DE69930260T2

DE69930260T2 - Herstellung dreidimensionaler gegenstände

Info

Publication number: DE69930260T2
Application number: DE69930260T
Authority: DE
Inventors: Subhash SRI International Menlo Park NARANG; Susanna SRI International Menlo Park VENTURA; Suniti SRI International Menlo Park SHARMA; John SRI International Menlo Park STOTTS
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: JP2002519212A; US5980813A; EP1117518B1; EP1117518A1; CA2334517A1; EP1117518A4; WO2000000335A1; AU4553099A; DE69930260D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine automatisch geschichtete Herstellung von dreidimensionalen Objekten.
Hintergrund
Konventionelle Techniken zur massenweisen Herstellung von dreidimensionalen Objekten schließen typischerweise Gießen, Deformieren, Bearbeiten und Zusammenbauen ein. Während solche Techniken für die Herstellung komplizierter Objekte in großem Umfang zu relativ geringen Kosten geeignet sind, werden sie häufig nur gering für ein Rapid-Prototyp-Verfahren und für relativ kurze Produktionsläufe angepasst.
Direkte CAD-Herstellungssysteme ("Direct CAD Manufacturing Systems" = DCM) werden etwas besser für ein Rapid-Prototyp-Verfahren angepasst. In DCM-Systemen werden Computer zur Herstellung eines dreidimensionalen Modells eines gewünschten Objekts und dann zur Betreibung von Servo-Mechanismen zur Herstellung des gewünschten Objekts verwendet. Dies schließt generell einen Bearbeitungsschritt oder die Anwendung anderer subtraktiver Prozesse an einem Material-Startblock ein. Subtraktives DCM hat sich als kosteneffektiv in der Automobil-, Flugzeug-, Geräte- oder Spielzeug-Herstellung und in vielen anderen Industrien erwiesen, die ein wiederholtes Design und Prototyping von Teilen beinhalten. Solche Systeme sind jedoch nicht gut zur Herstellung von Prototypen geeignet, die komplizierten inneren Bau haben. Diese ist eine natürliche Funktion vom Starten des Prozesses mit einem im Wesentlichen festen Material-Block und Bearbeitung des Teils von außen.
Additive DCM-Syteme behandeln dieses Problem durch Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einer großen Zahl individueller Schichten. Die Schichten können auf normale Weise hergestellt und dann gepinnt, geschweißt oder auf andere Weise zusammen gehalten werden, oder sie können eine auf der anderen durch Ablegen eines fließfähigen Materials abgelegt werden. Die letzteren Systeme werden hierin generell als feste Freiformherstellungssysteme ("Solid Freeform Fabrication Systems", SFF) Systeme bezeichnet.
Bei SRR Systemen ist jede Schicht typischerweise nur ca. 0.1 bis 0.25 mm dick. Dadurch werden ca. 40 bis 100 Schichten je cm des Objekts verwendet, wodurch es mit SFF-Systemen möglich ist, Objekte mit komplizierten inneren Strukturen herzustellen. Während es mit SFF Systemen möglicherweise nicht möglich ist, Objekte herzustellen, die exakt dieselbe Gestalt haben, die mit anderen Methoden erreichbar ist, sind diese generell in der Lage, "near net shape"-Objekte herzustellen, d.h. solche Objekte, die im Wesentlichen die gewünschte Endgestalt haben und die mit konventionellen Verfahrensschritten dann fertig gestellt werden können. Im Weiteren wird in dieser Beschreibung der Ausdruck "Objekt" sowohl in der Bedeutung eines endgültigen Objekts als auch jedes zwischenproduktmäßigen "near net shape"-Objekts verwendet. In ähnlicher Weise ist mit den Ausdrücke "herstellen" und "Herstellung" hier sowohl die Produktion eines endgültigen Objekts von einem Startmaterial als auch die Produktion eines erkennbaren Zwischenprodukts verwendet. Folglich kann ein "Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts" bloß die Herstellung eines Zwischenprodukts, das sichtbar ähnlich dem endgültigen Objekt oder Produkt ist, einschließen, jedoch die zusätzliche Verfahrensschritte erfordert, um zu dem endgültigen Objekt oder Produkt zu gelangen.
Über die Herstellung ziemlich komplizierter Objekte hinaus können SFF-Systeme vorteilhafterweise Mehrfach-Beschickungsköpfe zum Ablegen einer Mehrzahl verschiedener Materialien verwenden. Z.B. beschreiben die US-Patente 4,999,143 und 5,569,349 (Oktober 1996) von Almquist et al. die Beschickung sowohl von Baumaterial als auch von Stützmaterial in einer Reihe von Schichten. Hinzu kommt, dass Während es wenig oder keine Befähigung auf diesem Gebiet gibt, vorgeschlagen worden ist, dass unterschiedliches Baumaterial innerhalb einer einzelnen Schicht verwendet werden kann, um einen elektrisch leitenden Pfad herzustellen.
In SFF Systemen ist es generell erstrebenswert, das an jeder Schicht abgelegte fließfähige Baumaterial nach einem Muster, das zu einem entsprechenden Querschnitt eines herzustellenden Objekts passt, zu auszuhärten oder anderweitig zu härten. Während viele verschiedene Systeme und Verfahren vorgeschlagen worden sind, gibt es konzeptionell nur zwei Klasen von Verfahren zur Härtung der Schichten nach vorbestimmten Mustern – selektive Ablagerung und selektives Härten. Bei selektiven Ablagerungsverfahren wird das Baumaterial von Anfang an nach dem gewünschten Muster abgelegt und dann typischerweise durch Kühlen oder Polymerisierung gehärtet. Geeignete Apparate für diese Klasse von Verfahren verwendet notwendigerweise eine Art von Zustelldispenser, der bewegbar i Bezug auf den übrigen Bau ist. Beispiele solcher Zustelldispenser ist der Extrusionskopf des US-Patents 4,749,347 von Valavaara und der Tröpfchen-Emitterkopf des US-Patents 4,665,492 von Masters.
In selektiven Härteverfahren wird das Baumaterial über eine gesamte Oberfläche oder über ein gesamtes Volumen abgelegt und dann wird Energie ausgewählten Abschnitten des Baumaterial zugeführt, um das angestrebte Muster herzustellen. An einem Punkt im Verfahren wird das nicht gehärtete Material dann weggewaschen oder weggebürstet. Lichtenergie wird typischerweise bei der Herstellung des erstrebten Musters verwendet und viele übrige Systeme verwenden einen oder mehrere Laserstrahlen, um die gewünschten Bilder im abgelegten Baumaterial heraus zu bilden. Laser werden auf dies Weise zur Lasersinterung von Baumaterialien, die ein Metall, metallhaltiges Pulver oder einen Kunststoff aufweist, wie es im US-Patent 4,752,352 von Feygin, dem US-Patent 4,863,538 von Deckard und dem US- Patent 4,938,816 von Beaman et al. beschrieben ist. Es ist auch bekannt, Lichtenergie auf abgelegtes Baumaterial in einem Muster anzuwenden, das dem gesamten Querschnittsbild entspricht. Dieses Verfahren wird generell als Stereolithographie bezeichnet und verschiedene Ausführungsformen sind in den US-Patenten 4,929,402 und 5,236,637 von Hull und den US-Patenten 4,961,154 und 5,031,230 von Pomerantz et al. beschrieben.
In den letzten Jahren haben Fortschritte bei SFF-Systemen zu einer Anforderung geführt, funktionale Eigenschaften in mittels SFF hergestellten Objekten bereitzustellen, die mit solchen von konventionellen Produkten vergleichbar sind. Unter anderem haben Hersteller den Wunsch zum Ausdruck gebracht, mit SFF hergestellte Objekte bereit zu stellen, die die Festigkeit und die Bruchfestigkeit haben, die denen von geschmiedeten Metallkomponenten nahe kommt. Auch ist das Bestreben zum Ausdruck gebracht worden, SFF-Objekte bereit zu stellen, die Leitungspfade, wie z.B. elektrische, thermische oder magnetische Leitungspfade haben.
Sinterfähige Metalle, Legierungen und Keramiken können zur Herstellung von Endprodukten mit exzellenten Strukturfestigkeit verwendet werden (siehe z.B. US-Patent 5,496,892 von Quadir et al. und 4,906,424 von Hughes et al.). Aber diese Materialien sind generell ungeeignet für Baumaterialien in SFF-Systemen, da sie nur bei hohen Temperaturen oder Drücken fluidisch werden. Dies verursacht beträchtliche Schwierigkeiten bei der Bearbeitung und Ablagerung und unter anderem hinsichtlich der Begrenzung der Rate, mit der neue Schichten für einen Bau verwendet werden können. Das Problem kann zu einem bestimmten Masse eher durch Auswerfen von kleinen Partikeln oder Tröpfchen von einem Dispenser als durch Extrudieren relativ größeren Massen gelöst werden, aber die Bearbeitungsbedingungen sind noch streng und generell ungeeignet für viele Anwendungen. Das Problem kann um einiges weiter gelöst werden durch Verwendung einer elektro-rheologischen Stütze während des Ablagerungsprozesses, wie es in der US 5,362,427 von Mitchell (Nov. 1994) gelehrt wird, aber diese Lösung fügt noch weitere Schwierigkeiten hinzu. In jedem Fall schließen die gegenwärtig geforderten extremen Ablagerungsbedingungen zur Ablagerung von metallischen und legierten Baumaterialien in SFF Systemen die Inklusion von Kunststoff- oder anderen Materialien während des Bauprozesses weitgehend aus, was beinahe die Inklusion von vielen wünschenswerten Eigenschaften in SFF-Produkten eliminiert.
Metallhaltige Pulver wie Aluminiumoxid, Zirkoniumsilikat, geschmolzene Kieselerde und Siliziumkarbid sind relativ leicht aufzulegen, so wie durch die Schlammtröpfchen-Methode nach dem US-Patent 4,655,492 von Masters (Mai 1987), aber diese sind schwierig miteinander mit einer geeigneten Festigkeit zu verbinden. Unter anderem stellt das Brechen ein ernstes Problem dar. Zur Verbesserung dieses Problems kann Niedrigtemperatur-Sintern bis zu einem bestimmten Ausmaß verwendet werden, jedoch erfordert dieses übermäßig viel Zeit. Auch kann Hochtemperatur-Sintern verwendet werden, jedoch erfordert dieses schwierige und ungünstige Bedingungen und dieses ist nur mäßig effektiv. Auch können Binder zur Verbesserung der Festigkeit zwischen Partikeln verwendet werden, wie es in dem US-Patent 5,660,621 von Bredt (August 1997) beschrieben ist, jedoch neigen SFF-Verfahren unter Verwendung von übrig gebliebenen Bindern noch dazu, nur relativ schwache Strukturen bereitzustellen.
Polymerisierbare Baumaterialien sind einfacher zu bearbeiten und aufzulegen, jedoch haben diese generell nur eine geringe Struktur-Festigkeit. Von solchen Baumaterialien ist auch nicht bekannt, dass diese die vielen funktionalen Eigenschaften liefern, die angestrebt sein können. Hinzu kommt, dass die zur Initiierung der Polymerisation verwendete Formenergie selbst problematisch sein kann. Viele Photopolymere verwenden z.B. UV-Strahlung, die Verletzungen verursachen können. Noch weiterhin kann die Zeit, die zur Verfestigung der Photopolymere aufgrund der Einwirkung von UV-Strahlen erforderlich ist, hinderlich lang sind, wodurch in unmäßiger Weise die Bauzeit vergrößert wird.
Wachse, Thermofixierungs- und thermoplastische Materialien, zweiteilige Epoxide, Schaum-Kunststoffe und Glas sind ebenfalls in Verbindung mit SFF verwendet worden. Diese Materialien sind jedoch üblicherweise ziemlich schwach und bringen viele der zuvor beschriebenen Probleme mit sich.
Folglich ist noch ein Bedarf für die Bereitstellung neuartiger Baumaterial-Kompositionen und -Verfahren zur Verwendung in der festen Freiform („free-form")-Herstellung von dreidimensionalen Objekten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Kompositionen und Verfahren zur schrittweisen Schicht-für-Schicht-Herstellung von dreidimensionalen Objekten bereit, wobei ein Baumaterial ein Metal mit einer kovalenten Bindung für ein Nichtmetall enthält, und die Schichten zur Produktion des dreidimensionalen Objekts zumindest teilweise durch chemische Reaktion hergestellt sind, die die kovalente Bindung des Metalls ändert.
In einer ersten Klasse von bevorzugten Ausführungsformen schließt das Baumaterial ein Metall ein, das kovalent an einen Polymer-Präkursor gebunden ist. Der Präkursor ist polymerisiert und zumindest Einiges der nicht-metallischen Komponente des Polymers ist verbrannt oder auf andere Weise während des nachfolgenden Prozesses auf eine Weise entfernt worden, dass die kovalente Bindung des Metalls gebrochen ist. In mehr bevorzugten Ausführungsformen dieser Klasse ist auch ein Ligand an einer Stelle an dem Polymer gebunden oder an einem Polymer-Präkursor, wobei sowohl das Metall als auch der Ligand während des nachfolgenden Prozesses freigesetzt und das Metall an den Liganden gebunden wird.
In einer anderen größeren Klasse bevorzugter Ausführungsformen beinhaltet das Baumaterial ein Metall, Me, das an den ersten Liganden L₁ gebunden ist. Auf die Auflagerung des Baumaterials folgend wird der erste Ligand einer Redox-Reaktion mit einem zweiten Liganden L₂ unterzogen, bei der die kovalente Bindung des Metalls gebrochen wird. In mehr bevorzugten Ausführungsformen dieser Klasse, reagieren L₁ und L₂ miteinander zur Bildung eines Gases und das Metall reagiert zur Bildung eines Oxids wie MeSO_x, MeNO_x, MeCO_x und so weiter. In noch mehr bevorzugten Ausführungsformen schließt das Baumaterial mehrere Metallarten ein, die kovalent an Liganden gebunden sind, wodurch mehrere Redox-Reaktionen hervorgerufen werden und gemischte Metallprodukte hergestellt werden.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung werden mehrfache Baumaterialien zum Ausbau des dreidimensionalen Objekts verwendet. Die verschiedenen Baumaterialien werden ausgewählt und in einer Weise aufgelegt, bei der funktionale Uneinheitlichkeiten entstehen. Bevorzugte Uneinheitlichkeiten beinhalten elektrische, thermische und magnetische Leitungspfade, Strukturstützen, chemische und widerstandfähige Gebiet und so weiter.
Verschiedene Objekte, Merkmale , Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung an Hand der beiligenden Zeichnungen verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein Block-Diagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach einem selektiven Nachbehandlungsaspekt/Härtung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Abbildung eines Systems, mit dem ein dreidimensionales Objekt gemäß der Methode nach 1 hergestellt werden kann.
3 ist eine Abbildung eines alternativen Systems, mit dem ein dreidimensionales Objekt gemäß der Methode nach 1 hergestellt werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die praktische Umsetzung der gegenwärtigen Erfindung kann, soweit nicht anderweitig angegeben, übliche Maßnahmen der Fotochemie, der keramischen Chemie, der Polymerchemie sowie der schnellen Prototyp-Entwicklung und -Herstellung verwendet werden, die zum Stand der Technik gehören. Es wird hingewiesen z. B. auf Kirk, "Encyclopedia of Chemical Technology, Burns Automated Fabrication" (PTR Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1993)") sowie auf Jacobs, "Rapid Prototyping and Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography" ("Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, MI (1992)"). Sämtliche Patente, Patentanmeldungen, Veröffentlichungen und andere Arten von Referenzen, die hierin außerhalb oder innerhalb zitiert werden, sind hierdurch mit ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen. Trotz des Einbezugs der Referenzen übernimmt der vorliegende Text nicht notwendigerweise die Definitionen und Verwendungsweisen, die in den Referenzen dargelegt sind. Daher wird zur Klärung der Definitionen und Verwendungen von spezifischen Ausdrücken, die hierin nicht auf andere Weise definiert sind, das Folgende ausgeführt.
Die hierin verwendeten Singularformen des unbestimmten und bestimmten Artikels umfassen den Plural, soweit der Inhalt nicht auf klare Weise anderes vorgibt. Daher schließt z. B. der Bezug auf "ein keramisches Pulver" Mischungen solcher Pulver, die Bezugnahme auf "ein polymerisierbares Monomer" mehr als ein einzelnes solches Monomer, die Bezugnahme auf "eine Schicht" mehr als eine Schicht, usw. ein.
Der hierin verwendete Ausdruck "dreidimensionales Objekt" meint jede Struktur, die im Wesentlichen ihre beabsichtigte Funktion und Gestalt beibehält, wenn sie von einer externen Stütze weggenommen wird. Demnach wird hier generell ein dünner Film, wie einer, der auf ein Stück Glas aufgelegt ist, nicht als ein dreidimensionales Objekt angesehen, da dieses dazu neigt, dessen beabsichtigte Funktionalität und/oder Gestalt zu verlieren, wenn es von dem Glas abgeschält oder abgelöst wird. Ein dicker Film, wie z. B. eine Lage einer Aluminiumfolie wird hier andererseits als ein dreidimensionales Objekt angesehen, da er seine Gestalt und Funktion lange nachdem es von irgendeinem Roller oder einer anderen, während ihrer Herstellung verwendeten externen Aufnahme entfernt wird, beibehält.
Der Ausdruck "CAD" wird hierin in ihrem breitesten Sinne verwendet, um alle Arten des computergestützten Design-Systems (computer aided design system) einzubeziehen, einschließlich reiner CAD-Systeme, CAD/CAM-Systeme und dergleichen, vorausgesetzt, dass solche Systeme zumindest teilweise verwendet werden, um ein Modell eines dreidimensionalen Objekts zu entwickeln oder weiter zu verarbeiten.
Der Ausdruck "Baumaterial" ("build material") wird hier verwendet, um jegliches Material zu bezeichnen, das nach einem Schicht-für-Schicht-Verfahren abgelagert wird, um ein dreidimensionales Objekt zu konstruieren oder aufzubauen. Diese Definition schließt ausdrücklich Strukturen aus, die nicht durch ein Schicht-für-Schicht-Verfahren hinzugefügt werden, wie z. B. zentrale oder Umfangs-Stützen, die durch einige Aspekte des Herstellungsprozesses einbezogen sein können. Nach der Lehre hierin können mehrfache Baumaterialen in die Herstellung eines einzelnen dreidimensionalen Objekts einbezogen sein, um Stütz-Strukturen, Leitungspfade usw. zu bilden.
Der Ausdruck "Metall" ("metal") wird hierin mit der Bedeutung eines Elements verwendet, das aus einer der Metallgruppen oder Übergangs-Metallgruppen des Periodensystems ausgewählt wird. Da jedoch Metalle auf viele verschiedene Weisen vorhanden sein können, wird die Form des Elements durch den Kontext bestimmt. Demnach bedeutet der Ausdruck "Metall" bei einer Bezugnahme auf "Metalle und Legierungen" ("metals and alloys") eine Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus Metall- und Übergangsmetall-Elementen gebildet ist. Bei der Bezugnahme auf "Metall- und Legierungs-Verbundwertstoffe" (metal and alloy composites") meint der Ausdruck "Metall" eine Zusammensetzung aus im Wesentlichen einem oder mehreren Metall- und Übergangsmetall-Elementen sowie einigen nicht-metallischen Zusammensetzungen, wie z. B. Keramik. Wenn auf Metalle mit einer kovalenten Bindung Bezug genommen wird, meint der Ausdruck "Metall" ein Element, das aus einer der Metall- oder Übergangsmetall-Gruppen ausgewählt ist und das kovalent mit einem Nicht-Metall verbunden ist.
Der hierin verwendete Ausdruck „kovalente Bindung" bedeutet jegliche chemische Bindung außer einer rein ionischen Bindung. Kovalente Bindungen schließen daher gewöhnliche organische Bindungen wie Karbonhydrogen- oder Karponoxid-Bindungen in einem Zucker ein und schließen auch Metall-Liganden-Bindungen in einem Koordinationskomplex, wie NiCl₂ (pyrid)₄, ein.
Der Ausdruck "aufeinander folgende Schichten" ("successive layers") meint hier Schichten von Baumaterial, die aufeinander folgend auf einer Baustruktur abgelagert wird. Es ist nicht notwendig, dass eine vorangehende Schicht vollständig verfestigt oder auf anderer Weise gehärtet ist, bevor die nachfolgende Schicht hinzugefügt wird und in der Tat ist es generell ratsam, dass die nachfolgende Schicht hinzugefügt wird, bevor die vorangehende Schicht voll gehärtet ist. Das verbessert die Zwischenschicht-Bindung ("inter-layer bonding"). Andererseits werden dann, wenn eine Schicht von Baumaterial auf der Baustruktur abgelegt ist und dann zusätzliches Baumaterial vor dem wesentlichen Härten des vorangehend abgelegten Materials hinzugefügt ist, sowohl das zuvor abgelegte und das zusätzlich abgelegte Baumaterial hier derart angesehen, dass es dieselbe Schicht mit umfasst.
Der Ausdruck "Querschnitts-Gestalt" ("cross-sectional pattern") wird hier unter der Bedeutung einer Darstellung eines Querschnitts des gebildeten Objekts verwendet. Generell gesprochen, wird die Querschnittsgestalt ein vollständiger Vertikalschnitt sein, da die meisten Baustrukturen unter dem Aspekt betrachtet werden, dass sie mit einer vollständigen Schicht zu einer Zeit in einer vertikalen, schrittweisen Art produziert werden. Nichtsdestoweniger wird in Betracht gezogen, dass partielle Querschnitte verwendet werden können, um z. B. verschiedene Baumaterialien anzuordnen. Zusätzlich wird in Betracht gezogen, dass nicht-vertikale Querschnitte verwendet werden können, so dass das zu bauende Objekt seitwärts oder in einigen anderen nicht-vertikalen Arten aufgebaut werden würden. Nicht-vertikale Baustrukturen können z. B. vorteilhafterweise verwendet werden, um eine besondere Festigkeit in einer speziellen Richtung vorzusehen.
"Sichtbares Licht" ("visible light") ist elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen in einem Bereich von 4 × 103 A bis ungefähr 7.7 × 103 A. "Nahes Infrarot-Licht" ("near infrared light") oder "nahes IR-Licht" ("near IR light") ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 7.5 × 103 A bis ungefähr 30 × 103 A. "Aktinische Strahlung" ("actinic radiation") ist Strahlung, die fähig ist, fotochemische Reaktionen zu initiieren.
1 zeigt ein Fluss-Diagramm mit einer Darstellung der Schritte, die vorteilhafterweise zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung von SFF-Techniken nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Im Schritt 1 wird eine Computer-Darstellung oder ein "Modell" des zu bildenden Objekts unter Verwendung eines CAD/CAM-Software-Systems erzeugt. Die Software erzeugt dann vorzugsweise eine STL-Datei und die STL-Datei wird in Schichten-Daten ("slice data") entsprechend den vertikalen Querschnittsstrukturen des Objekts konvertiert. Natürlich muss das CAD-Modell nicht eine perfekte Abbildung des Objekts sein und die Schichten-Daten und die Querschnittsstrukturen müssen keine perfekten Abbildungen des CAD-Modells sein. Stattdessen werden diese nur teilweise von ihrer Quelle abgeleitet ("derived"). Es wird z. B. insbesondere in Betracht gezogen, dass Dimensionen skaliert werden, um ein vergrößertes oder verkleinertes Produkt herzustellen oder um Schrumpfungen oder andere Prozess-Faktoren zu kompensieren. In einem anderen Beispiel kann es vorteilhaft sein, Änderungen in der Entfernung der Lichtquelle von der oben liegenden Schicht des Baumaterials zu kompensieren, da die Baustruktur durch Modifizierung des projizierten Abbilds wächst, anstatt die Baustruktur oder die Lichtquelle zu bewegen.
In Schritt 2 wird eine Schicht aus photopolymerisierbarem Baumaterial entweder auf einer Arbeitsfläche oder einer vorangehenden Schicht abgelagert. Das Baumaterial ist in einer gewünschten Dicke geformt, die der Dicke, der durch den Computer generierten Schicht, entspricht. Wenigstens ein Baumaterial, das in allen betrachteten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weist ein Metall auf, das eine kovalente Bindung zu einem Nicht-Metall hat.
Es wird insbesondere in Betracht gezogen, dass multiple Baumaterialien in einer gegebenen Schicht verwendet werden oder verschiedene Baumaterialien von Schicht zu Schicht verwendet werden. Dies kann durch Verwendung von Mehrfach-Ablageköpfen oder eines einzelnen Ablagekopfes erreicht werden, durch den mehrere Materialien fließen. Bekannte Verteiler können zu diesem Zweck verwendet werden.
Gegenwärtig bevorzugte, für die Hauptphase des herzustellenden Produkts geeignete Baumaterialien schließen ein: polymerisierbares Silazan, Silan, Borazin, Boranoligomere, andere präkeramische Monomere, Oligomere oder Polymere, die durch polymerisierbare Gruppen (z. B. Vinyl, Acrylat, Methacrylat usw.) funktionalisiert sind; Metall-Acrylate, Metall-Methaacrylate und andere polymerisierbare Metall-Carboxylate; Metall-Carboxylate im Beisein von oxidierenden Stoffen und Metall-Nitraten im Beisein von reduzierenden Stoffen. Derartige Stoffe werden wegen ihrer Fähigkeit der chemischen Transformierbarkeit in keramische Stoffe, wie zum Beispiel Metall-Nitride, Metall-Carbide oder Metalloxide oder Metalle durch Erhitzen ausgewählt, und einige dieser Stoffe werden ausgewählt, da sie leicht polymerisiert werden können. Diese Baustoffe können oder müssen nicht in Kombination mit anderen härtbaren Monomeren oder Oligomeren verwendet werden. Unter anderen geeigneten Baustoffen wird in Betracht gezogen, dass Kupfer-Formiate und Gold-Azetatisobutyrrate insbesondere für die Bereitstellung eines elektrischen Leitungspfad gut geeignet sein können, Silber-Acrylate und Pd (CHOCOO) (CH₂OHCOO) insbesondere für die Bereitstellung eines thermischen Leitungspfads gut geeignet sein könnten, Silizane und Silizium-Wasserstoffe insbesondere für die Bereitstellung einer strukturellen Stütze gut geeignet sein könnten und Zirkonium und Aluminium-Acrylate insbesondere für die Bereitstellung von Grenzschichten und einer die Oberfläche zusammendrückende Druckschicht gut geeignet sein könnten. Hinzu kommt das Schichten, die diese oder andere Stoffe enthalten, vorteilhafterweise thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die sich von den Ausdehnungskoeffizienten anderer Schichten unterscheiden.
In Schritt 3 werden geeignete Schnittdaten aus Schritt 1 einem selektiven Photobelichtungsgerät zugeführt, dass wiederum die in Schritt 2 aufgelegte Schicht aus Baumaterial einer geeigneten aktinischen Strahlung gemäß dem aus dem CAD-Model abgeleiteten entsprechenden Querschnittsmuster aussetzt. Hier sollte wiederum darauf geachtet werden, dass einer perfekte Korrelation zwischen dem Belichtungsmuster und dem vom Computer generierten Querschnittsmuster nicht gefolgt werden muss. Demzufolge schließt der Ausdruck "gemäß dem entsprechenden Querschnittsmuster" mehr oder weniger genaue Korrelationen zwischen dem Aussetzungsmuster und den entsprechenden Querschnittsmustern ein.
Es wird in Betracht gezogen, die geeignete Intensität und Dauer der Belichtung experimentell zu ermitteln. Nichts desto weniger kann verstanden werden, dass geeignete Werte für diese Parameter als eine Funktion vieler Faktoren einschließlich der Natur des Monomers oder anderer polymerisierbarer Materialien, die Größe und die Aktivität des Fotoinitiators und die Dicke und Transparenz jeder Schicht bezüglich der Strahlung variiert werden. Unsere Experimente haben gezeigt, dass es für jede Schicht wünschenswert ist, wenn sie bis zu einem klebrigen Punkt gehärtet wird, bevor die nächste folgende Schicht hinzugefügt wird. Dadurch wird eine geeignete Härte erreicht, die immer noch eine angemessene Bindung zwischen benachbarten Schichten erlaubt. Spezifische Strahlungsparameter sind unten angegeben, aber generell wird davon ausgegangen, dass die Intensität bei ungefähr 20 mW/cm² an der Oberfläche der äußersten Schicht ist und das die Intensität ungefähr 5 bis 60 Sekunden aufrecht erhalten wird.
Das selektive Photobelichtungsgerät umfasst vorzugsweise einen DLP- oder LCD-Desktop-Projektor. Alternativ umfasst das selektive Photobelichtungsgerät eine Quelle aktinischer Strahlung und eine auf einem LCD-Pannel angezeigte, Computer-generierte Maske, die ein Durchstrahlen der aktinischen Strahlung durch diese in Gebieten erlaubt, die den Gebieten des zu härtenden fotopolymerisierbaren Baumaterials entspricht. Die Maske blockiert ein Durchdringen der Strahlung bei nicht zu verfestigenden Bereichen der Schicht. In einer dazu noch unterschiedlichen Ausführungsform umfasst das selektive Photobelichtungsgerät eine Schichtabtastoptik.
In Schritt 4 wird das Baumaterial durch ein Aussetzen an die aktinische Strahlung polymerisiert, um ein Polymer in einer Form gemäß des Computer-generierten Querschnittsmusters zu bilden. In Schritt 5 werden die Schritte 2 bis 4 zum allmählichen Bau des gewünschten Objekts wiederholt. Abhängig von der Anzahl der Schichten kann der gesamte Prozess mehrere Stunden oder sogar mehrere Tage dauern und kann bis zu 5000 Schichten oder mehr einbeziehen.
In Schritt 6 wird das Objekt von dem Baugerät entfernt und erhitzt, um zumindest einen großen Anteil organischen Materials zu entfernen. Das Erhitzen kann in einen Standard-Prozessofen oder in einem alternativen Ofen, wie zum Beispiel einem Mikrowellenofen stattfinden. Generell wird in Erwägung gezogen, dass das Objekt auf einen Wert zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 350°C für einen Zeitraum zwischen ein paar Sekunden und etwa 48 Stunden erhitzt wird. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Temperatur und die Heizdauer experimentell ermittelt werden kann. Während des Erhitzens ist es möglich, das die kovalente Bindung zumindest einer Art von Metall in zumindest einem Baumaterial aufgebrochen wird. Eine neue Kovalenzbindung unter Einbezug des Metalls kann oder muss nicht gebildet werden. Beispielsweise baut sich Baumaterial wie zum Beispiel Pd (CHOCOO) (CH₂OHCOO) bei 350°C unter Zurücklassung einer relativ reinen Form von Paladiummetall ab. Dem gegenüber verbrennt Baumaterial wie zum Beispiel
und das entsprechende Polymer bei ungefähr 450°C bis 550°C, um organische Anteile solcher Polymere unter Zurücklassung einer relativ reinen Form von Silikonnitrid und Baumaterial zu entfernen, wie zum Beispiel Bleiacetat, Zirkoniumnitrat und Titantium-Acetylacetonat, das sich zwischen ungefähr 350°C und ca. 600°C unter Zurücklassung einer relativ freien Form von Blei-Zirkonat-Titanat verlegt.
2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 20 dar, die geeignet zur Durchführung des in dem Flussdiagramm der 1 dargestellten und beschriebenen Verfahrens ist. Die Vorrichtung 20 weist generell eine Arbeitsfläche 22 mit einem Bautisch 24 auf, die eine obere Fläche 26 hat, die mittels eines Aufzugs 28 wie zum Beispiel eine Schrittmotors oder der gleichen vertikal verfahren werden kann. Ein photopolymerisierbares Baumaterial 30, das z. B. von einem Drucktank 32 durch ein Ventil 33 und dann durch geeignete Auslässe auf die Arbeitsfäche 22 gebracht wird, wird auf dieser verteilt. Alternativ dazu kann das Baumaterial 30 durch das Ventil 33 zu einer Leitung 36 und direkt auf die Arbeitsfläche 22 geführt werden. Die photopolymerisierbare Anordnung 30 wird über die Arbeitsfläche mittels Nivelliermittel 38, wie z. B. eines Abstreifmessers bis zu einer vorbestimmten Dicke aufgebracht, um Schichten 40A, 40B und 40C auf dem Bautisch 24 zu bilden. Die typische Schichtdicke beträgt zwischen 25,4 μm (1 mil) bis 0,635 mm (25 mil) und vorzugsweise zwischen 25,4 μm (1 mil) bis 254 μm (10 mil). Überschüssiges Material wird optional durch Betätigung von Rückgewinnungsmitteln 42 wie z. B. einen "Squeegee", durch einen Abfluss 44 in einen Rückgewinnungstank 46 entfernt. Das Planiermittel wird dann angehoben und ein vertikales Positioniermittel 48, z. B. ein pneumatischer Zylinder senkt das in einem Rahmen 52 gehaltene selektive Photobelichtungsgerät 50 ab. Die Schicht der photopolymerisierbaren Anordnung 30 wird durch Aktivierung des selektiven Photobelichtungsgeräts 50 aktinischer Strahlung ausgesetzt. Das lichtgehärtete Material wird z.B. durch Absaugung entfernt. Ein Lösungsmittel z.B. Hexan, Aceton, oder der gleichen kann als Hilfe zur Entfernung des ungehärteten Materials verwendet werden.
Das selektive Photobelichtungsgerät 50 weist vorzugsweise eine digitale Mikrospiegelvorrichtung auf ("DMD") für einen DLP-Projektor oder einen LCD-Projektor auf. Solche Projektoren sind zur Bildung einer Schnittstelle mit CAD/CAM- und STL-Schnittkonversions-Software ausgelegt. Die Schnittinformation wird in ein Querschnittsbild der Schicht konvertiert und Licht wird entsprechend der zu photopolymerisierenden Schichtenbereiche projiziert. Das durch den DLP- oder LCD-Projektor projizierte Bild wird durch ein Computersystem 54 gesteuert. DMD für DLP-Projektoren können z. B. von Proxima (Desktop Projector Model 4100) oder InFocus Systems (Lite Pro 620) erhalten werden. LCD-Projektoren können von Proximal (Desktop Projector Model 240) oder InFocus Systems (Lite Pro 210) erhalten werden.
In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) umfasst das selektive Photobelichtungsgerät eine Quelle aktinischer Strahlung, ein LCD-Panel, das als elektronische Maske dient und optische Elemente zum Kollinieren, Fokussieren und Filtern, oder bereitet die Strahlung auf andere Weise auf, die wie gefordert durch die Maske hindurch geht. Fachleute werden erkennen, dass die optischen Elemente verschiedene Linsen, Spiegel, Filter und dergleichen abhängig von der Strahlenquelle und der Art des photopolymerisierbaren Baumaterials einschließen. Die den zweidimensionalen Querschnitt der Schicht entsprechenden Daten werden dem LCD-Panel zugeführt, um eine elektronische Maske zu erzeugen, durch die aktinische Strahlung hindurchgeht, um wie zuvor ausgeführt ausgewählte Gebiete der photopolymerisierbaren Anordnung zu befestigen. Die Fähigkeit des LCD-Panel, Strahlung hindurchzuführen oder abzuhalten, wird durch das Computersystem 54 gesteuert. Das LCD-Panel kann eine aktive oder passive Matrixblende haben. LCD-Panel, die für das hierin beschriebene Schicht-für-Schicht-Photoherstellungssystem verwendet werden können, sind kommerziell z. B. erhältlich von nView Model Z310 (nView, Newport News, VA).
In der 3 umfasst das selektive Photobelichtungsgerät 50' ein optisches System zum Laserscannen. Eine Beschreibung eines exemplarischen optischen Systems zum Laserscannen kann in Fisli (1983) Proc. SPIE Int'l Soc. Optical Eng. 390:45–48 gefunden werden. Vorzugsweise ist das System 50' an dem Planiermittel 38 in einer Weise befestigt, dass, wenn das photopolymerisierbare Baumaterial auf die Arbeitsfläche durch die Planiermittel bis zu einer vorbestimmten Dicke aufgebracht ist, das optische System über die Oberfläche der Schicht aus photopolymerisierbaren Baumaterial übersetzt wird. In das optische System zum Laserscannen 50' wird ein Bild des Querschnitts der herzustellenden Schicht von dem Computer 54 geladen. Das in dem Laserdrucker-Optiksystem gespeicherte Bild wird dem Laser zugeführt, der selektiv die Anordnung der Strahlung aussetzt und dadurch jene Gebiete der Anordnung verfestigt, die den Querschnitt des zu bildenden Objekts entsprechen. Der Laser ist vorzugsweise ein Festkörper-Diodenlaser, der zur Erzeugung von aktinischer Strahlung in der Nähe des Infrarotsprektrums oder unter Verwendung eines Frequenzverdopplers im sichtbaren Bereich verwendet werden kann. Optische Systeme zum Laserabtasten sind verfügbar von Xerox Corp. (Palo Alto, CA). Festkörperlaser mit Emissionen im sichtbaren oder nahem IR-Spektralbereich sind erhältlich von SDL, Inc. (San Jose, CA) oder Uniphase (San Jose, CA).
Eine geeignete Quelle aktinischer Strahlung ist eine Quelle für sichtbares Licht oder eine Quelle für nahes Infrarotlicht. Die Quelle für sichtbares Licht kann eine Wolframhalogen-Lampe, eine Xenon-Bogenlampe, z. B. Oriel 1000 Xenon Bogenlampe oder ein Festkörperlaser für den sichtbaren Bereich sein. Quellen für nahes Infrarotlicht umfassen Festkörper-Diodenlaser, Quarz-Wolfram-Halogen-Lampen und der gleichen.
Das Computer-System 54 wird verwendet, um ein dreidimensionales Modell des herzustellenden Objekts zu erzeugen. Das Computer-generierte Modell kann auf dem Computer selbst unter Verwendung einer CAD/CAM-Software gebildet werden. Alternativ kann das Modell aus Daten generiert werden, die von einem Prototyp oder von einer Zeichnung in den Computer eingescannt worden sind. Der Computer wird somit verwendet, um Schnittinformationen über die verschiedenen Schichten des Objekts bereitzustellen und um Querschnittsdaten für jede Schicht zu liefern, um diese dem selektiven Photobelichtungsgerät 50 zuzuführen. Die Computer-generierten Schnittinformationen können dem selektiven Photobelichtungsgerät 50 zu jeder Zeit, bevor das Polymer der Strahlung ausgesetzt wird, geliefert werden. Eine Führung für die Auswahl geeigneter CAD/CAM- und Schichten-Konversions-Software kann in Jacobs (1992) gemäß voran stehendem Zitat und zwar in dessen Kapiteln 5 und 6 sowie in Burns (1993), wie oben genannt, und zwar in dessen Kapitel 6, gefunden werden.
Das Computer-System 54 kann jedes System sein, das fähig ist, das herzustellende Objekt zu modellieren, das Modell in Schichten mit einer vorbestimmten Dicke aufzuschneiden und zwei dimensionale Querschnittsdaten über die Schicht an das selektive Photobelichtungsgerät 50 oder das optische System zum Laser-Abtasten zu liefern. Beispiele solcher Systeme sind in US-Patent 4,961,154 wie oben genannt, US-Patent Nr. 5,182,715 an Vorgitch et al. beschrieben und die Offenbarung derselben wird hierin durch Bezugnahme einbezogen. Eine CAD/CAM-Software ist verfügbar von einer Anzahl von Händlern, einschließlich z. B. EDS-Unigraphics (Troy, MI), Structural Dynamic Research Corporation (Mmford, OH), Hewlett-Packard Mechanical Division (Ft. Collins, CO), Autodesk (Sausalito, CA). STL-Konversions-Software für ein Rapid-Prototyping ist verfügbar von Händlern wie z. B.
Brock Rooney and Associates (Birmingham MI), Imageware (Ann Arbor, MI), Solid Concepts, Inc. (Valencia, CA), POGO International, Inc. (College Station, TX), und ein derartiges Computer-System 54 kann neben der Generierung des dreidimensionalen Modells des herzustellenden Objekts, der Schnittinformation über die Schichten des Objekts und der Querschnittsdaten für jede Schicht, von der die Maske generiert wird, zusätzlich eine Vielzahl von Funktionen ausführen. Das Computer-System 54 kann verwendet werden, um den Betrieb des Aufzugmittels 28, des Ventils 33, des Vertikal-Positioniermittels 48 und dergleichen zu steuern.
Wenn die Belichtung einer Schicht vollständig ist, wird das selektive Photobelichtungsgerät 50 an eine erhöhte Position zurückgebracht, um die Anwendung einer neuen Schicht von photopolymerisierbarem Baumaterial zu erlauben, um die Kommunikation von Daten an das selektive Photobelichtungsgerät zur Erzeugung des Querschnittsbilds der nachfolgenden Schicht zu ermöglichen. Demgemäß wird ein dreidimensionales Objekt durch schrittweisen Bau von Schichten, wie z. B. 40a, 40b und 40c auf dem Bau-Tisch 24 hergestellt.
Der Bau-Tisch 24 wird verwendet, um das Objekt während der Herstellung zu stützen und zu halten und um das Objekt in vertikaler Richtung wie benötigt zu bewegen. Typischerweise wird der Bau-Tisch, nachdem auf diesem eine Schicht geformt ist, nach unten bewegt, so dass eine frische Schicht von photopolymerisierbaren Baumaterial über die zuvor geformte Schicht aufgebracht werden kann. Das Aufzugmittel 28 kann vorteilhafterweise programmierte Bewegungen mit einer angemessenen Geschwindigkeit und mit angemessener Präzision ausführen. Der Bewegungsmechanismus des Aufzugsmittels kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein und kann ein optisches Feedback einschließen, um dessen Position relativ zu der Arbeitsoberfläche zu regeln.
Die photopolymerisierbare Komponente eines photopolymerisierbaren Baumaterials kann jegliche ungehärtete Flüssigkeit, halbfesten oder festen Stoff enthalten, der durch aktinische Strahlung, wie z. B. durch sichtbares Licht, Licht im nahem Infrarot-Bereich und/oder dergleichen gehärtet werden kann. Beispiele solcher härtbaren Flüssigkeiten, halbfester und fester Stoffe sind offenbart in UV Curing: Science and Technology, Pappas, ed., Technology Marketing Corp. (Norwalk, CT) und Roffey, Photpolymerization of Surface Coatings, J. Wiley & Sons (Chichester). Photopolymerisierbare Harze sind kommerziell verfügbar, z. B. von Applied Polymer Systems, Inc. (Schaumberg, IL), Ciba Geigy Corp. (Los Angeles, CA), UCB Chemical Corp., Inc. (Smyrna, GA), E.I. Du Pont de Nemours & Co. (Wilmington, DE) und Sartomer (Exton, PA).
Die polymerisierbare Komponente kann ein Monomer, Mischungen von Monomeren, ein Oligomer, Mischungen von Oligomeren oder einer Mischung von Oligomeren und Monomeren sein, die durch Aussetzung an eine aktinische Strahlung wie "nahes Infrarot" oder "sichtbares Licht" polymerisiert und verfestigt sein können. Geeignete photoaktive Monomere umfassen Acrylate, einschließlich Mono-, Di- und Tri-Acrylate und Mischungen davon, Methacrylate (siehe, Tu, in UV Curing Science and Technology, Pappas, ed., siehe oben, Kapitel 5), Epoxide oder Epoxid-Acrylat-Formulierungen, und andere mit sichtbarem oder nahem Infrarot-Licht härtbare Monomere. Beispiele sind 2-Hydroxyethylacrylat, Hexandioldiacrylat, Triethylenglycoldiacrylat ("TEGDA") Diethylenglycoldiacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat, Trimethylolacrylat und dergleichen.
In einer Ausführungsform kann ein festes oder ein halbfestes fotopolymerisierbares Baumaterial aus einem fotopolymerisierbaren Monomer oder einem Oligomer oder beiden, gemischt mit einem Polymer formuliert werden, die optional mit Hälften funktionalisiert sind, mit denen das Monomer oder das Oligomer reagieren kann. Alternativ dazu kann das Monomer, das Oligomer oder beide mit einem Wachs gemischt werden. Vorzugsweise ist das Monomer ein Epoxid, z.B. Uvecure 1500 (UCB Chemical Corp.), 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-Epoxycyclohexan-Carboxylat (Aldrich) oder 1,4-Butandioldiglycidylether (Aldrich) oder ein Epoxyacrylat wie EbecrylO 3200 (UCB Chemical Corp. Mehr bevorzugt ist das Monomer eine Epoxid-Acrylat-Mischung. Das Oligomer kann ein Polyester-Acrylat-Oligomer sein, wie Ubecryl^® 438, Ubecryl^® 584 oder Ubecryl^® 2047. Beispiele von Wachse, die in das fotopolymerisierbare Baumaterial einbezogen sein können umfassen Paraffin Wachse, Mikrokristalline Wachse, Karnuba-Wachse, Mineral-Wachse, synthetische Wachse wie Polyethylen-Wachse und dergleichen (siehe, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd ed., Vol. 17, Seiten 784–795).
Eine halbfeste oder feste Fotopolymer-Zusammensetzung wird vorzugsweise auf dem Bautisch als heiße Flüssigkeit verteilt. Mit der Abkühlung der Flüssigkeit verfestigt sich diese. Die verfestigte Zusammensetzung wird durch Belichtung durch aktinische Strahlung mit geeigneter Wellenlänge fotopolymerisiert. Wenn ein festes oder halbfestes Baumaterial verwendet wird, können oder müssen nicht zusätzliche Stütz-Komponenten oder -Strukturen an dem Objekt gebildet werden.
Das fotopolymerisierbare Baumaterial kann auch ein plastizierendes Lösungsmittel umfassen. Lösungsmittel mit plastizierenden Eigenschaften umfassen Dibutylphthalat ("DBP"), Benzylbutylphthalat oder andere Phthalate, lineare oder zyklische Carbonate wie PropylenCarbonate und Äthylencarbonate, Ketone wie Cyclohexanon, Methylethylketon, and höhere Homologe, Ether und dergleichen. Zusätzliche optionale Komponenten, die in das fotopolymerisierbare Baumaterial einbezogen werden können, können im U.S.-Patent 4,906,424 von Hughes et al. gefunden werden. Optional wird ein licht-sensitives Additiv in das fotopolymerisierbare Baumaterial eingefügt, um die Energie zu reduzieren, die zur Bewirkung der Fotopolymerisation notwendig ist. Fotoinitiatoren für sichtbares Licht sind generell Multikomponentensysteme einschließlich z.B. ein Xanthen-Farbstoff, einen ersten Co-Initiator wie ein Iodonium-Salz und ein zweiter Ko-Initiator. Geeignete Fotoinitiatoren für den sichtbaren Nah-IR-Bereich sind beschrieben im U.S.-Patent 5,451,343 von Neckers et al., im U.S.-Patent 5,395,862 von Neckers et al., im U.S.-Patent 4,952,480 von Yamaguchi et al. und im U.S.-Patent 4,772,530 von Gottschalk et al., in De Raaff et al. (1996) RADTECH Conference Proceedings, Chatterjee et al. (1988) J. Am. Chem. Soc. 110: 2326–2328, Bi et al. (1994) Macromolecules 27: 36833693, und schließen ein: 3,31-Diethylthiatricarbocyanin-Iodid; 3,31-Diethylthiadicarbocyanin-Iodid; 3,31-Diethyloxadicarbocyanin-Iodid; 3,31-Dimethyloxatricarbocyanin-Iodid; 1,3,3,11,31,31-Hexamethylindodicarbocyanin-Iodide und 1,11-Diethyl-2,21-Quinodicarbocyanin-Iodid, die alle kommerziell verfügbar sind (z.B. von Dojindo Laboratories, Japan, oder von Spectra Group Limited, Inc., Maumee, OH).
Geeignete Software wird zur Bereitstellung von Daten an die selektive Fotobelichtungseinrichtung zur Erzeugung der aufeinander folgenden Schichten-Querschnittsbildern. Die selektive Fotobelichtungseinrichtung wird an ein CRD/CAM-System und an ein Schnitt-Konversionssystem angekoppelt, die zusammen eine Repräsentation eines dreidimensionalen Computer-Modells des Objekts, ein Aufschneiden der Repräsentation in eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Schichten mit einer vorbestimmten Dicke, die Hervorbringung von Querschnittsdaten der Schichten des Objekts und die schichtweise Bereitstellung der Querschnittsdaten an die selektive Belichtungsvorrichtung bewerkstelligen können.
Die folgende Beschreibung stellt die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach einem selektiven Ablagerungsaspekts der vorliegenden Erfindung heraus. Dieses Verfahren braucht sich nicht und wird sich generell nicht auf Polymerisierung zum Härten des Baumaterials beziehen.
Im Schritt 11 (nicht gezeigt) wird eine zu bildende Computer-Repräsentation oder ein Computer-"Modell" des Objekts unter Verwendung eines CAD/CAM-Softwaresystems genereirt. Dieser Schritt kann vorteilhafterweise identisch mit Schritt 1 der 1 sein.
Im Schritt 12 (nicht gezeigt) wird ein Baumaterial entweder auf eine Arbeitsfläche oder eine vorangehende Schicht aufgelegt. Ungleich der Mechanik des Schritts 2 der 1 ist jedoch hier die Auflagerung selektiv -- die Auflagerung des Baumaterials an einer gegebenen Schicht erfolgt nach einem entsprechenden Muster, das zumindest teilweise von einem CAD-Modell abgeleitet ist. Geeignete Ablagerungsgeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Der Schritt 12 unterscheidet sich auch von dem Schritt 2 der 1 in der Art des Baumaterials. Zu Schritt 12 wird in Betracht gezogen, dass das Baumaterial als Präkursor mit einem ersten Reagens, der das Metall kovalent an einen ersten Liganden bindet, und einem zweiten Reagens bereitgestellt wird, der einer Redox-Reaktion mit dem ersten Liganden unterzogen wird. Die Reagenzien sind vorzugsweise als Dispersion einer in dem anderen verteilt, und werden vorzugsweise durch einen einzigen Verteilungskopf verteilt. Es wird natürlich anerkannt, dass das erste und das zweite Reagenz ein Oxididationsmittel bereitstellen kann, wobei das andere Reagenz das Reduktionsmittel bereitstellen kann. Nichtsdestoweniger umfasst der erste Ligand das Reduktionsmittel und das zweite Reagenz das Oxidationsmittel.
Da sich bei der Reaktion beträchtliche Hitze entwickeln kann, erfolgt die Reaktion solange nicht, als diese nicht durch eine Art von Energieimpuls initiiert wird, so dass das Timing der Reaktion kontrolliert werden kann. Im Schritt 13 (nicht gezeigt) wird ein Energieimpuls in Form von Licht, Mikrowellen oder in anderer geeigneter Form bereitgestellt. Wie bei anderen Redox-Reaktionen wird in Betracht gezogen, dass die Reaktion irreversibel sein kann. In diesem Kontext bedeutet Irreversibilität, dass eine kleine Änderung der Reaktionsbedingungen nicht das Gleichgewicht der Reaktion ändert. Auch wird vorzugsweise die Redox-Reaktion ein Gas produzieren, das das herzustellende Objekt verlässt Gegenwärtig bevorzugte, für die Masse des herzustellenden Produkts geeignete Baumaterialien umfassen polymerisierbares Silazan, Silan, Borazin, Boranoligomere und andere präkeramische Monomere, Oligomere oder Polymere, die durch polymerisierbare Gruppen funktionalisiert sind (z.B. Vinyl, Acrylat, Methacrylate usw.); Metallacrylate, Metallmethacrylate und andere polymerisierbare Metallcarboxylate; Metallcarboxylat in der Gegenwart von oxidierenden Arten und Metallnitrate in der Gegenwart von reduzierenden Arten. Solche Materialien werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, in keramische Stoffe überführt werden zu können, wie Metallnitride, Carbide oder Oxide, oder Metalle durch Erhitzen und bei einigen aufgrund der Leichtigkeit, mit der sie polymerisiert werden können. Diese Baumaterialien können oder können nicht in Kombination mit andern härtbaren Monomeren oder Oligomeren verwendet werden.
Noch einmal: es wird in Betracht gezogen, dass eine Mehrzahl von Baumaterialien zusammen in einem gegebenen Aufbau entweder in derselben Schicht oder in verschiedenen Schichten verwendet werden können, um spezielle Funktionalitäten zu erreichen. Unter anderen geeigneten Baumaterialien wird in Betracht gezogen, dass insbesondere Kupferformate und Goldacetat-Isobutyrrat zur Bereitstellung eines elektrischen Leitungspfads gut geeignet sein können, Silberacrylat und Pd(CHOCOO)X(CH₂OHCOO) für die Bereitstellung eines thermischen Leitungspfads gut geeignet sein, Silazane und Silane würden insbesondere zur Bereitstellung einer Strukturstütze gut geeignet sein, Zirkonium und Aluminum-Acrylate würden insbesondere zur Bereitstellung von thermischen Grenzschichten und für Oberflächen-Druckeigenschaften gut geeignet sein.
Im Schritt 14 (nicht gezeigt) werden die Schritte 12 bis 13 zum allmählichen Aufbau des angestrebten Objekts wiederholt. Noch einmal, abhängig von der Anzahl der Schichten kann der gesamte Prozess mehrere Stunden oder sogar mehrere Tage I Anspruch nehmen und kann bis zu 5000 Schichten und mehr betreffen.
Im Schritt 15 (nicht gezeigt) wird das Objekt von dem Bauapparat entfernt und möglicherweise weiteren Prozessen unterworfen. Solche Prozesse können umfassen: Tempern oder andere Hitze-induzierenden Verfahren, Fräsen oder andere Prozess-Schritte.
Ungeachtet der Art des verwendeten Baumaterials kann es vorteilhaft sein, eine strukturelle Stütze für Element des im Aufbau befindlichen Objekts bereitzustellen, da jede aufeinander folgende Schicht des Objektes hergestellt wird. Mittel zur Herstellung solcher Stützen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können in das Objekt bei dessen Herstellung integriert werden. Solche Elemente können entfernt werden, wenn die Herstellung des Objekts abgeschlossen ist. Beispiele solcher Stütz-Strukturen siehe Burns, supra, Kapitel 6 und Jacobs, supra, Kapitel 6. Die in diesen Referenzen beschriebenen Mittel oder andere aus dem Stand der Technik bekannten Mittel zur Bereitstellung von Stützten können verwendet werden. Wenn ein festes oder halb-festes fotopolymerisierbares Material, wie eine ein Wachs enthaltende Zusammensetzung, für die Herstellung des Objekts verwendet wird, können oder können nicht zusätzliche Stütz-Elemente in das Objekt eingebaut werden.
Es wird weiterhin das Einbeziehen einer hoch-keramischen oder einer metallischen ladenden Dispersion in einem Baumaterial in Betracht gezogen. Bei solchen Dispersionen wird Folgendes einbezogen: eine Lösung mit plastizierenden Eigenschaften wie Phthalate, cyclische oder lineare Carbonate, Ketone, Ether und dergleichen; ein Tensid oder ein Dispergiermittel wie Hypermer-Triton X-100, Brij und dergleichen; polymerisierbare Monomere; und optional ein Wachs, ein keramisches Material, ein metallisches Material, oder eine Mischung von diesen.
Keramische- und Metallpulver können vorzugsweise in fein verteilter Form mit Durchmessern einbezogen werden, die im Bereich von ungefähr 0.1 μm bis ungefähr 50 μm und mehr vorzugsweise zwischen ungefähr 0.1 μm bis ungefähr 1.0 μm. Das Pulver kann vorzugsweise derart ausgewählt werden, dass ein dichtes Packen der Pulverpartikel in der Dispersion erreicht werden kann.
Jegliches keramische oder metallische Pulver, das in fein zerteilte Partikel geformt werden kann, kann als Baumaterial verwendet werden. Beispiele für geeignete keramische Pulver umfassen: Kieselerde, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Borcarbid, Titancarbid, Titannitrid, Wolframcarbid, Molybdänoxid, Tonerde, Zirkonium, Silizium, Ferrite und Mischungen derselben. Beispiele geeigneter metallischer Pulver sind freie Metalle wie Aluminium, Kupfer, Nickel, Eisen, Magnesium, Silizium, Titan, Wolfram, Mischungen davon, Legierungen davon wie Edelstahl, wie Nickelaluminium, Titanaluminium und dergleichen, Mischungen von Legierungen davon, und Mischungen von Metallen und Metalllegierungen.
Die folgenden Beispiele sind dazu gedacht, dem üblichen Stand der Technik einen Beitrag mit einer vollständigen Offenbarung und Beschreibung darüber zu leisten, wie verschiedene Aspekte des Erfindungsgegenstands gemacht und verwendet werden, und sind nicht als Einschränkung davon gedacht, was die Erfinder als Umfang ihrer Erfindung betrachten. Anstrengungen sind zur Sicherstellung der Genauigkeit in Bezug auf Zahlenangaben gemacht worden (z.B. Beträge, Temperaturen, etc.), jedoch sollten natürlich einige experimentelle Fehler und Abweichungen erlaubt sein. Soweit nicht anderweitig angegeben sind Teile gleich Gewichtsteilen, sind Temperaturen in Grad Celsius angegeben und ist der Druck bei oder nahe dem atmosphärischen Druck gelegen. Alle chemischen Stoffe, Reagenzen und dergleichen sind kommerziell verfügbar oder werden auf andere Weise leicht unter Verwendung kommerzieller, im Stand der Technik gut bekannter Techniken synthetisiert.
Beipiel 1
Vorbereitung von Polysilazan (I). Destilliertes Methyldichlorsilan (8.33 mL) and destilliertes Methylvinyldichlorsilan (2.60mL) werden in wasserfreiem Ethylether unter Argon aufgelöst. Diese Mischung wurde mit einem externen Eisbad abgekühlt und diesem mittels einer Spritzennadel tröpfchenweise ein Übermaß an flüssigem Ammoniak langsam hinzugefügt. Nach der Vervollständigung der Addition wurde die Reaktion auf Raumtemperatur angewärmt und weiter zwei Stunden lang gerührt. Der Ether ist dann herausdestilliert worden und der verbleibende Rest ist durch Vakuumdestillation gereinigt worden, um das gewünschte Polymer zu erhalten.
Beispiel 2
Vorbereitung eines Silizium-Nitrid-Schlamms. Polysilazan nach Beispiel 1 (115.18 g), Triethylenglycoldiacrylat (20.0g), 470B (Spectra Group Limited Inc., Maumee, OH) (0.98 g), Hypermer KD-1 (11.86 g), 4-Octyloxyphenyl-Phenyl-Idodonium-Fluorantimonat (OPPI) (GE Silikone) (9.2 g), Dibutylphtalat (80 g) and 2-Methoxyethylacrylat (108.8 g) werden in ein homogenes System gemischt. Diesem wird N, N-dimethyl-2,6-diisopropylanilin (4 g) und Silicon-Nitrid-Pulver (650 g) hinzu gefügt und der Schlamm wird gänzlich durch „ball milling" gemischt.
Beipiel 3
Mehrschichten-Herstellung einer Silikon-Nitrid-Fliese. Der Silikonnitrid-Schlamm von Beispiel 2 wird in Form von dünnen Schichten (jeweils 50 μm) mittels eines Streichmessers („doctor blade") auf einem Bautisch aufgebracht. Der Schlamm wird selektiv durch eine zehn Sekunden dauernde Lichteinwirkung mittels eines digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungschips unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe gehärtet. Eine 76.2 mm × 76.2 mm (3'' × 3'') grüne keramische Fliese mit einer Dicke von 0.25'' ist gebaut worden.
Beipiel 4
Mehrschichten-Herstellung einer Silikon-Nitrid-Fliese. Der Silikonnitrid-Schlamm von Beispiel 2 wird in Form von dünnen Schichten (jeweils 50 μm) mittels eines Streichmessers („doctor blade")auf einem Bautisch aufgebracht. Der Schlamm wird selektiv durch eine Lichteinwirkung mittels eines digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungschips unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe gehärtet. Durch Herstellung von Mehrfachschichten wird ein grüner Silicon-Nitride-Vane gebaut. Jede Schicht entspricht Querschnittsbildern, die aus CAD-Daten erzeugt werden.
Beispiel 5
Mehrschichten-Herstellung eines Silikon-Nitrid-Teils mit Oberflächen-Kompressionsdruckschicht („Surface Compression Stress Layer"). Der Silikonnitrid-Schlamm von Beispiel 2 wird in Form von dünnen Schichten (jeweils 50 μm) mittels eines Streichmessers („doctor blade")auf einem Bautisch aufgebracht. Eine Oberflächen-Kompressionsdruckschicht mit Aluminium und sauerstoffangereichert wird auf den Silikonnitrid-Schlamm durch Verteilung des Silikonnitrid-Schlamms mit Aluminumacrylat-2-ethylhexanoat auf ausgewählte Gebiete mittels eines Dispenserkopfes angewendet. Jede Schicht wird selektiv durch Lichteinwirkung mittels eines digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungschips unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe gehärtet.
Beispiel 6
Mehrschichten-Herstellung einer Silizium-Siliziumnitricarbid-Zusammensetzung. Der folgende Keramikschlamm wird vorbereitet. Siliziumnitrid (63 g), Siliziumcarbid (7 g), Pentaerytritol-Triacrylat (2 g), 2-Hydroxyethylacrylat (10.7 g), 3,4-Epoxycyclohexylmethyl 3,4-Epoxycyclohexancarboxylat (1.56 g), Dibutylphtalat (3 g), 470B (0.098 g) OPPI (-.620 g), DIDMA (0.4 g) und Polyvinylcarbosilan (9.64 g) entsprechend der folgenden Struktur:
Der Keramikschlamm wird in Form von 50 μm dicken Schichten angewendet. Er wird selektiv durch Lichteinwirkung mittels eines digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungschips unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe gehärtet. Die Expositionszeit liegt bei ungefähr 15 Sekunden und die bei 470 nm gemessene Leistung beträgt 25 mW/cm².
Beispiel 7
Multischichten-Fotopolymerisierung eines Siliziumnitrid-Schlamms unter Verwendung eines optischen Systems zum Laser-Scannen. In diesem Beispiel ist der Siliziumnitrid-Schlamm wie in Besipiel 2 vorbereitet und wird in Form von 50.8 μm (2 mil) dicken Schichten auf einem Bautisch angewendet und jede Schicht wird fotoexponiert, indem ein optisches System zum Laser-Scannen (Xerox Corp.) über die Oberflächen der Schichten gefahren wird.
Beispiel 8
Multischichten-Fotopolymerisierung eines Siliziumnitrid-Schlamms unter Verwendung einer LCD-Panel-Maske. In diesem Beispiel wurde der gemäß Beispiel 2 vorbereitete Siliziumnitrid-Schlamm in Form von 50.8 μm (2 mil) dicken Schichten auf einem Bautisch angewendet und jede Schicht wird über eine Dauer von ungefähr 50 Sekunden mittels eines LCD-Panel mit einer 1000 W -Xenonlampe fotoexponiert.
Beispiel 9
Herstellung eines Tonerde-Silbersubstrats. Ein Tonerde-Schlamm wird wie folgt vorbereitet. Pentaerytritol-Triacrylat (13.3 g), 3,4-Eposycyclohexylmethyl-3,4- Epoxycyclohexyancarboxylat (41.1 g), 2-Hydroxyethylacrylat (36.6 g), 470B (Spectra Group Limited Inc., Maumee, OH), (0.65 g) und Hypermer KD-1 (7.91 g) wurden in ein homogenes System gemischt. Getrennt davon wurde 4-Octyloxyphenyl-Phenyl-iodonium-fluorantimonat (OPPI) (GE Silicones) (1.57 g) in Dibutylphtalat (20 g) und 2-Hydroxyethylacrylat (78.05 g) aufgelöst. Die zwei Lösungen wurden zusammen gemischt. Diesem wurden N,N-dimethyl-2,6-diisopropylanilin (0.78 g) und Tonerde-Pulver (800 g) hinzugefügt und der Schlamm wurde vollständig durch "ball milling" gemischt. Der Schlamm wurde dünnen Schichten (75 μm) selektiv durch Lichteinwirkung mittels eines digitalen Mikrospiegel-Vorrichtungschips unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe gehärtet, um ein quadratisches Substrat (5mm dick) mit mehrfachen Vias mit einem Durchmesser von jeweils 250 μm. Eine Lösung des Silber-Präkursors wurde aus Silberakrylat (1 g) vorbereitet, das in 15 mL von 3Picolin durch Erhitzen auf 70–80 Grad Celsius gelöst ist, und durch einen 0.2μm-Mikrofilter gefiltert. The solution is applied' by an ink-jet nozzle along the walls of the Vias. Das gesamte Substrat wird zuerst bei 450 Grad Celsius und dann bei 1200 Grad Celsius gebrannt, um eine dichte Tonerdeplatte mit mehrfachen Vias, die mit Silbermetall beschichtet sind, zu erhalten.
Beispiel 10
Multischichten-Herstellung einer Oberflächen-Akustikwellen-Vorrichtung. Bleiacrylat (37.08 g), Zirkonium-Acetat (22% in Wasser) (38.3 g), und Titanium-Acetylacetonat (16% in Isopropylalkholol) (24.62 g) warden zusammen gemischt. Dieser Lösung werden Salpetersäure, Pentaerytritol-Triacrylat (10.5 g), 470B (0.12 g), 4-Octyloxyphenyl-Phenyl-Iodonium-Fluorantimonat (1.06 g), N,N-Dimethyl-2,6-Diisopropylanilin (0.48 g), Triton X-100 (5 g) und Blei-Zirkonat-Titanat-Pulver (124 g) hinzu gefügt. Der Schlamm wird in Form von dünnen Schichten (50 μm dick) mittels eines Streichmessers („doctor blade")auf einem Bautisch aufgebracht und jede Schicht zwanzig Sekunden lang einer Lichteinwirkung mittels eines DMD-Arrays unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe ausgesetzt. Zehn Schichten werden hergestellt. Eine Lösung eines Silber-Präkursors, der nach Beispiel 9 vorbereitet worden ist, wird im Tintenspritzverfahren auf die obere Schicht des Blei-Zirkonat-Titanat-Schlamms in form von ineinander greifenden Elektroden aufgedruckt. Das gesamte Substrat wird zuerst bei 350 Grad Celsius mitgebrannt ("cofired") gefolgt von Pyrolyse und Abkühlung auf 650 Grad Celsius.
Beispiel 11
Multischichten-Herstellung von Indium-Zinnoxid-Substrat. Zinn-Isopropoxid (8.85 g), Indiumnitrat (0.88 g) und Indiumacrylate (5.4 g) werden in Formamid (15 mL) gelöst. Dieser Lösung werden Salpetersäure (13.6 mL), Pentaerytritol-Triacrlylat (4.5 g), 470B (0.05 g), 4-Octyloxyphenyl-Phenyl-Iodoniumfluorantimonat (0.2 g), N, N-Dimethyl-2,6-Diisopropylanilin (0.06 g) und Indium-Zinnoxid-Pulver hinzu gefügt. Der Silikonnitrid-Schlamm wird in Form von dünnen Schichten (50 μm dick) mittels eines Streichmessers („doctor blade") aufgebracht und jede Schicht über eine Dauer von zwanzig Sekunden einer Lichteinwirkung mittels eines DMD-Arrays unter Verwendung einer 270-Watt-Metallhalogenidlampe ausgesetzt. Zehn Schichten werden dann hergestellt.
Folglich sind spezifische Ausführungsformen und Anwendungen von Verfahren für die Vorbereitung gemischter Metalloxide offenbart worden. Es sollte jedoch für Fachleute offensichtlich sein, dass viele Modifikationen neben den bereits beschriebenen möglich sind, ohne von den erfinderischen Konzepten abzuweichen. Der Erfindungsgegenstand ist daher nicht auf den Inhalt der beigefügten Ansprüche beschränkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mit: – Bereitstellung eines CAD-Modells des dreidimensionalen Objekts, – Bereitstellung eines Baumaterials (30) mit einem Metall, das eine kovalente Bindung zu einem Nicht-Metall hat; – Ablagern des Baumaterials in sukzessiven Schichten (40a, 40b, 40c); – zumindest teilweise Härten des Baumaterials in jeder der sukzessiven Schichten (40a, 40b, 40c) gemäß entsprechender Querschnittsmuster, die zumindest teilweise aus dem CAD-Modell abgeleitet sind; und – Verarbeitung der Schichten (40a, 40b, 40c) zur zumindest teilweisen Herstellung des dreidimensionalen Objekts durch eine chemische Reaktion, die die kovalente Bindung verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall in dem Baumaterial (3) an einen Polymer-Präkursor gebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend die Polymerisation des Präkursors, um ein Polymer herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine zuletzt vorhergehende Schicht (40a, 40b, 40c), und wobei der Schritt der Polymerisation des Präkursors ein Ausrichten von Lichtenergie auf die zuletzt vorhergehende Schicht (40a, 40b, 40c) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Polymer eine organische Komponente aufweist und weiterhin umfassend die Zuführung von Energie dem Polymer, um die organische Komponente zu verflüchtigen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Energie-Zuführung zumindest teilweise die chemische Reaktion antreibt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Energie-Zuführung das Erhitzen des Polymers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemische Reaktion irreversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemische Reaktion eine im Wesentlichen reine Form des Metalls produziert.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die Bereitstellung eines Liganden und wobei die chemische Reaktion eine Verbindung produziert, in der das Metall in kovalenter Weise an den Liganden gebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend die chemische Bindung des Metalls in dem Baumaterial (30) an einen ersten Polymer-Präkursor und die chemische Bindung des Liganden an einen zweiten Polymer-Präkursor.
Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend die chemische Bindung sowohl des Metalls als auch des Liganden an das Polymer und die Zuführung von Energie an das Polymer, um zumindest teilweise die chemische Reaktion anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend die Bereitstellung des Baumaterials (30) als einen Präkursor mit einem ersten Reagens, das das kovalent an einen ersten Liganden gebundene Metall aufweist, und mit einem zweiten Reagens, der eine Redox-Reaktion mit dem ersten Liganden eingeht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Ligand ein Reduktionsmittel und der zweite Reagens ein Oxidationsmittel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin aufweisend eine Initiierung der Redox-Reaktion durch Zuführung von Hitze an eine der Schichten vor dem Anlegen einer weiteren der Schichten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Ligand aus einer Gruppe bestehend aus Nitraten, Nitriten und Perchloraten ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemische Reaktion ein Produkt aus der Gruppe bestehend aus einem hoch-dielektrischen Material, einem ferro-elektrischen Material, einem Brennstoffelement-Material, einem hybrid-elektrischen Material, einem leitenden Oxid und einem elektrochromen Oxid herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemische Reaktion ein Produkt aus der Gruppe bestehend aus einem Silikon-Nitrid, einem Silikoncarbid, einem Borcarbid, einem Titancarbid, einem Titannitrid, einem Wolframcarbid, einem Molybdänoxid, einer Tonerde, einem Zirkonoxid , einem Silikon, einem Ferrit und Mischungen davon herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Bereitstellung des Baumaterials (30) in zumindest zwei Formulierungen und die selektive Anlagerung der zumindest zwei Formulierungen, um eine funktionale Nicht-Gleichmäßigkeit innerhalb des dreidimensionalen Objekts herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die funktionale Nicht-Gleichmäßigkeit aus einer Gruppe bestehend aus einem isotropen Leiter, einem elektrischen Leitungspfad, einem thermischen Leitungspfad, einer strukturellen Aufnahme und einer thermischen Grenze ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zumindest teilweisen Härtens des Baumaterials (30) aus der Gruppe bestehend aus Laser-Sintern, einer Polymerisation eines Monomers und einer Stereolithographie ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zumindest teilweisen Härtens das wahlweise Exponieren des Baumaterials (30) unter Verwendung eines digital betriebenen selektiven Photobelichtungsgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des zumindest teilweisen Härtens das wahlweise Photoexponieren des Baumaterials (30) unter Verwendung von sichtbarem Licht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Bereitstellung von zumindest einer der Schichten (40a, 40b, 40c) als eine die Oberfläche zusammenpressende Druckschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Bereitstellung von zumindest einer der Schichten (40a, 40b, 40c) mit einem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten, der sich von dem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten zumindest einer anderen der Schichten unterscheidet.