形成体积体的方法与流程

本发明涉及一种形成体积体的方法，特别是家具元件和/或建材工业元件的方法。

背景技术：

WO2013/180609A1已知涉及用于逐层形成物体的方法和装置。这种分层的或附加的物体的形成属于生成方法的范畴，因此可以分配到所谓的3D打印。

这种方法的特别优点是体积体可以构造成各种各样的几何形状。复杂的几何形状在此也可以通过材料的添加应用来实现。

由于材料是逐步施用的，因此每个新层只能施用到已经存在的层上。最初听起来微不足道的东西对完成的体积体而言具有深远的影响，因为必要的坚固的结构需要长的生产时间和不成比例的高部件重量。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种生产体积体的方法，其能够实现更快的生产速度并减小最终体积体的重量。

这里，本发明的基本思想是借助于可发泡的应用材料，并且根据应用材料的体积体的相应点来调节发泡应用材料的孔径。

特别地，为此目的，本发明提供了一种根据权利要求1所述的形成体积体的方法。另外的优选实施方式在从属权利要求中进行了说明。

因此，一种形成体积体，特别是家具元件和/或建材工业元件的方法，包括以下步骤：使应用材料发泡，施用应用材料以形成若干区段的体积体，并根据所述体积体的各个区段调节所述发泡应用材料的孔径。

术语“体积体”在此应理解为结构体，其尺寸超出涂层或印刷表面。特别是，体积体的厚度应至少为500μm。

在此根据泡沫应用材料的孔径，即根据最终体积体中的孔径来测量孔径。在此应当注意确保，例如，在分配应用材料之后，仍然可以发生“后膨胀”，然而，这可以通过适当的措施来控制，因此也属于孔径的调节或变化的范围。

通过使应用材料发泡，首先可以使用用于体积体的特别轻的基础材料。此外，通过发泡，由于发泡而使多孔的应用材料中的孔隙随机分布，尽管重量减轻，但仍然产生了体积体的非常坚固的结构。通过根据体积体的相应区段调节孔径，还可以更好地满足最终体积体的期望性能。例如，考虑到相应区段的期望硬度，可以在此调节孔径。体积体外部和易触及区段的期望表面光洁度也可适当调节。

总的来说，由此可以获得特别轻的体积体，其可以灵活地匹配到期望的用途。此外，通过发泡，可以特别快速地生产出体积体的适当区段。

上述的及权利要求1中指定的方法的步骤没有设置任何特定的顺序。因此，发泡可以例如在应用材料部署之后、之前或期间进行。

应用材料的发泡可以理解为包含引发发泡的步骤。

优选地，发泡的开始发生在应用材料部署之前或期间。

这不仅有利于发泡过程的可控性，而且有利于缩短生产时间。

或者，也可以仅在部署应用材料之后开始发泡。例如通过使用相应设计的应用材料来实现，其中发泡仅在部署之后触发(例如通过与空气中的氧气反应)。

优选地，所述施用构成一种添加或生成过程，其中应用材料被连续地、逐层地施用，以便连续地、逐段地形成体积体。

这里附加的材料施用的优点在于，复杂的几何形状和各种体积体也可以通过一种相同的方法和使用一套相同的工具形成，并且在体积体内保证了高度稳定的复合材料。

优选地，发泡应用材料的孔径调节包括体积体的区段之间的孔径变化，取决于体积体的各个区段。

这样做的优点在于，例如，在体积体的适当区段中，可以选择大的孔径，从而节省材料，并因此减小体积体的重量且加速生产。例如在结构上受到较大应力的其它区域中，然后可以选择较小的孔径，以便使体积体在这些段中更具抵抗力，并且可能为其提供更大的硬度。较小的孔径也可有助于体积体具有更有吸引力的外观。总体而言，体积设计的灵活性增加了，同时也减轻了重量。

优选地，在施用期间连续调节孔径。

这里的连续调节与施用过程相关，并且意味着形成体积体的实际过程不会因调节孔径而中断。如果要从体积体的一个区段到另一个区段调节孔径，换句话说，这可能在施用期间连续发生。因此，上述孔径的连续调节并不意味着(或不一定意味着)孔径也在体积体内连续变化。孔径本身也可以跳跃地或不一致地变化，然而，所述变化在与过程有关的施用期间连续发生。

优选地，孔径的调节使得发泡应用材料对于体积体的外部区段具有比用于体积体的内部区段的发泡应用材料更小的孔径。

外部区段在此指定体积体的可接近或可见区段。通过进行上述调节，例如，对于外部区段可以获得有吸引力的外观。体积体的外部区段的硬度也可以增加，并且在不增加重量的同时进一步促进结构稳定性。

这里还优选的是，体积体的外部区段(即用于外部区段的发泡应用材料)具有比体积体的内部区段(即用于内部区段的发泡应用材料)更小的孔径。

换句话说，整个外壳，即所有外部的、可接近的和可见的区段，具有比内部区段更小的孔径。因此，形成具有低孔隙率的粘合壳，这反过来有利于体积体的外观、外部硬度和稳定性。

根据进一步的发展，添加剂可以特别地添加到应用材料中，添加剂的添加同样根据体积体的各个区段进行。

添加剂优选地被设计成使得它们影响发泡应用材料的物理性能(例如硬度、颜色、表面光洁度)，根据体积体的各个区段添加调节发泡应用材料的物理性能的添加剂，并且特别地在区段与区段之间变化。

添加剂包括例如硬化剂、颜料或着色剂和表面变化的辅助材料，通过它们可以影响体积体的相应区段中的硬度、表面外观和颜色。因此例如可以考虑为体积体的外部区段添加特定的着色剂，从而为整个体积体提供期望的颜色外观。因此，在这种进一步发展的框架内，关于快速生产轻质体积体的自由度也可以进一步增加。

例如，发泡可以通过加入特定推进剂气体，特别是氮气或二氧化碳来进行(或引发)，并且通过改变推进剂气体的加入(或通过加入的推进剂气体的量)来调节应用材料的孔径。

这里优选的是，推进剂气体以低温形式或作为制冷剂加入，例如以液氮或干冰(冷冻二氧化碳)的形式加入。

基于添加推进剂气体的孔径的变化或调节构成了特别调节孔径的非常容易控制的方法。例如，如果添加更多的推进剂气体，则立即获得更大的孔隙，反之亦然。此外，可以很容易地预测作用与反应的比率。这意味着换句话说，可以很容易地计算出推进剂气体的哪种添加导致了哪种孔隙率。

此外，添加推进剂气体作为制冷剂的优点是易于处理(特别是在计量方面)。然后在加热的应用材料内发生低温推进剂气体的沸腾或升华，并产生(引发)发泡作用。在最后部署应用材料时，因此发生后者的发泡。

或者，优选将发泡剂与应用材料混合，所述发泡剂特别适合于温度依赖性地施加其发泡作用。

因此，可以通过改变应用材料的温度来调节应用材料的孔径。这尤其在处理顺序方面具有优势，因为在施用应用材料时，例如在使用挤出机的情况下，温度必须在任何情况下都得到控制，以便在施用期间保证应用材料的所需材料性能。

优选地，发泡作用的温度依赖性应用是发泡作用的连续的温度依赖性变化。

或者，发泡作用的温度依赖性应用构成发泡剂的发泡作用被激活(引发)的转变温度，并且在所述转变温度附近的范围内调节应用材料的孔径，特别是当施用应用材料时，通过改变应用材料的温度来调节应用材料的孔径。

因此，用于形成体积体的孔径可以以这种方式非常准确地调节，同时可以通过在转变温度下“开启和关闭”发泡剂而非常容易地调节。

同样优选地，两种类型的发泡剂与应用材料混合，第一种类型的发泡剂在第一温度下施加发泡作用，第二种类型的发泡剂在不同于第一温度的第二温度下施加发泡作用，特别是当施用应用材料时，通过在第二温度附近的范围内改变应用材料的温度来调节应用材料的孔径。

具有上述性质的这种类型的应用材料的提供可以非常精确地同时非常容易地调节用于形成体积体的孔径。因此，通过在所述第二温度附近的范围内改变应用材料的温度，可以“开启和关闭”所述第二种类型的发泡剂。当转换到较热或较冷的温度时，可以根据所述第一和第二温度的选择来进行开启或激活。如果“开启”或激活所述第二种类型的发泡剂，整体发泡效果更好，孔隙率相应增加。

根据优选实施方式，所述第二温度高于所述第一温度。

因此，可以容易地形成具有两种从区段到区段的不同孔隙率的体积体。采用确定的转变温度(即第二温度)构成易处理、有效且非常精确的工具，以获得所需的性能。

根据进一步的发展，所述方法使得应用材料的温度在所述第二温度附近的范围内的变化包括应用材料的主动冷却。

通过主动冷却，应用材料的温度可以特别地降到低于所述第二温度，并且这通过在过渡到较小孔径时缩短的反应时间来进一步改进该方法的易处理性。

同样优选地，将两种组分添加到应用材料中，这两种组分被设计成当彼此混合，特别是通过彼此反应混合时，它们施加发泡作用以使应用材料发泡(即，它们引发发泡)，并且发泡作用取决于这两种组分的比例。所述方法还包括通过改变应用材料中两种组分的比例来调节应用材料的孔径的步骤。

此处所述“比例”可以例如与重量、体积或化学计量的量相关。

然后特别地通过两种组分彼此反应来施加发泡作用，因此也可以称为化学发泡。这里可以设想，所述反应的一种反应产物在应用材料中引发发泡过程。例如，可以释放具有“膨胀”效应的诸如二氧化碳的气体。在部署应用材料的最后阶段，发生发泡。

采用彼此混合或反应而施加发泡作用的两种组分构成了改变发泡效果以及调节孔径的容易的方式。上述比例的调节可以通过同时特定添加两种组分并随后混合来进行。或者，可以预先添加(呈现)一个组分，而另一个组分随后添加(随后混合)。

同样优选地，在处理过程中在体积体的外部(即可接近的)区段上进行后处理步骤，该后处理步骤特别包括后加工步骤。

为此，可以使用例如铣削单元或磨削单元，该单元为外部区段提供期望的表面光洁度。

此外，优选的是，当施用时，应用材料是糊状物质，其包含生物聚合物，特别是木质素和天然纤维，天然纤维优选由木材、亚麻、大麻、剑麻、黄麻和/或其它植物纤维形成。

这在形成用于家具工业元件的体积体时尤其有利，因为基本上基于生物的体积体具有用于内部配件的通常的和优选的性质，并且生物可降解性非常好。此外，这种材料的另一个优点是指定资源节约型生产的可能性。

就此而言，“糊状”这一表述意味着，在施用时，应用材料具有相应粘度的糊状稠度。一方面，这确保了应用材料在施用时易于加工，另一方面保证应用材料可以最佳地连接到体积体的已有层上，或者可以选择性地渗透到体积体中。此外，可以防止应用材料的过度流动。

与此不同，但也可想到的是，特别是对于设计成仅在所述应用材料部署之后才开始发泡的应用材料，使用与改善的蠕变能力的优点相关联的基本上为液体的应用材料。

根据应用领域，如果应用材料包括金属糊或矿物糊和/或糊状塑性物质，则也可以是优选的。

这种材料在预期恶劣的环境条件下尤其有利，因为它们为体积体提供了非常好的耐久性。

此外，应当注意，应用材料不限于上述实例。可以使用来自部件工业领域的其它合适的发泡材料，例如PU泡沫或2K泡沫。

此外，根据进一步发展的方法包括用涂层涂覆外部区段或所述体积体的外部区段和/或印刷外部区段或所述体积体的外部区段的步骤。

通过这些方法步骤，可以非常灵活地调节体积体的视觉和触觉性能，而不必在体积体的重量或生产速度方面做出任何大的妥协。

另一方面，提供了一种可发泡的应用材料，其包括两种类型的发泡剂，所述第一种类型发泡剂在第一温度下施加发泡作用，所述第二种类型发泡剂在高于第一温度的第二温度下施加发泡作用。

作为另一方面，还提供了由多孔材料形成并具有多个区段的体积体，孔径(孔隙率)在区段中、特别是从区段到区段发生不一致地变化。优选地，内部区段(或所述内部区段)具有比体积体的外部区段(或所述外部区段)更大的孔径。

此外，其它方面涉及上述形成上述体积体的方法的用途以及可发泡应用材料用于形成上述体积体的用途。

附图说明

图1示意性地示出了形成体积体的装置。

图2示出了穿过体积体的横截面。

本发明的优选实施方式的详细描述

下面参考附图详细描述本发明的优选实施方式。为此指定的进一步修改可以分别彼此组合以形成新的实施方式。

图1示出了形成体积体，特别是用于示例性地实现根据本发明的方法的装置10的大大简化的示意图。

装置10包括支撑体12，体积体100构造在支撑体12上。体积体100在此优选地通过在不同区段101和102中逐步添加应用材料来构造。在图1中，这由体积体100的不同层和区段101和102示出。

施用单元11用于材料的施用。该单元适用于在支撑体12的限定位置或已经存在的体积体100的层101和102上施用限定量的应用材料。

在此施用材料或附加地构造体积体，即，将新的应用材料精确地施用到已经施用的应用材料上。如果施用单元11能够相对于支撑体12在至少三个空间方向上移动，则是有利的。这由图1中的施用单元11上方的箭头指示。此外，如果施用单元11还可以相对于支撑体12在两个附加方向上旋转以使得施用单元11能够相对于支撑体12在五个方向上独立地对齐，则对于复杂的体积体可能是有利的，并且这在形成体积体100时增加了灵活性。此操作与在其中接收施用单元11的合适的工具架(未示出)一起进行。所述工具架例如可以是五轴工具架，例如万向五轴头或笛卡尔五轴头。

另外，装置10具有控制装置13，该控制装置13被设计为控制施用单元11。所述控制包括施用单元11的定位和应用材料的实际施用的调节以及通过影响应用材料的发泡来调节孔径。

例如，可以通过添加推进剂气体，特别是氮气或二氧化碳气体，或者通过活化添加到应用材料中的适当发泡剂来引发发泡。

控制装置13被设计成使得其能够根据体积体100的相应区段101、102来调节体积体100中的泡沫应用材料的孔径。为此，其影响施用单元11并相应地调节例如施用应用材料的参数。

此外，控制装置13可以设计成具有输入装置，关于待形成的三维体积体的信息(例如形状、尺寸、期望强度、颜色、硬度等)可以输入到该装置中，然后控制装置13被设计成使得其根据输入的信息计算所述体积体的相应区段。所述区段可以基于几何考虑，从美学观点(例如可见段的识别)或基于稳定性考虑/计算(例如在此可以识别结构负载段)来计算。换句话说，控制装置13可以被设计成使得其基于输入的信息虚拟地将待形成的体积体分段，并相应地调节用于体积体的每个分段的发泡应用材料的孔径。特别地，在这里可以回到CAD模型。然后，可以设置功能表面，该功能表面例如预先确定强度和颜色或表面光洁度。

如图1所示，施用单元11优选为用于应用材料部署的挤出机11(即，应用材料通过挤出机部署)。

挤出机11优选地将被加热的应用材料的粒状原料朝向出口开口14输送。用于应用材料的原材料可以在此存储在未示出的存储容器中，所述存储容器通过适当的连接元件(例如软管)连接到挤出机11。如上所述，挤出机11在此处被接收在未示出的工具夹具中。

此外，该装置可以具有附加的机械加工工具，其可以被接收在单独的工具夹具中或者可以互换地放置在挤出机11的工具夹具中。这些附加的加工工具可以例如包括用于加工体积体100的加工单元或用于涂覆或印刷体积体100的装置。

然后可以在完成材料施用之后或者在多个施用过程之间对体积体100执行进一步的加工步骤。这些加工步骤可以包括例如加工，例如铣削或磨削体积体100的区段或者体积体100的区段的涂覆或印刷。这些过程也由相应设计的控制装置13控制。

关于施用单元11，应用材料的孔径优选在施用后者的过程中连续调节。就此而言，连续意味着施用本身不能中断，但是对于体积体100内的孔径而言可能存在不连续的限定区段界限仍然是可能的(如果期望的话)。

这种类型的调节(或通常是孔径的调节)可以通过使用输入挤出机11的输送室中的推进剂气体与挤出机11结合进行。这可以通过未示出的单独的供应管线来实现。这里优选加入低温形式的推进剂气体，例如以液氮或干冰形式的推进剂气体。然后通过蒸发或升华低温推进剂气体来引发发泡过程。

通过改变将推进剂气体输入到输送室中并因此输入到应用材料中的压力(量)，可以使应用材料的孔径随之改变。使用推进剂气体进行发泡当然不限于将挤出机11作为施用单元。

替代地或另外地，发泡剂可以添加到应用材料中，发泡剂优选地通过提供热量来温度依赖地施加其发泡作用。这是有利的，因为例如当使用挤出机时已经进行了应用材料的加热。如果将与应用材料混合的发泡剂设计成使得其在转变温度下施加(即激活)其发泡作用，则可以通过在转变温度附近的范围内改变应用材料的温度来容易且精确地调节应用材料的孔径。然后该温度变化由控制装置13进行。

因此，在应用材料的温度以上调节孔径的优点在于，施用单元11内的温度在任何情况下都是在处理过程中受到控制的参数。因此，例如，当使用挤出机作为施用单元时，通过挤出机的输送室中的压力(通过较小的输送压力减少内部摩擦)来调节温度。此外，为了获得合适的处理温度，可能已经提供额外的(外部的)加热装置以适当地回火应用材料。

为了进一步支持应用材料在这种意义上的有针对性且特别快速的温度变化，施用单元11可以具有用于主动冷却的装置和/或用于主动加热应用材料的(附加)装置。

优选地，也使用包含两种类型的发泡剂的应用材料，第一类型的发泡剂在第一温度下施加(即激活)其发泡作用，第二类型的发泡剂在不同于第一温度的第二温度下施加(即激活)其发泡作用。

在此，所述第二温度可以特别高于所述第一温度。然后通过在所述第二温度附近的范围内改变应用材料的温度来调节应用材料的孔径以及体积体100的区段101和102的孔径。低于所述第二温度时，仅激活第一类型发泡剂，此时的发泡作用比高于所述第二温度的两种类型发泡剂均被激活时的发泡作用小。

应用材料的温度变化的范围在此有利地被适当地限制，从而特别是实现快速冷却到所述第二温度以下，并且这使得在向更小的孔径过渡时具有更快的反应时间并提高生产速度。

选择所述第二温度附近的范围和所述第二温度本身，使得它们处于保证所述应用材料的良好可加工性的温度范围内。有利的是，所述第二温度附近的范围进一步被限制为接近所述第二温度(例如，该范围具有在所述第二温度的几个百分比内的范围宽度)，并且特别地选择该范围的上限仅略高于所述第二温度(例如，应用材料的温度变化范围的温度上限在所述第二温度以上的几个百分比)。

通过这样限制范围，可以实现改变孔径时的快速反应时间，并且特别是在向更小的孔径转变时具有更快的反应时间。

关于所述第二温度附近的范围的陈述也适用于上述转变温度。

替代地或另外地，发泡可以通过双组分体系来实现或引发。在此将两种组分添加到应用材料中，这两种组分被设计成当彼此混合(特别是由于彼此反应混合)时，施加发泡作用以使应用材料发泡，并且发泡作用取决于这两种组分的比例。然后可以通过改变应用材料中两种组分的比例来调节发泡应用材料的孔径。

上述比例可以通过同时有针对性地添加两种组分并随后混合来调节。关于挤出机11，为此目的，挤出机11可以具有通向输送室的两个单独的供应管线(未示出)。然后通过在输送室中借助于挤出机的输送螺杆混合两种组分来引发发泡，并且触发两种组分彼此反应。或者，可以引入一种组分，而随后添加另一种组分。则只需要一条连接到挤出机的供应管线。

此外，可以想到的是，应用材料被设计成使得其仅由于与空气中的氧气反应而发泡，例如释放二氧化碳。

为了更好的易处理性，应用材料在施用时最好是糊状的。换句话说，应用材料被设计为在施用期间或之后是糊状物质(或具有糊状稠度)，然后在发泡状态下硬化。在硬化之前，例如20000mPa·s至100000mPa·s的粘度范围是合适的，因为这确保了在施用应用材料时所需的延展性。

然而，对于一些应用，初始液体应用材料也是可以想到的，其另外有利地仅在与空气中的氧接触时发泡，然后尽可能逐渐地发泡。这种类型的应用材料的优点在于其可以特别好地渗透到现有结构中。

优选地，应用材料包含生物聚合物，其特征在于可生物降解，并且通过例如由糖通过发酵和/或聚合物-化学方法生产的聚合物基本上是生物基的。特别地，生物聚合物包含木质素。

此外，应用材料中可包含天然树脂、天然蜡、天然油、纤维素和天然增强纤维，例如木纤维、亚麻纤维、大麻、剑麻、黄麻或其它植物纤维。此外，应用材料可以包含聚羟基链烷酸酯、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚酯和/或淀粉。

特别地，可生物降解的热塑性塑料和热塑性聚酯，例如聚羟基链烷酸酯、聚羟基丁酸酯和聚己内酯，被用作另外的热塑性部分。

通过固化初始糊状的发泡应用材料，应用材料在体积体100的相应区段101、102中固化，并且以这种方式调节处于多孔状态的应用材料的调节后的孔径。

应用材料的固化通常在此不需要任何额外的工艺步骤而完全借助于较冷的环境空气来进行应用材料的冷却。然而，也可以想到的是，体积体的相应区段暴露于例如冷却空气中以加速固化或根据材料使用不同的固化技术。

根据优选实施方式，应用材料可被设计成使得其可通过引入能量而固化。因此，例如，可以想到通过用红外能量或激光照射或通过超声波能量的作用固化的化学交联应用材料。通过引入能量，例如可以在材料中引入交联过程，通过该交联过程使应用材料固化。

因此，该装置还具有用于将能量(红外能量、激光或超声能量)施加到体积体的机构，并且所述方法将具有通过引入能量来固化应用材料的附加步骤。

此外，应用材料可以包含金属糊或矿物糊和/或糊状塑性物质。

在图2中，横截面中示意性地示出了可由上述装置和相应方法形成的体积体。特别地，本发明涉及作为家具和部件工业的元件的体积体。所示的体积体可以理解为例如具有复杂几何形状的工作台的基座或柱。

如图所示，体积体具有例如两个具有不同孔径的区段101和102。区段101在此位于体积体的外部，即，其可从外部接近和可见。根据该实施例，区段102完全被区段101包围。

考虑到上述观点，可以例如通过控制装置13对这些区段进行划分。

体积体的特征在于，在区段101和区段102中存在不同的材料孔隙率(孔径)。因此，体积体内部的孔隙率大于外部区域的孔隙率，使得形成特别轻的体积体成为可能，且由于“壳段”101以及高强度和高硬度而使得体积体具有有吸引力的表面结构。

这种添加剂方法的特征在于，高孔隙率区域102可以完全被孔隙率较低的区域101包围——这是例如由于不同层的多孔材料的层压而难以实现的构造。

区段之间的过渡区域G是精确限定的过渡区域，其可以由于添加材料的施用导致的孔径的不连续变化来表征。

关于精加工，体积体100还可以设置有覆盖外部区段101的孔的印刷或涂层B。然而，该涂层B是可选的并且也可以被省略。