DE69928973T2

DE69928973T2 - Zusammensetzung für das dreidimensionale Drucken

Info

Publication number: DE69928973T2
Application number: DE69928973T
Authority: DE
Inventors: James F. Watertown Bredt; Timothy C. Cambridge Anderson; David B. Southboro Russell
Original assignee: Z Corp
Current assignee: Z Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: DE69928973D1; EP1124688A1; KR100650089B1; CA2338617A1; KR20010089352A; EP1124688B1; EP1623816A3; DE69916305D1; WO2000026026A1; EP1403031B1; DE69916305T2; JP4907766B2; HK1088280A1; EP1403031A1; HK1037914A1; EP1623816A2; EP1623816B1; JP2002528375A

Description

Hintergrund
1.0 Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Techniken zum schnellen Herstellen von Prototypen und insbesondere Materialien und Verfahren zum gips-basierten dreidimensionalen Drucken.
2.0 Verwandter Stand der Technik
Das Gebiet des schnellen Herstellens von Prototypen („rapid prototyping") umfasst die Produktion von Prototypgegenständen und funktionellen Teilen sowie von keramischen Schalenformen für das Metallgießen direkt aus computererzeugten Designdaten.
Zwei bekannte Verfahren für das schnelle Herstellen von Prototypen umfassen einen selektiven Laser-Sinterprozess und einen Dreidimensionalen Druckprozess mit Flüssigbinder (3DP^TM, Marke des Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts). Die Techniken sind insoweit ähnlich, als sie beide Schichttechniken verwenden, um dreidimensionale Gegenstände aufzubauen. Beide Verfahren bilden sukzessive dünne Querschnitte des erwünschten Gegenstandes. Die einzelnen Querschnitte werden ausgebildet, indem Körner eines granularen Materials auf einer ebenen Oberfläche eines Bettes aus dem granularen Material verbunden werden. Eine jede Schicht wird mit einer zuvor ausgebildeten Schicht verbunden, um den erwünschten dreidimensionalen Gegenstand zur selben Zeit auszubilden, zu der die Körner einer jeden Schicht miteinander verbunden werden. Das Laser-Sintern und die Flüssigkeitsbinder-Techniken sind vorteilhaft, weil sie Teile direkt aus computerzeugten Designdaten erzeugen, und Teile produzieren können, die komplexe Geometrien aufweisen. Darüber hinaus können 3DP^TM-Verfahren schneller und preiswerter als das herkömmliche maschinelle Herstellen von Prototypteilen oder die Produktion von gegossenen oder geformten Teilen durch herkömmliche Techniken unter Verwendung "harter" oder "weicher" Werkzeuge sein, was, in Abhängigkeit von der Komplexität des Artikels, von einigen Wochen bis zu mehreren Monaten dauern kann.
3DP^TM-Verfahren wurden verwendet, um Keramikformen für den Investitionsguss herzustellen, um dadurch vollständig funktionelle Metallteile zu erzeugen. Es wurden auch andere Verwendungen für die 3DP^TM-Verfahren erwogen.
Beispielsweise können 3DP^TM-Verfahren in design-verwandten Gebieten nützlich sein, in denen Gegenstände zur Visualisierung, Demonstration und zur mechanischen Herstellung von Prototypen verwendet werden können. Sie können auch zum Herstellen von Schablonen für Form- oder Gießprozesse nützlich sein. 3DP^TM-Verfahren können ferner beispielsweise in den Gebieten Medizin und Zahnmedizin nützlich sein, in denen erwartete Ergebnisse vor dem Durchführen der Prozeduren geformt werden. Andere Geschäftsgebiete, die von der Technologie des schnellen Herstellens von Prototypen profitieren könnten, umfassen Architekturfirmen sowie andere Firmen, bei denen die Visualisierung eines Designs nützlich.
Ein selektiver Laser-Sinterprozess ist im US-Patent Nr. 4,863,568 beschrieben. Der selektive Laser-Sinterprozess wurde von der DTM Corporation kommerzialisiert. Der selektive Laser-Sinterprozess umfasst das Ausbreiten einer dünnen Schicht von Pulver auf einer ebenen Fläche. Das Pulver wird unter Verwendung eines Werkzeugs ausgebreitet, das zur Verwendung mit dem selektiven Laser-Sinterprozess entwickelt wurde und im Fachgebiet als Gegen-Walzmechanismus (im Folgenden "Gegen-Walze") bekannt ist. Die Verwendung der Gegen-Walze gestattet es, dass dünne Materialschichten gleichmäßig ausgebreitet werden, ohne vorhergehende Schichten zu stören. Nachdem die Schicht des Pulvers auf der Fläche ausgebreitet wurde, wird ein Laser verwendet, um Laserenergie auf das Pulver in einem vorbestimmten zweidimensionalen Muster zu richten. Der Laser sintert oder verschmelzt das Pulver in den Bereichen zusammen, die von seiner Energie getroffen werden. Das Pulver kann Kunststoff, Metall, Polymer, Keramik oder eine Verbindung sein. Aufeinanderfolge Pulverschichten werden unter Verwendung der Gegen-Walze über vorhergehende Schichten gebreitet, gefolgt von dem Sintern oder Verschmelzen mit dem Laser. Der Prozess ist im Wesentlichen thermisch, wobei er die Abgabe einer ausreichenden Energiemenge durch den Laser erforderlich macht, um das Pulver zusammenzusintern und an vorhergehende Schichten zu sintern, um den Endgegenstand zu bilden.
Der selektive Laser-Sinterprozess ist aufgrund der hohen Kosten des Lasers und der Komplexität der verwendeten Ausrüstung teuer. Darüber hinaus wird nur ein Laser gleichzeitig verwendet, was ihn zu einem langsamen Verfahren macht. Darüber hinaus werden in Abhängigkeit von der Anwendung beim selektiven Laser-Sinterverfahren manchmal Materialien verwendet, die eine spezielle Handhabung oder Verarbeitungseinrichtungen erfordern.
Das US-Patent Nr. 5,204,055 beschreibt ein frühes 3DP^TM-Verfahren, welches die Verwendung eines Tintenstrahl-Druckkopfes zum Aufbringen eines flüssigen oder kolloidalen Bindermaterials auf Schichten eines pulvrigen Materials umfasst. Die Technik (im Folgenden "Flüssigbinder-Verfahren") umfasst das Aufbringen einer Schicht pulverisierten Materials auf eine Fläche unter Verwendung einer Gegen-Walze. Nachdem das pulverisierte Material auf die Oberfläche aufgebracht wurde, befördert der Tintenstahl-Druckkopf einen flüssigen Binder auf die Pulverschicht. Der Binder infiltriert Zwischenräume in dem Pulvermaterial, wobei er das Pulvermaterial härtet, um es in eine verfestigte Schicht zu binden. Der gehärtete Binder verbindet außerdem eine jede Schicht mit der vorhergehenden Schicht. Nachdem der erste Querschnittsabschnitt ausgebildet ist, werden die vorhergehenden Schritte wiederholt, wobei aufeinanderfolgende Querschnittsabschnitte aufgebaut werden, bis der Endgegenstand ausgebildet ist. Typische organische Bindermaterialien sind Polymerharze oder keramische Vorläufer, wie beispielsweise Polycarbosilazon. Anorganische Binder werden verwendet, wenn der Binder in die Endgegenstände eingebunden wird, typischerweise wird in solch einer Anwendung Silica verwendet.
Ein Vorteil der Verwendung eines Tintenstrahl-Druckkopfes anstelle eines Lasers besteht darin, dass preiswerte Druckköpfe kommerziell erhältlich sind, die eine Mehrzahl von Sprühdüsen umfassen, die verwendet werden, um Binder auf das Pulver aufzubringen, und die in einem einzelnen Druckkopf Seite an Seite angeordnet sind. Bei selektiven Laser-Sintermaschinen wird herkömmlicherweise nur ein Laser, der Energie auf das Pulver überträgt, verwendet. Die Kombination von mehreren Sprühdüsen erhöht die Geschwindigkeit des Flüssigbinderdruckens im Vergleich zum Laser-Sintern, indem sie es gestattet, dass zu einem Zeitpunkt ein breiterer Bereich gedruckt wird. Darüber hinaus ist aufgrund der hohen Kosten des Lasers und der hohen Kosten der zugehörigen Strahlablenkungsoptik und Steuerungen die Flüssigbinder-Druckausrüstung viel kostengünstiger als die Laserausrüstung.
Jedoch hat die Flüssigbinder-Drucktechnik ein ernstes Zuverlässigkeitsproblem, das damit zusammenhängt, dass die Sprühdüsen mit dem Binder und/oder dem Pulvermaterial verstopfen. Das Verstopfen tritt auf, wenn Binder mit hohen Graden an suspendierten Feststoffen verwendet werden. Das Problem mit dem Verstopfen macht häufige Unterbrechungen des Aufbaus erforderlich, um die Sprühdüsen zu reinigen. Das Problem des Verstopfens erhöht die Zeit und die Arbeit, die benötigt wird, um Teile aufzubauen und die Ausrüstung zu warten. Obwohl die Flüssigbinder-Drucktechnik einen Fortschritt in der Geschwindigkeit und den Kosten gegenüber dem selektiven Laser-Sinterprozess darstellt, leidet er daher unter Zuverlässigkeitsproblemen, die die Aufbaurate verlangsamen, wodurch die Arbeits- und Ausrüstungswartungskosten erhöht werden. Dieses Problem wirkt sich störend auf den potentiellen Geschwindigkeitsvorteil der erhöhten Druckfähigkeit aus, der durch die Mehrzahl von Sprühdüsen dargeboten wird.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Nachteilen stellen die Pulver, insbesondere die metallischen Pulver, die sowohl beim selektiven Laser-Sintern als auch bei den Flüssigbinder-Techniken verwendet werden, Sicherheitsfragen dar, die sie zur Verwendung in einer Büroumgebung nicht erstrebenswert machen. Diese Sicherheitsfragen können spezielle Kleidung und Bearbeitungseinrichtungen erforderlich machen, um beispielsweise Hautkontakt oder die Inhalation von toxischen Materialien zu verhindern. Darüber hinaus können durch das Erfüllen von Vorschriften für die Entsorgung von toxischen Materialien weitere Kosten auflaufen. Aus diesem Grund bieten sich diese Techniken nicht dazu an, in typischen Büroumgebungen verwendet zu werden, wie beispielsweise in Architektur- oder Designfirmen oder in Arztpraxen.
Das US-Patent Nr. 5,490,962 von Cima offenbart feststofffreie Formtechniken zum Herstellen von medizinischen Vorrichtungen für die kontrollierte Abgabe von bioaktiven Stoffen.
Das US-Patent Nr. 5,639,402 von Barlow offenbart ein Verfahren zum selektiven Verschmelzen von Calciumphosphatteilchen, die mit einem polymerischen Bindermaterial beschichtet oder alternativ damit gemischt sind.
Die WO 98/0978A offenbart einen Partikelwerkstoff zur Verwendung im dreidimensionalem Druck, der ein Adhäsiv umfasst. Das einzige Adhäsiv kann ein Verbindungsadhäsiv sein, welches zwei Komponenten umfasst, die zusammen das Adhäsiv bilden.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine dreidimensionale Druckzusammensetzung angegeben, die Folgendes umfasst: einen Partikelwerkstoff, der Gips enthält, ein erstes Adhäsiv, ein zweites Adhäsiv und einen Beschleuniger.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Zusammenstellung für das dreidimensionale Drucken angegeben, die Folgendes umfasst: eine dreidimensionale Druckzusammensetzung und eine wässrige Flüssigkeit, wobei die dreidimensionale Druckzusammensetzung einen Partikelwerkstoff, der Gips enthält, und ein erstes Adhäsiv umfasst.
Kurzbeschreibung
Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu gestatten und um zu zeigen, wie dieselbe umgesetzt werden kann, wird nun, nur zu Beispielszwecken, auf die Figuren Bezug genommen, von denen:
1 ein Graph der Beziehung zwischen der Gipsfestigkeit und dem Wassergehalt eines Gipses ist,
2 schematisch eine erste Schicht einer Mischung aus einem Partikelwerkstoff der Erfindung zeigt, die auf eine nach unten bewegliche Fläche aufgetragen ist, auf der ein Gegenstand aufzubauen ist, bevor eine Flüssigkeit aufgebracht wurde,
3 eine Tintenstrahl-Düse schematisch zeigt, die ein aktivierendes Fluid an einen Abschnitt der Schicht des Partikelwerkstoffs von 2 in einem vorbestimmten Muster abgibt,
4 eine Ansicht eines Endgegenstandes schematisch darstellt, der in einer Abfolge von in 3 gezeigten Schritten hergestellt ist und der in dem Behälter eingeschlossen ist, wobei er immer noch in die losen, nicht aktivierten Partikel eingetaucht ist, und
5 schematisch eine Ansicht des Endgegenstandes von 4 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
In einer offenbarten Ausführungsform wird ein Gegenstand aus einem Reaktionsprodukt einer Mischung hergestellt, die einen Partikelwerkstoff und eine wässrige Flüssigkeit enthält. Der Partikelwerkstoff enthält Gips („plaster"). Das Rektionsprodukt enthält Gips, der zumindest mit einem Teil der wässrigen Lösung reagiert hat, in Form eines im Wesentlichen festen Prototypgegenstandes, der hydratisierten Gips enthält. Der Gegenstand umfasst eine Mehrzahl von im Wesentlichen gleichförmig verteilten Schichten des Reaktionsprodukts. Die wässrige Flüssigkeit und der Partikelwerkstoff können jeweils einen Beschleuniger, ein Adhäsiv oder Kombinationen davon enthalten. Ein Adhäsiv ist zumindest teilweise wasserlöslich und haftet zumindest an Abschnitten des hydratisierten Gipses. Die Dicke der Schichten beträgt weniger als ungefähr 300 nm. Das Produkt hat eine Biegefestigkeit von mindestens 1 Mpa.
Außerdem werden Verfahren zum schnellen Herstellen von Prototypen offenbart. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Vorsehen einer ersten Schicht aus einem Partikelwerkstoff, der Gips enthält, und das Verteilen einer wässrigen Flüssigkeit auf der ersten Schicht. Es ist zumindest einem Teil des Gipses und einem Teil der wässrigen Flüssigkeit gestattet, zu reagieren, um eine zumindest teilweise feste erste Schicht zu bilden. Eine zweite Schicht des Partikelwerkstoffs wird auf der zumindest teilweise festen ersten Schicht angeordnet, und die wässrige Flüssigkeit wird auf der zweiten Schicht verteilt. Es wird dem in der zweiten Schicht enthaltenen Gips und zumindest einem Teil der wässrigen Flüssigkeit gestattet, zu reagieren, dergestalt, dass die Partikel in der zweiten Schicht reagieren, um einen im Wesentlichen festen Prototypgegenstand zu bilden, der die zumindest teilweise feste erste Schicht umfasst.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Aufbringen einer Flüssigkeit auf einen ersten Abschnitt einer ersten Partikelschicht in einer Menge, die ausreicht, dass die wässrige Flüssigkeit dergestalt mit den Partikeln reagiert, dass die Partikel in dem ersten Abschnitt kristallisieren, um einen im Wesentlichen festen einzelnen Gegenstand auszubilden. Eine zweite Schicht der Partikel wird auf der ersten Schicht ausgebildet. Eine wässrige Flüssigkeit wird auf einen ersten Abschnitt oder Bereich der zweiten Schicht der Partikel in einer Menge aufgetragen, die ausreicht, dass die Partikel mit der wässrigen Flüssigkeit reagieren, dergestalt, dass die Partikel in dem ersten Abschnitt der zweiten Schicht kristallisieren, um aus dem ersten Abschnitt der ersten Schicht und dem ersten Abschnitt der zweiten Schicht einen im Wesentlichen festen einzelnen Gegenstand zu bilden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3DP^TM-Materialsystem, welches eine Mischung aus einer wässrigen Flüssigkeit und einem Partikelwerkstoff umfasst, der Gips enthält. Die wässrige Flüssigkeit enthält Wasser, welches den in dem Partikelwerkstoff enthaltenen Gips hydratisiert, um einen im Wesentlichen festen Gegenstand zu bilden. Verschiedene Verarbeitungshilfsmittel können entweder dem Partikelwerkstoff, der wässrigen Flüssigkeit oder beiden zugegeben werden, darunter, ohne auf diese beschränkt zu sein, Beschleuniger, Adhäsive, Flussratenbeschleuniger, Befeuchtungsmittel und sichtbare Farbstoffe. Außerdem wird ein Verfahren zum Verwenden solch eines Materialsystems und ein Gegenstand, der durch das Verfahren hergestellt wird, offenbart. Das Materialsystem der Erfindung kann verwendet werden, um sowohl Erscheinungs- oder Gestaltmodelle als auch kleine Anzahlen von funktionellen Teilen in einer Büroumgebung herzustellen, aber es ist nicht auf die Ausbildung von Prototypgegenständen beschränkt. Der Begriff "Prototypgegenstand", wie er hier verwendet wird, soll ein relativ einfach hergestelltes Modell definieren, wie beispielsweise einen Knochen oder eine Darstellung eines Produktionsteils, wie beispielsweise eines Zahnrades, eines Lagers, einer Welle etc., welches aus einem Material hergestellt ist, welches vollständig verschieden von dem Material ist, aus dem das produzierte Teil hergestellt wird, zum Zwecke der Einfachheit, Geschwindigkeit und der Ökonomie. Das schnelle Herstellen von Prototypen ist allgemein im Stand der Technik bekannt.
Gips wird häufig als "Gips aus Paris" bezeichnet, ein Name, der von dem Boden von Paris und den umgebenden Regionen hergeleitet wird, die Mineralgips im Überfluss enthalten, aus dem der Gips aus Paris hergestellt wird. Gips wird auch mit vielen anderen Namen bezeichnet, darunter, ohne auf diese beschränkt zu sein, Kalksulfat, ein Semihydrat aus Calciumsulfat, Formgips, Gipsmörtel, hydratisiertes Kalksulfat, hydratisiertes Calciumsulfat und Dentalgips, zusätzlich zu einer Vielzahl von Markennamen. Der Begriff "Gips", wie er hier benutzt wird, soll eine jegliche Vielzahl von Materialien definieren, die eine wesentliche Menge von CaSO₄·1/2H₂O enthalten, die sich vor dem Zufügen einer wässrigen Flüssigkeit in Pulverform befinden. Die Begriffe "hydratisierter Gips" und "erhärteter Gips" werden hier austauschbar miteinander verwendet und sollen eine Vielzahl von Gipsen enthalten, die eine wesentliche Menge von CaSO₄·1/2H₂O nach dem Erhärten oder Rehydration enthalten. Es sind viele Arten von Gips kommerziell erhältlich, die sich beispielsweise in der strukturellen Festigkeit, der für das Erhärten benötigten Zeit und in der Volumenänderung, die während des Erhärtens auftritt, unterscheiden. Typischerweise enthalten kommerziell erhältliche Gipse andere Inhaltsstoffe, wie beispielsweise Silica, Kalksteinpulver, Stärke, Kaolin (Terra Alba) und Kalk, ohne auf diese beschränkt zu sein. Beispiele für kommerziell erhältliche Gipsmaterialien, die für die vorliegende Erfindung geeignet sein können, umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, weißen Hydrozement ("hydrocal cement"), Durabond 90 und Drystone (jeweils erhältlich bei U.S. Gypsum, ansässig in Chicago, IL), sowie die meisten Marken von Gipsverband-Gips, Formgips und Spachtelverbindungen.
Wenn Selenit („gypsum") bei ungefähr 350°F kalziniert wird, verliert er einen wesentlichen Teil seines Wassers durch Kristallisation und wird dadurch in Gips umgewandelt. Die Dehydration oder "Kalzination" der Gipsmasse erfolgt nach der folgenden Reaktion I: 2(CaSO4·2H2O) + Wärme → (CaSO4)2·H2O + 3H2O ↑ (1)
Die übliche Verarbeitung von Gips umfasst im Allgemeinen das starke und gründliche Mischen von Gips und Wasser, um einen Schlamm zu bilden, der mit Wasser gesättigt ist und in eine Form gegossen wird, um "auszuhärten", was typischerweise ungefähr 30 Minuten dauert. Nachdem der Gips mit dem Wasser gemischt wurde, kristallisieren kleine Mengen des Gipses und backen zusammen, wobei die übrigen nicht löslichen Partikel zusammen zementieren. Das Zusammenbacken der Kristalle ist für einen großen Teil der schließlichen physikalischen Festigkeit des erhärteten Gipses verantwortlich. Üblicherweise sollte während der Periode, in der der Gips erhärtet, eine jegliche physikalische Störung des Erhärtens minimiert werden, weil sonst der Gips möglicherweise nicht seine potentielle maximale Festigkeit erhält, weil die winzigen Gipsstein- bzw. Selenitkristalle nicht vollständig aneinander backen. Wenn der Gips mit ausreichend Wasser gemischt ist, gewinnt der Gips die 1 1/2 Teile von Wasser zurück, die er vor der Kalzination das Selenits besessen hat, und erhärtet zu einem festen Material mit im Wesentlichen der gleichen Komposition wie Selenit. Wenn Gips richtig kalziniert ist, ist Gips einigermaßen unlöslich in kaltem Wasser und nur etwas in warmem Wasser löslich. Beispielsweise ist bei Raumtemperatur ein Teil Gips in ungefähr 400 Teilen Wasser löslich. Die Rehydration oder Rekristallisation von Gips, nachdem er mit Wasser gemischt wurde, wird als "Erhärten" bezeichnet, und geht gemäß der folgenden Gleichung (2) vonstatten: (CaSO4)2·H2O + 3H2O → 2(CaSO4·2H2O) + Wärme (2)
Wie in 1 gezeigt ist, steigt die Festigkeit des auf Gips basierenden Gegenstandes erheblich an, nachdem ungefähr 93 % der freien Feuchtigkeit entfernt wurde. Daher wird nach der Kristallisation oder dem Erhärten sämtliches Wasser, welches zusätzlich zu dem für die Kristallisation benötigten Wasser vorhanden ist, durch beschleunigtes Trocken oder durch die natürliche langsame Evaporation der Feuchtigkeit entfernt, um die Festigkeit des schließlichen Gegenstandes zu steigern. Die Zeit für das Entfernen des überschüssigen Wassers wird mit dem Typ des Gipses, dem Verhältnis von Wasser zu Gips, der Atmosphärenfeuchtigkeit, der Temperatur und der Luftzirkulation variieren.
Wie oben beschrieben wurde, umfasst das Materialsystem der vorliegenden Erfindung eine Mischung aus einer wässrigen Flüssigkeit und einem Partikelwerkstoff, der Gips enthält.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll der Begriff "Partikelwerkstoff" ein beliebiges Material definieren, das wesentliche Mengen von Gips enthält und welches zusätzlich andere Materialien enthalten kann, wie beispielsweise Beschleuniger, Adhäsive, Flussratensteigerer, Befeuchtungsmittel, sichtbare Farbstoffe, Fasern und Füller, ohne auf diese beschränkt zu sein. Beispiele von diesen und anderen Zusatzstoffen können in der US-Anmeldung Nr. 08/707,693 gefunden werden, die am 4. September 1996 eingereicht wurde.
Im Allgemeinen ist die Größe der Partikel im Partikelwerkstoff durch die Dicke der zu druckenden Schichten begrenzt. Das heißt, die Partikel sind vorzugsweise ungefähr kleiner als die Dicke der zu druckenden Schichten. Die Verwendung kleinerer Partikel kann Vorteile mit sich bringen, wie beispielsweise eine geringere Merkmalgröße, die Möglichkeit zur Verwendung dünner Schichten und die Fähigkeit, den sogenannten "Treppenstufeneffekt" zu verringern. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Materialsystem einen Partikelwerkstoff mit Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser, der zwischen 10 μm und ungefähr 300 μm liegt, vorzugsweise zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 100 μm, und besonders vorzugsweise zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 50 μm liegt.
Als einer der wichtigsten Faktoren beim Bestimmen der schließlichen Härte und physikalischen Festigkeit von erhärtetem Gips wird üblicherweise das Verhältnis von Gips zu Wasser angesehen. Eine "schwere" Mischung, die aus einem geringen Verhältnis von Wasser zu Gips besteht, führt zu einem härteren und schwereren erhärteten Gips als derjenige, der aus einer "normalen" Mischung resultiert, bei der ein Übermaß von Wasser zu Gips verwendet wird. Im Allgemeinen werden ungefähr 20 Einheiten Wasser auf 100 Einheiten Gips zur Kristallisation benötigt, aber üblicherweise wird mehr Wasser zugefügt, um ein zufriedenstellendes Gießen der Gips/Wasser-Mischung zu erreichen. Beispielsweise kann eine typische Gips/Wasser-Mischung, die zum Gießen geeignet ist, ein Verhältnis von ungefähr 60 Teilen Wasser auf 100 Teile Gips enthalten, wodurch ein Überschuss von ungefähr 40 Teilen von "freiem" Wasser überbleibt, der nach dem Erhärten in dem Gipsgegenstand verbleibt.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung soll der Begriff "wässrige Flüssigkeit", wie er hier verwendet wird, ein jedes Fluid definieren, das genügend Wasser enthält, um den in dem Partikelwerkstoff enthaltenen Gips zu binden, welches vom Durchschnittsfachmann leicht ermittelt werden kann. Im Allgemeinen führt einen Erhöhung des Verhältnisses von Wasser zu Gips zu einer Erhöhung der Festigkeit des Endgegenstandes. Daher wird ein Maximieren der Menge von wässriger Flüssigkeit, die auf die Partikelwerkstoffschicht gedruckt wird, im Allgemeinen die Festigkeit des Endgegenstandes erhöhen, aber manchmal zu Lasten einer Erhöhung in dem Ausmaß und/oder der Schwere von Verformungen im gedruckten Gegenstand. Der Begriff "Verformungen", wie er hier verwendet wird, umfasst eine Verwerfung oder Verwindung, ein Verklumpen und ein Schwitzen, ohne darauf beschränkt zu sein. Dementsprechend ist das Verhältnis von Wasser zu Gips praktisch durch mehrere Faktoren limitiert, darunter die erwünschte Druckgeschwindigkeit und das akzeptable Ausmaß der Verformung im Endgegenstand. Theoretisch kann mit 100%-igem Wasser als wässriger Flüssigkeit gedruckt werden, aber in der Praxis können die Düsen verstopfen. Daher kann es erstrebenswert sein, verschiedene Prozesshilfsmittel in die wässrige Flüssigkeit aufzunehmen, während eine ausreichende Menge von Wasser beibehalten wird, um mit dem Gips zu reagieren. Vorzugsweise kann die Menge von Wasser, die in der wässrigen Flüssigkeit enthalten ist, von ungefähr 20 % bis ungefähr 100 % reichen, aber sie liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 50 % bis ungefähr 99 % bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeit. Das Verhältnis der wässrigen Flüssigkeit, die auf das Partikelmaterial gedruckt wird, befindet sich vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 5 % bis ungefähr 75 %, und noch besser in einem Bereich von ungefähr 30 % bis ungefähr 70 %, bezogen auf das Volumen des losen Partikelwerkstoffs inklusive aller Porenräume.
In manchen Fällen kann es erstrebenswert sein, sehr kleine Strukturelemente zu drucken. Die Größe der Merkmale oder Strukturelemente, die gedruckt werden können, wird teilweise durch die Größe der Tröpfchen bestimmt, die aus der Düse abgegeben werden. Im Allgemeinen produzieren kleinere Düsen kleiner Tröpfchen und kleinere gedruckte Merkmale. Jedoch verringern kleinere Düsen die Druckgeschwindigkeit, da das Volumen des Wassers, das auf die Schicht des Partikelwerkstoffs gedruckt wird, abnimmt, und außerdem kann ein Verstopfen auftreten. Das Auftreten des Verstopfens der Düse kann durch Verwendung größerer Düsen vermieden werden, die größere Tröpfchen abgeben. Die Größe der Düse und der Tröpfchen kann wiederum praktisch durch das akzeptable Ausmaß der Verformung des Endgegenstandes beschränkt werden. Vorzugsweise haben die individuellen Tröpfchen der wässrigen Flüssigkeit ein Volumen, das zwischen ungefähr 30 pl und ungefähr 200 pl liegt. Zwei kommerziell erhältliche Druckköpfe liefern Tropfengrößen zwischen ungefähr 70 pl und ungefähr 90 pl, und zwischen ungefähr 110 pl und ungefähr 130 pl. Typischerweise sind das Materialsystem und das Verfahren der vorliegenden Erfindung in der Lage, Merkmale oder Strukturdetails in der Größenordnung von ungefähr 75 bis 125 μm herzustellen, aber es können auch kleinere oder größere Merkmale durch Änderung der Tröpfchengröße erreicht werden.
Nachdem die wässrige Flüssigkeit auf die Partikelwerkstoffschicht gedruckt wurde, ein Prozess, der unten näher im Detail beschrieben wird, beginnt das in der wässrigen Flüssigkeit enthaltene Wasser unmittelbar zu verdampfen und von dem Ort fortzudiffundieren, an den es gedruckt wurde. Das Maximieren der Menge von wässriger Flüssigkeit, die auf die Schichten gedruckt wird, stellt sicher, dass ausreichend Wasser für die Rehydratisierung des Gipses aus der Flüssigkeit entzogen werden kann, bevor es verdampft oder fortläuft, und auch weil die Flüssigkeit als ein Vehikel wirkt, in dem die Reaktion stattfinden kann. Die wässrige Flüssigkeit ist in der Lage, den Partikelwerkstoff in einem Ausmaß zu verbinden, welches mehrere Male die Masse eines Tröpfchens der Flüssigkeit beträgt. Das Ausmaß, in dem die individuellen Tröpfchen sich ausdehnen oder in den Partikelwerkstoff wandern, hängt von vielen Faktoren ab, darunter die Rate, mit der das Wasser und der Gips reagieren, und es kann außerdem durch das Zufügen von Additiven zum Partikelwerkstoff und/oder der wässrigen Flüssigkeit beeinflusst werden.
In anderen Ausführungsformen enthalten entweder der Partikelwerkstoff oder die wässrige Flüssigkeit oder beide ein oder mehrere Prozesshifsmittel. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn der Gips so schnell wie möglich aushärtet. Daher werden zum Erleichtern eines schnellen Aushärtens häufig Beschleuniger genutzt. Der Begriff "Beschleuniger", wie er hier benutzt wird, soll ein jedes Material definieren, das die Rate erhöht, mit der der Gips erhärtet. Beispiele von Arten, die Rate des Erhärten des Gipses zu beschleunigen, umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, das Erhöhen der Lösbarkeit von Gips in Wasser oder das Vorsehen zusätzlicher Nukleationsstellen für das Ausbilden von Kristallen. Beschleuniger werden im Allgemeinen bei herkömmlicher Gipsverarbeitung sparsam verwendet, da sie die Festigkeitseigenschaften des Gipses nachteilig beeinflussen können. Jedoch werden bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der Wichtigkeit, dass der Gips schnell erhärtet, Beschleuniger bevorzugt. Geeignete Beschleuniger umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, Kaolin (Terra Alba), Kaliumsulfat, Natriumchlorid, unterkalzinierten Gips, Alaun oder Kaliumalaun, Kalk und kalzinierten Kalk. Kaolin (Terra Alba), welches grob gemahlenes Selenit ist, ist ein bevorzugter Beschleuniger und funktioniert dadurch, dass es zusätzliche Nukleationsstellen für die Selenitkristallbildung bereitstellt. Ein anderer bevorzugter Beschleuniger ist Kaliumsulfat, von dem man annimmt, dass es wirkt, indem es die Löslichkeit von Gips in Wasser erhöht. Sowohl Kaolin als auch Kaliumsulfat erhöhen außerdem die Endfestigkeit des Gegenstandes. Es wird zumindest ein Beschleuniger dem Partikelwerkstoff oder der wässrigen Flüssigkeit zugeführt, um die Rate zu erhöhen, mit der der Gips aushärtet. In einer anderen Ausführungsform wird mindestens ein Beschleuniger sowohl dem Partikelwerkstoff als auch der wässrigen Flüssigkeit zugefügt, um die Rate zu erhöhen, mit der der Gips aushärtet. Im Allgemeinen hängt das Verhältnis des Beschleunigers zum Partikelwerkstoff vom Typ des verwendeten Gipses ab. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt, wenn dem Partikelwerkstoff ein Beschleuniger zugefügt wird, die Menge desselben vorzugsweise weniger als ungefähr 5 %, noch besser weniger als ungefähr 3 %, und noch besser weniger als ungefähr 2 %, bezogen auf das Gewicht des Partikelwerkstoffs. Wenn der wässrigen Flüssigkeit ein Beschleuniger zugefügt wird, wird er vorzugsweise in einer Menge von weniger als 5 %, besser von weniger als ungefähr 3 %, und noch besser von weniger als ungefähr 2 %, bezogen auf das Gewicht der wässrigen Flüssigkeit, zugefügt. Wenn ein Beschleuniger sowohl dem Partikelwerkstoff als auch der wässrigen Flüssigkeit zugefügt wird, geschieht dies vorzugsweise in denselben Verhältnissen, wie zuvor diskutiert wurde.
Da es wichtig ist, dass der Gips so schnell wie möglich aushärtet, sollte die Zugabe von Verzögerern vermieden werden. Das Verlangsamen der Rate, mit der der Gips aushärtet, kann gestatten, dass zu viel der wässrigen Flüssigkeit fortwandert, oder dass das Wasser verdampft, bevor ausreichend Gips und Wasser reagiert haben. Beispiele solcher Verzögerer umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, Borax, Eibischwurzel, Alkohol, kalzinierter Kalk, Zucker, Hirse, Kaliumsäuretartrat, pulverisiertes Horn, Haar, verschiedene organische Substanzen und Zitronensäure oder Essigsäure.
Bei den Ausführungsformen umfassen der Partikelwerkstoff, die wässrige Flüssigkeit oder beide ein Adhäsiv oder eine Kombination von Adhäsiven. Das Adhäsiv und der Gips wirken synergistisch zusammen, um Teile zu bilden, die fester als ein jedes der individuellen Materialien sind. Eine Ausführungsform umfasst mindestens ein Adhäsiv, das dem Partikelwerkstoff oder der wässrigen Flüssigkeit zugefügt ist, um die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit des Endgegenstandes zu verbessern. In einer anderen Ausführungsform wird mindestens ein Adhäsiv sowohl dem Partikelwerkstoff als auch der wässrigen Flüssigkeit zugefügt. Der Begriff "Adhäsiv", wie er hier verwendet wird, soll ein Material definieren, das zumindest etwas, und vorzugsweise wesentlich in einer beliebigen Komponente der wässrigen Flüssigkeit löslich ist, oder durch diese aktiviert wird, oder durch Hitze aktiviert wird, und das die sekundären Bindungen zwischen den Partikeln des Werkstoffs bildet, die vor der Auflösung oder Aktivierung zumindest teilweise voneinander getrennt waren. Man beachte, dass die primären Bindungen zwischen den Partikeln des Werkstoffs, die vor dem Zugeben der wässrigen Flüssigkeit voneinander getrennt sind, die verbackenen Selenitkristalle sind, die auch den überwiegenden Teil der Festigkeit des Endgegenstandes herstellen. Die Wahl des spezifischen Typs, des Grades und der Partikelgröße des Adhäsivs ist wichtig, weil das Adhäsiv zur Qualität und Festigkeit des Endgegenstandes beiträgt. Der Durchschnittsfachmann kann geeignete Adhäsive durch Routineexperimente auswählen. Partikelförmige Adhäsive können gesiebt oder in die gewünschte Größe zerkleinert werden, die typischerweise kleiner als Siebnummer (Maschenzahl) 170, und vorzugsweise kleiner als ungefähr Siebnummer 175 ist.
Vorzugsweise ist ein jedes Adhäsiv oder die Kombination der Adhäsive zumindest teilweise wasserlöslich, und vorzugsweise im Wesentlichen wasserlöslich. Es macht den Anschein, dass es ein synergetisches Verhältnis bei den Techniken der Erfindung zwischen dem Gips und dem wasserlöslichen Adhäsiv gibt, durch welches der erhärtende Gips Wasser aus der Adhäsivlösung zieht, wodurch veranlasst wird, dass das Adhäsiv schneller aushärtet. Während die wässrige Flüssigkeit das Adhäsiv auflöst, teilweise auflöst, aktiviert oder mit ihm reagiert, steigt die Viskosität der wässrigen Flüssigkeit dramatisch an, wodurch eine weitere Migration der wässrigen Flüssigkeit von dem ursprünglichen Auftreffspunkt unterbunden wird. Innerhalb weniger Minuten infiltriert die wässrige Flüssigkeit mit dem darin gelösten Adhäsiv die nur geringfügig löslichen Gipspartikel und/oder kristallisiert Selenitkristalle, indem sie adhäsive Bindungen dazwischen ausbildet.
Wie zuvor festgestellt wurde, werden ein Adhäsiv oder mehrere Adhäsive dem Partikelwerkstoff und/oder der wässrigen Flüssigkeit zugefügt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Adhäsiv vorzugsweise ein wasserlösliches Harz, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) oder Dextrin. Zusätzlich zur Erhöhung der Festigkeit des Endgegenstandes kann die Zugabe eines wasserlöslichen Harzes außerdem die Verformung verglichen mit Teilen, die nur durch Wasser miteinander verbunden sind oder durch ein wasserlösliches Adhäsiv, verringern. Wenn dem Partikelwerkstoff eines der zuvor beschriebenen Adhäsive zugefügt wird, hängt die Menge des Adhäsivs in dem Partikelwerkstoff von dem Typ des verwendeten Adhäsivs und Gipses ab, und sie kann durch Routineexperimente bestimmt werden. In der Ausführungsform, in der dem Partikelwerkstoff ein Adhäsiv oder eine Kombination von Adhäsiven zugefügt wird, wird es vorzugsweise in einer Menge von weniger als ungefähr 50 %, und besonders vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 20 % bis ungefähr 40 % bezogen auf das Gewicht des Partikelwerkstoffs zugefügt. Wenn der wässrigen Flüssigkeit ein Adhäsiv oder eine Kombination von Adhäsiven zugegeben wird, wird es vorzugsweise in einem Verhältnis von ungefähr 10 % bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeit zugegeben.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wird nun eine schematische Darstellung eines Druckverfahrens vorgestellt, welches das Materialsystem der vorliegenden Erfindung verwendet. Gemäß dem Verfahren wird eine Schicht aus einem Partikelwerkstoff 20 auf eine nach unten bewegliche Fläche 22 eines Behälters 24 aufgebracht. Die Schicht des Partikelwerkstoffs 20 kann auf eine beliebige Weise ausgebildet werden, und sie wird vorzugsweise unter Verwendung einer Gegen-Walze aufgebracht, die eine Beschädigung einer jeden zuvor aufgebrachten Schicht minimiert. Die Dicke einer einzelnen Schicht, die verwendet wird, um die Prototypgegenstände der vorliegenden Erfindung aufzubauen, beträgt vorzugsweise zwischen ungefähr 12 μm und 125 μm, besonders vorzugsweise ungefähr 50 μm bis 125 μm, und am besten ungefähr 50 μm bis ungefähr 75 μm. In der Theorie gibt es keine Begrenzung für die Dicke der Schichten des Partikelwerkstoffs, mit Ausnahme Fähigkeit der verwendeten Werkzeuge. In der Praxis werden die Schichten des Partikelwerkstoffs typischerweise durch die Menge von wässriger Flüssigkeit beschränkt, die auf die Schicht aufgebracht werden kann, wie unten beschrieben wird.
3 ist eine schematische Darstellung einer Tintenstrahldüse 28, die eine Mehrzahl von Tröpfchen, die aus einer wässrigen Flüssigkeit 26 bestehen, auf einen Abschnitt 30 der Schicht 20 des Partikelwerkstoffs in einem zweidimensionalen Muster aufträgt. Gemäß dem Verfahren wird die wässrige Flüssigkeit 26 auf die Schicht des Partikelwerkstoffs in einem beliebigen vorbestimmten zweidimensionalen Muster (kreisförmig in den Figuren, nur zum Zwecke der Illustration) aufgebracht oder gedruckt, unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Mechanismus, wie beispielsweise eines Tropfen-Auf-Befehl-Druckkopfs ("Drop-On- Demand", im Folgenden "DOD") durch anwendungsspezifische Software, die Daten von einem Computer-assistierten-Designsystem (im Folgenden "CAD") empfängt, ein Prozess, der auf dem Fachgebiet bekannt ist. In dem ersten Abschnitt 30 der Partikelwerkstoffschicht wird eine Reaktion zwischen dem Gips, der in der Partikelwerkstoffschicht enthalten ist, und dem Wasser, welches in der wässrigen Flüssigkeit enthalten ist, initiiert, wodurch der Gips rehydratisiert. Das Reaktionsprodukt aus der wässrigen Flüssigkeit und dem Partikelwerkstoff bildet eine im Wesentlichen feste kreisförmige Schicht, die zu einem Querschnittsabschnitt des Endgegenständes wird.
Sämtlicher unaufgelöster oder nicht-reagierter Partikelwerkstoff 32, der der wässrigen Flüssigkeit nicht ausgesetzt wurde, verbleibt lose und freifließend auf der beweglichen Fläche. Vorzugsweise wird der unaufgelöste Partikelwerkstoff oder der Partikelwerkstoff, der nicht reagiert hat, an seinem Ort gelassen, bis die Ausbildung des Endgegenstandes fertig ist. Das Liegenlassen des losen Partikelwerkstoffs stellt sicher, dass der Gegenstand während der Verarbeitung geschützt wird, wodurch gestattet wird, dass Strukturelemente, wie Überhänge, Unterschneidungen und Hohlräume (nicht gezeigt, aber üblich) definiert werden, ohne Haltestrukturen zu verwenden. Nach der Ausbildung des ersten Querschnittsabschnitts des Endgegenstandes wird die bewegliche Fläche nach unten verschoben.
Dann wird unter Verwendung von beispielsweise einem Gegen-Walzmechanismus eine zweite Schicht des Partikelwerkstoffs über die erste aufgetragen, die sowohl den festen ersten Querschnittsabschnitt 30 als auch sämtlichen losen Partikelwerkstoff, mit dem er umgeben ist, bedeckt. Es folgt ein zweites Auftragen von wässriger Flüssigkeit auf die oben beschriebene Weise, die mit dem Gips in der neu gedruckten Schicht und mit dem Gips in einem Abschnitt des vorherigen Querschnittsabschnitts reagiert, sowie ein Härten, um einen zweiten festen Querschnittsabschnitt auszubilden, der dem ersten festen Querschnittsabschnitt des Endgegenstandes zugefügt wird. Die bewegliche Fläche wird wiederum nach unten verschoben.
Die vorherigen Schritte des Aufbringens einer Schicht des Partikelwerkstoffs, des Aufbringens der wässrigen Flüssigkeit und des Verschiebens der beweglichen Fläche nach unten werden wiederholt, bis der Endgegenstand fertiggestellt ist. Alternativ weiß der Durchschnittsfachmann, wie man einen Gegenstand in Schichten von einer unbeweglichen Plattform aus nach oben aufbaut, indem nacheinander eine Serie solcher Schichten aufgetragen, geglättet und gedruckt wird. 4 ist eine schematische Darstellung eines zylindrischen Endgegenstandes, nachdem er vollständig ausgebildet ist. Am Ende des Prozesses ist nur die Oberfläche 34 des Endgegenstandes 38 in dem Behälter sichtbar. Der Endgegenstand ist vorzugsweise vollständig in einem Bett 36 aus ungelöstem und nicht-reagiertem Partikelwerkstoff eingebettet und besteht aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen gleichförmigen verteilten Schichten.
5 ist eine schematische Darstellung des zylindrischen Endgegenstandes 38 nach der Entfernung des ungelösten und nicht-reagierten Partikelwerkstoffs, vorzugsweise durch Blasluft oder Saugen. Nach dem Entfernen des unaufgelösten und nicht-reagierten Partikelwerkstoffs von dem Endgegenstand 38 kann eine Nachverarbeitungsbehandlung durchgeführt werden, umfassend ein Reinigen, eine Infiltration mit stabilisierenden Materialien, ein Bemalen etc.
Nachdem der Endgegenstand ausgebildet wurde, muss sämtliches zusätzliches Wasser oder sämtliche freie Feuchtigkeit entfernt werden, um die Festigkeit des gedruckten Gegenstandes zu erhöhen. Wie zuvor festgestellt wurde, wird die Festigkeit des Gipses nur etwas ansteigen, bis ungefähr 93 %der freien Feuchtigkeit entfernt wurden, wonach die Festigkeit scharf ansteigt. Obwohl dies nicht Voraussetzung ist, kann die überschüssige Feuchtigkeit vom Endgegenstand entfernt werden, indem er bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 125°F, im Allgemeinen bis zu einer Grenze von ungefähr 350°F getrocknet wird. Wenn ein Adhäsiv in dem Gegenstand enthalten ist, kann eine höhere Trocknungstemperatur verwendet werden, die von dem verwendeten Adhäsiv abhängt. Wenn ein Adhäsiv verwendet wird, steigt im Allgemeinen die Biegefestigkeit des Endgegenstandes mit der Zeitspanne an, während der er der Wärme ausgesetzt ist.
Nachdem der Endgegenstand ausgehärtet ist und alles lose umgebende Pulver entfernt wurde, kann der Gegenstand mit einer Vielzahl von Materialien infiltriert werden, um die Härte, die Festigkeit oder Widerstandsfähigkeit zu verbessern. Diese Finisher können sämtliche Poren in dem Teil füllen, wodurch sie die Qualität der Oberfläche verbessern und sie weniger durchlässig für Wasser oder Lösungsmittel machen. Geeignete Härter umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein, geschmolzenes Wachs, Firnis, Lack, Cyanoacrylat, Polyurethan und Epoxid.
Ein Endgegenstand, der unter Verwendung des Materialsystems und der Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, wird eine Mehrzahl von gleichförmig verteilten Schichten, bestehend aus dem Reaktionsprodukt des Partikelwerkstoffs und der wässrigen Flüssigkeit, umfassen. Das Reaktionsprodukt des Partikelwerkstoffs und der wässrigen Flüssigkeit enthält vorzugsweise eine erhebliche Menge an hydratisiertem Gips, die in Abhängigkeit von dem verwendeten Partikelwerkstoff variieren kann. In bevorzugten Ausführungsformen kann das Reaktionsprodukt einen Beschleuniger, ein Adhäsiv oder beides enthalten. Wenn das Reaktionsprodukt ein Adhäsiv enthält, können die Adhäsivpartikel an zumindest einem Teil der Partikel anhaften, die in dem Partikelwerkstoff enthalten sind. Wie unter Bezugnahme auf das obige Verfahren beschrieben wurde, haben die Reaktionsproduktschichten vorzugsweise jeweils eine Dicke im Bereich von weniger als ungefähr 125 μm, vorzugsweise von ungefähr 12 μm bis ungefähr 125 μm, besser von ungefähr 50 μm bis 125 μm, und am besten von ungefähr 50 μm bis ungefähr 75 μm. Für Schichten, die eine Dicke von weniger als ungefähr 125 μm haben, variiert die Gleichförmigkeit der Schicht typischerweise um weniger als ungefähr 0,025 mm (0,001"). Die Biegefestigkeit des Gegenstandes der Erfindung hängt unter anderem von der Zusammensetzung sowohl das Partikelwerkstoffs als auch der wässrigen Flüssigkeit ab, von dem Verhältnis von Wasser zu Gips und von der Menge der Additive, falls welche verwendet werden. In der Praxis ist die Festigkeit der Gegenstände nur durch die minimale Festigkeit begrenzt, die benötigt wird, um den Gegenstand handzuhaben, ohne ihn zu zerbrechen. Die bevorzugte Biegefestigkeit der Endgegenstände hängt von dem Typ des ausgebildeten Gegenstandes ab, aber sie beträgt typischerweise mindestens ungefähr 1 MPa, besser noch mindestens ungefähr 5 MPa, und am besten mindestens ungefähr 10 MPa. Eine Biegefestigkeit von weniger als 1 MPa kann für manche Anwendungen ausreichend sein.
Die Auswahl eines Gipses, der für den Partikelwerkstoff der vorliegenden Erfindung geeignet ist, erfordert verschiedene qualitative Auswertungen, die vom Durchschnittsfachmann leicht durch Routineexperimente bewerkstelligt werden können. Als Erstes wird ein kleiner Hügel aus Gips gebildet, eine kleine Eindellung wird in dem Hügel ausgebildet und eine geringe Menge Wasser wird in die Eindellung gegeben. Es werden visuelle Beobachtungen angestellt, die sich unter anderem auf die Rate, mit der das Wasser in den Gips diffundiert, die Viskosität des Gipses nach dem Mischen mit Wasser und den Umstand, ob um das Wasser herum eine Membran ausgebildet wird, beziehen. Als Nächstes wird eine mit Wasser gefüllte Spritze benutzt, um die Gipshaufen mit Wasser zu beschießen. Nach einer Zeitdauer von ungefähr 24 Stunden werden die Gipshaufen untersucht. Solche, von denen das gesamte Wasser verdampft ist, sind nicht geeignet, da der Gips nicht schnell genug mit dem Wasser reagiert hat, um zu verhindern, dass das Wasser verdampft oder in das umgebende trockene Pulver diffundiert. Solche, in denen Steinchen von hydratisiertem Gips gebildet wurden, sind geeigneter, weil dies bedeutet, dass der Gips und das Wasser schneller miteinander reagieren, als das Wasser verdampfen oder in das umgebende trockene Pulver diffundieren kann. Solche, bei denen sich sowohl kleine Steinchen als auch Stäbe von hydratisiertem Gips gebildet haben, sind am geeignetsten, denn sie zeigen an, dass die Rate, mit der das Wasser und der Gips reagieren, größer als die Rate ist, mit der das Wasser verdampft oder in das umgebende trockene Pulver diffundiert. In manchen Fällen werden die Stäbe aus hydratisiertem Gips schrumpfen, was anzeigt, dass der Gips Probleme im Hinblick auf Verformungen verursachen kann. Wie oben beschrieben wurde, können verschiedene Additive in dem Partikelwerkstoff und/oder der wässrigen Flüssigkeit enthalten sein, um die Rate, mit der der Gips erhärtet, zu beschleunigen.
Der Gips kann auch untersucht werden, um die Leichtigkeit des Ausbreitens zu bestimmen. Außerdem können Einfache Testteile gebildet werden, um unter anderem die Biegefestigkeit, die Verformung, die Rate des Erhärtens, die optimale Schichtdicke und das optimale Verhältnis von Wasser zu Gips (oder wässriger Flüssigkeit zu Partikelwerkstoff) zu bestimmen.
Materialsysteme, die zur Verwendung in dem 3DP^TM-Verfahren geeignet sind, umfassen solche, die Reaktionsprodukte mit minimaler Verformung haben, zusätzlich zu einer relativ hohen Biegefestigkeit. Das heißt, Reaktionsprodukte mit hohen Biegefestigkeitswerten können für die Verwendung in dem 3DP^TM-Verfahren nicht geeignet sein, weil Verformungen die Genauigkeit der gedruckten Endgegenstände beeinträchtigen, was insbesondere zutreffend ist, wenn relativ feine Merkmale erwünscht werden.
Beispiele
Ein Typ eines Testteils, das ausgebildet und verwendet werden kann, um die Biegefestigkeit eines Materialsystems für Screening-Zwecke auszuwerten, wird als eine "Bruchstange" bezeichnet. Hier verwendete Bruchstangen werden ausgebildet, indem aufeinanderfolgende Schichten von Partikelwerkstoff ausgebreitet werden, auf die aufeinanderfolgend eine wässrige Flüssigkeit aufgetragen wird, bis die Flüssigkeit mehrere der Schichten durchdrungen hat. Dann wird es den Bruchstangen gestattet, auszuhärten. Die Stangen werden in Streifen von 5,08 mm (0,2") gesägt. Die Biegefestigkeit des Materials in Megapascal (MPa) wurde bestimmt, indem die Bruchstange mit einer Testvorrichtung gebrochen wurde. Die qualitative Bewertung eines Materialsystems umfasst auch die visuelle Inspektion der Teile in Hinblick auf Verformung.
Beispiele 1 bis 3
Mehrere Materialien wurden wie oben beschrieben durchgemustert, und verwendet, um Bruchstangen auszubilden. Die Resultate der Bruchstangentests sind unten in Tabelle 1 gezeigt. Vier unterschiedliche Typen von Gips oder Partikelwerkstoff wurden verwendet. Die in dem ersten Beispiel verwendete wässrige Flüssigkeit enthielt ungefähr 95 % Wasser und ungefähr 5 % eines Befeuchters, Glycerol. Ein Beschleuniger wurde der in dem Beispiel verwendeten wässrigen Flüssigkeit zugefügt, die ungefähr 92 % Wasser, ungefähr 5 % Glycerol und ungefähr 3 % des Beschleunigers, nämlich Kaliumsulfat, enthielt. In den meisten Fällen verbesserte die Zugabe einer wässrigen Flüssigkeit die Biegefestigkeit der Materialien, wie durch einen Vergleich der Biegefestigkeitsmessungen vom ersten und zweiten Beispiel gezeigt wird. Tabelle 1
Die wässrige Flüssigkeit, die in dem dritten Beispiel verwendet wurde, war dieselbe wie diejenige, die im zweiten Beispiel verwendet wurde. Ein Beschleuniger, Kaolin (Terra Alba), wurde dem erhärteten Gips mit der höchsten Biegefestigkeit aus dem ersten und zweiten Beispiel zugefügt. Die Zugabe eines Beschleunigers zum Gips hat die Biegefestigkeit ungefähr verdoppelt, wie oben in Tabelle 1 gezeigt ist.
Beispiele 4 bis 6
Die folgenden Experimente zeigen die Ausbildung von Teilen durch Aktivierung des Partikelwerkstoffs der vorliegenden Erfindung durch wässrige Flüssigkeit und die Ergebnisse der Zugabe von verschiedenen Beschleunigern und/oder Adhäsiven, sowie anderer Prozesshilfen, entweder zum Partikelwerkstoff oder zur wässrigen Flüssigkeit. Beispiel 4 zeigt den Effekt der Zugabe eines Beschleunigers zum Materialsystem der vorliegenden Erfindung. Beispiele 5 und 6 zeigen den Effekt der Zugabe eines Adhäsivs zum Materialsystem der vorliegenden Erfindung.
In Beispielen 4 bis 6 wurden Bruchstangen ausgebildet, indem aufeinanderfolgende Schichten von Partikelwerkstoff ausgebreitet wurden, auf die nacheinander wässrige Flüssigkeit aufgetragen wurde, bis die Dicke des Teils ungefähr 6 mm erreichte. Es wurde der Bruchstange gestattet, auszuhärten, und die Biegefestigkeit des Materials wurde in Megapascal (MPa) bestimmt, indem die Stange mit einer Testvorrichtung gebrochen wurde. Außerdem wurde die Verbiegung bestimmt, indem das Ausmaß der "Bogenbildung" pro zwei (2) Inches der Bruchstange gemessen wurde.
Ein zweites Testteil, welches verwendet wird, um die Definition des Partikelwerkstoffs zu bestimmen, wird als "Entpulverungsstange" bezeichnet, und wurde bis zu einer Dicke von ungefähr 6 mm auf dieselbe Weise gedruckt, wie die Bruchstange. Die in diesen Experimenten verwendete Entpulverungsstange enthielt 19 Löcher mit variierenden Durchmessern. Wenn der Druck der Entpulverungsstange fertiggestellt war, verblieb ungebundenes Pulver in den Löchern. Dann wurde ein Druckluftstrahl verwendet, um das ungebundene Pulver aus den Löchern zu blasen. Je mehr Löcher von dem Pulver befreit werden konnten, desto akzeptabler war die Definition des Partikelwerkstoffs.
Beispiel 4
Ein Kilogramm eines Partikelwerkstoffs wurde unter Verwendung der Materialien und Verhältnisse, die unten in Tabelle 2 gezeigt sind, vorbereitet. Die Adhäsive wurden durch ein Sieb mit der Maschenzahl 170 in einen Eimer gesiebt, bevor sie zusammen von Hand mit dem Gips und dem Beschleuniger gemischt wurden. Nach dem Handmischen mit dem Gips und dem Beschleuniger wurde die Mischung in ein kommerzielles Mischgerät Waring Modell 34BL22 mit einem 2 Gallonen Mischkessel gegeben und unter der Einstellung "hoch" für ungefähr 30 Sekunden gemischt. Die daraus resultierende gemischte Mischung wurde dann durch ein Sieb mit Maschenzahl 50 gesiebt, um Klumpen zu entfernen. Tabelle 2
Ungefähr 2 Liter der wässrigen Flüssigkeit wurden unter Verwendung der in Tabelle 3 gezeigten Mengen vorbereitet. Tabelle 3
Eine Bruchstange und zwei (2) Entpulverungsstangen wurden aus dem Partikelwerkstoff und der wässrigen Flüssigkeit gebildet. Die Bruchstangenfestigkeit betrug ungefähr 18,5 MPa. Die Bruchstange hatte eine Verbiegungsverformung von 0,025 mm (0,001"), und die Ränder waren kraus. Die Entpulverungsstangen wurden in Schichten mit einer Dicke von ungefähr 3 mil gedruckt, mit einem Verhältnis von ungefähr 47 % wässriger Flüssigkeit zu Pulver, bezogen auf das Volumen. In einer jeden der zwei Entpulverungsstangen wurde das Pulver aus 10/19 und 11/19 Löchern entfernt.
Die Resultate zeigen den synergetischen Effekt auf die Bruchstangenfestigkeit aus der Zugabe eines Beschleunigers und eines Adhäsivs sowohl zum Partikelwerkstoff als auch der wässrigen Flüssigkeit. Jedoch war das Materialsystem infolge der Verformung nach dem Drucken nicht optimal.
Beispiel 5
Ein Kilogramm von Partikelwerkstoff wurde unter Verwendung der unten in Tabelle 4 gezeigten Komponenten und Verhältnisse vorbereitet. Adhäsive wurden durch ein Sieb mit Maschenzahl 170 in einen Eimer gesiebt, bevor sie per Hand mit dem Gips und dem Beschleuniger gemischt wurden. Nach dem Handmischen mit dem Gips und dem Beschleuniger wurde die Mischung in ein kommerzielles Mischgerät Waring Modell 34BL22 mit einer zwei (2) Gallonen Mischung gegeben. Tabelle 4
Ungefähr 2 Liter der wässrigen Flüssigkeit wurden unter Verwendung der in Tabelle 5 gezeigten Mengen vorbereitet. Der Flussratensteigerer und der Befeuchter wurden in ein sauberes Glas gegeben, gefolgt von destilliertem Wasser, und das Glas wurde verschlossen und geschüttelt, bis die Inhaltsstoffe aufgelöst waren. Tabelle 5
Eine Bruchstange und zwei (2) Entpulverungsstangen wurden aus der Partikelmischung und der wässrigen Flüssigkeit, wie oben beschrieben, ausgebildet. Die Bruchstangenfestigkeit betrug ungefähr 12 MPa, mit keiner messbaren Verformung. die Entpulverungsstangen wurden mit Schichten mit einer Dicke von ungefähr 3 mil und einem Verhältnis von ungefähr 56 wässriger Flüssigkeit zum Partikelwerkstoff gedruckt. Loses Pulver wurde aus 11/19 und 13/19 Löchern in den beiden Entpulverungsstangen entfernt.
Die Resultate von Beispiel 5 zeigen wiederum den synergetischen Effekt der Zugabe eines Beschleunigers und eines Adhäsivs zu sowohl dem Partikelwerkstoff als auch der wässrigen Flüssigkeit auf die Druckstangenfestigkeit. Jedoch war das Materialsystem infolge der Verformung nach dem Drucken nicht optimal.
Beispiel 6
Ein Kilogramm eines Partikelwerkstoffs wurde unter Verwendung der unten in Tabelle 6 gezeigten Mengen vorbereitet. Die Adhäsive wurden durch ein Sieb mit einer Maschenzahl 170 in einen Eimer gesiebt, bevor sie per Hand mit dem Gips und dem Beschleuniger zusammen gemischt wurden. Nach der Handmischung mit dem Gips und dem Beschleuniger wurde die Mischung in ein kommerzielles Mischgerät Waring Modell 34BL22 mit einem 2 Gallonen Mischkessel gegeben und unter der Einstellung "hoch" für ungefähr 30 Sekunden gemischt. Die resultierende gemischte Mischung wurde dann durch ein Sieb mit Maschenzahl 50 gesiebt, um Klumpen; Haar, Schmutz etc. zu entfernen. Tabelle 6
Ungefähr 2 Liter der wässrigen Flüssigkeit wurden unter Verwendung der unten in Tabelle 7 gezeigten Mengen vorbereitet. Ein Beschleuniger, zwei (2) Flussratensteigerer, ein Befeuchter und eine Substanz zum Erhöhen der Löslichkeit der Flussratensteigerer wurden in ein sauberes Glas gegeben, gefolgt von destilliertem Wasser, und das Glas wurde verschlossen und geschüttelt, bis die Inhaltsstoffe aufgelöst waren. Tabelle 7
Eine Bruchstange und zwei (2) Entpulverungsstangen wurden, wie oben beschrieben, aus der Partikelmischung und der wässrigen Flüssigkeit gebildet. Die Bruchstangenfestigkeit betrug ungefähr 8,5 MPa, mit einer Verformung von ungefähr 2 mils. Die Entpulverungsstangen wurden mit Schichten mit einer Dicke von ungefähr 3 mil und einem Verhältnis von ungefähr 49 % wässriger Flüssigkeit zum Partikelwerkstoff gedruckt. Loses Pulver wurde aus 8/19 und 7/19 Löchern in den zwei Entpulverungsstangen entfernt.
Beispiele 7 bis 8
In Beispielen 7 bis 8 wurden Prototypen von Schmuckgegenständen unter Verwendung derselben Materialsysteme, die in Beispielen 5 und 6 verwendet wurden, ausgebildet. Der Prozess zum Drucken der Prototypgegenstände wird unten im Detail beschrieben.
Beispiel 7
Unter Verwendung desselben Partikelwerkstoffs und derselben wässrigen Flüssigkeit, die oben in Beispiel 5 verwendet wurde, wurde ein Gegenstand unter Verwendung eines Z42 3DP-Duckers (Betaversion) gedruckt. Ein *.stl-File, welches die "Aufbau"-Information für einen Prototyp eines Schmuckstücks enthielt, wurde in die Softwareschnittstelle des Systems importiert. Der Z402 3DP-Drucker wurde mit dem Partikelwerkstoff gefüllt, der in Beispiel 4 verwendet wurde. In der Software wurde der "print"-Knopf angeklickt, und der Aufbauprozess begonnen. Eine einzelne Schicht aus Partikelwerkstoff mit einer Dicke von ungefähr 3 mils wurde auf den beweglichen Boden des Aufbaukastens aufgetragen. Die im Experiment 4 verwendete wässrige Flüssigkeit mit einer Tröpfchengröße, die zwischen 70 pl und 90 pl lag, wurde auf die Schicht des Partikelwerkstoffs gedruckt, um die Form des Querschnitts des Prototyps des Schmuckgegenstandes auszubilden. Der Boden des Aufbaukastens wurde um eine (1) Schichtdicke abgesenkt, und eine neue Pulverschicht wurde ausgebreitet. Der Prozess wurde für aufeinanderfolgende Querschnitte des Prototypgegenstandes wiederholt. Bei Beendigung war der Aufbaukasten mit Pulver gefüllt, von dem ein Anteil den Prototypgegenstand bildete und ein anderer Anteil lose war. Als der Aufbau beendet war, wurde das überschüssige Pulver abgesaugt und der Gegenstand zur Betrachtung aus dem Bett gehoben.
Beispiel 5
Unter Verwendung desselben Partikelwerkstoffs und derselben wässrigen Flüssigkeit, wie sie oben in Beispiel 6 verwendet wurden, wurde ein Schmuckgegenstand unter Verwendung eines C2000 3DP-Druckers gedruckt. Ein *.stl-File, welches die "Aufbau"-Information für einen Prototyp eines Schmuckstücks enthielt, wurde in die Softwareschnittstelle des Systems importiert. Der C2000 3DP-Drucker wurde mit dem in Experiment 2 verwendeten Partikelwerkstoff gefüllt. Der "print"-Knopf wurde in der Software angeklickt, und der Aufbauprozess wurde begonnen. Eine einzelne Schicht eines Partikelwerkstoffs mit einer Dicke von ungefähr 3 mils wurde auf den beweglichen Boden des Aufbaukastens aufgetragen. Die in Experiment 5 verwendete wässrige Flüssigkeit, die Tröpfchengrößen zwischen 110 pl und 130 pl aufwies, wurde auf die Schicht des Partikelwerkstoffs gedruckt, um die Form des Querschnitts des Prototyps des Schmuckstücks auszubilden. Der Boden des Aufbaukastens wurde um eine (1) Schichtdicke abgesenkt, und eine neue Schicht des Pulvers ausgebreitet. Der Prozess wurde für aufeinanderfolgende Querschnitte des Prototypgegenstandes wiederholt. Bei Beendigung war der Aufbaukasten mit Pulver gefüllt, von dem ein Teil den Prototypgegenstand bildete und ein Teil lose war. Nachdem der Aufbau beendet war, wurde das überschüssige Pulver fortgesaugt und der Prototypgegenstand wurde zur Betrachtung aus dem Bett gehoben. Der Gegenstand wurde geschliffen und mit ZR10 Cyanoacrylatharz infiltriert und für ungefähr 30 Minuten ausgehärtet, um eine härtere Oberfläche zu erzeugen als diejenige der Testteile von Experiment 5.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Materialsystem und ein Verfahren gerichtet, die den Bedarf für ein schnelles, zuverlässiges, sicheres und preiswertes Verfahren zum Herstellen sowohl von Erscheinungsmodellen als auch kleinen Anzahlen von funktionellen Teilen in einer Büroumgebung befriedigt. Die Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass Prototypen schnell unter Verwendung von Gips hergestellt werden können.
Der Fachmann wird leicht einsehen, dass alle hier aufgelisteten Parameter exemplarisch gemeint sind und tatsächliche Parameter von der spezifischen Anwendung abhängen, für die die Verfahren und die Materialien der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es versteht sich daher, dass die vorhergehenden Ausführungsformen nur beispielhaft präsentiert wurden, und dass die Erfindung im Umfang der anhängenden Ansprüche auch anders ausgeführt werden kann, als sie spezifisch beschrieben wurde.

Claims

Dreidimensionale Druckzusammensetzung, mit: einem Partikelwerkstoff, der Gips enthält; einem ersten Adhäsiv; einem zweiten Adhäsiv; und einem Beschleuniger.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, die weiter einen Füller aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 2, wobei der Füller aus der Gruppe bestehend aus Silka, Kalk, Stärke, Kaolin und deren Kombinationen gewählt wird.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei der Beschleuniger aus der Gruppe bestehend aus Kaolin, Kaliumsulfat, Natriumchlorid, unterkalzinierter Gips, Alaun, Kalialaun, Kalk, kalzinierter Kalk und deren Kombinationen gewählt wird.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, die weiter einen Verzögerer aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 5, wobei der Verzögerer aus der Gruppe bestehend aus Borax, Eibischwurzel, Alkohol, Zucker, Hirse, Kaliumsäuretartrat, pulverisiertes Horn, Haar, Zitronensäure, Essigsäure und deren Kombinationen gewählt wird.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Adhäsiv teilweise hydrolysierter Polyvinylalkohl ist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 7, wobei das zweite Adhäsiv Dextrin ist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Adhäsiv Polyvinylpyrrolidon aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Adhäsiv Dextrin ist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 7, wobei das zweite Adhäsiv Cellulosegel ist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung weniger als ungefähr 20 % vom Masseanteil der Zusammensetzung Beschleuniger aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 12, wobei die Zusammensetzung weniger als ungefähr 5 % vom Masseanteil der Zusammensetzung Beschleuniger aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 13, wobei die Zusammensetzung weniger als ungefähr 1 % vom Masseanteil der Zusammensetzung Beschleuniger aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung zwischen 60 und 80 % vom Masseanteil der Zusammensetzung Gips aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 15, wobei die Zusammensetzung zwischen 15 und 30 % vom Masseanteil der Zusammensetzung erstes Adhäsiv aufweist.
Dreidimensionale Druckzusammensetzung gemäß Anspruch 16, wobei die Zusammensetzung zwischen 2 und 10 % vom Masseanteil der Zusammensetzung zweites Adhäsiv aufweist.
Zusammenstellung zum dreidimensionalen Drucken, mit: einer dreidimensionalen Druckzusammensetzung; und einer wässrigen Flüssigkeit, wobei die dreidimensionale Druckzusammensetzung einen Partikelwerkstoff, der Gips enthält, und ein erstes Adhäsiv aufweist.
Zusammenstellung gemäß Anspruch 18, wobei die Druckzusammensetzung weiter ein zweites Adhäsiv aufweist.
Zusammenstellung gemäß Anspruch 19, wobei die Druckzusammensetzung weiter einen Beschleuniger aufweist.
Zusammenstellung gemäß Anspruch 19, wobei die wässrige Flüssigkeit einen Beschleuniger aufweist.
Zusammenstellung gemäß Anspruch 21, wobei die wässrige Flüssigkeit weiter ein Befeuchtungsmittel aufweist.
Zusammenstellung gemäß Anspruch 22, wobei die wässrige Flüssigkeit weiter einen Flussratenverbesserer aufweist.