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Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 24.

Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objek¬ tes ist unter dem Begriff "Stereolithographie" bekannt. Hierbei wird auf einen Träger bzw. eine bereits verfestigte Schicht eine Schicht eines flüssigen oder pulverförmigen Materials aufgetragen und durch Bestrahlen mit einem ge¬ richteten Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, an dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt. Durch suk¬ zessives Verfestigen einer Vielzahl von aufeinanderfolgen¬ den Schichten wird das Objekt schichtweise hergestellt.

Ein derartiges Verfahren, bei dem zusammen mit dem Objekt Stützkonstruktionen zum Stützen von Teilen des Objektes bzw. des gesamtes Objektes verfestigt werden, ist aus der EP 0 330 751 A2 bekannt.

Beim Aufbau von Stützkonstruktionen entstehen jedoch

Schwierigkeiten der folgenden Art.

Bei filigranen Strukturen sowie bei der Verschneidung von Flächen werden wegen der im CAD-Modell getrennten Flächen- verbunde mehrere Einzelstützen erzeugt. Diese können dicht nebeneinander liegen und/oder sich überschneiden bzw. durchdringen. Bei der Belichtung der Stützkonstruktion wer¬ den die Konturlinien der Einzelstützen in geringstem Ab¬ stand zueinander belichtet. Dabei verschmelzen sie mitein¬ ander. Die entstandene Stützkonstruktion läßt sich ohne Zerstörung des Bauteiles nicht oder nur sehr schwer entfer¬ nen.

Um das Verschmelzen dicht nebeneinanderliegender Konturli¬ nien von Einzelstützen zu verhindern, ist es möglich, die Stützen ohne Kontur zu belichten. Die Stützen müssen dann jedoch sehr hart belichtet werden, d. h. es muß ein hoher Grad an Verfestigung erzeugt werden, um ein Ausfransen der Stützen an den Rändern zu verhindern. Die so erzeugte Stützkonstruktion ist wiederum nur sehr mühsam vom Bauteil zu entfernen oder kann ohne Zerstörung desselben nicht ent- rernt werden.

Aus dem Benutzerhandbuch Magics 3.0. , Materialise N.V. 1995, sind bestimmte Ausbildungen von stereolithographi- schen Stützen bekannt. Die Figuren 6a bis 6c zeigen eine schematische Darstellung solcher bekannten Stützen. Bei dieser Art von Stützen, die an ihren Enden die Form eines Zahnprofiles aufweisen, soll eine leichte Entfernbarkeit der Stützen nach der Herstellung des Objektes an den An- knüpfstellen zwischen der Stützkonstruktion und dem eigent¬ lichen Bauteil ermöglicht werden. Durch die kleinen Flä¬ chen, über die die Stützkonstruktion mit dem Bauteil in Verbindung steht, wird eine Art Sollbruchstelle geschaffen.

Dennoch treten bei der Entfernung der Stützkonstruktion vom Bauteil noch die folgenden Probleme auf. Bei ausreichender Eigenstabilität der Gesamtstruktur verbindet sich die _S tütze an den Anknüpfstellen in der Regel so fest mit dem Bauteil, daß die Stütze bei der Entfernung nicht an der geometrisch dünnsten Stelle, d.h. unmittelbar unter dem Bauteil, bricht. Häufig bleiben bei der Entfernung der _S tützen unsauber abgebrochene Stütz-Enden am Bauteil zurück oder es bricht ein Stück des Bauteils mit Entfernung der _S tütze heraus. Dies ist besonders an gestützten Kanten des Bauteils der Fall. Folglich ist hier ein hoher Zeit- und Kraftaufwand bei der Nachbearbeitung des Bauteils erforder¬ lich, um die Oberfläche des Bauteils von den verbleibenden Resten zu befreien. Ein weiteres Problem tritt auf, wenn Bauteile gestützt werden sollen, deren Stützkonstruktion bereits auf einer Bauteiloberfläche beginnt. Die Härtung der Stützkonstruktion reicht εo tief in die Bauteiloberflä¬ che hinein, daß die meist hochglänzende gleichmäßige Bau¬ teiloberseite irreversibel in Mitleidenschaft gezogen wird. Die ehemaligen Stütz-Verbindungszonen sind dann rauh und matt.

Aus der DE 43 09 524 Cl ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bekannt, bei dem das ge¬ samte Objekt bzw. jede Schicht des zu bildenden Objektes in einen inneren Kernbereich und einen äußeren Hüllbereich zerlegt wird und die Strahlungseinwirkung im Kernbereich und im Hüllbereich zur Erzeugung unterschiedlicher Eigen¬ schaften beider Bereiche verschieden gesteuert wird. Die Zerlegung deε zu bildenden Objektes in einen Hüllbereich und einen Kernbereich erfolgt in einem Rechner. Der Zerle¬ gung des zu bildenden Objektes in Hüllbereich und Kernbe¬ reich entsprechende Objektdaten werden einem weiteren Rech¬ ner zur Verfügung gestellt, der eine Bestrahlungseinrich-

tung zum Verfestigen der Schichten des zu bildenden Objek¬ tes steuert. Durch die Zerlegung ist es möglich, ein Objekt mit unterschiedlichen und den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden vorteilhaften Baustilen aufzubauen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, bei dem eine zusammen mit dem Objekt erzeugte Stützkonstruktion in einer kurzen Zeit hergestellt werden kann, nach der Fertig¬ stellung des Objektes leicht von diesem entfernt werden kann, ohne daß Beschädigungen am Objekt zurückbleiben und bei dem die Nachbearbeitungszeit für das Objekt reduziert wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Pa¬ tentanspruch 1 bzw. 24. Weiterbildungen sind in den Un- teransprüchen gegeben.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß die Stützkonstruktion als Ganzes stabil genug gebaut werden kann, während die dünnen Verbindungsstellen zum Bauteil weich und leicht trennbar gestaltet sind. Gleichzeitig ist gewährleistet, daß sich die Stützkonstruktion sauber, mit geringstem Kraft- und Werkzeugaufwand, d.h. in der Regel in einem Stück und ohne verbleibende Reste vom Bauteil trennen läßt. Hierdurch wird der Zeitaufwand für die Entfernung der Stützkonstruktion als auch für die Nachbearbeitung des ei¬ nes nachgehärteten Bauteils deutlich verringert. Das Bau¬ teil behält durch die schonende, aber gründliche Stützen¬ entfernung seine charakteristische Oberflächenstruktur.

Durch die Zerlegung der Stützkonstruktion in dreidimensio¬ naler Weise in den Kernbereich und den Hüllbereich wird die erzeugte Stützkonstruktion sehr homogen. Durch Steuerung

der Strahlungseinwirkung im Hüllbereich verschieden von der im Kernbereich kann der Hüllbereich so aufgebaut werden, daß eine leicht lösbare Anbindung an das Objekt erzeugt wird, und der Kernbereich kann so aufgebaut werden, daß eine ausreichend stabile Stützkonstruktion mit geringer Bauzeit erzeugt wird und Verzugskräfte bei der Bildung des Objektes bei geringer Deformation der Stützkonstruktion aufgenommen werden können.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Vorrich¬ tung zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht eines Teiles eines zu bildenden Objektes zusammen mit einer Stützkonstruktion gemäß einer Aus¬ führungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A - A von Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines zu bildenden Objektes mit einer Stützkon¬ struktion gemäß einer weiteren Ausführungs- form der Erfindung.

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil eines Ob¬ jektes mit einer weiteren erfindungsgemaßen Stützkonstruktion;

Fig. 6a -

Fig. 6c schematische Querschnittansichten von be¬ kannten Formen für stereolithographische Stützen.

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Vor¬ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen auf seiner Oberseite offenen Behälter l auf, der bis einem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem unter Ein¬ wirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Mate¬ rial 3 gefüllt ist. In dem Behälter 1 befindet sich ein Träger 4 mit einer im wesentlichen ebenen und horizontalen Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mittels einer nicht gezeigten Höheneinstellvorrich¬ tung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf und ab verschoben und positioniert werden kann.

Auf der Trägerplatte 5 ist ein zu bildendes Objekt 6 zusam¬ men mit einer Stützkonstruktion 20 angeordnet, wobei das Objekt 6 und die Stützkonstruktion 20 jeweils aus einer Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c, 6d und 6e bzw. 20a, 20b und 20c, die sich jeweils parallel zur Oberfläche 2 und zur Träαerplatte 5 erstrecken, aufgebaut sind.

Über dem Behälter 1 ist eine nicht gezeigte Vorrichtung zum Glätten der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3 angeordnet.

Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 7, beispielsweise ein Laser, angeordnet, die einen gerich¬ teten Lichtstrahl 8 abgibt. Der gerichtete Lichtstrahl 8 wird über eine Ablenkeinrichtung 9, beispielsweise einen Drehspiegel, als abgelenkter Strahl 10 auf die Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3 in dem Behälter 1 abge-

lenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenkeinrichtung 9 derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte Stelle der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materials in dem Behälter 1 auftrifft. Die Steuerung 11 ist mit einer Compu¬ tereinheit 50 verbunden, die der Steuerung 11 die entspre¬ chenden Daten zur Verfestigung der Schichten des Objektes 6 und der Stützkonstruktion 20 liefert.

Bei dem Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Ob¬ jektes wird die Trägerplatte 5 in einem ersten Schritt in dem Behalter so positioniert, daß zwischen der Oberseite der Tragerplatte 5 und der Oberflache 2 des verfestigbaren Materiales 3 in dem Behalter 1 ein gerade der vorgesehen Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Die sich über der Tragerplatte 5 befindliche Schicht des verfestigbaren Materiales 3 wird mittels des von der Bestrahlungseinrich- tung 7 erzeugten und über die Ablenkeinrichtung 9 und die Steuereinrichtung 11 gesteuerten Lichtstrahles 8, 10 an vorgegebenen, dem Objekt 6 und der zugehörigen Stützkon¬ struktion 20 entsprechenden Stellen bestrahlt, wodurch das Material 3 verfestigt wird und so eine der Form eines Ob¬ jektes und der Stützkonstruktion entsprechende feste Schicht 6a bzw. ?0a bildet. Das Bilden von weiteren Schich¬ ten 6b, 6c und 6d bzw. 20b und 20c erfolgt sukzessive durch Absenken der Tragerplatte 5 um einen der jeweiligen Schichtdicke entsprechenden Betrag und erneutes Bestrahlen an den dem Objekt 6 bzw. der Stützkonstruktion 20 entspre¬ chenden Stellen.

In der Computereinheit 50 erfolgt eine Berechnung der Ob¬ jekt- und der Stützkonstruktionsdaten für die Steuerung der Verfestigung jeder Schicht durch Zerlegung eines dreidimen¬ sionalen Modelles des Objektes 6 und der Stützkonstruktion 20 m einzelne Schichten. Dabei wird die gesamte dreidimen¬ sionale Stützkonstruktion 20 in der Computereinheit 50 in einen Hullbereich und einen Kernbereich zerlegt. Der Hüll-

bereich und der Kernbereich bilden zwei eigenständige Teile bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion. Die Zerlegung des dreidimensionalen Modells der Stützkonstruktion kann auch in einem separaten Computer erfolgen, und die erzeugten Da¬ ten können an die Computereinheit 50 übergeben werden. Die Strahlungseinswirkung bei der Verfestigung in jeder Schicht erfolgt nun in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem, ob es sich um den Kernbereich oder den Hüllbereich der Stützkonstruktion handelt. Durch die Zerlegung tritt eine Doppelbelichtung von sich überschneidenden Teilen der Stützkonstruktion nicht mehr auf.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Stützkonstruktion 21 zusammen mit dem Objekt 6 im Bereich der Anbindung der Stützkonstruktion 21 an das Objekt 6. Die Stützkonstruktion 21 ist in einen Kernbereich 22 und einen Hüllbereich 23 zerlegt, die unterschiedliche Strukturen und damit unter¬ schiedliche Eigenschaften aufweisen. Fig. 3, die einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 2 darstellt, veran¬ schaulicht die Anbindung der Stutzkonstruktion 21 über de¬ ren Hüllbereich 23 an das Objekt 6 in einer Schicht.

Im Kernbereich 22 erfolgt die Strahlungseinwirkung bevor¬ zugt so, daß die Verformung der Stutzkonstruktion 21 bei der Erzeugung des Objektes 6 minimal ist. Dazu muß der Kernbereich 22 hart und damit unelastisch belichtet werden, d. h. es muß eine starke Verfestigung erzeugt werden.

Zur Verringerung der erforderlichen Bauzeit und zur Materi¬ alersparnis wird der Kernbereich 22 der Stützkonstruktion 21 nur in einzelnen beabstandeten Teilbereichen verfestigt, die entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege mitein¬ ander verbunden sind. Es ist bei ausreichend stabiler Ver¬ festigung des Hüllbereiches 23 auch möglich, den Kernbe¬ reich 22 überhaupt nicht zu verfestigen. Nichtverfestigtes Material kann nach der Fertigstellung durch im Hüllbereich und/oder im Kernbereich vorgesehene Offnungen abgelassen werden.

Die Verfestigung der Stützkonstruktion 21 im Hüllbereich 23 kann bevorzugt zur Erzeugung einer ausreichend stabilen, aber leicht lösbaren Anbindung der Stützkonstruktion an das _O bjekt erfolgen. Dazu erfolgt die Belichtung im Hüllbereich weich, d. h. eine geringere Verfestigung als im Kernbereich wird erzeugt, so daß der Hüllbereich der Stützkonstruktion im Bereich der Anbindung an das Objekt nicht unlösbar an dem Objekt anhaftet.

Im Hüllbereich 23 der Stützkonstruktion können ebenfalls einzelne beabstandete Teilbereiche verfestigt werden, die entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Der Abstand der Teilbereiche im Hüllbereich ist bevorzugt kleiner als der Abstand der Teilbereiche im Kernbereich, damit das Objekt ausreichend gestützt wird. In Bereichen des Hüllbereiches 23 der Stützkonstruktion 21, die an das Objekt angrenzen, ist es möglich, nur einzelne zusammenhängende Blöcke bzw. Klötzchen des Hüllbereiches zu verfestigen, wodurch eine perforierte Anbindung an das Ob¬ jekt erzeugt wird, die die Ablösung der Stutzkonstruktion nach der Fertigstellung des Objektes erleichtert.

Die Wandstärke des Hüllbereiches ist innerhalb der gesamten Stützkonstruktion und/oder von Schicht zu Schicht einstell¬ bar. Damit kann der Abstand der Stützkonstruktion zu Wänden des zu bildenden Objektes eingestellt werden.

Durch geeignete Wahl der Strahlungεeinwirkung bzw. der Belichtungstechnik können gegenüber dem herkömmlichen Ver¬ fahren Bauzeiteinsparungen von bis zu 80% erreicht werden.

Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, besteht eine wei¬ tere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, eine Stützkonstruktion 30 in mehrere Schalen bil¬ dende Hüllbereiche 31, 32, 33 und einen Kernbereich 26 zu

zerlegen, wobei diese Bereiche 31, 32, 33, 26 jeweils ei¬ genständige Teile bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion sind. Verschiedene Schalendicken sind möglich. Ein Hüllbe¬ reich kann beispielsweise den Kernbereich vollständig oder nur teilweise einschließen. So besitzt gemäß Fig. 4 die Hülle 31 keine Z-Dicke, hingegen jedoch XY-Wandstärke. Der Hüllbereich 32 besitzt lediglich Z-Dicke, während der Hüll¬ bereich 33 eine gleichmäßige Wandstärke in XY- und Z-Rich¬ tung aufweist. Der Kern 26 kann bei dieser Stützkonstruk¬ tion mit sehr groß beabstandeten Teilbereichen gebaut wer¬ den. Mit einer solchen schalenförmigen Zerlegung ist es möglich, den Kraftfluß durch die Stützkonstruktion bei mi¬ nimaler Bauzeit optimal zu leiten.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zu bildendes Ob¬ jekt 6, bei dem der Fall dargestellt ist, daß eine Stütze 40, die auch Teil einer größeren hier nicht dargestellten Stützkonstruktion sein kann, zwischen der Oberseite 61 ei¬ nes Teiles des Objektes 6 und der Unterseite 62 eines dar¬ überliegenden Teiles des Objektes gebildet ist. In einem solchen Fall ist eine Entfernung der Stütze nach dem Bilden des Objektes besonders schwierig. Die Stütze 40 ist wie¬ derum in einem Kernbereich 41 und einen Hüllbereich 42 zer¬ legt. Beim Bilden der Stütze 40 muß, in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, nicht notwendigerweise der Hüllbereich 42 den Kernbereich 41 von allen Seiten um¬ schließen. Es genügt auch, wenn der Hüllbereich 42 den Kernbereich 41 nur von den unmittelbar in Kontakt mit dem Objekt stehenden Enden her eingrenzt.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Belichtung von beabstandeten Teilbereichen im Hüllbereich 42 derart, daß der Querschnitt der Teilbereiche zu den an¬ grenzenden zu stützenden Oberflächen 61 und 62 des Objektes 6 hin abnimmt. Dadurch weist die Stütze 40 an ihren mit dem

_Ob jekt 6 in Verbindung stehenden Enden die Form eines Zahn¬ profiles auf, wobei im dargestellten Fall die Zähne des Zahnprofiles zum Objekt hin spitz zulaufen, so daß eine ge¬ ringe aber doch zur Stützung ausreichende Kontaktfläche zwischen der Stütze und dem Objekt 6 erzeugt wird. Die Dicke des Hüllbereiches 42 bei der in Fig. 5 gezeigten Aus¬ führungsform mit einer Oberfläche in Form eines Zahnprofi¬ les beträgt nur wenige Schichtdicken. Der Hüllbereich 42 wird erfindungsgemäß weniger stark belichtet als der Kern¬ bereich 41, so daß aufgrund der etwas geringeren Verfesti¬ gung im Hüllbereich 42 und der geringen Kontaktfläche zwi¬ schen der Stütze 40 und dem Bauteil 6 eine leichte Ablösung der Stütze ohne Beschädigung des Objektes möglich ist. Durch die dreidimensionale Ausgestaltung des Hüllbereiches ergibt sich, daß die Zähne 42a, 42b, usv/. eine durch die geringere Verfestigung bedingte "weiche Zone" mit der Dicke D haben.

Ein weicher Hüllbereich kann auf zwei Arten erzeugt werden. Einmal kann der Grad an Verfestigung über die unmittelbare Steuerung der Strahlparameter wie z.B. Strahlintenεität während der einmaligen Belichtung einer Schicht erfolgen. Hier tritt dann keine Doppelbelichtung auf.

Bevorzugt kann jedoch ein Unterschied im Verfestigungsgrad von Hülle und Kern dadurch erzeugt werden, daß eine einfa¬ che weiche Belichtung des Gesamtbereicheε der Stütze beste¬ hend aus Hülle und Kern stattfindet und der Kernbereich zu¬ sätzlich noch ein weiteres Mal belichtet wird. Der Kernbe¬ reich erhält seine starke Verfestigung also durch Doppelbe¬ lichtung, während der Hüllbereich seinen geringeren Verfe¬ stigungsgrad relativ zum Kernbereich aufgrund nur einmali¬ ger Belichtung erhält. Da die Stütze schichtweise aufgebaut wird, erfolgt die genannte Doppelbelichtung pro Schicht.

_A nstelle der in Fig. 5 dargestellten Ausbildung der Enden der _S tütze 40 als Zahnprofile mit zum Objekt hin spitz zu¬ laufenden Zähnen sind auch die beispielsweise in Fig. 6a und 6b gezeigten Profilformen möglich, bei denen die Zähne eine abgeplattete Oberfläche aufweisen. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen Stütze und Objekt erhöht, was insbe¬ sondere bei dünnen Auskragungen des Objektes vorteilhaft sein kann. Durch eine entsprechend schwächere Belichtung im Hüllbereich ist jedoch auch bei solchen Ausbildungen der _S tützenden eine leichte Ablösung der Stütze vom Objekt mög¬ lich.