DE69807236T2 - Verfahren zur herstellung eines formkörpers - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines formkörpersInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das die folgenden Schritte umfasst:
- 1) Auftragen einer Schicht aus feinpulverigem Material auf eine Oberfläche,
- 2) musterweises Auftragen von mindestens einer Flüssigkeit auf die Schicht aus feinpulverigem Material, Bilden einer Schicht aus musterweise gebundenem feinpulverigen Material,
- 3) vorbestimmtes, mehrmaliges Wiederholen der Schritte (1) und (2), so dass eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Schichten von musterweise gebundenem Pulver gebildet wird, wobei die aufeinanderfolgenden Schichten von gebundenem, feinpulverigen Material zusammen den Formkörper bilden, und
- 4) Entfernen von nicht gebundenem Pulver.
- Ein Verfahren dieser Art ist aus der WO 93/25336 bekannt. Dieses Dokument handelt von dreidimensionalen Drucktechniken. Insbesondere handelt es von Drucktechniken, bei denen pulverisiertes Material in aufeinanderfolgenden Schichten, eine auf der anderen, aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen einer jeden Schicht aus pulverisiertem Material wird ein flüssiges Bindematerial selektiv auf die Schicht aus pulverisiertem Material unter Anwendung einer Tintenstrahldrucktechnik aufgebracht. Nach Aufbringung aller Schichten und des Bindematerials wird das ungebundene Pulver entfernt.
- Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP-A-0 431 924 bekannt. Gemäß dieser europäischen Patentanmeldung wird ein Bindematerial als die Flüssigkeit auf die auf die Oberfläche aufgebrachte Pulverschicht zugefügt, so dass eine Schicht aus mustermäßig gebundenem Pulver erzeugt wird. Im Allgemeinen findet dies unter Verwendung von ein oder mehreren Tintenkartuschen statt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ergibt sich jedoch daraus, dass das Risiko, dass die Tintenkartuschen durch das Bindematerial verstopfen, hoch ist, gewiss dann, wenn ein herkömmlicher Tintenstrahldrucker verwendet wird. Desweiteren ergibt sich aus der Verwendung eines flüssigen Bindematerials der Nachteil, dass es im Allgemeinen sehr klebrig und deshalb schwerer zu handhaben ist.
- In der EP-A-0 081 218 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Netzmaterials beschrieben. Insbesondere betrifft dieses Dokument ein Fasernetz, vorzugsweise aus heißwasserlöslichen Polyvinylalkohol-Fasern, das durch Bilden einer Matte aus Fasern hergestellt wird. Sprühen einer Flüssigkeit auf die Fasern, um die Fasern ineinander zu verweben, und anschließendem Anhaften dieser aneinander, wobei die Matte mit einem Bindematerial imprägniert wird, das aus einem wasserlöslichen Harz besteht, und zumindest in transversaler Richtung um 20% gestreckt und getrocknet wird.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzusehen, welches das Risiko des Verstopfens der Tintenkartuschen durch das Bindematerial verringert. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Ersatzmittel für das flüssige Bindematerial vorzusehen, welches einfacher gehandhabt werden kann.
- Die Erfindung sieht so ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flüssigkeit Wasser aufweist und das feinpulverige Material mindestens eine Komponente aufweist, die ein Bindematerial nach Kontakt mit dem Wasser in Schritt (2) bildet, unter der Voraussetzung, dass die Flüssigkeit kein Bindematerial enthält.
- Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine Flüssigkeit verwendet wird, die selbst nicht klebrig ist, so dass diese Flüssigkeit einfach zu handhaben ist, und dass das Risiko des Verstopfens der verwendeten Tintenkartuschen minimal ist.
- Natürlich ist der Gebrauch von Wasser sehr umweltfreundlich. In dem Verfahren gemäß der Erfindung sind alle entsprechenden Komponenten sehr einfach zu handhaben.
- Dieser letztere Faktor stellt insbesondere dann einen großen Vorteil dar, wenn sogenannte Tintenkartuschen für die Tintenstrahl-Technologie ("drop-on-demand"-Tintenkartüschen) verwendet werden. Eine "drop-ondemand"-Tintenkartusche dieser Art ist bekannt und umfasst im Allgemeinen zwei Reihen von Öffnungen, die Tropfen der auszusprühenden Flüssigkeit beim Empfang eines elektrischen Signals ausgeben.
- Es ist an sich aus der EP-A-0 431 924 bekannt, ein Lösungsmittel als Flüssigkeit zum Binden des feinpulverigen Materials zu verwenden. Der Gebrauch von Wasser enthaltenden Flüssigkeiten, die mit einer Komponente des feinpulverigen Materials in Schritt (2) ein Bindemittel bilden, ist jedoch nicht offenbart.
- Es ist ebenso aus der EP-A-0 431 924 bekannt, die gebundenen Schichten des Pulvers zu erwärmen, wahlweise während der Auftragung des flüssigen Bindematerials, um das Aushärten des gebundenen Pulvers zu beschleunigen und jegliche chemische Aushärtereaktionen zu stimulieren, die bei erhöhter Temperatur auftreten.
- Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, die gebundenen Pulverschichten durch Erwärmen nach jeder Ausführung des Schrittes (1) und/oder (2) oder nach jeder zweiten oder mehrmaligen Ausführung des Schrittes (1) und/oder (2) zu trocknen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Trocknen nach jeder zweiten bis sechsten Ausführung des Schrittes (1) oder (2) durchgeführt wird. Das Erwärmen kann auf verschiedenerlei Weise stattfinden, z. B. mittels heißer Luft, infraroter Bestrahlung oder durch Exposition mit Mikrowellen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist jedoch festgestellt worden, dass sehr gute Ergebnisse erhalten werden, wenn das Trocknen unmittelbar nach dem Schritt (1) und vor dem Schritt (2) durchgeführt wird, indem eine erwärmte Platte auf oder unmittelbar oberhalb der zuletzt aufgetragenen Schicht des feinpulverigen Materials gestellt wird. Der Vorteil des Durchführens des Trocknens nach Schritt (1) besteht darin, dass die Pulverschicht, die zuletzt aufgetragen wurde, noch trocken ist, mit dem Ergebnis, dass eine geringere Tendenz dafür besteht, dass das Pulver an der Platte anhaftet, wenn die Platte auf die Pulverschicht, die zuletzt aufgetragen wurde, gestellt wird. Die Temperatur, bis zu welcher erwärmt wird, hängt jedoch von dem Pulvertyp, der eingesetzt wird, ab. Die Temperatur liegt jedoch vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur der Komponente der Pulverzusammensetzung, die den niedrigsten Schmelzpunkt besitzt. Die Temperatur liegt im Allgemeinen zwischen 50 und 120ºC. Falls erwünscht, kann die erwärmte Platte ebenso verwendet werden, um Druck auf die aufgetragene Pulverschicht auszuüben.
- Die Wasser enthaltende Flüssigkeit, die auf jede Schicht aus feinpulverigem Material aufgetragen wird, wird vorzugsweise in der Form von ein oder mehreren feinen Tröpfchenstrahlen aufgetragen. Insbesondere ist es bevorzugt, die Flüssigkeit in der Form einer Mehrzahl von feinen Tröpfchenstrahlen aufzutragen, wobei die Flüssigkeiten in den verschiedenen Strahlen verschiedene Farben besitzen. Dies kann wirkungsvoll dadurch erzielt werden, indem ein an sich bekannter Tintenstrahldrucker verwendet wird. Es ist ebenso möglich, kolorierte Objekte herzustellen, indem unterschiedliche Farben verwendet werden. Die Stellen, an denen jede spezielle Farbe auf den herzustellenden Formkörper aufgetragen werden soll, können sehr genau mittels eines korrekt programmierten, verbundenen Computers bestimmt werden. Techniken dieser Art sind an sich für Tintenstrahldrucker bekannt.
- Zusätzlich zu dem Wasser umfasst die zu verwendende Flüssigkeit vorzugsweise 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 25 Gew.-%, eines oder mehrerer Flussmittel. Solche Flussmittel dieser Art sind oberflächenaktive Mittel und werden dazu verwendet, um die Oberflächenspannung zu reduzieren, so dass die Flüssigkeit aus den sehr kleinen Öffnungen in den Tintenkartuschen in Form von Tropfen ausgesprüht werden können. Beispiele geeigneter Flussmittel sind Glykole, wie z. B. Diethylenglykol und Monoethylenglykol und niedrige Alkanole, wie z. B. Ethanol, 1-Propanol und 2-Propanol. Es ist ebenso möglich, Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Flussmittel dieser Art zu verwenden. Eine sehr geeignete Kombination besteht z. B. aus einem Gemisch aus Diethylenglykol und 2-Propanol.
- Die Flüssigkeit kann ein oder mehrere Farbmittel enthalten. Falls eine Mehrzahl von Tintenkartuschen verwendet werden, ist es möglich, eine Mehrzahl von Flüssigkeiten zu verwenden, wobei deren Farbmittel sich voneinander unterscheiden, so dass ein Formkörper, der unterschiedliche Farben aufweist, hergestellt werden kann.
- Wie bereits erwähnt worden ist, umfasst das feinpulverige Material eine Komponente, die, als Folge des In-Kontakt-Tretens mit der aufgesprühten Flüssigkeit, ein Bindemittel bildet (die "adhäsive Komponente"). Zusätzlich kann das Pulver ein Füllmaterial aufweisen. Falls Füllmaterialien auf den Formkörper, der durch das Verfahren entsprechend der Erfindung erhalten wird, aufgetragen werden, können diese z. B. gesintert, gebrannt oder wärmebehandelt ("annealed") werden, um die Bindekomponente zu entfernen und um einen Formkörper aus dem Material des Füllmaterials zu erhalten. Beispiele von Füllmaterialien sind metallisches Pulver, Glasperlen, Glasfasern, keramische Materialien, Kunststoffe, Siliziumdioxid, Sand, etc. So ist es z. B. möglich, einen Formkörper herzustellen, der vollständig aus Glas, Stahl, Eisen etc. besteht.
- Vorzugsweise umfasst das feinpulverige Material außer der Komponente, die als Folge des In-Kontakt-Tretens mit dem versprühten Wasser ein Bindematerial bildet, ein zweites Bindemittel. Solch ein zweites Bindemittel umfasst insbesondere ein wärmeaushärtbares Material oder ein thermoplastisches Material. Wärmeaushärtbare Materialien sind Materialien, die unter dem Einfluss von Wärme aushärten, wie z. B. Polyesterpulverbeschichtungen. Ein Beispiel dieser Art ist die Polyesterpulverbeschichtung des Typs LT, das von Lakfabriek Korthals B. V. hergestellt wird. Thermoplastische Materialien sind Materialien, die durch Erwärmung weich werden oder schmelzen und die sich nach Kühlung wieder verfestigen.
- Die obigen wärmeaushärtbaren und thermoplastischen Materialien werden als zweites Bindemittel im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet. Die Anwesenheit des zweiten Bindemittels sieht die Möglichkeit vor, einen Formkörper schnell und einfach mittels des Verfahrens gemäß, der Erfindung herzustellen, der zusätzlich verstärkt werden kann nach Abschluss einer Wärmebehandlung.
- Geeignete adhäsive Komponenten sind insbesondere Pulver, die ein Bindematerial bilden, nachdem sie in Kontakt mit der wasserenthaltenden Flüssigkeit treten. Beispiele sind Dextrinpulver, Carboxymethylcellulose, adhäsives Pulver für Tapeten, Gelatine, Inulin, Gummiarabikum, Polyvinylalkohol, Zement, Gips, ein wasserlösliches Salz und fein gemahlter Granulatzucker. Ein Pulver, in dem die adhäsive Komponente Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Gelatine und/oder Dextrin ist, ist bevorzugt. Beispiele geeigneter Polyvinylalkoholpulver sind vollständig und teilweise hydrolysierte Polyvinylalkohole, wie z. B. diejenigen, die unter dem Markennamen Mowiol verkauft werden. Geeignete Sorten sind z. B. Mowiol 3-83, Mowiol 18-88 und Mowiol 10-98. Ein Polyvinylalkoholpulver kann zubereitet werden, indem Polyvinylalkoholgranulat bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur von Polyvinylalkohol gemahlen wird, z. B. in flüssigem Stickstoff. Ein Beispiel eines kommerziell erhältlichen Dextrins ist 37-LAC-19, das von dem Avebee Unternehmen vertrieben wird.
- Die Teilchengröße der Pulverpartikel schwankt im Allgemeinen zwischen 25 und 250 um, und liegt bevorzugt zwischen 50 und 175 um. Falls die Pulverpartikel größer sind als 250 um, wird die Größengenauigkeit des zu bildenden Formkörpers ausschließlich durch die Partikelgröße des Pulvers bestimmt, was im Allgemeinen nicht erwünscht ist. Ein Beispiel einer Pulverzusammensetzung, die verwendet werden kann, ist eine Zusammensetzung, die ungefähr 3 Volumenteile Glasperlen (ungefähr 50 bis 100 um), 3 Volumenteile einer Polyesterpulverbeschichtung und 1 Volumenteil an Dextrin enthält. Die Pulverzusammensetzung kann ebenso Polyvinylalkohol, wahlweise mit dem Zusatz eines zweiten Bindemittels und/oder eines Füllmaterials enthalten.
- Nachdem all diese Schichten von gebundenem feinpulverigen Material gebildet worden sind, wird das überschüssige Pulver, welches noch nicht gebunden worden ist, entfernt. Der erhaltene Formkörper wird vorzugsweise in einen Ofen gestellt, um die noch vorhandene Flüssigkeit zu entfernen, und um den noch vorhandenen Pulverkomponenten zu ermöglichen, wie z. B. eines zweiten Bindemittels, die entsprechende Funktion zu vollziehen. Die Festigkeit des Formkörpers wird auf diese Weise optimiert. Falls erwünscht, vor oder nach Erwärmung in einem Ofen, falls diese stattfindet, kann der Formkörper auf der Außenseite mit einem (farblosen) Lack oder Firnis überzogen werden. Zusätzlich zur vorteilhaften Wirkung auf die Festigkeit des Formkörpers kann dies ebenso zur Farbechtheit des Formkörpers, besonders dann, wenn er in unterschiedlichen Farben hergestellt wird, beitragen.
- Es ist jedoch bevorzugt, die Kombination aus nicht gebundenem Pulver und dem hergestellten Formkörper nach dem Schritt (3) einer Wärmebehandlung auszusetzen. Auf diese Weise wird ein festeres Produkt erhalten. Dadurch besteht keine Gefahr für mögliche Deformationen des Formkörpers während des anschließenden Schrittes 4, bei dem das nicht gebundene Pulver von dem Formkörper entfernt wird. Solch eine Wärmebehandlung kann z. B. in einem Ofen ausgeführt werden.
- Die Formkörper, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden können, werden in einer Reihe von Gebieten eingesetzt. Beispielhaft können die Formkörper verwendet werden zur Herstellung von Skalenmodellen für z. B. Möbel, Transportmittel (Autos, Züge, Luftfahrzeuge und dergleichen), Moleküle, Spielzeuge, Prothesen und andere Geräte und dekorative Objekte. Das Verfahren ist ebenso gut geeignet zum Herstellen von Modellen für Gebäude und Landschaften, genauso wie für Formen zum Herstellen von z. B. Gipsobjekten.
- Falls die Pulverzusammensetzung, zusätzlich zur adhäsiven Komponente, ein Füllmaterial enthält, so kann es vorteilhaft sein, die adhäsive Komponente im Voraus mit dem Füllmaterial zu binden. Bis dahin können das Füllmaterial und die adhäsive Komponente und jegliche andere Komponenten im Voraus im Beisein von Wasser oder anderen geeigneten Flüssigkeiten vermischt werden, worauf die Zusammensetzung getrocknet, und, falls notwendig, pulverisiert wird.
- Als Tintenstrahldrucker können Tintenstrahldrucker verwendet werden, die bekannt und kommerziell erhältlich sind. Ein Beispiel eines sehr geeigneten Tintenstrahldruckers ist der HP-Deskjet 850 von Hewlett Packard.
- Das tintensprühende Teil dieses Druckers wird derart befestigt, dass es auf die Oberseite der Pulverschicht drucken kann. Der Drucker umfasst Sprühöffnungen für schwarze Tinte und für drei verschiedene Basisfarben. Indem die schwarze Tinte durch Wasser mit geeigneten Flussmitteln ersetzt wird, so können mit dieser Vorrichtung Gegenstände mit allen möglichen Farbkombinationen hergestellt werden.
- Sehr geeignete Tintenkartuschen sind die kommerziell erhältlichen "drop-on-demand"-Tintenkartuschen des Typs HP 51645 (ebenso von Hewlett Packard). Solch eine Tintenkartusche umfasst ungefähr 300 Sprühöffnungen.
- Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft dargestellt.
- Ein 3D-Modell eines Porsches wurde aus dem Internet heruntergeladen (www.3dcafe.com). Mit dem Programm 3D-Studio wurde dieses Modell koloriert und in ein "Polyray Pile" exportiert. Von diesem "Polyray Pile" wurden mit einem speziellen Programm 112 Bereiche berechnet. Alle Stellen in diesen Bereichen, die einen geringeren Abstand als 1 mm von der nächstliegenden äußeren Seite des Modells aufweisen, erhielten die Farbe der nächstliegenden Außenseite. Diese Bereiche wurden an einen Drucker gemäß der EP-A-0 431 924 verschickt, das Drucken wurde von einem HP-Deskjet durchgeführt. Auf diese Weise wurde innerhalb von 20 Minuten ein Modell des Autos gedruckt, dessen Außenseite vollständig koloriert war.
- Als feinpulveriges Material wurde fein gemahlener Polyvinylalkohol mit einer Partikelgröße von ungefähr 120 um verwendet. Das Drucken wurde mit Wasser und wässriger Tinte (HP Deskjet-Tinte) durchgeführt, wobei die schwarze Tinte durch Wasser ersetzt wurde.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das die folgenden
Schritte umfasst:
1) Auftragen einer Schicht aus feinpulverigem Material auf eine
Oberfläche,
2) musterweises Auftragen von mindestens einer Flüssigkeit auf die
Schicht aus feinpulverigem Material, Bilden einer Schicht aus
musterweise gebundenem feinpulverigen Material,
3) vorbestimmtes, mehrmaliges Wiederholen der Schritte (1) und
(2), so dass eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Schichten von
musterweise gebundenem Pulver gebildet wird, wobei die
aufeinanderfolgenden Schichten von gebundenem, feinpulverigen
Material zusammen den Formkörper bilden, und
4) Entfernen von nicht gebundenem Pulver,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Flüssigkeit Wasser aufweist und das feinpulverige
Material mindestens eine Komponente aufweist, die ein
Bindemittel nach Kontakt mit dem Wasser in Schritt (2) bildet,
mit dem Vorbehalt, dass die Flüssigkeit kein Bindemittel
enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Trocknen nach
jeder Ausführung des ersten und/oder zweiten Schrittes durchgeführt
wird, oder nach jedem zweimaligen oder mehrmaligen Ausführen des
Schrittes (1) und/oder (2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen
nach dem jedem zweiten bis sechsten Ausführen des Schrittes (1)
und/oder (2) durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trocknen ausgeführt wird, indem eine erwärmte Platte auf oder
unmittelbar oberhalb der Schicht aus feinpulverigen Material gestellt
wird, welches zuletzt unmittelbar nach dem Schritt (1) und vor dem
Schritt (2) aufgetragen wurde.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in der Form von einem oder
mehreren Tröpfchenstrahlen aufgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Flüssigkeit in der Form einer Mehrzahl von feinen Tröpfchenstrahlen
aufgetragen wird, wobei die Flüssigkeiten in unterschiedlichen
Strahlen unterschiedliche Farben besitzen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Komponente des feinpulverigen Materials, die
ein Bindemittel mit Wasser bildet, Polyvinylalkohol,
Carboxymethylcellulose, Gelatine und/oder Dextrin ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das feinpulverige Material zusätzlich zu der
Komponente, die das Bindemittel bildet, ein Füllmittel aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das feinpulverige Material zusätzlich zu der
Komponente, die ein Bindemittel bildet, ein zweites Bindemittel
aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite
Bindemittel ein duroplastisches Material oder ein thermoplastisches
Material aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kombination von nicht gebundenem Pulver und
dem Formkörper einer Trockenbehandlung ausgesetzt wird, bevor das
nicht gebundene Pulver in Schritt (4) entfernt wird.
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