用于創(chuàng)建三維物體的系統(tǒng)和組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明示出和描述了用于創(chuàng)建三維藝術品和物體的系統(tǒng)和方法。
【專利說明】用于創(chuàng)建三維物體的系統(tǒng)和組合物
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年10月20日提交的標題為“用于創(chuàng)建三維藝術品和物體的系統(tǒng)和方法”的第62/066，002號美國臨時申請的權益。所述臨時專利申請的完整公開內容在此通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發(fā)明總體上涉及書寫和繪圖工具領域，更具體地涉及用于創(chuàng)建三維藝術品和物體的工具和油墨。
【背景技術】
[0004]目前可使用采用電源和粉末的三維打印機(three-dimens1nalprinter)來打印機器中的物體。例如，第7，435，368號美國專利教導了一種三維打印機，其采用噴墨式打印頭和粉末以還原(prototype)和打印三維模型。其他三維打印裝置是更靈活的并且采用擠出熱物質的筆式裝置和電源以提供這樣的材料，該材料冷卻形成三維材料，更像噴膠槍。
[0005]然而，這些裝置和方法供兒童使用是笨重或危險的。需要供兒童使用的用于提供三維繪圖技術的系統(tǒng)和裝置，其無需使用電子機械或熱化學品。
[0006]本發(fā)明的公開內容
[0007]本發(fā)明包括這樣的系統(tǒng)和裝置，其通過在不粘表面上擠出快干復合物，然后去除干燥的藝術品或物體來允許兒童和成人創(chuàng)建用于包含在較大物體或較大件藝術品中的三維物體和藝術品。
[0008]本發(fā)明包括快干或快凝(fast-setting)復合物，其可被垂直擠出以創(chuàng)建三維物體。快凝復合物通過光進行固化。
[0009]通過考慮詳細描述和附圖，本發(fā)明的其他方面將變得顯而易見。
[0010]附圖的幾個視圖的簡述
[0011]在下列附圖中，附圖形成說明書的一部分并且應結合說明書進行解釋，其中在全文中使用相同的引用符號并盡可能在各個視圖中表示相似的部件:
[0012]圖1是本發(fā)明的第一個實施方案的筆的透視圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的筆和書寫板的透視圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的實施方案的筆的右截面圖；
[0015]圖4是本發(fā)明的第二個實施方案的右側立面(elevat1nal)圖；
[0016]圖5是本發(fā)明的第三個實施方案的筆的透視圖；
[0017]圖6是本發(fā)明的第三個實施方案的部件分解圖；
[0018]圖7是本發(fā)明的第三個實施方案的前立面圖；
[0019]圖8是本發(fā)明的第三個實施方案的后立面圖；
[0020]圖9是本發(fā)明的第三個實施方案的移除儲液囊(reservoir)的右側立面圖；
[0021 ]圖10是本發(fā)明的第三個實施方案的頂視圖；以及
[0022]圖11是本發(fā)明的第三個實施方案的底視圖。
[0023]實施本發(fā)明的最佳方式
[0024]整個說明書引用的“一個實施方案(one embodiment )”、“實施方案(anembodiment)”、“一個實施例(one example)”或“實施例(an example)”是指與該實施方案或實施例有關的特定特征、結構或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在本說明書中多個地方出現(xiàn)的短語“在一個實施方案中(in one embodiment)”、“在實施方案中(in an embodiment)”、“一個實施例(one example)”或“實施例(an example)”不一定全部是指相同的實施方案或實施例。此外，可以任何合適的組合和/或子組合形式將特定特征、結構或特性結合在一個或多個實施方案或實施例中。此外，應當理解，在此提供的附圖是為了向本領域一般技術人員解釋的目的并且附圖不必按比例繪制。
[0025]僅為了方便而非限制的目的，在下文定義了一些術語以幫助理解示例性實施方案。在下文未定義權利要求中使用的術語的情況下，應該給予該術語達到相關領域技術人員給予該術語最寬定義的程度，如在出版的公開出版物和授權專利中所體現(xiàn)的。
[0026]如本文使用的，當放置在數(shù)值“X”之前時，術語“約”是指從X減X的10%延伸至X加X的10 %的區(qū)間，優(yōu)選X減X的5 %延伸至X加X的5 %的區(qū)間，且甚至更優(yōu)選X減X的2 %延伸至X加X的2%的區(qū)間。
[0027]術語“傾斜”不以限制性意義使用，因為傾斜表面也可能是弓形或圓錐形的。
[0028]術語“復合物(compound)”、“組合物”、“成分”和“組分”有時可交換使用，用于指一種或多種化學組分。如本文使用的，術語“復合物”是指由兩種或多種單獨要素成分(e I emen t s)組成的混合物。
[0029]術語“油墨”意指包括任何染色材料，其包括但不限于油墨、染料、顏料或其他類似的染色液體。
[0030]如本文使用的，術語“光”是指日光或人造光，包括本領域已知的白熾光、LED光、熒光光源。
[0031]當用于描述本發(fā)明的油墨組合物時，術語“液體”意指包括能夠在給定表面上分散或展開的組合物的任何非固體的物理狀態(tài)，即，處于其高度可流動狀態(tài)以及半固體粘性狀態(tài)兩者。
[0032]如本文使用的，術語“噴嘴”包括用于引導或改變流體流動的任何常規(guī)或優(yōu)選的靜態(tài)機械裝置。
[0033]如本文使用的，術語“觸針(stylus)”不只包括筆形裝置，而且，術語“筆”和“觸針”可通用和交換使用。
[0034]如本文使用的，術語“儲液囊”包括用于容納流體的容器或室。
[0035]盡管本文在描述附圖時可進行方位引用，諸如上部、下部、向下、向上、向后、底部、前面、背面等，但為了方便，相對于附圖(如通常觀察的)進行這些引用。這些方位不旨在按字面意思解釋或以任何形式限制本發(fā)明。此外，為了描述的目的在本文使用諸如“第一”、“第二”和“第三”的術語，這些術語不旨在表示或暗示相對的重要性或顯著性。術語包括上述特別提及的詞語、其派生詞和類似的輸入詞語。
[0036]在本文中使用的“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有(having)”及其變型意指包括此后列舉的項目及其等同物以及附加項目。
[0037]除非另外規(guī)定或限制，術語“安裝”、“連接”、“支持”和“聯(lián)接”及其變型概括地使用并且包括直接和間接的安裝、連接、支持和聯(lián)接兩者。此外，“連接”和“聯(lián)接”不局限于物理或機械連接或聯(lián)接。
[0038]本發(fā)明提供包括可壓縮儲液囊502的筆100，其具有近端104、遠端106和從近端104延伸至遠端106的側壁108，儲液囊502容納液體復合物110;噴嘴112聯(lián)接至儲液囊502的近端104，液體復合物通過噴嘴離開儲液囊。當擠壓儲液囊502時，儲液囊502中的液體復合物110被迫離開噴嘴112。筆100由允許容易壓縮儲液囊502的薄壁塑性材料組成。噴嘴112足夠大，使得足以將一定量的復合物110擠出在表面上。提供帽116。
[0039]如圖2所示，筆100用于給予油墨組合物以在具有缺口或凹口201(待填充油墨)的平面或表面200上繪制二維物體。優(yōu)選地，表面為由適當材料(諸如具有不粘涂層的硅酮或層壓塑性材料)組成的不粘表面202。表面202為透明的并且包括期望的繪圖物體204或者提供期望的繪圖物體204形式的凹口 201?？蓚溥x地，將繪圖物體204打印成平面202。
[0040]液體油墨復合物110是在儲液囊502中和當從噴嘴112中擠出時保持為液體或凝膠形式的材料。當與光接觸時，液體復合物110開始迅速硬化并且凝固成纖維材料302。纖維材料302是柔性的，但足夠致密以保持一定形狀。因此，在硬化時，其可從繪圖表面202去除并且用于創(chuàng)建諸如圖2示出的物體三維物體。液體復合物110可由許多不同材料組成，所述材料允許在暴露于光時快速干燥。液體復合物110可包括染料材料以允許改變繪圖物體的顏色。
[0041 ]通過使用筆100摹寫二維物體204。當擠出油墨復合物110時，其變干燥。一旦復合物干燥，就從繪圖表面202去除油墨纖維材料302。可通過在纖維材料件之間提供連接件304將諸如眼鏡的眼鏡腳的其他二維物體連接至干燥的纖維材料302。以該方式，創(chuàng)建三維物體306。
[0042]圖3示出具有相對于外部側壁108的內部部分的筆100。示出位于外部儲液囊內的內部儲液囊502以容納復合物110。內部儲液囊502與噴嘴112連接。通過手動操作夾持系統(tǒng)500使容納在儲液囊內的復合物110偏離儲液囊502。當在側壁108上施加壓力時，將偏置夾504、506擠壓至在502的每個側面上的儲液囊502中。通過樞軸連接件602在筆的遠端樞軸連接偏置夾504、506。
[0043]圖4示出沒有圖3的夾持系統(tǒng)500的筆350的可備選的實施方案。筆100由外部套管352組成，外部套管352形成用于容納組合物110的可壓縮儲液囊354。在手動壓縮套管352時，壓縮儲液囊354以從噴嘴356擠出組合物110。
[0044]由上所述，應該清楚與使用一般的筆或鉛筆時所采用的方式類似，人們可使用筆100進行書寫、打印、繪制或著色。以基本上相同的方式夾住筆。以與筆或鉛筆的書寫尖端基本上相同的方式移動噴嘴。唯一的不同在于，使用者在食指和拇指之間同時擠壓筆100以當使用者給予噴嘴書寫、打印、繪制或著色動作時引起和控制液體復合物從噴嘴112的流動。
[0045]本發(fā)明的油墨組合物包括光可固化樹脂。更具體地，本發(fā)明的油墨組合物為包含不飽和預聚物和光引發(fā)劑的混合物?？墒褂玫牧硗獬煞职ǖ幌抻谌玖虾蛷椥泽w。
[0046]油墨組合物使用不飽和預聚物或光可固化樹脂。不飽和預聚物或光可固化樹脂可以以足以給予組合物期望的固化速率的量存在。不飽和預聚物選自由不飽和聚氨酯預聚物、不飽和聚丙烯酸酯預聚物、不飽和環(huán)氧基預聚物或其各種比例的共聚物組成的組。以整個組合物的重量計，不飽和預聚物或光可固化樹脂可以以小于60%至約85%的量存在。
[0047]本發(fā)明的油墨組合物包括選自聚合光引發(fā)劑的苯甲?；趸⒎N類的光引發(fā)劑。優(yōu)選地，使用的光引發(fā)劑為2，4，6_三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦。以整個組合物的重量計，光引發(fā)劑可以以小于1%至約10%的量存在。
[0048]除了苯甲?；趸⒎N類的光引發(fā)劑之外，可使用第二光引發(fā)劑。該第二光引發(fā)劑選自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯或(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯組成的組。以整個組合物的重量計，第二光引發(fā)劑可以以小于1%至約5%的量存在。
[0049]可使用娃彈性體光分散劑(light dispersing agent)。以整個組合物的重量計，光分散劑可以以小于1%至約5%的量存在。
[0050]組合物中可包含丙二醇作為防腐劑和乳化劑。以整個組合物的重量計，乳化劑可以以小于1%至約10%的量存在。
[0051]組合物中可包含增塑劑?？山邮艿脑鏊軇┛砂ǖ幌抻诃h(huán)氧化大豆油。以整個組合物的重量計，增塑劑可以以小于I %至約10%的量存在。
[0052]組合物中可包含增稠劑。增稠劑可包括但不限于單硬脂酸甘油酯。以整個組合物的重量計，增稠劑可以以小于1%至約5%的量存在。
[0053]組合物中可包含穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑可包括但不限于丁基化羥基甲苯或丁基化羥基苯甲醚或類似物。以整個組合物的重量計，穩(wěn)定劑可以以小于I %至約2%的量存在。
[0054]組合物中可包含另外的油和溶劑以調整處于其液體形式的組合物的粘度。
[0055]可用于本發(fā)明的染料包括但不限于FD&C黃色#5(購自B F Goodrich HiltonDavis Chemical Company ,Brecksville ,Oh1)、FD&C黃色#6(購自B F Goodrich HiltonDavis Chemical Company)、D&C黃色#10(購自Warner Jenkinson，St.Louis ,M0.)、FD&C藍色#1(購自B F Goodrich Hilton Davis Chemical Company)、D&C紅色#28(購自WarnerJenkinson)、D&C紅色#33(購自 Warner Jenkinson)、品紅色分散體(Magenta Dispers1n)(購自Warner Jenkinson)、綠色分散體(Green Dispers1n)(購自Colorcon,West Point,Pa.)和黃色分散體(Ye I low Dispers1n)(購自 Co lorcon)。
[0056]染料以足以給予組合物明顯著色的量存在。以整個組合物的重量計，染料可以以小于I %至約10%的量存在。
[0057]許多顏料可用作本發(fā)明組合物的染料成分。液體填充組合物可被著色為紅色、品紅色、粉紅色、黃色、藍色、橙色、紫色、紫羅蘭色、綠色等。通常，使用高度可見的誘人顏色，包括顏色的熒光版本。
[0058]可使用下文詳細描述的光或通過來自單獨裝置或陽光的光來固化油墨組合物。
[0059]筆400的可備選實施方案在圖5-11中提供，其使用人造光陣列420來固化從筆400擠出的油墨組合物。外部人造光可用于固化油墨組合物，諸如來自內燈或來自聚光燈的光。還可使用自然陽光。額外的光加速了固化過程。
[0060]筆400包括外殼436和可移除可壓縮的儲液囊402，該儲液囊402具有近端404、遠端406和從近端404延伸至遠端406的側壁408，儲液囊402容納液體復合物110;噴嘴412聯(lián)接至儲液囊402的近端404，液體復合物通過噴嘴離開儲液囊。當壓縮儲液囊402時，儲液囊402中的液體復合物110被迫離開噴嘴412?？蓧嚎s儲液囊402由薄壁塑料構建，其允許人手進行手動壓縮。噴嘴412足夠大，以使一定量的復合物110擠出在表面上。如圖所示，儲液囊402旨在用于手動壓縮儲液囊以從儲液囊擠出組合物。然而，設想其他擠出機制是合適的并且同樣可使用。設想第一實施方案使用的加壓夾也可用于壓縮本實施方案的儲液囊402。
[0061]如圖5所示，筆400是沿著筆400的縱軸延伸的細長結構以適合手。光陣列420提供用于儲液囊內的液體油墨在擠出后的固化機制。噴嘴412位于筆400的近端414，鄰近照明陣列420，并從那里延長一段距離以允許從噴嘴擠出。
[0062]如本領域技術人員理解的，在固化前，必須將油墨組合物從噴嘴中完全擠出，否則噴嘴將被堵塞。因此，在固化前，油墨組合物必須遠離噴嘴，并且任何固化機制必須適應該擠出。本發(fā)明的人造照明陣列420使用結構有效的噴嘴并結合光布置以提供擠出點附近的固化機制，且不堵塞噴嘴開口 438。
[0063]如圖9所示，噴嘴從儲液囊402的主體452延伸。噴嘴包括圓形末端450，其包括擠出孔448和傾斜噴嘴主體454，其從筆400的近端414的環(huán)繞424延伸。圖7所示的傾斜噴嘴部分454是具有圍繞噴嘴部分454的周長的三個弓形或傾斜凹口 456的弓形部分。在弓形凹口 456之間，三個弓形橋458沿著噴嘴部分454的周長延伸。結合下文更充分地討論光陣列420，當與光陣列420—起使用時弓形橋458產(chǎn)生陰影以限制噴嘴的最近尖端的光暴露至遠離噴嘴更遠的距離。
[0064]照明陣列420包括至少兩種指向噴嘴412的光416、418，以當從噴嘴412擠出組合物時向其提供光源。在試驗中，
【申請人】發(fā)現(xiàn)多種光可幫助提高油墨組合物的固化速度。也可在光陣列中提供另外的光422以用另外的光來固化擠出的組合物。使油墨組合物固化的速度顯著影響產(chǎn)品的使用。在該方式中，組合物在被擠出時可固化并且凝固。鄰近噴嘴454的弓形橋458設置這些光416、418、422。照明陣列420的光指向朝噴嘴的尖端450的一定角度。光的角度可為20度至60度。
[0065]在噴嘴412周圍以一定角度排列提供照明陣列420以有效引導光朝向噴嘴412的尖端。如圖所示，布置照明陣列為在噴嘴周圍等距隔開的光416、418、422。光416、418、422可包括本領域已知的任何燈泡，其足以提供光以固化擠出的組合物。光416、418、422設置在筆400的近端414的環(huán)繞424內。環(huán)繞424可為凹形并且可為光滑的或有角的并且反光以放大由光元件416、418、422產(chǎn)生的光。示出的環(huán)繞424包圍噴嘴。
[0066]可將諸如透鏡的適于光透射和放大的放大裝置480與筆的外殼436連接。放大裝置480可用于放大來自環(huán)境或來自光陣列420的光以更快地固化組合物。放大裝置480包括至少一個透鏡482以放大光。
[0067]照明陣列420具有電源426和控制電路434。電源426可為存放在裝置內的電池并且通過進入位于筆400的遠端430的開口 428進行更換。按紐432控制照明陣列420的操作?？刂齐娐?34調整光陣列420的強度水平處于安全水平和充足水平以固化油墨組合物?？刂齐娐?34可包括用于電源426的升壓器或減壓器。
[0068]可移除儲液囊402安裝在位于外殼436中的凹進438內。儲液囊包括噴嘴412作為一體化結構。在外殼436中放置可壓縮儲液囊402時將噴嘴412安裝在環(huán)繞的凹進內。
[0069]從前述內容可以看出，本發(fā)明連同結構固有的其他優(yōu)點可更好地適合獲得本文闡述的所有目的和目標。盡管已經(jīng)詳細描述本發(fā)明，上述內容僅為了說明的目的并且不應認為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。如本領域技術人員更顯而易見的，各種其他修改和組件包括在本發(fā)明的范圍內。
【主權項】
1.一種油墨組合物，其配置用于在繪圖儀器或三維打印機中使用，所述油墨組合物包含: 不飽和預聚物； 光引發(fā)劑，其選自聚合光引發(fā)劑的苯甲酰基氧化膦種類組成的組；以及 染料。2.根據(jù)權利要求1所述的油墨組合物，其中所述不飽和預聚物以組合物總重量的約60%至約85%的量存在。3.根據(jù)權利要求1所述的油墨組合物，其還包含第二光引發(fā)劑，所述第二光引發(fā)劑選自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯組成的組。4.根據(jù)權利要求1所述的油墨組合物，其還包含乳化劑。5.根據(jù)權利要求1所述的油墨組合物，其還包含光分散劑。6.根據(jù)權利要求1所述的油墨組合物，其還包含穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)定劑選自丁基化羥基甲苯、丁基化羥基苯甲醚、丁基化羥基甲苯的類似物和丁基化羥基苯甲醚的類似物組成的組。7.根據(jù)權利要求2所述的油墨組合物，其還包含: 第二光引發(fā)劑，其選自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯組成的組； 光分散劑；以及 穩(wěn)定劑，其選自丁基化羥基甲苯、丁基化羥基苯甲醚、丁基化羥基甲苯類似物和丁基化羥基苯甲醚類似物組成的組。8.—種繪圖裝置，其包括: 外殼，其具有用于容納油墨組合物的可壓縮儲液囊； 噴嘴，其配置為從所述可壓縮儲液囊擠出所述油墨組合物； 所述油墨組合物還包含光可固化的樹脂。9.根據(jù)權利要求8所述的繪圖裝置，其還包括電源和鄰近所述噴嘴的光陣列，所述光陣列具有至少一種配置為用于輻照從所述噴嘴擠出的油墨組合物的光。10.根據(jù)權利要求8所述的繪圖裝置，所述油墨組合物包含: 光引發(fā)劑，其選自聚合光引發(fā)劑的苯甲?；趸⒎N類組成的組；以及 染料。11.根據(jù)權利要求10所述的繪圖裝置，所述油墨組合物還包含: 第二光引發(fā)劑，其選自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯組成的組； 光分散劑；以及 穩(wěn)定劑，其選自丁基化羥基甲苯、丁基化羥基苯甲醚、丁基化羥基甲苯類似物和丁基化羥基苯甲醚類似物組成的組。12.根據(jù)權利要求9所述的繪圖裝置，所述光陣列還包括設置在所述噴嘴周圍的至少兩種光。13.根據(jù)權利要求8所述的繪圖裝置，其還包括鄰近所述噴嘴的凹形環(huán)繞。14.根據(jù)權利要求8所述的繪圖裝置，其還包括放大裝置。15.—種繪圖裝置，其包括: 外殼，其包括電源并且被配置以接收用于容納油墨組合物的可壓縮儲液囊，所述可壓縮儲液囊還包括被配置以從所述可壓縮儲液囊擠出所述油墨組合物的噴嘴；以及 光陣列，其具有至少兩種被配置以從所述電源接收電能的光，所述光陣列鄰近所述噴嘴并且與所述噴嘴成一定角度排列，所述至少兩種光被配置以輻照從所述噴嘴擠出的油墨組合物。16.根據(jù)權利要求15所述的繪圖裝置，所述油墨組合物包含: 不飽和預聚物； 光引發(fā)劑，其選自聚合光引發(fā)劑的苯甲?；趸⒎N類組成的組；以及 染料。17.根據(jù)權利要求16所述的繪圖裝置，所述油墨組合物還包含: 第二光引發(fā)劑，其選自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯組成的組； 光分散劑；以及 穩(wěn)定劑，其選自丁基化羥基甲苯、丁基化羥基苯甲醚、丁基化羥基甲苯類似物和丁基化羥基苯甲醚類似物組成的組。18.根據(jù)權利要求15所述的繪圖裝置，其還包括放大裝置。
【文檔編號】C08F2/46GK105899550SQ201580002913
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年6月2日
【發(fā)明人】安德魯·懷斯曼, 科里·費特, 任飛
【申請人】安德魯·懷斯曼, 紅木冒險有限公司