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HINTERGRUND
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Die
Kompakte-Freiform-Herstellung (SFF – solid freeform fabrication)
oder Schichtherstellung (LM = layer manufacturing) ist eine Herstellungstechnik, die
ein Objekt einer beliebigen komplexen Form Schicht um Schicht oder
Punkt um Punkt baut, ohne dabei ein vorgeformtes Werkzeug (Matrize
oder Form) zu verwenden. Dieser Vorgang beginnt damit, eine Datei
eines computergestützten
Entwurfs (CAD-Datei, CAD = computer aided design) zu erstellen,
um die Geometrie eines gewünschten
Objekts darzustellen. Die SSF-Technologie ermöglicht eine direkte Übertragung
der CAD-Bilddaten in ein dreidimensionales Objekt. Die SFF-Technologie kann
bei Anwendungen wie z. B. einem Verifizieren einer CAD-Datenbank,
einem Beurteilen einer Durchführbarkeit
eines Entwurfs, einem Testen einer Funktionstüchtigkeit von Teilen, einem
Bewerten der Ästhetik,
einem Prüfen
der Ergonomie eines Entwurfs, einem Unterstützen eines Entwurfs von Werkzeugen
und Halterungen, einem Erstellen konzeptioneller Modelle und Vertriebs-/Marketinghilfsmitteln, einem
Erzeugen von Strukturen zum Ausschmelzgießen, einem Reduzieren oder
Eliminieren von Konstruktionsänderungen
in der Produktion und einem Bereitstellen kleiner Produktionsserien
verwendet werden.
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Eine
SFF-Technik beinhaltet ein Hinzufügen oder Aufbringen einer Bauzusammensetzung,
um vorbestimmte Bereiche einer Schicht im Wesentlichen punktweise
zu bilden; jedoch kann bei manchen Techniken (z. B. Tintenstrahltechnologie)
eine Vielzahl von Punkten gleichzeitig aufgebracht werden. Diese
vorbestimmten Bereiche bilden zusammen einen dünnen Abschnitt eines dreidimensionalen
Objekts, wie es durch eine CAD-Geometrie definiert ist. Aufeinander
folgende Schichten werden dann in einer vorbestimmten Sequenz aufgebracht,
wobei eine Schicht an ihren benachbarten Schichten befestigt wird
und dadurch ein integrales dreidimensionales mehrschichtiges Objekt
gebildet wird.
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Üblicherweise
umfasst ein SFF-System ein Abgabesystem wie z. B. ein Tintenstrahlabgabesystem,
ein Härtungssystem
und eine Bauplattform. Die Bauzusammensetzung wird in einem Fach
des Tintenstrahlabgabesystems als Gemisch eines Initiators und eines
Baumaterials aufbewahrt, wie in der
US-A-5059266 offenbart
und in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist. Die
Bauzusammensetzung wird aus einem Tintenstrahldruckkopf des Tintenstrahlabgabesystems
auf die Bauplattform abgegeben (d. h. gespritzt).
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Derzeit
sind die bei den SFF-Prozessen verwendeten Bauzusammensetzungen
auf Materialien einer geringen Viskosität (d. h. üblicherweise geringer als 20
Centipoise (cps) zum Zweck eines guten Spritzens) beschränkt, so
dass die Bauzusammensetzung präzise
abgegeben werden kann. Die Viskosität ist ein wichtiger Parameter
beim Abgeben von Materialien, da Materialien, die eine hohe Viskosität aufweisen,
schwierig abzugeben sind. Eine Art und Weise, Probleme, die mit
der Viskosität
zusammenhängen,
zu überwinden,
besteht darin, die Abgabetemperatur des Materials zu erhöhen. Jedoch
weisen manche dieser Bauzusammensetzungen bei den höheren Temperaturen
eine Qualitätsverschlechterung auf.
Außerdem
kann ein Erhitzen der Bauzusammensetzungen eine Polymerisation der
Bauzusammensetzung einleiten, bevor dieselbe abgegeben wird. Deshalb
können
Bauzusammensetzungen mit hoher Viskosität, die bei höheren Spritztemperaturen
instabil sind, nicht verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Kurz
beschrieben umfassen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Offenbarung Kompakte-Freiform-Herstellungssysteme
(SFF-Systeme) zum Erzeugen von dreidimensionalen Objekten, wie sie
in den Patentansprüchen
1 bis 7 definiert sind. Ein exemplarisches SFF-System umfasst u.
a. ein Abgabesystem und ein Härtungssystem.
Das Abgabesystem ist dahin gehend angepasst, einen Strahlungsinitiator
und ein Baumaterial abzugeben. Der Strahlungsinitiator und das Baumaterial
werden in dem Abgabesystem getrennt aufbewahrt und werden getrennt
abgegeben. Das Härtungssystem
härtet
den bzw. das miteinander vermischte(n) Strahlungsinitiator und Baumaterial,
nachdem beide abgegeben wurden.
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Verfahren
zum Erzeugen dreidimensionaler Objekte, wie sie in den Patentansprüchen 8 bis
10 definiert sind, werden ebenfalls geliefert. Ein exemplarisches
Verfahren umfasst u. a.: Bereitstellen eines Strahlungsinitiators;
Bereitstellen eines Baumaterials, wobei der Strahlungsinitiator
und das Baumaterial voneinander getrennt sind; Abgeben des Strahlungsinitiators
und des Baumaterials auf eine Plattform auf eine voneinander unabhängige Weise,
wobei der Strahlungsinitiator und das Baumaterial zusammengemischt
werden, um ein mehrteiliges, mittels Strahlung härtbares Material zu bilden;
und Härten
des mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materials, um das dreidimensionale
Objekt zu erzeugen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Viele
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die
folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Komponenten in
den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Überdies
bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen entsprechende
Teile in den mehreren Ansichten.
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1 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines Kompakte-Freiform-Herstellungssystems (SFF-Systems).
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2 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer SFF-Vorrichtung.
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3 ist
ein repräsentatives
Flussdiagramm zum Bilden eines Objekts unter Verwendung des Ausführungsbeispiels
des SFF-Systems, das in den 1 und 2 gezeigt
ist.
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4A veranschaulicht
einen geschichteten Abgabeprozess zur Verwendung bei dem in 1 und 2 gezeigten
SFF-System, während 4B einen
alternativen Abgabeprozess zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel
des SFF-Systems, das in den 1 und 2 gezeigt
ist, veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es
werden mehrteilige, mittels Strahlung härtbare Materialien, Verfahren
zur Anwendung derselben sowie Systeme zur Verwendung der mehrteiligen,
mittels Strahlung härtbaren
Materialien geliefert. Insbesondere beziehen sich die Ausführungsbeispiele
auf die Verwendung von mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren
Materialien bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte anhand
von Kompakte-Freiform-Herstellungssystemen
(SSF-Systemen) und -verfahren. Der Begriff dreidimensionales Objekt bezieht
sich auf Objekte, die starr genug sind, um bis zu einem gewissen
Grad ein feststehendes Volumen und eine feststehende Gestalt aufrechtzuerhalten, was
zur Verwendung bei SFF-Systemen angebracht ist.
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Das
mehrteilige, mittels Strahlung härtbare Material
umfasst ein oder mehrere Baumaterialien und einen oder mehrere Strahlungsinitiatoren,
ist aber nicht beschränkt
auf diese. Ein Ausführungsbeispiel
des mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materials ist ein zweiteiliges,
mittels Strahlung härtbares
Material, das ein Baumaterial und einen Strahlungsinitiator umfasst.
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Die
mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materialien werden
in dem SEE-System getrennt aufbewahrt und werden auf eine unabhängige Weise
auf eine Bauplattform abgegeben. Ein Vorteil der SEE-Systeme umfasst
die Fähigkeit,
das Baumaterial bei höheren
Temperaturen abzugeben, als dies bisher möglich war. Dies ermöglicht,
dass Komponenten mit einer höheren
relativen Molekülmasse verwendet
werden, da ihre relativ hohe Viskosität überwunden werden kann, indem
die Komponenten auf eine höhere
Temperatur erhitzt werden. Diesbezüglich sollte die Verwendung
von Baumaterialien einer höheren
relativen Molekülmasse
zu besseren mechanischen Eigenschaften führen, als sie bisher erhalten
wurden. Außerdem
sollte die Lebensdauer des Baumaterials länger sein, da die Komponenten getrennt
aufbewahrt werden.
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1 veranschaulicht
ein Blockdiagramm eines repräsentativen
SEE-Systems 10, das ein Computersteuersystem 12,
ein Abgabesystem 14 und ein herkömmliches Härtungssystem 16 aufweist. 2 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten
SEE-Systems 10. Das Computersteuersystem 12 umfasst
ein Prozesssteuersystem, das dahin gehend angepasst ist, das Abgabesystem 14,
das Härtungssystem 16 (z.
B. ein Ultraviolett- oder Sichtbare-Strahlung-Härtungssystem)
zu steuern, und optional ein Positionierungssystem und ein Bauplattform-Temperatursteuersystem.
Außerdem
umfasst das Computersteuersystem 12 ein System eines computergestützten Entwurfs
(CAD-System) 18 oder andere mit CAD verwandte SSF-Systeme.
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Das
Abgabesystem 14 umfasst, ist aber nicht beschränkt auf,
herkömmliche
Tintenstrahltechnologien und herkömmliche Beschichtungstechnologien. Tintenstrahltechnologie,
z. B. Tropfen-Auf-Anforderung- und Kontinuierlich-Fluss-Tintenstrahltechnologien,
können
dazu verwendet werden, chemische Zusammensetzungen auf eine Bauplattform 20 2)
abzugeben. Das Abgabesystem 14 kann zumindest einen herkömmlichen
Tintenstrahldruckkopf (z. B. Thermotintenstrahldruckkopf und/oder
einen Piezotintenstrahldruckkopf) umfassen, die dazu angepasst sind,
eine oder mehrere chemische Zusammensetzungen durch eine oder mehrere
einer Mehrzahl von Tintenstrahldruckkopfabgabevorrichtungen abzugeben
(z. B. zu spritzen). Außerdem
kann der Tintenstrahldruckkopf eine Mehrzahl von Tintenstrahlfächern (z.
B. Tanks oder Mulden zum Enthalten der Komponenten) umfassen, die
in der Lage sind, die mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materialien
zu halten, und fluidisch mit den Tintenstrahldruckkopfabgabevorrichtungen
gekoppelt sind. Die Tintenstrahldruckkopfabgabevorrichtung kann
erhitzt werden, um ein Abgeben von viskosen chemischen Zusammensetzungen
zu unterstützen.
Beispielsweise kann die Tintenstrahldruckkopfabgabevorrichtung auf
etwa 200°C,
und vorzugsweise im Bereich von 70 bis 120°C, erhitzt werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst das Abgabesystem 14 einen getrennten Tintenstrahldruckkopf
für jede
Komponente des mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materials. Beispielsweise kann
ein zweiteiliges, mittels Strahlung härtbares Material zwei Tintenstrahldruckköpfe umfassen,
wobei einer einen Strahlungsinitiator hält und einer ein Baumaterial
hält. Bei
einem anderen Beispiel kann ein dreiteiliges, mittels Strahlung
härtbares
Material drei Tintenstrahldruckköpfe
umfassen, wobei einer einen Strahlungsinitiator hält, ein
zweiter ein erstes Baumaterial hält
und der zweite ein zweites Baumaterial hält. Ein Abgeben der Komponenten
des mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materials in verschiedene
Tintenstrahldruckköpfe
ermöglicht,
dass die Komponenten auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden,
was vorteilhaft ist, wenn die Viskosität des Baumaterials erhöht wird,
um die Abgabe des Baumaterials zu verbessern.
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Das
SFF-System 10 kann in Prozesse integriert werden, die dazu
verwendet werden, dreidimensionale Objekte in einem iterativen geschichteten
Prozess herzustellen oder zu bauen. Das Computersteuersystem 12 ist
in der Lage, selektiv dazu angepasst zu werden, die Ausgabe aus
dem Abgabesystem 14 zu steuern, was die Dicke und die Struktur
jeder Komponente in jeder Schicht des iterativen Prozesses steuert.
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Der
Strahlungsinitiator und das Baumaterial können in einer Vielzahl von
Strukturen auf die Bauplattform abgegeben werden, von denen zwei
unter Bezugnahme auf die 4A und 4B nachstehend
ausführlicher
erörtert
werden. Die Strukturen können
die Form von abwechselnden Schichten der Strahlungsinitiatoren und
Baumaterialien, abwechselnden Versetztes-Schachbrett-Schichten der Strahlungsinitiatoren
und Baumaterialien und abwechselnden nebeneinander liegenden Streifen
der Strahlungsinitiatoren und Baumaterialien annehmen, sind aber
nicht darauf beschränkt.
Außerdem
sind unter Verwendung zweier oder mehrerer Druckköpfe andere
Strukturen möglich. Überdies
können
die Strukturen der Komponenten des mehrteiligen, mittels Strahlung
härtbaren
Materials in Abhängigkeit von
dem Volumen oder der Tropfengröße der abgegebenen
Komponenten variieren. Diesbezüglich
können
mehrere Tintenstrahldruckkopf-Durchläufe (z. B. Abtastungen) über die
Bauplattform 20 hinweg durchgeführt werden, um die entsprechende
Beabstandung der Komponenten des mehrteiligen, mittels Strahlung
härtbaren
Materials zu erzielen.
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Allgemein
beträgt
das Volumen (z. B. Tropfen) des Strahlungsinitiators und des Baumaterials zwischen
etwa 0,1 Pikolitern und 500 Pikolitern, etwa 0,1 Pikolitern und
100 Pikolitern und etwa 0,1 Pikolitern und 35 Pikolitern. Jedoch
hängt das
wünschenswerte
ausgestoßene
Volumen des Strahlungsinitiators und des Baumaterials von einer
Anzahl von Faktoren ab, beispielsweise der Konzentration, der Viskosität und den
chemischen Charakteristika der Strahlungsinitiatoren; der Konzentration,
der Viskosität
und den chemischen Charakteristika der Baumaterialien, der Temperatur
der Bauplattform, dem Verhältnis
zwischen den Strahlungsinitiatoren und den Baumaterialien, der gewünschten
Auflö sung
(z. B. 600 Tropfen pro Zoll) und dem Entwurf der Druckkopfabfeuerungskammer,
jedoch nicht beschränkt auf
diese.
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Das
mehrteilige, mittels Strahlung härtbare Material
umfasst Chemikalien, die zur Verwendung mit Tintenstrahitechnologien
kompatibel sind. Das mehrteilige, mittels Strahlung härtbare Material
kann ein mehrteiliges, mittels Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung)
härtbares
Material oder ein mehrteiliges, mittels einer sichtbaren Strahlung
härtbares
Material sein. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist ein zweiteiliges,
mittels UV härtbares
Material, das einen UV-Initiator und Baumaterial umfasst, jedoch nicht
auf diese beschränkt
ist. 3 und 4A und 4B beziehen
sich auf ein zweiteiliges, UV-härtbares
Material, jedoch können
dieselben Prinzipien für
mehrteilige, mittels Strahlung härtbare
Materialien angewendet werden.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein repräsentatives
Verfahren 30 zum Bilden eines Objekts unter Verwendung
des SFF-Systems 10 beschreibt. Der UV-Initiator und das
Baumaterial werden bereitgestellt, wie im Block 32 gezeigt
ist. Insbesondere werden der UV-Initiator und das Baumaterial in
dem Abgabesystem 14 getrennt aufbewahrt. Beispielsweise
können
der UV-Initiator und das Baumaterial in verschiedenen Fächern eines
einzigen Tintenstrahldruckkopfes aufbewahrt werden oder in verschiedenen
Tintenstrahldruckköpfen
aufbewahrt werden. Der UV-Initiator und das Baumaterial werden entweder gleichzeitig
oder schrittweise durch verschiedene Tintenstrahldruckkopfabgabevorrichtungen
abgegeben, wie bei Block 34 gezeigt ist. Der UV-Initiator
und das Baumaterial werden auf der Bauplattform 20 des SFF-Systems 10 zusammengemischt,
um das zweiteilige, UV-härtbare
Material zu bilden, wie im Block 36 gezeigt ist. Außerdem kann
Ultraschallenergie dazu verwendet werden, den UV-Initiator und das Baumaterial
zu vermengen, um das Zusammenmischen des UV-Initiators und des Baumaterials
zu verbessern.
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Nachdem
eine oder mehrere Schichten des UV-Initiators und des Baumaterials
(z. B. gleichzeitig oder sequentiell) auf die Bauplattform 20 abgegeben wurden,
kann das Härtungssystem 16 dazu
verwendet werden, das zweiteilige, UV-härtbare Material zu härten oder
teilweise zu härten,
wie im Block 38 gezeigt ist. Dann wird der Prozess nach
Bedarf wiederholt, um das interessierende Objekt Schicht um Schicht
zu erzeugen. Um eine Schicht-An-Schicht-Haftung zu verbessern, kann
es sinnvoll sein, während
des Herstellungsprozesses jede Schicht nur teilweise zu härten. Eine
vollständige
Härtung
könnte
dadurch bewerkstelligt werden, dass das Objekt nach der Entnahme
aus dem Herstellungswerkzeug in einen Leuchtkasten platziert wird.
Außerdem
kann der Härtungsprozess
durchgeführt
werden, nachdem die Schichten des mehrteiligen, mittels Strahlung
härtbaren
Materials auf die Bauplattform 20 abgegeben wurden (z.
B. Flutexposition und Abtastexposition). Ferner kann der Härtungsprozess
auf eine im Wesentlichen gleichzeitige Weise durchgeführt werden,
indem das mehrteilige, mittels Strahlung härtbare Material einer Abtastexposition
unterzogen wird, während
der Strahlungsinitiator und das Baumaterial auf die Bauplattform 20 abgegeben
werden.
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4A veranschaulicht
einen geschichteten Abgabeprozess des Baumaterials 46 und
des UV-Initiators 48 auf die Bauplattform 20.
Das Baumaterial 46 und der UV-Initiator 48 werden
aus einem Tintenstrahldruckkopf 42, der zwei Fächer 44a und 44b aufweist,
abgegeben. Als Erstes wird eine Schicht des Baumaterials 46 auf
die Bauplattform 20 abgegeben, dann wird eine Schicht des
UV-Initiators 48 auf die Schicht des Baumaterials 46 abgegeben.
Das Baumaterial 46 und der UV-Initiator 48 werden
gehärtet, um
eine Schicht 50a zu bilden. Anschließend wird eine weitere Schicht
des Baumaterials 46 auf die gehärtete Schicht 50a abgegeben,
dann wird eine weitere Schicht des UV-Initiators 48 auf
die Schicht des Baumaterials 46 abgegeben. Das Baumaterial 46 und
der UV-Initiator 48 werden gehärtet, um eine Schicht 50b zu
bilden. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis das zu bildende Objekt
abgeschlossen ist. Man sollte beachten, dass die Reihenfolge, in
der das Baumaterial 26 und der UV-Initiator abgegeben werden, anders (z.
B. umgekehrt) angeordnet werden könnte.
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4B veranschaulicht
einen abwechselnden Abgabeprozess, bei dem das Baumaterial 46 und
der UV-Initiator 48 auf die Bauplattform 20 abgegeben
werden. Das Baumaterial 46 und der UV-Initiator 48 werden
aus einem Tintenstrahldruckkopf 42, der zwei Fächer 44a und 44b aufweist,
abgegeben. Das Baumaterial 46 wird auf eine beabstandete
Weise auf die Bauplattform 20 abgegeben, so dass der UV-Initiator 48 in
die Abstände
zwischen dem Baumaterial 46 abgegeben werden kann. Als
Nächstes werden
das Baumaterial 46 und der UV-Initiator 48 gehärtet, um
eine Schicht 62a zu bilden. Anschließend wird das Baumaterial 46 auf
eine beabstandete Weise auf die gehärtete Schicht 62a abgegeben,
so dass der UV-Initiator 48 in die Abstände zwischen dem Baumaterial 46 abgegeben
werden kann. Das Baumaterial 46 und der UV-Initiator 48 werden
gehärtet,
um eine Schicht 62b zu bilden. Dieser Prozess wird fortgesetzt,
bis das zu bildende Objekt abgeschlossen ist.
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Allgemein
kann bzw. können
der Strahlungsinitiator und/oder das Baumaterial in ein flüssiges Trägermittel,
das mit Tintenstrahltechnologien kompatibel ist, eingebracht und/oder
aufgelöst
werden. Beispielsweise kann das flüssige Trägermittel Wasser, Lösungsmittel,
Biozide und Maskierungsmittel umfassen, ist aber nicht auf diese
beschränkt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann der Strahlungsinitiator in einem oder mehreren Lösungsmitteln
wie z. B. inerten flüchtigen
Lösungsmitteln
wie beispielsweise aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen
einer relativ geringen relativen Molekülmasse, flüchtigen Alkoholen, Ethern und
Estern sowie Weichmachern mit einem hohen Siedepunkt (z. B. Dibutylphthalat),
jedoch nicht beschränkt
auf dieselben, aufgelöst
werden. Es ist wünschenswert, dass
das Lösungs mittel
entweder rasch verdunstet (innerhalb eines Zeitraums, der notwendig
ist, um wenige Schichten aufzubringen), oder ausreichend nicht-flüchtig ist,
um auf unbegrenzte Zeit in dem gehärteten, zweiteiligen Strahlungsmaterial
zu verbleiben.
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Bei
dem direkt oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiel sollte das Volumen
des Strahlungsinitiators relativ zu dem Volumen des Baumaterials, wie
auf die Bauplattform 20 abgegebenen wird, etwa 1 Teil Strahlungsinitiator
zu 100 Teilen des Baumaterials betragen, obwohl es bei manchen Ausführungsbeispielen
1 Teil des Strahlungsinitiators zu 10 Teilen des Baumaterials betragen
kann, während
es bei wieder anderen 1 Teil des Strahlungsinitiators zu 1 Teil
des Baumaterials betragen kann. Das Verhältnis der Volumina der Komponenten
kann durch das Tropfenvolumen und/oder die Anzahl von Tropfen der Komponenten
gesteuert werden.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen
kann der Strahlungsinitiator in einem Lösungsmittel wie z. B. Monomeren
einer geringen Reaktivität/Monomeren
einer geringen Viskosität,
z. B. monofunktionalen Alkylacrylaten und Alkylmethacrylaten einer
geringen relativen Molekülmasse
(z. B. Allylmethacrylat, Isodecylacrylat und -methacrylat, Isooctylacrylat),
Hydroxyalkylacrylaten und -methacrylaten (z. B. 2-Hydroxyethylmethacrylat),
Glycidylmethacrylat, Isobornylacrylat und dergleichen, jedoch nicht
beschränkt auf
dieselben, aufgelöst
werden. Insbesondere werden Lösungsmittel
aus monofunktionalem Monomer bevorzugt, um den Strahlungsinitiator
aufzulösen,
da monofunktionale Monomere eine bessere Stabilität als di-
und trifunktionale Monomere liefern und weniger stark zur Vernetzung
neigen. Außerdem
werden Monomere mit geringer Viskosität als Lösungsmittel für Strahlungsinitiatoren
bevorzugt, so dass das Gemisch bei einer niedrigeren Temperatur
abgegeben werden kann. Bei diesen Ausführungsbeispielen nimmt das
Lösungsmittel
an der Polymerisationsreaktion teil und wird zu einem Bestandteil
des mehrteiligen, mittels Strahlung härtbaren Materials.
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Bei
dem direkt oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiel sollte das Volumen
des Strahlungsinitiators relativ zu dem Volumen des Baumaterials, wie
es auf die Bauunterlage 20 abgegeben wird, etwa 10 bis
100 Teile des Strahlungsinitiators zu etwa 100 Teilen des Baumaterials
betragen, während
es bei anderen etwa 50 Teile des Strahlungsinitiators zu 100 Teilen
des Baumaterials betragen kann. Das Verhältnis der Volumina der Komponenten
kann anhand des Tropfenvolumens und/oder der Anzahl von Tropfen der
Komponenten gesteuert werden.
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Allgemein
weisen der Strahlungsinitiator und das Baumaterial die Charakteristik
auf, dass die Chemikalie eine Viskosität (d. h. eine spritzfähige Viskosität) von weniger
als 70 cps bei einer Temperatur unterhalb etwa 200°C und vorzugsweise
weniger als 20 cps bei einer Temperatur unterhalb etwa 100°C aufweist.
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Außerdem sollten
der Strahlungsinitiator und das Baumaterial in der Lage sein, bei
einer Temperatur unterhalb etwa 100°C dahin gehend zu reagieren, innerhalb
von etwa 5 Sekunden bis 10 Minuten eine „klebefreie" Schicht zu bilden.
Vorzugsweise sollten der Strahlungsinitiator und das Baumaterial
in der Lage sein, bei einer Temperatur unter etwa 60°C dahin gehend
zu reagieren, innerhalb von etwa 5 Sekunden bis zu 1 Minute eine „klebefreie" Schicht zu bilden.
Der Begriff „klebefrei" ist als der Punkt
definiert, an dem die Vernetzungs-/Kettenwachstums-Reaktion so weit
fortgeschritten ist, dass sich das resultierende Material nicht
länger
klebrig anfühlt.
Er bedeutet nicht, dass das Härten/Kettenwachstum
abgeschlossen ist.
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Wie
in der Technik bekannt ist, kann die Viskosität des Baumaterials allgemein
gesenkt werden, indem seine Temperatur erhöht wird. Deshalb kann der Tintenstrahldruckkopf
erhitzt werden, um die Viskosität
des Baumaterials zu senken. Die Verwendung höherer Temperaturen kann eine
Verwendung von Materialien einer höheren Viskosität und einer
höheren
relativen Molekülmasse
bei dem Baumaterial ermöglichen,
was wünschenswertere
mechanische Eigenschaften des kompakten dreidimensionalen Objekts
nach einem Abkühlen
liefern kann. Jedoch sollte der Tintenstrahldruckkopf nicht auf
Temperaturen erhöht
werden, die (a) den Siedepunkt des Baumaterials; (b) die Temperatur
einer thermischen Zersetzung des verwendeten Baumaterials; und (c)
die Temperatur der thermischen Aktivierung des Baumaterials überschreiten.
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Allgemein
können
der Strahlungsinitiator und/oder das Baumaterial zusätzliche
chemische Komponenten umfassen, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf,
Farbmittel (z. B. Farbstoffe, Pigmente, Tinten), Dispersionsmittel
und Katalysatoren, um die Reaktionszeit des mehrteiligen, mittels
Strahlung härtbaren
Materials zu optimieren, um das richtige Gleichgewicht zwischen
Härtungsrate
und Schicht-An-Schicht-Haftung
zu erhalten.
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Der
UV-Initiator kann Chemikalien wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf,
einen radikalischen Initiator, einen kationischen Initiator oder
Kombinationen derselben umfassen. Der radikalische Initiator umfasst
Verbindungen, die auf eine Belichtung mit UV-Strahlung hin ein freies
Radikal erzeugen. Das freie Radikal ist in der Lage, eine Polymerisationsreaktion
einzuleiten. Exemplarische radikalische Initiatoren umfassen, sind
jedoch nicht beschränkt
auf, Benzophenone (z. B. Benzophenon, Methylbenzophenon, Michlers
Keton und Xanthone), radikalische Initiatoren vom Acylphosphinoxid-Typ
(z. B. 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid (TMPO), 2,4,6-Trimethylbenzoylethoxyphenylphosphinoxid
(TEPO) und Bisacylphosphinoxide (BAPOs), Azo-Verbindungen (z. B. AIBN), Benzoine
und Bezoinalkylether (z. B. Benzoin, Benzoinmethyl-ether und Benzoinisopropylether).
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Der
radikalische Initiator kann alleine oder in Kombination mit einem
Koinitiator verwendet werden. Koinitiatoren wer den mit Initiatoren
verwendet, die ein zweites Molekül
benötigen,
um ein Radikal zu erzeugen, das bei UV-Systemen aktiv ist. Beispielsweise
verwendet Benzophenon ein zweites Molekül, z. B. ein Amin, um ein reaktives
Radikal zu erzeugen. Eine bevorzugte Klasse von Koinitiatoren sind
Alkanolamine wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf, Triethylamin, Methyldiethanolamin
und Triethanolamin.
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Geeignete
kationische Initiatoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf,
Verbindungen, die auf eine Belichtung mit UV-Licht hin, das ausreichend ist,
um eine Polymerisation einzuleiten, aprotische Verbindungen oder
Bronsted-Säuren bilden.
Der verwendete kationische Initiator kann eine einzelne Verbindung,
ein Gemisch aus zwei oder mehreren aktiven Verbindungen oder eine
Kombination aus zwei oder mehreren verschiedenen Verbindungen (z.
B. Koinitiatoren) sein. Exemplarische kationische Initiatoren umfassen,
sind jedoch nicht beschränkt
auf, Aryldiazoniumsalze, Diaryljodoniumsalze, Triarylsulphoniumsalze
und Triarylseleniumsalze.
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Das
Baumaterial kann Verbindungen wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf,
Acrylverbindungen, Verbindungen, die einen oder mehrere Epoxidsubstituenten,
einen oder mehrere Vinylethersubstituenten aufweisen, Vinylcaprolactam,
Vinylpyrolidon, Urethane und Kombinationen derselben umfassen. Insbesondere
können
Monomere dieser Verbindungen als Baumaterial verwendet werden. Außerdem können Oligomere
dieser Verbindungen, die auf Grund ihrer hohen Viskosität bisher
nicht in Betracht gezogen wurden, als Baumaterial verwendet werden.
Diesbezüglich
ermöglicht
der erhöhte
Spielraum bezüglich der
Viskosität
es uns, mit Baumaterialien einer höheren relativen Molekülmasse zu
beginnen, was zu besseren mechanischen Eigenschaften (z. B. Materialsteifheit/flexibilität und Festigkeit
sowie Stoßfestigkeit)
bei dem abschließenden
dreidimensionalen Objekt führen
kann. Fachleute könnten
Baumaterialien auswählen,
die die erwünschten mechanischen
Eigenschaften einer bestimmten Anwendung erfüllen.
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Geeignete
Acrylverbindungen für
das Baumaterial können
ein Acrylmonomer, ein Acryloligomer, einen Acrylvernetzer oder Kombinationen
derselben umfassen, sind aber nicht beschränkt auf dieselben. Ein Acrylmonomer
ist ein monofunktionales acryliertes Molekül, das beispielsweise Ester
von Acrylsäure
und Methacrylsäure
sein kann. Ein Acryloligomer (ein Oligomer ist eine kurze Polymerkette) ist
ein acryliertes Molekül,
das Polyester von Acrylsäure
und Methacrylsäure
und einem mehrwertigen Alkohol (z. B. Polyacrylate und Polymethacrylate
von Trimethylolpropan, Pentaerythritol, Ethylenglykol, Propylenglykol)
umfassen kann, jedoch nicht auf diese beschränkt ist. Außerdem kann das Acryloligomer ein
Urethanacrylat sein.
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Ein
acrylischer Vernetzer ist ein polyfunktionales Molekül, das eine
verbesserte Vernetzung liefert. Beispiele von acrylischen Vernetzern
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf, 1,4-Butandioldiacrylat, 1,4-Butandioldimethacrylat, 1,6-Hexamethylenglykoldiacrylat,
Neopentylglykoldimethacrylat, Trimethylolpropantrimethacrylat, Pentaerythritoltriacrylat,
Pentaerythritoltrimethacrylattriethylenglykoltriacrylat, Triethylenglykoltrimethacrylat,
Urethanacrylat, Trimethylolpropantriacrylat und Urethanmethacrylate.
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Das
Baumaterial kann auch eine Chemikalie sein, die einen oder mehrere
Vinylethersubstituenten wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf,
Vinylethermonomere und -oligomere, die zumindest eine Vinylethergruppe
aufweisen, aufweist. Exemplarische Vinylether umfassen, sind aber
nicht beschränkt
auf, Ethylvinylether, Propylvinylether, Isobutylvinylether, Cyclohexylvinylether,
2-Ethylhexylvinylether, Butylvinylether, Ethylenglykolmonovinylether,
Diethylenglykoldivinylether, Butandioldivinylether, Hexandioldivinylether,
Cyclohexandimethanolmonovinylether und 1,4 Cyclohexandimethanoldivinyl.
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Das
Baumaterial kann auch Chemikalien umfassen, die einen oder mehrere
Epoxidsubstituenten aufweisen, z. B., jedoch nicht beschränkt auf,
Epoxidmonomere und -oligomere, die zumindest einen Oxirananteil
aufweisen. Beispiele von epoxidhaltigen Baumaterialien umfassen,
sind aber nicht beschränkt auf,
bis-(3,4 Cyclohexylmethylcarboxylat), 3,4-Epoxycyclohexylmethylcarboxylat, 3,4-Epoxycyclohexylcarboxylat,
Diglycidylethervinylcyclohexen, 1,2 Epoxy-4-vinylcyclohexancarboxylat, 2,4-Epoxycyclohexylmethylcarboxylat,
3,4-Epoxycyclohexancarboxylat und dergleichen.
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Vorzugsweise
umfasst das Baumaterial Chemikalien wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf, Acrylate
und Derivate derselben, Epoxidacrylate und Derivate derselben, Urethanacrylate
und Derivate derselben sowie Kombinationen derselben. Außerdem kann
das Baumaterial Materialien umfassen, die ansonsten auf Grund einer
hohen Viskosität
bei Raumtemperatur aus Kompakte-Freiform-Herstellungsprozessen unter
Verwendung von Tintenstrahltechnologien ausgeschlossen sein können. Diese Baumaterialien
können
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf, ethoxylierte Acrylate, Methacrylate (z. B. ethoxyliertes Nonylphenolacrylat,
das eine Viskosität
von etwa 100 Pas (cps) bei 25°C
aufweist (Sartomer Inc., SR504), ethoxyliertes Nonylphenolethacrylat,
das eine Viskosität
von etwa 80 Pas (cps) bei 25°C
aufweist (Sartomer Inc., CD612), ethoxyliertes Bisphenoldimethacrylat,
das eine Viskosität
von etwa 400 Pas (cps) bei 25°C
aufweist (Sartomer Inc., SR480)), Caprolactonacrylat, das eine Viskosität von etwa
80 Pas (cps) bei 25°C
aufweist (Sartomer Inc., SR495), und dergleichen.
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Außerdem kann
das Baumaterial Materialien einer hohen Viskosität umfassen, beispielsweise,
jedoch nicht beschränkt
auf, Monomere und Oligomere wie z. B.: Ethoxyliertes-Bisphenol-A-Dimethacrylat-Verbindungen
(z. B. Sartomer Inc., SR348 (1082 cps bei 25°C), Sartomer Inc., SR9036 (610 Pas
(cps) bei 25°C),
Sartomer Inc., CD541 (440 Pas (cps) bei 25°C), Sartomer Inc., SR480 (410
Pas (cps) bei 25°C)
und Sartomer Inc., CD540 (555 Pas (cps) bei 25°C)), Ethoxyliertes-Bisphenol-A-Diacrylat-Verbindungen
(z. B. Sartomer Inc., SR601 (1080 Pas (cps) bei 25°C), Sartomer
Inc., SR602 (610 Pas (cps) bei 25°C),
CD9038 (680 Pas (cps) bei 25°C)
und Sartomer Inc., SR349 (1600 Pas (cps) bei 25°C)), Pentaerythroltriacrylat-Verbindungen
(z. B. Sartomer Inc., SR344 (520 Pas (cps) bei 25°C)) und Ethoxyliertes-Trimethylolpropantriacrylat-Verbindungen
(z. B. Sartomer Inc., SR415 (225–520 Pas (cps) bei 25°C)).
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Es
ist zu beachten, dass Viskosität,
Temperatur, Verhältnisse,
Konzentrationen, Mengen und andere numerische Daten hierin in einem
Bandbreitenformat ausgedrückt
werden können.
Es versteht sich, dass ein derartiges Bandbreitenformat der Zweckmäßigkeit
und Kürze
halber verwendet wird und somit auf flexible Weise dahin gehend
interpretiert werden sollte, dass es nicht nur die explizit als die
Grenzen der Bandbreite angeführten
numerischen Werte umfasst, sondern auch alle einzelnen numerischen
Werte oder Teilbandbreiten, die in dieser Bandbreite enthalten sind,
umfasst, so als ob jeder numerische Wert und jede Teilbandbreite
explizit angeführt
ist. Zur Veranschaulichung sollte eine Konzentrationsbandbreite
von „etwa
0,1% bis etwa 5%" dahin
gehend interpretiert werden, dass sie nicht nur die explizit angeführte Konzentration
von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% umfasst, sondern auch einzelne
Konzentrationen (z. B. 1%, 2%, 3% und 4%) und die Teilbandbreiten
(z. B. 0,5%, 1,1%, 2,2%, 3,3% und 4,4%) innerhalb der angegebenen
Bandbreite umfasst.
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Der
sichtbare Strahlungsinitiator kann ⎕-Diketone (z. B. Kampferchinon,
1,2-Acenaphthylendion, 1H-Indol-2,3-dion, 5H-Dibenzo[a,d]cyclohepten-10-
und -11-dion), Phenoxazin-Farbstoffe
(z. B. Resazurin, Resorufin), Acylphosphinoxide (z. B. Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinoxid)
und dergleichen umfassen, ist aber nicht beschränkt auf dieselben.
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An
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
können
viele Variationen und Modifikationen vorgenommen werden. Alle derartigen
Modifikationen und Variationen sollen hierin in dem Schutzumfang
der folgenden Patentansprüche
enthalten sein.