DE102005041559A1 - Vorrichtung und Verfahren zur schichtaufbauenden Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes - Google Patents

Abstract

Die gängigen pulverbasierten Rapidtechnologien erzeugen entweder poröse Bauteile, die nachverdichtet werden müssen, oder massive Bauteile mit einer geringen Produktivität und hohen Bauteilkosten. Die gängigen fluidbasierten Rapidtechnologien weisen geringe Produktivität auf. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtaufbauenden Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes anzugeben, mit denen große, nicht-poröse Bauteile mit hoher Produktivität hergestellt werden können. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch die zeilenweise Belichtung photosensitiver Fluidschichten gelöst. Einerseits werden bei der Verwendung von Fluiden keine porösen Bauteile hergestellt. Andererseits erlaubt die zeilenweise Belichtung eine deutlich höhere Produktivität ohne starke Begrenzung des Bauraums.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtaufbauenden Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2. Derartige Verfahren und Materialsysteme sind unter der Bezeichnung Rapid Technologien in unterschiedlicher Ausgestaltung bekannt.
• Bei dem vom Massachusetts Institute of Technology entwickelten 3D Drucken werden Pulverschichten durch Bedrucken mit fluiden Bindermaterialien selektiv verfestigt. Durch den Einsatz von Mehrfachdruckköpfen kann ein hoher Materialdurchsatz und damit eine hohe Produktivität erzielt werden. Derartig hergestellte Bauteile sind jedoch grundsätzlich porös und müssen daher für viele Anwendungsbereiche nachverdichtet werden.
• Bei dem an der University of Texas entwickelten Selektiven Lasersintern werden Pulverschichten durch Laserbestrahlung selektiv aufgeschmolzen und verfestigt. Mehrfachlaserköpfe sind zwar technisch machbar, aber sehr teuer und werden deshalb aus Kostengründen nicht verwendet. Daher weist dieses Verfahren eine geringere Produktivität auf. Allerdings können nahezu massive Bauteile direkt hergestellt werden.
• In einer neueren Variante des Selektiven Lasersinterns wird ein Laserstrahl mit einer Zylinderlinse linear aufgeweitet und die Linienlänge auf der Arbeitsebene nach Bedarf variiert. Die maximale Aufweitung des Laserstrahls beträgt 40 mm. [Zhao & Zhu; A new line scanning SLS rapid prototyping technology; Proc. 6th. Int. Conf. Elect. Measurem. & Instr.; 1016-1019, 2003].
• Bei der Stereolithographie werden photosensitive Fluidschichten durch Bestrahlung verfestigt. Dabei erfolgt die Bestrahlung üblicherweise mittels eines UV-Lasers ähnlich wie beim selektiven Lasersintern. Bei der Verfestigung der Fluidschichten tritt keine Porosität auf, aber der Nachteil der geringen Produktivität besteht ebenfalls.
• Bei der Stereolithographie-Abwandlung des Solid Ground Curing wird jeweils eine gesamte photosensitive Fluidschicht flächig durch Bestrahlung durch eine Maske selektiv verfestigt. Dies erlaubt grundsätzlich eine sehr hohe Produktivität ohne Porosität. Allerdings ist die Bauteilgröße begrenzt, da der gesamte Bauraum gleichzeitig mit ausreichender Intensität bestrahlt werden muss.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtaufbauenden Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes anzugeben, mit denen große, nicht-poröse Bauteile mit hoher Produktivität hergestellt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die zeilenweise Belichtung photosensitiver Fluidschichten gelöst. Einerseits werden bei der Verwendung von Fluiden keine porösen Bauteile hergestellt. Andererseits erlaubt die zeilenweise Belichtung eine deutlich höhere Produktivität ohne starke Begrenzung des Bauraums.
• Vorzugsweise erfolgt die zeilenweise Belichtung mittels einer LED-Zeilenbelichtung. Diese besteht aus einer linearen Aneinanderreihung von LEDs, die einzeln ansteuerbar sind und so die gleichzeitige selektive Belichtung einer Linie auf der Fluidoberfläche erlauben, die einer Linie durch den Querschnitt des herzustellen Bauteils entspricht.
• Geeignete LEDs zur Belichtung und Verfestigung photosensitiver Fluide sind im Handel erhältlich, insbesondere auch UV-LEDs, z.B. InGaN-Dioden.
• In alternativer Ausgestaltung erfolgt die zeilenweise Belichtung mittels Belichtung durch eine Zeilenblende und eine Maske. Dazu wird eine Maske entsprechend dem jeweiligen Querschnitt des herzustellenden Bauteils auf eine Folie gedruckt. Für die Zeilenweise Belichtung der Fluidschicht wird die Folienmaske über die Zeilenblende gezogen während die Zeilenblende und die Belichtungseinheit über die Fluidschicht fahren.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können auch mehrere Zeilen zu einer streifenartigen Belichtung zusammengefasst werden.
• Besonders vorteilhaft erweisen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, wenn ein zweiphasiges Material (Composite) verwendet wird – vorzugsweise bestehend aus Monomer und organischen und anorganischen Füllstoffen.
• Nachfolgend werden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der Figur die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
  Ein UV-sensitives Harz (Accura Bluestone von 3D-Systems) wird auf einer Zielfläche schichtweise aufgetragen und geglättet, ein ausgewählter Teil der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, wird zeilenweise UV-bestrahlt, so dass das Harz im ausgewählten Teil aushärtet, dann werden die Schritte des Auftragens, des Glättens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten wiederholt, so dass die gehärteten Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.
• Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die zeilenweise Belichtung mittels einer UV-LED-Zeilenbelichtung. Diese besteht aus einer linearen Aneinanderreihung von UV-LEDs (InGaN-Dioden), die einzeln ansteuerbar sind und so die gleichzeitige selektive Belichtung einer Linie auf der Harzoberfläche erlauben, die einer Linie durch den Querschnitt des herzustellen Bauteils entspricht.
• Die zeilenweise Belichtung erfolgt zeitgleich mit dem Glätten der Harzschicht. Während die Einrichtung zum Glätten über die Harzschicht fährt und diese glättet, fährt die Zeilenbelichtungseinheit dicht dahinter in gleich bleibendem Abstand über die Harzschicht und belichtet diese selektiv durch selektive Ansteuerung der einzelnen LEDs. Infolge der selektiven Belichtung erfolgt eine selektive Verfestigung der Harzschicht.
• Gemäß dem zweiten in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die zeilenweise Belichtung mittels einer Zeilenblende 7 und einer Maske. Dazu wird die Maske entsprechend dem jeweiligen Querschnitt des herzustellenden Bauteils auf eine Folie M gedruckt. Für die Zeilenweise Belichtung der Fluidschicht 10 wird die Folienmaske M von Folienrollen 1 und 2 mittels Führungsrollen 3 und 4 über die Zeilenblende 7 gezogen während die Zeilenblende 7 und die Belichtungseinheit 6 über die Fluidschicht 10 fahren.
• Besonders vorteilhaft wird die Maske direkt vor dem Belichten mittels eines integrierten Laserdruckers 5 auf die Folie M gedruckt. Dazu wird ein wasserlöslicher Farbstoff verwendet, damit die Folie offline schnell und einfach gereinigt und wieder verwendet werden kann. Idealerweise ist auch eine Reinigungseinheit online integriert (hier nicht dargestellt), so dass die Folie für sämtliche Querschnitte des Bauteils verwendet werden kann.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für Rapid Manufacturing-Anwendungen in der Automobilindustrie.
• Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der Produktivität bei großen nicht-porösen Bauteilen erreicht werden.

1,2

Folienrolle

3,4

Führungsrolle

5

Drucker

6

UV-Beleuchtungseinheit

7

Zeilenblende

8

Vorratsbehälter Harz

9

Bauplatte = Zielfläche

10

Harzschicht

11

Belichtetes/verfestigtes Harz = Bauteil

12

Überlaufbehälter Harz

13

Roller zum Glätten der Harzschicht

M

Folienmaske

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren photosensitiven Fluid umfassend – eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Fluids auf einer Zielfläche, – eine Einrichtung zum Glätten der Fluidschicht, – eine Einrichtung zum Belichten eines ausgewählten Teils der Schicht, – eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Belichten als Zeilenbelichter ausgebildet ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend folgende Schritte: – Auftragen und Glätten einer verfestigbaren photosensitiven Fluidschicht auf eine Zielfläche, – Belichten eines ausgewählten Teils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, so dass die Partikel in diesem ausgewählten Teil verbunden werden, – Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Belichtens für eine Mehrzahl von Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten zeilenweise erfolgt und vorzugsweise zeitgleich zum Glätten.