Aufgabe der vorliegenden Erfindung
war es deshalb ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen
Objekten bereitzustellen, welches mit einer einfachen, damit preisgünstigen und
störungsunanfälligen Apparatur
durchgeführt
werden kann. Die Bauteile sollten bevorzugt robust ausgeführt sein, wobei
auf Bauteile aus Apparaturen des täglichen Bedarfs zurückgegriffen
werden können
sollte.
Überraschenderweise
wurde gefunden, dass es relativ einfach möglich ist mittels Mikrowellenstrahlung,
z. B. auch mittels Mikrowellenküchengeräten; dreidimensionale
Objekte aus pulverförmigen Substraten
herzustellen, in dem auf eine Schicht aus einem pulverförmigen Substrat,
welches Mikrowellenstrahlung nicht oder nur schlecht absorbiert,
ein Suszeptor auf den zu verbindenden Bereichen der Schicht aufgetragen
wird, der die Mikrowellenstrahlung absorbieren kann und die absorbierte
Energie in Form von Wärme
an das ihn umgebende Substrat abgibt, wodurch das Substrat der Schicht
bzw. gegebenenfalls einer darunter oder darüber liegenden Schicht in den
genannten Bereichen durch Verschmelzen oder Versintern verbunden
wird. Das Ausbringen des Suszeptors kann mit einem Druckkopf, ähnlich dem
eines Tintenstrahldruckers, erfolgen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist deshalb ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen
Objektes, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte
- a) Bereitstellen einer Schicht von pulverförmigen Substrat,
- b) selektives Ausbringen zumindest eines Mikrowellen absorbierenden
Suszeptors auf zu behandelnde Bereiche der Schicht aus a), wobei
die Bereiche, auf welche der Suszeptor gebracht wird, ausgewählt werden
gemäß dem Querschnitt
des dreidimensionalen Objektes und zwar in der Weise, dass nur auf
die Bereiche Suszeptor aufgebracht wird, die den Querschnitt des
dreidimensionalen Objekts ausmachen, und
- c) zumindest einmaliges Behandeln der Schicht mit Mikrowellenstrahlung,
so dass die mit dem Suszeptor ausgestatteten Bereiche der Schicht sowie
gegebenenfalls mit dem Suszeptor ausgestatteten Bereiche der darunter
liegenden Schicht durch Verschmelzen miteinander verbunden werden,
umfasst
sowie Formkörper
hergestellt nach diesem Verfahren.
Ebenfalls ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung
eine Vorrichtung zur schichtweisen
Herstellung von dreidimensionalen
Objekten, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung
- – eine
bewegliche Vorrichtung zur schichtförmigen Auftragung eines pulverförmigen Substrates auf
eine Arbeitsplattform oder eine gegebenenfalls schon auf der Arbeitsplattform
vorhandene Schicht eines behandelten oder unbehandelten pulverförmigen Substrates
(2),
- – eine
in der x,y-Ebene bewegliche Vorrichtung (3) zur Auftragung
eines Suszeptors (4) auf ausgewählte Bereiche der Schicht aus
pulverförmigem
Substrat und
- – einen
Mikrowellengenerator, geeignet zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung
im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz (5),
aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil,
dass es keine aufwändig
gerichtete Strahlung, wie etwa Laserstrahlung oder eng fokussierte Mikrowellenstrahlung
einsetzt. Die gezielte Einwirkung von Energie an bestimmten Stellen
der Schicht oder einer aus mehreren Schichten aufgebauten Matrix
wird durch den durch Mikrowellenstrahlen angeregtem Suszeptor erzielt,
der auf den gewünschten Bereichen
der Schicht bzw. den Schichten der Matrix aufgebracht wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren
ist ein schichtweiser automatisierter Aufbau eines dreidimensionalen
Objektes durch Verwendung von Mikrowellenstrahlung in Kombination
mit einem geeigneten Suszeptor, einfach möglich. Nicht mit Suszeptor
behandeltes Pulver kann einfach wiederverwendet werden, was bei
Verfahren, die Inhibitoren einsetzen, nicht möglich ist.
Die Vorrichtung ist ähnlich einfach
handhabbar wie ein üblicher
Tintenstrahldrucker und kann somit z. B. an einen PC angeschlossen
werden, besonders, wenn die Mikrowellenbestrahlung anschließend in
der in den meisten Haushalten ohnehin vorhandenen Mikrowelle durchgeführt wird.
Damit wird ein 3D-Druck auch für
den normalen Haushalt erschwinglich und handhabbar. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat weiterhin den Vorteil, dass das umliegende Material ohne weiteres
wiederverwendet werden kann. Außerdem
können
direkt spezielle Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit
oder Farben „mitgedruckt" werden. Dem Teil können auf
diese Weise selektiv ausgewählte
Eigenschaften mitgegeben werden.
Das Funktionsprinzip des vorliegenden
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten basiert prinzipiell
auf den bei allen anderen Verfahren zum Rapid-Prototyping verwendetem Prinzip. Das
dreidimensionale Objekt wird schichtartig aufgebaut. Der Aufbau
geschieht dadurch, dass Teile von Flüssigkeitsschichten (Stereolithographie)
oder Pulverschichten (Lasersintern) miteinander bzw. mit Teilen
von darunter liegenden Schichten verfestigt bzw. verbunden werden,
in dem diesen Teilen der Schichten Energie zugeführt wird. Die Teile der Schichten,
denen keine Energie zugeführt
wurde, liegen weiterhin als Flüssigkeit
oder Pulver vor. Durch Wiederholen des Aufbringens und Verbindens
bzw. Verfestigens von Pulver bzw. Flüssigkeit wird schichtweise
ein dreidimensionales Objekt erhalten. Nach Entfernen des nicht
umgesetzten Pulvers bzw. der nicht umgesetzten Flüssigkeit
wird ein dreidimensionales Objekt erhalten, dessen Auflösung (in
bezug auf die Konturen) von der Schichtdicke und der Partikelgröße des verwendeten
pulverförmigen
Substrates abhängig
ist.
Im Unterschied zu den bislang bekannten Verfahren
wird die Energie nicht direkt den zu verbindenden Substraten zugeführt sondern über einen Suszeptor,
der die Energie absorbiert und in Form von Wärmeenergie an das ihn umgebende
Substrat abgibt. Die Energie wird den Suszeptoren im erfindungsgemäßen Verfahren
in Form von Mikrowellenstrahlung zugeführt, welche von den Suszeptoren absorbiert,
in Wärmenergie
umgewandelt und an ihre direkten pulverförmigen Nachbarn des Substrates, welche
nicht oder in nicht ausreichendem Masse in der Lage sind, Mikrowellenstrahlung
zu absorbieren, abgegeben wird. In nicht ausreichendem Maße bedeutet
im vorliegenden Fall, dass durch Absorption von Mikrowellenstrahlung
das pulverförmige
Substrat nicht soweit erwärmt
werden kann, dass es eine Verbindung durch Verschmelzen oder Versintern
mit benachbarten Substratpartikeln eingehen kann bzw. die dazu benötigte Zeit
sehr lang ist. Die von dem Suszeptor abgegebene Wärme ist
allerdings ausreichend, um das dem Suszeptor benachbarte pulverförmige Substrat
mit sich selbst und auch dem Suszeptor durch Verschmelzen oder Versintern
zu verbinden. Auf diese Weise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
dreidimensionale Objekte durch Verschmelzen oder Versintern eines
pulverförmigen Substrats
hergestellt.
Das Verbinden des Substrates in bestimmten
Bereichen innerhalb der Schicht sowie der Schichten untereinander
erfolgt wie beim Lasersintern und den anderen Verfahren zum Rapid-Prototyping wiederum
durch Verbinden, insbesondere Verschmelzen oder Versintern des pulverförmigen Substrates.
Das Funktionsprinzip des Rapid-Prototypings kann z. B.
US 6,136,948 und WO 96/06881 entnommen
werden.
Das Ausbringen der Suszeptoren in
Schritt b), der üblicherweise
computergesteuert unter Verwendung von CAD-Anwendungen zur Berechnung der
Querschnittsflächen
erfolgt, hat zur Folge, dass nur behandelte pulverförmige Substrate
in einem nachfolgenden Behandlungsschritt c) verbunden werden. Der
Suszeptor wird deshalb nur auf selektierte Bereiche der Schicht
aus a) aufgebracht, die zum Querschnitt des zu erstellenden dreidimensionalen
Objektes gehören.
Das Aufbringen selbst kann z. B. durch einen mit Düsen ausgestatteten
Druckkopf erfolgen. Nach dem abschließenden Behandlungsschritt c)
der letzten Schicht wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Matrix mit
teilweise verbundenem Pulvermaterial erhalten, die nach Entfernen
des nicht verbundenen Pulvers das massive dreidimensionale Objekt
freigibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden
beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein
soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines dreidimensionalen Objektes, zeichnet sich dadurch aus, dass
es die Schritte
- a) Bereitstellen einer Schicht
von pulverförmigen Substrat,
- b) selektives Aufbringen zumindest eines Mikrowellen absorbierenden
Suszeptors auf zu behandelnde Bereiche der Schicht aus a), wobei
die Bereiche, auf welche der Suszeptor gebracht wird, ausgewählt werden
gemäß dem Querschnitt
des dreidimensionalen Objektes und zwar in der Weise, dass nur auf
die Bereiche Suszeptor aufgebracht werden, die den Querschnitt des
dreidimensionalen Objekts ausmachen, und
- c) zumindest einmaliges Behandeln der Schicht mit Mikrowellenstrahlung,
so dass die mit dem Suszeptor ausgestatteten Bereiche der Schicht sowie
gegebenenfalls mit dem Suszeptor ausgestatteten Bereiche der darunter
liegenden Schicht durch Verschmelzen oder Versintern miteinander verbunden
werden,
umfasst.
Der Schritt c) kann jeweils dann
durchgeführt werden,
wenn die Schritte a) und b) x-mal ausgeführt worden sind, mit x gleich
1 bis Anzahl der durchgeführten
Schritte a) und b). Je nach verwendetem Pulvermaterial kann damit
die vom Material abhängige Eindringtiefe
der Mikrowellenstrahlung berücksichtigt werden.
So kann es in Abhängigkeit
vom Pulvermaterial und der Anzahl der Schritte a) vorkommen, dass
eine einmalige Behandlung mit Mikrowellenstrahlung nicht ausreichend
ist, alle mit Suszeptor behandelten Bereiche der im Bauraum vorhandenen Schichten
von Pulvermaterial zu verbinden. In einem solchen Fall kann es vorteilhaft
sein, den Schritt c) z. B. jeweils nach 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 30, 40 oder 50-maligem Durchführen der Schritte
a) und b) durchzuführen.
Außerdem
kann es vorteilhaft sein, wenn der Schritt c) erst dann durchgeführt wird,
nachdem die Schritte a) und b) zumindest zweimal ausgeführt worden
sind, weil auf diese Weise ein festerer Verbund der Schichten untereinander
erzielt wird. In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Schritte a) und b) so oft wiederholt, bis alle Querschnittsflächen, aus
denen das dreidimensionale Objekt aufgebaut ist, in einer Matrix
vorhanden sind, und die äußeren Begrenzungen
des Objektes durch die Grenze zwischen Pulvermaterial mit aufgebrachtem Suszeptor
und unbehandeltem Pulvermaterial gebildet wird und anschließend der
Schritt c) durchgeführt wird.
Auf diese Weise ist nur eine einmalige Behandlung mit Mikrowellenstrahlung
erforderlich, was einen bedeutend geringeren Energieaufwand bedeutet.
In einer weiteren Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zu Beginn der Herstellung des dreidimensionalen Objektes einmal der
Schritt c) durchgeführt
wird, nachdem einmal Schritt a), anschließend Schritt b) und darauffolgend noch
einmal Schritt a) durchgeführt
worden ist und anschließend
die weiteren Schritte in der Reihenfolge b), a), c) durchgeführt werden.
Bei dieser AusfÜhrungsvariante
ist eine mit Suszeptor behandelte Pulverschicht jeweils mit einer
unbehandelten Pulverschicht abgedeckt. Beim Schritt c) werden somit
nicht die Partikel der obersten Schicht z. B. durch Aufschmelzen
bzw. Versintern verbunden, sondern die Partikel der darunter liegenden
Schicht, wobei an der Grenze zwischen den Schichten die Partikel
der beiden Schichten bereits verbunden werden. Auf diese Weise kann
eine besonders haltbare Verbindung zwischen den Schichten erreicht
werden. Zudem werden die Übergänge von
einer Schicht zur nächsten Schicht
beim fertigen Objekt weicher. Der Schritt c) kann wiederum jeweils
dann durchgeführt
werden, wenn die Schritte b) und a) x-mal ausgeführt worden sind, mit x gleich
1 bis Anzahl der durchgeführten Schritte
b) und a), wobei die oben genannten Vorteile erzielt werden.
Der Schritt c) kann, wenn er jeweils
nach dem ein- oder mehrfachen Ausführen von Schritt a) und b)
bzw. b) und a) erfolgt, direkt im Bauraum ausgeführt werden. Erfolgt nur eine
Behandlung gemäß Schritt
c) so kann dieser im unteren Bauraum oder in einem anderen geeigneten
Platz der Vorrichtung erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass der Schritt c)
in einer anderen Apparatur als der Apparatur für die Durchführung der
Schritte a) und b) durchgeführt wird.
So kann z. B. die mittels der Schritte a) und b) erstellte Matrix
aus behandelten Pulverschichten z. B. in eine handelsübliche Mikrowelle
für Speisenzubereitung überführt werden,
in welcher der Schritt e) durchgeführt wird. Durch diese Möglichkeiten
ist das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere für
Heimanwendungen geeignet.
Das Bereitstellen der pulverförmigen Schicht kann
z. B. durch Aufbringen eines Pulvermaterials als Substrat auf eine
Bodenplatte bzw. falls bereits vorhanden auf eine schon vorhandene,
gemäß Schritt
b) oder c) behandelte Schicht erfolgen. Das Ausbringen kann durch
Aufrakeln, Aufrollen, Aufschütten
und anschließendes
Abziehen oder ähnliche
Verfahren erfolgen. Einzige Vorraussetzung, die das Bereitstellen der
Schicht erfüllen
muss, ist die, dass die Schicht eine gleichmäßige Höhe aufweist. Bevorzugt weist die
in Schritt a) bereitgestellte Schicht eine Höhe von kleiner 1 mm, vorzugsweise
von 50 bis 500 μm
und besonders bevorzugt von 100 bis 200 μm auf. Die Höhe der Schichten bestimmt dabei
die Auflösung und
damit die Glätte
der äußeren Struktur
des hergestellten dreidimensionalen Objekts. Die Bodenplatte oder
aber die Apparatur zur Bereitstellung der Schicht kann in der Höhe beweglich
ausgeführt
sein, so dass nach der Durchführung
eines Schrittes b) oder c) entweder die erhaltene Schicht um die
Höhe der
als nächstes
aufzubringenden Schicht abgesenkt oder die Apparatur um die Höhe der nächsten Schicht
gegenüber
der vorangegangenen Schicht angehoben werden kann.
Die Höhe der gemäß Schritt a) bereitgestellten
Schicht ist unter anderem auch von der mittleren Partikelgröße bzw.
der maximalen Partikelgröße abhängig. So
versteht es sich von selbst, dass mit Partikeln mit einer Partikelgröße von 150
um keine festen und kompakten Schichten gleicher Höhe erstellt werden
können,
da das Volumen zwischen den Partikeln einen sehr großen Schrumpf
beim Schritt c) erleiden würden.
Besonders bevorzugt als pulverförmiges Substrat
eingesetztes Pulvermaterial weist eine mittlere Korngröße (d50) von 10 bis 150 μm, besonders bevorzugt von 20
bis 100 μm
und ganz besonders bevorzugt von 40 bis 70 μm auf. Je nach Verwendungszweck
kann es aber auch vorteilhaft sein, ein Pulvermaterial einzusetzen,
welches besonders kleine Partikel, aber auch besonders große Partikel
aufweist. Zum Erzielen von dreidimensionalen Gegenständen mit
möglichst
hoher Auflösung
und möglichst
glatter Oberfläche
kann es vorteilhaft sein, wenn Partikel eingesetzt werden, die eine
mittlere Partikelgröße von 10
bis 45 μm,
vorzugsweise von 10 bis 35 μm
und ganz besonders bevorzugt von 20 bis 30 μm aufweist.
Feines Material kleiner 20 μm, insbesondere kleiner
10 μm ist
kaum verarbeitbar, da es nicht rieselt, und die Schüttdichte
drastisch sinkt, wodurch mehr Hohlräume entstehen können. Zur
leichteren Handhabung kann es vorteilhaft sein, wenn Partikel eingesetzt
werden, die eine mittlere Partikelgröße von 60 bis 150 μm, vorzugsweise
von 70 bis 120 μm und
ganz besonders bevorzugt von 75 bis 100 μm aufweist.
Als pulverförmiges Substrat wird vorzugsweise
solches Pulvermaterial eingesetzt, welches durch Vermahlen, Fällen und/oder
anionische Polymerisation oder durch Kombinationen davon, speziell Fällung eines
etwas zu groben Pulvers und anschließendes Nachmahlen, oder Fällen und
anschließendes
Klassieren hergestellt wurde.
Die Korngrößenverteilung kann bei den
angegebenen mittleren Korngrößen der
Pulvermaterialien beliebig gewählt
werden. Vorzugsweise werden Pulvermaterialien eingesetzt, die eine
breite oder enge Korngrößenverteilung,
vorzugsweise eine enge Korngrößenverteilung
aufweisen. Besonders bevorzugte Pulvermaterialien für die Verwendung
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
weisen eine Korngrößenverteilung
auf, bei der maximal 20 %, vorzugsweise 15 % und ganz besonders
bevorzugt maximal 5 % der Partikel eine Abweichung in der Partikelgröße in Bezug
auf die mittlere Korngröße von mehr
als 50 %, aufweisen. Die Korngrößenverteilung
ist durch übliche
Verfahren der Klassierung, wie z. B.
Windsichten etc. einstellbar. Durch
eine möglichst
enge Korngrößenverteilung
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
dreidimensionale Objekte erhalten, die eine sehr gleichmäßige Oberfläche haben
und, falls vorhanden, sehr gleichmäßige Poren aufweisen.
Zumindest ein Teil des eingesetzten
pulverförmigen
Substrates kann amorph, kristallin oder teilkristallin sein. Bevorzugtes
Pulvermaterial weist eine lineare oder verzweigte Struktur auf.
Besonders bevorzugtes Pulvermaterial, welches in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet wird, weist zumindest zum Teil eine Schmelztemperatur
von 50 bis 350 °C,
vorzugsweise von 70 bis 200 °C
auf.
Als Substrate eignen sich in dem
erfindungsgemäßen Verfahren
Stoffe, die im Vergleich zu den gewählten Suszeptoren schlechter
von Mikrowellenstrahlung erwärmt
werden. Das eingesetzte pulverförmige
Substrat sollte zudem eine ausreichende Fließfähigkeit im erwärmten Zustand
vorweisen. Als pulverförmige
Substrate können
insbesondere Polymere oder Copolymere, vorzugsweise ausgewählt aus
Polyester, Polyvinylchlorid, Polyacetal, Polypropylen, Polyethylen,
Polystyrol, Polycarbonat, Poly(N-methylmethacrylimide) (PMMI), Polymethylmethacrylate
(PMMA), Ionomer, Polyamiden, Copolyester, Copolyamide, Terpolymere,
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) oder Gemische davon, eingesetzt
werden.
Besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren
ein Pulvermaterial als pulverförmiges
Substrat eingesetzt, welches ein Polyamid, vorzugsweise zumindest
ein Polyamid 6, Polyamid 11 und/oder Polyamid 12 oder ein Copolyester
oder ein Copolyamid aufweist. Durch die Verwendung von Polyamiden
lassen sich besonders formstabile dreidimensionale Formkörper herstellen.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Polyamid 12 Pulver, vorzugsweise
hergestellt wie in
DE 197 08
946 oder auch
DE 44
21 454 beschrieben und besonders bevorzugt eine Schmelztemperatur
und eine Schmelzenthalpie aufweisend wie in
EP 0 911 142 angegeben. Als bevorzugte
Copolyamide oder Copolyester werden bevorzugt solche eingesetzt,
wie sie unter dem Markennamen VESTAMELT bei der Degussa AG erhältlich sind.
Besonders bevorzugte Copolyamide weisen eine Schmelztemperatur,
bestimmt mittels Differential Scanning Calometrie (DSC) von 76 bis
159 °C,
vorzugsweise von 98 bis 139 °C
und ganz besonders bevorzugt von 110 bis 123 °C auf. Die Copolyamide können z.
B. durch Polymerisation von Gemischen von geeigneten Monomeren,
z. B. ausgewählt
aus Laurinlactam und/oder Caprolactam, als bifunktionelle Komponente,
Korksäure,
Azelainsäure,
Dodecandisäure,
Adipinsäure
und/oder Sebacinsäure
als Säurefunktion
tragende Komponente und 1,6-Hexandiamin, Isophorondiamin und/oder
Methyl-penta-methylen-diamin als Diamin hergestellt werden.
Um eine bessere Verarbeitbarkeit
der pulverförmigen
Substrate zu erreichen kann es vorteilhaft sein, dass ein Pulvermaterial
eingesetzt wird, welches Additive aufweist. Solche Additive können z.
B. Rieselhilfen sein. Besonders bevorzugt weist das eingesetzte
pulverförmige
Substrat von 0,05 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 bis 1 Gew.-%
an Additiven auf. Rieselhilfen können
z. B. pyrogene Kieselsäuren,
Stearate oder andere literaturbekannte Rieselhilfen, wie z. B. Tricalciumphosphat,
Calciumsilicate, Al
2O
3,
MgO, MgCO
3 oder ZnO sein. Pyrogene Kieselsäure wird
beispielsweise unter dem Markennamen Aerosil
® von
der Degussa AG angeboten. Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn das
eingesetzte pulverförmige
Substrat laseraktivierbare Additive aufweist. Durch solche Additive
ist z. B. das nachträgliche
Beschriften oder Ausrüsten
der dreidimensionalen Objekte mit elektrischen Leiterbahnen möglich. Verwendbare
Additive werden z. B. in
DE 4402329 beschrieben.
Neben oder an Stelle von solchen
zum Teil anorganischen Rieselhilfen oder anderen Additiven kann
ein erfindungsgemäß eingesetztes
pulverförmiges
Substrat auch anorganische Füllkörper aufweisen.
Die Verwendung solcher Füllkörper hat
den Vorteil, dass diese ihre Form durch die Behandlung beim Verbinden
im Wesentlichen beibehalten und somit den Schrumpf des dreidimensionalen
Objektes verringern. Zudem ist es durch die Verwendung von Füllkörpern z.
B. möglich,
die plastischen und physikalischen Eigenschaften der Objekte zu
verändern.
So können
durch Verwendung von Pulvermaterial, welches Metallpulver aufweist,
sowohl die Transparenz und Farbe als auch die magnetischen oder
elektrischen Eigenschaften des Objektes eingestellt werden. Als
Füllstoffe
bzw. -körper
kann das Pulvermaterial z. B. Glaspartikel, Keramikpartikel oder
Metallpartikel aufweisen. Typische Füllstoffe sind z. B. Metallgriese,
Aluminiumpulver, Stahl- oder Glaskugeln. Besonders bevorzugt werden
Pulvermaterialien eingesetzt, die als Füllkörper Glaskugeln aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante
weist das erfindungsgemäße Pulvermaterial
von 1 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 50 Gew.-% und ganz besonders
bevorzugt von 10 bis 40 Gew.-% an Füllstoffen auf.
Neben oder an Stelle von anorganischen Rieselhilfen
oder Füllstoffen
kann ein erfindungsgemäß eingesetztes
pulverförmiges
Substrat auch anorganische oder organische Pigmente aufweisen. Diese
Pigmente können
neben Farbpigmenten, die die Farberscheinung des zu erstellenden
dreidimensionalen Körpers
bestimmen, auch Pigmente sein, die andere physikalische Eigenschaften
der herzustellenden dreidimensionalen Gegenstände beeinflussen, wie z. B.
Magnetpigmente oder Leitfähigkeitspigmente,
wie z. B. leitfähig
modifiziertes Titandioxid oder Zinnoxid, die den Magnetismus bzw.
die Leitfähigkeit
des Gegenstandes verändern.
Besonders bevorzugt weist das einzusetzende Pulvermaterial aber anorganische
oder organische Farbpigmente, ausgewählt aus Kreide, Ocker, Umbra,
Grünerde,
Terra di Siena gebrannt, Graphit, Titanweiß (Titandioxid), Bleiweiß, Zinkweiß, Lithopone,
Antimonweiß,
Ruß, Eisenoxidschwarz,
Manganschwarz, Cobaltschwarz, Antimonschwarz, Bleichromat, Mennige,
Zinkgelb, Zinkgrün,
Cadmiumrot, Cobaltblau, Berliner Blau, Ultramarin, Manganviolett,
Cadmiumgelb, Schweinfurter Grün,
Molybdatorange, Molybdatrot, Chromorange, Chromrot, Eisenoxidrot,
Chromoxidgrün,
Strontiumgelb, Metalleffektpigmente, Perlglanzpigmente, Leuchtpigmente
mit Fluoreszenz- und/oder Phosphoreszenzpigmenten, Umbra, Gummigutt,
Knochenkohle, Kasseler Braun, Indigo, Chlorophyll, Azofarbstoffe,
Indigoide, Dioxazinpigmente, Chinacridonpigmente, Phthalocyaninpigmente,
Isoindolinonpigmente, Perylenpigmente, Perinonpigmente, Metallkomplexpigmente,
Alkaliblaupigmente und Diketopyrrolopyrrol auf. Weitere Informationen
zu einsetzbaren Pigmenten können
z. B. Römpp
Lexikon Chemie – Version
2.0, Stüttgart/New
York: Georg Thieme Verlag 1999 sowie der dort angegebenen Literatur entnommen
werden.
Die eingesetzten Pigmente können Korngrößen aufweisen
wie für
das Pulvermaterial beschrieben. Häufig weisen die Pigmente allerdings
Korngrößen auf,
die deutlich kleiner sind als die mittleren Korngrößen der
eingesetzten Polymere. Die Pigmente können z: B. ähnlich wie die Suszeptoren
durch Düsen,
wie sie bei Druckköpfen
verwendet werden, aufgetragen werden oder in den eingesetzten pulverförmigen Substraten,
insbesondere in den Polymerpartikeln vorhanden sein. Besonders bevorzugt
weist das erfindungsgemäße Pulvermaterial
Polymerpartikel auf, die ein oder mehrere der genannten Pigmente – bevorzugt
mit Ausnahme von Weißpigmenten
allein – aufweisen.
Der Anteil der Pigmente am Pulvermaterial beträgt vorzugsweise von 0,01 bis
25 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 bis 10 Gew.-% und besonders bevorzugt
von 1 bis 3 Gew.-%. Die Möglichkeit
pigmentierte Substanzen verwenden zu können, ist ein weiterer Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
Laser-Sinter-Verfahren, bei denen Farbpigmente oder metallisierte
Pigmente den Laserstrahl behindern bzw. Abschwächen und somit eine Verarbeitung
solcher Materialien unmöglich
machen.
Als Pulvermaterial können auch
Substanzen eingesetzt werden, die als Sonderform der oben genannten
Füllkörper oder
Pigmente betrachtet werden können.
Bei dieser Art des Pulvermaterials weist das Pulver Körner aus
einem ersten Material mit einer Größe, die kleiner als die oben
genannten Dimensionen für
das Pulvermaterial ist, auf. Die Körner sind beschichtet mit einer
Schicht eines zweiten Materials, wobei die Dicke der Schicht so
gewählt
ist, dass das Pulvermaterial aus Kombination von Korn des ersten
Materials und Beschichtung mit dem zweiten Material eine Größe wie oben
angegeben aufweist. Die Körner
des ersten Materials weisen vorzugsweise eine Größe auf, die eine Abweichung
von der Größe des Pulvermaterials
von weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 10 % und besonders
bevorzugt weniger als 5 % aufweist. Das zweite Material, welches
die Beschichtung der Körner
darstellt, ist ein Material, welches im Vergleich zu den gewählten Suszeptoren
schlechter von Mikrowellenstrahlung erwärmt werden. Das zweite Material
sollte zudem eine ausreichende Fließfähigkeit im erwärmten Zustand vorweisen
und sich durch Wärmeeinwirkung,
wobei die Wärme
vom Suszeptor bereitgestellt wird, versintern oder verschmelzen
lassen. Als Beschichtungsmaterial können die pulverförmigen Substrate
(die Pulvermaterialien) insbesondere die oben genannten Polymere
oder Copolymere, vorzugsweise ausgewählt aus Polyester, Polyvinylchlorid,
Polyacetal, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polycarbonat, Poly(N-methylmethacrylimide)
(PMMI), Polymethylmethacrylate (PMMA), Ionomer, Polyamiden, Copolyester,
Copolyamide, Terpolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere
(ABS) oder Gemische davon, oder Phenolharze aufweisen. Das erste
Material dieser Sonderform des Pulvermaterials kann Körner z.B.
aus Sand, Keramik, Metall und/oder Legierungen umfassen. Besonders
bevorzugtes Pulvermaterial dieser An ist mit Phenolharz oder thermoplastischem
Kunststoff beschichteter Sand, sogenannter Formsand.
Wenn der Suszeptor in der Lage ist,
eine ausreichende Wärmemenge
zu übertragen,
ist es ebenso möglich,
als Pulvermaterial Metallpulver, insbesondere Pulver von niedrigschmelzenden
Metallen, wie z. B. Blei oder Zinn oder Legierungen, die z. B. Zinn
oder Blei aufweisen, einzusetzen. Auch dieses Pulvermaterial weist
vorzugsweise die oben genannten Dimensionen auf. (Bei der Verwendung
von Metallpulver ist zunächst
zu prüfen,
ob das Metall für eine
Behandlung mit Mikrowellen geeignet ist oder ob es zu Funkenbildung
bzw. einer Zerstörung
des Mikrowellengenerators kommt. Eine solche Überprüfung ist durch einfache Vorversuche
möglich.)
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind also dreidimensionalen Objekt herstellbar, die mit einer oder
mehreren funktionalisierten Schichten ausgerüstet werden können. Beispielsweise
kann eine Funktionalisierung, wie z. B. die Ausrüstung mit leitfähigen Eigenschaften
des ganzen Formteils oder aber auch nur bestimmter Bereiche durch
Auftragen entsprechender Pigmente oder Substanzen analog zum Suszeptor
oder durch Bereitstellen einer Schicht aus einer pulverförmigen Substanz,
die diese Pigmente aufweist, erfolgen.
Das Ausbringen des Suszeptors kann
analog zu der in WO 01/38061 beschriebenen Ausbringung des Inhibitors
erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Ausbringen des Suszeptors mit
einer in x,y-Ebene beweglichen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist eine
Möglichkeit
auf, flüssige
und/oder pulverförmige Suszeptoren
an definierten Stellen der gemäß Schritt a)
bereitgestellten Schicht an diese abzugeben. Die Vorrichtung kann
z. B. ein Druckkopf, wie er in einem Tintenstrahldrucker eingesetzt
wird, sein. Die Ansteuerung des Vorrichtung zur Positionierung des Druckkopfes
kann ebenfalls in gleicher Weise wie die Ansteuerung des Druckkopfes
eines Tintenstrahldruckers erfolgen. Mit dieser Vorrichtung wird
der Suszeptor an den Stellen der gemäß Schritt a) bereitgestellten
Schicht aufgebracht an denen das Substrat durch Versintern oder
Verschmelzen verbunden werden soll.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können alle
Suszeptoren eingesetzt werde, die durch Mikrowellenstrahlung erwärmt werden.
Hierzu zählen
pulverförmige
Stoffe, wie z. 8. Pulver von Metallen, Metallverbindungen, Keramikpulver,
Graphit, Russ oder Aktivkohle oder protische Flüssigkeiten, ausgewählt aus
der Gruppe gesättigter
ein- oder mehrwertiger linearer, verzweigter oder cyclischer aliphatischer
Alkohole, in Substanz oder im Gemisch mit Wasser oder Wasser alleine.
Als protische Flüssigkeiten
werden bevorzugt Glycerin, Trimethylolpropan, Ethylenglykol, Diethylenglykol
oder Butandiol oder Mischungen davon in Substanz oder im Gemisch
mit Wasser eingesetzt. Es ist ebenfalls möglich, Mischungen von festen,
flüssigen
oder festen und flüssigen
Suszeptoren einzusetzen. Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, als
Feststoffe vorliegende Suszeptoren in Flüssigkeiten zu suspendieren,
die keine Suszeptoren sind, um eine bessere Verteilung der als Feststoff
vorliegenden Suszeptoren über
die gesamte Höhe
der bereitgestellten Schicht zu erreichen. Ein weiterer Vorteil kann
erzielt werden, wenn zur besseren Benetzung des Substrates der Suszeptor,
insbesondere der flüssige
Suszeptor mit Tensiden versehen wird.
In diesem erfindungsgemäßen Verfahren sind
außerdem
viele Suszeptoren/Substrat Kombinationen denkbar, wobei für das Verfahren
eine ausreichend großer
Unterschied von Suszeptor und Substrat in der Fähigkeit durch Mikrowellenstrahlung
erwärmt
zu werden wichtig ist, damit am Ende des Verfahrens eine Matrix
erhalten wird, die eine klare Grenze zwischen verbundenem (also
mit Suszeptor behandeltem) Substrat und nicht verbundenem Substrat
erreicht wird. Nur auf diese Weise ist sichergestellt, dass das
erstellte dreidimensionale Objekt eine ausreichend glatte Kontur
aufweist und von dem nicht verbundenen Substrat einfach gelöst werden kann.
Um eine ausreichend große und lange
Wärmeübertragung
von Suszeptor auf das Substrat zu ermöglichen sollte der Siedepunkt
des Suszeptors oder bei einem Gemisch von Suszeptoren zumindest eines
Suszeptors größer als
der Schmelzpunkt des verwendeten Substrates sein. Die Dosierung
des Suszeptors sowie die Eigenschaften der Pulvers und des Suszeptors
müssen
aufeinander abgestimmt sein, damit der Suszeptor, insbesondere bei
Einsatz eines flüssigen
Suszeptors, nicht durch die Schichten verläuft, sondern ausschließlich von
dem zu benetzenden Pulver aufgenommen wird. Die Abstimmung kann
z. B. durch das Einstellen Viskosität und die verwendete Menge
des Suszeptors erfolgen. Dabei ist die Menge des verwendeten flüssigen Suszeptors insbesondere
von der Schichtdicke des Pulvers, von der Porosität des Pulvers
und von der Teilchengröße abhängig. Für die einzelnen
Materialkombinationen kann die optimale Menge und Viskosität in einfachen Vorversuchen
ermittelt werden. Zur Einstellung der Viskosität können bekannte Viskositätsvermittler,
wie pyrogene Kieselsäuren
aber auch organische Mittel verwendet werden. Der Suszeptor kann
in der Schmelze bzw. im Formteil verbleiben. Das kann im Fall von
Verstärkung
oder bei der Einstellung anderer Eigenschaften durch den Suszeptor
(elektrische oder magnetische Leitfähigkeit) sogar von Vorteil
sein.
Die für die Erwärmung des Suszeptors notwendige
Energie wird in Form von Mikrowellenstrahlung zugeführt. Es
kann vorteilhaft sein, die zu versinternden Schichten durch Zuführung von
Wärme auf eine
erhöhte
Temperatur zu bringen oder auf einer erhöhten Temperatur zu halten,
die unterhalb der Schmelz- oder Sintertemperatur des eingesetzten Polymers
liegt. Auf diese Weise kann die durch Mikrowellenenergie einzubringende
Energie bzw. Leistung verringert werden. Nachteilig an einer solchen Ausführung ist
allerdings, dass spezielle Vorrichtungen eingesetzt werden müssen, die
häufig
in Haushalten nicht vorhanden sind, wie z. B. kombinierte Backöfen mit
eingebauter Mikrowelle. Sollten solche Geräte allerdings eine weitere
Verbreitung finden, ist es auch bei der Haushaltsanwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich,
einen Teil der benötigten
Sinterenergie nicht durch Mikrowellenenergie zuzuführen.
Die Behandlung mit Mikrowellenstrahlung gemäß Schritt
c) kann wie oben beschrieben nach jedem Schritt b) erfolgen oder
aber erst nach dem alle Schichten mit dem Suszeptor behandelt wurden.
Insbesondere bei der Verwendung eines flüssigen Suszeptors hat es sich
als vorteilhaft erwiesen, die Mikrowellenbehandlung jeweils direkt
nach der Behandlung einer Schicht gemäß Schritt b), vorzugsweise
direkt im Bauraum vorzunehmen, da sonst die Gefahr besteht, dass
sich der flüssige
Suszeptor auch in ungewünschte
Teile der Schicht bzw. der aus mehreren Schichten aufgebauten Matrix
verteilt.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren
erforderliche Mikrowellenstrahlung wird von einem, vorzugsweise
externen Mikrowellengenerator erzeugt und kann im Frequenzbereich
von 300 MHz bis 300 GHz liegen. Die in industriellen Prozessen eingesetzten
und einer staatlichen Freigabe unterliegenden Frequenzen betragen
in der Regel von 430 bis 6800 MHz (Encyclopedia of Chemical Processing and
Design, Vo1.30, p. 202ff Marcel Dekker, N.Y.-Basel, 1989). Im erfindungsgemäßen Verfahren
wird deshalb bevorzugt eine Mikrowellenstrahlung im Frequenzbereich
von 430 bis 6800 MHz eingesetzt. Die vom Mikrowellengenerator erzeugte
Strahlung kann gegebenenfalls polarisiert und/oder gefiltert werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
dreidimensionale Formkörper
herstellbar. Diese schichtweise hergestellten dreidimensionalen
Objekte liegen am Ende nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer Matrix, die aus mehreren Schichten gebildet wird vor. Aus
dieser Matrix, die aus verbundenem und nicht verbundenem pulverförmigen Substrat
sowie Suszeptor besteht, kann das Objekt entnommen werden, während das
nicht verbundene Substrat, gegebenenfalls nach einer Aufarbeitung
z. B. durch Sieben, erneut eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäßen Formkörper können Füllkörper, ausgewählt aus
Glaskugeln, Kieselsäuren oder
Metallpartikeln aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfaharen wird vorzugsweise
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Objekten durchgeführt, welche
dadurch gekennze
- – eine bewegliche Vorrichtung
zur schichtförmigen
Auftragung eines pulverförmigen
Substrates auf eine Arbeitsplattform oder eine gegebenenfalls schon
auf der Arbeitsplattform vorhandene Schicht eines behandelten oder
unbehandelten pulverförmigen
Substrates, wie z. B. eine Rakel,
- – eine
in der x,y-Ebene bewegliche Vorrichtung zur Auftragung eines Suszeptors
auf ausgewählte Bereiche
der Schicht aus pulverförmigem
Substrat, wie z. B. einen Druckkopf, und
- – einen
Mikrowellengenerator, geeignet zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung
im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz, vorzugsweise von 430 bis 6800
MHz, mit welchem sich der Suszeptor so weit erwärmen lässt, dass sich das Substrat,
in den Bereichen, in denen der Suszeptor auf das Substrat aufgebracht
wurde, durch Verschmelzen oder Versintern verbindet,
ichnet
ist, dass sie
aufweist.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise
mit mehreren Vorratsbehältern
ausgerüstet,
aus denen das zu verarbeitende pulverförmige Substrat der Vorrichtung zur
Erzeugung der Schichten zugeführt
werden kann und der oder die eingesetzten Suszeptoren der in der x,y-Ebene
bewegliche Vorrichtung zur Auftragung eines Suszeptors auf ausgewählte Bereiche
der Schicht aus pulverförmigem
Substrat zugeführt
werden kann. Durch Verwendung von Druckköpfen mit mehreren Düsen und
dem Vorsehen eines Mischers kann erreicht werden, dass an bestimmten
Zonen der Schicht, z. B. an besonders filigranen Bereichen oder z.
B. am Rand des zu erstellenden Objektes eine andere Mischungen von
Suszeptoren als im Kernbereich des zu erstellenden Objektes eingesetzt
werden. Auf diese Weise kann eine unterschiedliche Energiezufuhr
an unterschiedlichen Positionen der Schicht erzeugt werden.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist das Pulvermaterial wie vorab beschrieben, welches
zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren
geeignet ist und welches sich insbesondere dadurch auszeichnet,
dass es eine mittlere Korngröße von 10
bis 150 um und zumindest ein Polymer oder Copolymer, ausgewählt aus
Polyvinylchlorid, Polyester, Polyacetal, Polypropylen, Polyethylen,
Polystyrol, Polycarbonat, PMMA, PMMI, Ionomer, Polyamiden, Copolyester,
Copolyamiden, Terpolymeren oder ABS oder Gemische davon, aufweist.
Besonders bevorzugt weist das Pulver Polyamid 11, Polyamid 12, Copolyamid
oder Copolyester oder Mischungen davon auf. Besonders bevorzugt weist
das Pulver Polymerpartikel auf, die eingefärbt sind und eine andere Farbe
als Weiß aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird an Hand der Figur 1 näher erläutert, ohne
dass die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt sein
soll. 1 gibt schematisch
die erfindungsgemäße Vorrichtung
wieder. Auf einem beweglichen Boden (6), wird unbehandeltes
pulverförmiges
Substrat (2), welches in einem Vorratsbehälter (1)
vorgelegt wird, zu einer Matrix (8) aufgebaut. Das Substrat
wird mittels eines Rakels (2) zu dünnen Schichten auf dem beweglichen
Boden bzw. zuvor aufgebrachten Schichten verteilt. Über eine
in x,y- Ebene bewegliche Vorrichtung (3) wird der Suszeptor
(4) auf ausgewählte Bereiche
der Schicht aus pulverförmigem
Substrat aufgebracht. Nach jeder Behandlung mit einem Suszeptor
wird eine neue Schicht des pulverförmigen Substrates aufgebracht.
Mittels eines Mikrowellengenerator, geeignet zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung
im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz (5), werden die Stellen
des aufgebrachten Substrats, die mit dem Suszeptor behandelt wurden,
zu einem dreidimensionalen Objekt, wie z. B. einer Tasse (7)
verbunden.