DE102008002352A1 - Additive Fabrication - 3 D pressure - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Additive Fabrication-Verfahren, mit dem farbige dreidimensionale Objekte aus einer Pulvermatrix hergestellt werden können, ohne zusätzliche Verfahrensschritte zur Verfestigung des Materials.The invention relates to an additive fabrication method with which colored three-dimensional objects can be produced from a powder matrix without additional process steps for solidifying the material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Additive Fabrication-Verfahren, mit dem farbige dreidimensionale Objekte aus einer Pulvermatrix hergestellt werden können, ohne zusätzliche Verfahrensschritte zur Verfestigung des Materials.The The invention relates to an additive fabrication process with which colored Three-dimensional objects are made from a powder matrix can, without additional procedural steps to Solidification of the material.

Rapid-Prototyping bzw. Rapid-Manufacturing-Verfahren, generell Additive Fabrication-Verfahren sind Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene 3 D CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen.Rapid prototyping or rapid manufacturing process, generally additive fabrication process are manufacturing processes that have the goal of existing 3 D CAD data as possible without manual detours or forms directly and quickly to convert into workpieces.

Unter den Rapid-Prototyping-Verfahren gibt es zwei Gruppen von Verfahren. Bei einer Vorgehensweise wird auf die gesamte Oberfläche aufgetragenes Material selektiv gebunden (Selektivverkleben). Stereolithographie und Selektiv-Laser-Verfahren (SLS) sind bekannte Verfahren, die nach diesem Prinzip arbeiten. Bei der anderen Verfahrenstechnik wird das Material selektiv abgelagert und gebunden (Selektivauftragen).Under The rapid prototyping process has two groups of procedures. An approach will affect the entire surface applied material selectively bonded (selective bonding). stereolithography and Selective Laser Techniques (SLS) are known methods that work on this principle. In the other process technology is the material selectively deposited and bound (selective application).

EP 0171069 offenbart, dass bei der Stereolithographie eine Schicht eines flüssigen Polymerharzes abgelagert und durch selektive Energiezufuhr mittels eines schwenkbaren Laserstrahles selektiv ausgehärtet wird. EP 0171069 discloses that in stereolithography, a layer of liquid polymer resin is deposited and selectively cured by selective energy input by means of a tiltable laser beam.

Die WO 88/02677 beschreibt das SLS-Verfahren, bei dem eine Schicht eines Sintermaterials aufgetragen und selektiv teilweise geschmolzen und damit verklebt wird. Auch hier erfolgt die selektive Energiezufuhr über einen schwenkbaren Laserstrahl.The WO 88/02677 describes the SLS process in which a layer of a sintered material is applied and selectively partially melted and adhered thereto. Again, the selective energy supply via a pivotable laser beam.

Aus der WO 95/05943 ist ein Verfahren des selektiven Auftragens aus der Gruppe des Rapid-Prototypings bekannt. Ein Baumaterial wird selektiv in selektierte Teilbereiche des Prozessbereichs mittels eines Drop-on-Demand-Druckkopfes abgelagert. Die verbleibenden Teilbereiche werden auch mittels eines Drop-on-Demand-Druckkopfes mit geschmolzenem Wachs als Supporting-Material verfüllt. Jede nachfolgende Schicht wird auf eine vorhergehende Schicht nur nach deren Verfestigung abgelagert. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt, bis der Strukturkörper vervollständigt ist.From the WO 95/05943 is a method of selective application from the group of rapid prototyping known. A building material is selectively deposited into selected portions of the process area by means of a drop-on-demand printhead. The remaining sections are also filled with molten wax as a support material by means of a drop-on-demand printhead. Each subsequent layer is deposited on a previous layer only after it has solidified. This process is repeated layer by layer until the structural body is completed.

Wachs oder ähnliche Supporting-Materialien wie Harze können durch einen Drop-on-Demand-Druckkopf jedoch wegen der materialspezifischen Oberflächenspannung nur in sehr kleinen Tropfen aufgetragen werden. Die Ablagerung der Wachstropfen zum Verfüllen eines großen Volumens der Supporting-Struktur pro Schicht ist sehr aufwendig und kann daher für große Objekte zu Herstellungszeiträumen von mehreren Tagen führen.wax or similar supporting materials such as resins through a drop-on-demand print head, however, because of the material specific Surface tension applied only in very small drops become. The deposition of wax drops to fill a large volume of the supporting structure per shift very elaborate and can therefore be used for large objects lead to production periods of several days.

In der EP1227926 wird ein Rapid-Prototyping Verfahren beschrieben, bei dem schichtweise eine Baumaterialschicht aufgebaut wird, wobei ein Supporting-Fluid die verbleibenden Teilbereiche verfüllt. Die verwendeten Flüssigharzmaterialien werden mit einem chemischen Reaktionsmittel nachbehandelt, welches in der Supporting-Flüssigkeit enthalten ist, um dieses auszuhärten. Der Aushärtungsprozess wird durch Erwärmen gestartet. Nachteilig ist hier das Handling mit Flüssigkeiten, das besondere Anforderungen an die Bauteile bezüglich des verlustfreien Transports und der Lagerung. Außerdem muss bei komplizierten Strukturen mit Supporting Strukturen gearbeitet werden, die die Konstruktion bis zur Fertigstellung stützen und die in einem weiteren Verarbeitungsschritt wieder entfernt werden müssen, beispielsweise in entsprechenden Medien aufgelöst werden.In the EP1227926 describes a rapid prototyping method in which a layer of building material is built up in layers, wherein a supporting fluid fills the remaining portions. The liquid resin materials used are aftertreated with a chemical reagent contained in the supporting liquid to cure it. The curing process is started by heating. The disadvantage here is the handling of liquids, the particular demands on the components in terms of loss-free transport and storage. In addition, it is necessary to work with complicated structures with supporting structures that support the construction to completion and that must be removed in a further processing step, for example, dissolved in appropriate media.

Aufgabe war es ein 3 D Druck-Verfahren zur Verfügung zu stellen, das ohne die Verwendung von Supporting-Fluiden arbeitet.task was it to provide a 3 D printing process that works without the use of supporting fluids.

Es war Aufgabe, die Objekte in ausreichender Festigkeit herstellen zu können. Eine Nachbearbeitung durch das Auftragen von festigkeitserhöhenden Beschichtungen oder die Verfestigung über einen nachgeschalteten Einbrennprozess soll vermieden werden.It was task that produce objects in sufficient strength to be able to. A post-processing by the application of strength-increasing coatings or solidification over a subsequent burn-in process should be avoided.

Der Einsatz von Feststoffen sollte jedoch auch nicht in die Problematik der Feinstäube, mit ihrem Gefährdungspotential für die Gesundheit, gelangen.Of the However, use of solids should not be a problem either the fine dusts, with their hazard potential for health, get.

Eine weitere Aufgabe war es, farbige Objekte darstellen zu können, wobei die Farbe nicht erst durch einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt eingebracht werden soll.A another task was to be able to represent colored objects, the color does not come first through an additional processing step should be introduced.

Gelöst wurde diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen durch mehrfache aufeinanderfolgende Auftragung dünner Schichten eines Pulvermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass ein reaktives Methyl(meth)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat-Bindemittel mit Beschleuniger auf eine Pulvermatrix aufgetragen wird, und die Matrix ein Initiatorsystem enthält.Solved This task was accomplished by a method of producing three-dimensional Structures thinner by multiple successive application Layers of a powder material, characterized in that a reactive methyl (meth) acrylate / polymethyl (meth) acrylate binder with accelerator is applied to a powder matrix, and the Matrix contains an initiator system.

Überraschend wurde gefunden, dass bei der Auftragung der dünnen Schichten mit dem erfindungsgemäßen reaktiven Methyl(meth)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat Bindemittel, das einen Beschleuniger enthält, sofort eine Reaktion bei Kontakt mit dem in der Pulvermatrix befindlichen Initiator ausgelöst wird. Dies führt zur sofortigen Bildung einer festen Struktur.Surprised was found that when applying the thin layers with the reactive methyl (meth) acrylate / polymethyl (meth) acrylate according to the invention Binder containing an accelerator, immediately one Reaction on contact with the initiator in the powder matrix is triggered. This leads to immediate education a solid structure.

Die Schreibweise (Meth)acrylat bedeutet hier sowohl Methacrylat, wie z. B. Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat usw., als auch Acrylate, wie z. B. Ethylhexylacrylat, Ethylacrylat usw., sowie Mischungen aus beiden.The notation (meth) acrylate here means both methacrylate, such as. Methyl methacrylate, Ethyl methacrylate, etc., as well as acrylates, such as. As ethylhexyl acrylate, ethyl acrylate, etc., as well as mixtures of the two.

Vorteilhafterweise können dem Bindemittel Farbstoffe zugegeben werden.advantageously, Dyes can be added to the binder.

Dem Bindemittel können beliebige Farbstoffe zugegeben werden, bevorzugt die drei Primärfarben und Schwarz. In einer besonderen Ausführungsform sind die Bindemittel farblos.the Binders can be added to any desired dyes, prefers the three primary colors and black. In a special Embodiment, the binders are colorless.

Die Bindemittel enthalten reaktives Methyl(meth)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat aus der Gruppe der (Meth)acrylate, (Meth)acrylsäuren, (Meth)acrylaminen oder kationischen (Meth)acrylaten und/oder deren Mischungen.The Binders contain reactive methyl (meth) acrylate / polymethyl (meth) acrylate from the group of (meth) acrylates, (meth) acrylic acids, (meth) acrylamines or cationic (meth) acrylates and / or mixtures thereof.

Besonders bevorzugt sind (Meth)acrylate, die sich von gesättigten Alkoholen mit 1 bis 40 C-Atomen, vorzugsweise 1 bis 24 C-Atome ableiten, wobei der Alkoholrest linear oder verzweigt sein kann.Especially preferred are (meth) acrylates which are derived from saturated Derive alcohols having 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 24 carbon atoms, wherein the alcohol residue may be linear or branched.

Besonders bevorzugt sind Dimethylaminoethyl(meth)acrylat, Trimethylammoniumethylmethacrylat-chlorid, Dimethylaminopropylmethacrylamid und Trimethylammoniumpropylmethacrylamid-chlorid.Especially preferred are dimethylaminoethyl (meth) acrylate, trimethylammoniumethyl methacrylate chloride, Dimethylaminopropylmethacrylamide and trimethylammoniumpropylmethacrylamide chloride.

Es wurde gefunden, dass die Pulvermatrix aus organischem oder anorganischem kugelförmigem Material bestehen kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Pulvermatrix aus Material mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung besteht.It It was found that the powder matrix of organic or inorganic may consist of spherical material. It is advantageous if the powder matrix of material with different particle size distribution consists.

Geeignet ist kugelförmiges Material mit Kugeldurchmessern zwischen 2 und 500 μm, bevorzugt zwischen 2 und 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 μm.Suitable is spherical material with ball diameters between 2 and 500 μm, preferably between 2 and 50 μm, more preferably between 5 and 30 microns.

Es können organische Materialien, bevorzugt aus Polymethy(meth)acrylat oder Polyamid und deren Mischungen eingesetzt werden.It may be organic materials, preferably polymethyl (meth) acrylate or polyamide and mixtures thereof.

Es können aber auch anorganische Materialien, bevorzugt aus SiO2 oder Al(OH)3 und deren Mischungen verwendet werden.However, it is also possible to use inorganic materials, preferably of SiO 2 or Al (OH) 3, and mixtures thereof.

Es sind verschiedene Systeme aus Bindemitteln mit Beschleuniger und Initiator in der Pulvermatrix geeignet.It are different systems of binders with accelerator and Initiator in the powder matrix suitable.

Beispielsweise werden die Beschleuniger im Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe der Toluidine. Hierzu werden dann als Initiatorsysteme ausgewählt aus der Gruppe der Peroxide, bevorzugt Benzoylperoxid oder Laurylperoxid in der Pulvermatrix eingesetzt.For example the accelerators in the binder are selected from the group of toluidines. These are then called initiator systems selected from the group of peroxides, preferably benzoyl peroxide or lauryl peroxide used in the powder matrix.

Ein anderes geeignetes System enthält als Beschleuniger im Bindemittel organosulfonische Verbindungen. Diese werden dann bevorzugt mit Initiatoren ausgewählt aus der Gruppe der Permaleinate kombiniert.One other suitable system contains as accelerator in Binder organosulfonic compounds. These are then preferred combined with initiators selected from the group of permalates.

Bei dem Zusammentreffen dieser oder anderer geeigneter Bindemittel mit Beschleuniger und dem entsprechenden Initiator erfolgt eine chemische Reaktion am Auftragungspunkt. Diese führt zum Aushärten der Matrix.at the meeting of these or other suitable binder with Accelerator and the corresponding initiator is a chemical reaction at the point of application. This leads to curing the matrix.

Üblicherweise wird die Bindemittelflüssigkeit über eine bewegliche Kartusche aufgebracht, die über dem Pulvermaterialreservoir angeordnet ist. Zur Bearbeitung farbiger Objekte können wie aus dem Stand der Technik für 2-D-Tintenstrahl-Farbdrucker bekannt, mehrere Farbkartuschen verwendet werden, die das Bindemittel, den Beschleuniger und Farbstoffe sowie weitere Hilfs- und Zusatzstoffe enthalten. Die Kartusche umfasst mindestens eine Bindemitteldüse, wobei jede Düse mit einem Bindemittelvorrat gekoppelt ist, um Bindemittel auf die Schichten des Aufbaumaterials selektiv aufzubringen.Usually the binder liquid is a mobile Cartridge applied over the powder material reservoir is arranged. For editing colored objects As known from the prior art for 2-D ink-jet color printer, several color cartridges are used, which are the binder, the Accelerators and dyes and other auxiliaries and additives contain. The cartridge comprises at least one binder nozzle, wherein each nozzle is coupled to a binder supply, to selectively apply binder to the layers of the building material.

Verschiedene Mengen von Bindemittel können in den Schichten der Pulvermatrix aufgebracht werden. Durch die unterschiedlichen Bindemittelmengen kann die Teilfestigkeit gesteuert werden. Insbesondere an den Außenseiten bzw. an stärker beanspruchten Stellen wird somit eine höhere Festigkeit erzielt.Various Amounts of binder may be present in the layers of the powder matrix be applied. Due to the different binder amounts the partial strength can be controlled. Especially on the outside or at higher stress points thus becomes a higher Strength achieved.

Erfindungsgemäß wird ein Vorrat an gefärbten und farblosen Bindemitteln eingesetzt. Tropfen von Bindemittel und Farbstoff werden selektiv auf die Pulvermatrix aufgebracht, um mehrfarbige Objekte zu erzeugen.According to the invention a supply of colored and colorless binders used. Drops of binder and dye are selectively applied to the powder matrix applied to create multicolored objects.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (13)

Additive Fabrication-Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen durch mehrfache aufeinanderfolgende Auftragung dünner Schichten eines Pulvermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass ein reaktives Methyl(meth)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat-Bindemittel mit Beschleuniger auf eine Pulvermatrix aufgetragen wird, und die Matrix ein Initiatorsystem enthält.An additive fabrication method for producing three-dimensional structures by multiple successive application of thin layers of a powder material, characterized in that a reactive methyl (meth) acrylate / polymethyl (meth) acrylate binder is applied to a powder matrix with accelerator, and the matrix contains an initiator system , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel Farbstoffe enthalten.Method according to claim 1, characterized in that the binders contain dyes. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel drei Primärfarben und Schwarz enthalten.Method according to claim 2, characterized in that that the binders contain three primary colors and black. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel farblos sind.Method according to claim 2, characterized in that that the binders are colorless. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel reaktives Methyl(meth)acrylat/Polymethyl(meth)acrylat aus der Gruppe der (Meth)acrylate, (Meth)acrylsäuren, (Meth)acrylaminen oder kationischen (Meth)acrylaten und deren Mischungen enthält.Method according to claim 1, characterized in that the binders are reactive methyl (meth) acrylate / polymethyl (meth) acrylate from the group of (meth) acrylates, (meth) acrylic acids, (meth) acrylamines or cationic (meth) acrylates and mixtures thereof. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermatrix aus organischem oder anorganischem kugelförmigem Material besteht.Method according to claim 1, characterized in that that the powder matrix of organic or inorganic spherical Material exists. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermatrix aus Material mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung besteht.Method according to Claim 6, characterized that the powder matrix of material with different particle size distribution consists. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermatrix aus kugelförmigem Material mit Kugeldurchmessern zwischen 2 und 500 μm, bevorzugt zwischen 2 und 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 μm, besteht.Method according to Claim 6, characterized that the powder matrix of spherical material with ball diameters between 2 and 500 μm, preferably between 2 and 50 μm, more preferably between 5 and 30 microns, there is. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermatrix aus organischen Materialien, bevorzugt aus Polymethy(meth)acrylat oder Polyamid und deren Mischungen, besteht.Method according to Claim 6, characterized that the powder matrix of organic materials, preferably from Polymethy (meth) acrylate or polyamide and mixtures thereof. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermatrix aus anorganischen Materialien, bevorzugt aus SiO2 oder Al(OH)3 und deren Mischungen, besteht.A method according to claim 6, characterized in that the powder matrix consists of inorganic materials, preferably of SiO 2 or Al (OH) 3 and mixtures thereof. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleuniger in der Pulvermatrix ausgewählt sind aus der Gruppe der Toluidine oder organosulfonischen Verbindungen.Method according to claim 1, characterized in that that the accelerators are selected in the powder matrix from the group of toluidines or organosulfonic compounds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Initiatorsystem ausgewählt ist aus der Gruppe der Peroxide, bevorzugt Benzoylperoxid oder Laurylperoxid.Method according to claim 1, characterized in that that the initiator system is selected from the group the peroxides, preferably benzoyl peroxide or lauryl peroxide. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Initiatorsystem ausgewählt ist aus der Gruppe der Permaleinate.Method according to claim 1, characterized in that that the initiator system is selected from the group the permaleinate.
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