多色挤出式3d打印的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及改进的挤出式3D打印，特别是用于制造多色三维物体的改进的熔融沉积成型法。本发明特别涉及可以用于制造相对于现有技术机械稳定的多色3D物体的3D打印法。本发明的方法基于在打印头上游涂布用于制造实际物体的聚合物线料并在该聚合物线料进入打印头之前使该涂层定型。在打印头中的挤出过程之后，涂层仍主要留在挤出线料的表面上。该涂层可以已着色或可包含功能添加剂。
【背景技术】
[0002]快速原型或快速制造法是旨在将现有的三维CAD数据直接和快速转化成工件而尽可能没有手工干预或使用模具的制造方法。
[0003]快速原型法中目前存在各种方法。这些可分成两类:基于激光的方法和不使用激光的方法。
[0004]最公知的、同时最古老的激光型3D打印法是立体平版印刷(SLA)。在这种方法中，可辐射固化的聚合物的液体组合物利用激光逐层固化。本领域技术人员可以清楚看出，通过这种方法制成的工件只能随后在表面上着色。这是复杂并耗时的。
[0005]类似的是选择性激光烧结法(SLS)，其中与SLA类似地，借助激光逐层选择性烧结粉状原材料，例如热塑性材料或可烧结金属。采用这种方法也只能在第一方法步骤中获得单色或非特定着色的3D物体。这同样适用于第三种激光型方法，“层压物体制造”，其中将带有粘合剂的纸幅或塑料箔逐层互相胶粘并借助激光切割。例如在US 6，713，125中描述了物体的随后着色。
[0006]也可用于制造多色物体的已知3D打印法是UV喷墨法。在这种三阶段法中，以薄层施加粉状材料，将UV可固化液体以后续三维产品的相应层的形式印刷到所述层上，最后利用UV源使经印刷的层固化。这些方法步骤逐层重复。
[0007]在EP I 475 220中，提供各种不同着色的含固化剂的液体，在WO 2008/077850中额外在紧邻印刷过程上游的室中混合。因此有可能选择性着色。但是，由于该混合室，清晰的颜色过渡是不可能的。此外，这种类型的方法在固化的边界处也是不清晰的，这可导致较不光滑的表面并有时造成不均匀着色。在WO 01/26023中描述了具有不同颜色的固化剂组合物的两个打印头，其导致具有不同弹性性能的物体部分。但是，没有描述多于两种的颜色。
[0008]WO 2008/075450描述了一种变体，其中用热辐射代替紫外光进行固化，并同样使用不同颜色的固化剂组合物。
[0009]GB 2419679公开了其中可选择性涂布经不同着色的聚合物粒子并在各种波长下固化的方法。这种方法极其复杂并同时导致不清晰的颜色图像。
[0010]在根据WO 2009/139395的类似于3D喷墨印刷的方法中，逐层施加有色液体并选择性地用第二液体印刷，其导致与第一液体发生固化反应。除了在未固化的液体层之间可发生混合以外，这种类型的方法还只能逐层构造颜色。
[0011]另一方法是三维印刷(TDP)。在这种方法中，类似于喷墨法，粉状材料(但其优选是陶瓷)逐层用热塑性聚合物熔体选择性浸渍。在各印刷层后，必须施加新的粉状材料层。热塑性材料的硬化时形成三维物体。
[0012]在US 2004/0251574中描述的方法中，在印刷热塑性材料后选择性印刷油墨。这种方法的优点是能实现高度选择性印刷。但是，这种方法的缺点在于不可能实现均匀的和明亮的颜色图像，因为不可能达到使油墨均匀渗透到由(陶瓷)粉末和粘结剂制成的复合材料中。
[0013]在EP I 491 322中描述的方法中，印刷两种不同的材料。第一种包含粘结剂和在与第二种材料接触时沉淀并由此将表面选择性着色的着色剂。由此方式可以在物体表面上产生更好的颜色性质。但是，与这两种材料的均匀混合和复杂的两阶段法是成问题的。没有描述如何和是否可以确保在多色印刷下实现良好的颜色图像。
[0014]在US 6，401，002中，使用含不同着色剂和粘结剂的各种液体。所述液体分开滴加或在滴加入之前经由喷嘴中的线路合并。本领域技术人员知道这两种程序都没有导致最佳的颜色图像。在前者中，在表面上在粘性液体中发生油墨混合。这种混合因此只是很少进行完全。在第二种程序中，线路中的压力差可能造成非常强的颜色变化。
[0015]关于借助印刷方法制造三维物体方面，材料最节约并就机械设计而言也最有利的方法是熔融沉积成型(FDM)。这涉及挤出式数字制造系统。具有轻微变动的基本类似的方法例如也以名称熔丝制造(FFM)、熔融挤出制造(MEM)或选择性沉积成型(SDM)是已知的。
[0016]在FDM法中，两种不同的聚合物丝线在喷嘴中熔融并选择性印刷。材料之一涉及支撑材料，其只有在其上随后印刷例如3D物体的外悬部分并在该印刷过程中必须支撑的位置才需要。可随后例如通过溶解在酸、碱或水中来除去所述支撑材料。另一材料(构造材料)形成实际的3D物体。在此，通常也逐层进行印刷。FDM法首次描述在US 5，121，329中。在US 2000/20111707中泛泛地提到着色，但没有详细描述。
[0017]在EP I 558 440中描述的方法中，在后续方法步骤中彩色印刷各层。这种方法缓慢，而且已固化的热塑性材料的印刷中造成分辨率差的颜色图像。
[0018]在根据US 6，165，406的3D彩色打印法中，对各个颜色使用单独的喷嘴。但是因此混合色只有非常有限的可能性，颜色图像变得非常简单。
[0019]在US 7，648，664中描述的FDM变体中，不同着色的构造材料以颗粒形式使用，彼此分开熔融，并根据颜色而定在打印施加之前借助中间连接的挤出机彼此混合。这种方法需要非常复杂的装置并失去FDM的许多优点。
[0020]在根据EP I 432 566的非常类似的系统中，在这些直接打印施加之前在加热的打印头中直接进行熔融颗粒的混合。所述混合肯定不可能完全，且打印图像质量相应地差。此处的另一缺点还在于，必须使用颗粒或粉末且这些需要在该机器中单独储存和熔融。
[0021]US 6，129，872描述了构造材料在喷嘴中熔融并在喷嘴末端将各种着色剂混合物选择性计量加到熔体中的方法。但是，这导致混合不足并且不干净的颜色图像。
[0022]US 2010/0327479描述了一种方法，其中在微挤出机中合并多个有色长丝并在其中连续挤出以产生新的着色长丝，其随后进一步导引进入打印头以打印施加。这种方法需要非常高要求和复杂的装置。可实现的颜色范围还受到由长丝数带来的限制。在另一实施方案中，也可以将不同颜色的长丝直接送入打印头并在此混合。但是，这种变体也表现出所提及的缺点。
【发明内容】
[0023]解决的问题
[0024]解决的问题是提供可用于制造具有清晰和清楚的颜色图像的选择性着色的多色三维物体的3D打印法。
[0025]解决的另一问题是提供用于打印机械稳定的多色物体的有利和可快速实施的3D打印法。
[0026]解决的另一问题是能够制造彩色物体，其中颜色不应通过后续操作才引入。
[0027]没有明确提到的其它问题从下文说明书、权利要求书和实施例的整体关联得出。
[0028]解决方案
[0029]本发明提供用于彩色3D打印的改进的挤出3D打印法。术语“挤出3D打印法”特别是指熔融-沉积-成型法(下文缩写为FDM)或非常类似于FDM法的打印方法。下文同义地使用下列术语:“挤出式3D打印法”、“FDM打印法”或“FDM-3D打印法”。下文也同义地使用术语“挤出式3D打印机”和“FDM 3D打印机”或“FDM打印机”。
[0030]FDM 3D打印机的设计和相关工艺参数可见于US 5，121，329和US 2010/0327479。与本发明相关地，本领域技术人员可容易地将这些参数转用于其它挤出式3D打印法而无需任何大花费。
[0031]对本发明而言，术语“打印头”是指在挤出式3D打印法中用于传送、熔融和施涂长丝的整个装置。
[0032]对本发明而言，术语“组合物”是指根据本发明施涂到聚合物线料上的组合物。该组合物包含油墨(Farben)、颜料和/或添加剂。
[0033]对本发明而言，术语“定型”是指涂层的干燥、固化、聚合、加成、交联、粘结或反应。
[0034]对本发明而言，术语“长丝”是指线料形式的构造材料或支撑材料的未加工形式。根据本发明，所述长丝在打印头中熔融，然后打印施加以产生3D物体。该长丝是指可热塑性加工的材料。该长丝通常是聚合物长丝，但不限于此。聚合物长丝例如也可以仅部分地由热塑性聚合基体材料组成并由另外的填料或例如金属组成。
[0035]通过提供一种用于制造由长丝制成的单色或多色三维物体的新型挤出式3D打印机解决这些问题，所述挤出机具有带有上游涂布单元的打印头以及在其下游的定型单元。
[0036]所述挤出式3D打印机通常具有至少一个用于打印构造材料的打印头并通常具有用于打印同样以长丝形式加入的支撑材料的另一打印头。打印头在此各自具有喷嘴，喷嘴又由至少两个区域构成。该聚合物在喷嘴的第一个、上部区域中以固体形式存在，且该聚合物在该喷嘴的第二个、下部区域中以熔融形式存在。