TILLE, Carsten (Argelanderstr. 2B, Bonn, 53115, DE)
SEITZ, Hermann (Dottendorferstrasse 8, Bonn, 53173, DE)
BENS, Arthur (Rodstrasse 1, Köln, 51067, DE)
BERMES, Günter (Prinzgasse 33, Alfter, 53344, DE)
SOBE, Ralf (Zinnbruch 28, Bonn, 53129, DE)
TILLE, Carsten (Argelanderstr. 2B, Bonn, 53115, DE)
SEITZ, Hermann (Dottendorferstrasse 8, Bonn, 53173, DE)
BENS, Arthur (Rodstrasse 1, Köln, 51067, DE)
BERMES, Günter (Prinzgasse 33, Alfter, 53344, DE)
| Ansprüche
1. Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objektes (3), wobei in einem Verfahrensschritt Bereiche einer auf einer Bauplattform (1) befindlichen verfestigbaren Flüssigkeit (7) ausgewählt und mit einer insbesondere elektromagnetischen Strahlung (13) zur Verfestigung einer Schicht bestrahlt werden, wobei in einem nachfolgenden Recoatingschritt die verfestigte Schicht wiederum mit Flüssigkeit (7) bedeckt wird, wobei zur vollständigen Bedeckung der verfestigten Schicht mit Flüssigkeit (7) ein Wischblatt („Rakelklinge") (9) in einem vorgebbaren Abstand über die verfestigte Schicht geführt wird, wobei die Verfahrensschritte zum Aufbau weiterer Schichten wiederholt werden, bis das Objekt (3) fertiggestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wischblatt (9), bevor es über die Schicht geführt wird, zunächst über ein Abstreifmittel geführt und damit von einer daran befindlichen überlast befreit wird, wobei das Abstreifmittel eine Abstreiffläche oder eine Abstreifkante aufweist, die zumindest nahezu auf dem Niveau der verfestigten Schicht liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) auf der Bauplattform (1) frei stehend aufgebaut wird, wobei im Recoatingschritt sich auf dem Abstreifmittel befindliche Flüssigkeit (7), insbesondere mittels des Wischblattes (9), seitlich auf die verfestigte Schicht geschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) auf der Bauplattform (1) frei stehend aufgebaut wird, wobei im Recoatingschritt die Flüssigkeit (7) über eine Fördereinrichtung (18) gefördert und von oben auf die verfestigte Schicht in Tropfen oder Strahlen aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die verfestigte Schicht aufgebrachte Flüssigkeit (7) mit dem Wischblatt (9) glattgestrichen wird, wobei überschüssige Flüssigkeit (7) über den Rand des Objektes (3) hinweg in eine die Bauplattform (1) umgebende Auffangwanne (2) läuft.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) ein schichtweise mitwachsendes äußeres für die Flüssigkeit (7) undurchlässiges Behältnis (5) aufweist, in dem ein den letztendlichen Gegenstand bildendes Bauteil (4) schichtweise aufgebaut wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wandungen des äußeren Behältnisses (5) und dem Bauteil (4) eine insbesondere als feinmaschiges Gitter ausgebildete mitwachsende Hüllstruktur schichtweise aufgebaut wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Rand des Bauteils (3) angepasste Offsetschale erzeugt wird, wobei zwischen der Offsetschale und dem Bauteil (3) lediglich ein schmaler Harzspalt verbleibt, wobei die Offsetschale insbesondere selbst in ein äußeres Hüllgitter eingebettet ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gebogene Schichten dadurch erzeugen werden, dass in einem Stapel dünner Schichten gezielt Bereiche einzelner Schichten ausgenommen bleiben.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Objekt (3) aus verschiedenen Materialien gefertigt werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (3) nach einem Verfestigungsschritt zusammen mit dem Flüssigkeitsspiegel abgesenkt wird.
11. Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einer Schicht auf einer bereits verfestigten Schicht nach dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Abstreifmittel, das dem Wischblatt (9) etwa in Höhe der nächsten zu fertigenden Schicht eine überfahrbare Struktur, insbesondere eine Kante oder eine Fläche bietet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreifmittel von einer horizontalen Kontaktplatte (8) mit ebener Oberfläche gebildet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, mit denen die Oberfläche der Kontaktplatte (8) auf das Niveau der zuletzt verfestigten Schicht bringbar ist
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abstreif mittel von einer das zu fertigende Bauteil umgebenden Hüllstruktur gebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Pumpkreislauf, der die Flüssigkeit (7) von der Auffangwanne (2) zum Recoater zurück pumpt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangwanne (2) im Rahmen des geschlossenen Pumpkreislaufes ein Vorratsgefäß für die Flüssigkeit (7) bildet. |
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON DREIDIMENSIONALEN FORMKORPERN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objektes, wobei in einem Verfahrensschritt Bereiche einer auf einer Bauplattform befindlichen verfestigbaren Flüssigkeit ausgewählt und mit einer insbesondere elektromagnetischen Strahlung zur Verfestigung einer Schicht bestrahlt werden, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt die verfestigte Schicht wiederum mit Flüssigkeit bedeckt wird, wobei zur vollständigen Bedeckung der Schicht ein Wischblatt in einem vorgebbaren Abstand über die verfestigte Schicht geführt wird, wobei die Verfahrensschritte zum Aufbau weiterer Schichten wiederholt werden, bis das Objekt fertiggestellt ist. Die Erfindung betrifft zudem eine insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Derartige Stereolithographieverfahren werden beispielsweise zur raschen („rapid") Entwicklung von Prototypen eingesetzt. Dabei werden mit einem solchen „Rapid- Prototyping" individuell geformte Bauteile anhand von Datensätzen, die Schichten des dreidimensionalen Objektes repräsentieren, hergestellt. Das geschieht, wie oben dargestellt, durch die entsprechend schichtweise selektive Strahlenhärtung eines insbesondere flüssigen Photopolymers. Da mit dem Rapid-Prototyping Bauteile in nahezu jeder gewünschten Form angefertigt werden können, werden diese Verfahren nicht nur in der Produktentwicklung sondern bevorzugt auch in der medizinischen Therapie zur Anfertigung individueller Prothesen eingesetzt.
Generell gilt, dass ein solches Photopolymer (Stereolithographieharz), wenn es mit insbesondere elektromagnetischer Strahlung einer Energiedichte E beleuchtet wird, bis in eine Tiefe von Cd = DP * In (E / EC) aushärtet, wobei mit DP und EC Harzkonstanten bei der verwendeten Wellenlänge der Strahlung bezeichnet sind.
Der Prozess wird in einem mit Harz befüllten Gefäß durchgeführt, in dem sich eine als Unterlage dienende horizontalebene Trägerplatte befindet. Diese Trägerplatte wird zunächst in einem „Recoating" Schritt mit einer Harzschicht einer Dicke d bedeckt, indem die Oberfläche der Trägerplatte etwas unter die Oberfläche des Photopolymers abgesenkt wird. Um die vollständige Bedeckung der Trägerplatte mit einer dünnen Harzschicht trotz der Oberflächenspannung des flüssigen Harzes gewährleisten zu können, gibt es unterschiedliche Vorgehensweisen. Zum einen kann die Trägerplatte entweder so tief abgetaucht werden, bis sich die Oberfläche darüber schließt, bevor sie dann wieder bis nahe unter die Oberfläche angehoben wird. Es jedoch ist zum anderen auch möglich, die Trägerplatte nur um das Maß der zu erzeugenden Schichtdicke abzusenken, um nachfolgend mit einem darüberzuführenden Wischblatt, einer sogenannten „Rakelklinge", das Harz auf der Trägerplatte gleichmäßig zu verteilen.
überall dort, wo die Schicht auf der Trägerplatte ausgehärtet werden soll, wird sie mit einer ausreichenden Intensität beleuchtet, wobei die Bedingung Cd > d erfüllt wird. Unter dieser Bedingung härtet die Schicht komplett durch und verklebt mit der Unterlage, respektive mit der darunter liegenden Schicht. An den nicht beleuchteten Stellen bleibt das Harz hingegen flüssig. Dabei sind die Muster der Beleuchtung im Computer, der auch die insbesondere einen Laser aufweisende Strahlenquelle steuert, als Schnitte des zu erzeugenden Objektes zu der jeweiligen Bauhöhe gespeichert. Nach der Aushärtung der Schicht wird die Unterlage wiederum um die Dicke einer Schicht abgesenkt. Die verfestigte Schicht dient nun als Unterlage für die nächste Schicht. Auf die vorhandene Schicht wird erneut eine Harzschicht aufgetragen und selektiv ausgehärtet, so wächst das Objekt um eine weitere Schicht in die Höhe. Um ein Umkippen des Objektes während des Aufbaus zu vermeiden, kann dieses von einer leicht zu entfernenden Stützstruktur („Support") unterfüttert werden.
Schon an dieser Stelle sei eine nachfolgend verwendete Terminologie eingeführt: So wird das letztendlich gewünschte Teil als „Bauteil" bezeichnet, wobei das Bauteil mit seinen eventuellen Hilfs- oder Stützstrukturen, so wie es im Verfahren
entsteht, als „Objekt" bezeichnet wird. Die später zu entfernenden Hilfs- oder Stützstrukturen werden ganz allgemein als „Strukturen" oder „Support" bezeichnet.
Jedoch tritt bei der Nutzung der Rakelklinge gerade bei der Fertigung dünner Schichten folgendes Problem auf: Wenn die Rakelklinge auf den Rand des auf der Oberfläche mehr oder weniger stark mit Harz benetzten Objektes zufährt, um die Schicht glattzustreichen, entlädt sich zunächst die an der Klinge haftende und ein Harzreservoir bildende überlast am Rand des Objektes. Das geschieht sowohl bei Systemen, bei denen die Rakelklinge aus Luft kommend auf den Rand zufährt als auch bei den Systemen, bei denen sie aus einem Harzbad kommt. Es lässt es sich daher bislang nicht vermeiden, dass am Rand des Objektes ein Wulst aus Harz aufgeworfen wird, dessen Höhe größer als die gewünschte Schichtstärke ist.
Dabei ist es besonders problematisch, dass sich mit fortschreitender Bauhöhe die Dickenfehler an diesen Stellen addieren und diese Beule über die Fahrebene der Rakelklinge hinauswächst. Irgendwann berührt die Rakelklinge das Objekt und es kommt zu einem lokalen Abriss einer Schicht oder zu einem völligen Wegreißen des mitunter schlecht fixierten Objektes. In der Folge stören Abrisspartikel und zerfetzte Schichten den Bauprozess oder bringen ihn völlig außer Kontrolle. Dabei werden die Partikel bei einer nachfolgenden Belichtung festgeklebt und stören die Bauteilgeometrie auf unvorhersehbare Weise. Die an der Seite aufgerissenen Schichten können auch als Reißlaschen fungieren, die beim nächsten Recoating neue Abrisspartikel freisetzen. Unter ungünstigen Umständen kann selbst ein einzelnes abgerissenes Partikel eine sich selbst verstärkende Prozessinstabilität verursachen.
Versuche, dieses Problem durch eine Modifikation der Kante der Rakelklinge beispielsweise durch Abrunden zu beheben, waren bislang nur von geringem Erfolg. Damit wird der Bauprozess bezüglich singulärer Störungen zwar etwas toleranter, jedoch kann der Randhäufungseffekt, der regelmäßig zu einer heftigen Rakelberührung führt, letztendlich nicht vermieden werden. Allerdings tritt der Effekt erst oberhalb einer gewissen Bauhöhe in der Größenordnung von einem Millimeter auf.
Zudem ist die verhältnismäßig große Harzmenge nachteilig, die zur Füllung notwendig ist. Dabei ist diese nur von der Vorrichtung, nicht aber von der Größe des zu bauenden Objektes abhängig. Mit der Harzmenge wächst jedoch der Aufwand für einen Harzwechsel, was die Wahl der Materialien einschränkt. Mit den bekannten Verfahren kann nur ein Material pro Objekt verwendet werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Systeme ist, dass der Prozess bei der Erzeugung besonders dünner Schichten, wie sie für besonders kleine Objekte benötigt werden, instabil werden kann und geometrische Abweichungen erzeugt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun einerseits darin, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, das sich einfach umsetzen lässt und mit dem sich Objekte auch verhältnismäßig kleiner Dimensionen ohne besonderen Aufwand akkurat fertigen lassen, wobei die genannten Nachteile betreffend die Beschädigung des sich aufbauenden Objektes durch die an einer „Wucherung" hängend bleibenden Rakelklinge so weit wie möglich behoben werden sollen. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung geht zunächst davon aus, dass das Abstreifen der Rakelklinge nicht am letztendlich zu fertigenden Bauteil oder an einer anderen besonders heiklen Stelle des Objektes geschieht, sondern schon im Vorfeld an einer unkritischen Stelle vorgenommen wird. Erfindungsgemäß wird das Wischblatt daher, bevor es zur Glättung der Flüssigkeit über die kritischen Stellen der zuletzt verfestigten Schicht geführt wird, zunächst über ein extra dafür vorgesehenes Abstreifmittel geführt und damit von der daran haftenden überlast befreit. Dabei ist es auch ein wesentlicher Gesichtspunkt, dass das Abstreifmittel eine Abstreiffläche oder Abstreifkante aufweist, die zumindest nahezu auf dem Niveau der zuletzt verfestigten Schicht liegt, so dass die Rakelklinge praktisch in derselben Ebene weitergeführt werden kann, ohne dass es zu Anhäufungen oder Abfluss von Material aufgrund von Stufen zwischen den Ebenen kommen kann.
Unter diesem Aspekt ist es außerdem wichtig, dass sich zwischen der Oberfläche der Schicht und der Abstreiffläche oder Abstreifkante kein Spalt von unakzeptabler Größe auftut, der Materialverschiebungen der genannten Art bewirkt und damit den Effekt des Abstreifens zunichte macht. Für die Konzeption des Abstreifmittels gibt es verschiedene Möglichkeiten, die an späterer Stelle vorgestellt werden. So kann dieses von der zu beschreibenden Kontaktplatte oder von Teilen des zu erzeugenden Objektes gebildet werden.
Zunächst sei jedoch folgendes erwähnt: Auch wenn sich der erfindungsgemäße Gedanke des Einsatzes eines Abstreifmittels prinzipiell auf jedes der bekannten Schichtauftragverfahren anwenden lässt, so ist er doch in den Fällen besonders vorteilhaft, in denen eine Abkehr von dem bislang angewandten Prinzip vorliegt, wonach die Trägerplatte respektive die auf ihr befindlichen ausgehärteten Schichten und damit das Objekt in das mit Harz befüllte Bad abgesenkt werden. Vorteilhafterweise wird die Erfindung mit einem Verfahren in Verbindung gebracht, bei dem das zu fertigende Objekt gewissermaßen freistehend auf der Trägerplatte in die Höhe gebaut wird, wobei das Recoating, also das Bedecken der fertigen Schichten mit Harz, von oben herab aus einem mit Harz gefüllten Reservoir geschieht. Dabei kann das Objekt entweder von oben mit Harz „beregnet" werden oder das Harz wird von der Seite auf das Objekt aufgebracht. Auf jeden Fall bedarf es jedoch gerade bei dieser Vorgehensweise eines Wischblattes, das die so aufgebrachte Harzschicht glättet.
Das kann geschehen, indem im Recoatingschritt die sich auf dem Abstreifmittel befindliche Flüssigkeit mittels der Rakelklinge seitlich auf die verfestigte Schicht geschoben wird oder indem die Flüssigkeit über eine Fördereinrichtung gefördert und von oben auf die verfestigte Schicht in Tropfen oder Strahlen aufgebracht wird.
In Verbindung mit dem frei in die Höhe wachsenden Objekt wird ein weiterer Gedanke erfindungswesentlich: Damit das Harz nicht schon vor der Verfestigung von der Oberfläche abläuft, ist es nahezu unabdingbar, das zu fertigende Objekt während des Schichtaufbaus mit einem Behältnis zu umgeben, dessen Wände
das Ablaufen verhindern. Dabei wird dieses Behältnis, das insbesondere in Form einer das Objekt einfassenden Wanne ausgebildet ist, erfindungsgemäß mit dem Objekt gemeinsam aufgebaut, so dass Objekt und Behältnis wiederum ein gemeinsames einziges Objekt bilden.
Um ein Auslaufen des Harzes möglichst effektiv zu verhindern, ist es dabei von Vorteil, zunächst die Wandungen des Behältnisses zu belichten und so zu erhärten, bevor die Schicht des innerhalb des Behältnisses befindlichen Teil des Objektes belichtet wird. Es ist auch denkbar, nach dem Recoating zunächst die Wandung des Behältnisses zu erzeugen, bevor das nunmehr gegenüber der Oberfläche des restlichen Objektes um eine Schichtdicke erhöhte Behältnis in einem weiteren Recoating noch einmal mit Harz angefüllt und die nächste Schicht des restlichen Objektes verfestigt wird. Dies könnte bei größeren Schichtstärken und dünnflüssigen Materialien erforderlich werden, falls das Harz schneller vom Objekt herunterläuft, als es belichtet werden kann. In besonderen Fällen muss die Erhöhung der Wandung des Behältnisses sogar in mehreren Schichten gebaut werden.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise bietet gegenüber dem Stand der Technik einige Vorteile: So können wesentlich dünnere Schichten und damit Bauteile mit entsprechend höherer Auflösung erzeugt werden. Zudem ist von Vorteil, dass das Verfahren mit einer verhältnismäßig geringen Menge an Harz (Photopolymer) auskommt, was gerade beim Bau kleiner Objekte zu großen Einsparungen beiträgt und was einen zwischenzeitlichen Austausch des Harzes und damit eine Fertigung mit mehreren Komponenten ermöglicht. Dazu weist die Vorrichtung vorteilhafterweise einen geschlossenen Pumpkreislauf auf, der die geringe Menge an Harz umwälzt. Zudem können zur Erzeugung kontinuierlich gekrümmter Oberflächen die Krümmungseffekte der Ablaufkanten wie auch die Abhängigkeit der Schichtdicken vom Recoatingspalt gezielt genutzt werden.
Um Baugeometrien nahezu beliebiger Höhe zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, als Abstreifmittel am Rand der in die Höhe wachsendenden Struktur eine stationäre Kontaktplatte vorzusehen, die im Prinzip eine Verlängerung der Bauebene bildet.
Diese Kontaktplatte wird zu Beginn des Prozesses möglichst exakt auf die Höhe einer Bauplattform justiert, auf der das Objekt aufgebaut wird. Der verbleibende Spalt zwischen dem mit dem Behältnis umgebenen Objekt, und der Kontaktplatte ist dabei zu minimieren. Die von der Oberfläche der Plattform definierte Bauhöhe sollte vorteilhafterweise mindestens eine Schichtdicke unterhalb der Fahrebene der Rakelklinge liegen. Während die Bauplattform mit dem darauf in die Höhe wachsenden Objekt abgesenkt wird, verbleibt die Kontaktplatte vorteilhafterweise auf ihrer ursprünglichen Höhe. Das umgebende Behältnis wird damit unmittelbar am Rand der Kontaktplatte gebaut, wobei sich die Ränder von Behältnis und Kontaktplatte vorteilhafterweise möglichst stark anschmiegen, um den Spalt als Ablauf zu verringern. Besonders einfach ist es dabei, das umgebende Behältnis mit einer senkrechten Wandung in die Höhe wachsen zu lassen. So kann einfach sichergestellt werden, dass auch im nachfolgenden Prozess der Spalt zwischen Kontaktplatte und Struktur hinreichend klein bleibt.
Beim Recoating kann der angrenzende Teil der Kontaktplatte und gegebenenfalls auch die Oberfläche des Objektes mit Harz benetzt werden. Anschließend wird die Rakelklinge von der Kontaktplatte her kommend über das Objekt geführt, wobei das problematische Harzreservoir beim Start der Bewegung auf der Kontaktplatte verbleibt. Wenn das Objekt erreicht wird, hat sich die Rückseite der Rakelklinge bereits von ihrer überlast befreit. Die Vorderseite der Rakelklinge schiebt eine „Bugwelle" über die Kontaktplatte während die Rückseite eine gleichmäßig dünne Harzschicht hinterlässt. Dabei verursacht ein feiner Grenzspalt oder eine kleine Stufe zwischen Kontaktplatte und Oberfläche des Objektes keinen bedeutsamen Schichtfehler.
Da sich auf einer Kontaktplatte eine „Harzpfütze" ausbilden kann, die nach dem Wegfahren der Rakelklinge langsam als kleine Flutwelle in Richtung des Objektes wandert, ist es vorteilhaft, in oder an der Kontaktplatte einen Abfluss, in einer entsprechenden Dimensionierung, insbesondere in der Form von Bohrungen, vorzusehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es mitunter dazu kommen, dass das Objekt an dem bezüglich der Bewegungsrichtung der Rakelklinge hinteren Rand wegen des ablaufenden Harzes einen etwas abfallenden Randbereich bekommt. Vorteilhafterweise wird das Verfahren daher so durchgeführt, dass dieser geneigte Randbereich an einer Stelle von geringer Relevanz zu liegen kommt. Das ist in den Fällen gegeben, bei denen ein äußeres Behältnis mitwächst und bei denen vor allem die Innenstruktur von Interesse ist. Wie schon dargelegt, werden die Ränder vorteilhafterweise unmittelbar nach dem Schichtauftrag belichtet, so dass das flüssige Harz kaum Zeit zum Abfließen hat. Dabei gilt: Je kürzer die Zeit zwischen dem Schichtauftrag und dem Belichten, desto weniger kann die unvermeidliche Randkrümmung nach innen wandern. Da sich auch der Rand zur Kontaktplatte aufgrund des in den Spalt hineinfließenden Harzes nach unten krümmt, wird dieser vorteilhafterweise als erstes belichtet. Dabei ist jedoch zu beobachten, dass bei einer hohen Zahl aufeinandergestapelter Randschichten sich der Rand nicht weiter absenkt, sondern dass die Randkrümmung gegen eine „natürliche" Kurve konvergiert, die von den Prozessparametern abhängig ist. Daraus folgt, dass die Bauhöhe im Prinzip unbegrenzt ist, wobei die gekrümmten Schichtränder die Ebenheit der Schichten im Inneren schützen.
In den Fällen, in denen das aufzubauende Objekt hinreichend breite und zugleich tiefe Ausnehmungen aufweist, lässt sich der oben beschriebene Häufungseffekt an den Rändern der Ausnehmungen trotz Einsatz der Kontaktplatte nicht ganz vermeiden. Es ist jedoch zu beobachten, dass dieser Effekt unterhalb einer bestimmten Größe der Ausnehmungen nicht mehr auftritt. Somit wirkt also ein feinmaschiges Gitter bezüglich der an der Rakelklinge haftenden überlast ebenso abstreifend wie das Abstreifmittel. Es ist daher besonders vorteilhaft, das Bauteil in ein derart feines Gitter einzubetten respektive das Objekt um ein solches Gitter zu ergänzen, um den Randhäufungseffekt zu vermeiden. Dieses Gitter wird dann zum Freilegen des Bauteils später entfernt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist daher das Objekt das äußere Behältnis als Bauwanne auf, in der sich das Bauteil befindet. Der Raum
zwischen den Wandungen des Behältnisses und dem Bauteil wird durch eine feinmaschiges Gitterstruktur aufgefüllt. Mit Hilfe der Kontaktplatte kann ein solches Objekt frei in die Höhe gebaut werden, wobei sich die Schichtstörungen nur noch auf die Außenwand beschränken, während die Schichten im Inneren, also die des Gitters und insbesondere die des enthaltenen Bauteils, vollkommen eben sind. Mit dieser Methode können im Prinzip beliebige Bauteilgeometrien erzeugt werden. Die Gitterstruktur erfüllt dabei eine Doppelfunktion. Sie dient einerseits als Support, der das Bauteil fixiert, und zum anderen sorgt er für ebene Schichten. Im folgenden wird diese Gitterstruktur als Hüllgitter bezeichnet, wobei das Hüllgitter beliebig aufgebaut sein kann und keine regelmäßige Struktur aufweisen muss. Notwendig ist lediglich eine begrenzte Größe der Ausnehmungen respektive der Löcher und eine hinreichende mechanische Stabilität.
Das Hüllgitter ist dabei vorteilhafterweise so beschaffen, dass es durchlässig ist, damit das Harz nach Fertigstellung des Objektes vollständig ausgeschleudert oder ausgeblasen werden kann. Anschließend kann das Hüllgitter zusammen mit dem umgebenden Behältnis und/oder dem darin befindlichen Bauteil in einem Bad mit Lösungsmittel gereinigt werden. Scharfe Lösungsmittel diffundieren in die Polymermatrix hinein und zerlegen das Hüllgitter rasch, während von dem inneren Bauteil lediglich die Oberfläche angegriffen wird. Auf diese Art lässt sich das Bauteil nahezu zerstörungsfrei vom Hüllgitter und/oder dem Behältnis befreien. Wenn das Bauteil allseitig in das Hüllgitter eingebaut war, so verbleiben an den Kontaktstellen höchstens kleine Narben am Bauteil zurück. Das kann dadurch vermieden werden, dass die Kontaktzonen der Gitterstreben möglichst schwach ausgebildet werden.
Um weitere störende Effekte zu vermeiden kann es auch vorteilhaft sein, eine an den Rand des Bauteils angepasste „Offsetschale" als zweite Hülle zu erzeugen, wobei zwischen der Offsetschale und dem Bauteil lediglich ein schmaler Harzspalt verbleibt. Die Offsetschale ist selbst vorteilhafterweise in ein äußeres Hüllgitter eingebaut. Zwischen Offsetschale und Bauteil kann ein geringer Support an den Stellen vorgesehen werden, wo er am wenigsten stört. Die Offsetschale kann als
weiterer Teil des Objektes wiederum mit dem beschriebenen grundlegenden Verfahren erzeugt werden, wobei durch das Programm auf die die Oberfläche des Bauteils repräsentierenden Werte jeweils ein Offsetwert addiert wird. Um die Offsetschale mit dem Bauteil zu verbinden, werden vorteilhafterweise nahezu punktförmige Objekte oder schmale Linienzüge zwischen Offsetschale und Bauteil vorgesehen. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Offsetschale geschlossen ist. Sie kann beispielsweise auch als feinmaschiger Gitterkäfig ausgebildet werden.
Es ist auch vorteilhaft, das Harz zwischen dem Behältnis und dem Bauteil gerade so stark zu belichten, dass es eine geleeartiger Konsistenz annimmt. Dann wird das Bauteil von einer Hüllstruktur aus Gelee gehalten, dessen Kontaktlinien so dünn wie möglich gebaut sein sollten. Der Geleesupport kann mit mäßig scharfen Lösungsmitteln zerstört werden. Aus der aufgeweichten Hülle kann nun ein praktisch narbenfreies Bauteil entnommen werden.
Bei komplizierteren Geometrien ist es vorteilhaft, im Hüllgitter Trennflächen zu erzeugen. Dazu kann auf dem gewünschten Flächenbereich eine zusätzliche Perforierung oder eine lokale Materialschwächung des Hüllgitters, beispielsweise durch selektive Unterbelichtung, vorgenommen werden. Dabei eignen sich auch plattenförmige Ausnehmungen als Trennflächen. Die Trennflächen können als dreidimensionale Daten vorliegen, die mit entsprechenden dreidimensionalen Datenverarbeitungswerkzeug erstellt werden. Die Trennflächen können gemäß einer vorhergeplanten Entpackstrategie in einer gewissen Reihenfolge geöffnet werden, um das Bauteil freizulegen. So kann das Bauteil leicht, schnell und beschädigungsfrei entpackt werden. Im Falle sehr empfindlicher Bauteile kann ein Sockel vorgesehen werden, auf dem das Bauteil über Supportstrukturen fixiert ist. Nach dem Freilegen des Sockels kann das aufstehende Bauteil beispielsweise durch ein Lösungsmittel oder manuell - gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Stereomikroskops - vorsichtig vom Untergrund gelöst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist eine weitere Möglichkeit zur Strukturierung der Bauteile gegeben. So lassen sich innerhalb gewisser Grenzen
gebogene Schichten dadurch erzeugen, dass in einem Stapel dünner Schichten gezielt Bereiche einzelner Schichten ausgenommen bleiben. Bei hinreichender Belichtung führt dies nicht zu einer Delamination der auf die Fehlschicht folgenden Schicht. Statt dessen wird die Fehlschicht durch eine um rund 50 Prozent dickere Schicht überbrückt, welche gleichzeitig um rund 50 Prozent der Schichtdicke absackt, weil die resultierende Schichtdicke in etwa der Hälfte des jeweiligen Recoaterspaltes entspricht. Deshalb nivellieren sich auch die Krümmungseffekte rasch im Zuge weiterer aufgebrachter Schichten.
Mit dieser Methode ließe sich beispielsweise ein sanftes glattes Mikrorelief erzeugen. Auf jeden Fall ist es möglich, die natürliche Randkrümmung eines freiwachsenden Bauteils künstlich zu verstärken. Dazu ist die äußere Randzone der Schichten in gewisser Regelmäßigkeit in variabler Breite einzuschneiden. Die Krümmung der Bauteiloberfläche lässt sich durch eine online-Messung erfassen, indem beispielsweise ein Lasertriangulationssensor an den Recoater montiert wird. Damit ist es möglich, das Wachstum gekrümmter Schichten gezielt zu steuern.
Neben der bislang dargestellten Ausführungsform der Kontaktplatte mit geraden Kontaktrand, der senkrecht zur Richtung des Recoating verläuft, kann es für manche Anwendungen vorteilhaft sein, eine Kontaktplatte mit gekrümmtem oder polygonalem Rand vorzusehen. Ein solcher Rand bedingt einen entsprechend negativen Rand der Bauplattform. Wie bei den vorher beschriebenen Verfahren ist auch im Fall des gekrümmten Randes der Kontaktplatte bei Verwendung zweier Kontaktplatten ein „bidirektionales" Recoating mit einem Hin und Her der Rakelklinge möglich. Der Recoater steht nach Verfestigung einer Schicht entweder auf der einen oder auf der gegenüberliegenden Seite.
Bei das Objekt einfassenden rahmenförmigen Kontaktplatten wäre die zugehörige Bauplattform maximaler Größe ein Stempel, der genau in das Rahmenloch passt. Dabei würde die Lochform vorteilhafterweise den Bereich der besten Belichtung wiederspiegeln. Falls dabei die gesamte Außenwand zur rahmenfüllenden Kontaktwand wird, ergibt sich folgende Besonderheit: Die Rakelklinge könnte nun
eine Harzwelle von einer Rahmenseite über das Bauteil zur anderen Seite treiben, wobei nur ein kleiner Verlustanteil im Kontaktspalt verschwinden würde. Wenn die Vorderseite der Rakelklinge zu einer U-förmigen Bucht geformt ist, dann bleibt die Harzwelle während des Recoatings in der Bucht gefangen, bis sie am Ende beispielsweise im Sammelgefäß landet oder abgesaugt wird. Damit bietet sich die Möglichkeit zwei verschiedene mischbare Materialien im demselben Bauprozess einzusetzen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens respektive der Vorrichtung liegt auch darin, dass sie sich relativ einfach für den Einsatz verschiedener Materialien umbauen lässt. Dabei ist es vorteilhaft, nach dem Verfestigen einer Schicht das verbleibende Harz zunächst mit einer Kombination aus Saug- und Blasdüsen gründlich zu entfernen, um anschließend die nächste Sorte Harz aufzutragen. Dazu könnte der Recoater mehrere Schächte für entsprechend mehrere Harze aufweisen. Alternativ können auch mehrere Recoatingachsen vorgesehen sein, die sich in einem gewissen Winkel im Baufeld schneiden. Damit wäre es möglich, die Menge des sich unvermeidlich vermischenden Harzes zu verringern. Auf diese Weise ist es auch möglich, ein Bauteil mit Schichten verschiedener Polymere zu erzeugen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 näher erklärt. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Schema der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Rapid Prototyping Verfahrens,
Figur 2 die Vorrichtung mit verschieblichen Komponenten und
Figur 3 eine Draufsicht auf den übergang von Objekt mit Offsetschale zu Kontaktplatte.
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Objektes mittels des erfindungsgemäßen Rapid Prototyping. Diese weist zunächst eine Bauplattform 1
auf, die in einer Auffangwanne 2 angeordnet ist. Auf der Bauplattform 1 wird ein Objekt 3 erzeugt, wobei das Objekt 3 im Inneren das letztendlich gewünschte Bauteil 4 aufweist, das in einem ebenso durch das Rapid Prototyping gefertigte Behältnis 5 angeordnet ist. Das Behältnis 5 ist angefüllt mit einem Hüllgitter 6, in welches das Bauteil 4 eingebettet ist. In der Zeichnung deuten die waagerechten Linien in der Wand des Behältnisses 5 und im Bauteil 4 die einzelnen nacheinander gefertigten Schichten an. Die karierte Struktur des Hüllgitters 6 deutet die Durchlässigkeit an.
Das Objekt 3, das sich aus Behältnis 5, Hüllgitter 6 und Bauteil 4 zusammensetzt wurde hergestellt, indem zunächst eine untere Schicht eines Polymerharzes 7 über eine Zuführvorrichtung 8 auf die Bauplattform 1 aufgebracht wurde. Dabei ist zu Beginn des Verfahrens eine in der Höhe verschiebliche (Pfeil A) und der Neigung justierbare Kontaktplatte 8 auf dem Niveau der Oberfläche der Bauplattform 1 angeordnet, wobei zwischen dem Rand der Bauplattform 1 und der Kontaktplatte 8 ein möglichst geringer Spalt verbleibt. Nun wird Harz 7 auf die Kontaktplatte 8 und auf die daran angrenzende Bauplattform 1 aufgetropft und mit einer verschieblichen (Pfeil A) Rakelklinge 9 glatt gestrichen. Um das Zerfließen des Harzes auf der Kontaktplatte 8 einzudämmen, ist eine Wandung 15 vorgesehen.
In diesem Beispiel ist die Rakelklinge 9 an einem verschieblichen „Recoater" 16 angeordnet. Während des Verschiebens des Recoaters tropft das Harz 7 von oben auf die Unterlage, wobei die Rakelklinge 9 beim Ausstreichen eine Bugwelle vor sich herschiebt, die letztendlich über den Rand des Objektes 3 in die Auffangwanne 2 fließt.
Da die Bewegung oberhalb der Kontaktplatte 8 einsetzt, verbleibt die an der Rakelklinge 9 haftende überlast als Harzberg 10 auf der Kontaktplatte 8, während die Rakelklinge 9 die Schicht über der Bauplattform 1 homogen ebnet. Nach dem Ebnen kann die glatte Schicht durch Bestrahlung mittels eines entsprechend ablenkbaren von oben kommenden Laserstrahles 13 an den gewünschten Stellen
gehärtet und der Vorgang in der nächsten Schicht wiederholt werden. Dazu fährt die Bauplattform mit dem Objekt um ein entsprechend großes Stück nach unten.
In diesem Fall sind in der Kontaktplatte Rückflusslöcher 11 angeordnet, über die eine Ansammlung überflüssigen Harzes 12 abfließen kann, um sich in der Auffangwanne 2 zu sammeln. Schon in der schematischen Zeichnung nach Figur 1 ist deutlich die Krümmung des Randes 14 des Behältnisses 5 zu erkennen, die sich durch das langsame Ablaufen des Harzes ergibt. Der der Kontaktplatte 8 zugewandte Rand ist hingegen eben.
Auch in Figur 2 ist eine Auffangwanne 2 mit Bauplattform 1 und dem darauf sich erhebenden Objekt 3 gezeigt. Ergänzend zu der Vorrichtung nach Figur 1 ist zudem der geschlossene Harzkreislauf dargestellt. Dabei wird das Harz 7 aus der Auffangwanne 2 über eine flexible Leitung 17 mit einer Pumpe 18 abgesaugt und in die Höhe (Pfeil C) gepumpt. Wiederum über eine flexible Leitung 19 wird das Harz dem Recoater 16 zugeführt und auf das Objekt 3 geregnet. über die Leistung der Pumpe 18 lässt sich die Fördermenge einstellen.
Zudem sind in Figur 2 die Achsen dargestellt, in denen sich die Komponenten gegeneinander bewegen. So wird der Recoater in der horizontalen X-Achse bewegt, während sich eine die Auffangwanne 2 tragende Aufnahme in Z-Richtung absenkt. über Justiervorrichtungen 20 lassen sich die einzelnen Komponenten gegeneinander justieren.
Figur 3 zeigt den nahezu spaltfreien Anschluss der Kontaktplatte 8 an das Objekt 3. Dieses besteht aus dem äußeren Behältnis 21 , das zur Kontaktplatte 8 hin eine gerade Wandung 22 aufweist. Zur Minimierung des Bauvolumens sind die anderen Wandungen 23 der Kontur des Bauteils 24 angepasst. Zwischen den Wandungen des Behältnisses und dem Bauteil 24 ist ein später zu entfernendes Hüllgitter 25 vorgesehen.
Nachfolgend sind einige Merkmale spezieller Ausführungsformen beschrieben:
Die Belichtungseinheit kann eine senkrecht über der Bauplattform angeordnete Planfeldlinse zur Kollimierung eines UV - Laserstrahls aufweisen. Dabei befinden sich vor der Planfeldlinse Im Strahlengang zwei drehbare Galvanometerscannerspiegel, mit denen der Brennpunkt der Planfeldlinse auf der Projektionsebene bewegt wird. Da der Strahlaufweiter vor dem Scannereingang eine verschiebbare Fokaloptik hat, kann die Fokalebene einige Millimeter nach oben oder nach unten verschoben werden. Der Laser ist mit einer Frequenz > 40 kHz gepulst. Zum Zwecke der scharfen Belichtung wird sie mit der Harzoberfläche in übereinstimmung gebracht.
Die Bauplattform ist eine horizontal angeordnete und insbesondere aus Aluminium gefertigte Platte, die mit hoher Positioniergenauigkeit in vertikaler Z-Richtung verschieblich ist. Um den Rand der Platte ist ein Auffanggraben für das vom Plattenrand herunterlaufende Harz vorgesehen. Der Recoater, der die Harzschicht erzeugt, ist an einer horizontal justierten Linearachse befestigt. Er weist einerseits ein Harzauslassloch und andererseits eine in der zu X und Z orthogonale in Y - Richtung verlaufenden Klemmschiene für die Rakelklinge auf. Die Rakelklinge kann von einem präzisionsgeschliffenen Metallsteifen von 1 mm Dicke gefertigt sein und eine abgerundete Schneide aufweisen. Die Rakelklinge wird parallel zur Bauplattform ausgerichtet und in der Klemme eingespannt. Die erfindungsgemäße Kontaktplatte ist ebenfalls eine plangeschliffene Aluminiumplatte.
Als Pumpe kann eine Peristaltikpumpe für viskose Medien in Kombination mit einem saugseitigen Partikelfilter verwendet werden. Der Filter enthält ein Reservoir mit Totvolumen auf der zur Pumpe führenden Entnahmeseite. Während des verhältnismäßig kurzen Pumpvorganges beim Recoating sinkt der Druck im Totvolumen, weil gefiltertes Harz aus dem Reservoir entnommen wird. Das Reservoir füllt sich hingegen auch während der Stillstandszeiten der Pumpe, wobei der Unterdruck des Totvolumens gegen den Fluidwiderstand aus Zuleitung und Filter wirkt. Je mehr Wartezeit zur Verfügung steht, desto geringer ist der erforderliche Unterdruck, um das Reservoir bis zum nächsten Pumpvorgang wieder aufzufüllen. Dieser Druck stellt sich daher als Gleichgewichtsdruck ein,
insofern zu Beginn des Prozesses ein Luftüberschuss im Totvolumen gelassen wird. Deshalb wird die Pumpe saugseitig viel geringer belastet, als wenn sie während des Pumpvorganges den kompletten Fluidwiderstand aus Zuleitungsschlauch und Filter überwinden müsste. Für den Einsatz einer Peristaltikpumpe spricht insbesondere die leichte Auswechselbarkeit des kompletten Harzkreislaufs.
Der Auffanggraben dient als Vorratsgefäß für das zirkulierende Harz. Mittels einer Pumpe wird das Harz über einen Spiralschlauch wieder zum Recoater geführt. Der Harzkreislauf ist geschlossen. Das im System zirkulierende Harz hat eine Viskosität im Bereich einer Pascalsekunde.
Nach Prozessbeginn fährt der Recoater in eine Startposition, so dass sich der Harzauslass mittig über der Bauplattform und nahe dem Kontaktrand befindet. Dann wird das Harz in einer Menge auf die Bauplattform gepumpt, die größer ist, als es dem zu fertigenden Schichtvolumen entsprechen würde. Der Harzberg läuft auf der horizontalen Fläche gleichmäßig in allen Richtungen auseinander und fließt vor allem auch vollständig über den Spalt auf die Kontaktplatte. Wenn nun der Recoater zurück fährt, streicht die Rakelklinge das Harz zu einer dünnen glatten ebenen Schicht aus. Dann erfolgt zuerst die zeitkritische Belichtung des Rahmens, angefangen mit Teilen der Kontaktwand und dann der drei übrigen Wände. Danach werden die Schraffuren (Hatches) der Bauteile belichtet. Mittels der Fokaloptik lässt sich das Bauteil auch mit einem unscharfen und breiterem Brennpunkt ausmalen, deshalb genügt eine Schraffur geringerer Liniendichte, wodurch Zeit gespart wird. Die darauffolgende Kontur wird mit einem scharfen Brennpunkt gezogen, wodurch die spätere Bauteiloberfläche abgegrenzt wird. Nachdem nun die Schnittbilder fertiggestellt sind, werden die Linien des Hüllgitters gezeichnet, die das Bauteil mit dem Rahmen verbinden. Letztlich wird die Plattform um eine Schicht abgesenkt und die nächste Lage darauf gebaut und so weiter.
Es ist vorteilhaft, eine rechteckige Rahmengeometrie zu wählen. Die Kontaktwand besteht aus parallelen Längslinien und einer Schar phasenversetzter Sinuslinien,
die von einem Ende der Wand bis zum anderen gezogen werden. Die drei freien Wände werden von entsprechend U- gebogenen Linien in einem Zuge gebaut. Die Strukturen bieten keinerlei Abrisskanten und sind mechanisch sehr stabil.
Die Struktur des einbettenden Hüllgitters ist derart vorzusehen, dass sie zum Zwecke der Reinigung und chemischer Entfernung gut mit Lösungsmitteln durchspült werden kann. Bei rascher Anwendung von Aceton löst sich das Gitter meist auf und das Bauteil bleibt übrig. Ein in allen Raumrichtungen homogenes Orthogonalgitter wird vorteilhafterweise in allen drei Richtungen periodisch aufgebaut. Solche Gitter entstehen durch Weglassen von Linien aus einem primitiven quadratischen Säulenraster.
Das Behältnis ist kontinuierlich aufzubauen, wobei die freiwachsende Außenwand eine abgerundete Form und eine gratfreie Struktur aufweisen sollte. Dabei kann es sich um eine hohlraumhaltige Profilstruktur handeln, die mit einem Scannersystem schnell erzeugt werden kann. Eine Seitenwand kann in rechtem Winkel auf die Kontaktplatte treffen, wo sie in die Kontaktwand übergeht. Solange der Winkel zwischen Seitenwand und Recoatingrichtung in einem gewissen Bereich um 90° bleibt, ist der Bauprozess unproblematisch.
Meist ist lediglich das eingebettete Bauteil von Interesse, während die Hüllstruktur lediglich Material und Bauzeit verbraucht. Durch geeignete Positionierung des Bauteils lässt sich das Verhältnis optimieren. Eine optimierte Geometrie des ' Behältnisses kann mit CAD - Werkzeugen generiert werden. Letztlich besteht die Aufgabe darin, den Algorithmus zu finden, der die minimale Hülle erzeugt. Das bedeutet, dass sich die Wand des Behältnisses sowohl in der Horizontalen als auch bezüglich der vertikalen Wandform der Form des Bauteils anpasst.