CN105899550A - 用于创建三维物体的系统和组合物 - Google Patents

Abstract

本发明示出和描述了用于创建三维艺术品和物体的系统和方法。

Description

用于创建三维物体的系统和组合物

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月20日提交的标题为“用于创建三维艺术品和物体的系统和方法”的第62/066,002号美国临时申请的权益。所述临时专利申请的完整公开内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及书写和绘图工具领域，更具体地涉及用于创建三维艺术品和物体的工具和油墨。

背景技术

目前可使用采用电源和粉末的三维打印机(three-dimensional printer)来打印机器中的物体。例如，第7,435,368号美国专利教导了一种三维打印机，其采用喷墨式打印头和粉末以还原(prototype)和打印三维模型。其他三维打印装置是更灵活的并且采用挤出热物质的笔式装置和电源以提供这样的材料，该材料冷却形成三维材料，更像喷胶枪。

然而，这些装置和方法供儿童使用是笨重或危险的。需要供儿童使用的用于提供三维绘图技术的系统和装置，其无需使用电子机械或热化学品。

本发明的公开内容

本发明包括这样的系统和装置，其通过在不粘表面上挤出快干复合物，然后去除干燥的艺术品或物体来允许儿童和成人创建用于包含在较大物体或较大件艺术品中的三维物体和艺术品。

本发明包括快干或快凝(fast-setting)复合物，其可被垂直挤出以创建三维物体。快凝复合物通过光进行固化。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。

附图的几个视图的简述

在下列附图中，附图形成说明书的一部分并且应结合说明书进行解释，其中在全文中使用相同的引用符号并尽可能在各个视图中表示相似的部件：

图1是本发明的第一个实施方案的笔的透视图；

图2是本发明的笔和书写板的透视图；

图3是本发明的实施方案的笔的右截面图；

图4是本发明的第二个实施方案的右侧立面(elevational)图；

图5是本发明的第三个实施方案的笔的透视图；

图6是本发明的第三个实施方案的部件分解图；

图7是本发明的第三个实施方案的前立面图；

图8是本发明的第三个实施方案的后立面图；

图9是本发明的第三个实施方案的移除储液囊(reservoir)的右侧立面图；

图10是本发明的第三个实施方案的顶视图；以及

图11是本发明的第三个实施方案的底视图。

实施本发明的最佳方式

整个说明书引用的“一个实施方案(one embodiment)”、“实施方案(anembodiment)”、“一个实施例(one example)”或“实施例(an example)”是指与该实施方案或实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书中多个地方出现的短语“在一个实施方案中(in one embodiment)”、“在实施方案中(in an embodiment)”、“一个实施例(one example)”或“实施例(an example)”不一定全部是指相同的实施方案或实施例。此外，可以任何合适的组合和/或子组合形式将特定特征、结构或特性结合在一个或多个实施方案或实施例中。此外，应当理解，在此提供的附图是为了向本领域一般技术人员解释的目的并且附图不必按比例绘制。

仅为了方便而非限制的目的，在下文定义了一些术语以帮助理解示例性实施方案。在下文未定义权利要求中使用的术语的情况下，应该给予该术语达到相关领域技术人员给予该术语最宽定义的程度，如在出版的公开出版物和授权专利中所体现的。

如本文使用的，当放置在数值“X”之前时，术语“约”是指从X减X的10％延伸至X加X的10％的区间，优选X减X的5％延伸至X加X的5％的区间，且甚至更优选X减X的2％延伸至X加X的2％的区间。

术语“倾斜”不以限制性意义使用，因为倾斜表面也可能是弓形或圆锥形的。

术语“复合物(compound)”、“组合物”、“成分”和“组分”有时可交换使用，用于指一种或多种化学组分。如本文使用的，术语“复合物”是指由两种或多种单独要素成分(elements)组成的混合物。

术语“油墨”意指包括任何染色材料，其包括但不限于油墨、染料、颜料或其他类似的染色液体。

如本文使用的，术语“光”是指日光或人造光，包括本领域已知的白炽光、LED光、荧光光源。

当用于描述本发明的油墨组合物时，术语“液体”意指包括能够在给定表面上分散或展开的组合物的任何非固体的物理状态，即，处于其高度可流动状态以及半固体粘性状态两者。

如本文使用的，术语“喷嘴”包括用于引导或改变流体流动的任何常规或优选的静态机械装置。

如本文使用的，术语“触针(stylus)”不只包括笔形装置，而且，术语“笔”和“触针”可通用和交换使用。

如本文使用的，术语“储液囊”包括用于容纳流体的容器或室。

尽管本文在描述附图时可进行方位引用，诸如上部、下部、向下、向上、向后、底部、前面、背面等，但为了方便，相对于附图(如通常观察的)进行这些引用。这些方位不旨在按字面意思解释或以任何形式限制本发明。此外，为了描述的目的在本文使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语，这些术语不旨在表示或暗示相对的重要性或显著性。术语包括上述特别提及的词语、其派生词和类似的输入词语。

在本文中使用的“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有(having)”及其变型意指包括此后列举的项目及其等同物以及附加项目。

除非另外规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支持”和“联接”及其变型概括地使用并且包括直接和间接的安装、连接、支持和联接两者。此外，“连接”和“联接”不局限于物理或机械连接或联接。

本发明提供包括可压缩储液囊502的笔100，其具有近端104、远端106和从近端104延伸至远端106的侧壁108，储液囊502容纳液体复合物110；喷嘴112联接至储液囊502的近端104，液体复合物通过喷嘴离开储液囊。当挤压储液囊502时，储液囊502中的液体复合物110被迫离开喷嘴112。笔100由允许容易压缩储液囊502的薄壁塑性材料组成。喷嘴112足够大，使得足以将一定量的复合物110挤出在表面上。提供帽116。

如图2所示，笔100用于给予油墨组合物以在具有缺口或凹口201(待填充油墨)的平面或表面200上绘制二维物体。优选地，表面为由适当材料(诸如具有不粘涂层的硅酮或层压塑性材料)组成的不粘表面202。表面202为透明的并且包括期望的绘图物体204或者提供期望的绘图物体204形式的凹口201。可备选地，将绘图物体204打印成平面202。

液体油墨复合物110是在储液囊502中和当从喷嘴112中挤出时保持为液体或凝胶形式的材料。当与光接触时，液体复合物110开始迅速硬化并且凝固成纤维材料302。纤维材料302是柔性的，但足够致密以保持一定形状。因此，在硬化时，其可从绘图表面202去除并且用于创建诸如图2示出的物体三维物体。液体复合物110可由许多不同材料组成，所述材料允许在暴露于光时快速干燥。液体复合物110可包括染料材料以允许改变绘图物体的颜色。

通过使用笔100摹写二维物体204。当挤出油墨复合物110时，其变干燥。一旦复合物干燥，就从绘图表面202去除油墨纤维材料302。可通过在纤维材料件之间提供连接件304将诸如眼镜的眼镜脚的其他二维物体连接至干燥的纤维材料302。以该方式，创建三维物体306。

图3示出具有相对于外部侧壁108的内部部分的笔100。示出位于外部储液囊内的内部储液囊502以容纳复合物110。内部储液囊502与喷嘴112连接。通过手动操作夹持系统500使容纳在储液囊内的复合物110偏离储液囊502。当在侧壁108上施加压力时，将偏置夹504、506挤压至在502的每个侧面上的储液囊502中。通过枢轴连接件602在笔的远端枢轴连接偏置夹504、506。

图4示出没有图3的夹持系统500的笔350的可备选的实施方案。笔100由外部套管352组成，外部套管352形成用于容纳组合物110的可压缩储液囊354。在手动压缩套管352时，压缩储液囊354以从喷嘴356挤出组合物110。

由上所述，应该清楚与使用一般的笔或铅笔时所采用的方式类似，人们可使用笔100进行书写、打印、绘制或着色。以基本上相同的方式夹住笔。以与笔或铅笔的书写尖端基本上相同的方式移动喷嘴。唯一的不同在于，使用者在食指和拇指之间同时挤压笔100以当使用者给予喷嘴书写、打印、绘制或着色动作时引起和控制液体复合物从喷嘴112的流动。

本发明的油墨组合物包括光可固化树脂。更具体地，本发明的油墨组合物为包含不饱和预聚物和光引发剂的混合物。可使用的另外成分包括但不限于染料和弹性体。

油墨组合物使用不饱和预聚物或光可固化树脂。不饱和预聚物或光可固化树脂可以以足以给予组合物期望的固化速率的量存在。不饱和预聚物选自由不饱和聚氨酯预聚物、不饱和聚丙烯酸酯预聚物、不饱和环氧基预聚物或其各种比例的共聚物组成的组。以整个组合物的重量计，不饱和预聚物或光可固化树脂可以以小于60％至约85％的量存在。

本发明的油墨组合物包括选自聚合光引发剂的苯甲酰基氧化膦种类的光引发剂。优选地，使用的光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦。以整个组合物的重量计，光引发剂可以以小于1％至约10％的量存在。

除了苯甲酰基氧化膦种类的光引发剂之外，可使用第二光引发剂。该第二光引发剂选自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯或(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯组成的组。以整个组合物的重量计，第二光引发剂可以以小于1％至约5％的量存在。

可使用硅弹性体光分散剂(light dispersing agent)。以整个组合物的重量计，光分散剂可以以小于1％至约5％的量存在。

组合物中可包含丙二醇作为防腐剂和乳化剂。以整个组合物的重量计，乳化剂可以以小于1％至约10％的量存在。

组合物中可包含增塑剂。可接受的增塑剂可包括但不限于环氧化大豆油。以整个组合物的重量计，增塑剂可以以小于1％至约10％的量存在。

组合物中可包含增稠剂。增稠剂可包括但不限于单硬脂酸甘油酯。以整个组合物的重量计，增稠剂可以以小于1％至约5％的量存在。

组合物中可包含稳定剂。稳定剂可包括但不限于丁基化羟基甲苯或丁基化羟基苯甲醚或类似物。以整个组合物的重量计，稳定剂可以以小于1％至约2％的量存在。

组合物中可包含另外的油和溶剂以调整处于其液体形式的组合物的粘度。

可用于本发明的染料包括但不限于FD&C黄色#5(购自B F Goodrich HiltonDavis Chemical Company,Brecksville,Ohio)、FD&C黄色#6(购自B F Goodrich HiltonDavis Chemical Company)、D&C黄色#10(购自Warner Jenkinson,St.Louis,Mo.)、FD&C蓝色#1(购自B F Goodrich Hilton Davis Chemical Company)、D&C红色#28(购自WarnerJenkinson)、D&C红色#33(购自Warner Jenkinson)、品红色分散体(Magenta Dispersion)(购自Warner Jenkinson)、绿色分散体(Green Dispersion)(购自Colorcon,West Point,Pa.)和黄色分散体(Yellow Dispersion)(购自Colorcon)。

染料以足以给予组合物明显着色的量存在。以整个组合物的重量计，染料可以以小于1％至约10％的量存在。

许多颜料可用作本发明组合物的染料成分。液体填充组合物可被着色为红色、品红色、粉红色、黄色、蓝色、橙色、紫色、紫罗兰色、绿色等。通常，使用高度可见的诱人颜色，包括颜色的荧光版本。

可使用下文详细描述的光或通过来自单独装置或阳光的光来固化油墨组合物。

笔400的可备选实施方案在图5-11中提供，其使用人造光阵列420来固化从笔400挤出的油墨组合物。外部人造光可用于固化油墨组合物，诸如来自内灯或来自聚光灯的光。还可使用自然阳光。额外的光加速了固化过程。

笔400包括外壳436和可移除可压缩的储液囊402，该储液囊402具有近端404、远端406和从近端404延伸至远端406的侧壁408，储液囊402容纳液体复合物110；喷嘴412联接至储液囊402的近端404，液体复合物通过喷嘴离开储液囊。当压缩储液囊402时，储液囊402中的液体复合物110被迫离开喷嘴412。可压缩储液囊402由薄壁塑料构建，其允许人手进行手动压缩。喷嘴412足够大，以使一定量的复合物110挤出在表面上。如图所示，储液囊402旨在用于手动压缩储液囊以从储液囊挤出组合物。然而，设想其他挤出机制是合适的并且同样可使用。设想第一实施方案使用的加压夹也可用于压缩本实施方案的储液囊402。

如图5所示，笔400是沿着笔400的纵轴延伸的细长结构以适合手。光阵列420提供用于储液囊内的液体油墨在挤出后的固化机制。喷嘴412位于笔400的近端414，邻近照明阵列420，并从那里延长一段距离以允许从喷嘴挤出。

如本领域技术人员理解的，在固化前，必须将油墨组合物从喷嘴中完全挤出，否则喷嘴将被堵塞。因此，在固化前，油墨组合物必须远离喷嘴，并且任何固化机制必须适应该挤出。本发明的人造照明阵列420使用结构有效的喷嘴并结合光布置以提供挤出点附近的固化机制，且不堵塞喷嘴开口438。

如图9所示，喷嘴从储液囊402的主体452延伸。喷嘴包括圆形末端450，其包括挤出孔448和倾斜喷嘴主体454，其从笔400的近端414的环绕424延伸。图7所示的倾斜喷嘴部分454是具有围绕喷嘴部分454的周长的三个弓形或倾斜凹口456的弓形部分。在弓形凹口456之间，三个弓形桥458沿着喷嘴部分454的周长延伸。结合下文更充分地讨论光阵列420，当与光阵列420一起使用时弓形桥458产生阴影以限制喷嘴的最近尖端的光暴露至远离喷嘴更远的距离。

照明阵列420包括至少两种指向喷嘴412的光416、418，以当从喷嘴412挤出组合物时向其提供光源。在试验中，申请人发现多种光可帮助提高油墨组合物的固化速度。也可在光阵列中提供另外的光422以用另外的光来固化挤出的组合物。使油墨组合物固化的速度显著影响产品的使用。在该方式中，组合物在被挤出时可固化并且凝固。邻近喷嘴454的弓形桥458设置这些光416、418、422。照明阵列420的光指向朝喷嘴的尖端450的一定角度。光的角度可为20度至60度。

在喷嘴412周围以一定角度排列提供照明阵列420以有效引导光朝向喷嘴412的尖端。如图所示，布置照明阵列为在喷嘴周围等距隔开的光416、418、422。光416、418、422可包括本领域已知的任何灯泡，其足以提供光以固化挤出的组合物。光416、418、422设置在笔400的近端414的环绕424内。环绕424可为凹形并且可为光滑的或有角的并且反光以放大由光元件416、418、422产生的光。示出的环绕424包围喷嘴。

可将诸如透镜的适于光透射和放大的放大装置480与笔的外壳436连接。放大装置480可用于放大来自环境或来自光阵列420的光以更快地固化组合物。放大装置480包括至少一个透镜482以放大光。

照明阵列420具有电源426和控制电路434。电源426可为存放在装置内的电池并且通过进入位于笔400的远端430的开口428进行更换。按纽432控制照明阵列420的操作。控制电路434调整光阵列420的强度水平处于安全水平和充足水平以固化油墨组合物。控制电路434可包括用于电源426的升压器或减压器。

可移除储液囊402安装在位于外壳436中的凹进438内。储液囊包括喷嘴412作为一体化结构。在外壳436中放置可压缩储液囊402时将喷嘴412安装在环绕的凹进内。

从前述内容可以看出，本发明连同结构固有的其他优点可更好地适合获得本文阐述的所有目的和目标。尽管已经详细描述本发明，上述内容仅为了说明的目的并且不应认为以任何方式限制本发明的范围。如本领域技术人员更显而易见的，各种其他修改和组件包括在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种油墨组合物，其配置用于在绘图仪器或三维打印机中使用，所述油墨组合物包含：

不饱和预聚物；

光引发剂，其选自聚合光引发剂的苯甲酰基氧化膦种类组成的组；以及

染料。

2.根据权利要求1所述的油墨组合物，其中所述不饱和预聚物以组合物总重量的约60％至约85％的量存在。

3.根据权利要求1所述的油墨组合物，其还包含第二光引发剂，所述第二光引发剂选自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯组成的组。

4.根据权利要求1所述的油墨组合物，其还包含乳化剂。

5.根据权利要求1所述的油墨组合物，其还包含光分散剂。

6.根据权利要求1所述的油墨组合物，其还包含稳定剂，所述稳定剂选自丁基化羟基甲苯、丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯的类似物和丁基化羟基苯甲醚的类似物组成的组。

7.根据权利要求2所述的油墨组合物，其还包含：

第二光引发剂，其选自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯组成的组；

光分散剂；以及

稳定剂，其选自丁基化羟基甲苯、丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯类似物和丁基化羟基苯甲醚类似物组成的组。

8.一种绘图装置，其包括：

外壳，其具有用于容纳油墨组合物的可压缩储液囊；

喷嘴，其配置为从所述可压缩储液囊挤出所述油墨组合物；

所述油墨组合物还包含光可固化的树脂。

9.根据权利要求8所述的绘图装置，其还包括电源和邻近所述喷嘴的光阵列，所述光阵列具有至少一种配置为用于辐照从所述喷嘴挤出的油墨组合物的光。

10.根据权利要求8所述的绘图装置，所述油墨组合物包含：

光引发剂，其选自聚合光引发剂的苯甲酰基氧化膦种类组成的组；以及

染料。

11.根据权利要求10所述的绘图装置，所述油墨组合物还包含：

第二光引发剂，其选自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯组成的组；

光分散剂；以及

稳定剂，其选自丁基化羟基甲苯、丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯类似物和丁基化羟基苯甲醚类似物组成的组。

12.根据权利要求9所述的绘图装置，所述光阵列还包括设置在所述喷嘴周围的至少两种光。

13.根据权利要求8所述的绘图装置，其还包括邻近所述喷嘴的凹形环绕。

14.根据权利要求8所述的绘图装置，其还包括放大装置。

15.一种绘图装置，其包括：

外壳，其包括电源并且被配置以接收用于容纳油墨组合物的可压缩储液囊，所述可压缩储液囊还包括被配置以从所述可压缩储液囊挤出所述油墨组合物的喷嘴；以及

光阵列，其具有至少两种被配置以从所述电源接收电能的光，所述光阵列邻近所述喷嘴并且与所述喷嘴成一定角度排列，所述至少两种光被配置以辐照从所述喷嘴挤出的油墨组合物。

16.根据权利要求15所述的绘图装置，所述油墨组合物包含：

不饱和预聚物；

光引发剂，其选自聚合光引发剂的苯甲酰基氧化膦种类组成的组；以及

染料。

17.根据权利要求16所述的绘图装置，所述油墨组合物还包含：

第二光引发剂，其选自(4-二甲基氨基)苯甲酸乙酯和(2-二甲基氨基)苯甲酸乙酯组成的组；

光分散剂；以及

稳定剂，其选自丁基化羟基甲苯、丁基化羟基苯甲醚、丁基化羟基甲苯类似物和丁基化羟基苯甲醚类似物组成的组。

18.根据权利要求15所述的绘图装置，其还包括放大装置。