本發(fā)明涉及一種用于借助于可設(shè)定的方法參數(shù)生產(chǎn)三維模型的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

在歐洲專利說(shuō)明書EP 0 431 924 B1中描述了一種用于從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)三維物體的方法。在該方法中，將顆粒材料以薄層涂覆到平臺(tái)，并且使用打印頭將粘合劑材料選擇性地打印到顆粒材料上。粘合劑被打印到其上的顆粒區(qū)域粘在一起并且在粘合劑、并且附加硬化劑(如有必要的話)的影響下固化。平臺(tái)然后降低一層厚度的距離到構(gòu)建圓柱中并且涂覆有新的一層顆粒材料，該新的一層顆粒材料也如上所述被打印。這些步驟被重復(fù)直到實(shí)現(xiàn)某一期望高度的物體。三維物體(也稱為成型零件或模型)由此從打印且固化的區(qū)域產(chǎn)生。

在該物體完成之后，從固化顆粒材料產(chǎn)生的該物體嵌在松散的顆粒材料中并且隨后從該顆粒材料中被移除。這例如使用提取器來(lái)完成。這留下了期望的物體，例如通過(guò)手動(dòng)刷洗從該物體移除粉末沉積物。該方法可以用來(lái)處理不同的顆粒材料，包括天然生物原材料、聚合物、金屬、陶瓷和砂土(非詳盡列表)。

例如，顆粒材料中的固體可以用作粘合體系。該固體借助于從噴墨打印頭噴出的溶劑來(lái)溶解。在溶劑蒸發(fā)之后，顆粒在期望的位置粘在一起。在一定的等待時(shí)期之后從剩余的松散粉末移除部件。

除了別的以外，粉末狀水玻璃(硅酸鈉)也可以用作粘合體系。該材料通過(guò)打印水基流體被溶解。取決于數(shù)量，該液體水玻璃現(xiàn)在在顆粒之間沉淀。硬化借助于各種機(jī)制進(jìn)行。然而，主要使用干燥粘合液體。水玻璃物理硬化。顆粒材料、粘合劑和流體的其他組合也是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。在該類型的3D打印處理中干燥或蒸發(fā)流體還導(dǎo)致成型零件的固化和成形。

該處理執(zhí)行在硬化處理或者液體的干燥或蒸發(fā)期間是有問(wèn)題的。該類型的3D打印處理常常導(dǎo)致具有不足的強(qiáng)度和極端的幾何偏差的部件。

在已知的3D打印方法中，一方面，處理參數(shù)改變，并且另一方面，材料體系變化以適于增大強(qiáng)度和改善表面質(zhì)量的目的。

WO 2012/175072 A1描述了例如用于使用各種集料控制在部件上的沉積物的方法。例如，可以使用吸收過(guò)量的水的水泥。水玻璃含量也可以增加。

兩種方法都具有某些缺點(diǎn)。水泥吸收一定量的水分并且在一定程度上充當(dāng)過(guò)早干燥處理。這對(duì)強(qiáng)度是不利的。

增加水玻璃含量以便正向影響表面質(zhì)量也是有用的。然而，能被添加的量在技術(shù)上被限制，并且該方法的經(jīng)濟(jì)可行性也受到負(fù)面影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目的是減輕已知3D方法的缺點(diǎn)或者完全避免它們。具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的是增大由此生產(chǎn)的成型零件的強(qiáng)度，同時(shí)維持良好的尺寸精度和/或減少該類型的部件的前述性質(zhì)的變化。

該目的通過(guò)用于生產(chǎn)3D部件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，將顆粒材料按層涂覆到封閉的構(gòu)建空間中的構(gòu)建平臺(tái)并且選擇性地涂覆打印液體，并且重復(fù)這些步驟直到獲得三維部件，構(gòu)建空間中大氣中的相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度設(shè)定為選定值，和/或構(gòu)建空間中的溫度設(shè)定為選定溫度。

在另一方面，目的的實(shí)現(xiàn)涉及適于3D打印方法的設(shè)備，包括：

a.封閉的構(gòu)建空間；

b.用于設(shè)定大氣中的相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度的裝置；和/或

c.用于控制構(gòu)建空間內(nèi)部的溫度的裝置。

原則上，本發(fā)明的目的因?yàn)樗蛄黧w溶液和干燥或蒸發(fā)受濕度或溶劑的針對(duì)性引導(dǎo)控制而實(shí)現(xiàn)。由此實(shí)現(xiàn)有利的硬化發(fā)展，并且獲得具有期望的且可調(diào)節(jié)的強(qiáng)度的部件。

發(fā)明人已經(jīng)開(kāi)發(fā)了有利的方法，借助于該方法可以生產(chǎn)具有水基或其他液體基材料的成型零件，該成型零件具有有利的強(qiáng)度和令人滿意的表面質(zhì)量。

下面更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明中的大量術(shù)語(yǔ)。

在本發(fā)明的意義內(nèi)，“3D打印方法”是從現(xiàn)有技術(shù)已知的所有方法，其有利于三維模型中部件的構(gòu)造并且與所述處理部件和設(shè)備相兼容。具體地，它們是基于粉末的方法，包含作為一種組分、必須從成型零件去除的或者在成型零件固化期間或者為了其固化從待生產(chǎn)的成型零件逸出的水溶液和/或其他流體成分或溶劑。成型零件的固化和質(zhì)量可以針對(duì)性方式受本發(fā)明的影響，其他質(zhì)量特征保持不變或者甚至被正向影響。

“打印液體”被理解為基本上是借助于噴墨設(shè)備可打印的水或流體狀液體。打印液體可以是材料混合物，其包括水和其他影響例如粘度和表面張力的添加劑。用于防止真菌和植物性物質(zhì)生長(zhǎng)的化學(xué)劑也可以被包含在打印液體中。尤其，打印液體也可以包含可粘合材料，其導(dǎo)致干燥之后填料中一定的粘合效果。

對(duì)于基于粉末的3D打印已知的所有材料，具體為砂土、陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、木材顆粒、纖維材料、纖維素和/或乳糖粉末，可以用作“填料”。填料優(yōu)選地是干燥的、自由流動(dòng)的粉末，盡管黏著的、牢固的粉末也可以被使用。

在本發(fā)明的意義內(nèi)，“選擇性粘合劑涂覆”或“選擇性粘合劑體系涂覆”或“粘合劑液體涂覆”或“粘合劑液體的涂覆”可以在每次顆粒材料涂覆之后或無(wú)規(guī)律地進(jìn)行，取決于成型體的要求并且為了在每次顆粒材料涂覆之后最優(yōu)化成型體的生產(chǎn)、即非線性地并且非平行地的目的?！斑x擇性粘合劑涂覆”或“選擇性粘合劑體系涂覆”因此可以單獨(dú)地并且在生產(chǎn)成型體的過(guò)程期間設(shè)置。

“粘合劑體系”被理解為材料體系，其能夠粘合顆粒材料。粘合劑體系包括至少一種待打印的“粘合劑液體”和可能的其他液體或固體成分，該其他液體或固體成分可以存在于粘合劑液體以及顆粒材料中。粘合劑體系可以化學(xué)地或物理地或者借助于化學(xué)和物理處理的組合粘合。粘合動(dòng)作可以通過(guò)添加例如呈熱或光的形式的能量被觸發(fā)或加速。通常關(guān)于此點(diǎn)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有材料體系可以被認(rèn)為是粘合劑體系。例如，粘合劑體系可以包括“粘合劑液體”和固體“粘合劑”，其被包含在顆粒材料(構(gòu)建材料)中并且可溶解在粘合劑流體中。在該情況下，固體由溶劑溶解，其從噴墨打印頭噴出并且涂覆到顆粒材料。在粘合劑液體的基本蒸發(fā)或干燥之后，構(gòu)建材料的選擇性打印區(qū)域被粘合在一起。選擇性固化同樣可以借助于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的化學(xué)體系在粘合劑液體和/或顆粒材料中產(chǎn)生。

“粘合劑”被理解為粉末狀成分，其基本上在打印液體中可溶解并且在溶解狀態(tài)下引起粘合動(dòng)作，特別是如果粘合劑在填料中。例如，水玻璃以及水泥粘合劑適于作為粘合劑。

在本發(fā)明的意義內(nèi)“成型體”、“模型”、“3D成型零件”或“部件”都是三維物體，其借助于根據(jù)本發(fā)明的方法和/或根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備生產(chǎn)并且具有非可變形性。

包含必要部件的任何已知3D打印設(shè)備可以被用作用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的“設(shè)備”。常用部件包括涂布機(jī)、構(gòu)建面板(Baufeld)、用于移動(dòng)構(gòu)建面板或其他部件的裝置、定量給料裝置、打印頭、加熱裝置、用于批處理或連續(xù)處理的定位裝置以及其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知并且因此不需要在這里更詳細(xì)列舉的部件。

用于基于粉末的3D打印的已知的所有材料--具體為砂土、陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、木材顆粒、纖維材料、纖維素和/或乳糖粉末可以用作“顆粒材料”或用作“構(gòu)建材料”。該顆粒材料優(yōu)選地是干燥的、自由流動(dòng)的粉末，盡管黏著的、牢固粉末也可以被使用。

在本發(fā)明的意義內(nèi)“構(gòu)建空間”是幾何位置，其中顆粒材料給料在構(gòu)建處理期間通過(guò)用顆粒材料重復(fù)涂布而增長(zhǎng)。構(gòu)建空間通常由基部、構(gòu)建平臺(tái)、由壁和敞開(kāi)覆蓋表面、構(gòu)建平面劃界。構(gòu)建平面可以是水平的但也可以例如在連續(xù)方法中形成角度，使得層涂覆成一個(gè)角度傾斜地進(jìn)行。

在本發(fā)明的意義內(nèi)“構(gòu)建容器”實(shí)施為構(gòu)建空間。因此它具有基部、壁和敞開(kāi)進(jìn)入?yún)^(qū)域、構(gòu)建平面。構(gòu)建容器始終包括相對(duì)于3D打印設(shè)備的框架不移動(dòng)的零件?？梢瞥臉?gòu)建容器、所謂的工作盒使得可以差不多連續(xù)地操作機(jī)器，因?yàn)楣ぷ骱锌梢员徊迦霗C(jī)器或從機(jī)器移除。因此第一次構(gòu)建操作中的零件可以在3D打印設(shè)備外部拆封，而新的零件可以在第二構(gòu)建容器中在機(jī)器內(nèi)被打印。

根據(jù)本發(fā)明，“打印和涂布機(jī)平面”是進(jìn)展中當(dāng)前構(gòu)建處理的位置的抽象概念。因?yàn)槎拷o料單元和涂布機(jī)在幾乎一個(gè)高度處在具有共享部件的定位單元上在設(shè)備中結(jié)構(gòu)上被移動(dòng)，“打印和涂布平面”在本說(shuō)明書中被看作位于新近涂覆的層的上邊緣處。它可以形成水平平面或成一角度設(shè)置。

根據(jù)本發(fā)明，“構(gòu)建平臺(tái)”相對(duì)于打印和涂布機(jī)平面移動(dòng)。該相對(duì)移動(dòng)在構(gòu)建處理期間在層厚度中以間斷移動(dòng)進(jìn)行。它限定了層厚度。

“容器壁”或“壁”是指對(duì)顆粒材料的屏障。顆粒材料不能從壁的一側(cè)行進(jìn)到另一側(cè)。

在該公布中，“密封件”是指兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)元件防止顆粒材料穿過(guò)壁之間的接觸點(diǎn)通過(guò)，從而相對(duì)于彼此或在壁和構(gòu)建平臺(tái)之間移動(dòng)。

“幾何部件限制”是指構(gòu)建材料中部件的抽象概念。在構(gòu)建處理期間生產(chǎn)的零件由于構(gòu)建材料顆粒的離散性質(zhì)偏離幾何部件限制。

“保持系統(tǒng)”位于通風(fēng)系統(tǒng)和顆粒材料給料之間的界面處。該保持系統(tǒng)的功能是捕捉氣流中存在的顆粒。該保持系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)為篩網(wǎng)或多孔體。3D打印體也可以用作保持系統(tǒng)。不論它們是否已被完全干燥，3D打印體是非物質(zhì)的。該類型的體也可以通過(guò)構(gòu)建處理來(lái)生產(chǎn)。

在本發(fā)明的范圍內(nèi)“受控氣流”是氣流，其以限定方式被傳導(dǎo)通過(guò)構(gòu)建材料，或者在任何情況下，被有目的地從外部引入所涂覆的構(gòu)建材料并且流過(guò)所涂覆的構(gòu)建材料，用于更快速地去除溶劑蒸汽(粘合劑液體蒸汽)的目的。這減少了或基本上干燥了所涂覆的構(gòu)建材料中的粘合劑液體?！笆芸貧饬鳌笨梢允呛?jiǎn)單的環(huán)境空氣，其優(yōu)選地被溫度控制，優(yōu)選地被加熱，或者它可以是限定的氣體混合物。

“受控氣流”或“受控氣體流動(dòng)”也可以被稱為“強(qiáng)制通風(fēng)”并且在一個(gè)具體實(shí)施例為受控氣流。構(gòu)建材料中的自由對(duì)流在某種意義上與強(qiáng)制通風(fēng)相反。在該情況下，由于濃度梯度，蒸汽可以僅通過(guò)擴(kuò)散被去除。在強(qiáng)制通風(fēng)的情況下，蒸汽、即溶劑蒸汽或粘合劑液體蒸汽受氣流控制并且選擇性地移動(dòng)或者從構(gòu)建材料被去除。

“溫度控制”或“氣流的溫度控制”是指被引入構(gòu)建空間中的空氣或氣體混合物被設(shè)定為特定溫度，或者構(gòu)建空間被設(shè)定為選定溫度。

根據(jù)本發(fā)明，“相對(duì)濕度”是指存在于、被引入或被傳導(dǎo)通過(guò)構(gòu)建空間的空氣或氣流具有設(shè)定為期望值的濕度。這可以不僅影響濕度而且影響相對(duì)溶劑含量。

關(guān)于粘合劑液體“減少的或基本上干燥的”是指與粘合劑液體的直接涂覆相比，在選擇性涂覆期間粘合劑液體的數(shù)量被減少。粘合劑液體優(yōu)選地被減少到這樣的程度，即所生產(chǎn)的部件具有使其穩(wěn)定到它可以容易地并且沒(méi)有問(wèn)題地拆封的程度的強(qiáng)度?！盎旧细稍锏摹笔侵覆考粫?huì)包含任何粘合劑液體或僅其剩余。根據(jù)本發(fā)明，“減少”或“干燥”粘合劑液體的處理借助于“受控氣流”關(guān)于時(shí)間和粘合劑液體減少的數(shù)量被有利地加速和有目的地控制。

在本發(fā)明的意義內(nèi)“逐層進(jìn)行”是指在工作盒中或另一水平構(gòu)建平面中將構(gòu)建面板降低一個(gè)層厚或者將位于構(gòu)建面板上方的設(shè)備零件升高一個(gè)層厚的處理。在連續(xù)方法中，“逐層進(jìn)行”是指將所涂覆的構(gòu)建材料(打印機(jī)器中的構(gòu)建材料塊)移動(dòng)一個(gè)層厚，使得新的一層顆粒材料可以被涂覆并且因此層涂覆和選擇性粘合劑液體涂覆可以連續(xù)進(jìn)行。

在本發(fā)明的范圍內(nèi)“以時(shí)間受控方式流過(guò)”是指在該方法期間受控氣流動(dòng)在限定的時(shí)間點(diǎn)并且在限定的時(shí)段內(nèi)執(zhí)行，并且受控氣流動(dòng)在該方法期間規(guī)律或不規(guī)律地進(jìn)行。

在該公布中“IR輻射”是指使用IR輻射器的構(gòu)建面板的輻射。該發(fā)射器可以是靜態(tài)的，或者可以借助于定位單元在構(gòu)建面板上被移動(dòng)。

“干燥”被理解為一定體積的水或另一流體物質(zhì)的減少。該干燥由水分或另一流體物質(zhì)到環(huán)境空氣的釋放引起。干燥動(dòng)作可以與硬化結(jié)合。

“硬化”是用于增大部件的強(qiáng)度的術(shù)語(yǔ)。在水玻璃基體系中硬化可以通過(guò)干燥或化學(xué)硬化進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明，術(shù)語(yǔ)干燥和硬化不被理解為是同義的。

“溶解”被理解為是在打印液體中溶解或開(kāi)始溶解粘合劑的處理。溶解處理取決于不同的因素，例如反應(yīng)持續(xù)時(shí)間、溫度、相對(duì)水量以及例如水玻璃的類型。

“在構(gòu)建空間內(nèi)設(shè)定氣候條件”是指在構(gòu)建空間中的大氣中溫度和/或相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度以這樣一種方式被改變或選擇并且以這樣一種方式通過(guò)合適的裝置被設(shè)定，即在待被生產(chǎn)的部件中干燥或硬化處理在期望的時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行，并且因此實(shí)現(xiàn)有利的部件特性。

下面描述優(yōu)選的特定實(shí)施方式。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選的特定實(shí)施方式中，構(gòu)建空間中的氣候條件可以這樣一種方式設(shè)定，即打印的粘合劑液體或揮發(fā)性組分的蒸發(fā)速率在待被生產(chǎn)的3D部件中是可控的。溫度借助于合適的裝置優(yōu)選地設(shè)定為構(gòu)建空間中合適的范圍或特殊溫度，和/或構(gòu)建空間的大氣富集有合適的劑，富集有從待被生產(chǎn)的3D成型零件蒸發(fā)的劑(水或另一揮發(fā)性物質(zhì)，優(yōu)選地在3D打印中使用的已知溶劑)的氣流優(yōu)選地被引入構(gòu)建空間的大氣中。蒸發(fā)速率因此可以有利地被控制。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，此外，打印的粘合劑液體或其揮發(fā)性組分的蒸發(fā)速率相對(duì)于室溫(優(yōu)選地21℃)和環(huán)境濕度的條件有利地被減小。減小或替代地增大優(yōu)選地至少50％，優(yōu)選地50％-90％，更優(yōu)選地50％-70％，甚至更優(yōu)選地60％-80％。

在另一優(yōu)選特定實(shí)施方式中，相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度被設(shè)定為大于40％、優(yōu)選地在50％和90％之間、更優(yōu)選地在50％和80％之間、甚至更優(yōu)選地在55％和70％之間的相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度的值。

此外如果構(gòu)建空間中的溫度被調(diào)節(jié)則可能是有利的。相同的溫度可以在整個(gè)制造處理始終被保持，或者可以在生產(chǎn)過(guò)程期間被逐步改變。該溫度優(yōu)選地設(shè)定為從10℃到50℃、優(yōu)選地從15℃到40℃、更優(yōu)選地從30℃到35℃的值。

在構(gòu)建空間中優(yōu)選地施加定向氣流，其優(yōu)選地具有預(yù)定溫度和/或預(yù)定相對(duì)濕度或相對(duì)溶劑濃度，如上所述。

原則上，根據(jù)本發(fā)明的方法可以與所有已知的3D打印方法和材料體系一起使用，并且展示由此獲得的3D部件中的優(yōu)點(diǎn)，其中材料體系包含水分或揮發(fā)性組分。顆粒材料優(yōu)選地選自包括砂土、金屬、聚合物、陶瓷、木材、纖維素、乳糖、鹽、碳、硬質(zhì)材料(WC)、玻璃、水泥和石膏的組。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，任何已知的流體物質(zhì)也可以用作打印液體或粘合劑液體。打印液體優(yōu)選地選自包括水、酒精、酯、醚、醋酸鹽、酮、酰胺、醛、揮發(fā)油(Benzin)、丙烯酸鹽、苯乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、多元醇、異氰酸鹽、酚醛清漆、甲階酚醛樹(shù)脂、聚酯、過(guò)氧化氫、琥珀酸鹽、芳香烴、脂肪族化合物和碳?xì)浠衔锏慕M。

材料體系優(yōu)選地用于根據(jù)本發(fā)明的方法中，該材料系統(tǒng)包括作為粉末狀粘合劑的水溶性粘合劑和水不溶性顆粒以及顆粒材料中的水基粘合劑液體。

可以用于根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備已經(jīng)在上進(jìn)行了描述并且可以具有以下優(yōu)選特征：

構(gòu)建空間優(yōu)選地是可緊緊密封的，由此可以更容易地且更不斷地設(shè)定另一部件的溫度和/或相對(duì)濕度或相對(duì)部分的調(diào)節(jié)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的裝置可以用來(lái)調(diào)節(jié)溫度并且設(shè)定構(gòu)建空間中的相對(duì)濕度。用于設(shè)定相對(duì)濕度的裝置可以優(yōu)選地選自包括水基加濕器或溶劑蒸發(fā)器的組。

用于控制構(gòu)建面板的溫度的裝置優(yōu)選地選自包括空氣加熱單元或IR輻射單元的組。

此外根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以包括用于控制構(gòu)建空間內(nèi)部中的一個(gè)或多個(gè)氣流、優(yōu)選地用于控制構(gòu)建空間上一個(gè)或多個(gè)氣流的裝置。

用于控制構(gòu)建空間內(nèi)部中的一個(gè)或多個(gè)氣流的裝置可以選自管子、擴(kuò)散器、噴嘴和/或擋板。

根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備以這樣的方式被設(shè)計(jì)，即它適于上述材料體系以及適于所述材料和它們的組合。

根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備也可以優(yōu)選地包括用于最小化或避免不期望的對(duì)流移動(dòng)的隔熱件。

附圖說(shuō)明

圖1：作為剖面等距視圖示出了基于粉末的3D打印機(jī)的部件的圖示；

圖2：示出了常規(guī)的3D打印處理的順序的圖解；

圖3：示出了使用強(qiáng)制對(duì)流的干燥處理；

圖4：示出了溶解處理的示例；

圖5：示出了不同的粘結(jié)橋設(shè)計(jì)。

具體實(shí)施方式

下面說(shuō)明其他優(yōu)選特定實(shí)施方式。

基本部件對(duì)應(yīng)于用于借助于噴墨打印技術(shù)成層構(gòu)建模型的系統(tǒng)，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，并且因此在這里不需要非常詳細(xì)地重復(fù)。

順序優(yōu)選地如下組織：一層顆粒材料涂覆到構(gòu)建平臺(tái)并且被弄平。打印液體然后根據(jù)3D模型的層數(shù)據(jù)打印到層上。用于粘合顆粒的材料的基本部分被提供在呈干燥顆粒的形式的粉末中。溶解處理現(xiàn)在可以通過(guò)利用IR燈的加熱來(lái)加速。在打印和加熱處理之后，構(gòu)建平臺(tái)被降低，并且處理再一次開(kāi)始。

這些步驟被重復(fù)直到部件完全存在于構(gòu)造的粉餅中。

以該方式生產(chǎn)的部件的質(zhì)量基于不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，強(qiáng)度對(duì)于稍后在鑄造中用作芯或模子非常重要。它決定操作部件的容易度或者芯是否將在鑄造處理中幸存而沒(méi)有破壞。

另一個(gè)基本變量是表面質(zhì)量。在鑄造應(yīng)用期間，例如，打印的部件的表面在鑄造零件上直接復(fù)制。尺寸精度也是重要的。僅尺寸精確的部件可以在剩余步驟中被處理成工業(yè)可用零件。

在所謂的水玻璃材料體系中，強(qiáng)度和表面性質(zhì)彼此呈一定的相反關(guān)系，如測(cè)試已經(jīng)證實(shí)。非常強(qiáng)的部件利用所述的程序容易實(shí)現(xiàn)。這些零件利用高比例的液體打印并且在處理之后具有差的表面。

也可以實(shí)現(xiàn)良好的表面。然而，部件因此非常脆弱并且僅可以困難地被操作或運(yùn)送。

該矛盾由水玻璃花費(fèi)時(shí)間溶解的情況引起。在該時(shí)間期間，打印的液體由于部件中的毛細(xì)管效應(yīng)跨幾何學(xué)上期望的形狀的邊界行進(jìn)，并且在部件上產(chǎn)生不期望的沉淀。這些沉淀以滲斑的形式出現(xiàn)在部件壁上。如果溶解將更快發(fā)生，打印液體的粘度將在顆粒材料中更快速地增大，打印液體到相鄰區(qū)域中的滲透將減少，并且因此將可實(shí)現(xiàn)更好的表面。

在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中，顆粒材料在被涂覆之后利用IR燈被加熱以增大溶解速度。如在涉及干燥水玻璃的測(cè)試中所示，這引起打印液體的粘度快速增大，并且部件具有更好的表面。

不管該程序如何，一些顆粒材料(例如，一些砂土類型)利用該方法可能不被令人滿意地處理。

涉及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備的測(cè)試已經(jīng)顯示小股氣流(Zugluft)可能對(duì)處理具有顯著的負(fù)面影響。可能不能實(shí)現(xiàn)常規(guī)的強(qiáng)度。然而，表面看起來(lái)很好。

發(fā)明人現(xiàn)在已經(jīng)確定這是由于液體變干太快。在該情況下，僅打印液體的小部分在溶解期間是活性的，并且導(dǎo)致不足的強(qiáng)度。

發(fā)明人現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種方法，其中從顆粒材料干燥打印液體借助于處理室中的附加濕度被減速。該溫度可以優(yōu)選地借助于IR燈或其他合適的裝置來(lái)提高，并且甚至可以引起更多的材料溶解。受控的氣流優(yōu)選地被傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)構(gòu)建面板。

測(cè)試已經(jīng)顯示通過(guò)使用該類型的系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以實(shí)現(xiàn)改善的強(qiáng)度。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)非常好的表面，盡管強(qiáng)度很高。

處理窗口通過(guò)結(jié)合用于加熱液體的諸如IR燈的熱源與潮濕大氣的生成而借助于本發(fā)明被大大擴(kuò)大。

借助于本發(fā)明，并且通過(guò)增大濕度，材料可以因此被處理，該材料以前不能使用或者僅具有降低質(zhì)量的成型零件。這些材料包括細(xì)砂、具有不尋常的顆粒形狀的砂土和具有高比重的特殊填料。

下面更詳細(xì)地描述本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)極大地利用基于粉末的3D打印。機(jī)械工程被增大以滿足根據(jù)本發(fā)明的要求。

根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括粉末涂布機(jī)(101)。顆粒材料由此被涂覆到構(gòu)建平臺(tái)(102)并且被弄平滑(圖2(a))。所涂覆的顆粒材料可以包括大范圍的材料。例如，可以使用諸如砂土、人造砂和陶瓷顆粒的填料。這些材料的流動(dòng)特性可以變化很大。不同的涂布機(jī)技術(shù)允許從干燥的、自由流動(dòng)的粉末和黏著的、牢固粉末成層到基于液體的分散體。粉末層(107)的高度由構(gòu)建平臺(tái)(102)確定。該構(gòu)建平臺(tái)在一層已被涂覆之后被降低。在下一次涂布操作期間，所得到的容積被填充并且多余量被平滑。結(jié)果是限定高度的幾乎完美的平行且平滑的層。

在涂布處理之后，打印液體借助于噴墨打印頭(100)被打印到層上(圖2(b))。打印圖像對(duì)應(yīng)于部件在設(shè)備的當(dāng)前構(gòu)建高度處的剖面。液體沖擊并緩慢擴(kuò)散到顆粒材料中。

在粘合劑被打印之后，層可以被加熱(圖2(c))。為此目的，IR輻射器(200)例如可以越過(guò)構(gòu)建面板。該IR輻射器可以與涂布系統(tǒng)的軸線耦合。部分液體粘合劑在加熱期間蒸發(fā)。

在該加熱處理結(jié)束時(shí)，構(gòu)建平臺(tái)(102)降低一層厚度?，F(xiàn)在重復(fù)層構(gòu)造、打印、加熱和降低的步驟直到完全生產(chǎn)出期望的部件(103)。

部件(103)現(xiàn)在完全存在于粉餅(602)中。取決于顆粒(303)的粘合所基于的物理或化學(xué)處理，部件現(xiàn)在差不多固化。部件通常緊接在打印之后處于軟狀態(tài)。

該狀態(tài)不成問(wèn)題，只要部件(103)保持在粉末(107)中，由周圍的顆粒材料支撐。然而，一旦該部件從粉末拆封，由于重力和其他力效應(yīng)，幾何變形不可避免。

因此通常該部件被留在粉末中。不允許部件(103)固化的過(guò)量粘合劑(301)現(xiàn)在在未粘合的顆粒材料(303)中經(jīng)由各種蒸汽通道(302)蒸發(fā)。在幾何部件限制(305)中粘合的顆粒材料(304)的結(jié)合(Bindungen)越來(lái)越多地固化。在一定的等待時(shí)間之后，體(103)足夠結(jié)實(shí)以能夠被拆封。

利用具有水玻璃基粘合劑的根據(jù)本發(fā)明的材料體系，可以在打印之后相對(duì)快速地拆封零件。在該情況下，由于利用IR燈(200)的加熱，必須維持小于2小時(shí)的等待時(shí)期。

固化處理如下進(jìn)行：打印液體(400)沖擊顆粒材料(304、401)并且由于毛細(xì)管作用滲透粉末。打印液體繼續(xù)在近似為球體的空間(403)內(nèi)越來(lái)越遠(yuǎn)地滲透。

在顆粒材料內(nèi)，打印液體潤(rùn)濕被動(dòng)填料顆粒(304)和水玻璃粒子(401)。水玻璃存在于細(xì)的離散顆粒(401)中，這些細(xì)的離散顆粒由于材料的強(qiáng)烈混合幾乎均勻地分布。

潤(rùn)濕的水玻璃粒子(404)由于液體粘合劑逐漸開(kāi)始溶解，在處理中失去直徑(405)并且增加打印液體的粘度。在該階段，液體量的散布速度減小。

在適合量的打印液體的情況下，在該階段中潤(rùn)濕充足到填料顆粒之間的各個(gè)間隙經(jīng)由打印液體(404)彼此接觸的程度。整個(gè)水玻璃理想地溶解，并且產(chǎn)生均質(zhì)液體(406)。

在下一個(gè)階段中，通過(guò)在顆粒材料中存儲(chǔ)部件從增厚的打印液體中去除水分。該液體由非常干燥的粉末環(huán)境吸收。

水分的去除確保液體繼續(xù)變厚。該水分由于毛細(xì)管作用被吸回到填料顆粒之間的區(qū)域。它在這里繼續(xù)變干，直到最后固體水玻璃橋(407)保持。顆粒(304)因此被粘合，并且固體主體被生產(chǎn)出。

雖然水玻璃粒子在大多數(shù)情況下被部分溶解，粘度的增加不足以防止流體的進(jìn)一步散布。這導(dǎo)致部件上的沉淀物。通過(guò)增加較少的流體抵消該效應(yīng)不是權(quán)宜的，因?yàn)椴荒苄纬勺銐虻恼辰Y(jié)橋(500)和不能夠因此形成足夠的強(qiáng)度。相反，該效應(yīng)不能通過(guò)改變打印液體的量來(lái)抵消，因?yàn)橄鄬?duì)于水玻璃的總量的水的協(xié)調(diào)量?jī)H可以在完全溶解的狀態(tài)下被合理的限定。在很少材料已被溶解的初始階段中，過(guò)量的水始終存在。

因此合理的是增大溶解速度。借助于IR燈的加熱在這里是有效的。水過(guò)量階段現(xiàn)在比以前短得多。另一方面，對(duì)粘度的影響可以忽視。

然而，打印液體的蒸汽壓力也通過(guò)加熱增大。大量打印液體早在層的生成期間蒸發(fā)。同樣，水分通過(guò)干燥的、周圍粉末被迅速地從部件去除。加速的溶解處理由于打印液體的過(guò)大變厚而被太快地中止，并且在顆粒(500)之間出現(xiàn)不完全粘合。部分水玻璃仍在某些地方呈顆粒形式，這不會(huì)有助于部件(501、502)的強(qiáng)度。

該蒸發(fā)處理可以通過(guò)根據(jù)本發(fā)明調(diào)節(jié)構(gòu)建空間中的濕度和溫度來(lái)抵消。這是指，封閉構(gòu)建空間內(nèi)的空氣被調(diào)節(jié)到18℃-40℃、優(yōu)選地30℃-35℃的溫度范圍，并且然后相對(duì)濕度在40％-70％、優(yōu)選地60％-70％的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)。溫度和濕度例如可以借助于外部空調(diào)單元來(lái)調(diào)節(jié)，用于溫度和濕度的相應(yīng)傳感器被容納在處理室內(nèi)。經(jīng)由空調(diào)單元引導(dǎo)的處理空氣然后應(yīng)優(yōu)選地經(jīng)由相應(yīng)的擴(kuò)散器無(wú)小股氣流地被吹入處理室。

由于環(huán)境空氣中水的高分壓，從顆粒材料的蒸發(fā)速率減小。另外，由于水玻璃顆粒具有高吸濕效應(yīng)，顆粒材料被繼續(xù)濕潤(rùn)。

該被防止的蒸發(fā)使得可以能夠由于溫度而快速溶解大量水玻璃。幾乎理想的粘合(407)可以發(fā)生。強(qiáng)度和表面質(zhì)量之間的比值比沒(méi)有加濕的情況好得多，如測(cè)試顯示的。

到目前為止，僅特定的砂土已適于與干燥的水玻璃粘合。例如，具有特定表面紋理的球狀河砂是合適的。人造砂也可以被處理。兩種材料生產(chǎn)昂貴并且因此不適于廣泛使用。

寬泛得多的范圍的顆粒材料現(xiàn)在可以使用根據(jù)本發(fā)明的方法被處理。這些包括Strobel GS 14和GS 09類型的砂土，這些砂土在沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的方法的情況下利用可接受的表面供給太小的強(qiáng)度。在常規(guī)的打印方法中并且具有可接受的表面的情況下，這些砂土的撓曲強(qiáng)度小于90N/cm²。該強(qiáng)度對(duì)于部件的安全清潔和運(yùn)輸是不足的。利用根據(jù)本發(fā)明的加濕，并且在沒(méi)有砂土配方的任何改變的情況下，相同的砂土可以實(shí)現(xiàn)290-300N/cm²的強(qiáng)度。

特別銳利邊緣的、破碎的材料得益于該強(qiáng)度的增大。橄欖石砂的使用因此僅借助于該措施是可能的。

然而，該措施在特定成型材料的情況下同樣有效。在該情況下，也可以實(shí)現(xiàn)顯著的強(qiáng)度增大，這將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到越來(lái)越多的復(fù)雜形狀。

根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備基于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的3D打印機(jī)。至少一個(gè)可移動(dòng)的或靜止的IR輻射源必須存在。

構(gòu)建空間的空氣調(diào)節(jié)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)。調(diào)節(jié)的加濕系統(tǒng)在這里必須被使用。水中加熱元件可以用作水分源。在構(gòu)建空間內(nèi)測(cè)量的水分因此決定加熱元件的功率。

濕空氣例如經(jīng)由風(fēng)扇分布。在構(gòu)建面板上的小股氣流應(yīng)被最小化。否則，太多的水將從新近打印的層被去除，盡管濕度很高。

濕空氣經(jīng)由管子或?qū)Я靼灞灰龑?dǎo)到構(gòu)建面板附近。

該調(diào)節(jié)系統(tǒng)與機(jī)器的打印控制器的耦合是特別優(yōu)選的。由噴墨打印頭產(chǎn)生的液滴可以被包括在水分調(diào)節(jié)中。

將水分調(diào)節(jié)與溫度調(diào)節(jié)結(jié)合也是優(yōu)選的。粉末床中的溫度因此可以借助于IR燈被更精確地控制。更好的可復(fù)制打印結(jié)果因此是可行的。

根據(jù)本發(fā)明的處理的優(yōu)點(diǎn)可以用于所有材料混合物，在這些材料混合物中使用水基打印液體，用于選擇性溶解基本上可水溶的粉末狀粘合劑以借助于隨后的干燥處理粘合周圍填料的目的。本發(fā)明因此不限于水玻璃基粘合劑，而且例如被用于石膏基或水泥基粘合劑。

附圖標(biāo)記列表

100 打印頭

101 涂布機(jī)

102 構(gòu)建平臺(tái)

103 部件

104 構(gòu)建容器

105 打印頭路徑

106 涂布機(jī)路徑

107 粉末層

108 構(gòu)建平臺(tái)移動(dòng)的方向

109 定量給料的液滴

110 粉末輥

111 構(gòu)建空間邊界

112 涂布機(jī)間隙

113 涂布機(jī)原料(stock)

200 IR輻射器

300 敞開(kāi)層中的蒸發(fā)材料

301 材料蒸發(fā)到粉末中

302 可能的蒸汽通道

303 未粘合的顆粒

304 粘合顆粒

305 幾何部件限制

400 流體液滴

401 水玻璃顆粒

402 被動(dòng)顆粒之間的間隙

403 流體的擴(kuò)散方向

404 在水玻璃粒子之間具有連接的液體膜

405 通過(guò)溶解減小尺寸的水玻璃顆粒

406 變厚的溶液

407 固體粘合

500 弱的粘結(jié)橋

501 具有未包括在粘合中的水玻璃顆粒的橋

502 無(wú)效的干燥