WO2018210437A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

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WO2018210437A1
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container
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Christian Fuchs
Christian PICHLKASTNER
Andreas TRUMMER
Markus BRILLINGER
Franz Haas
Anna Achatz
Stefan Peters
Peter Max EGGER
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Idee & Design The Art Factory Gmbh
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    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional object by layerwise applying a curable ⁇ of flowable material, which material in
  • flowable state is conveyed from a container via a line with a pump disposed therein to a nozzle, and applied by means of the nozzle to a substrate for forming the dreidimen ⁇ sional object and cured.
  • the invention also relates to an apparatus for producing a three-dimensional object by coating a curable flowable material in layers, comprising a container for receiving the material, a conduit having a pump between the container and a nozzle for applying the material to a substrate for forming the three-dimensional object Ob ⁇ jects after curing of the material.
  • 3D printing The production of three-dimensional objects by layered application of a curable flowable material or the so-called 3D printing of three-dimensional objects is well known for the construction of prototypes but also usable objects, in particular smaller numbers.
  • plastics, synthetic resins, ceramics and metals are used as the mate rials ⁇ for the construction of three-dimensional objects.
  • 3D printing has the advantage that the complex production of molds and the change of molds is eliminated.
  • US 5,257,657 A describes a method for producing three-dimensional objects using metals or salts as material for the construction of the object.
  • WO 2016/091249 A1 describes a method for the layered construction of molds and cores with a glass-glass-containing binder medium .
  • a disadvantage of existing 3D printing processes is that the materials used are often toxic and harmful to the environment, which makes it very expensive to recycle the objects and material residues.
  • the dreidi ⁇ mensionale object produced usually only limited reworked or changed in shape.
  • the object of the present invention is therefore to provide an above-mentioned method and apparatus for producing a three-dimensional object which is as simple and inexpensive as possible.
  • the materials used should be as environmentally friendly and non-toxic as possible and should be safe to use.
  • a post-processing of the cured object should be as simple as possible. Disadvantages of known methods and devices should be avoided or at least reduced.
  • the inventive object is achieved in terms of method, the fact that a crystalline material is used as material for forming the three-dimensional object, wel ⁇ ches is flowable and stable above a critical temperature and below the critical temperature is metastable, so ⁇ that a fault for the crystallization and thus leads to the solidification of the material, wherein the material in the container or in the line upstream of the pump is heated to a temperature above the critical temperature, and is cooled to a temperature below the critical Tem ⁇ temperature before application to the substrate, so the material crystallizes out when applied to the substrate.
  • the invention is used as a mate rial ⁇ for producing the three-dimensional object, a material having a metastable phase. Accordingly spreader ⁇ accordingly, a material is set a ⁇ for the inventive method, which when heated above a certain
  • a mixture of sodium acetate trihydrate and water is preferably used.
  • This material is a sodium salt of acetic acid with the property of being metastable at certain temperatures. At temperatures above a critical temperature, the mixture remains liquid, whereas when the temperature falls below the critical temperature, the mixture becomes metastable and can be crystallized by an initializing seed and phase-converted. Already the impact of the cooled below the critical temperature mixture on a surface or surface is sufficient for the onset of crystallization and thus the solidification of the material.
  • the preferred mixture of sodium acetate trihydrate and water is distinguished further by toxic and biological degradable ⁇ ness, water solubility and complete recyclability.
  • the mixture can be prepared shortly before the application of 3D printing or even previously prepared and stored in egg ⁇ nem external container. Particularly noteworthy is the excellent solubility of this material in the water, whereby a rapid dissolution of the material can take place. This can also be used in a targeted manner for rapid demoulding of the material as a casting mold.
  • the mixture may contain 38 to 48% by weight, in particular 43% by weight, of water. Such mixing ratios have been found to be particularly suitable.
  • the mixture is heated in the container or in the line upstream of the pump, preferably to a temperature above 58 ° C, in particular 70 to 100 ° C, and prior to application with the nozzle to a temperature below 58 ° C, in particular 30 to 45 ° C, cooled.
  • the critical temperature is 58 ° C., above which temperature there is a so-called per-tectic reaction. After solidification of the material can be brought back into solution by heating to above 78 ° C, the crystals.
  • the mixture On cooling the mixture below 58 ° C, especially 30-45 ° C, the mixture is in a metastable state, with the slightest disturbances of the metastable
  • the nozzle and or or the base is parallel to the substrate and a direction perpendicular thereto be ⁇ wegbar at least in one plane.
  • various dreidimensio ⁇ dimensional objects can be built up in layers.
  • only the nozzle, only the base or both the nozzle and the base can be designed to be movable.
  • the material can be applied with the nozzle with pulsed delivery of the pump. This creates a drop-like appearance of the resulting three-dimensional object.
  • the material of the nozzle may be applied in a constant We ⁇ sentlichen capacity, whereby sheet-like structures result and results in a correspondingly walls ⁇ res appearance of the three-dimensional object.
  • a len object can be switched between the pulsed flow rate of the pump and the constant flow rate of the pump during operation.
  • a dye is added to the material, at least parts of the three-dimensional object can be highlighted or marked. If the entire three-dimensional object is to be colored in a ⁇ be approved color, the dye may be contained ⁇ be already in the mixture used for the material for forming the three-dimensional object.
  • the color material may be the material in principle at any places example ⁇ example the container may be added. If only parts of the dreidi ⁇ dimensional object to be colored, the dye is preferably added only in the nozzle or shortly before the liquid. As suitable dyes, for example, Le ⁇ bensffenmaschine eligible.
  • the temperature of the material in the vessel or in the conduit upstream of the pump is measured and regulated. Characterized that the critical temperature, upper half ⁇ which the material to form the three-dimensional object is flowable, is maintained is ensured.
  • the temperature of the material between pump and nozzle can also be measured. By measuring this temperature, it can be determined how much heat must be removed from the material to ensure that the critical temperature is not reached before the material is fed to the nozzle.
  • the temperature of the material at the nozzle is preferably measured. This measurement makes it possible to check whether the material used has the metastable state and, when it strikes the substrate, it crystallizes and finally solidifies the material.
  • the delivery rate of the pump is measured.
  • a regulation of the delivery rate of the pump can take place as a function of various parameters.
  • the delivery rate of the pump can be regulated depending on the temperature of the material before application by means of the nozzle.
  • the size of the Tröpf ⁇ surfaces of the material, to prepare the three-dimensional Obwalden jekts, which determines the shape of the object to be manufactured set and kept constant.
  • the size of the droplets of the material can still be adjusted through the opening of the nozzle.
  • the object can also be post-processed, if required, at ⁇ game mechanically by grinding or by washing or by thermal processing above the critical temperature. Depending on the material used, a complete recycling of the material of the three-dimensional object can be made possible.
  • the inventive object is also achieved by an above-mentioned apparatus for producing a three-dimensional object, wherein as the material for forming the three-dimensional Whether ⁇ jekts a crystalline material is used which is free-flowing and stable above a critical temperature and is metastable below the critical temperature, so that a Stö ⁇ tion for crystallization and hence to consolidate the
  • a heater is provided for heating the material in the container or in the line upstream of the pump to a temperature above the critical temperature, and provided a cooling means for cooling the material before application to the substrate to a temperature below the critical temperature is, so that the material is auskristallisierbar when applied to the substrate.
  • a material for forming the three-dimensional object is a mixture of sodium acetate trihydrate and water is preferably used to give a mixture with 38 to 48% by weight, in particular 43 wt .-%, water ⁇ is particularly suitable as Matge has.
  • the heating means for heating the material in the container or in the conduit upstream of the pump to a temperature above 58 ° C, in particular 70 to 100 ° C is formed, and the cooling means for cooling the material to a temperature prior to application with the nozzle below 58 ° C, in particular 30 to 45 ° C, is formed.
  • the desired three-dimensional object by displacement of the nozzle and respectively or the documents may be in layers prepared.
  • the pump may be designed to convey the material with pulsed delivery or to convey the material at substantially constant delivery rate.
  • the dreidi ⁇ dimensional object can be designed accordingly or at least a part thereof be highlighted accordingly.
  • a temperature sensor is provided for measuring the temperature of the material in the container or in the conduit upstream of the pump.
  • the temperature sensors can be designed in various ways and are preferably in the respective lines for the material to ⁇ integrated.
  • a temperature sensor for measuring the temperature of the material between the pump and the nozzle may be provided.
  • a temperature sensor for measuring the temperature of the material at the nozzle can also provide important information for the regulation of the process sequence.
  • a sensor for measuring the delivery rate of the pump can be provided.
  • various flow sensors in particular optical sensors, preferably for com ⁇ men application.
  • a control device is provided for regulating the delivery rate of the pump as a function of the temperature of the material prior to application by means of the nozzle.
  • At least one device for post-processing of the three-dimensional object is provided, it can be correspondingly be ⁇ operates. As mentioned above, the
  • Post-processing for example mechanically by grinding or washing or thermally done by heating parts of the three-dimensional object above the critical temperature.
  • the container and / or the pipe is provided with a thermal insulation, the desired temperatures can be better adhered to and protected from external influences.
  • the cooling device for cooling the liquid below the critical temperature can be formed for example by a heat exchanger or a Peltier element.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of a SEN invention shown process flow and a device according to the invention for producing a three-dimensional object.
  • FIG. 2 is a phase diagram of a mixture of sodium acetate trihydrate and water as a material for producing a dreidi ⁇ dimensional object.
  • Fig. 1 is a block diagram of an inventive method and an inventive device 10 for producing a three-dimensional object is 1.
  • a specific curable flowable material 2 which is a crystalline material wel ⁇ ches above a critical temperature T k is flowable and stable and below the critical temperature T k is metastable, so that a disturbance leads to the crystallization and thus to the solidification of the material 2, is absorbed in a container 3. preserves.
  • heat Q z is supplied to the material 2 in the container 3, so that the temperature of the material 2 is above the critical temperature T k , at which the material 2 is flowable and stable.
  • a corresponding temperature sensor 14 may be arranged for monitoring the temperature Ti in the container 3 or in the subsequent line 4 to the pump 5.
  • the temperature of the material 2 is brought by means of ei ⁇ ner cooling device 12 by heat supply Q z or heat dissipation Q a below the critical temperature T k , whereby the state of the material. 2 is metastable, so that a failure to Kris ⁇ tallisation, thus leading to solidification of the material. 2
  • the application of droplets of the material 2 from the nozzle 6 to a substrate 7 represents such a disorder, wel ⁇ che for crystallization and thus solidification of the material
  • the cooling device 12 can be realized, for example, by a Peltier element 21 or a heat exchanger 22.
  • the cooling device 12 can be realized, for example, by a Peltier element 21 or a heat exchanger 22.
  • temperature sensors 15 and 16 may be arranged at suitable locations.
  • the signals of the temperature sensors 14, 15, 16 are fed to a control device 18, which is also connected to the pump 5, so that the delivery rate P P of the pump 5 can be regulated as a function of the temperatures T lr T 2 and T 3 .
  • the three-dimensional object 1 and the nozzle 6 or 7 or the substrate is moved in parallel to the base 7 at least in the xy plane by a corresponding BEWE ⁇ restriction device. 13 Also in the vertical direction z to the xy plane, the pad 7 and or or the nozzle 6 will be designed to be movable.
  • the material 2 for producing the three-dimensional object 1, in particular a mixture 8 of sodium acetate trihydrate
  • the constant temperatures and a protection from external influences can be ensured.
  • Fig. 2 shows a phase diagram of a mixture of sodium acetate trihydrate and water, wherein the abscissa indicates the dissolved amount of sodium acetate trihydrate in water in wt .-% and on the ordinate the temperature in degrees Celsius is ⁇ carried. Above the ABC line, both water and sodium acetate trihydrate are gaseous. In the region of the triangle ABD, sodium acetate trihydrate is liquid. Below the states I, J, K the metastable state is reached.

Abstract

Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (1) durch schichtweises Auftragen eines aushärtbaren fließfähigen Materials (2), mit einem Behälter (3) zur Aufnahme des Materials (2), einer Leitung (4) mit einer Pumpe (5) zwischen dem Behälter (3) und einer Düse (6) zum Auftragen des Materials (2) auf eine Unterlage (7) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts (1) nach dem Aushärten des Materials (2). Als Material (2) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts (1) ist ein kristallines Material (2) verwendbar, welches oberhalb einer kritischen Temperatur (Tk) fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Temperatur (Tk) metastabil ist, sodass eine Störung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials (2) führt, wobei eine Heizeinrichtung (11) zum Aufheizen des Materials (2) auf eine Temperatur (Tl) oberhalb der kritischen Temperatur (Tk) und eine Kühleinrichtung (12) zum Abkühlen des Materials (2) vor dem Auftragen auf die Unterlage (7) auf eine Temperatur (T3) unterhalb der kritischen Temperatur (Tk) vorgesehen ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines
dreidimensionalen Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Auftragen eines aus¬ härtbaren fließfähigen Materials, welches Material im
fließfähigen Zustand von einem Behälter über eine Leitung mit einer darin angeordneten Pumpe zu einer Düse befördert wird, und mit Hilfe der Düse auf eine Unterlage zur Bildung des dreidimen¬ sionalen Objekts aufgetragen und ausgehärtet wird.
Weiters betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Auftragen eines aushärtbaren fließfähigen Materials, mit einem Behälter zur Aufnahme des Materials, einer Leitung mit einer Pumpe zwischen dem Behälter und einer Düse zum Auftragen des Materials auf eine Unterlage zur Bildung des dreidimensionalen Ob¬ jekts nach dem Aushärten des Materials.
Die Herstellung dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Auftragen eines aushärtbaren fließfähigen Materials oder das sogenannte 3D-Drucken von dreidimensionale Objekten ist zum Aufbau von Prototypen aber auch gebrauchsfähigen Gegenständen insbesondere kleineren Stückzahlen hinlänglich bekannt. Typischerweise werden Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle als Mate¬ rialien zum Aufbau der dreidimensionalen Objekte eingesetzt. Gegenüber Gussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt.
Zum Aushärten des aushärtbaren fließfähigen Materials werden verschiedene Verfahren eingesetzt, welche vom Einsatz von Laser¬ licht bis hin zur Verwendung spezieller Bindemittel reichen.
Beispielsweise beschreibt die US 5,257,657 A ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte unter Verwendung von Metallen oder Salzen als Material für den Aufbau des Objekts.
Die WO 2016/091249 AI beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formen und Kernen mit einem wasserglashaltigen Binde- mittel .
Auch im Bauwesen wurde der Einsatz von 3D-Druckern beschrieben, beispielsweise in der US 2016/0261834 AI.
Nachteilig bei bisherigen 3D-Druck-Verfahren ist, dass die verwendeten Materialien häufig toxisch und umweltschädigend sind, wodurch ein Wiederverwerten der Objekte und von Materialresten sehr aufwendig ist. Darüber hinaus kann das hergestellte dreidi¬ mensionale Objekt in der Regel nur beschränkt nachbearbeitet oder in seiner Form verändert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines oben genannten Verfahrens und einer oben genannten Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, welches möglichst einfach und kostengünstig durchführbar ist. Die verwendeten Materialien sollen möglichst umweltverträglich und nicht toxisch und bei der Verarbeitung unbedenklich sein. Eine Nachbearbeitung des ausgehärteten Objekts soll möglichst einfach möglich sein. Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch, dass als Material zur Bildung des dreidimensionalen Objekts ein kristallines Material verwendet wird, wel¬ ches oberhalb einer kritischen Temperatur fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Temperatur metastabil ist, so¬ dass eine Störung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials führt, wobei das Material im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur aufgeheizt wird, und vor dem Auftragen auf die Unterlage auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Tem¬ peratur abgekühlt wird, sodass das Material beim Auftragen auf die Unterlage auskristallisiert. Erfindungsgemäß wird als Mate¬ rial zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts ein Material verwendet, welches eine metastabile Phase aufweist. Dementspre¬ chend wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein Material ein¬ gesetzt, welches bei Erwärmung oberhalb einer bestimmten
kritischen Temperatur flüssig ist und unterhalb der kritischen Temperatur metastabil ist, wodurch eine Kristallisation und in der Folge eine Aushärtung ermöglicht wird. Mit dem gegenständli¬ chen Verfahren können dreidimensionale Objekte hergestellt wer¬ den, welche selbst als Prototyp oder Kleinserie für verschiedene Anwendungen zum Einsatz kommen können oder auch als Form für anschließende Gussverfahren dienen. Je nach Auswahl des Materials zur Bildung eines dreidimensionalen Objekts können toxisch und biologisch abbaubare Stoffe zum Einsatz kommen. Aufgrund der besonderen Eigenschaft des verwendeten Materials ist auch eine Nachbearbeitung einfach möglich, da bei Erwärmung zumindest von Teilen des Objekts über die kritische Temperatur eine Verflüssi¬ gung des Materials stattfindet und somit eine leichte Bearbeit- barkeit der Oberfläche möglich ist. Schließlich kann durch
Erhöhung der Temperatur über die kritische Temperatur des verwendeten Materials auch das gesamte hergestellte dreidimensiona¬ le Objekt wieder verflüssigt werden und das Material vollständig wiederverwendet werden.
Als Material zur Bildung des dreidimensionalen Objekts wird vorzugsweise eine Mischung aus Natriumacetat-Trihydrat und Wasser verwendet. Dieses Material ist ein Natriumsalz der Essigsäure mit der Eigenschaft bei bestimmten Temperaturen metastabil zu sein. Bei Temperaturen über einer kritischen Temperatur bleibt die Mischung flüssig, wohingegen bei Absenkung der Temperatur unter die kritische Temperatur die Mischung metastabil wird und durch einen Initialisierungskeim zum Auskristallisieren und zur Phasenumwandlung gebracht werden kann. Bereits das Auftreffen der unterhalb der kritischen Temperatur abgekühlten Mischung auf eine Unterlage bzw. Oberfläche reicht für das Einsetzen der Kristallisation und somit die Verfestigung des Materials aus. Die bevorzugte Mischung aus Natriumacetat-Trihydrat und Wasser zeichnet sich weiters durch toxische und biologische Abbaubar¬ keit, Wasserlöslichkeit und komplette Recyclingfähigkeit aus. Die Mischung kann erst kurz vor der Anwendung des 3D-Drucks hergestellt werden oder auch bereits vorher hergestellt und in ei¬ nem externen Behälter gelagert werden. Besonders hervorzuheben ist die hervorragende Löslichkeit dieses Materials im Wasser, wodurch ein rasches Auflösen des Materials stattfinden kann. Dies kann auch gezielt für eine schnelle Entformung des Materials als Gussform genutzt werden. Dabei kann die Mischung 38 bis 48 Gewichts-%, insbesondere 43 Gew.-%, Wasser enthalten. Derartige Mischungsverhältnisse haben sich als besonders geeignet herausgestellt.
Die Mischung wird im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe vorzugsweise auf eine Temperatur oberhalb von 58 °C, insbesondere 70 bis 100 °C, aufgeheizt und vor dem Auftragen mit der Düse auf eine Temperatur unterhalb 58°C, insbesondere 30 bis 45 °C, abgekühlt. Bei einer oben genannten Mischung von Natriu- macetat-Trihydrat und Wasser liegt die kritische Temperatur bei 58°C, oberhalb welcher Temperatur es zu einer sogenannten peri- tektischen Reaktion kommt. Nach einer Verfestigung des Materials können durch Erhitzen auf über 78°C die Kristalle wieder in Lösung gebracht werden. Bei Abkühlung der Mischung unterhalb 58 °C, insbesondere 30-45°C, geht die Mischung in einen metastabilen Zustand über, bei dem geringste Störungen des metastabilen
Gleichgewichts zu einer Überführung des flüssigen (metastabilen) in einen festen (stabilen) Aggregatzustand führen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Düse und bzw. oder die Unterlage zumindest in einer Ebene parallel zur Unterlage und einer dazu senkrechten Richtung be¬ wegbar ist. Auf diese Weise können verschiedenste dreidimensio¬ nale Objekte schichtenweise aufgebaut werden. Je nach Anwendung können nur die Düse, nur die Unterlage oder sowohl die Düse als auch die Unterlage bewegbar ausgebildet sein.
Das Material kann mit der Düse mit gepulster Förderleistung der Pumpe aufgetragen werden. Dadurch entsteht eine tropfenartige Optik des entstehenden dreidimensionalen Objekts.
Alternativ dazu kann das Material mit der Düse auch mit im We¬ sentlichen konstanter Förderleistung aufgetragen werden, wodurch sich bahnenartige Strukturen ergeben und ein entsprechend ande¬ res Erscheinungsbild des dreidimensionalen Objekts resultiert. Je nach gewünschter Oberfläche des entstehenden dreidimensiona¬ len Objekts kann zwischen der gepulsten Förderleistung der Pumpe und der konstanten Förderleistung der Pumpe im Betrieb umgeschaltet werden. Wenn dem Material ein Farbstoff zugesetzt wird, können zumindest Teile des dreidimensionalen Objekts hervorgehoben oder markiert werden. Wenn das gesamte dreidimensionale Objekt in einer be¬ stimmten Farbe eingefärbt werden soll, kann der Farbstoff be¬ reits in der verwendeten Mischung für das Material zur Bildung des dreidimensionalen Objekts enthalten sein. Der Farbsstoff kann dem Material prinzipiell an beliebigen Stellen, beispiels¬ weise dem Behälter, zugesetzt werden. Wenn nur Teile des dreidi¬ mensionalen Objekts eingefärbt werden sollen, wird der Farbstoff vorzugsweise erst in der Düse oder kurz davor der Flüssigkeit zugesetzt. Als geeignete Farbstoffe kommen beispielsweise Le¬ bensmittelfarben in Frage.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Materials im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe gemessen und geregelt. Dadurch wird gewährleistet, dass die kritische Temperatur, ober¬ halb derer das Material zur Bildung des dreidimensionalen Objekts fließfähig ist, eingehalten wird.
Auch die Temperatur des Materials zwischen Pumpe und Düse kann gemessen werden. Durch die Messung dieser Temperatur kann festgestellt werden wie viel Wärme dem Material entzogen werden muss, um die Unterschreitung der kritischen Temperatur vor der Zuführung des Materials zur Düse sicherzustellen.
Auch die Temperatur des Materials an der Düse wird vorzugsweise gemessen. Durch diese Messung kann überprüft werden, ob das verwendete Material den metastabilen Zustand aufweist und es bei Auftreffen auf die Unterlage zur Kristallisation und schließlich Verfestigung des Materials kommt.
Schließlich ist es auch von Vorteil, wenn die Förderleistung der Pumpe gemessen wird. Durch die Messung der Förderleistung der Pumpe kann in der Folge eine Regelung der Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit verschiedener Parameter erfolgen.
Beispielsweise kann die Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit der Temperatur des Materials vor dem Auftragen mit Hilfe der Düse geregelt werden. Auf diese Weise kann die Größe der Tröpf¬ chen des Materials zur Herstellung des dreidimensionalen Ob- jekts, welche die Gestalt des herzustellenden Objekts festlegt, eingestellt und konstant gehalten werden. Weiters kann die Größe der Tröpfchen des Materials noch durch die Öffnung der Düse eingestellt werden.
Das Objekt kann bei Bedarf auch nachbearbeitet werden, bei¬ spielsweise mechanisch durch Schleifen oder durch Auswaschen oder thermisch durch Bearbeitung oberhalb der kritischen Temperatur. Je nach verwendetem Material kann auch eine vollständige Wiederverwertung des Materials des dreidimensionalen Objekts ermöglicht werden.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine oben genannte Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei als Material zur Bildung des dreidimensionalen Ob¬ jekts ein kristallines Material verwendbar ist, welches oberhalb einer kritischen Temperatur fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Temperatur metastabil ist, sodass eine Stö¬ rung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des
Materials führt, wobei eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Materials im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur vorgesehen ist, und eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Materials vor dem Auftragen auf die Unterlage auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur vorgesehen ist, sodass das Material beim Auftragen auf die Unterlage auskristallisierbar ist. Eine derartige Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensiona¬ len Objekts ist, abgesehen vom höheren Regelaufwand für das Einhalten der entsprechenden Temperaturen, relativ einfach und kostengünstig. Zu den weiteren Vorteilen wird auf die obige Be¬ schreibung des Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensiona¬ len Objekts verwiesen.
Als Material zur Bildung des dreidimensionalen Objekts ist vorzugsweise eine Mischung aus Natriumacetat-Trihydrat und Wasser verwendbar, wobei sich eine Mischung mit 38 bis 48 Gewichts-%, insbesondere 43 Gew.-%, Wasser als besonders geeignet herausge¬ stellt hat.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zum Aufheizen des Materials im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe auf eine Temperatur oberhalb von 58°C, insbesondere 70 bis 100°C, ausgebildet ist, und die Kühleinrichtung zum Abkühlen des Materials vor dem Auftragen mit der Düse auf eine Temperatur unterhalb 58°C, insbesondere 30 bis 45°C, ausgebildet ist.
Wenn eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung der Düse und bzw. oder der Unterlage zumindest in einer Ebene parallel zur Unter¬ lage und einer dazu senkrechten Richtung vorgesehen ist, kann das gewünschte dreidimensionale Objekt durch Verschiebung der Düse und bzw. oder der Unterlagen schichtenweise hergestellt werden .
Die Pumpe kann zur Förderung des Materials mit gepulster Förderleistung oder zur Förderung des Materials mit im Wesentlichen konstanter Förderleistung ausgebildet sein.
Wenn dem Material ein Farbstoff zusetzbar ist, kann das dreidi¬ mensionale Objekt entsprechend gestaltet oder zumindest ein Teil davon entsprechend hervorgehoben werden.
Vorzugsweise ist ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Materials im Behälter oder in der Leitung stromaufwärts der Pumpe vorgesehen. Die Temperatursensoren können verschiedenartig ausgeführt sein und sind vorzugsweise in den entsprechenden Zu¬ leitungen für das Material integriert.
Auch ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Materials zwischen Pumpe und Düse kann vorgesehen sein.
Schließlich kann auch ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Materials an der Düse wichtige Informationen für die Regelung des Verfahrensablaufs liefern.
Weiters kann ein Sensor zur Messung der Förderleistung der Pumpe vorgesehen sein. Hier können verschiedene Durchflusssensoren, insbesondere optische Sensoren, vorzugsweise zur Anwendung kom¬ men . Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Regelungs¬ einrichtung zur Regelung der Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit der Temperatur des Materials vor dem Auftragen mit Hilfe der Düse vorgesehen.
Wenn zumindest eine Einrichtung zur Nachbearbeitung des dreidimensionalen Objekts vorgesehen ist, kann dieses entsprechend be¬ arbeitet werden. Wie bereits oben erwähnt, kann die
Nachbearbeitung beispielsweise mechanisch durch Schleifen oder Auswaschen oder thermisch durch Erwärmung von Teilen des dreidimensionalen Objekts über die kritische Temperatur erfolgen.
Wenn der Behälter und bzw. oder die Leitung mit einer thermischen Isolation versehen ist, können die gewünschten Temperaturen besser eingehalten und von äußeren Einflüssen geschützt werden .
Die Kühleinrichtung zum Abkühlen der Flüssigkeit unterhalb der kritischen Temperatur kann beispielsweise durch einen Wärmeübertrager oder ein Peltierelement gebildet sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemä¬ ßen Verfahrensablaufs bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts; und
Fig. 2 ein Phasendiagramm einer Mischung aus Natriumacetat- Trihydrat und Wasser als Material zur Herstellung eines dreidi¬ mensionalen Objekts;
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 1. Ein spezielles aushärtbares fließfähiges Material 2, nämlich ein kristallines Material, wel¬ ches oberhalb einer kritischen Temperatur Tk fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Temperatur Tk metastabil ist, sodass eine Störung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials 2 führt, wird in einem Behälter 3 aufbe- wahrt. Über eine Heizeinrichtung 11 wird dem Material 2 im Behälter 3 Wärme Qz zugeführt, sodass die Temperatur des Materials 2 oberhalb der kritischen Temperatur Tk liegt, bei der das Material 2 fließfähig und stabil ist. Zur Überwachung der Temperatur Ti im Behälter 3 oder in der nachfolgenden Leitung 4 zur Pumpe 5 kann ein entsprechender Temperatursensor 14 angeordnet sein. Bevor das fließfähige Material 2 mithilfe der Pumpe 5 der Düse 6 zugeführt wird, wird die Temperatur des Materials 2 mithilfe ei¬ ner Kühleinrichtung 12 durch Wärmezufuhr Qz bzw. Wärmeabfuhr Qa unter die kritische Temperatur Tk gebracht, wodurch der Zustand des Materials 2 metastabil wird, sodass eine Störung zur Kris¬ tallisation und somit zur Verfestigung des Materials 2 führt. Bereits das Aufbringen von Tröpfchen des Materials 2 von der Düse 6 auf eine Unterlage 7 stellt eine solche Störung dar, wel¬ che zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials
2 und schließlich Bildung des dreidimensionalen Objekts 1 führt. Die Kühleinrichtung 12 kann beispielsweise durch ein Peltierele- ment 21 oder einen Wärmeübertrager 22 realisiert werden. Zur Überwachung der Temperaturen T2 und T3 können weitere Temperatursensoren 15 und 16 an geeigneten Stellen angeordnet sein. Vorzugsweise werden die Signale der Temperatursensoren 14, 15, 16 einer Regelungseinrichtung 18 zugeführt, welche auch mit der Pumpe 5 verbunden ist, sodass die Förderleistung PP der Pumpe 5 in Abhängigkeit der Temperaturen Tlr T2 und T3 geregelt werden kann .
Zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 1 wird die Düse 6 und bzw. oder die Unterlage 7 durch eine entsprechende Bewe¬ gungseinrichtung 13 zumindest in xy-Ebene parallel zur Unterlage 7 bewegt. Auch in senkrechter Richtung z zur Ebene xy wird die Unterlage 7 und bzw. oder die Düse 6 beweglich ausgeführt sein.
Das Material 2 zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 1, insbesondere eine Mischung 8 aus Natriumacetat-Trihydrat
(C2H3Na02) und Wasser, kann im Behälter 3 gemischt werden oder in einem externen Behälter (nicht dargestellt) hergestellt und dem Herstellungsprozess zugeführt werden. Über ein Umlaufsystem 24 mit einer zusätzlichen Pumpe 25 kann das Material 2 bzw. die Mischung 8 bewegt werden. Eine thermische Isolation des Behälters
3 oder auch weiterer Teile der Vorrichtung 10 (nicht darge- stellt) kann die Konstanthaltung der entsprechenden Temperaturen und ein Schutz von äußeren Einflüssen gewährleistet werden.
Dem Material 2 kann beispielsweise im Behälter 3 oder bei der Düse 6 ein Farbstoff 9 zugesetzt werden.
Fig. 2 zeigt ein Phasendiagramm einer Mischung von Natriumacetat-Trihydrat und Wasser, wobei auf der Abszisse die gelöste Menge an Natriumacetat-Trihydrat im Wasser in Gew.-% angegeben wird und auf der Ordinate die Temperatur in Grad Celsius aufge¬ tragen wird. Oberhalb der Linie A B C ist sowohl Wasser als auch Natriumacetat-Trihydrat gasförmig. Im Bereich des Dreiecks A B D ist Natriumacetat-Trihydrat flüssig. Unterhalb den Zuständen I, J, K wird der metastabile Zustand erreicht.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (1) durch schichtweises Auftragen eines aushärtbaren fließfähigen Materials (2), welches Material (2) im fließfähigen Zustand von einem Behälter (3) über eine Leitung (4) mit einer darin angeordneten Pumpe (5) zu einer Düse (6) befördert wird, und mit Hilfe der Düse (6) auf eine Unterlage (7) zur Bildung des drei¬ dimensionalen Objekts (1) aufgetragen und ausgehärtet wird, da¬ durch gekennzeichnet, dass als Material (2) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts (1) ein kristallines Material (2) ver¬ wendet wird, welches oberhalb einer kritischen Temperatur (Tk) fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Tempera¬ tur (Tk) metastabil ist, sodass eine Störung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials (2) führt, wobei das Material (2) im Behälter (3) oder in der Leitung (4) stromaufwärts der Pumpe (5) auf eine Temperatur (Tx) oberhalb der kriti¬ schen Temperatur (Tk) aufgeheizt wird, und vor dem Auftragen auf die Unterlage (7) mit Hilfe der Düse (6) auf eine Temperatur (T3) unterhalb der kritischen Temperatur (Tk) abgekühlt wird, sodass das Material (2) beim Auftragen auf die Unterlage (7) auskris¬ tallisiert .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (2) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts (1) eine Mischung (8) aus Natriumacetat-Trihydrat und Wasser verwendet wird, und dass die Mischung (8) vorzugsweise 38 bis 48 Gewichts- %, insbesondere 43 Gew.-%, Wasser enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung (8) im Behälter (3) oder in der Leitung (4) stromaufwärts der Pumpe (5) auf eine Temperatur (Tx) oberhalb von 58°C, insbesondere 70 bis 100 °C, aufgeheizt wird und vor dem Auftra¬ gen mit der Düse (6) auf eine Temperatur (T3) unterhalb 58°C, insbesondere 30 bis 45 °C, abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (6) und bzw. oder die Unterlage (7) zu¬ mindest in einer Ebene (xy) parallel zur Unterlage (7) und einer dazu senkrechten Richtung (z-Richtung) bewegbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) mit der Düse (6) mit gepulster Förderleistung (PP) der Pumpe (5) aufgetragen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) mit der Düse (6) mit im Wesent¬ lichen konstanter Förderleistung (PP) aufgetragen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Material (2) ein Farbstoff (9) zugesetzt wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tx) des Materials (2) im Behälter (3) oder in der Leitung (4) stromaufwärts der Pumpe (5) und bzw. oder die Temperatur (T2) des Materials (2) zwischen Pumpe (5) und Düse (6) und bzw. oder die Temperatur (T3) des Materials (2) an der Düse (6) gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung (PP) der Pumpe (5) gemessen wird, und vorzugsweise die Förderleistung (PP) der Pumpe (5) in Abhängigkeit der Temperatur (T3) des Materials (2) vor dem Auf¬ tragen mit Hilfe der Düse (6) geregelt wird.
10. Vorrichtung (10) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (1) durch schichtweises Auftragen eines aushärtbaren fließfähigen Materials (2), mit einem Behälter (3) zur Aufnahme des Materials (2), einer Leitung (4) mit einer Pumpe (5) zwischen dem Behälter (3) und einer Düse (6) zum Auftragen des Materials (2) auf eine Unterlage (7) zur Bildung des
dreidimensionalen Objekts (1) nach dem Aushärten des Materials (2), dadurch gekennzeichnet, dass als Material (2) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts (1) ein kristallines Material (2) verwendbar ist, welches oberhalb einer kritischen Temperatur (Tk) fließfähig und stabil ist und unterhalb der kritischen Tempera¬ tur (Tk) metastabil ist, sodass eine Störung zur Kristallisation und somit zur Verfestigung des Materials (2) führt, wobei eine Heizeinrichtung (11) zum Aufheizen des Material (2) im Behälter (3) oder in der Leitung (4) stromaufwärts der Pumpe (5) auf eine Temperatur (ΤΊ) oberhalb der kritischen Temperatur (Tk) vorgesehen ist, und eine Kühleinrichtung (12) zum Abkühlen des Materials (2) vor dem Auftragen auf die Unterlage (7) auf eine
Temperatur (T3) unterhalb der kritischen Temperatur (Tk) vorgesehen ist, sodass das Material (2) beim Auftragen auf die Unter¬ lage (7) auskristallisierbar ist.
11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (2) zur Bildung des dreidimensionalen Objekts
(1) eine Mischung (8) aus Natriumacetat-Trihydrat und Wasser, vorzugsweise eine Mischung (8) mit 38 bis 48 Gewichts-%, insbe¬ sondere 43 Gew.-%, Wasser verwendbar ist.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinrichtung (13) zur Bewegung der Düse (6) und bzw. oder der Unterlage (7) zumindest in einer Ebe¬ ne (xy) parallel zur Unterlage (7) und einer dazu senkrechten Richtung (z-Richtung) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (14) zur Messung der Temperatur (Tx) des Materials (2) im Behälter (3) oder in der Leitung (4) stromaufwärts der Pumpe (5) und bzw. oder ein Tempe¬ ratursensor (16) zur Messung der Temperatur (T2) des Materials
(2) zwischen Pumpe (5) und Düse (6) und bzw. oder ein Tempera¬ tursensor (15) zur Messung der Temperatur (T3) des Materials (2) an der Düse (6) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (17) zur Messung der Förderleis¬ tung (PP) der Pumpe (5) und vorzugsweise eine Regelungseinrichtung (18) zur Regelung der Förderleistung (PP) der Pumpe (5) in Abhängigkeit der Temperatur (T3) des Materials (2) vor dem Auf¬ tragen mit Hilfe der Düse (6) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einrichtung zur Nachbearbei¬ tung des Objekts (1) vorgesehen ist.
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