Un polvo adaptado para impresión tridimensional, comprendiendo el polvo:

una mezcla en forma de partículas suelta de flujo libre que comprende: al menos un 50 % en peso de un material en forma de partículas termoplástico seleccionado de entre el grupo que consiste en polioximetileno de acetal, polilactida, vinilacetato de etileno, éter de polifenileno, copolímero de etileno-ácido acrílico, amida en bloque de poliéter, fluoruro de polivinilideno, poliétercetona, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, tereftalato de policiclohexilenmetileno, sulfuro de polifenileno, politalamida, polimetilmetacrilato, polisulfonas, poliétersulfonas, polifenilsulfonas, poliacrilonitrilo, poli(acrilonitrilo-butadieno-estireno), poliamidas, poliestireno, poliolefina, polivinil butiral, policarbonato, cloruros de polivinilo, etilcelulosa, acetato de celulosa, xantato de celulosa y sus combinaciones y copolímeros; y no más del 30 % en peso de un material en forma de partículas adhesivo que, o bien comprende una resina soluble en agua que incluye al menos uno de entre polímero de poliéster sulfonado, poliestireno sulfonado, óxido de polietileno, polivinilpirrolidona butilada, polivinil alcohol-co-acetato de vinilo, almidón catiónico, almidón catiónico pregelatinizado o sus combinaciones o copolímeros, o bien se selecciona de entre el grupo que consiste en (i) un adhesivo inorgánico que incluye al menos uno de entre cemento de fosfato de magnesio, cemento de oxicloruro de magnesio, cemento de oxisulfato de magnesio, cemento de fosfato de cinc, óxido de cinc - cemento eugenol o sus combinaciones y (ii) una resina alcalino-reducible que incluye al menos uno de entre copolímero de octilacrilamida/acrilato/metacrilato de butilaminoetilo, copolímero de acrilatos/octilacrilamida, ácido poliacrílico estirenado o sus combinaciones o copolímeros, en el que el material en forma de partículas adhesivo está adaptado para aglutinar el material en forma de partículas termoplástico cuando un fluido activa el material en forma de partículas adhesivo disolviendo el material en forma de partículas adhesivo, siendo el material en forma de partículas termoplástico sustancialmente inerte dentro del fluido, y en el que las partículas de la mezcla en forma de partículas tienen un diámetro medio de 10 µm a 100 µm.

Sistema de material en polvo termoplástico para modelos de apariencia a partir de sistemas de impresión en 3D.

Solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de EE. UU. 60/472.221 presentada el 21 de mayo de 2003.

Campo de la invención

Esta invención se refiere generalmente a técnicas de desarrollo rápido de prototipos y, más concretamente, a un material de impresión tridimensional y un procedimiento que usa mezclas en forma de partículas termoplásticas.

Antecedentes

El campo del desarrollo rápido de prototipos implica la producción de artículos prototipo y pequeñas cantidades de piezas funcionales, así como cerámicas estructurales y moldes de envoltura cerámicos para fundición de metales, directamente a partir de datos de diseño generados por ordenador.

Dos procedimientos bien conocidos para desarrollo rápido de prototipos incluyen un procedimiento de sinterización por láser selectivo y un procedimiento de impresión tridimensional con aglutinante líquido. Estas técnicas son similares en la medida en que ambas usan técnicas de estratificación para construir artículos tridimensionales. Ambos procedimientos forman secciones transversales finas sucesivas del artículo deseado. Las secciones transversales individuales se forman aglutinando granos adyacentes de un material granular sobre una superficie generalmente plana de un lecho del material granular. Cada capa se une a una capa formada previamente para formar el artículo tridimensional deseado al mismo tiempo que los granos de molde de cada capa se unen juntos. Las técnicas de sinterización con láser y aglutinante líquido son ventajosas, porque crean piezas directamente a partir de datos de diseño generados por ordenador y pueden producir piezas que tienen geometrías complejas. Además, la impresión tridimensional puede ser más rápida y menos cara que maquinar las piezas de prototipo o producir piezas fundidas o moldeadas mediante técnicas de fabricación "duras" y "blandas", que pueden llevar desde unas pocas semanas hasta varios meses, dependiendo de la complejidad del artículo.

La impresión tridimensional se ha usado para hacer moldes cerámicos para fusión a la cera perdida, para producir piezas de metal totalmente funcionales. Se contemplan usos adicionales para impresión tridimensional. Por ejemplo, la impresión tridimensional puede ser útil en campos relacionados con el diseño para visualización, demostración y desarrollo mecánico de prototipos: También puede ser útil para hacer patrones para procedimientos de moldeo. Las técnicas de impresión tridimensional pueden ser útiles además, por ejemplo, en los campos de la medicina y la odontología, donde los resultados previstos pueden moldearse antes de realizar los procedimientos. Otros negocios que pueden beneficiarse de la tecnología de desarrollo rápido prototipos incluyen estudios de arquitectura, así como otros en los que la visualización de un diseño es útil.

En la patente de EE. UU. Nº 4.863.568 se describe un procedimiento de sinterización por láser selectivo. El procedimiento de sinterización por láser selectivo ha sido comercializado por DTM Corporation. El procedimiento de sinterización con láser selectivo implica extender una capa fina de polvo sobre una superficie plana. El polvo se extiende usando una herramienta desarrollada para su uso con el procedimiento de sinterización por láser selectivo, conocido en la técnica como un mecanismo de contrarrodillo o contrarrodillo. El uso del contrarrodillo permite que las capas finas de material se extiendan de forma relativamente uniforme, sin alterar las capas anteriores. Una vez extendida la capa de polvo sobre la superficie, se usa un láser para dirigir la energía de láser hacia el polvo con un patrón bidimensional predeterminado. El láser sinteriza o fusiona el polvo en las zonas en las que incide la energía del haz láser. El polvo puede ser plástico, metal, polímero, cerámico o un compuesto. Se extienden capas sucesivas de polvo sobre capas anteriores usando el contrarrodillo, seguido de sinterización o fusionando con el láser. El procedimiento es esencialmente térmico, requiriendo el suministro por parte del láser de una cantidad de energía suficiente para sinterizar el polvo junto y a capas anteriores, para formar el artículo final.

Una técnica de impresión tridimensional anterior, descrita en la patente de EE. UU. Nº 5.204.055, describe el uso de un cabezal de impresión de tipo inyección de tinta para suministrar un material aglutinante líquido o coloidal a capas de material en polvo aplicadas secuencialmente. La técnica de impresión de inyección de tinta tridimensional o el procedimiento con aglutinante líquido implica aplicar una capa de un material en polvo a una superficie usando un contrarrodillo. Una vez aplicado el material en polvo a la superficie, el cabezal de impresión de inyección de tinta libera un aglutinante líquido con un patrón predeterminado a la capa de polvo. El aglutinante se infiltra en los huecos del material en polvo y se endurece para unir el material en polvo en una capa solidificada. El aglutinante endurecido también une cada capa a la capa anterior. Una vez formada la primera porción de sección transversal, se repiten las etapas anteriores, construyendo porciones de sección transversal sucesivas hasta que se forma el artículo final. Opcionalmente, puede suspenderse un adhesivo en un vehículo que se evapora, dejando el adhesivo endurecido. El material en polvo puede ser cerámico, metal, plástico o un material compuesto, y también puede incluir fibras El material aglutinante líquido puede ser orgánico o inorgánico. Los materiales aglutinantes orgánicos típicos usados son resinas poliméricas o precursores cerámicos, tales como policarbosilazano. Los aglutinantes inorgánicos se usan cuando el aglutinante se incorpora en los artículos finales; normalmente se usa sílice en una aplicación de ese tipo.

Una ventaja de usar un cabezal de impresión de inyección de tinta, en lugar de un láser, es que pueden colocarse una pluralidad de boquillas de pulverización usadas para suministrar el aglutinante al polvo simultáneamente en un sólo cabezal de impresión. En máquinas de sinterización por láser selectiva, normalmente se usa sólo un láser para suministrar energía al polvo. La combinación de varias boquillas de pulverización incrementa la velocidad de la impresión con aglutinante líquido en comparación con la sinterización por láser, permitiendo que se imprima una zona más grande en una vez. Además, la impresión con aglutinante líquido es mucho menos cara que los equipos de láser, debido al alto coste del láser y el alto coste de los controles y la óptica de deflexión del haz relacionado.

Los polvos, especialmente los polvos metálicos, usados actualmente tanto en sinterización por láser selectiva como en técnicas con aglutinante líquido, presenta problemas de seguridad que los hacen no deseables para su uso en un entorno de oficina. Estos problemas de seguridad pueden requerir ropa e instalaciones de procesamiento especiales para evitar, por ejemplo, el contacto con la piel o la inhalación de materiales tóxicos. Además, el cumplimiento de las normativas para deshacerse de los materiales tóxicos puede incurrir en un mayor gasto. Por estas razones, estas técnicas no se prestan a ser usadas en entornos de oficina típicos, tales como estudios de arquitectura y diseño o consultorios médicos.

Otra técnica de impresión tridimensional, descrita en las patentes de EE. UU. Nº 5.902.441 y 6.416.850 utiliza una mezcla en polvo que contiene una carga y un adhesivo activable junto con un fluido acuoso que activa el adhesivo para aglutinar la carga. El fluido se aplica mediante un cabezal de impresión de inyección de tinta. La carga y el adhesivo pueden incluir cada uno materiales no tóxicos tales como, por ejemplo, polímeros solubles en agua, carbohidratos, azúcares, alcoholes de azúcares, proteínas y algunos compuestos inorgánicos.

Existe la necesidad en la técnica de un sistema de materiales y un procedimiento que permitan la fabricación rápida, fiable, segura y barata de modelos de apariencia y lotes pequeños de piezas funcionales en un entorno de oficina. Tales modelos de apariencia y piezas deben tener superficies de buena calidad, estar definidos con precisión y ser fuertes sin ser frágiles. Además, algunas clases de modelos necesitan propiedades mecánicas específicas tales como flexibilidad para ajustes por presión o resistencia al impacto.

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1. Un polvo adaptado para impresión tridimensional, comprendiendo el polvo:

una mezcla en forma de partículas suelta de flujo libre que comprende: al menos un 50 % en peso de un material en forma de partículas termoplástico seleccionado de entre el grupo que consiste en polioximetileno de acetal, polilactida, vinilacetato de etileno, éter de polifenileno, copolímero de etileno-ácido acrílico, amida en bloque de poliéter, fluoruro de polivinilideno, poliétercetona, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, tereftalato de policiclohexilenmetileno, sulfuro de polifenileno, politalamida, polimetilmetacrilato, polisulfonas, poliétersulfonas, polifenilsulfonas, poliacrilonitrilo, poli (acrilonitrilo-butadieno-estireno) , poliamidas, poliestireno, poliolefina, polivinil butiral, policarbonato, cloruros de polivinilo, etilcelulosa, acetato de celulosa, xantato de celulosa y sus combinaciones y copolímeros; y no más del 30 % en peso de un material en forma de partículas adhesivo que, o bien comprende una resina soluble en agua que incluye al menos uno de entre polímero de poliéster sulfonado, poliestireno sulfonado, óxido de polietileno, polivinilpirrolidona butilada, polivinil alcohol-co-acetato de vinilo, almidón catiónico, almidón catiónico pregelatinizado o sus combinaciones o copolímeros, o bien se selecciona de entre el grupo que consiste en (i) un adhesivo inorgánico que incluye al menos uno de entre cemento de fosfato de magnesio, cemento de oxicloruro de magnesio, cemento de oxisulfato de magnesio, cemento de fosfato de cinc, óxido de cinc cemento eugenol o sus combinaciones y (ii) una resina alcalino-reducible que incluye al menos uno de entre copolímero de octilacrilamida/acrilato/metacrilato de butilaminoetilo, copolímero de acrilatos/octilacrilamida, ácido poliacrílico estirenado o sus combinaciones o copolímeros, en el que el material en forma de partículas adhesivo está adaptado para aglutinar el material en forma de partículas termoplástico cuando un fluido activa el material en forma de partículas adhesivo disolviendo el material en forma de partículas adhesivo, siendo el material en forma de partículas termoplástico sustancialmente inerte dentro del fluido, y en el que las partículas de la mezcla en forma de partículas tienen un diámetro medio de 10 μm a 100 μm.

2. El polvo de la reivindicación 1, en el que el fluido es acuoso.

3. El polvo de la reivindicación 1, en el que el fluido está adaptado para ser solidificable por exposición a al menos uno de entre luz ultravioleta, luz visible o haz de electrones y sus combinaciones.

4. El polvo de la reivindicación 1, en el que el fluido es no acuoso y no halogenado.

5. El polvo de la reivindicación 1, en el que el material en forma de partículas termoplástico comprende partículas que tienen un diámetro de partícula medio de aproximadamente 10 micrómetros a aproximadamente 100 micrómetros.

6. El polvo de la reivindicación 1, en el que el material en forma de partículas adhesivo comprende partículas que tienen un diámetro de partícula medio de aproximadamente 10 micrómetros a aproximadamente 100 micrómetros.

7. El polvo de la reivindicación 1, que comprende además:

un material de carga.

8. El polvo de la reivindicación 7, en el que el material de carga comprende un material inorgánico.

9. El polvo de la reivindicación 8, en el que el material inorgánico se selecciona de entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, vidrio de cal sodada, vidrio de borosilicato, sílice, cerámica de aluminosilicato, caliza, yeso, bentonita, silicato de sodio precipitado, sílice precipitado amorfo, silicato de calcio precipitado amorfo, silicato de magnesio precipitado amorfo, silicato de litio precipitado amorfo, sal, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, fosfato de calcio, arena, wollastonita, dolomita, silicatos precipitados amorfos que comprenden al menos dos iones seleccionados de entre el grupo que consiste en iones de sodio, iones de litio, iones de magnesio e iones de calcio y sus combinaciones.

10. El polvo de la reivindicación 7, en el que el material de carga comprende un material orgánico.

11. El polvo de la reivindicación 10, en el que el material de carga comprende un carbohidrato.

12. El polvo de la reivindicación 11, en el que el carbohidrato se selecciona de entre el grupo que consiste en un almidón modificado, celulosa, goma arábiga, goma de algarrobo, almidón pregelatinizado, almidón modificado ácido, almidón hidrolizado, carboximetilcelulosa sódica, alginato sódico, hidroxipropil celulosa, metilcelulosa, quitosano, carragenano, pectina, agar, goma gellan, goma arábiga, goma xantana, alginato de propilenglicol, goma guar y sus combinaciones.

13. El polvo de la reivindicación 1, que comprende además:

un material de ayuda al procesado.

14. El polvo de la reivindicación 1, que comprende además:

una fibra de refuerzo.

15. El polvo de la reivindicación 1, que comprende además:

un material de carga; y un material de ayuda al procesado.

16. Un procedimiento para formar un artículo mediante impresión tridimensional, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

proporcionar una pluralidad de partículas adyacentes con un diámetro medio de 10 micrómetros a 100 micrómetros, comprendiendo las partículas una mezcla de un material en forma de partículas termoplástico y un material en forma de partículas adhesivo y aplicar a la pluralidad de partículas un fluido, dentro del cual el material en forma de partículas adhesivo es al menos parcialmente soluble y el material termoplástico es sustancialmente inerte, disolviendo el fluido el material en forma de partículas adhesivo, en una cantidad suficiente para aglutinar la pluralidad de partículas para definir un solo artículo, sustancialmente sólido, en el que el material en forma de partículas termoplástico se selecciona de entre el grupo que consiste en polioximetileno de acetal, polilactida, vinilacetato de etileno, éter de polifenileno, copolímero de etileno-ácido acrílico, amida en bloque de poliéter, fluoruro de polivinilideno, poliétercetona, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, tereftalato de policiclohexilenmetileno, sulfuro de polifenileno, politalamida, polimetilmetacrilato, polisulfonas, poliétersulfonas, polifenilsulfonas, poliacrilonitrilo, poli (acrilonitrilo-butadienoestireno) , poliamidas, poliestireno, poliolefina, polivinil butiral, policarbonato, cloruros de polivinilo, etilcelulosa, acetato de celulosa, xantato de celulosa y sus combinaciones y copolímeros, y el material en forma de partículas adhesivo que, o bien comprende una resina soluble en agua que incluye al menos uno de entre polímero de poliéster sulfonado, poliestireno sulfonado, óxido de polietileno, polivinilpirrolidona butilada, polivinil alcohol-co-acetato de vinilo, almidón catiónico, almidón catiónico pregelatinizado o sus combinaciones o copolímeros, o bien se selecciona de entre el grupo que consiste en (i) un adhesivo inorgánico que incluye al menos uno de entre cemento de fosfato de magnesio, cemento de oxicloruro de magnesio, cemento de oxisulfato de magnesio, cemento de fosfato de cinc, óxido de cinc cemento eugenol o sus combinaciones y (ii) una resina alcalino-reducible que incluye al menos uno de entre copolímero de octilacrilamida/acrilato/metacrilato de butilaminoetilo, copolímero de acrilatos/octilacrilamida, ácido poliacrílico estirenado o sus combinaciones o copolímeros.

17. Un artículo que comprende:

un producto de:

un polvo que comprende una mezcla en forma de partículas suelta de flujo libre que comprende:

(i) un material en forma de partículas termoplástico se selecciona de entre el grupo que consiste en polioximetileno de acetal, polilactida, vinilacetato de etileno, éter de polifenileno, copolímero de etileno-ácido acrílico, amida en bloque de poliéter, fluoruro de polivinilideno, poliétercetona, tereftalato de polibutileno, tereftalato de polietileno, tereftalato de policiclohexilenmetileno, sulfuro de polifenileno, politalamida, polimetilmetacrilato, polisulfonas, poliétersulfonas, polifenilsulfonas, poliacrilonitrilo, poli (acrilonitrilo-butadienoestireno) , poliamidas, poliestireno, poliolefina, polivinil butiral, policarbonato, cloruros de polivinilo, etilcelulosa, acetato de celulosa, xantato de celulosa y sus combinaciones y copolímeros, y

(ii) un material en forma de partículas adhesivo que, o bien comprende una resina soluble en agua que incluye al menos uno de entre polímero de poliéster sulfonado, poliestireno sulfonado, óxido de polietileno, polivinilpirrolidona butilada, polivinil alcohol-co-acetato de vinilo, almidón catiónico, almidón catiónico pregelatinizado o sus combinaciones o copolímeros, o bien se selecciona de entre el grupo que consiste en

(i) un adhesivo inorgánico que incluye al menos uno de entre cemento de fosfato de magnesio, cemento de oxicloruro de magnesio, cemento de oxisulfato de magnesio, cemento de fosfato de cinc, óxido de cinc cemento eugenol o sus combinaciones y (ii) una resina alcalino-reducible que incluye al menos uno de entre copolímero de octilacrilamida/acrilato/metacrilato de butilaminoetilo, copolímero de acrilatos/octilacrilamida, ácido poliacrílico estirenado o sus combinaciones o copolímeros, en el que las partículas de la mezcla en forma de partículas tienen un diámetro medio de 1, 0 μm a 100 μm; y

un fluido que activa el material en forma de partículas adhesivo para formar un artículo sustancialmente sólido compuesto por el polvo, siendo el material en forma de partículas adhesivo sustancialmente soluble en el fluido y siendo el material en forma de partículas termoplástico sustancialmente inerte en el fluido, en el que el artículo incluye una pluralidad de capas adyacentes formadas por el producto, teniendo cada capa un contorno que define un borde y estando definida una forma final del artículo por los respectivos bordes de las capas.