DE102005003218B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie
aus einem verfestigbarem Material,
welches durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar ist,
welches unterhalb einer bestimmten Energiedichte für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist,
umfassend
– einen Behälter zur Aufnahme des verfestigbaren Materials,
– eine Einrichtung zur gezielten Bestrahlung des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes,
– eine Einrichtung zur Erzeugung einer im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials mittels mindestens zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen,
wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt
dadurch gekennzeichnet,
dass einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
aus einem verfestigbarem Material,
welches durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar ist,
welches unterhalb einer bestimmten Energiedichte für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist,
umfassend
– einen Behälter zur Aufnahme des verfestigbaren Materials,
– eine Einrichtung zur gezielten Bestrahlung des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes,
– eine Einrichtung zur Erzeugung einer im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials mittels mindestens zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen,
wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt
dadurch gekennzeichnet,
dass einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind bereits bekannt aus
DE 10024618 A1 undDE 10111422 A1 . - Stereolithographie ist eine Technik zum automatisierten Aufbau komplexer dreidimensionaler Teile durch sukzessives und selektives Verfestigen von verfestigbaren Materialen (Flüssigkeiten, Gele u.a., z.B. Photopolymere) in Querschnittsschichten des aufzubauenden Teiles. Dazu wird jeweils eine Materialschicht aufgetragen, erforderlichenfalls geglättet und dann mittels oberflächlicher Bestrahlung (z.B. Photopolymerisation) aus einem fluiden oder fluidähnlichen Zustand in einen festen Zustand überführt. Die Schichten werden aufeinanderfolgend verfestigt, bis alle Schichten miteinander verbunden sind und das Teil bilden.
- Obwohl dieses Verfahren zu den sog. Rapid Technologien gehört, also eine vergleichsweise schnelle Herstellung von Bauteilen erlaubt, besteht ständig Bedarf, weitere Verfahrensbeschleunigungen zu erzielen.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnelleren Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie anzugeben.
- Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Vorrichtung und das zu schaffende Verfahren durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 wiedergegeben.
- Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie aus einem verfestigbarem Material, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie neben einem Behälter zur Aufnahme des verfestigbaren Materials und einer Einrichtung zur gezielten Bestrahlung des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung (UV, optisch, IR) gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung einer im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials aufweist, wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt, respektive keine Verfestigung erfolgt und wobei einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
- Durch die Verlagerung der Verfestigung von der Materialoberfläche in dessen Volumenphase entfallen die Schritte des schichtweisen Materialauftrags und der Glättung und das Verfahren wird daher wesentlich beschleunigt.
- Die Befüllung des Materialbehälters kann in einem einzigen Schritt erfolgen. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, dass das Material nach der einmaligen Befüllung nicht mehr gestört wird, was bei der kontinuierlichen Befüllung durch Absenken des Behälterbodens und ggf. Glättung der Materialoberfläche kontinuierlich der Fall ist.
- Die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Energiedichte ist ausgestaltet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von mindestens zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen.
- Jeder dieser Strahlen weist eine vergleichsweise geringe Energiedichte auf, die nicht ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen (z.B. eine Photopolymerisation auszulösen). Erst am Schnittpunkt beider Strahlen reicht die gemeinsame Energiedichte aus, um das verfestigbare Material zu verfestigen.
- Die einfachste bautechnische Realisation ist durch eine Einrichtung gegeben, die beide Strahlen durch die Materialoberfläche der offenen Behälteroberseite derart lenkt, dass sie sich an einem vorbestimmten Punkt in der Volumenphase des verfestigbaren Materials treffen und dessen Verfestigung bewirken. Dazu ist vorab das Brechungs- und Beugungsverhalten des Materials zu bestimmen und bei der Steuerung der beiden Strahlen zu berücksichtigen, da zwangsläufig mindestens ein Strahl schräg zur Oberfläche eindringen muss.
- Zur Erzeugung zweier Strahlen können entweder zwei Strahlquellen bereitgestellt werden oder die Strahlungsleistung einer einzigen Quelle kann mittels eines Strahlteilers geteilt werden. Zumindest sind jedoch zwei Strahlführungseinrichtungen, z.B. Scanner-Spiegel oder akusto-optische Modulatoren erforderlich.
- Erfindungsgemäß ist die Behälterwand für die Strahlung durchlässig ausgestaltet (mit gleicher oder ähnlicher Brechungszahl wie das verfestigbare Material) und die beiden Strahlen werden einerseits senkrecht durch die Materialoberfläche der offenen Behälteroberseite und andererseits senkrecht durch die durchlässige Behälterwand geführt. Dadurch entfällt die Brechung bei schrägem Einfall und die Steuerung kann vereinfacht werden.
- Eine weitere Vereinfachung wird erzielt, indem die seitlich durch die Behälterwand eingeführte Strahlung flächig ausgestaltet wird (z.B. mittels einer Zylinderoptik) und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt. Der Abstand dieser Ebene zum Behälterboden kann durch geeignete Steuerung des Energiestrahls variiert werden, insbesondere vom Boden ausgehend schrittweise zur Oberfläche geführt werden. Synchron dazu kann der zweite Energiestrahl von oben durch die Materialoberfläche der offenen Behälteroberseite eindringen und quasi dieselbe Bahn abfahren, die er bei der üblichen Stereolithographie mittels Absenken des Behälters und Bestrahlung der Oberfläche nehmen müsste. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann also für eine Verfestigung in der Volumenphase die bekannte Bahn für eine Verfestigung an einer Oberfläche verwendet werden, neue Berechnungen sind nicht erforderlich. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Steuerung des seitlich einfallenden flächigen Energiestrahls wesentlich geringer als für einen seitlichen punktförmigen Strahl, um sich mit dem von oben kommenden Strahl in einem Punkt zu schneiden. Diese Vereinfachung reduziert auch die Kosten.
- Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie aus einem verfestigbarem Material, welches durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar ist, welches unterhalb einer bestimmten Energiedichte für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, durch die Schritte gelöst:
- – Befüllen eines Behälters mit dem verfestigbaren Material,
- – Gezieltes Bestrahlen des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes,
- Durch die Verlagerung der Verfestigung von der Materialoberfläche in dessen Volumenphase entfallen die Schritte des schichtweisen Materialauftrags und der Glättung und das Verfahren wird daher wesentlich beschleunigt.
- Nach Fertigstellung der Verfestigung kann der hergestellte dreidimensionale Gegenstand aus dem Behälter entnommen werden. Eventuell anhaftendes, nicht verfestigtes Material kann abgeblasen oder abgespült werden.
- Abschließend kann der Gegenstand bei Bedarf einen weiteren Verfestigungsschritt durchlaufen. Z.B. eine thermisch induzierte Nachvernetzung des gesamten Volumens in einem Ofen oder eine eher oberflächliche Nachvernetzung durch intensive allseitige Bestrahlung im optischen oder UV-Bereich.
- Nachfolgend werden anhand des Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert:
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie aus einem UV-härtbarem, transparentem Harz, neben einem Behälter zur Aufnahme des UV-härtbaren Harzes und einer Einrichtung zur gezielten Bestrahlung des UV-härtbaren Harzes mit der UV-Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes zusätzlich auf eine Einrichtung zur Erzeugung einer im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte innerhalb der Volumenphase des UV-härtbarem Harzes, wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das UV-härtbare Harz auszuhärten und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone so niedrig ist, dass keine Aushärtung erfolgt. - Die Einrichtung zur Erzeugung der erhöhten Energiedichte ist ausgestaltet durch eine Einrichtung zur Erzeugung von zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen. Dazu wird der Strahl einer UV-Lichtquelle mittels eines Strahlteilers geteilt. Ein Strahl wird durch die Harzoberfläche an der offenen Behälteroberseite in die Volumenphase gelenkt. Der andere Strahl wir seitlich durch eine UV-durchlässige Behälterwand (mit gleicher Brechungszahl wie das Harz) geführt. Der seitliche Strahl wird durch eine Zylinder linse flächig aufgeweitet, so dass er eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
- Jeder der beiden UV-Strahlen weist eine vergleichsweise geringe Energiedichte auf, die nicht ausreicht, um das Harz auszuhärten. Erst am Schnittpunkt beider Strahlen reicht die gemeinsame Energiedichte aus, um das Harz zu härten.
- Die zum Behälterboden parallele, bestrahlte Ebene wird durch eine vertikale Verschiebung der Zylinderlinse vom Boden ausgehend schrittweise zur Oberfläche geführt. Synchron dazu dringt der zweite UV-Strahl von oben durch die Harzoberfläche der offenen Behälteroberseite ein und härtet am Schnittpunkt mit der Bestrahlungsebene des seitlichen UV-Strahls das Harz aus. Der zweite UV-Strahl wird durch ein Galvanometerspiegelsystem (Laserscanner) geführt.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die schnelle Herstellung von Bauteil-Prototypen wie sie insbesondere in der Automobilindustrie häufig benötigt werden.
die Bestrahlung derart durchgeführt wird, dass innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials eine im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte erzeugt wird,
wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und
wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt und wobei einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
Claims (2)
- Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie aus einem verfestigbarem Material, welches durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar ist, welches unterhalb einer bestimmten Energiedichte für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, umfassend – einen Behälter zur Aufnahme des verfestigbaren Materials, – eine Einrichtung zur gezielten Bestrahlung des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes, – eine Einrichtung zur Erzeugung einer im Wesentlichen punktförmigen Zone erhöhter Energiedichte innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials mittels mindestens zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen, wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt dadurch gekennzeichnet, dass einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
- Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes mittels Stereolithographie aus einem verfestigbaren Material, welches durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar ist, welches unterhalb einer bestimmten Energiedichte für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, umfassend die Schritte – Befüllen eines Behälters mit dem verfestigbaren Material, – Gezieltes Bestrahlen des verfestigbaren Materials mit der elektromagnetischen Strahlung gemäß einem vorliegenden 3d-Datensatz des herzustellenden Gegenstandes, wobei die Bestrahlung derart durchgeführt wird, dass innerhalb der Volumenphase des verfestigbaren Materials eine im Wesentlichen punktförmige Zone erhöhter Energiedichte erzeugt wird mittels mindestens zwei sich in der punktförmigen Zone kreuzenden Energiestrahlen, wobei die Energiedichte innerhalb der Zone ausreicht, um das verfestigbare Material zu verfestigen und wobei die Energiedichte außerhalb der Zone im Bereich der Durchlässigkeit für die elektromagnetische Strahlung liegt dadurch gekennzeichnet, dass einer der Energiestrahlen flächig ausgebildet ist und eine Ebene parallel zum Behälterboden bestrahlt.
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| DE10111422A1 (de) * | 2001-03-09 | 2002-09-26 | Hannover Laser Zentrum | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers aus einem durch Bestrahlung zu verfestigenden flüssigen Material |
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2005
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Patent Citations (2)
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| DE10111422A1 (de) * | 2001-03-09 | 2002-09-26 | Hannover Laser Zentrum | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers aus einem durch Bestrahlung zu verfestigenden flüssigen Material |
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