Grenzfläche des Kernmaterials (250) gekoppelt, wodurch eine glatte Oberflächengüte geliefert wird, während die Biegefestigkeit des Kernmaterials (250) beibehalten wird.
  • Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel liefert die glatte Oberflächengüte des Mantelmaterials (255) eine verbesserte Oberfläche, um eine Nachverarbeitungsbeschichtung aufzunehmen. Genauer gesagt kann es die unregelmäßige Oberfläche des Kernbindemittels (220) schwierig gestalten, eine gleichmäßige Nachverarbeitungsbeschichtung auf einem gebildeten dreidimensionalen Objekt bereitzustellen. Jedoch liefert das vorliegende beispielhafte System und Verfahren zum Beschichten des Kerns (250) mit einem glatten Mantelmaterial (255) ein einfach zugängliches Medium für Beschichtungen. Insbesondere das dreidimensionale Objekt kann mit einer Nachverarbeitungsbeschichtung beschichtet werden, wie z. B., aber in keiner Weise beschränkt auf Farbe, eine korrosionsbeständige Beschichtung oder anwendungsspezifische Beschichtungen. Eine beispielhafte Formulierung des vorliegenden Systems und Verfahrens ist unten angegeben.
  • Beispiel
  • Das oben erwähnte System und Verfahren wurde verwendet, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden, das einen strukturellen Kern und eine Oberflächengüte, die durch ein Mantelmaterial geliefert wird, aufweist. Eine unten aufgeführte Tabelle 1 stellt die Zusammensetzung des verwendeten Acryl-Kernbindemittels dar:
    Komponente Gewichtsprozent
    Wasser 12,03
    Hema 38,01
    GDMA 14,77
    4-DMAB 4,86
    CQ 0,48
    Lucirin TPO 0,48
    t-BHT 0,01
    Ethanol 29,36
    Gesamt 100,00
    Tabelle 1
  • Ferner wurde ein Phosphorsäure-Mantelbindemittel erzeugt. Die verwendete Formulierung ist unten in einer Tabelle 2 dargestellt:
    Komponente Gewichtsprozent
    H3PO4 5,88
    2-P 3,00
    LEG-1 5,00
    Surfynol 465 0,75
    Wasser 78,87
    1,5-Pentandiol 5,50
    Tergitol-15-S-7 1,00
    Gesamt 100,00
    Tabelle 2
  • Und schließlich wurde ein Tetracalcium-Phosphatpulver generiert, dessen Formulierung unten in einer Tabelle 3 dargestellt ist:
    Komponente Gewichtsprozent
    TTCP 71
    Zitronensäure 5
    PAA (60 K) 10
    Li3PO4 10
    MgF2 3
    Benzoylperoxid 1
    Gesamt 100
    Tabelle 3
  • Sobald die oben erwähnten Formulierungen generiert waren, wurden drei von vier Stiften an einem thermischen Tintenstrahlmaterialspender mit dem spritzbaren Acrylat, das in der Tabelle 1 dargestellt ist, gefüllt, und ein einzelner Stift wurde mit der Phosphorsäurelösung, die in der Tabelle 2 dargestellt ist, geladen. Sobald gefüllt, wurden die Aufbau- und Zuführbehälter eines SFF-Systems mit dem Tetracalciumphosphatpulver der Tabelle 3 gefüllt. Eine dreidimensionale Kern/Mantel- (oder Innen-Außen-Geometrie-) Datei wurde erzeugt, um ein erwünschtes Objekt zu drucken. Das Stück wurde dann unter Verwendung des thermischen Tintenstrahlmaterialspenders gedruckt. Während einem Drucken spritzten die drei Acrylatstifte Material in die Kernregion des Stückes, und ein Phosphorsäurestift wurde verwendet, um den Mantel oder die kosmetische Haut über dem rauen schnell diffundierenden Acrylatbindemittel zu erzeugen. Auf einer Volumenbasis von einem Bindemittel gegenüber einem Pulver wurde annäherungsweise 10 % Phosphorsäure aufgebracht, um den Mantel zu bilden, und annäherungsweise 30 % Acrylatbindemittel wurde abgegeben, um den Kern zu bilden. Dann wurde es dem resultierenden dreidimensionalen Objekt ermöglicht, auszuhärten, was zu einem glatten aber gleichzeitig festen dreidimensionalen Objekt führte.
  • Schlussendlich gestattet das vorliegende Festkörperfreiformherstellungssystem und -verfahren effektiv die Erzeugung von dreidimensionalen Objekten, die sowohl Biegefestigkeit als auch eine glatte Oberflächengüte aufweisen. Durch ein Entkoppeln der Festigkeit- und Glättefunktion in einer Kern/Mantel-Struktur kann das vorliegende beispielhafte System und Verfahren sowohl Biegefestigkeit als auch eine glatte Oberflächengüte liefern. Speziell eine Kernregion eines gebildeten Objekts kann aus einem polymerisierbaren Acrylat gebildet werden, was dem dreidimensionalen Objekt Biegefestigkeit liefert. Ferner kann eine wasserbasierte Mantelregion auf der Kernregion gebildet werden, um die Oberflächengüte des resultierenden dreidimensionalen Objekts zu verbessern. Als ein Ergebnis weist das dreidimensionale Objekt bessere mechanische Eigenschaften auf, als diese durch traditionelle Verfahren erzeugt worden wären, da eine Eindämmung der Reaktion eine Quellung, Auflösung und Wiederablagerung verhindert.
  • Die vorausgegangene Beschreibung wurde lediglich dargelegt, um beispielhafte Ausführungsbeispiele des vorliegenden Systems und Verfahrens zu veranschaulichen und zu beschreiben. Sie soll nicht erschöpfend sein oder das vorliegende System und Verfahren auf eine präzise offenbarte Form beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich des vorliegenden Systems und Verfahrens durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Festkörperfreiformherstellungsobjekts, das ein Verteilen eines reaktionsfähigen Pulvers auf einem Substrat, ein selektives Abgeben eines Kernbindemittels in das reaktionsfähige Pulver zum Bilden eines Kernmaterials und ein selektives Abgeben eines Mantelbindemittels in das reaktionsfähige Pulver zum Bilden eines Mantels auf dem Kernmaterial umfasst.

Claims (9)

  1. Ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Festkörperfreiformherstellungsobjekts, das folgende Schritte aufweist: Verteilen eines reaktionsfähigen Pulvers auf einem Substrat; selektives Abgeben eines Kernbindemittels in das reaktionsfähige Pulver, um ein Kernmaterial zu bilden; und selektives Abgeben eines Mantelbindemittels in das reaktionsfähige Pulver, um einen Mantel auf dem Kernmaterial zu bilden.
  2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Kernbindemittel ein Acrylat umfasst.
  3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Pulver einen Frühhochfestzement umfasst.
  4. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Frühhochfestzement entweder ein Calciumphosphat oder ein Calciumsulfat umfasst.
  5. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem das Pulver ferner einen Polymerisationsinitiator umfasst.
  6. Ein Festkörperfreiformherstellungssystem zum Erzeugen eines dreidimensionalen Objekts, das folgende Merkmale aufweist: ein Pulververteilungssystem (230), das konfiguriert ist, um eine spezifizierte Menge an reaktionsfähigem Pulver zu verteilen; ein Abgabesystem (120), das angepasst ist, um sowohl ein Kernbindemittel (210) als auch ein Mantelbindemittel (215) selektiv auf das reaktionsfähige Pulver (240) abzugeben; ein Aushärtsystem (360), das konfiguriert ist, um das reaktionsfähige Harz auszuhärten; und eine Rechenvorrichtung (140), die mit dem Abgabesystem und dem Aushärtsystem gekoppelt ist und konfiguriert ist, um das Abgabesystem und das Aushärtsystem zu steuern.
  7. Das Festkörperfreiformherstellungssystem gemäß Anspruch 7, bei dem das Pulververteilungssystem (230) eine mechanische Rolle (230) umfasst.
  8. Das Festkörperfreiformherstellungssystem gemäß Anspruch 7, bei dem die mechanische Rolle (230) konfiguriert ist, um eine Menge des reaktionsfähigen Pulvers (240) zu planarisieren und zusammenzupressen.
  9. Das Festkörperfreiformherstellungssystem gemäß Anspruch 9, bei dem das Abgabesystem zumindest einen Tintenstrahlspender (215) umfasst.
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