DE102011075544A1 - Mehrfarbiger Fused Deposition Modeling Druck - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein modifiziertes Fused Deposition Modeling-Verfahren zur Herstellung mehrfarbiger dreidimensionaler Objekte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren mit dem gegenüber dem Stand der Technik 3D-Objekte mit besonders gutem Farbbild hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der zur Herstellung des eigentlichen Objekts verwendete Polymerstrang in der Düse eingefärbt wird, und dass dabei eine Mischvorrichtung, bei der es sich um ein mehrere Injektionsnadeln, einen statischen Mischer oder einen dynamischen Mischer handelt, verwendet wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein modifiziertes Fused Deposition Modeling-Verfahren zur Herstellung mehrfarbiger dreidimensionaler Objekte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren, mit dem gegenüber dem Stand der Technik 3D-Objekte mit besonders gutem Farbbild hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der zur Herstellung des eigentlichen Objekts verwendete Polymerstrang in der Düse eingefärbt wird, und dass dabei eine Mischvorrichtung, bei der es sich um ein mehrere Injektionsnadeln, einen statischen Mischer oder einen dynamischen Mischer handelt, verwendet wird.
  • Stand der Technik
  • Rapid-Prototyping bzw. Rapid-Manufacturing-Verfahren sind Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene dreidimensionale CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen.
  • Unter den Rapid-Prototyping-Verfahren gibt es inzwischen diverse Verfahren. Diese lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Laserbasierte und Verfahren ohne Verwendung eines Lasers.
  • Das bekannteste laserbasierte und gleichzeitig älteste 3D-Druckverfahren ist die Stereolithographie (SLA). Hierbei wird eine flüssige Zusammensetzung eines strahlenhärtbaren Polymers mit einem Laser schichtweise ausgehärtet. Dem Fachmann ist klar ersichtlich, dass ein auf diese Weise produziertes Werkstück nur nachträglich an der Oberfläche koloriert werden kann. Dies ist aufwendig und zeitintensiv.
  • Ähnlich ist das Selective Laser Sintering Verfahren (SLS), bei dem ein pulverförmiger Rohstoff, wie z.B. ein Thermoplast oder ein sinterfähiges Metall, mittels eines Lasers analog zum SLA Schicht für Schicht selektiv gesintert wird. Auch mit diesem Verfahren kann man im ersten Verfahrensschritt nur einfarbige oder unspezifisch gefärbte 3D-Objekte erhalten. Das gleiche gilt für das dritte laserbasierte Verfahren „Laminated Object Manufacturing“, bei dem eine mit Klebstoff versehene Papierbahn oder Kunststoffolie Schicht für Schicht aufeinander verklebt und mittels Laser geschnitten wird. Das nachträgliche Färben eines Objekts ist zum Beispiel in US 6,713,125 beschrieben.
  • Ein bekanntes 3D-Druckverfahren, das auch zur Herstellung mehrfarbiger Objekte verwendet werden kann, ist das UV-Inkjet-Verfahren. Bei diesem dreistufigen Verfahren wird ein pulverförmiges Material in dünnen Schichten aufgetragen, auf diese wird eine UV-härtbare Flüssigkeit in Form der jeweiligen Schicht des späteren dreidimensionalen Produktes gedruckt und schließlich wird die bedruckte Schicht mit einer UV-Quelle ausgehärtet. Diese Verfahrensschritte werden Schicht für Schicht wiederholt.
  • In EP 1 475 220 werden verschieden gefärbte Flüssigkeiten mit Härter bereitgehalten und in WO 2008/077850 zusätzlich in einer Kammer direkt vor dem Drucken vermischt. So ist eine selektive Färbung möglich. Durch die Mischkammer sind jedoch keine scharfen Farbübergänge möglich. Ferner ist ein solches Verfahren an den Grenzen der Aushärtung unscharf, was zu einer weniger glatten Oberfläche und unter Umständen zu einer ungleichmäßigen Färbung führen kann. In WO 01/26023 werden zwei Druckköpfe mit verschiedenfarbigen Härterzusammensetzungen, die zu Objektteilen mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften führen beschrieben. Mehr als zwei Farben sind jedoch nicht beschrieben.
  • Eine Variante, bei der anstatt mit UV-Licht mit einer Wärmestrahlung ausgehärtet wird und gleichfalls verschiedenfarbige Härterzusammensetzungen verwendet werden, ist in WO 2008/075450 beschrieben.
  • In GB 2419679 ist ein Verfahren offenbart, bei dem verschieden gefärbte Polymerteilchen selektiv aufgetragen und bei verschiedenen Wellenlängen ausgehärtet werden können. Dieses Verfahren ist äußerst aufwendig und führt gleichzeitig zu einem unscharfen Farbbild.
  • In einem dem Inkjet-3D-Druck ähnlichen Verfahren nach der WO 2009/139395 wird eine farbige Flüssigkeit schichtweise aufgetragen und selektiv mit einer zweiten Flüssigkeit, die zu einer Härterreaktion mit der ersten Flüssigkeit führt, bedruckt. Ein solches Verfahren kann Farben nur schichtweise aufbauen, davon abgesehen, dass es zwischen den nicht gehärteten Flüssigkeitsschichten zu Vermischungen kommen kann.
  • Ein weiteres Verfahren stellt das Three Dimension Printing (TDP) dar. Bei diesem Verfahren werden analog zu den Inkjet-Verfahren pulverförmige Materialien, bei denen es sich jedoch bevorzugt um Keramiken handelt, mit einer der Schmelze eines thermoplastischen Polymers Schicht für Schicht selektiv durchtränkt. Nach jeder Druckschicht muss eine neue Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht werden. Beim Erstarren des Thermoplasten wird das dreidimensionale Objekt gebildet.
  • Bei dem in US 2004/0251574 beschriebenen Verfahren wird anschließend an den Druck des Thermoplasten selektiv mit einer Farbe gedruckt. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sehr selektiv gedruckt werden kann. Nachteil dieses Verfahrens jedoch ist, dass kein gleichmäßiges und leuchtendes Farbbild erreicht werden kann, da ein gleichmäßiges Eindringen der Farbe in den Composit aus dem (Keramik)Pulver und dem Bindemittel nicht erreicht werden kann.
  • Bei dem in EP 1 491 322 beschriebenen Verfahren werden zwei unterschiedliche Materialien gedruckt. Das erste enthält das Bindemittel und eine Farbe, die bei Kontakt mit dem zweiten Material ausgefällt wird und damit selektiv die Oberfläche einfärbt. Auf diese Weise können besseren Farbeigenschaften an der Objektoberfläche erzeugt werden. Probleme stellen jedoch die gleichmäßige Vermischung der beiden Materialien und der aufwendige zweistufige Prozess dar. Wie und ob ein gutes Farbbild bei einem Mehrfarbdruck gewährleistet werden kann, ist nicht beschrieben.
  • In US 6,401,002 werden verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Farben und dem Bindemittel verwendet. Diese Flüssigkeiten werden entweder getrennt aufgetropft oder über Leitungen in einer Düse vor dem Auftropfen zusammengeführt. Der Fachmann weiß, dass beide Vorgehen zu nicht optimalen Farbbildern führen. Bei ersterem findet die Mischung der Farben in viskosen Flüssigkeiten auf der Oberfläche statt. Diese Mischung erfolgt so nur selten vollständig. Beim zweiten Vorgehen können Druckunterschiede in den Leitungen zu sehr starken Farbschwankungen führen.
  • Das bezüglich der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels eines Druckverfahrens materialsparenste und auch in Bezug auf die maschinelle Ausgestaltung günstigste Verfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Dies verfahren wird mit kleinen Abwandlungen auch Selective Deposition Modeling (SDM) genannt.
  • Bei der FDM-Methode werden zwei unterschiedliche Polymerfäden in einer Düse aufgeschmolzen und selektiv gedruckt. Bei dem einen Material handelt es sich um ein Support-Material, das nur an Stellen benötigt wird, über denen später z.B. ein überhängender Teil des 3D-Objektes, der während des Druckvorgangs gestützt werden muss, gedruckt wird. Dieses Support-Material kann später, z.B. durch Lösen in Säuren, Basen oder Wasser entfernt werden. Das andere Material (das Build-Material) formt das eigentliche 3D-Objekt. Auch hier erfolgt der Druck in der Regel schichtweise. Zum ersten Mal wurde das FDM-Verfahren in US 5,121,329 beschrieben. Das Färben allgemein wird in US 2000/20111707 erwähnt, nicht jedoch näher ausgeführt.
  • Bei dem in EP 1 558 440 beschriebenen Verfahren werden die einzelnen Schichten in einem anschließenden Verfahrensschritt farbig bedruckt. Dieses Verfahren ist langsam und führt bei dem bedrucken der bereits härtenden Thermoplasten zu schlecht aufgelösten Farbbildern.
  • Bei der farbigen 3D-Druck-Methode nach US 6,165,406 werden für jede einzelne Farbe getrennte Düsen verwendet. Mischfarben sind somit jedoch nur sehr eingeschränkt möglich und das Farbbild wird sehr einfach.
  • Bei der in US 7,648,664 beschriebenen Variante des FDM werden verschieden gefärbte Build-Materialien in Granulatform eingesetzt, getrennt voneinander aufgeschmolzen und je nach Farbe mittels eines zwischengeschalteten Extruders miteinander vermischt, bevor es verdruckt wird. Diese Methode ist apparativ sehr aufwendig und viele Vorteile des FDM gehen verloren.
  • In einem sehr ähnlichen System gemäß EP 1 432 566 erfolgt die Vermischung der geschmolzenen Granulate direkt im geheizten Druckkopf, bevor diese direkt verdruckt werden. Diese Mischung kann keinesfalls vollständig erfolgen und die Qualität des Druckbildes ist entsprechend schlecht. Weiterhin hat man auch hier den Nachteil, dass man Granulate oder Pulver benutzen muss und diese in der Maschine getrennt gelagert und geschmolzen werden müssen.
  • In US 6,129,872 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem das Build-Material in einer Düse aufgeschmolzen wird und am Ende der Düse zu der Schmelze verschiedene Farbmischungen selektiv zudosiert werden. Dies führt jedoch zu keiner ausreichenden Durchmischung und zu einem unsauberen Farbbild.
  • Aufgabe
  • Aufgabe war es ein 3D-Druckverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem selektiv gefärbte, mehrfarbige dreidimensionale Objekte mit einem scharfen und klaren Farbbild hergestellt werden können.
  • Es war weiterhin Aufgabe, ein günstiges und schnell durchführbares 3D-Druckverfahren zum druck mehrfarbiger Objekte zur Verfügung zu stellen.
  • Eine weitere Aufgabe war es, farbige Objekte darstellen zu können, wobei die Farbe nicht erst durch einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt eingebracht werden soll.
  • Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Beispiele.
  • Lösung
  • Unter dem Begriff Druckkopf wird im Rahmen dieser Erfindung die gesamte Vorrichtung zum Fördern, Schmelzen, Färben und Auftragen eines Filaments in einem FDM-3D-Druckverfahren verstanden.
  • Unter dem Begriff Zusammensetzung wird im Rahmen dieser Erfindung die Zusammensetzung verstanden, die erfindungsgemäß zum Einfärben und/oder Additivieren des Polymerstrangs verwendet wird. Die Zusammensetzung enthält Farben, Pigmente und/ oder Additive.
  • Unter dem Begriff Filament wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Rohform der Build- bzw. Supportmaterialien in Form eines Stranges verstanden. Dieses Filament wird in dem Druckkopf erfindungsgemäß aufgeschmolzen und danach zu einem 3D-Objekt verdruckt. Bei dem Filament handelt es sich um ein thermoplastisch verarbeitbares Material. In der Regel ist das Filament ein Polymerfilament, jedoch auf solche nicht eingeschränkt. Auch können Polymerfilamente beispielsweise nur teilweise aus einem thermoplastisch polymeren Matrixmaterial und weiteren Füllstoffen oder z.B. Metallen zusammengesetzt sein.
  • Gelöst wurden die Aufgaben durch Bereitstellen einer neuartigen Vorrichtung zur Herstellung ein- oder mehrfarbiger, dreidimensionaler Objekte aus Filamenten. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Vorrichtung, die nach dem Fused Deposition Modeling (FDM)Verfahren arbeitet. Diese Vorrichtung weist erfindungsgemäß mindestens einen ersten Druckkopf, mit dem ein Support-Material gedruckt wird, und einen zweiten Druckkopf, mit dem ein Build-Material gedruckt wird, welches in Form eines Filaments zugefügt wird, auf. Dabei weist der zweite Druckkopf eine Düse, wiederum bestehend aus mindestens zwei Bereichen, auf. In dem ersten, oberen Bereich der Düse ist das Polymer fest und in dem zweiten, unteren liegt das Polymer geschmolzen vor. Dabei ist der Übergang zwischen dem festen Zustand im oberen Bereich und dem geschmolzenen Zustand im unteren Bereich innerhalb des Druckkopfes kontinuierlich.
  • Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Druckkopf Additive und/oder Farben aus mehreren Vorratsbehältern, ausgestattet mit Dosiervorrichtungen, zugeführt werden, und dass der zweite Druckkopf eine Mischvorrichtung zum Vermischen dieser Additive und/oder Farben aufweist.
  • Bezüglich dieser Mischvorrichtung sind verschiedene Ausführungsformen denkbar. In einer ersten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mischvorrichtung um einen statischen Mischer in besagten unteren Bereich der Düse handelt, und dass die Farben und/oder Additive aus den Vorratsbehältern oberhalb des statischen Mischers der Schmelze zudosiert werden. In dieser Ausführungsform erfolgt eine Vermischung der jeweils zugeführten Farben gleichzeitig mit der Vermischung dieser mit der Polymerschmelze und man erhält eine homogen gefärbte und/oder additivierte Polymerschmelze.
  • In einer zweiten Ausführungsform handelt es sich bei der Mischvorrichtung um einen an der Außenseite des Druckkopfes angebrachten dynamischen Mischer. Diesem dynamischen Mischer werden verschiedene Additive und/oder Farben zunächst zugeführt. Die im dynamischen Mischer erzeugte Mischung wird darauf in den Druckkopf weitergeleitet.
  • Diese zweite Ausführungsform kann in zwei unterschiedlichen Varianten vorliegen. In einer ersten ist der dynamische Mischer derart an der Düse angebracht, dass die Mischung in die Polymerschmelze im unteren Bereich der Düse geleitet wird.
  • In einer zweiten Variante ist der dynamische Mischer am Druckkopf oberhalb der Düse angebracht, und die Mischung aus Farben und/oder Additiven wird auf die Oberfläche des festen Filaments aufgetragen. Eine Verteilung der Mischung kann dabei teilweise durch Diffusion in die Schmelze erfolgen. Eine homogene Verteilung in der Schmelze ist darüber hinaus nicht zwingend nötig, da die spätere Oberfläche des dreisimensionalen Objektes ausschließlich von der Oberfläche des Schmelzestrangs gebildet wird. Mit dieser Variante ist es somit insbesondere möglich, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das mit einem geringeren Farbverbauch verwendet werden kann. Entsprechendes gilt auch für Additive, vor allem solche, die eine Haftungsverbesserung zwischen den einzelnen Schichten im dreidimensionalen Objekt bewirken sollen. Diese werden ausschließlich an der Oberfläche des Schmelzestrangs benötigt.
  • In einer dritten Ausführungsform ist eine Kombination der ersten beiden Ausführungsformen denkbar. In dieser Ausführungsform weist der Druckkopf zusätzlich zu dem dynamischen Mischer gemäß der zweiten Ausführungsform einen statischen Mischer gemäß der ersten Ausführungsform im unteren Bereich der Düse auf.
  • Eine vierte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Additive und/oder Farben mittels Mikroinjektionsnadeln, bevorzugt pulsierend und in einem Winkel ≤90° in die Schmelze einstechend, in die Schmelze in besagten unteren Bereich der Düse injiziert, dosiert und verteilt werden. Der besagte Winkel ist der Winkel, der zwischen den Mikroinjektionsnadeln und dem Filament, bzw. der daraus gebildeten Schmelze in Transportrichtung des Filaments gebildet wird. Dadurch, dass dieser Winkel kleiner 90° ist, erreicht man zusätzlich einen Transporteffekt des Filaments bzw. der Schmelze. Mit der bei dieser Ausführungsform verwendeten Frequenz kann insbesondere die Verteilung und/oder die Konzentration der jeweiligen Farbkomponente gesteuert werden. Die Anzahl der Nadeln ergibt sich dem Fachmann insbesondere aus der Wahl des gewählten Farbsystems.
  • Bei den in der Vorrichtung verwendeten Farben handelt es sich um Zusammensetzungen verschiedener Farben, wie z.B. um drei Primärfarben wie z.B. die subtraktive Mischung Magenta, Cyan und Blau bzw. Gelb oder die additive Mischung der Lichtfarben Rot, Grün und Blau. bei der Verwendung von drei Primärfarben kann bevorzugt zusätzlich Schwarz als vierte „Farbe“ hinzukommen. Alternativ kann in Abhängigkeit des Build-Material auch weiß als vierte oder fünfte „Farbe“ eingesetzt werden. Für true color Systeme können jedoch je nach System auch bis zu zwanzig Farben benötigt werden.
  • Die aufgeführten Farbsysteme unterschiedlicher Zusammensetzungen sind dem Fachmann bereits lange aus dem 2D-Druck bekannt. Alle verwendeten Farben liegen jeweils in getrennten Vorratsbehältern, jeweils ausgestattet mit einer eigenen Dosiervorrichtung, vor und werden von dort je nach Ausführungsform in die Düse oder den dynamischen Mischer dosiert.
  • In einer besonderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Körper einen dritten Druckkopf auf. Dieser optionale dritte Druckkopf ist genauso ausgestattet wie der zweite Druckkopf. Insbesondere wird mittels diesen dritten Druckkopfs ein Filament für ein zweites Build-Material verdruckt, welches sich von dem ersten Build-Material unterscheidet.
  • Zum Beispiel kann der zweite Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, nicht transparentes und der dritte Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, transparentes Build-Material enthalten. Bevorzugt verfügen beide Druckköpfe dabei jeweils über eigene Mischvorrichtungen, die auf dieselben Vorratsbehälter zugreifen. Die Farbzusammensetzungen können optional auch Füllstoffe enthalten, die beim Druck dem transparenten Build-Material bei Bedarf eine nicht transparente Optik verleihen.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den Build-Materialien jeweils um thermoplastisches Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem Build-Material aus dem zweiten und/oder dem dritten optionalen Druckkopf um Acrynitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polycarbonat (PC), Poly(meth)acrylat, Polyphenylensulfon (PPSU), HDPE, Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polymilchsäure (PLA) oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Polymere oder eine Mischung, die mindestens zu 50 Gew% aus einem dieser genannten Polymere zusammengesetzt ist. 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.
  • Bezüglich des zweiten, optionalen Build-Material aus der dritten Düse sind vor allem Polymethacrylat oder Polycarbonat bevorzugt.
  • Bezüglich des Support-Materials aus dem ersten Druckkopf sollte es sich bevorzugt um ein säure-, base- oder wasserlösliches Polymer handeln.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in einem Fused Deposition Modeling (FDM)Verfahren entspricht im Allgemeinen dem Stand der Technik und ist damit in der Regel derart gestaltet, dass der jeweilige Farbton in ein rechnerbasiertes CAD-Programm eingegeben wird und dass dabei eine Datei bereitstellt, die zusätzlich zu den Koordinaten die Farbinformation zur Fertigung und zur Regelung der Material- und Farbeinstellung enthält. Dabei wird durch Regelung der Dosiervorrichtungen und gesteuerte Zudosierung der jeweiligen Primärfarben bzw. Schwarz aus den Vorratsbehältern der jeweilige Farbton eingestellt.
  • Optional können der zweite bzw. der dritte Druckkopf der Vorrichtung weitere Vorratsbehälter, die zusätzlich zu Schwarz und den Farben bzw. Primärfarben weitere Pigmente enthalten, aufweisen. Bei diesen weiteren Pigmenten kann es sich z.B. um Metallicpigmente und/oder fluoreszierende Pigmente handeln.
  • Wie bereits ausgeführt können die Vorratsbehälter auch Additive enthalten. Dabei können die Zusammensetzungen durch Mikrowellen, Wärme, UV-Licht oder Magnetfelder aktivierbare Additive, Haftvermittler oder Klebstoffe enthalten. Diese können entweder einer oder allen Zusammensetzungen zugesetzt sein oder aus getrennten Vorratsbehältern zugesetzt werden. In letzterem Fall sind diese Zusammensetzungen farblos.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es sich auch um weitere Additive zur Verbesserung der Haptik, Schmutz abweisende bzw. die Kratzfestigkeit verbessernde Beschichtungsbestandteile oder Additive zur Oberflächenstabilisierung, wie z.B. UV-Stabilisatoren, handeln. Für industrielle Anwendungen sind darüber hinaus Additive zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit bzw. der elektrischen Leitfähigkeit oder Antistatika von Interesse.
  • Die konkrete Auswahl der entsprechenden Additive ergibt sich dem Fachmann aus der Zusammensetzung und dem verwendeten Build-Material.
  • Darüber hinaus können ein oder mehrere Vorratsbehälter auch Vernetzer, Initiatoren oder Beschleuniger enthalten, die nach dem Mischen mit dem Filamentmaterial aus Druckkopf 2 und/oder 3 zu einer Vernetzung führen, so dass man ein ganz oder teilweise elastomeres oder duroplastisches dreidimensionales Objekt erhält. Bei dem Zusammentreffen dieser Additive mit dem Thermoplasten des Filaments erfolgt eine chemische Reaktion, die zur Aushärten der Matrix führt.
  • Alternativ können die Additive aus verschiedenen Vorratsbehältern nach dem Vermischen selbst miteinander reagieren und so z. B. zu einer chemischen Vernetzung an der Filamentoberfläche führen und/oder zu einer Haftverbesserung der Filamente nach dem Druck untereinander.
  • Üblicherweise handelt es sich bei den Vorratsbehältern um bewegliche Kartuschen, wie sie zum Farbdruck aus dem Stand der Technik für 2-D-Tintenstrahl-Farbdrucker bekannt sind. Diese können derart gestaltet sein, dass sie einfach und individuell ausgetauscht bzw. erneuert werden können.
  • Zu den Zeichnungen:
  • 1 stellt exemplarisch eine Ausführungsform dar, bei der die einzelnen Farben getrennt zum aufschmelzenden Build-Material dosiert und anschließend durch einen statischen Mischer mit der Schmelze des Build-Materials gemischt werden. Folgende Indizes finden sich in der Zeichnung:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Düse
    2
    Filament
    3
    Vorratsbehälter (hier exemplarisch nur einer dargestellt)
    4
    statischer Mischer
    5
    Schmelze des Build-Materials
  • 2 stellt exemplarisch eine Ausführungsform dar, bei der das nicht geschmolzene Filament oberflächlich beschichtet wird und die Farb- und/oder Additivzusammensetzung vorhergehend in einem dynamischen Mischer homogen vermischt wird. Folgende Indizes finden sich in der Zeichnung:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Düse
    2
    Filament
    3
    Vorratsbehälter (hier exemplarisch nur einer dargestellt)
    4
    dynamischer Mischer
    5
    Schmelze des Build-Materials
    6
    Beschichtungseinheit
  • 3 stellt exemplarisch eine Ausführungsform dar, bei der die Farben mittels pulsierender Mikronadeln in die Schmelze bzw. genauer den schmelzenden Strang des Build-Materials gegeben werden. Folgende Indizes finden sich in der Zeichnung:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filament
    2
    Düse
    3a
    Vorratsbehälter 1
    3b
    Vorratsbehälter 2
    (hier exemplarisch nur zwei Vorratbehälter dargestellt)
    4
    Injektionsnadeln
    5
    Schmelze des Build-Materials
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (21)

  1. Vorrichtung zur Herstellung ein- oder mehrfarbiger, dreidimensionaler Objekte aus Filamenten, aufweisend einen ersten Druckkopf, mit dem ein Support-Material gedruckt wird, und einen zweiten Druckkopf, mit dem ein Build-Material gedruckt wird, dem das Build-Material in Form eines Filaments zugefügt wird, wobei der zweite Druckkopf eine Düse, wiederum bestehend aus mindestens zwei Bereichen, aufweist, wobei in einem oberen Bereich der Düse das Polymer fest und in einem unteren geschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Druckkopf Additive und/oder Farben aus mehreren Vorratsbehältern, ausgestattet mit Dosiervorrichtungen, zugeführt werden, und dass der zweite Druckkopf eine Mischvorrichtung zum Vermischen der Additive und/oder Farben aufweist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mischvorrichtung um einen statischen Mischer in besagten unteren Bereich der Düse handelt, und dass die Farben aus den Vorratsbehältern oberhalb des statischen Mischers der Schmelze zudosiert werden.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mischvorrichtung um einen an der Außenseite des Druckkopfes angebrachten dynamischen Mischer handelt, dass diesem verschiedene Additive und/oder Farben zugeführt werden und dass die im dynamischen Mischer erzeugte Mischung in den Druckkopf weitergeleitet wird.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Mischer an der Düse angebracht ist, und dass die Mischung auf das Filament im oberen Bereich der Düse oder in die Polymerschmelze im unteren Bereich der Düse geleitet wird.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Mischer am Druckkopf oberhalb der Düse angebracht ist, und die Mischung auf die Oberfläche des Filaments aufgetragen wird.
  6. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf zusätzlich zu dem dynamischen Mischer einen statischen Mischer im unteren Bereich der Düse aufweist.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive und/oder Farben mittels Mikroinjektionsnadeln, bevorzugt pulsierend, in einem Winkel ≤90° in die Schmelze einstechenden Mikroinjektionsnadeln in die Schmelze in besagten unteren Bereich der Düse injiziert, dosiert und verteilt werden.
  8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Farben mindestens um drei Primärfarben und Schwarz handelt, und dass diese jeweils in einem getrennten Vorratsbehälter, ausgestattet mit Dosiervorrichtung, vorgelegt sind.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Körper einen dritten Druckkopf aufweist, der genauso ausgestattet ist wie der zweite Druckkopf, und dass dieser dritte Druckkopf ein Filament für ein zweites Build-Material aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, nicht transparentes und der dritte Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, transparentes Build-Material enthält.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Druckköpfe mit jeweils eigenen Mischvorrichtungen auf dieselben Vorratsbehälter zugreifen.
  12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Build-Materialen um thermoplastisches Material handelt.
  13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Build-Material aus dem zweiten und/oder dem dritten optionalen Druckkopf um Acrynitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polycarbonat (PC), Poly(meth)acrylat, Polyphenylensulfon (PPSU), HDPE, Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polymilchsäure (PLA) oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Polymere handelt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Build-Material aus der dritten Düse um ein Polymethacrylat oder Polycarbonat handelt.
  15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Support-Material aus dem ersten Druckkopf um ein säure-, base- oder wasserlösliches Polymer handelt.
  16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Farbton in ein rechnerbasiertes CAD-Programm eingegeben wird, dass dabei eine Datei bereitstellt, die zusätzlich zu den Koordinaten die Farbinformation zur Fertigung und zur Regelung der Material- und Farbeinstellung enthält und damit durch Regelung der Dosiervorrichtungen und gesteuerte Zudosierung der jeweiligen Primärfarben bzw. Schwarz aus den Vorratsbehältern der jeweilige Farbton eingestellt wird.
  17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es weitere Vorratsbehälter gibt, die zusätzlich zu Schwarz und den Primärfarben weitere Farben enthalten.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dieser Farben Metallicpigmente enthält.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dieser Farben fluoreszierende Pigmente enthält.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Vorratsbehälter durch Mikrowellen, Wärme, UV-Licht oder Magnetfelder aktivierbare Additive enthalten.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Vorratsbehälter Haftvermittler oder Klebstoffe enthält und die Zusammensetzung optional farblos ist.
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