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WO2014072147A1 - Mehrfarbiger extrusionsbasierter-3d-druck - Google Patents

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WO2014072147A1
WO2014072147A1 PCT/EP2013/071105 EP2013071105W WO2014072147A1 WO 2014072147 A1 WO2014072147 A1 WO 2014072147A1 EP 2013071105 W EP2013071105 W EP 2013071105W WO 2014072147 A1 WO2014072147 A1 WO 2014072147A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
extrusion
print head
printer according
printing
printhead
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/071105
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus PRIDÖHL
Günter Schmitt
Dirk Poppe
Stephan Kohlstruk
Benjamin HAMMANN
Sonja CREMER
Kris BEKS
Ludo Dewaelheyns
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Industries AG
Original Assignee
Evonik Industries AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Industries AG filed Critical Evonik Industries AG
Priority to EP13777005.3A priority Critical patent/EP2917026A1/de
Priority to JP2015541063A priority patent/JP2016501136A/ja
Priority to CN201380065980.7A priority patent/CN104870171A/zh
Publication of WO2014072147A1 publication Critical patent/WO2014072147A1/de
Priority to IL238618A priority patent/IL238618A0/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
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    • B05D1/265—Extrusion coatings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D11/00—Other features of manufacture
    • D01D11/06—Coating with spinning solutions or melts

Definitions

  • the invention relates to a modified extrusion-based 3D printing, in particular a modified fused deposition modeling method for producing multicolored three-dimensional objects.
  • the invention relates to a 3D printing method with which over the prior art mechanically stable, multicolored 3D objects can be produced.
  • the method according to the invention is based on the fact that the polymer strand used to produce the actual object is coated in front of the print head and the coating is fixed in the print head before the polymer strand enters. After extrusion in the print head, the coating continues to predominantly be found on the surface of the extruded strand.
  • the coating may be colored or contain functional additives.
  • SLA stereolithography
  • a liquid composition of a radiation-curable polymer is cured in layers by means of a laser.
  • SLS selective laser sintering method
  • a powdered raw material such as a thermoplastic or a sinterable metal
  • SLA selective laser sintering method
  • a well-known 3D printing process which can also be used to produce multicolor objects, is the UV inkjet process.
  • a powdery material is applied in thin layers, onto which a UV-curable liquid in the form of the respective layer of the later three-dimensional product is printed and finally the printed layer is cured with a UV source.
  • a colored liquid is applied in layers and selectively with a second liquid, which leads to a hardening reaction with the first liquid printed.
  • Such a process can only build up colors layer by layer, except that it is between the non-cured ones
  • Liquid layers can come to mixtures.
  • Another method is Three Dimension Printing (TDP).
  • TDP Three Dimension Printing
  • powdery materials which are preferably ceramics, are selectively impregnated layer by layer with one of the melts of a thermoplastic polymer. After each printing layer, a new layer of the powdery material must be applied.
  • Thermoplastics the three-dimensional object is formed.
  • thermoplastic In the process described in US 2004/0251574, subsequent to the printing of the thermoplastic, printing is selectively effected with one color. Advantage of this method is that can be printed very selectively. Disadvantage of this method, however, is that a uniform and bright color image can not be achieved, since a uniform penetration of the color into the composite of the (ceramic) powder and the binder can not be achieved.
  • the first contains the binder and a color which, upon contact with the second material, precipitates to selectively color the surface. That way, you can do better
  • Multi-color printing can be guaranteed is not described.
  • the one material is a support material needed only at locations above which e.g. an overhanging part of the 3D object
  • Printing process is printed.
  • This support material may later, e.g. be removed by dissolving in acids, bases or water.
  • the other material (the build material) forms the actual 3D object. Again, the pressure usually takes place in layers. For the first time that became
  • the task was to provide a 3D printing process that could produce selectively colored multi-color three-dimensional objects with a sharp and clear color image.
  • Another task was to be able to represent colored objects, the color should not be introduced by a post-processing.
  • the invention relates to a modified extrusion 3D printing method for colored 3D printing.
  • Extrusion 3D printing processes are understood to mean, in particular, a fused deposition modeling method (hereinafter referred to as FDM) or the printing process very similar to the FDM method.
  • FDM fused deposition modeling method
  • extrusion-based 3D printing process, FDM printing process or FDM-3D printing process are used interchangeably in the remainder of the text.
  • the terms Extrusion-based 3D printer and FDM-3D printer or FDM printer are used interchangeably below.
  • printhead is understood to mean the entire apparatus for conveying, melting and applying a filament in an extrusion-based 3D printing process.
  • composition is understood to mean the composition which is applied to the polymer strand according to the invention.
  • the composition contains colors, pigments and / or additives.
  • fixation is understood as meaning the drying, curing, polymerization, addition, crosslinking, binding or reaction of the coating.
  • filament in the context of the present invention, the
  • the filament is melted according to the invention in the print head and then printed to a 3D object.
  • the filament is a thermoplastically processable material.
  • the filament is a polymer filament, but not limited to such.
  • polymer filaments can only partially from a
  • thermoplastic polymer matrix material and other fillers or metals for example, be composed.
  • the tasks were solved by providing a novel - extrusion-based 3D printer for producing single or multi-colored, three-dimensional objects made of filaments, which includes a print head
  • This extrusion-based 3D printer typically has at least one print head that prints a build material, and typically another print head that prints a support material that is also added in the form of a filament ,
  • the print heads each have a nozzle, again consisting of at least two
  • the polymer is solid and in the second, lower, the polymer is molten.
  • the present invention relates to a device for coating and printing such a filament, in particular the build material.
  • the device according to the invention is characterized in that the filament is coated before entering the printhead with additives and / or colors from a plurality of storage containers, equipped with metering devices, by means of a coating unit. Furthermore, the filament is coated before entering the printhead with additives and / or colors from a plurality of storage containers, equipped with metering devices, by means of a coating unit. Furthermore, the
  • Fixing unit which is in the simplest case, a drying unit and / or an area in which air drying takes place.
  • the coating unit can be an arrangement with one or more nozzles, in particular with one or more inkjet printheads.
  • it is a sponge-like material surrounding the filament and impregnated with the ink, or a ring gap which is as small as possible and which changes continuously with it
  • the coating unit should have an outlet for excess coating agents and for cleaning operations.
  • the outlet should be provided with a collecting container for collecting these residues.
  • the fixing unit can be a thermal drying unit, such as, for example, an IR radiation source and / or an air or gas jet, the latter optionally tempered.
  • the previously coated filament is guided through this unit and volatile components are removed by means of the drying unit.
  • a later bleeding of non-dried colors can be avoided.
  • the problem of outgassing of volatiles during the pressure in the nozzle which in turn can lead to blistering or imprecise pressure, can be avoided.
  • the thermal drying unit air drying may also take place before the coated filament enters the print head.
  • the coated filament after leaving the coating unit and before entering the printhead at least a distance of 1 cm, preferably at least 10 cm, more preferably at least 15 cm and more preferably at least 25 cm cover.
  • the coating unit and the printhead are in a heated housing.
  • the air drying is additionally accelerated.
  • this embodiment is preferred for a
  • the fixation of the coating can be carried out or accelerated instead of or in addition to the drying by a chemical reaction such as polymerization, addition or crosslinking.
  • the applied coating is a reactive mixture which reacts by itself under ambient conditions and is thus fixed.
  • the coated filament after leaving the coating unit and before entering the printhead at least a distance of 1 cm, preferably at least 10 cm, more preferably at least 15 cm and more preferably at least 25 cm cover.
  • fixation of the coating can also be effected or accelerated by plasma, UV radiation, microwave radiation, magnetic induction or cold plasma. This can change the length of the coating
  • Fixation distance can be significantly reduced.
  • Intercoat adhesion can be improved.
  • the coating reacts after the
  • the coating Due to the lower shear rates within the print head and the adjusted viscosities of polymer and coating at the selected extrusion temperature, the coating hardly mixes with the coating
  • the composition is delivered via a dynamic, or preferably a static mixer
  • Additives, pigments and / or colors are first added.
  • the mixture produced in the mixer is then passed on into the coating unit.
  • This mixer is preferably mounted directly on the coating unit or forms an integral unit with it in order to minimize dead volumes, pressure drops and lines.
  • the mixture of paints, pigments and / or additives is applied to the surface of the solid filament. Later in the extrusion in the print head, a partial mixing of the coating with the molten base filament by diffusion in the melt can take place. However, as described, a homogeneous distribution in the melt is not necessary since the later surface of the three-dimensional object predominantly and advantageously consists of the supplied coating which forms the surface of the melt strand. With this variant, it is thus possible in particular to provide a method which
  • the printhead has an additional dynamic or static mixer in the lower region of the nozzle in the area of the molten filament. Basically, however, such an additional mixer is not necessary to obtain a good color image of the
  • the arrangement of the print head, the coating unit and the other components can be relatively freely chosen with respect to their orientation and is to be observed according to the invention only in relation to the order. So the filaments can optionally also horizontally or from bottom to top the Run through the coating unit and / or the fixing unit.
  • the filament can also be passed through a hose.
  • Advantage of this variant is a possibly less susceptible operation of the printer.
  • Advantage of a pulley is the higher
  • a guide or a brake e.g. in the form of one or two brake rollers, by means of which it is ensured that the filament is tensioned in the coating unit.
  • a second conveyor unit or a second guide directly behind the adjoining the coating unit fuser or after the minimum distance required for drying of 1 cm, a second conveyor unit or a second guide.
  • the voltage can optionally be dispensed with since horizontal movements in the coating unit are only minimally possible.
  • Filamentrolle over coating or drying unit up to Printhead to be moved together.
  • two conveyor units one directly behind the fixture and the second directly in front of or in the print head, are present and controlled separately from each other so that there is sufficient filament between the two positions that this one on one allows free control of the printhead alone, and on the other hand too much sagging of the filament is avoided.
  • the extrusion-based 3D printer according to the invention can be equipped with further optional components.
  • the following list is as
  • the raw filament for the coating unit before the coating unit, the raw filament for the coating unit.
  • Improvement of adhesion can be activated with methods such as plasma discharge.
  • color detectors and / or sensors for determining the diameter of the filament or the layer thickness of the starting and the coated filament may optionally be arranged in front of the respective print head, the information of which may be used to optimize the material flow, color control and pressure control.
  • the colors used in the device are:
  • compositions of different colors such as three primary colors such as the subtractive mixture magenta, cyan and blue or yellow or the additive mixture of light colors red, green and blue. If three primary colors are used, it is also preferable to add black as the fourth "color.” Alternatively, depending on the build material, white may also be used as the fourth or fifth "color.” Depending on the system, however, up to twenty colors may be required for true color systems. Systems with at least 10, in particular 12 different colors are particularly preferred. With such a system, a higher color brilliance can be achieved.
  • the listed color systems of different compositions have long been known to the person skilled in the art from 2D printing. All used colors are each in separate storage containers, each equipped with its own metering device, before and are from there depending on Embodiment dosed directly into the coating unit or the dynamic mixer.
  • the additives are preferably one or more
  • Adhesive improving additives may also be other additives such. to act UV crosslinker or thermally or magnetically activated adhesives. Furthermore conceivable are the addition of
  • Scratch resistance improving coating components or surface stabilization additives such as e.g. UV stabilizers.
  • inorganic additives such as silicon oxide, aluminum oxide or - in the case of dark colored objects - carbon black can be applied as an additive on the surface.
  • the respective effect is much better unfolded, as if the corresponding additives of the matrix of the material are added.
  • Surface conductivity can use graphene as an additive.
  • the additives are presented from separate storage containers or mixed with one or more colors.
  • Support material is coated with these additives in such a way that, even after melting in the die, they are preferably present on the surface of the extruded strands and achieve their effect there, for example adhesion-promoting properties of the strands with one another or
  • the device for producing three-dimensional bodies has a third print head.
  • This optional third printhead is the same as the second printhead.
  • a filament for a second build material is printed, which differs from the first build material.
  • the coloring compositions may optionally also contain fillers which are used in the If necessary, give the transparent build material a non-transparent look.
  • the second printhead may contain an uncolored, non-transparent prior to dyeing
  • the third printhead may contain a non-dyed, transparent build material prior to dyeing.
  • Both printheads preferably each have their own mixing devices which are based on the same
  • the build materials are each
  • the build material of the second and / or the third optional printhead is acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer (ABS), polycarbonate (PC),
  • the notation (meth) acrylate as used herein means both methacrylate, e.g.
  • polymethacrylate or polycarbonate are especially preferred.
  • the support material from the first printhead should preferably be an acid, base or water soluble polymer.
  • the device according to the invention for use in a
  • Extrusion-based 3D printing process generally corresponds to the state of the art and is thus usually designed such that the respective
  • Hue is entered into a computer-based CAD program and that thereby provides a file that in addition to the coordinates of the
  • Color setting contains.
  • a suitable file format is described, for example, in the Additive Manufacturing File Format (ASTM F2915-12).
  • the respective color is adjusted by controlling the metering devices and controlled metered addition of the respective primary colors or black from the storage containers.
  • the coating units of the second and the third print head can have further storage containers which contain further pigments in addition to black and the colors or primary colors or additives. These further pigments may, for example, be metallic pigments and / or fluorescent pigments.
  • the reservoirs may also contain additives, adhesion promoters or adhesives that are heatable by microwaves, magnetic or electric fields, and / or activated. These may be added either to one or all of the compositions or from separate ones
  • compositions colorless.
  • the concrete selection of the corresponding additives will be apparent to those skilled in the art from the composition and the build material used.
  • one or more reservoirs may also contain crosslinkers, initiators or accelerators, which may be contacted by contact with the filament, by reaction with each other in the mixture, by thermal or
  • reaction in the fixing unit and / or after the extrusion lead to a reaction, such as addition or crosslinking, so that one obtains a wholly or partially elastomeric or thermoset three-dimensional object.
  • a reaction of the surface coating can also be done subsequently by first using microwaves, heat, plasma, UV light or
  • Magnetic fields activatable additives are applied as a coating and these are subsequently activated in a subsequent process step accordingly.
  • the additives from different storage containers can react with one another after mixing and thus, for example, become a chemical Crosslinking at the filament surface and / or lead to an adhesion improvement of the filaments after printing with each other.
  • the storage containers are movable
  • Inkjet color printers are known, or to storage vessels, from which, for example, taken over pumps or liquids to cartridges can be clamped in a piston pump. These can be designed so that they can be easily and individually replaced or renewed.
  • Dye composition on the surface of the filament entry of the coated filament into a printhead, melting of the filament in the printhead and dispensing of the melt by means of a nozzle for the purpose of three-dimensional printing.
  • this method is performed with an extrusion-based 3D printer according to the invention described above ,
  • the method according to the invention is characterized in that the coating components after printing on the surface of the
  • FIG. 1 exemplifies an embodiment in which only the essential components of the invention coating unit, fixing unit and the print head essential for the extrusion-based 3D printer are illustrated.
  • 1 mixer for the color composition with attached

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen modifizierten Extrusionsbasierten-3D-Druck, insbesondere ein modifiziertes Fused Deposition Model ing-Verfahren zur Herstellung mehrfarbiger dreidimensionaler Objekte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren mit dem gegenüber dem Stand der Technik mechanisch stabile, mehrfarbige 3D-Objekte mit besonders gutem Farbbild hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der zur Herstellung des eigentlichen Objekts verwendete Polymerstrang vor dem Druckkopf beschichtet und die Beschichtung vor Eintritt des Polymerstrangs in den Druckkopf fixiert wird. Nach der Extrusion im Druckkopf findet sich die Beschichtung weiterhin überwiegend an der Oberfläche des extrudierten Stranges. Die Beschichtung kann eingefärbt sein oder funktionale Additive beinhalten.

Description

Mehrfarbiger Extrusionsbasierter-3D-Druck
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen modifizierten Extrusionsbasierten-3D-Druck, insbesondere ein modifiziertes Fused Deposition Model ing-Verfahren zur Herstellung mehrfarbiger dreidimensionaler Objekte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren mit dem gegenüber dem Stand der Technik mechanisch stabile, mehrfarbige 3D-Objekte hergestellt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass der zur Herstellung des eigentlichen Objekts verwendete Polymerstrang vor dem Druckkopf beschichtet und die Beschichtung vor Eintritt des Polymerstrangs in den Druckkopf fixiert wird. Nach der Extrusion im Druckkopf findet sich die Beschichtung weiterhin überwiegend an der Oberfläche des extrudierten Stranges. Die Beschichtung kann eingefärbt sein oder funktionale Additive beinhalten.
Stand der Technik
Rapid-Prototyping bzw. Rapid-Manufacturing-Verfahren sind
Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene dreidimensionale CAD- Daten möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen.
Unter den Rapid-Prototyping-Verfahren gibt es inzwischen diverse Verfahren, diese lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Laserbasierte und Verfahren ohne Verwendung eines Lasers.
Das bekannteste laserbasierte und gleichzeitig älteste 3D-Druckverfahren ist die Stereolithographie (SLA). Hierbei wird eine flüssige Zusammensetzung eines strahlen härtbaren Polymers mit einem Laser schichtweise ausgehärtet. Dem Fachmann ist klar ersichtlich, dass ein auf diese Weise produziertes Werkstück nur nachträglich an der Oberfläche koloriert werden kann. Dies ist aufwendig und zeitintensiv. Ähnlich ist das Selective Laser Sintering Verfahren (SLS), bei dem ein pulverformiger Rohstoff, wie z.B. ein Thermoplast oder ein sinterfähiges Metall, mittels eines Lasers analog zum SLA Schicht für Schicht selektiv gesintert wird. Auch mit diesem Verfahren kann man im ersten Verfahrensschritt nur einfarbige oder unspezifisch gefärbte 3D-Objekte erhalten. Das gleiche gilt für das dritte laserbasierte Verfahren„Laminated Object Manufacturing", bei dem eine mit Klebstoff versehene Papierbahn oder Kunststoffolie Schicht für Schicht aufeinander verklebt und mittels Laser geschnitten wird. Das nachträgliche Färben eines Objekts ist zum Beispiel in US 6,713,125 beschrieben.
Ein bekanntes 3D-Druckverfahren, das auch zur Herstellung mehrfarbiger Objekte verwendet werden kann, ist das UV-lnkjet-Verfahren. Bei diesem dreistufigen Verfahren wird ein pulverförmiges Material in dünnen Schichten aufgetragen, auf diese wird eine UV-härtbare Flüssigkeit in Form der jeweiligen Schicht des späteren dreidimensionalen Produktes gedruckt und schließlich wird die bedruckte Schicht mit einer UV-Quelle ausgehärtet. Diese
Verfahrensschritte werden Schicht für Schicht wiederholt. In EP 1 475 220 werden verschieden gefärbte Flüssigkeiten mit Härter bereitgehalten und in WO 2008/077850 zusätzlich in einer Kammer direkt vor dem Drucken vermischt. So ist eine selektive Färbung möglich. Durch die Mischkammer sind jedoch keine scharfen Farbübergänge möglich. Ferner ist ein solches Verfahren an den Grenzen der Aushärtung unscharf, was zu einer weniger glatten Oberfläche und unter Umständen zu einer ungleichmäßigen Färbung führen kann. In WO 01/26023 werden zwei Druckköpfe mit
verschiedenfarbigen Härterzusammensetzungen, die zu Objektteilen mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften führen beschrieben. Mehr als zwei Farben sind jedoch nicht beschrieben. Eine Variante, bei der anstatt mit UV-Licht mit einer Wärmestrahlung
ausgehärtet wird und gleichfalls verschiedenfarbige Härterzusammensetzungen verwendet werden, ist in WO 2008/075450 beschrieben.
In GB 2419679 ist ein Verfahren offenbart, bei dem verschieden gefärbte Polymerteilchen selektiv aufgetragen und bei verschiedenen Wellenlängen ausgehärtet werden können. Dieses Verfahren ist äußerst aufwendig und führt gleichzeitig zu einem unscharfen Farbbild.
In einem dem Inkjet-3D-Druck ähnlichen Verfahren nach der WO 2009/139395 wird eine farbige Flüssigkeit schichtweise aufgetragen und selektiv mit einer zweiten Flüssigkeit, die zu einer Härtereaktion mit der ersten Flüssigkeit führt, bedruckt. Ein solches Verfahren kann Farben nur schichtweise aufbauen, davon abgesehen, dass es zwischen den nicht gehärteten
Flüssigkeitsschichten zu Vermischungen kommen kann. Ein weiteres Verfahren stellt das Three Dimension Printing (TDP) dar. Bei diesem Verfahren werden analog zu den Inkjet-Verfahren pulverförmige Materialien, bei denen es sich jedoch bevorzugt um Keramiken handelt, mit einer der Schmelze eines thermoplastischen Polymers Schicht für Schicht selektiv durchtränkt. Nach jeder Druckschicht muss eine neue Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht werden. Beim Erstarren des
Thermoplasten wird das dreidimensionale Objekt gebildet.
Bei dem in US 2004/0251574 beschriebenen Verfahren wird anschließend an den Druck des Thermoplasten selektiv mit einer Farbe gedruckt. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sehr selektiv gedruckt werden kann. Nachteil dieses Verfahrens jedoch ist, dass kein gleichmäßiges und leuchtendes Farbbild erreicht werden kann, da ein gleichmäßiges Eindringen der Farbe in den Composit aus dem (Keramik)Pulver und dem Bindemittel nicht erreicht werden kann.
Bei dem in EP 1 491 322 beschriebenen Verfahren werden zwei
unterschiedliche Materialien gedruckt. Das erste enthält das Bindemittel und eine Farbe, die bei Kontakt mit dem zweiten Material ausgefällt wird und damit selektiv die Oberfläche einfärbt. Auf diese Weise können besseren
Farbeigenschaften an der Objektoberfläche erzeugt werden. Probleme stellen jedoch die gleichmäßige Vermischung der beiden Materialien und der aufwendige zweistufige Prozess dar. Wie und ob ein gutes Farbbild bei einem
Mehrfarbdruck gewährleistet werden kann, ist nicht beschrieben.
In US 6,401 ,002 werden verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Farben und dem Bindemittel verwendet. Diese Flüssigkeiten werden entweder getrennt aufgetropft oder über Leitungen in einer Düse vor dem Auftropfen zusammengeführt. Der Fachmann weiß, dass beide Vorgehen zu nicht optimalen Farbbildern führen. Bei ersterem findet die Mischung der Farben in viskosen Flüssigkeiten auf der Oberfläche statt. Diese Mischung erfolgt so nur selten vollständig. Beim zweiten Vorgehen können Druckunterschiede in den Leitungen zu sehr starken Farbschwankungen führen. Das bezüglich der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels eines Druckverfahrens materialsparenste und auch in Bezug auf die maschinelle Ausgestaltung günstigste Verfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Dabei handelt es sich um ein extrusionsbasiertes, digitales Fertigungssystem. Weitgehend analoge Verfahren mit kleinen Abwandlungen sind zum Beispiel auch unter dem Namen fused filament fabrication (FFM), melted extrusion manufacturing (MEM) oder Selective Deposition Modeling (SDM) bekannt.
Bei der FDM-Methode werden zwei unterschiedliche Polymerfäden in einer Düse aufgeschmolzen und selektiv gedruckt. Bei dem einen Material handelt es sich um ein Support-Material, das nur an Stellen benötigt wird, über denen später z.B. ein überhängender Teil des 3D-Objekt.es, der während des
Druckvorgangs gestützt werden muss, gedruckt wird. Dieses Support-Material kann später, z.B. durch Lösen in Säuren, Basen oder Wasser entfernt werden. Das andere Material (das Build-Material) formt das eigentliche 3D-Objekt. Auch hier erfolgt der Druck in der Regel schichtweise. Zum ersten Mal wurde das
FDM-Verfahren in US 5,121 ,329 beschrieben. Das Färben allgemein wird in US 2000/201 1 1707 erwähnt, nicht jedoch näher ausgeführt.
Bei dem in EP 1 558 440 beschriebenen Verfahren werden die einzelnen Schichten in einem anschließenden Verfahrensschritt farbig bedruckt. Dieses Verfahren ist langsam und führt bei dem bedrucken der bereits härtenden Thermoplasten zu schlecht aufgelösten Farbbildern.
Bei der farbigen 3D-Druck-Methode nach US 6,165,406 werden für jede einzelne Farbe getrennte Düsen verwendet. Mischfarben sind somit jedoch nur sehr eingeschränkt möglich und das Farbbild wird sehr einfach. Bei der in US 7,648,664 beschriebenen Variante des FDM werden verschieden gefärbte Build-Materialien in Granulatform eingesetzt, getrennt voneinander aufgeschmolzen und je nach Farbe mittels eines zwischengeschalteten
Extruders miteinander vermischt, bevor es verdruckt wird. Diese Methode ist apparativ sehr aufwendig und viele Vorteile des FDM gehen verloren. In einem sehr ähnlichen System gemäß EP 1 432 566 erfolgt die Vermischung der geschmolzenen Granulate direkt im geheizten Druckkopf, bevor diese direkt verdruckt werden. Diese Mischung kann keinesfalls vollständig erfolgen und die Qualität des Druckbildes ist entsprechend schlecht. Weiterhin hat man auch hier den Nachteil, dass man Granulate oder Pulver benutzen muss und diese in der Maschine getrennt gelagert und geschmolzen werden müssen.
In US 6,129,872 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem das Build-Material in einer Düse aufgeschmolzen wird und am Ende der Düse zu der Schmelze verschiedene Farbmischungen selektiv zudosiert werden. Dies führt jedoch zu keiner ausreichenden Durchmischung und zu einem unsauberen Farbbild.
In der US 2010/0327479 ist ein Verfahren beschrieben bei dem mehrere farbige Filamente in einem Mikroextruder zusammengeführt werden und in diesem kontinuierlich zu einem neuen gefärbten Filament extrudiert werden, bevor dieses zum Verdruck in den Druckkopf weitergeleitet wird. Dieses Verfahren ist apparativ sehr anspruchsvoll und aufwendig. Außerdem ist die umsetzbare Farbbreite durch die Anzahl der Filamente begrenzt. In einer alternativen Ausführungsform können die verschiedenfarbigen Filamente auch direkt in den Druckkopf geführt und dort vermischt werden. Jedoch zeigt auch diese Variante die aufgeführten Nachteile.
Aufgabe
Aufgabe war es ein 3D-Druckverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem selektiv gefärbte, mehrfarbige dreidimensionale Objekte mit einem scharfen und klaren Farbbild hergestellt werden können.
Es war weiterhin Aufgabe, ein günstiges und schnell durchführbares SD- Druckverfahren zum Druck mechanisch stabiler, mehrfarbiger Objekte zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe war es, farbige Objekte darstellen zu können, wobei die Farbe nicht erst durch eine Nachbearbeitung eingebracht werden soll.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem
Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung, Ansprüche und Beispiele.
Lösung
Die Erfindung betrifft ein modifiziertes Extrusions-3D-Druckverfahren zum farbigen 3D-Druck. Unter Extrusions-3D-Druckverfahren werden insbesondere ein Fused Deposition Modeling-Verfahren (im Weiteren kurz FDM) oder dem FDM-Verfahren sehr ähnliche Druckverfahren verstanden. Die Ausdrücke Extrusionbasiertes-3D-Druckverfahren, FDM-Druckverfahren oder FDM-3D- Druckverfahren werden im weiteren Text synonym verwendet. Gleichfalls werden die Begriffe Extrusionsbasierter-3D-Drucker und FDM-3D-Drucker bzw. FDM-Drucker im Weiteren synonym verwendet. Die Ausgestaltung eines FDM-3D-Druckers und die dazugehörigen
Prozessparameter können in der US 5,121 ,329 und der US 2010/0327479 nachgelesen werden. Diese Parameter können vom Fachmann in Bezug auf die vorliegende Erfindung leicht und ohne großen Aufwand auf andere
Extrusionsbasierte-3D-Druckverfahren übertragen werden. Unter dem Begriff Druckkopf wird im Rahmen dieser Erfindung die gesamte Vorrichtung zum Fördern, Schmelzen und Auftragen eines Filaments in einem Extrusionsbasierten-3D-Druckverfahren verstanden .
Unter dem Begriff Zusammensetzung wird im Rahmen dieser Erfindung die Zusammensetzung verstanden, die erfindungsgemäß auf den Polymerstrang aufgetragen wird. Die Zusammensetzung enthält Farben, Pigmente und/oder Additive.
Unter dem Begriff Fixierung wird im Rahmen dieser Erfindung die Trocknung, Aushärtung, Polymerisation, Addition, Vernetzung, Anbindung oder Reaktion der Beschichtung verstanden. Unter dem Begriff Filament wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die
Rohform der Build- bzw. Supportmaterialien in Form eines Stranges
verstanden. Dieses Filament wird in dem Druckkopf erfindungsgemäß aufgeschmolzen und danach zu einem 3D-Objekt verdruckt. Bei dem Filament handelt es sich um ein thermoplastisch verarbeitbares Material. In der Regel ist das Filament ein Polymerfilament, jedoch auf solche nicht eingeschränkt. Auch können Polymerfilamente beispielsweise nur teilweise aus einem
thermoplastisch polymeren Matrixmaterial und weiteren Füllstoffen oder z.B. Metallen zusammengesetzt sein. Gelöst wurden die Aufgaben durch Bereitstellen eines neuartigen - extrusionsbasierten-3D-Druckers zur Herstellung ein- oder mehrfarbiger, dreidimensionaler Objekte aus Filamenten, der einen Druckkopf mit
vorgeschalteter Beschichtungseinheit und einer daran anschließender
Fixiereinheit aufweist.
Dieser extrusionsbasierte-3D-Drucker weist in der Regel mindestens einen Druckkopf, mit dem ein Build-Material gedruckt wird, und in der Regel einen weiteren Druckkopf, mit dem ein Support-Material gedruckt wird, welches gleichfalls in Form eines Filaments zugefügt wird, auf. Dabei weisen die Druckköpfe jeweils eine Düse, wiederum bestehend aus mindestens zwei
Bereichen, auf. In dem ersten, oberen Bereich der Düse ist das Polymer fest und in dem zweiten, unteren liegt das Polymer geschmolzen vor. Dabei ist der Übergang zwischen dem festen Zustand im oberen Bereich und dem
geschmolzenen Zustand im unteren Bereich innerhalb des Druckkopfes kontinuierlich.
Die vorliegende Erfindung betrifft dabei eine Vorrichtung zum Beschichten und Verdrucken eines solchen Filaments, insbesondere des Build-Materials.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Filament vor Eintritt in den Druckkopf mit Additiven und/oder Farben aus mehreren Vorratsbehältern, ausgestattet mit Dosiervorrichtungen, mittels einer Beschichtungseinheit beschichtet wird. Weiterhin ist die
erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie nach der Beschichtungseinheit und vor dem eigentlichen Druckkopf eine
Fixierungseinheit aufweist, die im einfachsten Fall eine Trocknungseinheit und/oder ein Bereich ist, in dem eine Lufttrocknung erfolgt.
Bei der Beschichtungseinheit kann es sich um eine Anordnung mit einer oder mehreren Düsen, insbesondere mit einem oder mehreren Inkjet-Druckköpfen handeln. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich um ein das Filament umgebenden und mit der Farbe getränktes schwammartiges Material oder um einen möglichst kleinen Ringspalt, der kontinuierlich mit wechselnden
Färb- bzw. Additivmischungen gefüllt wird. Bevorzugt befindet sich am Austritt des Filaments aus der Beschichtungseinheit eine Restriktion, mittels derer die Beschichtungsdicke des Filaments passend zur Auslegung des Druckkopfs eingestellt wird. Weiterhin sollte die Beschichtungseinheit über einen Auslass für überschüssige Beschichtungsmittel und für Reinigungsvorgänge aufweisen. Hier ist dafür Sorge zu tragen, dass die in die Beschichtungseinheit eingeführte Zusammensetzung oder die von der Restriktion abgestriffene Beschichtung nicht einfach über den Auslass wieder abläuft, sondern dass eine gezielte Steuerung zur Verminderung des Materialverbrauchs erfolgt. Weiterhin sollte der Auslass mit einem Auffangbehälter zum Sammeln dieser Reste versehen sein.
Bei der Fixiereinheit kann es sich um eine thermische Trocknungseinheit handeln, wie zum Beispiel eine IR-Strahlenquelle und/oder um einen Luft- bzw. Gasstrahl, letzterer optional temperiert. Das zuvor beschichtete Filament wird dabei durch diese Einheit geführt und volatile Bestandteile werden mittels der Trocknungseinheit entfernt. So kann ein späteres Verlaufen von nicht getrockneten Farben vermieden werden. Darüber hinaus kann das Problem eines Ausgasen flüchtiger Bestandteile während des Drucks in der Düse, welches wiederum zur Blasenbildung oder zu unpräzisem Druck führen kann, vermieden werden.
Bevorzugt sollte an dieser Stelle zusätzlich dafür Sorge getragen werden, dass freigesetzte volatile Bestandteile - wie Lösungsmittel - aufgefangen oder unschädlich abgeführt werden. Alternativ zur thermischen Trocknungseinheit kann auch eine Lufttrocknung vor Eintritt des beschichteten Filaments in den Druckkopf erfolgen. Dazu muss das beschichtete Filament nach Verlassen der Beschichtungseinheit und vor Eintritt in den Druckkopf mindestens eine Strecke von 1 cm, bevorzugt von mindestens 10 cm, besonders bevorzugt von mindestens 15 cm und insbesondere bevorzugt von mindestens 25 cm zurücklegen. In einer bevorzugten
Ausführungsform befinden sich die Beschichtungseinheit und der Druckkopf in einem beheizten Gehäuse. Mittels dieser Ausführung wird die Lufttrocknung zusätzlich beschleunigt. Bei dieser Ausführung ist bevorzugt für eine
ausreichende Durchlüftung des Gehäuseinnenraums zu sorgen und darauf zu achten, dass volatile Bestandteile unschädlich abgeführt werden.
Die Fixierung der Beschichtung kann statt oder zusätzlich zur Trocknung auch durch eine chemische Reaktion wie Polymerisation, Addition oder Vernetzung erfolgen oder beschleunigt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der aufgetragenen Beschichtung um eine reaktive Mischung, die unter Umgebungsbedingungen von selbst reagiert und so fixiert wird. Dazu muss das beschichtete Filament nach Verlassen der Beschichtungseinheit und vor Eintritt in den Druckkopf mindestens eine Strecke von 1 cm, bevorzugt von mindestens 10 cm, besonders bevorzugt von mindestens 15 cm und insbesondere bevorzugt von mindestens 25 cm zurücklegen.
Alternativ kann die Fixierung der Beschichtung auch durch Plasma, UV- Strahlung, Mikrowellenstrahlung, magnetische Induktion oder kaltes Plasma erfolgen oder beschleunigt werden. Dadurch kann die Länge der
Fixierungsstrecke deutlich reduziert werden.
Sofern es sich um eine reaktive Beschichtung handelt, kann die Fixierung der Beschichtung vor der Druckdüse auch unvollständig erfolgen. Eine
weitergehende Fixierung kann dann nach dem Extrusionsvorgang erfolgen, wiederum durch Plasma, UV-Strahlung, Mikrowellenstrahlung, magnetische Induktion oder ein Plasma. Dadurch kann insbesondere die
Zwischenschichthaftung verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform reagiert die Beschichtung nach der
Extrusion zusätzlich mit Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff oder Wasser, wodurch die Zwischenschichthaftung und/oder die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verbessert, die Coloristik und der Glanz verändert oder die
Oberflächenrauhigkeit verbessert werden.
Aufgrund der geringeren Scherraten innerhalb des Druckkopfes und der angepassten Viskositäten von Polymer und Beschichtung bei der gewählten Extrusionstemperatur erfolgt kaum Vermischung der Beschichtung mit dem
Filament während der Extrusion in der Druckdüse, sofern diese nicht mit einer weiteren, z.B. statischen Mischvorrichtung ausgestattet ist.
Auf diese Weise erhält man ein Bauteil, bestehend aus überwiegend
oberflächlich gefärbten beziehungsweise beschichteten Strängen. Dadurch ist es gegenüber einer in Gänze gefärbten Polymermatrix ein Material sparendes
Verfahren. Weiterhin werden Additive, wie insbesondere Haftvermittler, auf diese Weise genau dort aufgebracht, wo sie zur Steigerung der Stabilität des 3D-Objekts nach der Extrusion benötigt werden. In einer optionalen Ausführungsform wird die Zusammensetzung über einen dynamischen, oder bevorzugt über einen statischen Mischer der
Beschichtungseinheit zugeführt. Diesem Mischer werden verschiedene
Additive, Pigmente und/oder Farben zunächst zugeführt. Die im Mischer erzeugte Mischung wird darauf in die Beschichtungseinheit weitergeleitet.
Dieser Mischer ist bevorzugt direkt an der Beschichtungeinheit angebracht bzw. bildet mit dieser eine integrale Einheit, um Totvolumina, Druckverluste und Leitungen zu minimieren. Die Mischung aus Farben, Pigmenten und/oder Additiven wird auf die Oberfläche des festen Filaments aufgetragen. Später bei der Extrusion im Druckkopf kann eine teilweise Vermischung der Beschichtung mit dem aufgeschmolzenen Basisfilament durch Diffusion in der Schmelze erfolgen. Eine homogene Verteilung in der Schmelze ist jedoch wie beschrieben nicht nötig, da die spätere Oberfläche des dreidimensionalen Objektes überwiegend und vorteilhaft aus der zugeführten Beschichtung besteht, die die Oberfläche des Schmelzestranges bildet. Mit dieser Variante ist es somit insbesondere möglich, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das
farbintensive Objekte mit einem geringeren Farbverbrauch herstellt bzw. bei der Beschichtung der Oberfläche bei gleichem Farbverbrauch zu einem deutlich intensiverer Farbton führt. Entsprechendes gilt auch für Additive, vor allem solche, die eine
Haftungsverbesserung zwischen den einzelnen Schichten im dreidimensionalen Objekt bewirken sollen. Diese werden ausschließlich an der Oberfläche des Schmelzestrangs benötigt.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Druckkopf im Bereich des geschmolzenen Filaments einen zusätzlichen dynamischen oder statischen Mischer im unteren Bereich der Düse auf. Grundsätzlich ist ein solcher zusätzlicher Mischer jedoch nicht nötig, um ein gutes Farbbild des
Endproduktes zu erhalten.
Die Anordnung des Druckkopfes, der Beschichtungseinheit und der weiteren Komponenten kann bezüglich ihrer Ausrichtung relativ frei gewählt werden und ist nur in Bezug auf die Reihenfolge erfindungsgemäß einzuhalten. So können die Filamente optional auch horizontal oder von unten nach oben die Beschichtungseinheit und/oder die Fixiereinheit durchlaufen.
Richtungsänderungen vor dem Eintritt in den in der Regel nach unten druckenden Druckkopf können dabei mittels Umlenkrollen realisiert werden.
Alternativ zu Umlenkrollen kann das Filament auch durch einen Schlauch geführt werden. Vorteil dieser Variante ist ein eventuell weniger anfälliger Betrieb des Druckers. Vorteil einer Umlenkrolle dagegen ist die höhere
Spannung des Filaments.
Die Förderung des Filaments erfolgt mittels einem aus dem Stand der Technik bekannten Mechanismus, bei dem es sich in der Regel um zwei Förderrollen und einen diese betreibenden Motor handelt, wobei eine oder beide Rollen angetrieben sein können. Alternativen dazu sind beispielsweise in der US 2010/0076495 zu finden. In der Regel befindet sich diese Primärfördereinheit am Eingang des Druckkopfs. Alternativ oder aber auch insbesondere zusätzlich kann sich eine weitere Fördereinheit direkt hinter der Fixiereinheit und bevorzugt vor einer optionalen Umlenkrolle oder einer Schlauchführung befinden. Eine weitere Fördereinheit - jeweils mit eigenem Motor und getrennt voneinander steuerbar - kann sich direkt hinter der Filamentrolle, auf der das Rohfilament vorgelegt wird, und vor der Beschichtungseinheit befinden.
Bevorzugt befindet sich direkt vor der Beschichtungseinheit eine Führung oder eine Bremse, z.B. in Form von ein oder zwei Bremsrollen, mittels derer sichergestellt wird, dass das Filament in der Beschichtungseinheit gespannt ist. Besonders bevorzugt befindet sich dann eine zweite Fördereinheit oder eine zweite Führung direkt hinter der an die Beschichtungseinheit anschließende Fixiereinheit oder nach der zur Trocknung benötigten Mindeststrecke von 1 cm eine zweite Fördereinheit oder eine zweite Führung.
Bei einer Miniaturisierung des Druckers kann optional auf die Spannung verzichtet werden, da horizontale Bewegungen in der Beschichtungseinheit nur noch minimal möglich sind.
Da der Druckkopf während des Drucks in der Regel über das gesamte
Druckbett horizontal bewegt wird, ist sicherzustellen, dass das Filament direkt vor dem Druckkopf eine ausreichende Bewegungsfreiheit ermöglicht. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, dass alle Komponenten von der
Filamentrolle, über Beschichtungs- bzw. Trocknungseinheit bis hin zum Druckkopf gemeinsam bewegt werden. Alternativ können auch - wie bereits beschrieben - zwei Fördereinheiten, wobei eine direkt hinter der Fixierung und die zweite direkt vor oder im Druckkopf angeordnet sind, vorliegen und derart getrennt von einander gesteuert sein, dass ausreichend Filament zwischen beiden Positionen vorliegt, dass dieses zum einen eine freie Steuerung des Druckkopfs allein ermöglicht, und zum anderen ein zu starkes Durchhängen des Filaments vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Extrusionsbasierte-3D-Drucker kann mit weiteren optionalen Komponenten ausgestattet sein. Die folgende Liste ist als
beispielhafte und nicht als abschließende Auflistung zu verstehen:
Optional kann vor der Beschichtungseinheit das Roh-Filament zur
Verbesserung der Haftung mit Methoden wie Plasmaentladung aktiviert werden.
Weiterhin können vor dem jeweiligen Druckkopf optional Farbdetektoren und/oder Sensoren zur Bestimmung des Durchmessers des Filaments bzw. der Schichtdicke des Ausgangs- und des beschichteten Filaments angeordnet sein, deren Informationen zur Optimierung des Materialflusses, zur Farbkontrolle und Drucksteuerung verwendet werden können.
Bei den in der Vorrichtung verwendeten Farben handelt es sich um
Zusammensetzungen verschiedener Farben, wie z.B. um drei Primärfarben wie z.B. die subtraktive Mischung Magenta, Cyan und Blau bzw. Gelb oder die additive Mischung der Lichtfarben Rot, Grün und Blau. Bei der Verwendung von drei Primärfarben kann bevorzugt zusätzlich Schwarz als vierte„Farbe" hinzukommen. Alternativ kann in Abhängigkeit des Build-Material auch weiß als vierte oder fünfte„Farbe" eingesetzt werden. Für true color Systeme können jedoch je nach System auch bis zu zwanzig Farben benötigt werden. Bevorzugt sind insbesondere Systeme mit mindestens 10, insbesondere 12 verschiedenen Farben. Mit einem solchen System kann eine höhere Farbbrillanz erzielt werden. Die aufgeführten Farbsysteme unterschiedlicher Zusammensetzungen sind dem Fachmann bereits lange aus dem 2D-Druck bekannt. Alle verwendeten Farben liegen jeweils in getrennten Vorratsbehältern, jeweils ausgestattet mit einer eigenen Dosiervorrichtung, vor und werden von dort je nach Ausführungsform direkt in die Beschichtungseinheit oder den dynamischen Mischer dosiert.
Bei den Additiven handelt es sich bevorzugt um ein oder mehrere
haftverbessernde Additive. Alternativ oder zusätzlich kann es sich auch um weitere Additive wie z.B. um UV-Vernetzer oder thermisch bzw. magnetisch aktivierbare Klebstoffe handeln. Weiterhin denkbar sind der Zusatz von
Additiven zur Verbesserung der Haptik, Schmutz abweisende bzw. die
Kratzfestigkeit verbessernde Beschichtungsbestandteile oder Additive zur Oberflächenstabilisierung, wie z.B. UV-Stabilisatoren. Für industrielle
Anwendungen sind darüber hinaus Additive zur Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit bzw. der elektrischen Leitfähigkeit oder Antistatika von Interesse.
Zur Reduzierung der Entzündbarkeit des 3D-Objekt.es oder zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften, Oberflächenleitfähigkeit und/oder Haptik können auch anorganische Additive, wie Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder - im Falle von dunkel gefärbten Objekten - Ruß als Additiv auf der Oberfläche aufgebracht werden. Hier wird die jeweilige Wirkung deutlich besser entfaltet, als wenn die entsprechenden Additive der Matrix des Materials zugegeben sind.
Insbesondere zur Verbesserung der thermischen und elektrischen
Oberflächenleitfähigkeit kann Graphen als Additiv Verwendung finden.
Die Additive werden aus separaten Vorratsbehältern oder gemischt mit einer oder mehreren Farben vorgelegt. Das jeweilige Build-Material und/oder
Support-Material wird mit diesen Additiven derart beschichtet, dass sie auch nach dem Aufschmelzen in der Düse bevorzugt an der Oberfläche der extrudierten Stränge vorliegen und dort ihre Wirkung erzielen, zum Beispiel haftverbessernde Eigenschaften der Stränge untereinander oder
Oberflächenleitfähigkeit.
In einer besonderen Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Körper einen dritten Druckkopf auf. Dieser optionale dritte Druckkopf ist genauso ausgestattet wie der zweite Druckkopf. Insbesondere wird mittels dieses dritten Druckkopfs ein Filament für ein zweites Build-Material verdruckt, welches sich von dem ersten Build-Material unterscheidet. Die Farbzusammensetzungen können optional auch Füllstoffe enthalten, die beim Druck dem transparenten Build-Material bei Bedarf eine nicht transparente Optik verleihen.
Zum Beispiel kann der zweite Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, nicht transparentes und der dritte Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, transparentes Build-Material enthalten. Bevorzugt verfügen beide Druckköpfe dabei jeweils über eigene Mischvorrichtungen, die auf dieselben
Vorratsbehälter zugreifen.
Bevorzugt handelt es sich bei den Build-Materialien jeweils um
thermoplastische verarbeitbares Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem Build-Material aus dem zweiten und/oder dem dritten optionalen Druckkopf um Acrynitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polycarbonat (PC),
Poly(meth)acrylat, Polyphenylensulfon (PPSU), HDPE, Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polymilchsäure (PLA) oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Polymere oder eine Mischung, die mindestens zu 50 Gew% aus einem dieser genannten Polymere zusammengesetzt ist. Die Schreibweise (Meth)acrylat bedeutet hier sowohl Methacrylat, wie z.B.
Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat usw., als auch Acrylate, wie z.B.
Ethylhexylacrylat, Ethylacrylat usw., sowie Mischungen aus beiden.
Bezüglich des zweiten, optionalen Build-Material aus der dritten Düse sind vor allem Polymethacrylat oder Polycarbonat bevorzugt.
Bezüglich des Support-Materials aus dem ersten Druckkopf sollte es sich bevorzugt um ein säure-, base- oder wasserlösliches Polymer handeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in einem
extrusionsbasierten-3D-Druckverfahren entspricht im Allgemeinen dem Stand der Technik und ist damit in der Regel derart gestaltet, dass der jeweilige
Farbton in ein rechnerbasiertes CAD-Programm eingegeben wird und dass dabei eine Datei bereitstellt, die zusätzlich zu den Koordinaten die
Farbinformation zur Fertigung und zur Regelung der Material- und
Farbeinstellung enthält. Ein geeignetes Dateiformat ist beispielsweise im Additive Manufacturing File Format (ASTM F2915-12) beschrieben. Dabei wird durch Regelung der Dosiervorrichtungen und gesteuerte Zudosierung der jeweiligen Primärfarben bzw. Schwarz aus den Vorratsbehältern der jeweilige Farbton eingestellt. Optional können die Beschichtungseinheiten des zweiten bzw. des dritten Druckkopfs weitere Vorratsbehälter, die zusätzlich zu Schwarz und den Farben bzw. Primärfarben oder Additiven weitere Pigmente enthalten, aufweisen. Bei diesen weiteren Pigmenten kann es sich z.B. um Metallicpigmente und/oder fluoreszierende Pigmente handeln.
Die Vorratsbehälter können auch Additive, Haftvermittler oder Klebstoffe enthalten, die durch Mikrowellen, magnetische oder elektische Felder erwärmbar sind, und/oder aktivierbar sind. Diese können entweder einer oder allen Zusammensetzungen zugesetzt sein oder aus getrennten
Vorratsbehältern zugesetzt werden. In letzterem Fall sind diese
Zusammensetzungen farblos. Die konkrete Auswahl der entsprechenden Additive ergibt sich dem Fachmann aus der Zusammensetzung und dem verwendeten Build-Material .
Darüber hinaus können ein oder mehrere Vorratsbehälter auch Vernetzer, Initiatoren oder Beschleuniger enthalten, die durch Kontakt mit dem Filament, durch Reaktion miteinander in der Mischung, durch thermische oder
andersartige Aktivierung der Reaktion in der Fixiereinheit und/oder nach der Extrusion zu einer Reaktion, wie Addition oder Vernetzung führen, so dass man ein ganz oder teilweise elastomeres oder duroplastisches dreidimensionales Objekt erhält.
Eine Reaktion der Oberflächenbeschichtung kann auch nachträglich erfolgen, indem zunächst mittels Mikrowellen, Wärme, Plasma, UV-Licht oder
Magnetfelder aktivierbare Additive als Beschichtung aufgetragen werden und diese nachträglich in einem folgenden Verfahrensschritt entsprechend aktiviert werden. So kommt es zu einer besonders vorteilhaften Reaktion an der
Oberfläche der extrudierten Stränge, die insbesondere auch zur Vernetzung der Stränge untereinander genutzt werden kann. Durch Diffusion oder eine zusätzliche, bereits oben beschriebene dynamische oder statische Mischeinheit im Bereich des Druckkopfes, in dem das geschmolzene Filament vorliegt kann diese nachträgliche Vernetzung jedoch auch innerhalb der ehemaligen
Filamente erfolgen.
Alternativ können die Additive aus verschiedenen Vorratsbehältern nach dem Vermischen selbst miteinander reagieren und so z.B. zu einer chemischen Vernetzung an der Filamentoberfläche und/oder zu einer Haftverbesserung der Filamente nach dem Druck untereinander führen.
Üblicherweise handelt es sich bei den Vorratsbehältern um bewegliche
Kartuschen, wie sie zum Farbdruck aus dem Stand der Technik für 2-D-
Tintenstrahl-Farbdrucker bekannt sind, oder um Vorratsgefäße, aus denen zum Beispiel über Pumpen Flüssigkeiten entnommen oder um Kartuschen die in eine Kolbenpumpe eingespannt werden können. Diese können derart gestaltet sein, dass sie einfach und individuell ausgetauscht bzw. erneuert werden können.
Neben der Vorrichtung ist auch ein neuartiges, farbiges extrusionsbasiertes-3D- Druckverfahren an sich Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Dieses neuartige Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
Beschichten eines kontinuierlich transportierten Filaments mit Additiv- und/oder Farbstoffzusammensetzungen, Fixieren der Additiv- und/oder
Farbstoffzusammensetzung auf der Oberfläche des Filaments, Eintritt des beschichteten Filaments in einen Druckkopf, Aufschmelzen des Filaments in dem Druckkopf und Ausgabe der Schmelze mittels einer Düse zum Zweck des dreidimensionalen Drucks. Insbesondere wird dieses Verfahren mit einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen extrusionsbasierten-3D-Drucker durchgeführt.
Bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass die Beschichtungsbestandteile nach dem Druck an der Oberfläche des
Stranges angereichert sind. Zu der Zeichnung:
Fig.1 stellt exemplarisch eine Ausführungsform dar, bei der nur die essentiellen Erfindungsbestandteile Beschichtungseinheit, Fixiereinheit und der für den extrusionsbasierten-3D-Drucker essentiellen Druckkopf dargestellt sind. 1 :Mischer für die Farbzusammensetzung mit angeschlossenen
Vorratsbehältern (in Graustufen)
2:Beschichtungseinheit
3:Fixiereinheit
4:Druckkopf

Claims

Ansprüche
Extrusionsbasierter-3D-Drucker, aufweisend einen Druckkopf zum
Verdrucken von Build-Material, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor diesem Druckkopf eine Beschichtungseinheit befindet, in der das Filament mit Additiven und/oder Farben aus mehreren Vorratsbehältern, ausgestattet mit Dosiervorrichtungen, beschichtet wird, und dass zwischen der
Beschichtungseinheit und dem Druckkopf eine Fixierung erfolgt.
Extrusionsbasierter-3D-Drucker gemäß Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Farben und/oder Additive vor dem Beschichten in einem Mischer miteinander derart gemischt werden, dass dem Mischer verschiedene Additive und/oder Farben zugeführt werden und dass die darin erzeugte Mischung in die Beschichtungseinheit weitergeleitet wird.
Extrusionsbasierter-3D-Drucker gemäß Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Druckkopf zusätzlich zu dem Mischer vor der Beschichtungseinheit einen statischen Mischer im unteren Bereich der Düse aufweist.
Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor der Beschichtungseinheit eine Führung oder eine Bremse und optional hinter der Fixierung eine
Fördereinheit befinden, und dass das Filament in der Beschichtungseinheit durch die Führung oder Bremse und die optionale zusätzliche Fördereinheit gespannt ist.
Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Herstellung
dreidimensionaler Körper einen weiteren Druckkopf zum Verdrucken eines Supportmaterials und/oder einen dritten Druckkopf aufweist, wobei dieser dritte Druckkopf genauso ausgestattet ist wie der zweite Druckkopf, und dass dieser dritte Druckkopf ein Filament für ein zweites Build-Material aufweist.
6. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, nicht
transparentes und der dritte Druckkopf ein vor dem Färben ungefärbtes, transparentes Build-Material enthält.
7. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die beiden Druckköpfe für Build-Materialien mit jeweils eigenen Mischvorrichtungen auf dieselben Farbvorratsbehälter zugreifen.
8. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Build-Material aus dem ersten und/oder dem dritten optionalen Druckkopf um thermoplastisch verarbeitbare Materialen, bevorzugt um Acrynitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polycarbonat (PC), Poly(meth)acrylat, Polyphenylensulfon (PPSU), HDPE, Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Polymilchsäure (PLA) oder eine
Mischung aus mindestens zwei dieser Polymere, bevorzugt bei dem Build- Material aus dem dritten Druckkopf um ein Polymethacrylat oder
Polycarbonat handelt.
9. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Support-Material aus dem zweiten Druckkopf um ein säure-, base- oder wasserlösliches Polymer handelt.
10. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Farbton in ein
rechnerbasiertes CAD-Programm eingegeben wird, und dass dabei eine Datei bereitgestellt wird, die zusätzlich zu den Koordinaten die
Farbinformation zur Fertigung und zur Regelung der Material- und
Farbeinstellung enthält und damit durch Regelung der Dosiervorrichtungen und gesteuerte Zudosierung der jeweiligen Primärfarben bzw. Schwarz aus den Vorratsbehältern der jeweilige Farbton eingestellt wird.
1 1 . Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weitere Farbvorratsbehälter gibt, die zusätzlich zu Farben oder Additiven weitere Pigmente enthalten, und dass es sich bei mindestens einem dieser Pigmente um Metallicpigmente und/oder um fluoreszierende Pigmente handelt.
12. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach Anspruch 1 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung durch Mikrowellen, Wärme, Plasma, UV-Licht oder Magnetfelder aktivierbare Additive enthält und/oder die Zusammensetzung Haftvermittler oder Klebstoffe enthält und optional farblos ist.
13. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach Anspruch 1 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung in einer Fixierungseinheit oder über eine Strecke von mindestens 1 cm, bevorzugt von mindestens 15 cm erfolgt. 14. Extrusionsbasierter-3D-Drucker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Druckkopf Sensoren zur Bestimmung des Durchmessers des beschichteten Filaments angeordnet sind, und dass deren Informationen zur Optimierung des Materialflusses, zur Farbkontrolle und Drucksteuerung verwendet werden. 15. Verfahren zum mehrfarbigen extrusionsbasierten-3D-Druck, dadurch gekennzeichnet, dass das Build-Material in einem kontinuierlichen Ablauf nach einander mindestens in einer Beschichtungseinheit mit Additiv- und/oder einer Farbstoffzusammensetzung beschichtet wird, fixiert wird, in einen Druckkopf geführt wird, in diesem aufgeschmolzen wird und die Schmelze aus dem Druckkopf mittels einer Düse ausgegeben wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das
Verfahren mit einem extrusionsbasierter-3D-Drucker gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtungsbestandteile nach dem Druck an der Oberfläche des Stranges angereichert sind.
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