NL2013096B1 - Inrichting en werkwijze voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een gekleurd werkstuk. - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een inrichting voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk, omvattende een zich horizontaal uitstrekkend, in verticale richting beweegbaar werkplatform voor het werkstuk, een in een horizontale richting boven het werkplatform ten opzichte van het werkplatform verplaatsbare extrusiekop, toevoermiddelen voor het aan de extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal en een besturingsorgaan voor het besturen van de verplaatsing van het werkplatform, van de verplaatsing van de extrusiekop en van de extrusiekop, waarbij de inrichting een in horizontale richting verplaatsbare, met een inktreservoir verbonden, door het besturingsorgaan bestuurbare inktjetkop voor het naar beneden richten van de inktjet omvat, en het besturingsorgaan is ingericht voor het besturen van inktjetkop, van de verplaatsing van de inktjetkop en het na het aanbrengen van een laag extrusiemateriaal daarop aanbrengen van tenminste één laag inkt. De uitvinding betreft eveneens een dergelijke werkwijze.

Description

Inrichting en werkwijze voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een gekleurd werkstuk.

De laatste jaren neemt het gebruik van 3D-extrusie voor het vervaardigen van werkstukken sterk toe. Dit betreft niet alleen het vervaardigen van prototypen en modellen, maar, mede veroorzaakt door de dalende prijzen van deze techniek, ook productie van kleine series.

Uit de stand van de techniek is dan ook een inrichting bekend voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk, waarbij de inrichting is voorzien van een zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkend, in verticale richting beweegbaar werkplatform voor het dragen van het werkstuk, een in een hoofdzakelijk horizontale richting boven het werkplatform verplaatsbare extrusiekop, toevoermiddelen voor het aan de tenminste ene extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal en een besturingsorgaan voor het besturen van de verticale verplaatsing van het werkplatform, van de horizontale verplaatsing van de extrusiekop en van de extrusiekop.

Voor het vervaardigen van de werkstukken wordt veelal gebruik gemaakt van kunststoffen, zoals PLA (polyactic acid, polymelkzuur) of ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) met een neutrale kleur, zoals wit, grijs of beige. Overigens wordt ook wel gebruik gemaakt van andere thermoplastische materialen. Nadat het werkstuk is voltooid, wordt het geschilderd of gespoten in de gewenste kleur. Het is eveneens bekend, gebruik uit te gaan van materiaal in de gewenste kleur voor het verkrijgen van een werkstuk in deze kleur. Veelal is het gewenst een werkstuk van meer dan een enkele kleur te voorzien. Volgens de stand van de techniek moet dan gebruik worden gemaakt van een inrichting met meer dan één extrusiekop, namelijk één extrusiekop voor elke kleur. Wanneer het werkstuk vele kleuren moet hebben, zoals bij het vervaardigen van maquettes of modellen, wordt dit lastig. Ook komt het voor dat een werkstuk of een deel van een werkstuk een kleur moet krijgen die niet als basismateriaal beschikbaar is. Er bestaat dan ook behoefte aan een inrichting die is geschikt is voor het vervaardigen van een naar wens gekleurd werkstuk en de uitvinding poogt een dergelijke inrichting te verschaffen.

Dit doel wordt bereikt door middel van een inrichting van bovengenoemde soort, die is voorzien van tenminste één in hoofdzakelijk horizontale richting verplaatsbare, met tenminste één inktreservoir verbonden, door het besturingsorgaan bestuurbare inktjetkop die is ingericht voor het naar beneden richten van de inktjet en waarbij het besturingsorgaan is ingericht voor het besturen van inktjetkop en van de verplaatsing van de inktjetkop.

Met behulp van deze maatregelen is het mogelijk de werkstukken een willekeurige kleur te geven. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat bij de 3D techniek het werkstuk wordt opgebouwd uit dunne lagen. De inkt kan hierbij tussen de lagen worden gespoten, waarbij in eerste instantie de transparantie van de lagen het werkstuk de betreffende kleur geeft.

De uitvinding betreft eveneens een werkwijze voor het vervaardigen van een tenminste gedeeltelijk aan zijn buitenvlak gekleurd werkstuk door middel van 3D-extrusie, omvattende de stappen van het door middel van een extrusiekop aanbrengen van tenminste een eerste laag extrusiemateriaal op een werkplatform, het door middel van een inktjetkop op de aangebrachte laag extrusiemateriaal aanbrengen van een inktlaag, het door middel van de extrusiekop op de aanwezige laag extrusiemateriaal aanbrengen van een volgende laag extrusiemateriaal en het door middel van de inktjetkop op de volgende laag extrusiemateriaal aanbrengen van een inktlaag en het herhalen van de laatste twee stappen totdat het werkstuk is voltooid.

Bij voorkeur is de extrusiekop ingericht voor het aanbrengen van een laag voor een inktsoort doordringbaar extrudeerbaar materiaal en is de inktjetkop ingericht voor het aanbrengen van de inktsoort die het geextrudeerde materiaal kan doordringen. Deze maateregel maakt het mogelijk het materiaal door en door te kleuren opdat de buitenwand van het werkstuk wordt gekleurd. Het doordringen van de inkt tot in de laag extrusiemateriaal kan plaatsvinden wanneer het extrusiemateriaal daarvoor geschikt is, in het bijzonder wanneer het een zekere porositeit heeft. In principe kunnen inktsoorten worden gebruikt die tot in het poreuze materiaal kunnen doordringen. Dit geldt in het bijzonder voor inkten op waterbasis en voor inkten op basis van oplosmiddelen. Ook kunnen bij UV-licht uithardende inkten worden gebruikt, mits deze vooafgaande aan het uithareden door bestraling met UV-licht, voldoende dunvloeibaar zijn om tot in het extrusiemateriaal door te dringen.

Deze uitvoeringsvorm verschaft ook een werkwijze waarbij na het aanbrengen van een inktlaag op een extrusielaag, de inkt tenminste gedeeltelijk tot in het materiaal van de extrusielaag doordringt.

Om inkt en tijd te besparen, heeft het de voorkeur dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een, zich slechts over een deel van het oppervlak van de aangebrachte laag extrusiemateriaal uitstrekkende laag inkt.

Dit is in het bijzonder het geval wanneer het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een laag inkt die zich over een aan de buitencontour van de aangebrachte laag extrusiemateriaal grenzende strook van de aangebrachte laag extrusiemateriaal uitstrekt. Dan wordt immers alleen inkt gebruikt in de gebieden waar het van buiten af zichtbaar is.

Deze uitvoeringsvorm verschaft eveneens een werkwijze waarbij de inktlaag wordt aangebracht op een zich aansluitend op de buitencontour van de aangebrachte laag extrusiemateriaal uitstrekkende strook.

Het heeft voorts de voorkeur wanneer het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een inktlaag op tenminste dat deel van een aanwezige laag extrusiemateriaal dat niet door een volgende laag extrusiemateriaal wordt bedekt. Ook dit deel vormt immers een deel van de zichtbare zijde van het werkstuk.

Deze uitvoeringsvorm verschaft eveneens een werkwijze, waarbij de inktlaag wordt aangebracht op gebieden van de aangebrachte laag extrusiemateriaal die niet door een volgende laag extrusiematerial worden bedekt.

Veelal is het gewenst dat het werkstuk verschillende kleuren heeft. Hiertoe verschaft een verdere uitvoeringsvorm de maatregel dat de inktjetkop is verbonden met tenminste twee verschillende inktreservoirs en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een inktlaag met lokaal verschillende kleuren.

Deze uitvoeringsvorm verschaft eveneens een werkwijze, waarbij een inktlaag met lokaal verschillende kleuren wordt aangebracht.

Wanneer inkt wordt gebruikt in combinatie met een extrusiemateriaal waarin de inkt niet kan doordringen, is het aantrekkelijk wanneer de inktjetkop is ingericht voor het schuin naar beneden richten van de uit de kop tredende inktjet, de inktjetkop om een verticale as draaibaar op de drager is bevestigd en het besturingsorgaan is ingericht voor het op de buitenwand van de aangebrachte laag extrusiemateriaal aanbrengen van een inktlaag.

Deze uitvoeringsvorm verschaft voorts een werkwijze, waarbij bij het aanbrengen van een inktlaag op het aan de omtrek van een aangebrachte laag extrusiemateriaal grenzende strook, een inktlaag op de buitenwand van de aangebrachte laag extrusiemateriaal wordt aangebracht.

Het is aantrekklijk wanneer de extrusiekop geplaatst is op een in een horizontaal vlak beweegbare eerste drager en de inkjetkop geplaatst is op een in een horizontaal vlak beweegbare tweede drager. Hiermede kunnen de extrusiekop en de inktjekop onafhankelijk van elkaar worden bewogen, zodat het extruderen van extrusiemateriaal tegelijkertijd met het aanbrengen van inkt plaats kan vinden. Deze configuratie vereist twee verschillende dragers en een hiertoe geschikte besturing.

De constructie van de inrichting volgens de uitvinding wordt vereenvoudigd wanneer de extrusiekop en de inktjetkop beide zijn geplaatst op een in een horizontaal vlak beweegbare drager. Ook de besturing van de bewegingen van de koppen wordt dan vereenvoudigd. Het aanbrengen van de inkt dient dan echter plaats te vinden na het aanbrengen van de lagen extrusiemateriaal, hetgeen meer tijd vergt.

In vele gevallen heeft het werkstuk een vorm die voorzien is van delen die zich uitstrekken tot buiten die delen van het werkstuk die op het werkplatform rusten.

Hiertoe verschaft een specifieke uitvoeringsvorm de maatregel, dat op de eerste drager een extra extrusiekop is aangebracht voor het aanbrengen van verwijderbaar materiaal, dat de inrichting is voorzien van extra toevoermiddelen voor het aan de extra extrusiekop toevoeren van verwijderbaar materiaal en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het besturen van de extra extrusiekop. Het verwijderbare materiaal vormt hierbij een verwijderbare basis voor de betreffende delen van het werkstuk.

In het algemeen heeft de bij inktjet gebruikelijke inkt een aanzienlijke droogtijd.

Voor gebruik van bij UV-licht uithardende inktsoorten, is de inrichting bij voorkeur voorzien van een UV-lichtbron die is ingericht voor het bestralen van de door de inktjetkop op het werkstuk aangebrachte inkt. Ook biedt het gebruik van bij UV-licht drogende inkt de mogelijkheid duurzamere inktsoorten toe te passen. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van een enkele UV-lichtbron die het gehele werkstuk of het gehele oppervlak van het werkplatform kan bestralen, of van een UV-lichtbron die op een in een horizontaal vlak beweegbare drager is geplaatst.

Vervolgens wordt de uitvinding toegelicht aan de hand van de volgende, niet beperkende tekeningen, waarin voorstellen:

Figuur 1: een schematisch doorsnedeaanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 2: een schematisch doorsnedeaanzicht van een werkstuk ter verklaring van de uitvinding;

Figuur 3: een met figuur 2 overeenkomend aanzicht van een ander werkstuk;

Figuur 4: een detailaanzicht van het in figuur 3 afgebeelde werkstuk;

Figuur 5: een met figuur 4 overeenkomend detailaanzicht van een ander werkstuk; en

Figuur 6: een met figuren 4 en 5 overeenkomend detailaanzicht van weer een ander werkstuk.

De in figuur 1 schematisch getoonde, in zijn geheel met 1 aangeduide inrichting omvat een basis 2, waarop een schematisch weergegeven frame 3 is geplaatst. De inrichting omvat voorts een zich horizontaal uitstrekkend werkplatform 4, dat door middel van een in verticale richting werkzaam verstelmechanisme met een aantal elk door een motor 5 aandrijfbare spindels 6, die zich door met het werkplatform verbonden moeren 7 heen uitstrekken. Een drager 8 is door middel van een horizontaal bewegingsorgaan 9 verbonden met het frame 3. De drager 8 is in de langterichting van het bewegingsorgaan 9 verplaatsbaar. Het bewegingsorgaan 9 is aan beide einden verbonden met een zich in de dwarsrichting van het bewegingsorgaan 9 uitstrekkende rails 10, en het bewegingsorgaan 9 is langs de rails 10 verplaatsbaar. Een extrusiekop 11 en een inktjetkop 12 zijn op de drager 8 geplaatst. De extrusiekop 11 is door middel van een niet weergegeven toevoerslang verbonden met een niet weergegeven voorraad extrusiemateriaal. In een compartiment 13 is een besturingsorgaan in de vorm van een digitaal rekentuig 14 geplaatst. Het rekentuig 14 is ingericht voor het besturen van het verstelmechanisme 5, 6,7 voor het werkplatform 4, de bewegingsorganen 8, 9, de extrusiekop 11 en de inktjetkop 12 .

Op op zich bekende wijze wordt een werkstuk op het werkplatform 4 gevormd door het laagje voor laagje op het werkplatform 4 extruderen van extrusiemateriaal door de extrusiekop 11 onder besturing van het besturingsorgaan 14. Volgens de uitvinding wordt na het aanbrengen van een laagje extrusiemateriaal een inktlaag aangebracht om het werkstuk een kleur te geven. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de inktjetkop 13 die eveneens door het besturingsorgaan 14 wordt bestuurd. Bij de in deze figuur weergegeven uitvoeringsvorm wordt gebruik gemaakt van een enkele drager 8, waarop de extrusiekop 1 lgebruik; te maken van en de inktjetkop 12 zijn geplaatst, zodat het proces van het aanbrengen van de inkt plaats moet vinden na het aanbrengen van een laag extrusiemateriaal. Het is overigens eveneens mogelijk beide koppen op onafhankelijk van elkaar beweegbare dragers aan te brengen.

Vervolgens toont figuur 2 een schematisch doorsnedeaanzicht van een werkstuk 20. Het werkstuk omvat een eerste aangebrachte laag extrusiemateriaal 21a. Op aan de randen van de laag 21a grenzende stroken van het bovenvlak van de laag 21a is een inktlaag 22a in de gewenste kleur aangebracht. Vervolgens is op het aldus gevormde samenstel een tweede laag extrusiemateriaal 21b aangebracht en op aan de randen van de laag 21b grenzende stroken van het bovenvlak van de laag 21b is een inktlaag 22b in de gewenste kleur aangebracht.

De volgende vijf lagen van het werkstuk zijn op soortgelijke wijze gevormd, met dien verstande dat de bovenste laag 21e is voorzien van een bredere laag inkt 22e; de daarop geplaatste laag 22f heeft immers een kleinere uitstrekking en de niet door deze bovenliggende laag 22f bedekte delen vormen een buitenvlak van het voltooide werkstuk, zodat deze delen in hun geheel door de laag inkt 22f dienen te worden bedekt.

De bovenste laag extrusiemateriaal 21h vormt mede het bovenvlak van het werkstuk en deze bovenste laag is dan ook in zijn geheel bedekt met een laag inkt 22h.

Bij deze uitvoeringsvorm is uitgegaan van de situatie dat de inkt een aparte laag vormt en dat zij niet tot in de laag extrusiemateriaal dringt. Dit gedrag van de inkt hangt uiteraard af van de aard van de inkt en van het extrusiemateriaal. Kleuring van de niet door de inkt bedekte zijvlakken van de lagen extrusiemateriaal vindt plaats doordat het extrusiemateriaal enigszins transparant is. Het is echter ook mogelijk gebruik te maken van extrusiemateriaal dat doordringbaar is voor de inkt opdat de inkt zich verspreidt binnen het extrusiemateriaal en de inkt ook het buitenvlak van het extrusiemateriaal kleurt. Een dergelijk situatie is weergegeven in figuur 3. Hierbij verdwijnt elke inktlaag 22 in het onderliggende deel 23 van de laag extrusiemateriaal. Dit geldt voor elk van de onderliggende delen 23a-23h. Opgemerkt wordt dat het gebied 23e tot waarin de inkt zich heeft verspreid, breder is dan de gebieden 23a-23d. Eveneens bestrijkt het gebied 23h de gehele laag 22h van het extrusiemateriaal. Aldus is niet alleen het bovenvlak van de lagen extrusiemateriaal gekleurd, maar bovendien de zijvlakken van deze lagen.

Aangenomen wordt dat de inkt zich niet uniform verdeelt over de gebied, maar dat de verdeling een gradiënt heeft, daar het proces waarmee de inkt zich verdeelt over het onderliggende gebied enigszins lijkt op diffusie. Dit leidt tot een verdeling zoals die is weergegeven in figuur 4. Figuur 4 toont twee lagen 21a en 21b, waarin gebieden 23a en 23 zijn gevormd door het van boven af door middel van de inktjetkop aanbrengen van een inktlaag 22a, respectievelijk 22b en de door de combinatie van inktsoort en de aard van het extrusiemateriaal verdelen van de inkt over het onder de inktlaag liggende gebied. Er ontstaat overigens eveneens een gradiënt in de dwarsrichting als gevolg van het verdeelproces.

Het is overigens niet uitgesloten de inkt op het zijvlak van de aangebrachte laag extrusiemateriaal aan te brengen, zoals is weergegeven in figuur 5. Dit vereist een inktjetkop die is ingericht voor het afgeven van een inktjet met een horizontale richtingscomponent, dan wel een bevestiging van de inktjetkop op de drager die een kanteling van de inkjetkop moglijk maakt opdat de inktjetkop een op deze zijvlakken gerichte inktjet afkan geven. In het laatste geval moeten de inktjetkop ook om een verticale as draaibaar zijn. Figuur 5 toont de aangebrachte verticale inktlagen 24a en 24b.

Ook in deze laatste situatie is het mogelijk gebruik te maken van een combinatie van een inktsoort en een aard van extrusiemateriaal waarbij de inkt tenminste voor een deel zich tot in het extrusiemateriaal verdeelt, al is dit niet per se noodzakelijk voor het vereiste effect. De dan ontstane situatie is weergegeven in figuur 6. Hierbij zijn de inktlagen 24a en 24b aangebracht op de zijvlakken van de lagen extrusiemateriaal 21a en 21b. De inkt heeft zich vervolgens verdeeld in de op de inktlagen 24a, 24b aansluitende delen 25a, 25b van de lagen extrusiemateriaal 21a, 21b.

De laatstbeschreven uitvoeringsvormen betreffen het verdelen van de inkt in het extrusiemateriaal. Het is de uitvinders gebleken dat bijna alle door een inktjet te verwerken inktsoorten geschikt zijn voor dit proces. Voorts is gebleken dat de volgende extrusiematerialen zich goed hiervoor lenen.

Claims (16)

1. Inrichting voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk, waarbij de inrichting omvat: - een zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkend, in verticale richting beweegbaar werkplatform voor het dragen van het werkstuk, - een in een hoofdzakelijk horizontale richting boven het werkplatform ten opzichte van het werkplatform verplaatsbare extrusiekop; - toevoermiddelen voor het aan de tenminste ene extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal; en - een besturingsorgaan voor het besturen van de verticale verplaatsing van het werkplatform, van de horizontale verplaatsing van de extrusiekop en van de extrusiekop, met het kenmerk, - dat de inrichting is voorzien van tenminste één in hoofdzakelijk horizontale richting verplaatsbare, met tenminste één inktreservoir verbonden, door het besturingsorgaan bestuurbare inktjetkop die is ingericht voor het in verticale richting naar beneden richten van de inktjet, en - dat het besturingsorgaan is ingericht voor het besturen van inktjetkop, voor het besturen van de verplaatsing van de inktjetkop en voor het na het aanbrengen van een laag extrusiemateriaal op de aangebrachte laag extrusiemateriaal aanbrengen van tenminste één laag inkt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de extrusiekop is ingericht voor het aanbrengen van een laag voor een inktsoort doordringbaar materiaal en dat de inktjetkop is ingericht voor het aanbrengen van de inktsoort die het geextrudeerde materiaal kan doordringen.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een, zich slechts over een deel van het oppervlak van de aangebrachte laag extrusiemateriaal uitstrekkende laag inkt.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een laag inkt die zich over een aan de buitencontour van de aangebrachte extrusielaag grenzende strook van de aangebrachte laag extrusiemateriaal uitstrekt.

5. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een laag inkt op gebieden van de aangebrachte extrusielaag die niet door een volgende extrusielaag worden bedekt.

6. Inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inktjetkop is verbonden met tenminste twee verschillende inktreservoirs en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het aanbrengen van een inktlaag met lokaal verschillende kleuren.

7. Inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inktjetkop is ingericht voor het schuin naar beneden richten van de uit de kop tredende inktjet, dat de inktjetkop om een verticale as draaibaar op de drager is bevestigd en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het op de buitenwand van de aangebrachte laag extrusiemateriaal aanbrengen van een laag inkt.

8. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de extrusiekop geplaatst is op een in een horizontaal vlak beweegbare eerste drager en dat de inkjetkop geplaatst is op een in een horizontaal vlak beweegbare tweede drager.

9. Inrichting volgens één van de conclusies 1-7, met het kenmerk, dat de extrusiekop en de inktjetkop beide zijn geplaatst op eenzelfde, in een horizontaal vlak beweegbare drager.

10. Inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van een UV-stralingsbron.

11. Werkwijze voor het vervaardigen van een tenminste gedeeltelijk aan zijn buitenvlak gekleurd werkstuk door middel van 3D-extrusie, omvattende de volgende stappen: - het door middel van een extrusiekop aanbrengen van tenminste een eerste laag extrusiemateriaal op een werkplatform; - het door middel van een inktjetkop op de tenminste eerste laag extrusiemateriaal aanbrengen van tenminste één inktlaag; - het door middel van de extrusiekop op de aanwezige laag extrusiemateriaal aanbrengen van een volgende laag extrusiemateriaal; - het door middel van de inktjetkop op de volgende laag extrusiemateriaal tenminste binnen een aan de buitenomtrek van de volgende laag grenzende strook aanbrengen van een inktlaag; en - het herhalen van de laatste twee stappen totdat het werkstuk is voltooid.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat na het aanbrengen van een inktlaag op een extrusielaag, de inkt tenminste gedeeltelijk tot in het materiaal van de extrusielaag doordringt.

13. Werkwijze volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk, dat de inktlaag wordt aangebracht op een zich aansluitend op de buitencontour van de aangebrachte extrusielaag uitstrekkende strook.

14. Werkwijze volgens conclusie 11, 12 of 13, met het kenmerk, dat de inktlaag wordt aangebracht op gebieden van de aangebrachte extrusielaag die niet door een volgende extrusielaag worden bedekt.

15. Werkwijze volgens één van de conclusies 11-14, met het kenmerk, dat een inktlaag met lokaal verschillende kleuren wordt aangebracht.

16. Werkwijze volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat bij het aanbrengen van een inktlaag op het aan de omtrek van een aangebrachte laag extrusiemateriaal grenzende strook, tevens een inktlaag op de buitenwand van de aangebrachte laag extrusiemateriaal wordt aangebracht.