DE10143218A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Drucken 3D-modellierter Objekte - Google Patents

Abstract

Ein System zum Drucken dreidimensionaler Modelle umfaßt ein Bad, das ein photopolymerisierbares Harz enthält, einen Druckknopf zum Spritzen eines Photoinitiators auf einen vorgegebenen Bereich des Bads, eine Härteeinheit zum Härten des Harzes in dem vorgegebenen Bereich zu einer gehärteten Schicht einen Tisch zum Tragen der gehärteten Schicht. Das Photopolymerharz kann eine Mischung von Harzen sein, während der Photoinitiator eine Mischung von ein Photoinitiatorsystem bildenden Verbindungen sein kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das dreidimensionale Modellieren allgemein sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbauen von Schichten während eines drei­ dimensionalen Druckens.

Das dreidimensionale Drucken (3D-Drucken), das durch Aufbauen von Objekten in Schichten erfolgt, ist ein zum Herstellen dreidimensionaler Modelle verwendeter Prozeß. Das dreidimensionale Drucken ist verhältnismäßig schnell und flexibel, und es ermöglicht die Herstellung von Prototypen­ teilen direkt anhand Modellen eines computergestützten Entwurfs (CAD).

Das dreidimensionale Drucken ermöglicht es einem Hersteller, vor Einrichtearbeiten bzw. Werkzeugherstellung wirksam ein vollständiges 3D-Modell eines vorgeschlagenen Produkts zu erhalten, wodurch die Kosten für die Einrichtearbeiten möglicherweise verringert werden und eine bessere Synchronisation zwischen dem Entwurf und der Herstellung erzielt werden kann. Es kann auch eine verbesserte Produktqualität erhalten werden.

Es wurden verschiedene Systeme für das computergestützte dreidimensionale Drucken entwickelt. 3D Systems Inc. aus Kalifornien, USA hat ein System entwickelt, das auf der Grundlage der Stereolithographie arbeitet, wobei ein fokussierter Ultraviolettlaser über den oberen Teil eines Bads eines photopolymerisierbaren flüssigen Harzes getastet wird. Die Oberfläche des Bads wird polymerisiert, wenn sie durch einen UV-Laser bestrahlt wird, wodurch eine feste Kunststoffschicht an der Oberfläche oder direkt darunter gebildet wird.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, wo ein typisches System aus dem Stand der Technik dargestellt ist. Das 3D- Modellierungssystem 10 weist einen Harztank 21 und ein Flüssigharzbad 32 auf, wobei das letztgenannte aus einem photopolymerisierbaren Harz 22 besteht. Das System weist auch eine Prozeßsteuerung 28 auf, die in Verbindung mit einem Z- Bewegungsmechanismus 13 und einem XY-Bewegungsmechanismus 34 steht. Der erstgenannte steuert die Höhe einer Tragfläche 29, während der letztgenannte mit einer Härteeinheit 26 verbunden ist.

Ein innerhalb des Harzbads 32 angeordnetes 3D-Objekt 30 wird aus gestapelten einzelnen Querschnittsschichten 30A-30D auf einer Tragfläche 29 gebildet, die durch den Z- Bewegungsmechanismus 13 in der vertikalen Z-Richtung angehoben (oder abgesenkt) werden kann. Die diskreten Schichten bestehen aus Materialien, die zu einem einzigen modellierten Objekt 30 verschmolzen werden können. Der Klarheit wegen sind in Fig. 1 nur die Schichten 30A-30D für das Objekt 30 angegeben. Es ist leicht verständlich, daß in der Praxis gewöhnlich viel mehr Schichten erforderlich sind. Das photopolymerisierbare Harz 22 enthält gewöhnlich einen Photoinitiator und möglicherweise andere Zusatzstoffe, wie Vernetzungsmittel. Das photopolymerisierbare Harz 22 ist typischerweise durch Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung) oder Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) härtbar. Es sind beispielsweise reaktive Acrylatharze zum Härten oder Aushärten durch das Anwenden von UV-Strahlung von einer Härteeinheit geeignet. Die Oberfläche 33 des Bads 32 härtet dort, wo sie von der Härteeinheit 26 bestrahlt wird, unter Bildung der neuen Schicht 30A.

Die Prozeßsteuerung 28 des 3D-Modellierungssystems 10 ist mit einem System 27 vom computergestützten Entwurf (CAD- System) verbunden. Die Steuerung 28 empfängt vom CAD-System 27 Informationen über die Einzelheiten der Form und Dicke von jeder der Querschnittsschichten 30A-30D, die das 3D- modellierte Objekt 30 ausmachen. Die Steuerung 28 weist die Härteeinheit 26 an, wann das flüssige photopolymerisierbare Harz 22 zu bestrahlen ist. Durch den XY-Bewegungsmechanismus 34 vermittelt weist die Steuerung 28 die Härteeinheit 26 auch an, wo das photopolymerisierbare Harz 22 zu bestrahlen ist. Die Härteeinheit 26 ist gewöhnlich ein Laser, typischerweise ein UV- oder IR-Laser, der in erster Linie wegen der zum Härten des bestimmten Harzes oder der bestimmten Harze 22 in dem Bad 32 gewählt ist.

In der US-Patentanmeldung 09/259323, die auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen ist und auf die hiermit verwiesen sei, werden Konzepte, Komponenten und Verfahren verwendet, die in der Tintenstrahl-Druckindustrie eingesetzt werden. In 09/259323 wird ein Photoinitiator (und falls erforderlich andere Zusatzstoffe) mit dem photopolymerisier­ baren Harz 22 gemischt, bevor das photopolymerisierbare Harz 22 durch einen Tintenstrahl-Druckkopf auf ein Substrat abgegeben wird. Eine Härteeinheit härtet dann das abgegebene Material.

Die vorliegende Erfindung betrifft das dreidimensionale Drucken allgemein sowie ein System und ein Verfahren zum Drucken dreidimensionaler Modelle unter Verwendung eines Tintenstrahl-Druckkopfs zum Abgeben eines Photoinitiators auf einen vorgegebenen Bereich (unter Bildung einer Schicht des 3D-Modells) des photopolymerisierbaren Harzes.

Auf diese Weise wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein System zum Drucken dreidimensionaler Modelle bereitgestellt. Das System umfaßt ein Bad, das ein photopolymerisierbares Harz enthält, sowie einen Druckkopf, eine Härteeinheit und eine mit einer Steuerung verbundene Tragfläche. Der Druckkopf wird aktiviert, um einen Photo­ initiator auf einen vorgegebenen Bereich des photo­ polymerisierbaren Harzes abzugeben (oder aufzuspritzen). Bei einer Ausführungsform ist der Druckkopf des Systems ein Tintenstrahl-Druckkopf.

Die Härteeinheit wird aktiviert, um den vorgegebenen Bereich zu einer gehärteten Polymerschicht zu härten. Die Steuerung steuert die Höhe der Tragfläche innerhalb des Bads und die Bewegung des Druckkopfs und der Härteeinheit.

Weiterhin kann der Photoinitiator ein Alpha-Aminoketon aufweisen.

Bei einer Ausführungsform enthält das System ein photo­ polymerisierbares Harz, das eine Mischung von mindestens zwei Harzen ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Photoinitiator eine Mischung von mindestens zwei ein Photoinitiatorsystem bildenden Verbindungen. Die Verbindungen können Benzophenon und Triethanolamin aufweisen.

Die Härteeinheit des Systems ist eine Bestrahlungsquelle. Bei einer Ausführungsform des Systems ist die Härteeinheit ein Laser, während sie bei einer anderen eine Bestrahlungs­ lampe ist.

Bei verschiedenen Ausführungsformen weist das Bad des Systems mindestens ein zusätzliches inertes Material auf, wobei das inerte Material zusätzliche mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit, magnetische Eigenschaften oder andere gewünschte Merkmale des 3D-Modells verleihen kann. Bei einer Ausführungsform kann der Photoinitiator Färbe­ materialien aufweisen.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren zum Drucken dreidimensionaler Modelle vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Füllens eines Bads mit einem durch Bestrahlung härtbaren photopolymerisierbaren Harz, des Einstellens der Höhe einer sich innerhalb des Bads befindenden Tragfläche, so daß die Tragfläche bis zu einer Tiefe mit Harz bedeckt wird, die der Dicke der nächsten Schicht des zu druckenden Modells gleicht, des Abgebens eines Photoinitiators an den vorgegebenen Bereich des Bads und des Härtens des vorgegebenen Bereichs. Diese Schritte werden wiederholt, bis das Modell fertig ist.

Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungs­ formen dargestellt sind, und in Zusammenhang mit der Zeichnung besser verstanden und eingeschätzt werden, wobei:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines drei­ dimensionalen Modellierungsbadsystems aus dem Stand der Technik ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines drei­ dimensionalen Modellierungsbadsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist und

Fig. 3 ein Flußdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines allgemein mit 110 bezeichneten 3D-Drucksystems zum Drucken dreidimensionaler Objekte ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut und arbeitsfähig ist.

Das 3D-Drucksystem 110 weist einen Druckkopf 125 mit mehreren Tintenstrahldüsen auf, durch die ein Photoinitiator 120 gespritzt wird. Der Photoinitiator 120 wird in ein Harzbad 132 abgegeben, das ein photopolymerisierbares flüssiges Harz 122 enthält. Das 3D-Drucksystem 110 weist weiterhin eine Härteeinheit 126 zum Härten des photo­ polymerisierbaren flüssigen Harzes 122 zur Bildung des modellierten Objekts 130, also der entwickelten 3D- Komponente, auf.

Der Photoinitiator 120 kann jeder geeignete Photo­ initiator sein, wie beispielsweise ein Photoinitiator mit freien Radikalen in der Art von Alpha-Aminoketon. Alternativ kann statt einer einzigen als Photoinitiator wirkenden Verbindung ein Photoinitiatorsystem verwendet werden, das mehrere Verbindungen aufweist. Ein typisches für ein photopolymerisierbares Acrylat verwendbares Photoinitiator­ system ist Benzophenon und Triethanolamin.

Das Drucksystem 110 weist weiterhin ein CAD-System 127, einen XY-Bewegungsmechanismus 134 und einen Z-Bewegungs­ mechanismus 113 auf, die alle in Verbindung mit einer Prozeßsteuerung 128 stehen. Eine Tragfläche 129 zum Tragen des modellierten Objekts 130 beim Formen befindet sich innerhalb des Harzbads 132. Die Tragfläche 129 ist durch den XY-Bewegungsmechanismus 134 und den Z-Bewegungsmechanismus 113, womit die Tragfläche 129 gekoppelt ist, in drei Dimensionen einstellbar.

Nur als Beispiel ist das modellierte Objekt 130 als eine Reihe mit 130A-130D bezeichneter Schichten aufweisend dargestellt.

Das CAD-System 127, das irgendein auf dem Fachgebiet bekanntes System zum Entwerfen eines zu druckenden dreidimensionalen Objekts 130 ist, übermittelt Einzelheiten zu dem entworfenen Objekt zur Prozeßsteuerung 128. Die Prozeßsteuerung 128 steuert den Druckvorgang durch Anweisungen an den Druckkopf 125 hinsichtlich der Abgabe des Photoinitiators 120. Die Prozeßsteuerung 128 aktiviert und deaktiviert auch die Härteeinheit 126. Weiterhin steuert die Steuerung 128 den XY-Bewegungsmechanismus 134 und den Z- Bewegungsmechanismus 113. Der XY-Bewegungsmechanismus 134 steht während des Abgebens des Photoinitiators 120 mit dem Druckkopf 125 in Verbindung, und er steht mit der Härteeinheit 126 in Verbindung, wenn das Harzbad 122 bestrahlt wird.

Die Steuerung 128 steuert auch den Z-Bewegungsmechanismus 113, der die Tragfläche 129 in vertikaler Richtung (Z- Richtung) bewegt. Die Tragfläche 129 trägt die gestapelten Schichten 130A-130D des 3D-modellierten Objekts 130, nachdem sie gebildet wurden.

Bevor der Photoinitiator 120 zur Bildung einer weiteren Schicht in das Bad 132 abgegeben wird, wird die Tragfläche 129 um eine Strecke abgesenkt, die der erforderlichen Dicke der zu bildenden Schicht entspricht. Die Dicke dieser Schichten liegt typischerweise im Bereich von 20-100 Mikrometer.

Das System 110 in Fig. 2 unterscheidet sich in der Hinsicht vom Stand der Technik, daß der Druckkopf 125 bei der vorliegenden Erfindung Photoinitiator 120 in das Bad 132 abgibt, das das photopolymerisierbare flüssige Harz 122 enthält. Typischerweise enthält das photopolymerisierbare Harz 122 Monomere und Oligomere eines Acrylharzes und wahlweise ein Vernetzungsmittel. Die gebildete Schicht (die gebildeten Schichten) werden durch die Härteeinheit 126 gehärtet, die beispielsweise eine Lampenquelle enthalten kann, welche die geeignete Strahlungswellenlänge emittiert, um die Oberfläche 133 des Bads 132 zu bestrahlen. Die photochemische Reaktion geschieht an der Oberfläche 133 des Bads.

Das Spritzen des Photoinitiators 120 ohne ein photo­ polymerisierbares Harz 122 ermöglicht die Verwendung eines breiteren Bereichs von Photopolymeren als bei 3D-Tinten­ strahl-Drucksystemen aus dem Stand der Technik. Wenn ein Photopolymer durch einen Tintenstrahl-Druckkopf hinzugefügt wird, können nur Polymere mit einem bestimmten Viskositäts­ bereich verwendet werden. Weil das photopolymerisierbare flüssige Harz 122 bei der vorliegenden Erfindung in einem Bad enthalten ist, können nun viele photopolymerisierbare Harze 122, die zuvor als unverwendbar angesehen wurden, eingesetzt werden. Hierdurch wird der Bereich der chemischen und physikalischen Eigenschaften der modellierten 3D-Objekte vergrößert.

Cibatool SL-5154 mit einer Viskosität (bei 30°C) von 2400 cps und Cibatool SL-5170 mit einer Viskosität (bei 30°C) von 165 cps von Ciba sind Beispiele photo­ polymerisierbarer Harze, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es sei bemerkt, daß SL-5154 ein Acrylatharz ist, während SL-5170 ein Epoxidharz ist. Es können auch andere Harztypen, wie Vinylether, verwendet werden. Diese Harztypen dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend anzusehen.

Photopolymerisierbare Harze mit Viskositäten im Bereich von 10-100 cps, die verwendbar sind, wenn die Harze durch einen Tintenstrahl-Druckkopf direkt auf ein Substrat gespritzt werden, sind auch beim vorliegenden Drucksystem verwendbar.

Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit zum Hinzufügen inerter Materialien zu dem im Bad 132 enthaltenen photopolymerisierbaren Harz 122. Inerte Materialien können nicht zu Harzen hinzugefügt werden, die direkt von einem Tintenstrahl-Druckkopf abgegeben werden. Abhängig von ihren Eigenschaften können diese Materialien dem modellierten Objekt 130 eine zusätzliche Unterstützung, elektrische Leitfähigkeit und magnetische oder andere Eigenschaften verleihen. Beispiele solcher Zusatz­ materialien sind Tone, Glasfasern, Metallpulver und dergleichen.

Weiterhin gestattet die vorliegende Erfindung das Hinzufügen von Färbemitteln zum Photoinitiator 120, wodurch die Herstellung von Objekten mit unterschiedlichen Farben ermöglicht wird. In ähnlicher Weise können gefärbte Materialien zu den inerten Materialien (oben erörtert) hinzugefügt werden, die dem Bad 132 direkt hinzugefügt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Härteeinheit 126 ist irgendeine geeignete Bestrahlungslampe. Beispielsweise können herkömmliche UV-Lampen, sichtbare Lampen und IR-Lampen, wie Quecksilberlampen, verwendet werden, falls die Leistungs- und Wellenlängenanforderungen erfüllt werden. Es kann auch jeder beliebige Typ geeigneter Härteeinheiten, wie Laser mit der richtigen Wellenlänge, verwendet werden. Die Härteeinheit 126 ist nur als Beispiel als mit dem XY-Bewegungsmechanismus 134 gekoppelt dargestellt.

Das Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts ist ein mehrstufiger Prozeß. Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Verwenden der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.

Ein Bad 132, das ein geeignetes photopolymerisierbares flüssiges Harz 122 (möglicherweise mit anderen Zusatzstoffen) enthält, wird hergestellt (Schritt 202) und in den Harztank 121 gegeben. Die Position der Tragfläche 129 wird so eingestellt (Schritt 204), daß der Abstand der Tragfläche 129 und der Fläche 133 des Bads 132 der Dicke der ersten Schicht entspricht. Ein Photoinitiator 120 wird dann vom Druckkopf 125 in das photopolymerisierbare Harz 122 gespritzt (abge­ geben) (Schritt 206), wie von der Prozeßsteuerung 128 vorgeschrieben wird. Die Photoinitiatortröpfchen diffundieren innerhalb des Photopolymerbads 132.

Die Härteeinheit 126 bestrahlt dann (Schritt 208) den Bereich, in dem der Photoinitiator 120 gespritzt wurde. Die Härteeinheit 126 verfolgt den Druckkopf 125, wobei sie von der Prozeßsteuerung 128 gesteuert und durch den XY- Bewegungsmechanismus 134 betätigt wird. Alternativ kann das ganze Bad 132 bestrahlt werden, falls die Photopolymerisation in Bereichen vernachlässigbar ist, in denen kein Photo­ initiator vorhanden ist. Dies ist besonders wichtig, wenn die Härteeinheit 126 eine Bestrahlungslampe ist. Anders als Laser, die wohlkollimierte Strahlen erzeugen, bestrahlen diese Lampen große Bereiche.

Die Tragfläche 129 wird dann um eine Strecke abgesenkt (Schritt 210), die der Dicke der nächsten zu bildenden Schicht entspricht. Die Schritte 204-210 werden wiederholt (Schritt 212), bis die erforderliche Anzahl von Schichten gebildet wurde und das gewünschte dreidimensionale Modell erhalten wurde.

Es ist leicht ersichtlich, daß der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Photoinitiator vom verwendeten photo­ polymerisierbaren flüssigen Harz und von der erforderlichen Härtungswellenlänge abhängt.

Es sollte auch leicht verständlich sein, daß das Harzbad Monomere oder Oligomere eines einzigen Harztyps enthalten kann, die unter Bildung eines Homopolymers polymerisieren. Es kann alternativ Monomere und Oligomere mehrerer verschiedener Harze enthalten, die beim Bestrahlen ein Copolymer bilden könnten.

Fachleute werden verstehen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das begrenzt ist, was hier gesondert dargestellt und beschrieben wurde. Der Schutzumfang der Erfindung ist vielmehr durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims (16)

1. System zum Drucken dreidimensionaler Modelle mit:
einem Bad, das ein photopolymerisierbares Harz enthält,
einem Druckkopf, der an eine Steuerung angeschlossen ist, wobei der Druckkopf aktiviert wird, um einen Photoinitiator auf einen vorgegebenen Bereich des photopolymerisierbaren Harzes abzugeben,
einer Härteeinheit, die an die Steuerung angeschlossen ist, wobei die Härteeinheit aktiviert wird, um den vorgegebenen Bereich des Harzes zu einer gehärteten Polymerschicht zu härten, und
einer Tragfläche, die an die Steuerung angeschlossen ist, um die gehärtete Schicht zu tragen.

2. System nach Anspruch 1, wobei das photopolymerisier­ bare Harz eine Mischung von mindestens zwei Harzen aufweist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Photo­ initiator eine Mischung von mindestens zwei Verbindungen aufweist, die ein Photoinitiatorsystem bilden.

4. System nach Anspruch 3, wobei die Verbindungen Benzophenon und Triethanolamin einschließen.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Photoinitiator ein Alpha-Aminoketon aufweist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkopf ein Tintenstrahl-Druckkopf ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Härteeinheit eine Bestrahlungsquelle ist.

8. System nach Anspruch 7, wobei die Härteeinheit ein Laser ist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bad weiter mindestens ein zusätzliches inertes Material aufweist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine zusätzliche inerte Material dem Modell zusätzliche mechanische Festigkeit verleiht.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, wobei das mindestens eine zusätzliche inerte Material dem Modell elektrische Leitfähigkeit verleiht.

12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das mindestens eine zusätzliche inerte Material dem Modell magnetische Eigenschaften verleiht.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Photoinitiator weiter Färbematerialien aufweist.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das photopolymerisierbare Harz ein beliebiges Element aus einer Gruppe aufweist, die Monomere oder Oligomere eines einzigen Harztyps aufweist, um dadurch zur Bildung eines Homopolymers zu polymerisieren.

15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das photopolymerisierbare Harz ein beliebiges Element aus einer Gruppe aufweist, die Monomere oder Oligomere mehrerer Harztypen aufweist, wobei beim Bestrahlen ein Copolymer gebildet wird.

16. Verfahren zum Drucken dreidimensionaler Modelle mit den Schritten:

• a) Füllen eines Bads mit einem durch Bestrahlung härtbaren photopolymerisierbaren Harz,
• b) Einstellen der Höhe einer sich innerhalb des Bads befindenden Tragfläche, so daß die Tragfläche bis zu einer Tiefe mit Harz bedeckt wird, die der Dicke der nächsten Schicht des zu druckenden Modells gleicht,
• c) Abgeben eines Photoinitiators in einen vorgegebenen Bereich des Bads,
• d) Härten des vorgegebenen Bereichs und
• e) Wiederholen der Schritte b-d, bis das Modell fertig ist.