DE10015408A1

DE10015408A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus lichtaushärtbaren Werkstoffen

Info

Publication number: DE10015408A1
Application number: DE10015408A
Authority: DE
Inventors: Holger Fricke; Holger Loeffler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-11
Also published as: WO2001072501A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Bauteilprototypen aus lichtaushärtbaren Werkstoffen beschrieben. Dabei wird der Werkstoff durch Licht ausgehärtet und das Bauteil auf einer Bauteilplattform durch Belichtung des Werkstoffs mit Licht aufgebaut. Der Werkstoff (6) wird der Bauteilplattform (2) und damit dem aufzubauenden Bauteil (7) kontinuierlich zugeführt. Die Belichtung und Aushärtung des Werkstoffes (6) erfolgt kontinuierlich, wobei die Bauteilplattform (2) in einem Werkstoffbehälter (1) kontinuierlich verfährt und durch geeignete Vorrichtungen gewährleistet ist, dass die Bereiche des Bauteiles (7) bzw. der Bauteilplattform (2), die die spätere Bauteilstruktur ergeben, kontinuierlich belichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen und Bauteilprototypen aus lichtaushärtbaren Werkstoffen, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 8.

Derartige Verfahren sind u. a. unter dem Begriff Rapid Prototyping bekannt. Dieser Begriff umfaßt eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren, bei denen Bauteile und Bauteilprototypen schnell hergestellt werden. Diese Verfahren erlauben einen direkten Aufbau eines dreidimensionalen Bauteiles oder Bauteilprototypen. Bei dem Rapid Prototyping-Verfahren sind Verfahren bekannt, bei denen die Bauteilkonturen bzw. die Bauteilstrukturen hergestellt werden, indem Licht einen flüssigen Kunststoff aushärtet. Dabei wird ein flüssiges Photopolymerharz mit einem fokussiertem Laserstrahl ausgehärtet. Dazu wird eine Bauteilplattform mit dem flüssigen Photopolymerharz benetzt und darauf ein UV-Laserstrahl gerichtet. Das Harz wird dadurch in den Bereichen ausgehärtet, die das spätere Bauteil ergeben. Das umgebende nichtbelichtete Harz bleibt hiervon unberührt und härtet nicht aus. Nach der vollständigen Belichtung des hier interessierenden Bereiches und somit nach der Aushärtung des Harzes wird die Bauteil abgesenkt und eine weitere Schichthöhe des Harzes wird aufgetragen und der Aushärtervorgang verläuft identisch für diese neue Schicht. Abschließend erfolgt ein vollständiges Aushärten des so aufgebauten Bauteiles in einem UV-Ofen. Eine andere Variante des oben beschriebenen Verfahrens ist, dass die Aushärtung der einzelnen Kunststoffschichtchen nicht mit einem fokussiertem Laserstrahl erfolgt, sondern mit Hilfe von diffusem Licht, das durch eine Maske hindurch die auszuhärtenden Kunststoffschichten belichtet. Die Maske entspricht der Form der erwünschten Kontur des aufzubauenden Bauteiles. Das Verfahren ist relativ kompliziert, da nach jedem Belichten der zu erzeugenden Schicht diese nach Aushärtung und Auspolymerisierung entsprechend behandelt werden muß, da die übrigen Bereiche noch durch flüssiges Monomer ausgefüllt sind, sodass der gesamte Prozess einer derartigen Bauteilherstellung relativ aufwendig ist. Insofern sind die Aufbauraten der beschriebenen Verfahren relativ gering.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so weiterzubilden, dass der Aufwand zur Herstellung eines Bauteils oder Bauteilprototypen minimal ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelost.

Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Aufbauprozeß des Bauteilprototypen kontinuierlich erfolgt. Dabei wird eine Bauteilplattform kontinuierlich bewegt, wobei der lichtaushärtbare Werkstoff nicht auf die Bauteilplattform zum Aufbau des Bauteiles schichtweise aufgetragen und ausgehärtet wird, sondern die Bauteilplattform ist durch diesen in flüssiger oder in fließfähiger Pulverform befindlichen Werkstoff umgeben. Sie wird lediglich in den Bereichen belichtet, die dem momentanem Schnitt durch das aufzubauende Bauteil entsprechen. Die selektive Belichtung der Bauteilplattform bzw des aufzubauenden Bauteiles ist durch eine entsprechende Zuordnung einer Vorrichtung, die vorteilhafterweise in Form einer Maske ausgebildet werden kann, zu der Bauteilplattform realisiert. Es ist gewährleistet, dass durch die Änderung der Maske, d. h durch die Steuerung der Maske derart, dass der aufgrund des sich kontinuierlich ändernden Abstandes zwischen der Bauteilplattform und der Lichtquelle die Struktur des Bauteiles durch Lichthärtung genau nachgebildet wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles dargestellt und in dem Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Bauteilen und Bauteilprototypen

Fig. 2 ein Beispiel einer Maskenberechnung

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Bauteilen und Bauteilprototypen weist ein mit einem flüssigen oder in Pulverform vorliegenden, photoaushärtbarem Kunststoff gefülltes Behälter 1 ein, eine Bauteil plattform 2 und eine Lichtquelle 3 auf. Zwischen der Lichtquelle 3 und der sich im Behälter 1 befindlichen Bauteilplattform 2 befindet sich eine Maske 4. Die Bauteilplattform 2 wird durch ein diffuses Licht, das aus der Lichtquelle 3 kommt, belichtet. Der Boden 5 des Behälters 1 ist lichtdurchlässig. Das durch den Boden 5 an der Bauteilplattform 2 ankommende Licht startet die Polymerisation des im Bad 1 befindlichen Kunststoffes 6. Der Kunststoff 6 lagert sich zunächst an der Bauteil plattform 2 ab bzw im späteren Baufortschritt an der gerade zuvor gebildeten Struktur des Bauteiles 7. Durch die kontinuierliche Bewegung der Bauteilplattform 2 nach oben fließt von der Seite der Bauteilplattform 2 ständig frisches Monomer nach, das, sobald es belichtet wird, anfängt zu vernetzen. Es bildet sich dadurch mit steigendem Vernetzungsgrad ein Gradient vom Behälterboden 5 nach oben bis zu dem Ort, an dem die Vernetzungsreaktion stoppt. Die Vernetzungsreaktion wird so gesteuert, dass eine Verfestigung erst in einem gewissen Abstand vom Behälterboden 5 eintritt, damit eine Anhaftung des Bauteils 7 am Behälterboden 5 ausbleibt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Behälterboden 5 gekühlt wird, wodurch der Kunststoff 6 dort eine geringere Reaktivität aufweist.

Das von der Lichtquelle 3 ankommende Licht erreicht nur die Bereiche der Bauplatt form 2, die das spätere Bauteil 7 ergeben. Dies geschieht in der Darstellung nach Fig. 1 über eine Maskentechnik mittels der dargestellten Maske 4. Eine andere Möglichkeit der Steuerung des Lichtflußes ist Digital Processing Technologie (DLP). Eine weitere Ausführungsform ist, die Ausbildung des Behälterbodens 5 als Maske.

In Fig. 2 ist ein Bauteil 8 und eine zugehörige Maske 4 dargestellt. Das herzustellende Bauteil 8 wird durch den Behälterboden 5 aus der z-Richtung gleichmäßig mit UV-Licht bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt kontinuierlich. Am Behälterboden 5 oder zwischen der Lichtquelle und dem Bad 1 ist die Maske 4 angeordnet. Die Maske 4 ist steuerbar in der x, y-Ebene; durch sie strahlt das UV-Licht, bevor sie den Werkstoff 6 erreichen kann. Die Maske 4 kann im lokalen Bereich, d. h. mit bestimmten Werten von x, y mindestens zwei Zustände realisieren. Im Zustand A absorbiert/reflektiert die Maske das UV-Licht stärker als im Zustand B. Es ist ein Vorteil, wenn die Maske auch Zwischenzustände von A + B realisieren kann. Diese Zwischenzustände werden im Weiteren als Graustufen C bereichnet. Sie lassen sich z. B. dadurch realisieren, indem in rascher zeitlicher Abfolge zwischen den Zuständen A und B gewechselt wird. Eine solche Maske 4 kann mit Hilfe eines Computerprogramms gesteuert werden. Dabei realisiert das Programm die Geometrie des zu fertigenden Bauteiles 8 und berechnet einen Schnitt 9 des Bauteiles 8 in der x, y-Ebene zu einem gegebenen Wert in z-Richtung. Dieser Wert ist von der Bauzeit abhängig und richtet sich nach dem mit der Bauzeit wachsendem Abstand der Bauteilplattform 2 zum Badboden 5. Entsprechend der Information dieses Schnittes 9 wird die Maske 4 wie folgt gesteuert: Sollte ein lokaler Bereich des Schnittes 9 Material enthalten, so wird in dem entsprechenden lokalen Bereich der Maske 4 der Zustand B realisiert. Sollte ein lokaler Bereich des Schnittes 9 kein Material enthalten wird in dem entsprechenden lokalen Bereich der Maske 4 der Zustand A realisiert. Sollte ein lokaler Bereich des Schnittes 9 nur teilweise ausgehärtet werden, wird in dem entsprechenden lokalen Bereich der Maske 4 ein Zwischenzustand C realisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung durchgeführt wird, erlaubt hohe Prozessgeschwindigkeiten, die mehrere hundert Mal schneller sind als die bekannten Prozeßgeschwindigkeiten. Die Verfahrgeschwindigkeit der Bauteilplattform bewegt sich im Bereich 1 mm/sec., und die Geschwindigkeit im Bereich der Maskenänderung bei 100/sec. Dies ist dadurch erreichbar, dass das Material kontinuierlich belichtet werden kann und die Schichten durch die kontinuierliche Bewegung der Bauteilplattform kontinuierlich aufgebaut werden können.

Durch den kontinuierlichen Aufbau des Bauteiles entsteht eine Oberfläche die keine wahrnehmbaren Übergänge aufweist. Die Oberfläche des so hergestellten Bauteiles ist glatt. Für die Oberflächengüte eines so hergestellten Bauteiles ist die Maskentechnologie maßgebend. Wird als Maske ein LC-Display eingesetzt, so ist es möglich, weit über 100 Masken pro sec zu realisieren, d. h. dass die Oberfläche beinahe absolut glatt erscheint.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Bauteilprototypen aus licht aushärtbaren Werkstoffen, bei dem der Werkstoff durch Licht ausgehärtet wird und wobei die ausgehärtete Struktur der späteren Bauteilstruktur entspricht und wobei das Bauteil auf einer Bauteilplattform durch Belichtung des Werkstoffs mit Licht aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (6) der Bauteilplattform (2) und damit dem aufzubauenden Bauteil (7) kontinuierlich zugeführt wird, und dass die Belichtung und Aushärtung des Werk stoffes (6) kontinuierlich erfolgt, wobei die Bauteilplattform (2) in einem Werkstoffbehälter (1) kontinuierlich verfährt und durch geeignete Vorrichtungen gewährleistet ist, dass die Bereiche des Bauteiles (7) bzw. der Bauteilplattform (2), die die spätere Bauteilstruktur ergeben, kontinuierlich belichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilplatt form (2) kontinuierlich in einem mit lichtaushärtbarem Werkstoff (6) gefülltem Behälter (1) verfährt und dass zwischen der Bauteilplattform (2) und einer Lichtquelle (3) eine Maske (4) angeordnet ist, die die Belichtung der auszuhärtenden Bereiche des auf der Bauteilplattform (2) aufzubauenden Bauteiles (7) durch die kontinuierliche Veränderung der Maske (4) und Anpassung an die Bauteilplattformbewegung erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Werkstoff ein lichtaushärtbares Photopolymer ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtaushärtbare Werkstoff (6) fließfähig ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (6) in flüssiger Form vorliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (6) pulverförmig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (6) ein Pulver aus Metall, Nichtmetall, Keramik, Cermet oder Kunststoff bzw. Mischungen davon ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilplattform (2) in einem Werkstoffbe hälter (1) angeordnet und kontinuierlich in diesem bewegbar ist, und dass eine Lichtquelle (3), die die Bauteilplattform (2) belichtet, vorhanden ist, und dass zwischen der Lichtquelle (3) und der Bauteilplattform (2) eine entsprechend der Bewegung der Bauteilplattform (2) und der Struktur des herzustellenden Bauteiles (7) gesteuerte Maske (4) angeordnet ist, wobei die Steuerung der Maske (4) gewährleistet, dass lediglich die Teile der Bauteilplattform (2) und des darauf aufbauenden Bauteiles (7) belichtet werden, die der Struktur des fertigen Bauteiles (7) entsprechen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (4) durch ein LC-Display gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (4) und/oder die Bewegung der Bauteilplattform (2) durch einen Computer gesteuert wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (5) des Werkstoffbehälters (1) lichtdurchlässig ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff behälter (1) von unten belichtet wird und dass die Bauteilplattform (2) kontinuier lich nach oben verfährt.