DE60123595T2

DE60123595T2 - Verfahren zum dreidimensionalen Drucken und danach hergestelltes Modell

Info

Publication number: DE60123595T2
Application number: DE60123595T
Authority: DE
Inventors: Eduardo Napadensky; Hanan Gothait
Original assignee: Object Geometries Ltd
Current assignee: Object Geometries Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: EP1274551A4; EP2298540A3; DK1741545T3; EP2298540B1; EP2298540A2; ES2431319T3; HK1153431A1; EP2277686B1; WO2001068375A2; WO2001068375A3; EP2277686A2; US6569373B2; AU2001241015A1; EP1274551A2; EP1274551B1; EP2277686A3; US20020008333A1; ATE341440T1; HK1155695A1; ES2432645T3

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf dreidimensionale Objekte (3D-Objekte) und insbesondere auf Verfahren zur Verwendung beim 3D-Drucken komplizierter Strukturen.
STAND DER TECHNIK
Das 3D-Drucken, das dadurch arbeitet, dass Teile in Schichten gebaut werden, ist ein Prozess, der für das Aufbauen von 3D-Modellen verwendet wird. Das 3D-Drucken ist verhältnismäßig schnell und flexibel und ermöglicht z. B. die Herstellung von Prototypteilen und einer Werkzeugbestückung direkt aus einem CAD-Modell.
Die Verwendung des 3D-Druckens ermöglicht, dass der Hersteller vor der Werkzeugbestückung ein vollständiges 3D-Modell irgendeines vorgeschlagenen Produkts erhält, was möglicherweise die Kosten der Werkzeugbestückung wesentlich senkt und zu einer besseren Synchronisation zwischen Entwurf und Herstellung führt. Außerdem können niedrigere Produktkosten und verbesserte Produktqualität erhalten werden.
Es sind verschiedene Systeme für das computergestützte 3D-Drucken entwickelt worden. In US-A-6259962 an die Anmelder der vorliegenden Anmeldung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Modell-Drucken beschrieben. US-A-6259962 beschreibt eine Vorrichtung, die einen Druckkopf mit mehreren Düsen, einen Spender, der mit dem Druckkopf verbunden ist, um wahlweise Grenzflächenmaterial in Schichten nachzuliefern, und ein Härtungsmittel zum optionalen Härten jeder der abgelagerten Schichten enthält. Die Höhe jeder abgelagerten Schicht ist durch wahlweises Einstellen der Ausgabe von jeder der mehreren Düsen steuerbar.
In US-A-6658314 an die Anmelder der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Modell-Drucken beschrieben. US-A-6658314 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Drucken komplizierter 3D-Modelle unter Verwendung von Grenzflächenmaterialien mit verschiedener Härte oder Elastizität und durch Mischen des Grenzflächenmaterials von jedem der Druckköpfe, um die Härte des Materials zu steuern, das das 3D-Modell bildet. Die Konstruktionsschichten des Modells werden aus einem Grenzflächenmaterial mit einem anderen (härteren) Elastizitätsmodul als das Material, das zum Bilden der Ablöseschichten (und Trägerschichten) verwendet wird, gebildet, wodurch die Bildung komplizierter Formen ermöglicht wird.
Strahlungshärtbare Tinten sind in den US-Patenten Nr. 4.303.924, 5.889.084 und 5.270.368 offenbart. Das US-Patent Nr.4.303.924 offenbart strahlungshärtbare Zusammensetzungen für das Strahltropfendrucken, die multifunktionales ethylenisch ungesättigtes Material, monofunktionales ethylenisch ungesättigtes Material, einen reaktiven Synergist, ein Farbstoff-Färbungsmittel und ein öllösliches Salz enthalten. Das US-Patent Nr. 5.889.084 offenbart eine strahlungshärtbare Tintenzusammensetzung für das Tintenstrahldrucken, die ein kationisch photoreaktives Epoxidether- oder Vinylether-Monomer oder -Oligomer, einen kationischen Photoinitiator und ein Färbungsmittel umfasst. Das US-Patent Nr. 5.270.368 offenbart eine UV-härtbare Tintenzusammensetzung für das Tintenstrahldrucken, die eine Harzformulierung mit wenigstens zwei Acrylatkomponenten, einem Photoinitiator und einem organischen Träger umfasst.
Die in diesen Entgegenhaltungen offenbarten Tintenzusammensetzungen sind zur Verwendung beim Tintenstrahldrucken formuliert worden. Zusammensetzungen zum Tintenstrahldrucken werden anders formuliert als Zusammensetzungen zum Bauen von 3D-Modellen und haben somit andere Eigenschaften. Zum Beispiel ist für 3D-Objekte eine hohe Viskosität bei Zimmertemperatur eine erwünschte Eigenschaft, so dass Zusammensetzungen zum Bauen von 3D-Modellen so ausgelegt sind, dass sie bei Zimmertemperatur eine hohe Viskosität haben. Im Gegensatz dazu sind Zusammensetzungen für das Tintenstrahldrucken so ausgelegt, dass sie bei Zimmertemperatur eine niedrige Viskosität haben, damit sie beim Druckprozess gut funktionieren. Keine der oben erwähnten Entgegenhaltungen offenbart Zusammensetzungen, die speziell für das 3D-Drucken formuliert worden sind.
Im US-Patent Nr. 5.705.316 sind strahlungshärtbare Tinten für 3D-Objekte offenbart. US 5.705.316 offenbart Verbindungen mit wenigstens einer Vinylethergruppe, die in den Molekülen außerdem wenigstens eine weitere Funktionsgruppe wie etwa eine Epoxid- oder eine Acrylatgruppe enthalten; Zusammensetzungen, die diese Verbindungen umfassen; und Verfahren zum Herstellen von 3D-Objekten unter Verwendung dieser Zusammensetzungen. Die Zusammensetzungen der US 5.705.316 sind komplizierte Moleküle, die nicht leicht verfügbar sind und die somit speziell synthetisiert werden müssen, was zusätzliche Zeit und Kosten verursacht.
WO 0011092 offenbart ein Material für die Modellierung mit wahlweisen Ablagerungen, das ein Grundmaterial, eine Weichmacherkomponente, die wenigstens 10 Gew.-% wenigstens eines Weichmachers enthält, der bei Umgebungsbedingungen fest ist, und wenigstens ein Tackifier-Harz, das mit dem Grundmaterial und mit der Weichmacherkomponente kompatibel ist, enthält, wobei das Modellierungsmaterial bei 130 GRAD C eine Viskosität von weniger als etwa 30 mPa·s besitzt. Alternativ kann das Material für die Modellierung mit wahlweisen Ablagerungen etwa 52% bis 98% eines reaktiven Polymermaterials, das ein Gemisch aus wenigstens einer Verbindung, die wenigstens eine Glycidyl-Gruppe pro Molekül enthält, wenigstens einer Verbindung mit wenigstens einer ungesättigten Endgruppe pro Molekül, wenigstens einer Verbindung mit wenigstens einer Vinylethergruppe pro Molekül oder von Gemischen davon ist; und ein Härtungsmittel oder einen Aktivator; und optional ein nichtreaktives Polymermaterial oder Wachsmaterial enthalten, wobei das Modellierungsmaterial einen Gehalt an schnelles Abbinden induzierenden Segmenten von etwa 10 Gew.-% bis 70 Gew.-% enthält.
EP0737585 offenbart eine Druckvorrichtung, die eine Ausstoßdüse mit einer ersten Ausströmöffnung und eine Messdüse mit einer zweiten Ausströmöffnung enthält, die getrennt voneinander vorgesehen sind, um durch die erste bzw. durch die zweite Ausströmöffnung zwei Arten von Fluiden zuzuführen. Die zwei Arten von Fluiden werden miteinander gemischt, um ein Fluidgemisch zu bilden, das zu einem Aufzeichnungsmedium ausgestoßen werden soll.
Keine der oben erwähnten Entgegenhaltungen schafft einfache, leicht erhältliche, härtbare Zusammensetzungen, die zur Verwendung beim 3D-Drucken geeignet sind. Außerdem schaffen die oben erwähnten Entgegenhaltungen keine Zusammensetzungen zur Verwendung beim Tragen und/oder Ablösen eines 3D-Modells während der Konstruktion. Schließlich schaffen die oben erwähnten Entgegenhaltungen keine Verfahren zum 3D-Drucken unter Verwendung von Grenzflächenmaterialien mit verschiedener Härte oder Elastizität und durch Mischen der Grenzflächenmaterialien zum Steuern der Härte des Materials, das das 3D-Modell bildet.
Somit besteht ein Bedarf an einfachen, leicht erhältlichen, härtbaren Zusammensetzungen, die speziell für die Konstruktion eines 3D-Modells formuliert sind. Ferner besteht ein Bedarf an einfachen, leicht erhältlichen, härtbaren Zusammensetzungen, die speziell formuliert sind, um durch Bilden von Trag- und/oder Ablöseschichten um ein 3D-Objekt während der Konstruktion eine Unterstützung für ein 3D zu bilden. Schließlich besteht ein Bedarf an Verfahren zum Konstruieren eines 3D unter Verwendung der oben erwähnten Zusammensetzungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich und gewürdigt aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
1 eine schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform eines 3D-Drucksystems ist, das in US 6658314 , übertragen auf die Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschrieben ist; und
2 eine Aufrissansicht eines in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierten 3D-Objekts ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Herstellung eines 3D-Objekts durch 3D-Drucken gemäß den Ansprüchen 1–14 und auf ein durch das Verfahren erhaltenes 3D-Objekt gemäß den Ansprüchen 15–21.
Somit wird ein Verfahren für die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels dreidimensionalem Drucken durch Nachliefern eines ersten Grenzflächenmaterials aus einem Spender, wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial wenigstens eine reaktive Komponente, wenigstens einen Photoinitiator, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator umfasst, wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine erste Viskosität über 50 mPa·s (cps) aufweist; und durch Härten des genannten ersten Grenzflächenmaterials, was zu einer festen Form führt, geschaffen, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst:

• Nachliefern eines zweiten Grenzflächenmaterials aus dem genannten Spender, wobei das genannte zweite Grenzflächenmaterial umfasst:
– wenigstens eine nicht reaktive Verbindung mit niedriger Toxizität;
– wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und
– wenigstens einen Stabilisator;
• Kombinieren des genannten ersten Grenzflächenmaterials und des genannten zweiten Grenzflächenmaterials in einer Schicht in vorgegebenen Verhältnissen; und
• Härten oder Bestrahlen der genannten zweiten Grenzflächenmaterialien, was zu einer flüssigen oder zu einer halb festen Form führt; wodurch mehrere Konstruktionsschichten erzeugt werden, um das genannte dreidimensionale Objekt zu bilden,

Weitere Ausführungsformen des beanspruchten Verfahrens sind in den Ansprüchen 2–14 beansprucht.
Außerdem wird in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales Objekt geschaffen, das durch dreidimensionalen Druck erzeugt worden ist, wobei das genannte Objekt mehrere Konstruktionsschichten umfasst, die das genannte dreidimensionale Objekt bilden, wobei die Schichten durch Ablagern einer Kombination des genannten ersten Materials und eines zweiten Materials in vorgegebenen Verhältnissen gebildet worden sind, wobei

a) das genannte erste feste Grenzflächenmaterial durch Härten eines ersten Materials erhalten worden ist, das umfasst;
• wenigstens eine reaktive Komponente, die aus einer Acrylkomponente, aus Molekülen mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten, aus Molekülen mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten, aus Vinylpyrolidon, aus Vinylcaprolactam oder aus irgendeiner Kombination davon ausgewählt worden ist;
• wenigstens einen Photoinitiator;
• wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und wenigstens einen Stabilisator; wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine erste Viskosität über 50 mPa·s (cps) aufweist; und
b) das genannte zweite Grenzflächenmaterial in flüssiger oder in halb fester Form ist und durch Härten oder Bestrahlen:
• wenigstens einer nicht reaktiven Verbindung mit niedriger Toxizität;
• wenigstens eines grenzflächenaktiven Stoffs; und
• wenigstens eines Stabilisators

Weitere Ausführungsformen der beanspruchten 3D-Objekte sind in den Ansprüchen 16–21 beansprucht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für die Herstellung eines 3D-Objekts durch 3D-Drucken unter Verwendung von Zusammensetzungen für ein Trag- und Ablösematerial und auf ein 3D-Objekt, das durch das Verfahren erhalten wurde.
Die Zusammensetzung zur Verwendung bei der Fertigung der 3D-Objekte umfasst wenigstens eine reaktive Komponente, wenigstens einen Photoinitiator, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator. Die Zusammensetzung wird so formuliert, dass sie zur Verwendung mit Tintenstrahldruckern kompatibel ist und bei Zimmertemperatur eine Viskosität über 50 mPa·s (cps) besitzt.
Die Zusammensetzung zur Verwendung als ein Trag- und/oder zweites Grenzflächenmaterial bei der Fertigung der 3D-Objekte umfasst wenigstens eine nichtreaktive Verbindung mit niedriger Toxizität, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator. Ferner kann die Zusammensetzung wenigstens eine reaktive Komponente und wenigstens einen Photoinitiator enthalten. Die Zusammensetzung wird so formuliert, dass sie für die Verwendung mit Tintenstrahldruckern kompatibel ist und bei Zimmertemperatur eine Viskosität über 50 mPa·s (cps) besitzt.
Im Folgenden werden die Zusammensetzungen ausführlicher beschrieben.
Das 3D-Objekt der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung eines 3D-Drucksystems gebaut werden, das ähnlich dem in US 6658314 , übertragen auf die Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschriebenen ist. Das 3D-Drucksystem ist in 1 gezeigt, auf die nun Bezug genommen wird. 1 ist eine Veranschaulichung eines allgemein mit 10 bezeichneten 3D-Drucksystems, das einen oder mehrere mit 12 bezeichnete Druckköpfe und wenigstens zwei allgemein mit 14 und einzeln mit 14a und 14b bezeichnete Spender, die allgemein mit 16 und einzeln mit 16a bzw. 16b bezeichnete Grenzflächenmaterialien enthalten, enthält.
Der Druckkopf 12 besitzt mehrere Tintenstrahldüsen 18, durch die die Grenzflächenmaterialien 16a und 16b ausgestoßen werden. In einer Ausführungsform ist der erste Spender 14a mit einem mit 18a bezeichneten ersten Düsensatz verbunden und ist der zweite Spender 14b mit einem mit 18b bezeichneten zweiten Düsensatz verbunden. Somit wird das erste Grenzflächenmaterial 16a durch die Düsen 18a ausgestoßen und wird das zweite Grenzflächenmaterial 16b durch die Düsen 18b ausgestoßen. Alternativ kann das 3D-Drucksystem in einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) wenigstens zwei Druckköpfe umfassen. Der erste Druckkopf ist mit dem ersten Spender 14a verbunden und wird zum Ausstoßen des ersten Grenzflächenmaterials 16a verwendet; und der zweite Druckkopf ist mit dem zweiten Spender 14b verbunden und wird zum Ausstoßen des zweiten Grenzflächenmaterials 16b verwendet.
Ferner enthält das 3D-Drucksystem 10 eine Steuereinheit 20, ein System 22 für computergestützte Entwicklung (CAD-System 22), eine Härtungseinheit 24 und optional eine Positionierungsvorrichtung 26. Die Steuereinheit 20 ist mit dem CAD-System 22, mit der Härtungseinheit 24, mit der Positionierungsvorrichtung 26, mit dem Druckkopf 12 und mit jedem der Spender 14 gekoppelt.
Das 3D-Objekt (28), das hergestellt wird, wird in Schichten gebaut, wobei die Höhe jeder Schicht durch wahlweises Einstellen der Ausgabe von jeder der Tintenstrahldüsen 18 steuerbar ist.
Durch Kombinieren oder Mischen der Materialien von jedem der Spender, wobei jeder Spender Grenzflächenmaterial mit einer anderen Härte enthält, ist es möglich, die Härte des Materials, das das 3D-Objekt bildet, das hergestellt wird, einzustellen und zu steuern. Somit können durch Kombinieren des Grenzflächenmaterials, das von jedem der Spender ausgegeben wird, verschiedene Teile des 3D-Objekts mit einem anderen Elastizitätsmodul und mit einer anderen Festigkeit erzeugt werden.
Wie er hier verwendet wird, wird der Begriff "Festigkeit" als ein relativer Begriff zur Angabe des Unterschieds des Elastizitätsmoduls zwischen Grenzflächenmaterialien verwendet. Die Festigkeit eines Materials kann unter Bezug auf seinen Elastizitätsmodul beschrieben werden, der wie folgt definiert werden kann: "das Verhältnis der Spannung zu ihrer entsprechenden Dehnung unter gegebenen Lastbedingungen für Materialien, die sich gemäß dem Hookeschen Gesetz elastisch verformen".
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der erste Spender 14a ein erstes Grenzflächenmaterial 16a, das im Folgenden als das "erste Grenzflächenmaterial" bezeichnet wird, und enthält der zweite Spender 14b ein zweites Grenzflächenmaterial 16b, das im Folgenden als das "zweite Grenzflächenmaterial" bezeichnet wird. Das erste Grenzflächenmaterial besitzt einen anderen (härteren) Elastizitätsmodul und eine höhere Festigkeit als das zweite Grenzflächenmaterial. Durch Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials können verschiedene Schichten des 3D-Objekts mit einem verschiedenen Elastizitätsmodul und mit einer verschiedenen Festigkeit wie etwa z. B. eine Konstruktionsschicht, eine Tragschicht und eine Ablöseschicht, wie sie im Folgenden definiert werden, erzeugt werden.
Zum Beispiel bildet das Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials mehrere Konstruktionsschichten, die als die Schichten definiert sind, die das 3D-Objekt bilden. Wie es im Folgenden definiert wird, bezieht sich mehrere auf eine Zahl, die eins oder größer ist.
Ferner bildet Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials mehrere Tragschichten, die als die Schichten definiert sind, die das 3D-Objekt tragen, das 3D-Objekt aber nicht bilden.
Ferner bildet Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials mehrere Ablöseschichten, die als die Schichten (die nicht das 3D-Objekt bilden) zum Trennen der 3D-Objektschicht von Schichten wie etwa den Tragschichten definiert sind. Die Ablöseschichten haben einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit als die Konstruktionsschichten und die Tragschichten.
In einer Ausführungsform werden die Tragschichten genauso wie die Konstruktionsschichten ausgelegt und haben somit denselben Elastizitätsmodul und dieselbe Festigkeit wie die Konstruktionsschichten. Auf diese Weise bilden die Konstruktionsschichten einen Kern, wobei die Tragschichten wie der Negativdruck des Kerns aussehen. Die Ablöseschichten sind zwischen den Konstruktionsschichten und den Tragschichten positioniert und werden dazu verwendet, die Konstruktionsschichten von den Tragschichten zu trennen.
In einer weiteren Ausführungsform haben die Tragschichten einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit als die Konstruktionsschichten. Wie im Folgenden ausführlich erläutert wird, können die Tragschichten unter Nutzung ihrer schwächeren Eigenschaften von den Konstruktionsschichten getrennt werden. Alternativ können die Tragschichten dadurch von den Konstruktionsschichten getrennt werden, dass zwischen den Konstruktionsschichten und den Tragschichten Ablöseschichten positioniert werden.
Um die vorliegende Erfindung klarer zu definieren, wird nun auf 2 Bezug genommen, die ein allgemein mit 30 bezeichnetes 3D-Modell eines Weinglases ist. Das 3D-Modell wird unter Verwendung des Tintenstrahldrucksystems aus 1 gedruckt. Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials bildet mehrere Konstruktionsschichten 32, die das Weinglas 30 ergeben.
Die Konstruktionsschichten 32 des Weinglases 30 müssen außen wie etwa in dem mit 34 bezeichneten Bereich getragen werden. Darüber hinaus muss während des Druckens ein mit 36 bezeichneter innerer Hohlraum gebildet werden. Somit werden mehrere Tragschichten 38 gedruckt, die durch Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials gebildet werden.
Darüber hinaus bildet eine Kombination des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials mehrere Ablöseschichten 40. In einer Ausführungsform sind die Ablöseschichten 40 zwischen den Konstruktionsschichten 32 und den Tragschichten 38 positioniert. Im Allgemeinen haben die Ablöseschichten 40 einen anderen (niedrigeren) Elastizitätsmodul als die Tragschichten 38 und die Konstruktionsschichten 32. Somit können die Ablöseschichten 40 verwendet werden, um die Tragschichten 38 von den Konstruktionsschichten 32 zu trennen.
Das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial der folgenden Erfindung sind speziell zum Bauen eines 3D-Objekts unter Verwendung des 3D-Druckens ausgelegt und formuliert. Dementsprechend sind das erste und das zweite Grenzflächenmaterial so ausgelegt, dass sie bei Zimmertemperatur, die als etwa 20–30°C definiert ist, eine erhöhte Viskosität haben. Vorzugsweise haben das erste und das zweite Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine Viskosität über 50 mPa·s (cps) und bevorzugter zwischen 80 und 300 mPa·s (cps). In einer bevorzugten Ausführungsform haben das erste und das zweite Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine Viskosität von etwa 300 mPa·s (cps).
Ferner haben das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial bei einer zweiten Temperatur, die höher als die Zimmertemperatur ist, eine zweite Viskosität, die kompatibel mit dem Tintenstrahldrucken ist. Eine Zusammensetzung, die kompatibel mit dem Tintenstrahldrucken ist, hat bei der Drucktemperatur eine niedrige Viskosität, vorzugsweise unter 20 mPa·s (cps), um in dem Druckprozess richtig zu funktionieren. Das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial haben beim Erwärmen vorzugsweise eine Viskosität unter 20 mPa·s (cps), was die Konstruktion des 3D-Objekts unter Wärme ermöglicht. Die üblicherweise zum Bau des 3D-Modells der vorliegenden Erfindung verwendete Temperatur ist höher als 60°C, vorzugsweise etwa 85°C. In einer Ausführungsform haben das erste und das zweite Grenzflächenmaterial bei einer Temperatur über 60°C eine Viskosität von 8–15 mPa·s (cps). In einer weiteren Ausführungsform haben das erste und das zweite Grenzflächenmaterial bei einer Temperatur von etwa 85°C eine Viskosität von 11 mPa·s (cps).
Das erste und das zweite Grenzflächenmaterial mit dieser Viskosität unterscheiden sich von für das Tintenstrahldrucken ausgelegten Formulierungen des Standes der Technik, die bei Zimmertemperatur, der Temperatur, bei der das Drucken durchgeführt wird, eine niedrige Viskosität haben. Eine hohe Viskosität bei Zimmertemperatur ist für 3D-Objekte eine erwünschte Eigenschaft, ein Merkmal, das in den Formulierungen des Standes der Technik fehlt.
ERSTES GRENZFLÄCHENMATERIAL
Das erste Grenzflächenmaterial wird so formuliert, dass es nach dem Härten ein festes Material mit mechanischen Eigenschaften ergibt, die das Bauen und Handhaben von 3D-Modellen zulassen. Das erste Grenzflächenmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst:
wenigstens eine reaktive Komponente;
wenigstens einen Photoinitiator;
wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und
wenigstens einen Stabilisator.
In einer Ausführungsform ist die reaktive Komponente eine Acrylkomponente, Moleküle mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten, Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten, Vinylpyrolidon, Vinylcaprolactam oder irgendeine Kombination davon. Die Acrylkomponente ist ein Acryl-Monomer, ein Acryl-Oligomer, ein Acrylvernetzungsmittel oder irgendeine Kombination davon.
Ein Acryl-Monomer sind monofunktionale Acrylatmoleküle, die z. B. Ester von Arylsäure und von Methacrylsäure sein können. Ein Beispiel eines Acryl-Monomers für die vorliegende Erfindung ist Phenoxyethylacrylat, das unter dem Handelsnamen SR-339 von Sartomer vertrieben wird. Ein weiteres Beispiel eines Acryl-Monomers wird von Sartomer unter dem Handelsnamen SR-9003 vertrieben.
Ein Acryl-Oligomer sind polyfunktionale Acrylatmoleküle, die z. B. Polyester von Acrylsäure und Methacrylsäure und einem mehrwertigen Alkohol wie etwa Polyacrylate und Polymethacrylate von Trimethylpropan, Pentaerithrit, Ethylenglycol, Propylenglycol und dergleichen sein können. Beispiele von Acryl-Oligomeren sind die Klassen von Urethanarylaten und Urethanmethacrylaten. Urethanacrylate werden aus aliphatischen oder cycloaliphatischen Diisocyanaten oder Polyisocyanaten und hydroxylhaltigen Acrylsäureestern hergestellt. Ein Beispiel ist ein von Cognis unter dem Handelsnamen Photomer-6010 vertriebenes Urethanacrylat-Oligomer.
Ein Acrylvernetzungsmittel sind Moleküle, die eine verbesserte Vernetzung schaffen. Beispiele solcher Harze sind 1,4-Butandioldiacrylat, 1,4-Butandioldimethacrylat, 1,6-Hexamethylenglycoldiacrylat, Neopentylglycoldimethacrylat, Trimethylolpropantrimethacrylat, Pentaerythritoltriacrylat, Pentaerythritoltrimethacrylat-Triethylenglycoltriacrylat, Triethylenglycol-Trimethacrylat und dergleichen. Ein Beispiel von Acrylvernetzungsmitteln für die vorliegende Erfindung ist das von Sartomer unter dem Handelsnamen SR-351 vertriebene Trimethylolpropan-Triacrylat. Ein weiteres Beispiel eines Vernetzungsmittels ist das von CRODA vertriebene UVM-45.
Die reaktive Komponente in dem ersten Grenzflächenmaterial können außerdem Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten sein. Es sind herkömmliche Vinylether-Monomere und -Oligomere geeignet, die wenigstens eine Vinylethergruppe besitzen. Beispiele von Vinylethern sind Ethylvinylether, Propylvinylether, Isobutylvinylether, Cyclohexylvinylether, 2-Ethylhexylvinylether, Butylvinylether, Ethylenglycolmonovinylether, Diethylenglycoldivinylether, Butandioldivinylether, Hexandioldivinylether, Cyclohexandimethanolmonovinylether und dergleichen. Ein Beispiel eines Vinylethers für die vorliegende Erfindung ist ein 1,4-Cyclohexandimethanoldivinylether, der unter dem Handelsnamen CHVE von ISP vertrieben wird.
Die reaktive Komponente in dem ersten Grenzflächenmaterial können außerdem Moleküle mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten sein. Herkömmliche Epoxid-Monomere und -Oligomere mit wenigstens einem Oxirananteil sind bevorzugt. In der nachstehenden Tabelle 1 sind geeignete epoxidhaltige Moleküle gezeigt:
Tabelle 1: Beispiele für die epoxidhaltige reaktive Komponente
Die reaktive Komponente des ersten Grenzflächenmaterials kann irgendeine Kombination einer wie oben definierten Acrylkomponente, wie oben definierte Moleküle mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten, wie oben definierte Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten, Vinylcaprolactam und Vinylpyrolidon umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst die reaktive Komponente des ersten Grenzflächenmaterials ein Acryl-Monomer, ein Acryl-Oligomer, ein Acrylvernetzungsmittel und Vinylcaprolactam. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die reaktive Komponente eine wie oben definierte Acrylkomponente und Moleküle mit einem oder mit mehreren wie oben definierten Epoxidsubstituenten. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die reaktive Komponente des ersten Grenzflächenmaterials eine wie oben definierte Acrylkomponente und wie oben definierte Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die reaktive Komponente in dem ersten Grenzflächenmaterial wie oben definierte Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten und wie oben definierte Moleküle mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten.
Der Photoinitiator des ersten Grenzflächenmaterials und der des zweiten Grenzflächenmaterials können derselbe oder verschieden sein, wobei er ein Photoinitiator mit freien Radikalen, ein kationischer Photoinitiator oder irgendeine Kombination davon ist.
Der Photoinitiator mit freien Radikalen kann irgendeine Verbindung sein, die bei Belichtung mit Strahlung wie etwa Ultraviolettstrahlung oder sichtbarer Strahlung ein freies Radikal erzeugt und dadurch eine Polymerisationsreaktion auslöst. Beispiele einiger geeigneter Photoinitiatoren enthalten Benzophenone (aromatische Ketone) wie etwa Benzophenon, Methylbenzophenon, Michlers Keton und Xanthone; Acylphosphinoxid-Photoinitiatoren wie etwa 2,4,6-Trimethylbenzoyl-Diphenyl-Phosphinoxid (TMPO), 2,4,6-Trimethylbenzoyl-Ethoxyphenyl-Phosphinoxid (TEPO) und Bisacylphosphinoxide (BAPO); Benzoine und Bezoinalkylether wie etwa Benzoin, Benzoinmethylether and Benzoinisopropylether und dergleichen. Beispiele von Photoinitiatoren sind von Ciba Specialties Chemicals Inc. (Ciba) unter dem Warenzeichen Irgacure 907 vertriebenes Alpha-Aminoketon und von Ciba unter dem Handelsnamen I-819 vertriebenes Bisacylphosphinoxid (BAPO).
Der Photoinitiator mit freien Radikalen kann allein oder in Kombination mit einem Co-Initiator verwendet werden. Co-Initiatoren werden mit Initiatoren verwendet, die zweite Moleküle benötigen, um ein Radikal zu erzeugen, das in den UV-Systemen aktiv ist. Benzophenon ist ein Beispiel eines Photoinitiators, der zweite Moleküle wie etwa ein Amin benötigt, um ein reaktives Radikal zu erzeugen. Nach der Absorption von Strahlung reagiert Benzophenon durch Wasserstoffentzug mit einem ternären Amin, um ein Alpha-Aminoradikal zu erzeugen, das eine Polymerisation der Acrylate auslöst. Ein Beispiel einer Klasse von Co-Initiatoren sind Alkanolamine wie etwa Triethylamin, Methyldiethanolamin und Triethanolamin.
Geeignete kationische Photoinitiatoren für die vorliegende Erfindung enthalten Verbindungen, die bei Belichtung mit Ultraviolettlicht und/oder sichtbarem Licht, das ausreicht, um die Polymerisation auszulösen, aprotische Säuren oder Bronstead-Säuren bilden. Der verwendete Photoinitiator kann eine Einzelverbindung, ein Gemisch zweier oder mehrerer aktiver Verbindungen oder eine Kombination zweier oder mehrerer verschiedener Verbindungen, d. h. Co-Initiatoren, sein. Beispiele geeigneter kationischer Photoinitiatoren sind Aryldiazoniumsalze, Diaryliodoniumsalze, Triarylsulfoniumsalze, Triarylselenoniumsalze und dergleichen. Ein bevorzugter kationischer Photoinitiator für die vorliegende Erfindung ist ein Gemisch von Triarylsulfonium-Hexafluoroantimonatsalzen, das von Union Carbide als UVI-6974 vertrieben wird.
Weitere Komponenten des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials der vorliegenden Erfindung sind grenzflächenaktive Stoffe und Inhibitoren (thermische Stabilisatoren). Ein grenzflächenaktiver Stoff wird verwendet, um die Oberflächenspannung der Formulierung auf den für das Ausstoßen erforderlichen Wert, d. h. üblicherweise um 30 Dyn/cm, zu verringern. Ein Beispiel eines grenzflächenaktiven Stoffs für die vorliegende Erfindung ist ein Silikonoberflächenzusatzstoff, der unter dem Handelsnamen Byk 307 von Byk Chemie vertrieben wird. Inhibitoren werden in den Formulierungen des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials genutzt, um die Verwendung der Formulierung bei hoher Temperatur, vorzugsweise um 85°C, zu ermöglichen, ohne dass eine thermische Polymerisation veranlasst wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Grenz flächenmaterial ferner wenigstens ein Pigment und wenigstens ein Dispergiermittel. Das Pigment ist ein weißes Pigment, ein organisches Pigment, ein anorganisches Pigment, ein Metallpigment oder eine Kombination davon. Ein Beispiel eines weißen Pigments für die vorliegende Erfindung ist organisch behandeltes Titandioxid, das unter dem Handelsnamen UV TITAN M160 VEG von Kemira Pigments vertrieben wird. Ein Beispiel eines organischen Pigments für die vorliegende Erfindung ist ein organisches Pigment, das unter dem Handelsnamen Tint Aid PC 9703 von Elementis Specialities vertrieben wird. Beispiele von Dispergiermitteln für die vorliegende Erfindung sind Dispergiermittel, die ein Copolymer mit Säuregruppen umfassen, das unter dem Warenzeichen Disperbyk 110 von Byk Chemie vertrieben wird, und ein Dispergiermittel, das ein Blockcopolymer mit hohem Molekulargewicht mit affinen Pigmentgruppen umfasst, das unter dem Handelsnamen Disperbyk 163 von Byk Chemie vertrieben wird.
Darüber hinaus werden in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Kombinationen von weißen Pigmenten und Farbstoffen verwendet, um gefärbte Harze herzustellen. In diesen Kombinationen hat das weiße Pigment eine doppelte Aufgabe: 1) Undurchsichtigkeit zu verleihen; und 2) den Farbstoff vor der UV-Strahlung abzuschirmen, um ein Bleichen des Harzes zu verhindern. Somit umfasst das erste Grenzflächenmaterial in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner einen Farbstoff. Der Farbstoff wird so gewählt, dass er die Härtungseffizienz der Formulierung des ersten Grenzflächenmaterials nicht stört. Der Farbstoff kann irgendeiner aus einer breiten Klasse lösungsmittellöslicher Farbstoffe sein. Einige Beispiele sind Azofarbstoffe, die gelb, orange, braun und rot sind; Anthrachinon- und Triarylmethanfarbstoffe, die grün und blau sind; und ein Azinfarbstoff, der schwarz ist. Ein Beispiel eines Farbstoffs für die vorliegende Erfindung ist das unter dem Handelsnamen Spectrasol RED BLG von Spectra Colors Corp vertriebene Solvent Red 127.
Die relativen Verhältnisse der verschiedenen Komponenten des ersten Grenzflächenmaterials können variieren. In einer Ausführungsform umfasst das erste Grenzflächenmaterial die folgenden Komponenten: 50% Acryl-Oligomer(e), 30% Acryl-Monomer(e), 15% Acrylvernetzungsmittel, 2% Photoinitiator, grenzflächenaktiven Stoff, Pigmente, Dispergiermittel; und Stabilisatoren.
In den folgenden Tabellen 2–4, auf die nun Bezug genommen wird, sind Beispiele bevorzugter Formulierungen des ersten Grenzflächenmaterials gegeben. Die Tabellen 2 und 3 veranschaulichen Beispiele möglicher Formulierungen des ersten Grenzflächenmaterials. Tabelle 4 veranschaulicht Beispiele gefärbter Formulierungen, die wie oben definierte Pigmente, Dispergiermittel und Farbstoffe umfassen. Zu irgendeinem der Beispiele in den Tabellen 2 und 3 kann die Kombination der Färbemittel aus Tabelle 4 zugegeben werden.
Tabelle 2: Beispiele charakteristischer Formulierungskomponenten des ersten Grenzflächenmaterials
Tabelle 3: Beispiele möglicher Formulierungszusammensetzungen des ersten Grenzflächenmaterials
Tabelle 4: Beispiele gefärbter Formulierungen des ersten Grenzflächenmaterials
Im Eintrag Nr. 14 aus Tabelle Nr. 3 ist eine besonders bevorzugte Formulierung des ersten Grenzflächenmaterials dargestellt. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Grenzflächenmaterial:
ein Acryl-Oligomer, das irgendein wie oben definiertes Acryl-Oligomer sein kann und das vorzugsweise ein Urethanacrylat-Oligomer ist;
ein Acryl-Monomer, das irgendein wie oben definiertes Acryl-Monomer sein kann und das vorzugsweise Phenoxyethylacrylat ist;
ein Acrylvernetzungsmittel, das irgendein wie oben definiertes Acrylvernetzungsmittel sein kann und das vorzugsweise Trimethylolpropan-Triacrylat ist;
einen Radikal-Photoinitiator, der irgendein wie oben definierter Radikal-Photoinitiator sein kann und der vorzugsweise Alpha-Aminoketon ist;
einen Oberflächenstoff, der vorzugsweise ein Silikonoberflächenzusatzstoff ist;
einen Inhibitor, der vorzugsweise 4-Methoxyphenol ist; und
Vinylcaprolactam.
ZWEITES GRENZFLÄCHENMATERIAL
Das zweite Grenzflächenmaterial wird so formuliert, dass es eine Ablöseschicht bildet, um ein manuelles leichtes Reinigen des 3D-Modells von seinem Träger zu ermöglichen. Das zweite Grenzflächenmaterial kann eines von zwei verschiedenen Hauptarten sein: 1) ein flüssiges Material ohne härtende Gruppen, das selbst nach dem Härten flüssig bleibt. In einer Ausführungsform ist die Flüssigkeit wassermischbar und wird leicht durch Wasser ausgewaschen; und 2) ein festes Material, das als ein sehr schwach härtbares Material formuliert ist, das, wenn es gehärtet worden ist, in Wasser oder in basischem oder saurem Wasser quellen kann. Somit quillt das zweite Grenzflächenmaterial, wenn es gehärtet worden ist, wenn es Wasser ausgesetzt wird, wobei es mit minimaler erforderlicher manueller Arbeit fast bricht. In beiden Fällen wird das zweite Grenzflächenmaterial so formuliert, dass es eine schnelle, leichte und effiziente Entfernung des zweiten Grenzflächenmaterials und eine Reinigung des 3D-Modells von seinem Träger ermöglicht.
Das zweite Grenzflächenmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst:
wenigstens eine nichtreaktive Verbindung mit niedriger Toxizität;
wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und
wenigstens einen Stabilisator.
Die nichtreaktive Komponente des zweiten Grenzflächenmaterials ist eine nichtreaktive Verbindung mit niedriger Toxizität, die vorzugsweise wassermischbar ist. Die nichtreaktive Komponente wird so gewählt, dass sie die Wasserquellrate erhöht und die mechanische Festigkeit des zweiten Grenzflächenmaterials verringert. Um die für den Wasserreinigungsprozess des 3D-Modells benötigte Zeit zu minimieren, ist eine hohe Wasserdiffusionsrate erwünscht. Beispiele nichtreaktiver Komponenten für die vorliegende Erfindung sind von Aldrich unter dem Handelsnamen PEG 400 vertriebenes Polyethylenglycol, von Aldrich unter dem Handelsnamen Methoxycarbowax 500 und 1000 vertriebenes Methoxypolyethylenglycol und Propylenglycol. Weitere Beispiele sind ethoxylierte Polyole und Glycerin.
In einer Ausführungsform wird das zweite Grenzflächenmaterial als eine Flüssigkeit formuliert. Die flüssige Formulierung ist eine nicht härtende Zusammensetzung, die selbst nachdem sie Strahlung ausgesetzt worden ist, flüssig bleibt. Somit umfasst die flüssige Formulierung nur nichtreaktive Komponenten und keine reaktiven Komponenten, die beim Härten erstarren können. Vorzugsweise ist das Material wassermischbar und kann leicht mit Wasser ausgewaschen werden.
Allerdings ist das zweite Grenzflächenmaterial nicht auf eine flüssige Formulierung beschränkt. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Grenzflächenmaterial ferner wenigstens eine reaktive Komponente und wenigstens einen Photoinitiator. Gemäß dieser Ausführungsform wird das zweite Grenzflächenmaterial als eine härtbare Zusammensetzung formuliert, die beim Härten erstarren kann. Die reaktiven Komponenten können ähnlich den in dem ersten Grenzflächenmaterial verwendeten sein, werden aber spezifisch so gewählt, dass sie ein hydrophil gehärtetes Harz mit sehr schwachen mechanischen Eigenschaften ergeben. Somit wird beim Härten eine feste Zusammensetzung gebildet, die sehr schwach ist und von Hand oder unter Verwendung von Wasser leicht pulverisiert werden kann.
Die reaktive Komponente ist eine Acrylkomponente und/oder Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten und/oder eine wassermischbare Komponente, die nach dem Härten quellen kann, wenn sie Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung ausgesetzt wird.
Die Acrylkomponente ist ein Acryl-Monomer oder ein Acryl-Oligomer und kann irgendeines der oben definierten Beispiele sein. Beispiele von Acrylkomponenten zur Verwendung in dem zweiten Grenzflächenmaterial der vorliegenden Erfindung sind Polyethylenglycol-Monoacrylat, das unter dem Handelsnamen Bisomer PEA6 von Laporte vertrieben wird, und Polyethylenglycol-Diacrylat, das unter dem Handelsnamen SR-610 von Sartomer vertrieben wird, Methoxypolyethylenglycol-550-Monomethacrylat und dergleichen.
Die reaktive Komponente des zweiten Grenzflächenmaterials kann ebenfalls eine wassermischbare Komponente sein, die nach dem Härten quellen kann, wenn sie Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung ausgesetzt wird. Beispiele wassermischbarer Komponenten der vorliegenden Erfindung sind ein Acrylat-Urethan-Oligomerderivat von Polyethylenglycol – Polyethylenglycol-Urethandiacrylat, ein teilweise acryliertes Polyol-Oligomer, ein Acrylat-Oligomer mit hydrophilen Substituenten oder irgendeine Kombination davon. Die hydrophilen Substituenten sind Säuresubstituenten, Aminosubstituenten, Hydroxysubstituenten oder irgendeine Kombination davon. Ein Beispiel eines Acrylat-Monomers mit hydrophilen Substituenten ist Beta-Carboxyethylacrylat, das Säuresubstituenten enthält.
Die reaktive Komponente des zweiten Grenzflächenmaterials können ebenfalls Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten sein, die irgendwelche der wie oben definierten Verbindungen sein können. Ein Beispiel von Vinylether für das zweite Grenzflächenmaterial ist der von ISP unter dem Handelsnamen CHVE vertriebene 1,4-Cyclohexan-Dimethanoldivinylether.
In einer Ausführungsform ist die reaktive Komponente des zweiten Grenzflächenmaterials ein Acryl-Oligomer. In einer weiteren Ausführungsform ist die reaktive Komponente des zweiten Grenzflächenmaterials eine Kombination einer wie oben definierten Acrylkomponente und einer wie oben definierten wassermischbaren Komponente. In einer weiteren Ausführungsform ist die reaktive Komponente der vorliegenden Erfindung eine Kombination einer wie oben definierten Acrylkompo nente und wie oben definierter Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten. In einer weiteren Ausführungsform ist die reaktive Komponente der vorliegenden Erfindung eine Kombination einer wie oben definierten wassermischbaren Komponente und wie oben definierter Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten.
Wenn das zweite Grenzflächenmaterial ein reaktives Material umfasst, umfasst das zweite Grenzflächenmaterial ferner einen Photoinitiator. Der Photoinitiator kann irgendein wie oben definierter Photoinitiator sein.
Neben dem Quellen kann eine weitere Eigenschaft des festen Trägers, wenn er Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung ausgesetzt wird, die Fähigkeit sein zu brechen, während er Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung ausgesetzt wird. Da das zweite Grenzflächenmaterial aus hydrophilen Komponenten hergestellt ist, erscheinen während des Quellprozesses innere Kräfte, die Brüche und das Brechen des gehärteten zweiten Grenzflächenmaterials veranlassen.
Außerdem kann das zweite Grenzflächenmaterial wenigstens teilweise wasserlöslich sein. Wenigstens ein Teil des zweiten Grenzflächenmaterials ist vollständig wasserlöslich/-mischbar. Während der Entfernung der Trag- und/oder Ablöseschichten werden die wasserlöslichen/-mischbaren Komponenten mit Wasser extrahiert.
Außerdem setzt das zweite Grenzflächenmaterial in einer Ausführungsform Blasen frei, wenn es Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung ausgesetzt wird. Die Blasen sollen in dem Prozess der Beseitigung der Trag- und/oder Ablöseschichten von den Konstruktionsschichten helfen.
In einer Ausführungsform können die Blasen durch eine Blasen freisetzende Substanz (BRS) freigesetzt werden, die in der Wasserlösung vorhanden ist, die zum gründlichen Reinigen des 3D-Objekts verwendet wird. Eine solche Substanz kann ein Carbonat oder Bicarbonat, z. B. Natriumbicarbonat (SBC), sein. Während des Quellprozesses wird wenigstens ein Teil des SBC in das zweite Grenzflächenmaterial eingeführt oder von ihm absorbiert, wo es in Kohlendioxidgas (CO2) und in ein wasserlösliches Salz ungewandelt wird. Der Auslöser für die Erzeugung von CO2 kann die Reaktion des SBC mit einer Säurefunktionalität sein, die in dem zweiten Grenzflächenmaterial vorhanden ist. Eine solche Säurefunktionalität kann als Teil der Formulierung des zweiten Grenzflächenmaterials eingeführt oder später, nach dem Härten, unter Verwendung einer sauren Wasserlösung eingeführt werden. Zum Beispiel kann der erste Schritt sein, das 3D-Objekt mit seinem Träger in eine Wasserlösung zu legen, die SBC enthält, und daraufhin dasselbe Objekt in einer sauren Lösung anzuordnen. Die Säure beginnt, das SBC zu zersetzen und Gas (Blasen) zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Substanz, die Gas freisetzt, bereits in der Formulierung des zweiten Grenzflächenmaterials vorhanden. Zum Beispiel kann das zweite Grenzflächenmaterial Calciumcarbonat als ein festes Pigment enthalten. In diesem Fall ist der Auslöser die Einführung des zweiten Grenzflächenmaterials in Wasser oder in eine saure Lösung.
Es sollte klar sein, dass eine BRS nicht auf Natriumbicarbonat oder Calciumcarbonat und auf eine saure Wasserlösung beschränkt ist. Um das gleiche Ergebnis – die Erzeugung von Blasen innerhalb der Matrix des zweiten Grenzflächenmaterials – zu erzielen, können weitere chemische Reagenzien und Reaktionen verwendet werden. Zum Beispiel kann die SBC irgendein Alkalimetall- oder Alkalierdmetallcarbonat oder irgendein Alkalimetall- oder Alkalierdmetallbicarbonat sein.
Beispiele bevorzugter Formulierungen des zweiten Grenzflächenmaterials sind unten in Tabelle 5 und Tabelle 6 gegeben, auf die jetzt Bezug genommen wird. Die Tabellen 5 und 6 zeigen verschiedene Formulierungen, die zur Verwendung als das zweite Grenzflächenmaterial geeignet sind.
Tabelle 5: Beispiele charakteristischer Formulierungskomponenten des zweiten Grenzflächenmaterials
Tabelle 6: Beispiele möglicher Formulierungszusammensetzungen des zweiten Grenzflächenmaterials
Eine besonders bevorzugte Formulierung des zweiten Grenzflächenmaterials ist im Eintrag Nr. 3 aus Tabelle 6 dargestellt. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Grenzflächenmaterial:
ein wasserquellendes Oligomer, das irgendein wie oben definiertes wasserquellendes Oligomer sein kann und das vorzugsweise Polyethylenglycol-Monoacrylat ist;
eine nichtreaktive Komponente, die irgendeine wie oben definierte nichtreaktive Komponente sein kann und die vorzugsweise Polyethylenglycol ist.
einen Radikal-Photoinitiator, der irgendein wie oben definierter Radikal-Photoinitiator sein kann und der vorzugsweise Alpha-Aminoketon ist;
einen Oberflächenstoff, der vorzugsweise ein Silikonoberflächenzusatzstoff ist; und
einen Inhibitor, der vorzugsweise 4-Methoxyphenol ist.
Eine weitere besonders bevorzugte Formulierung des zweiten Grenzflächenmaterials ist im Eintrag Nr. 4 aus Tabelle 6 dargestellt. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Grenzflächenmaterial:
ein wasserquellendes Oligomer, das irgendein wie oben definiertes wasserquellendes Oligomer sein kann und das vorzugsweise Polyethylenglycol-Monoacrylat ist;
eine nichtreaktive Komponente, die irgendeine wie oben definierte nichtreaktive Komponente sein kann und die vorzugsweise Polyethylenglycol ist;
einen Radikal-Photoinitiator, der irgendein wie oben definierter Radikal-Photoinitiator sein kann und der vorzugsweise Benzophenon ist;
einen Co-Initiator, der irgendein wie oben definierter Co-Initiator sein kann und der vorzugsweise Triethanolamin ist;
einen Oberflächenstoff, der vorzugsweise ein Silikonoberflächenzusatzstoff ist; und
einen Inhibitor, der vorzugsweise 4-Methoxyphenol ist.
Das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial sind zur Verwendung in dem Verfahren zum 3D-Drucken geeignet, das in US-6658314, übertragen auf die Anmelder der vorliegenden Erfindung, beschrieben ist.
Kurz gesagt, umfasst das Verfahren:
Nachliefern eines ersten Grenzflächenmaterials aus einem Druckkopf;
Nachliefern eines zweiten Grenzflächenmaterials aus dem Druckkopf; und
Kombinieren des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials in vorgegebenen Verhältnissen, um mehrere Konstruktionsschichten zu erzeugen, um das dreidimensionale Modell zu bilden.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Härtens des ersten Grenzflächenmaterials. Wenn das zweite Grenzflächenmaterial eine reaktive Komponente umfasst, kann das Verfahren ferner den Schritt des Härtens des zweiten Grenzflächenmaterials umfassen. Das Härten kann wie in US-6658314 beschrieben ausgeführt werden. Zum Beispiel erfolgt das Härtungsverfahren durch Strahlung wie etwa Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung) und/oder sichtbare Strahlung (Vis-Strahlung) und/oder Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) und/oder UV-Vis-Strahlung. Vorzugsweise ist das Härtungsverfahren UV-Vis-Strahlung.
Im Betrieb werden das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial in vorgegebenen Verhältnissen kombiniert, um Schichten mit verschiedenen Elastizitätsmoduln und mit verschiedener Festigkeit zu erhalten. Um Schichten mit einem höheren Elastizitätsmodul und mit einer höheren Festigkeit wie etwa die Konstruktionsschichten zu erhalten, wird z. B. eine geeignete Kombination verwendet, die hauptsächlich das erste Grenzflächenmaterial enthält. Um Schichten mit einem niedrigeren Elastizitätsmodul und mit einer niedrigeren Festigkeit wie etwa die Ablöseschichten zu erhalten, wird ferner eine geeignete Kombination verwendet, die hauptsächlich das zweite Grenzflächenmaterial enthält.
Um die Konstruktionsschichten und/oder die Tragschichten zu erzeugen, wird beispielhaft eine Kombination verwendet, die 90–100% des ersten Grenzflächenmaterials und 0–10% des zweiten Grenzflächenmaterials enthält. Um die Ablöseschichten zu erzeugen, wird ferner eine Kombination verwendet, die 0–10% des ersten Grenzflächenmaterials und 90–100% des zweiten Grenzflächenmaterials enthält. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Kombination verwendet, die 30–70% des ersten Grenzflächenmaterials und 70–30% des zweiten Grenzflächenmaterials enthält, um Tragschichten zu erzeugen, die einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit als die Konstruktionsschichten haben.
Somit wird ein 3D-Objekt erzeugt, das einen Kern umfasst, der aus mehreren Konstruktionsschichten besteht. Die Konstruktionsschichten werden durch Kombinieren vorgegebener Verhältnisse des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials gebildet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das 3D-Objekt ferner mehrere Tragschichten zum Tragen des Kerns. Die Tragschichten werden durch Kombinieren vorgegebener Verhältnisse des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials hergestellt. Die Tragschichten können genauso wie die Konstruktionsschichten ausgelegt sein oder können schwächer (niedrigerer Elastizitätsmodul) als die Konstruktionsschichten ausgelegt sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das 3D-Objekt ferner mehrere Ablöseschichten zum Ablösen der Tragschichten von den Konstruktionsschichten. Vorzugsweise sind die Ablöseschichten zwischen den Tragschichten und den Konstruktionsschichten positioniert. Die Ablöseschichten werden durch Kombinieren vorgegebener Verhältnisse des ersten Grenzflächenmaterials und des zweiten Grenzflächenmaterials hergestellt.
Für den Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht durch das oben besonders Gezeigte und Beschriebene beschränkt ist und dass es zahlreiche Änderungen gibt, die alle im Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung liegen. Der Umfang der Erfindung ist eher durch die folgenden Ansprüche bestimmt:

Claims

Verfahren für die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels dreidimensionalem Drucken durch Nachliefern eines ersten Grenzflächenmaterials aus einem Spender, wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial wenigstens eine reaktive Komponente, wenigstens einen Photoinitiator, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator umfasst, wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine erste Viskosität über 50 mPa·s (cps) aufweist; und durch Härten des genannten ersten Grenzflächenmaterials, was zu einer festen Form führt, wodurch mehrere Konstruktionsschichten erzeugt werden, um das genannte dreidimensionale Objekt zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: • Nachliefern eines zweiten Grenzflächenmaterials aus dem genannten Spender, wobei das genannte zweite Grenzflächenmaterial umfasst: – wenigstens eine nicht reaktive Verbindung mit niedriger Toxizität; – wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und – wenigstens einen Stabilisator; • Kombinieren des genannten ersten Grenzflächenmaterials und des genannten zweiten Grenzflächenmaterials in einer Schicht in vorgegebenen Verhältnissen; und • Härten oder Bestrahlen der genannten zweiten Grenzflächenmaterialien, was zu einer flüssigen oder zu einer halb festen Form führt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die genannte reaktive Komponente des genannten ersten Grenzflächenmaterials eine Acrylkomponente, Moleküle mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten, Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten, Vinylpyrolidon, Vinylcaprolactam oder irgendeine Kombination davon ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der genannte Photoinitiator des genannten ersten Grenzflächenmaterials ein Photoinitiator mit freien Radikalen, ein kationischer Photoinitiator oder irgendeine Kombination davon ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das genannte erste Grenzflächenmaterial ferner wenigstens ein Pigment und/oder wenigstens einen Farbstoff und wenigstens ein Dispergiermittel umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das genannte zweite Grenzflächenmaterial ferner wenigstens eine reaktive Komponente und wenigstens einen Photoinitiator umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die genannte reaktive Komponente des genannten zweiten Grenzflächenmaterials eine Acrylkomponente und/oder Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten und/oder eine wassermischbare Komponente, die nach dem Härten quellen kann, wenn sie Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung oder irgendeiner Kombination davon ausgesetzt wird, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die genannte nicht reaktive Komponente des genannten zweiten Grenzflächenmaterials Polyethylenglycol, Methoxypolyethylenglycol, Glycerin, ethoxyliertes Polyol oder Propylenglycol oder irgendeine Kombination davon ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das genannte erste Grenzflächenmaterial und das genannte zweite Grenzflächenmaterial verschiedene Elastizitätsmoduln und verschiedene Festigkeiten aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das genannte erste Grenzflächenmaterial einen höheren Elastizitätsmodul und eine höhere Festigkeit als das genannte zweite Grenzflächenmaterial aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt des Bildens mehrerer Trägerschichten umfasst, die das genannte Objekt tragen.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die genannten Trägerschichten dadurch gebildet werden, dass das erste Grenzflächenmaterial und das zweite Grenzflächenmaterial in vorgegebenen Verhältnissen kombiniert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die genannten Trägerschichten den gleichen Elastizitätsmodul und die gleiche Festigkeit wie die genannten Konstruktionsschichten aufweisen oder bei dem die genannten Trägerschichten einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit als die genannten Konstruktionsschichten aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner den Schritt des Kombinierens des genannten ersten Grenzflächenmaterials und des genannten zweiten Grenzflächenmaterials in vorgegebenen Verhältnissen umfasst, um mehrere Ablöseschichten zum Ablösen der genannten Trägerschichten von dem genannten Objekt zu bilden, wobei die genannten Ablöseschichten einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine niedrigere Festigkeit als die genannten Konstruktionsschichten und die genannten Trägerschichten aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das genannte erste Grenzflächenmaterial und das genannte zweite Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur jeweils eine erste Viskosität aufweisen, während sie bei einer zweiten Temperatur jeweils eine mit Tintenstrahldruckern vereinbare zweite Viskosität aufweisen, die dieselbe oder eine andere sein kann, wobei die genannte zweite Temperatur höher als die Zimmertemperatur ist.
Dreidimensionales Objekt, das durch dreidimensionalen Druck erzeugt worden ist, wobei das genannte Objekt mehrere Konstruktionsschichten umfasst, die das genannte dreidimensionale Objekt bilden, wobei die Schichten durch Ablagern einer Kombination des genannten ersten Materials und eines zweiten Materials in vorgegebenen Verhältnissen gebildet worden sind, wobei a) das genannte erste feste Grenzflächenmaterial durch Härten eines ersten Materials erhalten worden ist, das umfasst; • wenigstens eine reaktive Komponente, die aus einer Acrylkomponente, aus Molekülen mit einem oder mit mehreren Epoxidsubstituenten, aus Molekülen mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten, aus Vinylpyrolidon, aus Vinylcaprolactam oder aus irgendeiner Kombination davon ausgewählt worden ist; • wenigstens einen Photoinitiator; • wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff; und wenigstens einen Stabilisator; wobei das genannte erste Grenzflächenmaterial bei Zimmertemperatur eine erste Viskosität über 50 mPa·s (cps) aufweist; und b) das genannte zweite Grenzflächenmaterial in flüssiger oder in halb fester Form ist und durch Härten oder Bestrahlen: • wenigstens einer nicht reaktiven Verbindung mit niedriger Toxizität; • wenigstens eines grenzflächenaktiven Stoffs; und • wenigstens eines Stabilisators erhalten worden ist.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem der genannte Photoinitiator des genannten ersten Grenzflächenmaterials ein Photoinitiator mit freien Radikalen, ein kationischer Photoinitiator oder irgendeine Kombination davon ist.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem das genannte erste Material ferner wenigstens ein Pigment und/oder wenigstens einen Farbstoff und wenigstens ein Dispergiermittel umfasst.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem das genannte zweite Material ferner wenigstens eine reaktive Komponente und wenigstens einen Photoinitiator umfasst, wobei vorzugsweise die genannte reaktive Komponente des genannten zweiten Materials eine Acrylkomponente und/oder Moleküle mit einem oder mit mehreren Vinylethersubstituenten und/oder eine wassermischbare Komponente, die nach dem Härten quellen kann, wenn sie Wasser oder einer basischen oder sauren Wasserlösung oder irgendeiner Kombination davon ausgesetzt ist, umfasst.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem die genannte nicht reaktive Komponente des genannten zweiten Materials Polyethylenglycol, Methoxypolyethylenglycol, Glycerin, ethoxyliertes Polyol oder Propylenglycol oder irgendeine Kombination davon ist.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem das genannte erste Grenzflächenmaterial und das genannte zweite Grenzflächenmaterial verschiedene Elastizitätsmoduln und verschiedene Festigkeiten aufweisen, wobei vorzugsweise das genannte erste Grenzflächenmaterial einen höheren Elastizitätsmodul und eine höhere Festigkeit als das genannte zweite Grenzflächenmaterial aufweist.
Dreidimensionales Objekt gemäß Anspruch 15, bei dem das genannte erste Material und das genannte zweite Material bei Zimmertemperatur jeweils eine erste Viskosität aufweisen, während sie bei einer zweiten Temperatur jeweils eine mit Tintenstrahldruckern vereinbare zweite Viskosität aufweisen, die dieselbe oder eine andere sein kann, wobei die genannte zweite Temperatur höher als die Zimmertemperatur ist.