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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schichtweisen
generativen Herstellung dreidimensionaler Formteile aus mittels
Strahlung verfestigbaren Massen, ein Verfahren zur, insbesondere
stereolithographischen, Herstellung von mindestens einem dreidimensionalen
Formteil aus mindestens zwei unterschiedlichen verfestigbaren Massen.
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An
die Herstellung dentaler Formteile werden material- und fertigungstechnisch
regelmäßig sehr
hohe Anforderungen gestellt. Zahnersatzteile und Teile für die Zahnrestauration,
wie Inlays, Onlays, Brücken,
Kronen oder Prothesen, werden bislang noch stets nach herkömmlichen
Abform- und Gießverfahren
erhalten. Dieses Verfahren umfassen eine Vielzahl an Verfahrensschritten
und sind daher mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden, nicht
zuletzt da, um die endgültige
Form zu erhalten, Material manuell wieder abgetragen werden muss. Ein
ganz anderer Ansatz wird mit neueren, generativen Verfahren verfolgt,
die sich ebenfalls unter dem Begriff „Rapid prototyping" subsumieren lassen.
Bei diesen generativen Verfahren wird von einem Modell zunächst die
dreidimensionale Struktur eines Models aufgenommen, und die erhaltenen
Daten werden in einem Datenspeicher hinterlegt. Dann werden, anders
als z. B. beim Fräsen,
die erstellten dreidimensionalen Computerbilder in Schichten zerlegt,
deren Daten wiederum zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen
Objekts genutzt werden. Beispielsweise kommen bei solchen Verfahren
für den Schichtaufbau
lichthärtende
Harze zum Einsatz.
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Ein „Rapid
prototyping"-Verfahren
wird beispielsweise in der
WO
97/29901 A1 vorgestellt. Hierbei gelingt der schichtweise
Aufbau aus einem lichthärtbaren
Material, indem jede einzelne Schicht mit einem Laser abgefahren
und dabei ausgehärtet
wird. Sukzessives schichtweises Auftragen unter Verwendung schichtspezifischer
Belichtungsmasken führt sodann
zum fertigen Produkt.
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Ein
derartiges stereolithographisches Verfahren kann beispielsweise
auch der
WO 2005/110722
A1 entnommen werden. Hierbei wird ein dreidimensionales
Objekt mit verbesserter Auflösung
mittels Pixel-Shift erhalten. Bei der schichtweisen Verfestigung
eines photohärtenden
Materials mit Hilfe der Maskenbelichtungstechnik wird im Subpixelbereich
pro Schicht eine Mehrfachbelichtung vorgenommen.
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Die
EP 1 645 402 A1 hat
ein verbessertes stereolithographisches Verfahren zum Gegenstand, bei
dem ein Behälter
für zu
verfestigende Flüssigkeiten,
enthaltend zwei Flüssigkeitsreservoi re,
zum Einsatz kommt. Auf diese Weise lassen sich gleichzeitig zwei
unterschiedliche Formteile aufbauen, die sich beispielsweise hinsichtlich
ihrer Farbe oder ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Formteile
werden hierbei auf herkömmliche
Weise durch Bestrahlung von oben schichtweise aufgebaut. Charakteristisch
an der in der
EP 1
645 402 A1 dargestellten Vorrichtung ist, dass jede Kammer
des Kammerbehälters über eine
Trägerplatte
verfügt,
die von einer Hebevorrichtung gehalten wird. Zudem ist jede Kammer lösbar mit
der Gesamtvorrichtung verbunden und kann durch Betätigen eines
Auslösehebels
entfernt werden.
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Die
WO 2004/014636 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zum schichtweisen generativen Herstellen von dreidimensionalen
Objekten mittels Stereolithographie, die über einen Mehrkammerbehälter verfügt. Über eine
geeignete Umschalteinrichtung wird jeweils nur eine Kammer mit Strahlung
einer Strahlungsquelle beaufschlagt. Auf diese Weise soll sich unter
effektiver Nutzung einer einzigen Strahlungsquelle der Auslastungsrad
der Vorrichtung erhöhen lassen.
Während
beispielsweise ein Objekt in einer ersten Kammer mit Strahlung beaufschlagt
wird, kann ein bereits fertiggestelltes Objekt der zweiten Kammer
entnommen werden.
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Neben
den vorangehend beschriebenen stereolithographischen Verfahren können als
weitere generative Verfahren für
den Aufbau dreidimensionaler Produkte auch das 3D-Tintenstrahldruck-Verfahren
unter Verwendung von STL-Dateien, die sogenannte Fused Deposition
oder das 3D-Plotting bzw. 3D-Printing-Verfahren zum Einsatz kommen.
Beim 3D-Plotting-Verfahren,
wie zum Beispiel in der
DE 101
14 290 B4 beschrieben, erfolgt der Aufbau der dreidimensionalen
Formteile schichtförmig
durch eine computerkontrollierte Abscheidung von Mikrotropfen oder
Mikrosträngen
in einer Flüssigkeit
oder auf einer festen Oberfläche.
Je nach Art der verwendeten Materialien erfolgt die Härtung durch
Abkühlung
von geschmolzenen Materialien, durch chemische Reaktion oder durch
eine Polymerisation, welche beispielsweise thermisch oder mittels
Strahlung ausgelöst
werden kann.
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Die
DE 102 35 434 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes
mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, bei dem das Objekt
schichtweise aus einem Aufbaumaterial hergestellt wird. Diese Vorrichtung verfügt über einen
Träger,
eine Materialauftragvorrichtung zum Auftragen von Schichten des
Aufbaumaterials auf den Träger
oder auf eine zuvor aufgetragene Schicht und eine Einrichtung zum
Verbinden der aufgetragenen Schicht mit einer zuvor aufgetragenen
Schicht in einem Verfestigungsbereich. Gemäß einer ersten Ausführungsform
haben der Träger und
die Materialauftragvorrichtung relativ zueinander derart bewegbar
zu sein, dass während
des Verbindens der aufgetragenen Schicht mit einer zuvor aufgetragenen
Schicht die zuvor aufgetragene Schicht und die Materialauftragvorrichtung
relativ zueinander bewegbar sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
haben mehrere Verfestigungseinrichtungen und mehrere Materialauftrageinrichtungen
vorzuliegen, wobei jede Verfestigungseinrichtung einer Materialauftrageinrichtung
und einem Verfestigungsbereich innerhalb des Baubereichs zugeordnet
sind. Eine geeingete Verfestigungsvorrichtung umfasst einen Laser
und eine Ablenkeinheit, welche geeignet ist, den Laserstrahl auf
beliebige Orte innerhalb eines Befestigungsbereichs zu richten.
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In
der
DE 201 06 878
A1 wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen
Objektes durch schichtweises Verfestigen eines flüssigen, unter
Einwirkung von Licht verfestigbaren Materials beschrieben. Hierbei
hat eine transparente Bodenplatte mit einem elastischen Beschichtungsmaterial bedeckt
zu sein.
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Aus
der
DE 100 15 408
A1 geht eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen
aus lichthärtbaren Werkstoffen
hervor, bei der eine Bauteilplattform in einem Werkstoffbehälter angeordnet
und kontinuierlich in diesem bewegbar ist. Ferner haben eine Lichtquelle
sowie eine zwischen Lichtquelle und Bauteilplattform vorliegende
Belichtungsmaske vorhanden zu sein. Über die Steuerung der Maske
ist zu gewährleisten,
dass lediglich die Teile der Bauteilplattform und des sich darauf
aufbauenden Bauteils belichtet werden, die der Struktur des fertigen
Bauteils entsprechen. Mit der geschilderten Vorrichtung lässt sich
der Werkstoff der Bauteilplattform kontinuierlich zuführen sowie
auch kontinuierlich belichten und aushärten. Auf die se Weise soll
sich der Aufwand zur Herstellung von Bauteilen mittels Rapid Prototypings minimieren
lassen.
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Es
wäre nun
wünschenswert,
auf Vorrichtungen zur generativen Herstellung dreidimensionaler Formteile
zurückgreifen
zu können,
die nicht mit den Nachteilen des Stands der Technik verhaftet sind
und insbesondere eine sehr effiziente und ökonomische sowie an Individualvorgaben
ohne weiteres anpassbare Fertigung zulassen.
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Der
vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur schichtweisen generativen Herstellung von mindestens einem dreidimensionalen
Formteil aus mittels Strahlung verfestigbaren Massen verfügbar zu
machen, so dass das Formteil hinsichtlich Zusammensetzung und Aufbau
keinen Restriktionen unterworfen und insbesondere eine Massenfertigung,
vorzugsweise parallele Massenfertigung, individualisierter Formteile
möglich
ist.
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Demgemäß wurde
eine Vorrichtung zur schichtweisen generativen Herstellung von mindestens
einem dreidimensionalen Formteil aus mindestens zwei mittels Strahlung
verfestigbaren Massen gefunden, umfassend mindestens eine Strahlungsquelle
geeignet zur Kopf-über-Beaufschlagung der verfestigbaren
Massen mit Strahlung, mindestens einen Träger mit einer mit Strahlung
der Strahlungsquelle beaufschlagbaren Unterseite, geeignet für die unterseitige
Anbindung des aus den verfestigbaren Massen zu bildenden Formteils,
mindestens eine Behälteranordnung
enthaltend mindestens zwei oberseitig offene Behälterkammern geeignet zur Aufnahme
voneinander verschiedener verfestigbarer Massen, wobei mindestens
zwei offene Behälterkammern
zumindest abschnittsweise für
Strahlung durchlässige
Bodenelemente aufweisen und oberhalb der Strahlungsquelle oder einer
Strahlungsumlenkvorrichtung anordbar oder angeordnet sind, so dass
die verfestigbaren Massen durch die für die Strahlung durchlässigen Bodenelemente über die
Strahlungsquelle sowie gegebenenfalls die Strahlungsumlenkvorrichtung
von unten mit Strahlung beaufschlagbar sind, und mindestens eine
erste Anordnung geeignet zum, insbesondere horizontalen und/oder
vertikalen, Verfahren der Behälteranordnung
oder von mindestens zwei oberseitig offenen Behälterkammern und/oder mindestens
eine zweite Anordnung geeignet zum, insbesondere horizontalen und/oder
vertikalen, Verfahren des Trägers,
so dass die Unterseite des Trägers
und/oder das sich auf der Unterseite bildende Formteil mit den verfestigbaren
Massen in den Behälterkammern
in Kontakt bringbar und/oder darin zumindest teilweise eintauchbar
ist bzw. sind.
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Mittels
Strahlung verfestigbare Massen, wie sie beispielsweise in der Stereolithographie
zum Einsatz kommen, sind dem Fachmann hinlänglich bekannt und zudem auch
kommerziell erhältlich.
Hierbei handelt es sich beispielsweise um Monomermischungen, enthaltend
zum Beispiel Acrylate, die sich durch Strahlung, insbesondere in
Gegenwart von Aktivatoren und/oder Initiatoren, über eine Polymerreaktion, zumeist
eine radikalische Polymerisation, verfestigen lassen. Diese verfestigbaren
Massen können
sowohl in flüssiger
als auch in zähflüssiger,
beispielsweise pastöser,
Form eingesetzt werden. Die verfestigbaren Massen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Einsatz kommen, können
sich z. B. in ihrer Art, Zusammensetzung und Farbe bzw. Einfärbung (shades)
unterscheiden. Selbst bei ansonsten gleichen Materialeigenschaften,
gelingt auf diese Weise eine sehr filigrane Farbgestaltung. Geeignete
verfestigbare Massen können
demgemäß beispielsweise
mit Füllstoffen,
Farbmitteln, Fließverbesseren
und/oder sonstigen Additiven ausgestattet sein.
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Für die Initiierung
des Verfestigungs- bzw. Aushärtvorgangs
kann beispielsweise auf Strahlungsquellen, die UV-, VIS- oder IR-Strahlung
ausstrahlen, zurückgegriffen
werden. Hierbei sind Strahlungsquellen, die ein kontinuierliches,
breitbandiges Spektrum ausstrahlen ebenso geeignet wie Laser-Strahlungsquellen.
Mittels Strahlungsbeaufschlagung können die verfestigbaren Massen,
je nach Wahl der Ausgangskomponenten, z. B. unter Polymerisation,
Polykondensation, Polyaddition und/oder thermisch aushärten. Für die Bestrahlung stehen
unter anderem Projektionseinheiten, z. B. auf Basis DLP/DMD, LCD,
ILA, usw., LC-Displays (reflexiv und transmissiv), LED- bzw. Laser-Dioden-Zeile/-Matrix,
die vorzugsweise in XY-Richtung über die Schicht
bewegt wird, und auf der MEMS's
Technologie (light valve) basierende Zeile oder Matrix, die vorzugsweise
in XY-Richtung über
die Schicht bewegt wird, zur Verfügung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
verfügt über eine
Behälteranordnung,
enthaltend mindestens zwei oberseitig offene Behälterkammern, deren Bodenelemente
zumindest abschnittsweise für
die genannte Strahlung durchlässig
sind. Diese Bodenelemente bzw. Behälterböden sind in der Regel horizontal
oder im wesentlichen horizontal ausrichtbar bzw. ausgerichtet und
nehmen in Verbindung mit umlaufenden Behälterkammerwänden die zu verfestigenden
Massen auf.
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Anders
als bei vielen herkömmlichen
Vorrichtungen zur stereolithographischen Herstellung von Formteilen
findet bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine Kopf-über-Beaufschlagung der
verfestigbaren Massen mit Strahlung statt. Demnach gelangt die Strahlung
durch das transparente Bodenelement bzw. die transparente Bodenplatte
in Kontakt mit der verfestigbaren Masse. Eine solche Kopf-über-Beaufschlagung
mit Strahlung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass
die Strahlungsquelle unterhalb der Behälteranordnung angeordnet ist.
Alternativ ist es ebenfalls möglich,
unterhalb der Behälteranordnung
als Strahlungsumlenkvorrichtung eine Spiegelanordnung anzubringen, über die
die Strahlung in geeigneter Weise durch die transparenten Bodenelemente
in die Behälterkammern
eingeleitet wird. Auch können
mindestens zwei, insbesondere eine Vielzahl an, Strahlungsquellen und/oder
Strahlungsumlenkvorrichtungen vorgesehen sein. In einer besonders
geeigneten Ausgestaltung ist jeder Behälterkammer eine Strahlungsquelle bzw.
eine Strahlungsumlenkvorrichtung zugeordnet. Bei einer solchen Ausführungsform
bedarf es beispielsweise nicht mehr einer ersten Anordnung zum Verfahren
der Behälteranordnung,
da diese dann lageinvariant sein kann. Vielmehr reicht es dann z.
B. aus, wenn der Träger über die
zweite Anordnung verfahrbar ist.
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Für den schichtweisen
Aufbau eines dreidimensionalen Formteils ist es zumeist erforderlich, dass
der Behälter
bzw. die Behälteranordnung und/oder
der Träger,
an dem das zu bildende Formteil in einer Ausführungsform während des
Generierungsprozesses befestigt ist, verfahrbar sind. Beispielsweise
ist das sich bildende Formteil nach dem Aufbau einer Schicht gering fügig von
dem Bodenelement bzw. der Bodenplatte oder gar vollständig aus der
verfestigbaren Masse, die in einer Behälterkammer vorliegt, zu entfernen.
Dieses kann beispielsweise über
eine erste Anordnung geschehen, mit der die Behälteranordnung bzw. eine oder
mehrere Behälterkammern
verfahrbar sind, beispielsweise angehoben, gesenkt oder geneigt
werden können.
Alternativ oder zusätzlich
kann eine zweite Anordnung vorgesehen sein, mit der der Träger, an
dem das sich bildende Formteil befestigt ist, während des Formgebungsprozesses
relativ zu dem Bodenelement bzw. der Bodenplatte verfahren wird.
Beispielsweise kann das sich bildende, an der Unterseite des Trägers vorliegende
Formteil mit Hilfe der zweiten Anordnung geringfügig angehoben werden. Natürlich kann
der Träger
mit Hilfe der zweiten Anordnung auch soweit verfahren werden, dass
das bzw. die daran haftenden, sich bildenden Formteile vollständig aus
der verfestigbaren Masse einer Behälterkammer herausgenommen werden.
Ferner kann mindestens eine dritte Anordnung geeignet zum, insbesondere
horizontalen und/oder vertikalen, Verfahren mindestens einer Strahlungsquelle
vorgesehen sein. Für
die erste, zweite und dritte Anordnung kann beispielsweise auf herkömmliche
Schrittmotoren oder Aktuatoren zurückgegriffen werden. Diese sind
dem Fachmann hinlänglich
bekannt. Gemäß einer
weiteren, bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
erste, zweite und/oder die dritte Anordnung einen Roboter oder einen
Bestanteil hiervon, insbesondere einen Roboterarm, umfassen oder
darstellen. Geeignet sind zum Beispiel Roboter, wie sie bei der Chip-Herstellung
zum Einsatz kommen. Derartige Roboter sind in der Lage, z. B. mit
ihren Roboterarmen, feinste, filigrane Bauteile lagegenau zu positionieren,
und zwar auf den μm
genau. So kann z. B. auch die Strahlungsquelle bzw. der Projektor
oder eine Strahlungsumlenkvorrichtung von einem solchen Roboter
bzw. Roboterarm gehalten und, sofern erforderlich, vorzugsweise
computergestützt
in eine geeignete Position gebracht werden. Somit ist es möglich, Träger bzw.
Formteil oder Formteile, Behälteranordnung
und Strahlungsquelle relativ zueinander zu bewegen, um die für jeden
Bestrahlungs- bzw. Aushärtvorgang
optimale Einstellung zu erhalten. Mit den vorangehend dargestellten
Ausführungsformen ist
es somit z. B. möglich,
Behälter
und Träger,
Behälter
und Strahlungsquelle, Träger
und Strahlungsquelle sowie Behälter,
Träger
und Strahlungsquelle relativ zueinander in jeder beliebigen Rich tung
zu verfahren. In einer Ausführungsform
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
somit über
eine zweite und eine dritte Anordnung, unter Weglassung der ersten
Anordnung, verfügen.
Der Vorteil der Verwendung eines Roboterarms gegenüber beispielsweise
einer solchen zweiten Anordnung, mit der der Träger vertikal auf- und ab verfahren
wird, kann auch darin gesehen werden, daß nach dem Aushärtvorgang
das gebildete Formteil nicht mehr nur nach oben von dem Bodenelement
abgehoben wird, sondern zumeist weitaus schonender durch beispielsweise
eine Schwenkbewegung Stück
für Stück von dem
Bodenelement entfernt werden kann.
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Während bei
Einsatz einer Strahlungsquelle, die ein breitbandiges, kontinuierliches
Spektrum ausstrahlt, vorzugsweise darauf geachtet werden sollte, daß eine einheitliche
Projektionsachse für
jeden Belichtungsvorgang beibehalten wird, ist dieses naturgemäß bei Einsatz
einer Laser-Strahlungsquelle nicht
unbedingt erforderlich.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt
es sich insbesondere um eine solche zur stereolithographischen Herstellung
von mindestens einem dreidimensionalen Formteil aus mindestens zwei,
insbesondere einer Vielzahl an unterschiedlichen verfestigbaren
Massen, beispielsweise aus 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr ausgehärteten verfestigbaren
Massen. Beispielsweise kann die Behälteranordnung demgemäß auch 3,
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr, zum Beispiel 20, 30 oder 100, Behälterkammern
aufweisen. Diese Behälterkammern
können dann
mit unterschiedlichen verfestigbaren Massen beschickt sein.
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Erfindungsgemäß kann daher
vorgesehen sein, dass die Behälteranordnung
eine Behälterwanne
mit einem für
Strahlung im wesentlichen durchlässigen
Behälterboden
darstellt, wobei die Behälterwanne über eine
oder mehrere Trennwände
verfügt, so
dass mindestens zwei oberseitig offene Behälterkammern resultieren. Hierbei
kann vorgesehen sein, dass benachbarte Behälterkammern durch mindestens
eine gemeinsame Trennwand voneinander getrennt sind. Gemäß einer
Ausführungsform
können
in einer Behälteranordnung,
insbesondere Behälterwanne,
zum Beispiel n Reihen an m nebeneinander angeordneten Behälterkammern
vorlie gen, wobei n und m jeweils natürliche Zahlen von 2 bis beispielsweise
100 oder 200 darstellen können.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann demgemäß in mindestens
zwei Behälterkammern
der Behälteranordnung
unterschiedliche verfestigbare Massen aufweisen, insbesondere in
sämtlichen
Behälterkammern.
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Die
Behälteranordnung
kann demnach eine Vielzahl an Behälterkammern, insbesondere mit
im wesentlichen quadratischer oder rechteckiger Querschnittsbodenfläche, aufweisen,
wobei benachbarte Behälterkammern
vorzugsweise durch eine gemeinsame Trennwand voneinander getrennt
sind. Bei dieser Ausgestaltung hat es sich insbesondere zur Herstellung
von Formteilen mit uneinheitlichem Aufbau als besonders geeignet
erwiesen, wenn der Behälterboden
und/oder die Behälteranordnung
horizontal verfahrbar ist bzw. sind.
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Alternativ
können
selbstverständlich
auch solche Behälteranordnungen
zum Einsatz kommen, bei denen die Behälterkammern um eine im wesentlichen
vertikale Drehachse drehbar angeordnet sind. Hierbei kann dann vorgesehen
sein, dass mindestens zwei gemeinsame Trennwände von jeweils einander benachbarten
Behälterkammern
im wesentlichen radial auf die Drehachse ausgerichtet sind. Geeignete
Behälteranordnungen
können
für diesen
Fall beispielsweise eine kreisförmige
Grundform aufweisen, und die jeweiligen Behälterkammern können einen
Tortenstück-ähnlichen
Grundriss aufweisen.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
zur schichtweisen generativen Herstellung von dreidimensionalen
Formteilen umfassen ferner im allgemeinen einen Datenspeicher zur
Abspeicherung von Daten, insbesondere CAD-Daten, die ein dreidimensionales
Objekt wiedergeben. Derartige Datenspeicher sowie die Implementierung
geeigneter Datensätze
für dreidimensionale
Objekte in diesen Datenspeichern sind dem Fachmann bekannt.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
sind im allgemeinen ferner ausgestattet mit einer Datenverarbeitungseinrichtung,
die ausgelegt ist, Daten, die für
die dreidimensionale Darstellung eines Objektes in einem Datenspeicher
hinterlegt sind, zu empfangen und in Daten für einen schichtweisen Aufbau dieses
Formteils umzuwandeln, und die geeignet und ausgelegt ist, die von
der Strahlungsquelle abstrahlbare Strahlung derart zu manipulieren
oder einzustellen, dass ein Strahlungsmuster aussendbar ist, das jeweils
mit den für
eine aus den verfestigbaren Massen aufzubauende Schicht ermittelten
Daten korreliert, so dass auf der Unterseite des Trägers und/oder auf
dem an der Unterseite vorliegenden Formteil eine Schicht aus verfestigbaren
Massen in der von der Datenverarbeitungseinrichtung ermittelten
Form haftend verfestigbar ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner über eine
Schwenkvorrichtung, mit der die Behälteranordnung, insbesondere
der Behälterboden, aus
einer im wesentlichen horizontalen Lage in eine aus der Horizontalen
geneigte Lage reversibel verschwenkbar ist. Anstatt das sich bildende
Formteil nach dem Aufbau bzw. Aushärten einer Schicht durch horizontales
Verfahren der erster und/oder zweiten Anordnung von der Bodenplatte
weg zu entfernen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Behälteranordnung
und/oder das Formteil zunächst
mittels Verschwenkens nur abschnittsweise anzuheben bzw. zu entfernen.
Die Schwenkvorrichtung kann als separates Bauteil vorliegen, kann
jedoch ebenfalls in die erste und/oder zweite Anordnung integriert
sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu der vorangehend genannten Ausführungsform kann ferner vorgesehen
sein, daß mindestens
ein transparentes Bodenelement, insbesondere die Bodenplatte, der
Behälteranordnung
temporär
oder dauerhaft eine geordnete oder willkürliche dreidimensionale Oberflächenstruktur
auf der der Unterseite des Trägers
zugewandten Seite aufweist. Des weiteren ist es möglich, dass
mindestens eine Behälterkammer
mindestens eine beabstandet von dem Bodenelement und auf der dem
Träger
zugewandten Seite vorliegende Abeckung aufweist, deren der Unterseite
des Trägers zugewandte
Seite zumindest partiell temporär
oder dauerhaft mit einer geordneten oder willkürlichen dreidimensionalen Oberflächenstruktur
versehen ist. Die Abdeckung liegt dabei vorzugsweise in der Behälterkammer
vor, so dass in diese noch stets verfestigbare Masse einfüllbar ist.
Indem man auf der Seite des Bodenele ments, die der Unterseite des
Trägers bzw.
der zuletzt ausgehärteten
Schicht des sich bildeten Formteils gegenüberliegt, eine strukturierte transparente
Fläche
verwendet, über
bzw. auf der die zu verfestigende Masse vorliegt, können die
aufzubauenden Schichten mit einer beliebigen Oberflächenstruktur
erhalten werden. Denn üblicherweise
ist diese Bodenfläche
eben ausgeführt.
Selbstverständlich
ist es ebenfalls möglich,
für mindestens
zwei, insbesondere sämtliche
Behälterkammern
Bodenelemente bzw. Abdeckungen mit unterschiedlicher dreidimensionaler
Struktur zu verwenden. Auch kann in mindestens einer, vorzugsweise
mindestens zwei oder auch sämtlichen
Behälterkammern
ein Bodenelement oder eine Abdeckung mit einer strukturierten Oberfläche vorgesehen
sein, die von Aushärtvorgang
zu Aushärtvorgang
geändert
werden kann. Die dreidimensionale Strukturierung dieser Schicht
liegt somit nur temporär
vor. Dieses kann beispielsweise durch Verwendung einer für die Strahlung
transparenten Flüssigkeit
zwischen dem Bodenelement und der darüber in einer Behälterkammer
vorliegenden Schicht bzw. Abdeckung erreicht werden. Diese Flüssigkeit
kann beispielsweise über
geeignete Vorrichtungen ein Wellenmuster aufweisen, das auf die
darüber
angebrachte Schicht bzw. Abdeckung aus einem flexiblen undurchlässigen Material übertragen wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen
sein, dass die Strahlungsquelle mit einer Projektionseinheit, insbesondere
auf der Basis DLP/DMD, LCD und ILA, ausgestattet ist, über die
die Umrisskontur der jeweils aus den verfestigbaren Massen auszuhärtenden
Schicht festlegbar ist. Auf diese Weise gelingt eine für jede einzelne
aufzutragende Schicht charakteristische Maskenbelichtung. Eine Strahlungsquelle im
Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst damit auch eine solche,
vorzugsweise über
eine Datenverarbeitung ansteuerbare, Einheit, die für jeden
Bestrahlungs- bzw. Aushärtvorgang
die für
die jeweils aufzubauende Schicht erforderliche Belichtungsmaske
erzeugt bzw. bereitstellen oder bereitstellen kann. Derartige Strahlungsquellen
sind im Handel erhältlich.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des weiteren gelöst durch
ein Verfahren zur, insbesondere stereolithographischen, Herstellung von
mindestens einem dreidimensionalen Formteil aus mindestens zwei
unterschiedlichen verfestigbaren Massen, umfassend die Schritte:
- a) Zurverfügungstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- b) Befüllen
einer ersten, oberseitig offenen Behälterkammer einer Behälteranordnung
mit einer ersten mittels Strahlung verfestigbaren Masse,
- c) Befüllen
einer zweiten, obenseitig offenen Behälterkammer einer Behälteranordnung
mit einer zweiten mittels Strahlung verfestigbaren Masse,
- d) gegebenenfalls Befüllen
mindestens einer weiteren Behälterkammer,
insbesondere einer dritten, vierten, fünften oder n-ten Behälterkammer, mit
einer weiteren verfestigbaren Masse, insbesondere mit einer dritten,
vierten, fünften
bzw. n-ten verfestigbaren Masse,
- e) relatives, insbesondere vertikales, Aufeinanderzubewegen
von Trägerunterseite
und Behälteranordnung,
so dass die Unterseite oder ein an dieser Unterseite befestigtes,
sich bildendes Formteil in Kontakt mit einer in einer ersten Behälterkammer
vorliegenden ersten verfestigbaren Masse tritt oder zumindest partiell
in diese eintaucht,
- f) Aushärten
einer Schicht einer an der Trägerunterseite
oder an der Kontaktfläche
zu dem sich bildenden Formteil vorliegenden ersten verfestigbaren
Masse mittels Kopf-über-Beaufschlagung
mit Strahlung durch den bzw. die für die Strahlung durchlässigen Bereiche
des Bodenelements der ersten Behälterkammer
unter Ausbildung mindestens einer zur Unterseite des Trägers beabstandeten,
insbesondere parallelen, Kontaktfläche des sich schichtweise bildenden
Formteils sowie von einem oder mehreren ersten Randbereichen der
ausgehärteten
Schicht,
- g) relatives, insbesondere vertikales, Voneinanderwegbewegen
von Träger
und Behälteranordnung,
so dass die Unterseite des Trägers
oder ein daran vorliegendes sich bildendes Formteil zumindest bereichsweise
nicht mehr in Kontakt mit der verfestigbaren Masse in der Behälterkammer und/oder
dem Bodenelement der Behälterkammer
steht,
- h) relatives seitliches, insbesondere horizontales, Verfahren
von Träger
und Behälteranordnung oder
mindestens einer Behälterkammer,
so dass die Trägerunterseite
oder das daran vorliegende sich bildende Formteil über einer
zweiten bzw. n-ten Behälterkammer
mit einer zweiten bzw. n-ten verfestigbaren Masse vorliegt,
- i) relatives Aufeinanderzubewegen von Unterseite des Trägers und
Behälteranordnung
oder mindestens einer Behälterkammer,
so dass die Unterseite des Trägers
und/oder ein an dieser Unterseite befestigtes, sich bildendes Formteil
in Kontakt mit einer zweiten bzw. n-ten verfestigbaren Masse in der
zweiten bzw. n-ten Behälterkammer
tritt oder in diese zumindest partiell eintaucht,
- j) Aushärten
einer Schicht einer an der Trägerunterseite
und/oder an der Kontaktfläche
zu dem sich bildenden Formteil vorliegenden zweiten bzw. n-ten verfestigbaren
Masse mittels Kopf-über-Beaufschlagung
mit Strahlung durch die für
Strahlung durchlässigen
Bereiche des Bodenelements unter Ausbildung mindestens einer zur
Unterseite beabstandeten, insbesondere parallelen, Kontaktfläche des
sich bildenden Formteils sowie von einem oder mehreren zweiten Randbereichen
der ausgehärteten
Schicht,
- k) relatives, insbesondere vertikales, Voneinanderwegbewegen
von Träger
und Behälteranordnung,
so dass die Trägerunterseite
oder ein daran vorliegendes sich bildendes Formteil zumindest bereichsweise
nicht mehr in Kontakt mit der verfestigbaren Masse in der Behälterkammer und/oder
dem Bodenelement der Behälterkammer
steht, und
- l) gegebenenfalls relatives seitliches, insbesondere horizontales,
Verfahren von Träger
und Behälteranordnung,
so dass die Trägerunterseite
oder das daran vorliegende sich bildende Formteil über einer
weiteren Behälterkammer,
enthaltend eine weitere verfestigbare Masse, vorliegt, sowie
- m) Entfernen des Formteils von der Unterseite des Trägers.
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Bevorzugt
werden die Schrittfolge e) bis g) oder f) und g) mindestens einmal
wiederholt, bevor mit dem Schritt h) fortgefahren wird. Gemäß einer weiteren
alternativen Ausführungsvariante
werden alternativ oder zusätzlich
die Schrittfolge i) bis k) oder j) und k) mindestens einmal wiederholt,
bevor mit dem Schritt l) oder m) fortgefahren wird. Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass in Schritt l) die Behälterkammer die erste oder eine
dritte, vierte, fünfte oder
n-te Behälterkammer
ist, enthaltend die erste bzw. eine dritte, vierte, fünfte oder
n-te verfestigbare Masse und dass die Schrittfolge e) bis g) oder
f) und g) mindestens einmal oder mindestens einmal in entsprechender
Weise wiederholt werden, wobei die Behälterkammer die dritte, vierte,
fünfte
oder n-te Behälterkammer
ist, enthaltend die die dritte, vierte, fünfte oder n-te verfestigbare
Masse. Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn sich an den in Schritt
g) oder den in entsprechender Weise ausgeführten Schritt g) der Schritt
h) sowie, mindestens einmal, die Schrittfolge i) bis k) und/oder
j) und k) anschließen,
gegebenenfalls in entsprechender Weise, wobei die Behälterkammer
eine dritte, vierte, fünfte
oder n-te verfestigbare Masse. n steht für eine natürliche Zahl, d. h. für eine positive
ganze Zahl.
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Auf
diese Art und Weise kann zumindest ein Abschnitt eines Formteils
aus Schichten aufgebaut wird, die nicht aus der gleichen verfestigbaren
Masse gebildet sind. Bei dieser Vorgehensweise lassen sich Formteile
bzw. Formteilabschnitte erzeugen, die in ihrem schichtweisen Aufbau
nicht einheitlich sind. Vielmehr kann jede einzelne ausgehärtete Schicht eine
wenn auch nur geringfügig
andere Zusammensetzung und/oder Farbe aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen
sein, dass im Schritt f) und/oder j) die Materialschicht ausgehärtet wird über einer
Fläche,
die die Kontaktfläche einer
in einem unmittelbar vorhergehenden Schritt ausgehärteten oder
angebrachten Schicht vollständig
oder teilweise abdeckt und/oder die die freie Kontaktfläche von
nicht im unmittelbar vorhergehenden Schritt ausgehärteten Schichten
vollständig
oder teilweise abdeckt und/oder die die Unterseite des Trägers vollständig oder
teilweise abdeckt. Insbesondere bei dieser Vorgehensweise ist es
ohne weiteres möglich,
einen Schichtaufbau zu generieren, der innerhalb ein und derselben
Schicht unterschiedliche aushärtbare
Materialien aufweist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
insbesondere dann hinreichend verlässliche und wiederholbare Resultate,
wenn das zu bildende Formteil vor jedem Aushärtvorgang an einem festen Referenzpunkt
vorliegt. Hierfür
wird vorteilhafterweise der Träger,
an dem das sich das bildende Formteil an der Unterseite vorliegt, über eine
Hebevorrichtung oder einen Roboter bzw. Roboterarm als zweite Anordnung,
insbesondere vertikal und gegebenenfalls horizontal, verfahren.
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Verfahrenstechnisch
von besonderen Vorteil ist zudem, dass nach Schritt f) und vor Schritt
g) oder als Schritt g) und/oder nach Schritt j) und vor Schritt k)
oder als Schritt k) die Behälteranordnung,
insbesondere der Behälterboden,
aus einer im wesentlichen horizontalen Lage in eine aus der Horizontalen geneigte
Lage reversibel verschwenkt wird.
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Geeignete
verfestigbare Massen, die mittels Strahlungsbeaufschlagung ausgehärtet werden
können,
umfassen z. B. radikalisch polymerisierbare Materialien auf der
Basis von radikalisch polymerisierbaren Monomeren wie (Meth)acrylate,
Styrol und Styrolderivate, Allylverbindungen oder Vinylcyclopropane,
wobei Acrylate und insbesondere Methacrylate besonders bevorzugt
sind. Bevorzugt kommen die kommerziell verfügbaren monofunktionellen Monomere
wie Methyl-, Ethyl-, Furfuryl- oder Phenyl(meth)acrylat in Betracht.
Vorzugweise sind ebenfalls Vernetzermonomere, d. h. multifunktionelle
Monomore wie multifunktionelle (Meth)acrcylate zugegen. Derartige
Verbindungen sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in der
DE 101 14 290 B4 beschrieben.
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Die
verfestigbaren Massen weisen vorteilhafterweise mindestens einen
pharmazeutischen, antimikrobiellen, mineralisierenden und/oder Fluridionen-freisetzenden
Wirkstoff auf. Derartige Formteile können demnach in der Weise ausgeführt sein,
dass sie einen pharmazeutischen, antibakteriellen oder remineralisierenden
Wirkstoff oder Fluridionen freisetzen.
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Die
durchschnittliche Dicke der bei einem Aushärtschritt (f, j) aus den verfestigbaren
Massen gebildeten Schicht kann je nach den eingesetzten aushärtbaren
Massen und/oder der beaufschlagten Strahlung in weiten Bereichen
variieren und liegt vorzugsweise im Bereich von 1 μm bis 250 μm, vorzugsweise
im Bereich von 5 μm
bis 100 μm.
Selbstverständlich
können
die aufeinander folgenden Schichten nicht nur jeweils eine einheitliche
Schichtstärke aufweisen.
Vielmehr können
innerhalb eines zu bildenden Formteils die Schichtdicken für die auszuhärtenden
Schichten beliebig in den jeweils technisch realisierbaren Grenzen
gewählt
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Trägerunterseite
bzw. das an der Trägerunterseite
anliegende, sich bildende Formteil in die verfestigbare Masse vorzugsweise
soweit eingebracht, dass zwischen dem Bodenelement bzw. der Bodenplatte der
Behälterkammer
und der Unterseite bzw. der zuletzt angebrachten Schicht des Formteils
ein Abstand verbleibt, der in etwa der Dicke der Schicht entspricht,
die in dem anstehenden Aushärtschritt
ausgebildet werden soll. Demnach wird die zwischen der Unterseite
des Trägers
bzw. der Unterseite des Formteils und der Bodenplatte vorliegende
auszuhärtende
Masse durch Kopf-über-Beaufschlagung mit Strahlung
von unten ausgehärtet
und gleichzeitig an die Unterseite bzw. an die Unterseite des sich
bildenden Formteils angebunden. Wie vorangehend geschildert, kann
das um diese ausgehärtete
Schicht ergänzte
Formteil günstigerweise
durch Verschwenken der Bodenplatte von dieser abgelöst bzw.
entfernt werden. Sodann kann die Bodenplatte beispielsweise in die
Horizontale rückverschwenkt
werden, wobei in einer bevorzugten Ausgestaltung bereits der neue
Abstand zu dem an der Unterseite vorliegenden Formteil erhalten
wird. Alternativ kann nach dem Verschwenken mit der zweiten Anordnung, beispielsweise
mit Hilfe eines Schrittmotors, über
das Anheben des Trägers
der Abstand der nachfolgend zu bildenden Schicht eingestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die bei einem
Aushärtschritt aus
den verfestigbaren Massen gebildete Schicht keine, einen, zwei,
drei oder mehrere freiliegende innere Bereiche aufweist. Hierbei
ist von besonderem Vorteil wenn in einem nachfolgenden Aushärtschritt eine
weitere, in dem/den freiliegenden Bereichen der vorhergehend gebildeten
Schicht(en) vorliegende verfestigbare Masse unter Ausbildung einer
Schicht ausgehärtet
wird. Die untere Kontaktfläche
dieser Schicht liegt vorzugsweise im wesentlichen auf der gleichen
Höhe wie
die zuvor ausgehärtete
verfestigbare Masse.
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Besonders
bevorzugte Formteile, insbesondere dentale Formteile, lassen sich
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch erhalten, dass in einem ersten Aushärtschritt eine Schicht aus
einer ersten verfestigbaren Masse gebildet wird mit einer der Trägerunterseite
gegenüberliegenden
ersten Kontaktfläche,
dass in einem zweiten Aushärtschritt eine
Schicht aus einer zweiten verfestigbaren Masse gebildet wird, die
vorzugsweise die zuvor gebildete Schicht teilweise oder vollständig, insbesondere
bündig,
umschließt
und eine der Trägerunterseite
gegenüberliegende
zweite Kontaktfläche
aufweist, die im wesentlichen auf gleicher Höhe liegt wie die erste Kontaktfläche, dass
in einem weiteren Aushärtschritt eine
Schicht aus einer ersten oder weiteren verfestigbaren Massen auf
mindestens einem Großteil
der ersten Kontaktfläche
und gegebenenfalls einem Teil der zweiten Kontakfläche gebildet
wird, dass in einem weiteren Aushärtschritt eine Schicht aus
einer zweiten oder weiteren verfestigbaren Masse auf mindestens
einem Großteil
der zweiten Kontaktfläche und
gegebenenfalls einem Teil der ersten Kontaktfläche gebildet wird, wobei gegebenenfalls
der geschilderte Aufbau einer Schicht aus mindestens zwei verfestigbaren
Massen mehrfach wiederholt wird. Bei dieser Ausführungsform liegen im gebildeten
Formteil zwei oder mehr sich z. B. in Art, Zusammensetzung und/oder
Farbe unterscheidende ausgehärtete Massen
in einer Schichtebene vor. So ist es beispielsweise möglich, innerhalb
nur einer Schicht zwei oder mehrere Bereiche zu haben, die sich
alle in ihren mechanischen Eigenschaften unterscheiden, beispielsweise
unterschiedliche E-Module aufweisen. Beispielsweise können für ein Dentalprodukt
ein abrasiver äußerer Bereich
für eine
oder sämtliche Außenschichten
und ein eher duktiler Bereich für
den zentralen Kern generiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es somit möglich,
zum Beispiel Schichten zu erzeugen mit unterschiedlichen segmenten,
die E-Moduli im Bereich von 50 bis zu 50.000 N/m2 aufweisen.
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Unter
unterer Kontaktfläche
im Sinne der Erfindung soll diejenige Fläche einer ausgehärteten Schicht
verstanden werden, die der Unterseite des Trägers im wesentlichen gegenüberliegt
und die, liegt das Formteil am Träger vor, der verfestigbaren
Masse zugewandt ist. Die Schichten weisen üblicherweise einen Randbereich
auf.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen
sein, dass mindestens eine, insbesondere die Mehrzahl der ausgehärteten verfestigbaren
Massen Füllstoffe enthalten.
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Dabei
kann vorgesehen sein, daß die
Füllstoffe
partiell oder vollständig
beschichtet, insbesondere silanisiert, sind. Ferner kann vorgesehen
sein, daß als
Füllstoffe
Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxide, Siliziumoxide, Feldspate, Dentalgläser, amorphe
Kieselsäuren,
Titanoxide, sphärische
Gläser,
Borsilikate oder Mischungen hiervon umfassen. Dentale Formteile
liegen häufig
als sogenannte Composite vor. Unter Composite versteht man im allgemeinen
Formteile mit relativ hohen Füllstoffgehalten.
So können
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlichen
Formkörper
bzw. Formteile Füllstoffgehalte
von mehr als 20, insbesondere mehr als 40 und bevorzugt mehr als
60 Gewichtsprozent enthalten. Beispielsweise sind auch Form körper mit
Füllstoffgehalten
im Bereich von 75 bis 85 oder gar von 80 bis 95 Gewichtsprozent
zugänglich.
Ferner kommen als Füllstoffe
Mischoxide aus Siliziumdioxid, Zirkondioxid und/oder Titandioxid
in Betracht. Außerdem
sind nanopartikuläre
oder mikrofeine Füllstoffe
wie pyrogene Kieselsäure
oder Fällungskieselsäure sowie
Makro- oder Minifüllstoffe
wie Quarz-, Glaskeramik- oder Glaspulver mit durchschnittlichen
Teilchengrößen von
z. B. 0,01 bis 5 μm
oder röntgenopake
Füllstoffe wie
Ytterbiumtrifluorid geeignet. Als Fasern kommen grundsätzlich organische
und anorganische Fasern in Betracht. Exemplarisch seien Glasfasern,
Wiskers, Schichtsilikate, Polyamid- und Kohlenstoffasern genannt.
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Um
eine zufriedenstellende Vermengung mit dem ausgehärteten verfestigbaren
Material sicherzustellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die Füllstoffe
zumindest teilweise zu beschichten, vorzugsweise hydrophob auszustatten,
zum Beispiel zu silanisieren, vorzugsweise wenn das Matrixmaterial
selber eher unpolar ist. Füllstoffe
dienen regelmäßig dem
Zweck, Formkörper
zu erhalten, die sich durch besondere Härte oder Abrasion oder auch
durch einen verringerten Schrumpf beim Aushärtvorgang auszeichnen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind unter Verwendung geeigneter füllstoffhaltiger verfestigbarer
Massen ebenfalls Grünkörper zugänglich. Als
Füllstoffe
für die
Herstellung solcher Grünkörper können in
den verfestigbaren Massen beispielsweise Pulver von Glas, Glaskeramiken
oder Keramiken eingesetzt werden, z. B. in Form sogenannter keramischer
Schlicker. Exemplarisch seien die folgenden Systeme genannt: Leucit-Phosphor-Silikat (SiO2-Al2O3-K2O-CuO-P2O5-F), Leucit, Lithiumdisilikat, Korund, Zirkonoxid
sowie Alkalizinkoxidsilikat (SiO2-ZnO-Na2O).
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Unterwirft
man die auf diese Weise aus füllstoffenthaltenden
verfestigbaren Massen erhaltenen Grünkörper einem Sinterungsvorgang,
erhält
man keramische Formkörper.
Bei dem Sinterungsvorgang werden die organischen Komponenten der
ausgehärteten
Masse entfernt und die anorganischen Füllstoffe in einen keramischen
Körper überführt. Für diese
Prozessvarian te haben sich Füllstoffgehalte
in den verfestigbaren Massen von größer als 40 Vol.-%, insbesondere
größer als
60 Vol.-% als vorteilhaft erwiesen.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen
Formkörper
stellen beispielsweise dentale Formteile dar, insbesondere solche
für die
Zahnrestauration (z. B. Inlays, Onlays, Brücken, Kronen, Stiftzähne, Verblendungen,
Implantate, Vollprothesen oder dergleichen), Zahnersatz oder auch
Hilfsmittel für
einen Zahnersatz. Darüber
hinaus sind z. B. auch Knochenprothesen und Hörgerätgehäuse zugänglich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde,
dass sich durch Verwendung einer Behälteranordnung, enthaltend zwei oder
mehrere Behälterkammern
unter Kopf-über-Beaufschlagung
mit Strahlung durch eine transparente Bodenplatte beliebig zusammengesetzte
dreidimensionale Formteile generativ erhalten lassen. Hierbei werden
verfestigbare Massen selektiv schichtweise unter Verwendung der
generativen Maskenbelichtung ausgehärtet. Die erhaltenen Formteile
sind aus mindestens zwei unterschiedlichen verfestigbaren Massen
gefertigt, wobei diese unterschiedlichen Massen sowohl horizontal,
d. h. innerhalb einer Schicht als auch in verschiedenen Schichten
vorliegen können.
Je nach Wahl der verfestigbaren Massen können diese im Endprodukt im
ausgehärteten Zustand
unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und/oder Farbeindrücke generieren.
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So
ist es mögliche,
geringste Farbunterschiede abzubilden, wodurch z. B. sehr natürlich anmutende
Dentalprodukte zugänglich
sind. Farbeindrücke
können
nicht mehr nur durch die Farbeinstellung einer aushärtbaren
Masse eingestellt werden, sondern durch das Zusammenspiel von zwei
oder mehreren aushärtbaren
Massen. Dieses ist z. B. der Fall, wenn ein sehr dünner Außenrand
aus einem ersten Material innerhalb einer Schicht um ein innenliegendes
ausgehärtetes
zweites Material hereingelegt wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
unter Einsatz der ersten und/oder der zweiten Anordnung zum Verfahren
von Träger-
und/oder Behälteranordnung
in den Behälterkammern vorliegende
unterschiedliche verfestigbare Materialien in beliebiger Folge angesteuert
werden. Auf diese Weise kann der Träger, enthaltend an seiner Unterseite
das sich ausbildende Formteil, innerhalb eines Bauprozesses in eine
Vielzahl an unterschiedlichen aushärtbaren Massen eingetaucht
werden, wobei mit jedem Eintauchvorgang in eine bestimmte Behälterkammer und
anschließender
Bestrahlung von unten die Ausbildung mindestens einer ausgehärteten Materialschicht
bzw. eines ausgehärteten
Materialschichtsegments einhergeht.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der damit
erhaltene Formkörper besteht
darin, dass die erhaltenen Produkte, insbesondere als Zahnersatzprodukte
oder als Baukörper für Hörgehörte, unmittelbar
für den
Einsatz beim Patienten geeignet sind und in der Regel keiner weiteren
formgebenden Endbearbeitung unterworfen werden müssen. Natürlich ist nicht ausgeschlossen, dass
sich gegebenenfalls noch Endreinigungs-, Temper- und/oder Lackierschritte ausschließen können. Insbesondere
gelingt es, Formteile zu erhalten, die hinsichtlich Einfärbung und/oder
Materialeigenschaften, z. B. E-Modul, in Längsrichtung wie auch quer zur
Längsrichtung
einen Gradienten aufweisen können.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung
von insbesondere Dentalprodukten besteht auch darin, dass die äußeren Schichten
mit anderer Farbe und/oder Material- bzw. Werkstoffeigenschaften
ausgeführt
werden können
als die innen liegenden Schichtsegmente. D. h. eine Materialschicht
weist in dem Formteil unterschiedliche Eigenschaften auf. So können beispielsweise
die äußeren bzw.
oberen Schichten von dentalen Formteilen aus aushärtbaren
Massen gefertigt bzw. verfestigt sein, die eine höhere Transluzenz
als die darunter liegenden Materialien aufweisen. Hierdurch gelingt
eine besonders gute Annäherung
an die Erscheinungsform eines natürlichen Zahns.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2 eine
alternative schematische Seitenschnittansicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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3 eine
schematische Längsschnittansicht
durch ein Formteil erhalten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1,
-
4 eine
schematische Längsschnittansicht
durch ein Formteil erhalten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1,
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5a)
bis 5g) eine schematische Längsschnittansicht durch verschiedene
Prozessstufen bei der Herstellung des Formteils gemäß 4,
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6 eine
schematische Längsschnittansicht
durch ein Formteil erhalten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1,
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7a)
und b) eine schematische Querschnittsansicht durch die dritte bzw.
sechste Schicht des Formteils gemäß 6,
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8 eine
schematische Längsschnittansicht
durch ein Formteil erhalten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 1 und
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9 eine
schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform
einer Behälteranordnung.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur schichtweisen
generativen Herstellung von mindestens einem dreidimensionalen Formteil,
beispielsweise einen Zahnersatz zu entnehmen. Die Vorrichtung 1 umfasst
einen Träger 4 mit
einer Unter seite 6, an der ein oder mehrerer Formteile
bzw. in Entstehung begriffene Formteile angebunden sein können. Der
Träger 4 ist über einer
Behälterwanne 8 angeordnet,
die insgesamt 6 oberseitig offene und durch Trennwände voneinander
separierte Behälterkammern 8.1 bis 8.6 enthält. Die
Behälterwanne 8 weist
eine durchgehende transparente Bodenplatte 10 auf, auf
der die Seiten- bzw. Trennwände 16 der
Behälterkammern
dichtend angebracht sind. Somit verfügt jede Behälterkammer 8.1 bis 8.6 über seiner
gesamten Bodenfläche über ein
transparentes Bodenelement 10.1 bis 10.6. Unterhalb
der Behälteranordnung 8 liegt
eine Strahlungsquelle bzw. ein Projektor 2 vor, über den
Strahlung jeweils gezielt von unten durch die transparenten Bodenelemente 10.1 bis 10.6 im
Sinne einer Kopf-über-Beaufschlagung
gelenkt werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
die Behälterwanne 8 mit einer
ersten Anordnung 12 in Wirkverbindung, mit der diese in
der Horizontalen, d. h. in der XY-Ebene verfahren werden kann. Eine
solche erste Anordnung 12 kann beispielsweise ein geeigneter
Schrittmotor sein. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Träger 4 über eine
zweite Anordnung 14, beispielsweise ebenfalls ein Schrittmotor,
in vertikaler Richtung, d. h. in Z-Richtung, verfahren. In X- und
Y-Richtung ist der Träger 4 in
der dargestellten Ausführungsform
lagefixiert. Da auch die Strahlungsquelle 2 aus Gründen der
Prozesssicherheit und -genauigkeit in der Vorrichtung 1 zumeist
fest justiert vorliegt, bilden Träger und Strahlungsquelle ein
fixes Referenzsystem aus.
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Beispielsweise
kann man nach einem ersten Bestrahlungsvorgang unter Ausbildung
einer ersten Schicht aus einer in einer ersten Behälterkammer 8.1 oder
in einer fünften
Behälterkammer 85 vorliegenden
verfestigbaren Masse z. B. den Träger 4 über den
Schrittmotor 14 in vertikaler Richtung nach oben verfahren
und mitsamt sich bildendem Formteil aus dem ersten Behälter 8.1 heraus
heben. Anschließend
kann die Behälterwanne 8 mit
Hilfe der ersten Anordnung 12 horizontal in X-Richtung
verfahren werden, so dass der Träger 4 samt
Formteil über
z. B. der zweiten Behälterkammer 8.2 positioniert
ist. Durch vertikales Verfahren des Trägers 4 mit Hilfe des
Schrittmotors 14 wird die Unterseite 6 des Trägers samt
den darin ausgebildeten Formteilsegmenten in die in der zweiten
Behälterkammer 8.2 vorliegende
zwei te verfestigbare Masse eingetaucht. Hierbei nähert man
die Unterseite 6 des Trägers 4 bzw. die
sich bereits an dieser Unterseite ausgebildeten, ausgehärteten Schichten
bzw. deren Kontaktflächen derart
an die Oberseite der transparenten Bodenplatte 10 an, dass
der Abstand im wesentlichen der Dicke der in diesem Schritt auszubildenden
Schicht entspricht. Anschließend
kann der in der vorangehend beschriebenen Weise bis zum Erhalt des
fertigen Formteils fortgefahren werden.
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Zur
besseren Veranschaulichung ist die Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1 in
schematischer Querschnittsansicht in 2 wiedergegeben. 2 zeigt
demgemäß eine Strahlungsquelle 2 in
Form einer Projektionseinheit, die unterhalb der Behälterwanne 8 angeordnet
ist. Die Behälterwanne
verfügt über eine
transparente Bodenplatte 10. Die Behälterwanne liegt auf einer Plattform
bzw. Trägerplatte 18 auf,
die Bestandteil eines Rahmens oder Tisches 20 sein kann.
Diese Trägerplatte 18 ist
mit einer Durchgangsöffnung 22 ausgestattet,
so dass Strahlung aus der Projektionseinheit 2 im Sinne
einer Kopf-über-Beaufschlagung durch
die transparente Bodenplatte 10 auf die in den Kammern
der Behälterwanne 8 vorliegenden
verfestigbaren Massen 24 gelenkt werden kann. In die Durchgangsöffnung 22 kann
alternativ eine für
Strahlung durchlässige
Auflageplatte eingelassen sein. Auch kann die Behälteranordnung
so dimensioniert sein, dass sie ein die Öffnung 22, vorzugsweise
pass genau einlassen werden kann. Das sich ausbildende Formteil 26 liegt
an der Unterseite 6 des Trägers 4 vor, der wiederum
mit einem Schrittmotor 14, enthaltend einen Hebe- bzw.
Haltearm 27 verbunden ist. Über den Schrittmotor 14 ist
in der dargestellten Ausführungsform
das sich bildende Formteil vertikal verfahrbar. Die erste Anordnung 12,
mit der die Behälterwanne
in der Horizontalen in x/y-Richtung verfahrbar ist, ist in 2 nicht
dargestellt. Die Behälterwanne 8 ist
durch zwei Trennwände 28 und 30 in
drei Behälterkammern 8.1, 8.2 und 8.3 unterteilt.
Die in den 1 und 2 wiedergegebenen
Komponenten 2, 12 und 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind im
allgemeinen über
eine Datenverarbeitungseinrichtung 32 miteinander verbunden
und ansteuerbar. So kann in einem Datenspeicher 34 der
dreidimensionale Datensatz für
ein auszubildendes Formteil hinterlegt sein, das sodann mit Hilfe der
Datenverarbeitungseinrichtung 32 in der gewünschten
Zusammensetzung generativ schichtweise erzeugt wird.
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Für diesen
Fall sind in der Datenverarbeitungseinrichtung 32 auch
Anweisungen hinterlegt, für welche
Materialschicht welche Behälterkammer
anzufahren ist. Denn über
das Sequenzmuster kann letztendlich der individuelle Aufbau des
Formteils gesteuert werden.
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Die 3 bis 7 zeigen grob skizziert Formteile, die
sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhalten lassen.
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3 zeigt
ein Formteil im Querschnitt, das im wesentlichen aus zwei unterschiedlichen
verfestigbaren Massen gefertigt ist im Querschnitt. Während die
erste verfestigbare Masse 36 den Kern des Formteils bildet,
liefert die zweite verfestigbare Masse 36 im ausgehärteten Zustand
die seitliche Ummantelung desselben. Die dritte Formmasse bildet die
abschließende
Materialschicht. Ein solches Formteil 40 lässt sich
beispielsweise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten, die über eine Behälterwanne
mit drei Behälterkammern
verfügt.
So kann in einem ersten Schritt an die Unterseite 6 des Trägers 4 die
erste, aus der ersten Behälterkammer entnommene
aushärtbare
Masse, die letztendlich den Kern bindet, verfestigt werden, woraufhin
in einem zweiten Schritt die Ummantelung dieser Schicht in derselben
Schichtebene durch das zweite, aus der zweiten Behälterkammern
entnommene verfestigbare Material gebildet wird. Diese Schichtfolge
kann beliebig oft wiederholt werden bis man die gewünschte Größe des Fertigbauteils
erhalten hat. In der dargestellten Ausführungsform wird im letzten
Schritt eine Schicht aus einem dritten verfestigbaren Material, entnommen
aus einer dritten Behälterkammer, über die
gesamte Breite der aus dem ersten und dem zweiten verfestigbaren
Material gebildeten Gesamtschicht ausgebildet. Selbstverständlich können auch in
einem solchen Herstellungszyklus die Schichtdicken von Schritt zu
Schritt variiert werden.
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4 zeigt
beispielsweise eine Längsschnittansicht
eines Formteils das, aus sieben Einzelschichten aufgebaut worden
ist, wobei sowohl innerhalb ein und derselben Schichtebene als auch
in unterschiedlichen aufeinander folgenden Schichten unterschiedliche
Materialien zu finden sind (durch unterschiedliche Schraffur gekennzeichnet).
Die Herstellung dieses Formteils wird in den 5a) bis 5g)
skizziert. Zunächst
wird in einem ersten Schritt a) an der Unterseite 6 des
Trägers 4 oder
an einer der Unterseite vorliegenden Haftschicht (nicht abgebildet)
eine erste Schicht 42 ausgehärtet. Diese erste Schicht verfügt über eine
Kontaktfläche 52,
die der Unterseite 6 abgewandt ist, und einen Randbereich 54,
auch erster Randbereich genannt. In einem zweiten Schritt wird eine
zweite Schicht b) aus einem zweiten Material 44 ausgehärtet, jedoch
nicht über der
gesamten unterseitigen Kontaktfläche 52 der
ersten Schicht. Auch die zweite Schicht 44 bildet wieder eine
der Unterseite 6 gegenüberliegende
Kontaktfläche 56 aus
und verfügt über einen
Randbereich bzw. umlaufenden Rand 58, auch zweiter Randbereich genannt.
Sodann kann in einem dritten Schritt c) ein drittes Material 46 in
den Bereichen ausgehärtet
werden, die in dem zweiten Schritt ausgelassen worden sind. In dem
vierten Schritt d) kann anschließend beispielsweise wieder
eine Schicht aus dem zweiten Material 44 auf der unterseitigen
Fläche
der in dem zweiten Schritt ausgehärteten Schicht verfestigt werden.
In einem fünften
Schritt e) kann dann beispielsweise durch das Aushärten des
dritten Materials 46 in den von den im vierten Schritt
freigelassenen Arealen eine einheitliche Schicht ausgebildet werden.
Anschließend
kann in einem sechsten Schritt f) ein Schichtsegment aus einem vierten
verfestigbaren Material 48 angebunden werden. Wie gezeigt,
kann ohne weiteres auch die Dicke der ausgehärteten Schichten innerhalb
eines Formteils variiert werden. Die im sechsten Schritt ausgehärtete Schicht,
beispielsweise aus dem Material 42 der ersten Schicht, ist
beispielsweise wesentlich dünner
als die vorhergehend gebildeten Schichten. Somit kann in einem sieben
Schritt g) eine fünfte
verfestigbare Masse 50 über
der gesamten unterseitigen Fläche
des Formteils unter Erhalt des fertigen Formteils ausgebildet werden.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Formteils in Längsschnittansicht,
das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wie vorangehend beschrieben, erhältlich
ist. Während die
ersten drei ausgehärteten
Materialschichten einheitlich aus demselben Material bestehen, ist
in der vierten Materialschicht ein innen liegendes Segment aus einer
zweiten verfestigbaren Masse eingelassen. 7a) zeigt einen
Querschnitt A-A durch diese Schicht. Daraus ist zu ersehen, dass
das zu bildende Formteil in der vierten Schicht eine in wesentlichen
kreisförmige Umrissform
hat mit einem eingefügten
kreisförmigen Segment
aus einem zweiten verfestigbaren Material, während der umlaufende Kreisring
aus dem ersten verfestigbaren Material gebildet ist. Wie 6 weiter zu
entnehmen ist, hat man sodann für
die fünfte
Materialschicht für
den innen liegenden Bereich das zweite Material beibehalten, jedoch
den umlaufenden Kreisring dieser Schicht aus einem dritten Material
gebildet. In ähnlicher
Weise hat man in der sechsten Materialschicht wiederum das zweite
Material für den
innen liegenden Bereich beibehalten und für den in dieser Schicht umlaufenden
Kreisring ein viertes verfestigbares Material gewählt. Sodann
ist für
die Ausbildung der folgenden siebten Schicht zunächst ein Kreisring aus einem
fünften
Material gebildet worden, dessen Innenraum wiederum mit dem zweiten verfestigbaren
Material ausgefüllt
worden ist. Die Randbereiche dieser Schicht sind anschließend mit dem
vierten verfestigbaren Material gebildet worden. 7a)
zeigt einen Querschnitt A-A durch diese Schicht. Somit hat es für die Ausbildung
dieser siebten Schicht insgesamt des Eintauchens in drei unterschiedliche
Behälterkammern
bedurft. Die abschließende,
achte Schicht ist dann über
die gesamte Breite des Formteils aus dem vierten Material gebildet worden.
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8 zeigt
eine schematische Längsschnittansicht
durch eine weitere alternative Ausführungsform eines Formteils,
das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erhältlich
ist. Hierbei ist die erste, an der Unterseite 6 des Trägers 4 angebrachte
Schicht wie in den Ausführungsformen
der 3 bis 7 aus einer
ersten aushärtbaren
Masse hergestellt worden. D. h. die Unterseite 6 sowie
der Behälterboden 10 der Behälterwanne 8 sind
beim Aushärtvorgang
beide im wesentlichen horizontal und zueinander parallel ausgerichtet
gewesen. Für
die Ausbildung der zweiten Schicht ist sodann der Behälter 8 samt
Behälterboden 10 geringfügig verschwenkt
worden, und zwar in einer Weise, dass an dem äußersten Rand der Unterseite
der ersten Schicht noch ein minimaler Kontakt mit dem Behälterboden 10 verblieben
ist. Bei der nachfolgenden Aushärtung
der in den Spalt zwischen der Unterseite bzw. der Kontaktfläche der
ersten Schicht und den Behälterboden
eingetretenen verfestigbaren Masse ist ein keilförmiges Segment als zweite Schicht
ausgebildet worden. Durch gegensinniges Verschwenken der Behälterwanne
im Folgeschritt ist der Behälterboden 10 wieder
in die Horizontale überführt worden
und liegt parallel zu der Unterseite der ersten Schicht bzw. parallel
zur Unterseite des Trägers
vor. Beim Aushärtvorgang
wird wiederum ein keilförmiges
Segment gebildet. Für
die Ausbildung der vierten Schicht ist die Behälterwanne ist bzw. der Behälterboden
wiederum verschwenkt worden, allerdings ist gleichzeitig der Träger 4 geringfügig vertikal
nach oben verfahren worden. Somit liegt beim Aushärtvorgang
mittels unterseitiger Bestrahlung kein Kontakt zwischen der Bodenfläche und
der ausgehärteten
dritten Materialschicht mehr vor. Vielmehr kann verfestigbare Masse
vollständig
zwischen Behälterboden
und dritter Materialschicht eindringen und gemäß der vorgesehenen Umrissmaske
belichtet werden. Der geschilderte Vorgang kann selbstverständlich beliebig
häufig
wiederholt werden. Somit ist erkennbar, dass sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile
erhalten lassen, die selbst innerhalb einer Schicht über graduierlich
sich ändernde
Werkstoff- und/oder Farbeigenschaften verfügen.
-
9 zeigt
eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausgestaltung einer
Behälteranordnung 8,
bei der die einzelnen Behälterkammern 8.1 bis 8.8 um
eine gemeinsame Drehachse 60 angeordnet sind. Bei dieser
Ausgestaltung stellt die erste Anordnung 12 beispielsweise
einen Drehmotor dar, mit der die Behälteranordnung 8 rotiert
werden kann. Hierbei können
der Träger 4 samt
Unterseite 6 sowie die Strahlungsquelle 2 fest
justiert vorliegen. Durch vertikales Auf- und Ab-Verfahren des Trägers mit Zwischengeschaltetem
Drehen der Behälteranordnung 8 kann
wiederum, wie vorangehend beschrieben, ein Formteil in beliebiger
Werkstoff- und/oder Farbstoffkombination erhalten werden.
-
Durch
die vielfältigen
Kombinationsmöglichkeiten
von unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Werkstoffzusammensetzungen
wie auch durch die Kombinierbarkeit von identischen oder unterschiedlichen Zusammensetzungen
mit unterschiedlichen Farben innerhalb einer Schicht lassen sich
nicht nur unterschiedlichste Werkstoffeigenschaften, sondern ebenfalls
feinste Farbnuancen bzw. Farbmuster einstellen.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Strahlungsquelle
- 4
- Träger
- 6
- Trägerunterseite
- 8
- Behälterwanne
- 8.1
bis 8.6
- Behälterkammern
- 10
- Bodenplatte
- 10.1
bis 10.6
- Bodenelemente
- 12
- Erste
Anordnung
- 14
- Zweite
Anordnung
- 18
- Trägerplatte
- 20
- Halterahmen
- 22
- Durchgangsöffnung
- 24
- Verfestigbare
Massen
- 26
- Sich
ausbildendes Formteil
- 27
- Hebe-
bzw. Haltearm
- 28
- Trennwand
- 30
- Trennwand
- 32
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 34
- Datenspeicher
- 36
- Verfestigbare
Masse
- 40
- Formteil
- 42
- Erste
Schicht aus erstem Material
- 44
- Zweite
Schicht aus zweitem Material
- 46
- Drittes
Material
- 48
- Viertes
Material
- 50
- Fünftes Material
- 52
- Kontaktfläche der
ersten Schicht
- 54
- Randbereich
der ersten Schicht/Erster Randbereich
- 56
- Kontaktfläche der
zweiten Schicht
- 58
- Randbereich
der zweiten Schicht/Zweiter Randbereich
- 60
- Drehachse