DE29824448U1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers - Google Patents

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Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Formkörpers, worin folgende Schritte ausgeführt werden:

(1) Aufbringen einer Schicht feinpulverigen Materials auf eine Oberfläche,

(2) Aufbringen von wenigstens einer Flüssigkeit in einem Muster auf die Schicht von feinpulverigem Material, so dass eine Schicht gebildet wird, bei der das feinpulverisierte Material entsprechend dem Muster gebunden ist,

(3) Wiederholen der Schritte (1) und (2) mit einer vorgegebenen Anzahl, so dass eine Anzahl aufeinanderfolgender Schichten aus zu einem Muster gebundenem Pulver gebildet wird, wobei die aufeinanderfolgenden Schichten den Formkörper bilden, und

(4) Entfernen des ungebundenen Pulvers.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der EP-A-O 431 924 bekannt. Bei dieser europäischen Patentanmeldung wird als Flüssigkeit, die auf die Pulverschicht aufgebracht wird, welche auf die Oberfläche aufgebracht wurde, ein Bindemittel eingesetzt, so dass eine Schicht aus zu einem Muster gebundenem Pulver erzeugt wird. Im allgemeinen wird dies mit Hilfe von einer oder mehreren Tintenstrahlpatronen bewerkstelligt. Ein Nachteil dieser Vorrichtung besteht jedoch in dem sehr hohen Risiko, dass die Tintenstrahlpatronen durch das Bindemittel

verstopft werden, insbesondere wenn ein konventioneller Tintenstrahldrucker verwendet wird. Darüber hinaus weist der Einsatz eines flüssigen Bindemittels den Nachteil auf, dass er im allgemeinen leicht klebrig und somit schwieriger zu handhaben ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu diesen Problemen bereitzustellen, die zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flüssigkeit Wasser ist und das feinpulverige Material wenigstens eine Komponente beinhaltet, die nach dem Kontakt mit Wasser in Schritt (2) als Bindemittel wirkt.

Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass eine Flüssigkeit verwendet wird, die selbst nicht klebrig ist, so dass sie leicht zu handhaben und das Risiko der Verstopfung bei der Verwendung von Tintenstrahlpatronen minimal ist.

Natürlich ist die Verwendung von Wasser sehr umweltfreundlich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind alle entsprechenden Komponenten sehr leicht handhabbar.

Dieser letzte Punkt ist ein entscheidender Vorteil, insbesondere bei der Verwendung sogenannter " Tropfen-auf-Abruf "-Tintenstrahlpatronen. Eine Tropfenauf-Abruf-Tintenstrahlpatrone dieser Art ist bekannt und weist allgemein zwei Reihen von Öffnungen auf, die Tropfen der Flüssigkeit abgeben, die ausgesprüht werden, wenn ein elektrisches Signal empfangen wird.

Aus der EP-A-O 431 924 ist an sich bekannt, ein Lösungsmittel als Flüssigkeit zum Binden des feinpulverigen Materials zu verwenden. Der Gebrauch von wasserhaltigen Flüssigkeiten, die mit einer Komponente des feinpulverigen Materials in Schritt (2) ein Bindemittel bilden, ist jedoch nicht offenbart.

Aus der EP-A-O 431 924 ist auch bekannt, die gebundenen Pulverschichten zu erwärmen, wahlweise während des Aufbringens des flüssigen Bindemittels, um das Aushärten des gebundenen Pulvers zu beschleunigen und jegliche chemischen Aushärtungsreaktionen in Gang zu setzen, die bei erhöhten Temperaturen stattfinden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die gebundenen Pulverschichten

vorzugsweise getrocknet, indem sie jeweils nach Schritt (1) und/oder Schritt (2) oder jeweils nach zwei- oder mehrmaligem Ausführen von Schritt (1) und/oder Schritt (2) erwärmt werden. Die Trocknung wird vorzugsweise jeweils nach der zweiten bis sechsten Ausführung von Schritt (1) oder Schritt (2) durchgeführt. Diese Erwärmung kann auf zahlreichen Wegen stattfinden, zum Beispiel mit Hilfe heißer Luft, durch Bestrahlung mit infrarotem Licht bzw. mit Mikrowellen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde jedoch festgestellt, dass sehr gute Resultate erzielt werden, wenn die Trocknung unmittelbar nach Schritt (1) und vor Schritt (2) durchgeführt wird, indem eine Heizplatte auf oder direkt über der Schicht aus feinpulverigem Material angeordnet wird, welches zuletzt aufgetragen wurde. Der Vorteil, die Trocknung \ nach Schritt (1) auszuführen, besteht darin, dass die Pulverschicht, die

zuletzt aufgetragen wurde, noch trocken ist, mit dem Ergebnis, dass das Pulver wenig dazu neigt, an der Platte zu haften, wenn diese auf der Pulverschicht, welche zuletzt aufgetragen wird, aufgesetzt wird. Die Temperatur, bis zu der erwärmt wird, hängt von dem verwendeten Pulver ab, sie liegt jedoch bevorzugt unter der Schmelztemperatur der Komponente der Pulvermischung, die den niedrigsten Schmelzpunkt hat. Die Temperatur wird im allgemeinen zwischen 50° und 120° C liegen. Wenn gewünscht, kann die beheizte Platte auch dazu verwendet werden, Druck auf das aufgetragene Pulver auszuüben.

Die wasserhaltige Flüssigkeit, die auf jede Schicht aus feinpulverigem Material aufgebracht wird, wird vorzugsweise durch einen oder mehrere feine Strahlen aus Tröpfchen aufgebracht. Insbesondere wird die Flüssigkeit durch eine Mehrzahl feiner Strahlen aus Tröpfchen aufgebracht, wobei die Flüssigkeiten der verschiedenen Strahlen unterschiedliche Farben aufweisen. Dies kann sehr effizient durch die Verwendung eines Tintenstrahldruckers erreicht werden, wie er an sich bekannt ist.

Es ist auch möglich, durch die Verwendung unterschiedlicher Farben farbige Objekte herzustellen. Die Stellen, wo jede einzelne Farbe bei dem herzustellenden Formkörper aufzubringen ist, kann durch eine korrekte Programmierung eines angeschlossenen Computers sehr genau bestimmt werden. Techniken dieser Art sind bei Tintenstrahldruckern an sich bekannt.

Zusätzlich zum Wasser enthält die Flüssigkeit vorzugsweise noch 1-50 Gewichtsprozent, idealerweise 5-25 Gewichtsprozent, eines oder mehrerer Fließverbesserer. Fließverbesserer dieser Art sind oberflächenaktive Mittel

farbige Objekte herzustellen. Die Stellen, wo jede einzelne Farbe bei dem herzustellenden Formkörper aufzubringen ist, kann durch eine korrekte Programmierung eines angeschlossenen Computers sehr genau bestimmt werden. Techniken dieser Art sind bei Tintenstrahldruckern an sich bekannt.

Zusätzlich zum Wasser enthält die Flüssigkeit vorzugsweise noch 1-50 Gewichtsprozent, idealerweise 5-25 Gewichtsprozent, eines oder mehrerer Fließverbesserer. Fließverbesserer dieser Art sind oberflächenaktive Mittel und sollen die Oberflächenspannung reduzieren, so dass die Flüssigkeit aus den sehr kleinen Öffnungen der Tintenstrahlpatrone tröpfchenweise gesprüht werden kann. Beispiele geeigneter Fließverbesserer sind Glykole wie Diethylen-Glykol und Monoethylen-Glykol und niedere Alkanole wie Ethanol, 1-Propanol und 2-Propanol. Kombinationen aus zwei oder mehreren Fließverbesserern dieser Art sind ebenfalls möglich. Eine sehr geeignete Kombination ist zum Beispiel eine Mischung aus Diethylen-Glykol und 2-Propanol.

Die Flüssigkeit kann ein oder mehrere Färbemittel enthalten. Werden mehrere Tintenstrahlpatronen verwendet, können mehrere Flüssigkeiten verwendet werden, deren Farben sich voneinander unterscheiden, so dass ein Formkörper, der verschiedene Farben aufweist, hergestellt werden kann.

Wie schon erwähnt, beinhaltet das feinpulverige Material eine Komponente, die ein Bindemittel ("klebende Komponente") bildet, sobald sie mit der aufgesprühten Flüssigkeit in Kontakt kommt. Zusätzlich kann das Pulver einen Füllstoff enthalten. Werden Füllstoffe eingesetzt, so kann der durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnene Formkörper zum Beispiel gesintert, gebrannt oder getempert werden, um die Bindemittelkomponente zu entfernen und einen Formkörper aus dem Material des Füllstoffes zu erhalten. Beispiele von Füllstoffen sind Metallpulver, Glasperlen, Glasfasern, keramische Materialien, Kunststoffe, Silika, Sand etc. Es ist somit beispielsweise möglich, einen Formkörper zu erzeugen, der vollständig aus Glas, Stahl, Eisen etc. besteht.

Das feinpulverige Material beinhaltet neben der Komponente, die als

Folge des Kontaktes mit dem aufgesprühten Wasser eine Bindemittel bildet, vorzugsweise ein sekundäres Bindemittel. Solch ein sekundäres Bindemittel beinhaltet insbesondere ein duroplastisches Material oder ein thermoplastisches Material. Duroplastische Materialien sind Materialien wie Polyesterpulverbeschichtungen, die unter dem Einfluss von Wärme aushärten. Ein Beispiel ist die Polyesterpulverbeschichtung des Typs LT, hergestellt von der Lakfabriek Korthals B.V. Thermoplastische Materialien sind Materialien, die beim Erwärmen erweichen oder schmelzen und beim Abkühlen wieder festwerden.

Die erwähnten duroplastischen und thermoplastischen Materialien werden in diesem Kontext sekundäre Bindemittel genannt. Das Vorhandensein von sekundären Bindemitteln bietet die Möglichkeit, schnell und einfach einen Formkörper mit Hilfe des erfmdungsgemäßen Verfahrens herzustellen, der nach der Fertigstellung durch eine Wärmebehandlung zusätzlich verstärkt werden kann.

Geeignete klebende Komponenten sind insbesondere Pulver, die durch Kontakt mit der wasserhaltigen Flüssigkeit ein Bindemittel bilden.

Beispiele sind Dextrinpulver, (Carboxy)-Methylcellulose, Tapetenkleister, Gelatine, Inulin, Gummiarabikum, Polyvinylalkohol, Cement, Gips, ein wasserlösliches Salz und fein gemahlener, granulierter Zukker. Vorzugsweise wird ein Pulver, in dem die klebende Komponente Polyvinylalkohol, (Carboxy)-Methylcellulose, Gelatine und/ oder Dextrin ist, verwendet. Beispiele von geeigneten Polyvinylalkohol-Pulvern sind vollständig oder teilweise hydrolysierte Polyvinylalkohole, wie solche, die unter dem Handelsnamen Mowiol verkauft werden. Geeignete Abstufungen sind z.B. Mowiol 3-83, Mowiol 18-88 and Mowiol 10-98. Ein Polyvinylalkohol-Pulver kann durch Zermahlen eines Polyvinylalkohol-Granulats bei einer Temperatur unterhalb der Einfriertemperatur von Polyvinylalkohol, z.B. unter flüssigem Stickstoff, erzeugt werden. Ein Beispiel eines im Handel erhältlichen Dextrins ist das von der Gesellschaft Avebee verkaufte 37-LAC-19.

Die Teilchengröße der Pulverteilchen variiert im allgemeinen zwischen 25 und 250 &mgr;&idiagr;&eegr; und liegt vorzugsweise zwischen 50 und 175 &mgr;&eegr;&igr;. Sind die Pulverteilchen größer als 250 &mgr;&pgr;&igr;, wird die Maßhaltigkeit des zu bildenden Formkörpers zu sehr von der Teilchengröße des Pulvers be-

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stimmt, was im allgemeinen unerwünscht ist. Eine Pulvermischung, die verwendet werden kann, enthält zum Beispiel etwa 3 Volumenanteile Glasperlen (ca. 50 - 100 &mgr;&pgr;&igr;), 3 Volumenanteile Polyesterpulver-Beschichtung und 1 Volumenanteil Dextrin. Die Pulvermischung kann auch Polyvinylalkohol beinhalten, wahlweise mit dem Zusatz von einem sekundären Bindemittel und/oder einem Füllstoff.

Nachdem alle Schichten des gebundenen, feinpulverigen Materials gebildet worden sind, wird das überschüssige Pulver, das nicht gebunden wurde, entfernt. Der erhaltene Formkörper wird dann vorzugsweise in einen Ofen gestellt, um die noch vorhandene Flüssigkeit zu entfernen und dafür zu sorgen, dass alle vorhandenen Pulverkomponenten, wie etwa sekundäre Bindemittel, entsprechend wirken. Die Stabilität des Formkörpers wird auf diese Weise erhöht. Wenn gewünscht, kann der Formkörper vor oder nach einer etwaigen Wärmebehandlung in einem Ofen außen mit einem (farblosen) Lack oder Firnis bedeckt werden. Neben dem vorteilhaften Einfluss auf die Festigkeit des Formkörpers, kann dies auch günstig für Farbbeständigkeit des Formkörpers sein, insbesondere, wenn er mehrfarbig hergestellt wird.

Die Kombination aus nicht-gebundenem Pulver und dem hergestellten Formkörper wird jedoch bevorzugt nach Schritt 3 einer Trockenbehandlung unterzogen. Auf diese Weise erhält man ein stabileres Produkt. Dabei besteht keine Gefahr hinsichtlich möglicher Verformungen des Formkörpers während des nachfolgenden Schrittes (4), bei dem das nicht-gebundene Pulver von dem Formkörper entfernt wird. Eine solche Trockenbehandlung kann zum Beispiel in einem Ofen durchgeführt werden.

Die Formkörper, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können, werden auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt. Beispielsweise können Formkörper als maßstabsgetreue Modelle benutzt werden, z.B. von Möbelstücken, Transportmitteln (Autos, Zügen, Flugzeugen und dergleichen), Molekülen, Spielzeugen, Prothesen sowie anderen Geräten und dekorativen Gegenständen. Das Verfahren eignet sich auch sehr gut zur Herstellung von Gebäude- und Landschaftsmodellen oder Gussformen für die Herstellung z.B. von Gipsobjekten.

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Enthält die Pulvermischung zusätzlich zu der klebenden Komponente einen Füllstoff, kann es vorteilhaft sein, die klebende Komponente zuvor an den Füllstoff zu binden. Dazu können der Füllstoff und die klebende Komponente sowie jede andere Komponente zunächst mit Hilfe von Wasser oder einer anderen, geeigneten Flüssigkeit gemischt werden. Anschließend wird die Mischung getrocknet und, falls erforderlich, pulverisiert.

Als Tintenstrahldrucker können bekannte und im Handel erhältliche Tintenstrahldrucker verwendet werden. Ein Beispiel eines sehr gut geeigneten Tintenstrahldruckers ist der Drucker HP-Deskjet 850 von Hewlett-Packard. Der Tinte sprühende Teil dieses Druckers ist so angebracht, dass man damit die Pulverschicht bedrucken kann. Der Drucker enthält Sprühöffnungen für schwarze Tinte sowie für drei unterschiedliche Grundfarben. Indem die schwarze Tinte durch Wasser mit geeigneten Fließverbesserern ersetzt wird, können mit dieser Vorrichtung Artikel aller möglichen Farbkombinationen hergestellt werden.

Sehr geeignete Tintenstrahlpatronen sind die im Handel erhältlichen Tropfen-auf-Abruf-Tintenstrahlpatronen des Typs HP 51645 (auch von Hewlett-Packard). Solch eine Tintenstrahlpatrone beinhaltet etwa 300 Sprühöffnungen.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft dargestellt. Beispiel

Ein 3D-Modell eines Porsche wurde aus dem Internet heruntergeladen (www.3dcafe.com). Mit dem Programm 3D-Studio wurde dieses Modell eingefärbt und als Polyray-Datei exportiert. Auf der Grundlage dieser Datei wurden mit einem speziellen Programm 112 Querschnitte berechnet. Alle Stellen auf einem Querschnitt, die weniger als 1 mm von der nächstliegenden Außenfläche des Modells entfernt lagen, erhielten die Farbe dieser nächstliegenden Außenfläche. Diese Querschnitte wurden entsprechend der EP-A-O 431 924 zu einem Drucker geschickt, wobei das druckende Teil von einem HP-Deskjet stammte. Somit war innerhalb von 20 min ein Modell dieses Autos gedruckt, wobei die Außenfläche

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Autos vollständig koloriert war.

Als pulverisiertes Material wurde fein gemahlener Polyvinylalkohol mit einer Teilchengröße von ungefähr 120 &mgr;&pgr;&igr; verwendet. Der Druck wurde mit Wasser und auf Wasser basierender Tinte (HP-Deskjet Tinte) durchgeführt, wobei die schwarze Tinte durch Wasser ersetzt wurde.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Formkörpers, mit:

- einer Einrichtung zum wiederholten Aufbringen einer Schicht feinpulverigen Materials auf eine Oberfläche, und

- einer Einrichtung zum wiederholten Aufbringen von wenigstens einer Flüssigkeit in einem Muster auf die Schicht von feinpulverigem Material, so dass eine Schicht gebildet wird, bei der das feinpulverige Material entsprechend dem Muster gebunden ist, und

- einer Einrichtung zum Entfernen des ungebundenen Pulvers, dadurch gekennzeichnet,

dass die Flüssigkeit Wasser enthält und das feinpulverige Material wenigstens eine Komponente enthält, die nach Kontakt mit Wasser ein Bindemittel bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Trocknungseinrichtung zum Trocknen der aufgebrachten Pulverschichten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungseinrichtung eine Heizplatte aufweist, die auf oder direkt über der Schicht feinpulverigen Materials angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Tintenstrahldrucker zum Aufbringen der Flüssigkeit.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenstrahldrucker die Flüssigkeit durch eine Mehrzahl feiner Strahlen von Tröpfchen bringt, wobei die Flüssigkeiten der verschiedenen Strahlen unterschiedliche Farben aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente des feinpulverigen Materials, der mit Wasser ein Bindemittel bildet, Polyvinylalkohol, (Carboxy)-Methylcellulose, Gelatine und/oder Dextrin ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das feinpulverige Material zusätzlich zu der Komponente, die das Bindemittel bildet, einen Füllstoff beinhaltet.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feinpulverige Material zusätzlich zu der Komponente, die das Bindemittel bildet, einen sekundären Binder beinhaltet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Binder ein duroplastisches Material oder ein thermoplastisches Material beinhaltet.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Trockenbehandlungseinrichtung für die Verbindung aus nicht-gebundenem Pulver und dem hergestellten Formkörper.