NL2015725B1 - Werkwijze en inrichting om 3D objecten te vormen. - Google Patents

Abstract

Beschreven wordt een werkwijze waarbij: een driedimensionaal object op een platform wordt gevormd door het laagsgewijze opbrengen van objectmateriaal, 5 dat afkomstig is van ten minste één in een opstelling opgenomen unit waarvan verder een samenvoeg unit deel uitmaakt waarmee een bindervloeistof op het objectmateriaal wordt gespoten, de opstelling en het platform in drie dimensies ten opzichte van elkaar beweegbaar zijn, en in welke opstelling ten minste één unit voor steunmateriaal is opgenomen, en is voorzien in met de voornoemde units verbonden stuurorganen die op basis van commando’s de opstelling en/of het platform ten opzichte van elkaar laten bewegen en die telkens één van de units het objectmateriaal, de bindervloeistof of het steunmateriaal op het platform laat spuiten. Combinaties van poeder printen, kleur inkjet printen en FDM zijn hierbij mogelijk.

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING OM 3D OBJECTEN TE VORMEN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze waarbij een 3-dimensionaal object op een platform wordt gevormd door het laagsgewijze opbrengen van objectmateriaal dat afkomstig is van ten minste één in een opstelling opgenomen unit.

De onderhavige uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het vormen van 3-dimensionale objecten, welke is voorzien van een platform, waarop een object laagsgewijze uit objectmateriaal te vormen is, en is voorzien van een opstelling die ten minste één objectmateriaal unit omvat.

Dergelijke zogeheten 3D printers zijn algemeen bekend. Daarmee worden FDM (Fused Deposition Modeling) objecten in veelal één kleur gevormd.

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde universeel toepasbare werkwijze die op eenvoudig aan te passen gangbare 3D printers op een kostprijsvriendelijke wijze kan worden uitgevoerd.

Daartoe hebben de werkwijze en inrichting overeenkomstig de uitvinding de kenmerken van de respectievelijke conclusies 1 en 9.

Voordeel hiervan is dat sprake is van twee of meer units voor het op commando van de stuurorganen naar wens selectief in- of uitschakelen van de betreffende units. Daarmee is het mogelijk om afwisselend objectmateriaal waarmee het object wordt gevormd of steunmateriaal te kiezen, welk steunmateriaal ertoe dient om naar wens delen van het object te ondersteunen als daar vervolgens objectmateriaal overheen wordt gespoten. Dit betekent dat met voordeel complexer gevormde delen van het object, zoals overhangende delen, met eenvoudige aanpassingen op bestaande 3D printers realiseerbaar worden en vanwege de daarmee gemoeide lage kosten ook binnen bereik van het grote publiek komen. Het steunmateriaal kan met voordeel een wat grover materiaal zijn, zodat op deze wijze het fijnere wat kostbaarder materiaal voor het vormen van het eigenlijke object daar niet voor hoeft te worden verbruikt. Verder is het mogelijk om een prototype als geheel uit grover object- of steunmateriaal samen te stellen en het betreffende fijnere materiaal tijdens de werkwijze van het 3D vormen alleen op het buitenoppervlak aan te brengen, waardoor met de werkwijze c.q. inrichting volgens de uitvinding toch een degelijk en volwaardig ogend prototype kan worden vervaardigd, zonder overbodig gebruik van het wat duurdere fijnere objectmateriaal.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het steunmateriaal een poedervormig materiaal uit een als poeder print unit uitgevoerde unit is en/of een smeltbare uithardende kunststof is uit een als FDM (Fused Deposition Modeling) unit uitgevoerde unit is.

Voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat het steunmateriaal naar wens door middel van de met de units verbonden stuurorganen te kiezen is uit het poedervormige materiaal of kunststof.

Een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat is voorzien in de met de stuurorganen verbonden FDM unit waarmee de kunststof in de vorm van een bekisting rond het object op het platform wordt aangebracht.

Voordeel van deze bij voorkeur gecombineerde poederprint FDM werkwijze is dat het poeder printen van het object binnen de meegevormde FDM bekisting wordt uitgevoerd. Door de grotere sterkte en de wel gedefinieerde stabiele opsluiting van de FDM bekisting in plaats van een poederprint bergje, is slechts een klein volume aan relatief kostbare inkt vergende object poedermaterialen nodig. Gegeven de afmetingen van het platform kan met behulp van de bekisting ook een hoger object worden opgebouwd.

Een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat is voorzien in een afvlakinrichting die over de bovenkant van het door poeder printen of FDM te vormen object wordt bewogen, waarmee overtollig object- en/of steunmateriaal wordt verwijderd.

Voordeel hiervan is dat een betere en schonere laagsgewijze opbouw van het object ontstaat, omdat de materialen al of niet tijdens het opbouwen, maar eventueel telkens door de afvlakinrichting bewerkt laagsgewijze, maar schoon worden aangebracht, waardoor de verschillende materiaallagen van elkaar gescheiden kunnen worden en bijvoorbeeld niet in elkaar over gaan of uitlopen. Verder biedt de afvlakinrichting het voordeel dat een vlak oppervlak van het poeder wordt gemaakt, waardoor een nauwkeurig inkjet printen of laser sinteren mogelijk zijn geworden.

Verder gedetailleerde mogelijke uitvoeringsvormen die in de overige conclusies zijn uiteen gezet, zijn samen met de daarbij behorende voordelen in de navolgende beschrijving vermeld.

Thans zullen de werkwijze en inrichting volgens de onderhavige uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van de onderstaande figuren, waarin overeenkomstige onderdelen van dezelfde verwijzingscijfers zijn voorzien.

Daarbij tonen:

Figuren 1 tot en met 6 inrichtingen volgens de uitvinding voor het vormen van 3D objecten waarin dienovereenkomstige werkwijzen, die tevens in detail zijn weergegeven, worden toegepast; toont:

Figuur 7 een uitvoeringsvorm van een complete 3D printer, waarin poeder printen, afvlakken van de poederberg en inkjet printen zijn gecombineerd, en

Figuur 8 een perspectivische weergave van een opstelling waarin met inkjet units verbonden poederprint units zijn gekoppeld met een FDM unit.

De figuren 1-6 tonen schematisch een weergave van een inrichting 1 voor het vormen van 3D objecten 2, alsmede voor het toelichten van de voor de betreffende werkwijze relevant geachte details. Op een platform 3 bevindt zich in figuur 1 een bergje 4 met gedeeltelijk een eerste steunmateriaal 5-1, dat gebruikt is voor het steunen van tweede steunmateriaal 5-2, waarbinnen zich objectmateriaal bevindt dat het eigenlijke materiaal is voor het object 2. De voornoemde diverse materialen komen uit even zo vele units 6-1, 6-2 et cetera, waarvan er slechts twee in de figuren 1-6 zijn weergegeven. Deze units zijn inkjet units die zijn gevuld met een veelal kleurloze bindervloeistof en respectievelijke inkten die elk een basis pigmentkleur hebben. Een voorbeeld van een mogelijke bindervloeistof is water gecombineerd met een poeder van polyvinyl alcohol. Door het combineren van de inkten kan het gehele palet aan kleuren worden gerealiseerd.

Bestuurd door niet weergegeven, met onder andere de units 6-1, 6-2 verbonden, veelal programmeerbare stuurorganen wordt tijdens een gecreëerde onderlinge 3-dimensionale beweging tussen het platform 3 en een daarboven gelegen opstelling 7, waar, onder andere de diverse units 6-1 en 6-2 vast zitten, het bergje poedermateriaal door middel van poeder printen op het platform 3 gestrooid, wat veelal plaats vindt door de poederhouders te laten trillen. Het poedermateriaal of de verschillende poedermaterialen waaruit het object 2 gevormd wordt komen uit poederprint houders 8, en in de houders 8 bevinden zich bij voorkeur niet getoonde sensoren, zoals een fotocel met sensor, die een waarschuwing geven als het niveau van het materiaal in de betreffende houder 8 te laag wordt en dit aangevuld dient te worden.

Tijdens het althans gedeeltelijk vormen van het poederbergje wordt de bindervloeistof uit één van de inkjet units 6 over het poeder gespoten, waardoor dit klontert en één geheel vormt. Als het poeder een inktbindend materiaal is kan door inkt uit één of meer van de inkjet units een gewenste kleur aan het object 2 worden gegeven.

Selectieve keuze van het op het platform 3 opgebrachte steun en/of objectmateriaal door middel van de stuurorganen maakt het mogelijk om tot een besparing van het meest kostbare van dergelijke materialen te komen en om diverse eigenschappen in een voorwerp te combineren. Zo kan bijvoorbeeld gekozen worden voor een materiaal met zodanige eigenschappen dat een rubberachtig object oppervlak ontstaat. Te denken is dan aan een met dextrine bedekt rubber korrelmateriaal. Of kan als een ander poeder een hard materiaal vormt een voorwerp gemaakt worden dat gedeeltelijk rubberachtig en gedeeltelijk hard is, wat dan bijvoorbeeld een hamer met een rubberachtig handvat oplevert. Ook is het bijvoorbeeld mogelijk om aan het object een harig buitenoppervlak te geven.

In figuur 2 is een soortgelijke inrichting 1 getoond, samen met een bergje 4 waarvan de zijkanten in dit geval het object 2 omhullen. In dat geval is minder van het objectmateriaal nodig.

De stuurorganen kunnen zo worden geprogrammeerd dat een omhulling als een huid op afstand om het object wordt gevormd, waardoor het aantal noodzakelijke printbewegingen wordt geminimaliseerd.

In figuur 3 is expliciet een eveneens met de stuurorganen verbonden FDM (Fused Deposition Modeling) unit 9 getoond, naast twee andere inkjet units 6. Door middel van door programmeerbare software gegenereerde commando's in de stuurorganen wordt door de FDM unit 9, waaraan een smeltbare kunststof draad wordt toegevoerd, uit de gesmolten draad een 3D kunststof bekisting 10 rond het object 2 op het platform 3 gevormd. De in dit geval uit kunststof steunmateriaal opgebouwde bekisting 10 heeft relatief sterke wanden waarbinnen het objectpoeder ligt opgesloten, waardoor minder van dat relatief kostbare objectmateriaal bij deze gecombineerde werkwijze nodig is.

Een andere toepassing waarbij FDM is gecombineerd met poeder printen en inkjet printen toont figuur 4. Omgekeerd is hier het kunststofmateriaal gebruikt als objectmateriaal en is het poedervormige objectmateriaal gebruikt als steunmateriaal in een ondersteuningsblokje 11 voor een overhangend deel van het paardenkop object 2.

In figuur 5 is een inrichting 1 getoond met vaste wanden 12, waartussen het althans in hoogte verplaatsbare platform 3 kan worden bewogen, dat in dit geval als verstelbare bodem of zuiger is uitgevoerd. De ten minste ene unit 6, is hier in een horizontaal vlak, veelal zig-zagsgewijze, verplaatsbaar. Ook hier kunnen FDM, poeder printen en inkjet printen voor het binden en kleuren van het objectmateriaal worden gecombineerd, waartoe minimale aanpassingen in een bestaande FDM machine hoeven te worden aangebracht.

Figuur 6 toont ook een inrichting 1 waarin voornoemde combinatie is aangebracht. Indien het aanbrengen van inkt of een inktbevattende substantie op bij FDM machines toegepaste kunststoffen of andere daarin gebruikte materialen niet goed mogelijk is vanwege een gebrekkige hechting zou het object 2 kunnen worden opgeruwd met behulp van bijvoorbeeld een borstel. Schematisch is een draaiende staalborstel 13 in figuur 6 getoond. Ook is het mogelijk om een grondlaag of primer door middel van een afzonderlijk spuitorgaan 14 over het object 2 te sprayen. Het is natuurlijk ook mogelijk om een bestuurde extra strooiunit waarin zich een omhullende substantie of coating bevindt toe te passen. In dat geval wordt de omhulling of coating op het buitenoppervlak van het object 2 aangebracht. Vervolgens kunnen de inkjet units die zijn gevuld met verschillende kleuren inkt ook worden gebruikt om het buitenoppervlak van het object 2 een gewenste kleur te geven.

In de figuren 1-6 is verder een in de inrichting opgenomen afvlakinrichting 15 weergegeven die over de bovenkant van het door poeder printen of FDM te vormen object 2 wordt bewogen en waarmee overtollig object- en/of steunmateriaal wordt verwijderd. De inrichting 15 kan zijn uitgevoerd met een tijdens het over de bovenkant bewegen draaiende roller die in een richting draait waarbij overtollig materiaal van het object 2 weg beweegt. Ook in dit geval kunnen de voornoemde kleur inkjet units 6 worden gecombineerd met een eventueel reeds bestaande FDM machine.

In de thans gangbare FDM machines worden steunstructuren ook met FDM gemaakt. Deze structuren moeten na het printproces van het object worden afgebroken, wat lelijke imperfecties op het uiteindelijke model geeft. De inkjets kunnen een vloeistof spuiten op de overgang van steunstructuur naar object die de onderlinge hechting van FDM lagen vermindert of opheft. Hierdoor is de steunstructuur gemakkelijker te verwijderen en zijn minder of minder lelijke imperfecties op het model zichtbaar.

Figuur 7 toont een nader gedetailleerde uitvoering van een meer complete 3D printer, waarin poeder printen, afvlakken van de poederberg en inkjet printen tegen lage kostprijs zijn gecombineerd. Dit in tegenstelling tot bestaande 3D printers. De opstelling 7 is in een zigzag beweging over het bergje 4 beweegbaar. Als daarbij een laagje poeder uit de daarbij trillende poederprint houder 8 op het platform 3 is afgezet beweegt de opstelling 7 omhoog en/of het platform 3 omlaag, teneinde de volgende poederlaag op de vorige laag aan te brengen. Dit kan indien noodzakelijk worden afgewisseld door het vanuit de inkjet unit 6 daarop spuiten van de bindende vloeistof waardoor de relevante fysische eigenschap van het poeder wijzigt en dit samenklontert tot een -deel van- een object 2. Het samenklonteren kan bijvoorbeeld -ook- worden bereikt door het poeder, al of niet gedeeltelijk, te verwarmen of door het met behulp van een laser 16 te bestralen. Door de van een laserstraal stuurinrichting voorziene laser 16 te moduleren kan desgewenst een gedeelte van het poeder worden gesinterd, eventueel door er een verwarmd inert gas zoals argon omheen te blazen. Het poeder object wordt desgewenst afgevlakt met een eerder toegelichte afvlakinrichting 15. Het kleuren van gevormde object 2 vindt ook plaats door middel van één of meer van de inkjet units 6-1, 6-2. Om alle mogelijke kleuren te maken worden druppeltjes inkt met de kleuren cyaan, magenta en geel opgespoten. Mengkleuren kunnen gemaakt worden door druppelgroottes te moduleren of door een tevoren bepaald ditterpatroon op te brengen. In een voorkeursopstelling is de kleuren inkjet unit model C1823D van een Hewlett Packard. Het objectpoeder is bij voorkeur wit van oorsprong en om dit te kunnen binden wordt bij voorkeur een hoofdzakelijk water bevattende kleurloze vloeistof gebruikt die is vermengd met 10% isopropyl alcohol en 10% di-ethyleen glycol.

Wanneer het poeder in de houder 8 beneden een bepaald niveau komt start een wormwiel 17 in een poeder reservoir 18, waardoor via een flexibele slang 19 nieuw poeder in de houder 8 valt.

Figuur 8 toont een perspectivische weergave van een in het XY vlak beweegbare opstelling 7 waarin met inkjet units 6 verbonden poederprint units 8 zijn gekoppeld met een FDM unit 9. Deze combinatie past goed bij de populaire Ultimaker-2 3D printer. De afvlakinrichting 15 die een strook poeder afvlakt heeft een sneldraaiende roller die bij voorkeur onder een kleine hoek gedraaid om de Z-as staat. Daardoor komt er geen poeder op een reeds afgevlakte strook terecht. Daarna wordt op het afgevlakte gedeelte van het object of model met inkjet inkt gespoten. Om te voorkomen dat de afvlakinrichting het nog natte poeder raakt vindt het inkjet spuiten één of meer stroken later plaats. Bijvoorbeeld wordt tijdens het afvlakken van de derde strook de eerste strook inkt gespoten.

Aanvullende aspecten aangaande de toegelichte uitvoeringen zijn: 1) De in een, eventueel bestaande FDM machine geïntegreerde kleuren inkjet units 6 ontvangen bewegingsgegevens van de stapgrootte en bewegingsrichting van de XY beweegbare opstelling 7 om op gewenste momenten object- en/of steunmateriaal, dan wel bindervloeistof en/of kleurpoeder op te brengen. Deze informatie kan ook uit een geheugenmedium, zoals een extern geheugenkaartje komen. 2) Om niet te hoeven ingrijpen in de elektronica van de FDM machine kan de inkjet unit 6 en/of de poederprint unit 8 van eigen verplaatsingsdetectie organen zijn voorzien. Een voorbeeld daarvan is het toepassen van een hoek-encoder die de beweging van de betreffende unit of opstelling volgt. 3) Bij voorkeur wordt op het platform 3 een uitneembare plaat of een uitneembaar rooster gelegd om het object uit de inrichting 1 te nemen, dat dan eenvoudig bijvoorbeeld in een oven of een stofdichte afblaasinrichting kan worden geplaatst, en waarbij overtollig poeder door het van gaten voorziene rooster heen zou kunnen vallen.

De combinatie van inkjet en poeder kan ook op andere manieren worden gebruikt om modellen te vormen. In plaats van een binder kan de inkjet een binder onderdrukker spuiten. Deze laatste voorkomt dat in een secundair proces, bijvoorbeeld verwarmen in een oven, met poeder met elkaar verbonden raakt. Het poeder kan levend materiaal bevatten dat zorgt dat dit aan elkaar groeit. Als bindonderdrukker kan de inkjet een voor dit leven giftig materiaal bevatten. Ook kunnen de vloeistof die de inkjets spuiten een levend materiaal, zoals stamcellen bevatten. Dit materiaal kan dan in het poeder aan elkaar groeien.

Claims (17)

1. Werkwijze: - waarbij een 3-dimensionaal object op een platform wordt gevormd door het laagsgewijze opbrengen van objectmateriaal, dat afkomstig is van ten minste één in een opstelling opgenomen unit, waarvan verder een samenvoeg unit deel uitmaakt waarmee een bindervloeistof op het objectmateriaal wordt gespoten, - waarbij de opstelling en het platform in drie dimensies ten opzichte van elkaar beweegbaar zijn, en in welke opstelling ten minste één unit voor het opbrengen van steunmateriaal is opgenomen, en - waarbij is voorzien in met de voornoemde units verbonden stuurorganen die op basis van commando's de opstelling en/of het platform ten opzichte van elkaar laten bewegen en die telkens één van de units het objectmateriaal, de bindervloeistof of het steunmateriaal op het platform laat spuiten.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het steunmateriaal een poedervormig materiaal uit een als poeder print unit uitgevoerde unit is en/of een smeltbare uithardende kunststof is uit een als FDM (Fused Deposition Modeling) unit uitgevoerde unit is.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij is voorzien in de met de stuurorganen verbonden FDM unit waarmee de kunststof in de vorm van een bekisting rond het object op het platform wordt aangebracht.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, waarbij de FDM unit een spuitkop omvat waaraan een kunststof draad wordt toegevoerd waardoor de uithardende kunststof wordt afgegeven.

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-4, waarbij de samenvoeg unit althans gedeeltelijk is uitgevoerd als ten minste één met de stuurorganen verbonden inkjet unit waaruit de bindervloeistof spuit, en/of waardoor gekleurde inkt op het buitenoppervlak van het gevormde object wordt gespoten en in welke geval het objectmateriaal een inkt bindend objectmateriaal is.

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-5, waarbij is voorzien in een afvlakinrichting die over de bovenkant van het door poeder printen en/of FDM te vormen object wordt bewogen, waarmee overtollig object- en/of steunmateriaal wordt verwijderd.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de afvlakinrichting tijdens het over de bovenkant bewegen een roller laat draaien die overtollig materiaal weg van het object beweegt.

8. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-7, waarbij het platform is uitgevoerd als een op commando van de stuurorganen op en neer beweegbare bodem of zuiger.

9. Inrichting voor het vormen van 3-dimensionale objecten, welke is voorzien van een platform, waarop een object laagsgewijze uit objectmateriaal te vormen is, en van een opstelling die omvat: - ten minste één objectmateriaal unit die is ingericht om daaruit het objectmateriaal te spuiten, - ten minste één steunmateriaal unit die is ingericht om daaruit het steunmateriaal voor het ondersteunen van het objectmateriaal te spuiten of strooien, - een samenvoeg unit die is ingericht om een bindervloeistof op het objectmateriaal te spuiten, en - met de voornoemde units verbonden stuurorganen die zijn ingericht om op basis van commando's de opstelling en/of het platform ten opzichte van elkaar in drie dimensies te bewegen en om telkens één van de units materiaal c.q. vloeistof op het platform te laten spuiten.

10. Inrichting volgens conclusie 9, waarbij de units een poederprint unit en/of een inkjet unit en/of een FDM unit kunnen zijn.

11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, waarbij in het geval dat de steunmateriaal unit een FDM unit is, de daarmee verbonden stuurorganen voorts zijn ingericht om de FDM kunststof in de vorm van een bekisting rond het object op het platform aan te brengen.

12. Inrichting volgens één van de conclusies 9-11, waarbij het platform in hoogte verstelbaar is uitgevoerd en/of de opstelling in een horizontaal vlak verplaatsbaar is uitgevoerd.

13. Inrichting volgens één van de conclusies 9-12, waarbij de inrichting verder is voorzien van een spuitinrichting om een grondlaag of primer op het buitenoppervlak van het object aan te brengen.

14. Inrichting volgens één van de conclusies 9-13, waarbij de inrichting verder is voorzien van een afvlakinrichting die is ingericht om over de bovenkant te worden bewogen van het uit poeder gevormde object, om overtollig poeder te verwijderen.

15. Inrichting volgens één van de conclusies 9-14, waarbij de inrichting verder is voorzien van een laser als binderorgaan om het objectmateriaal te verwarmen.

16. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij de de inkjet unit is ingericht om een vloeistof te spuiten die de onderlinge hechting van FDM materiaal verminderd of opheft.

17. Inrichting omvattende: - één of meer inkjet units; - één of meer poeder strooiunits; en - sturingsmiddelen om de voornoemde units aan te sturen, - een en ander zodanig uitgevoerd dat deze op een eenvoudige manier aan een extrudergedeelte van een bestaande FDM machine kunnen worden vastgemaakt.