DE102012011610A1

DE102012011610A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102012011610A1
Application number: DE102012011610A
Authority: DE
Inventors: Joachim Renner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Renner Joachim De
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer (2), umfassend einen an einer Oberseite geöffneten Behälter (3) für das flüssige Fotopolymer (2), wobei ein Boden des Behälters (3) durch eine transluzente Folie (4) gebildet ist, eine transluzente Referenzplatte (7), eine unter der Referenzplatte (7) angeordnete Belichtungsvorrichtung (10) und eine zumindest vertikal bewegbare Bauteilhalterung (8). Erfindungsgemäß ist der Behälter (3) in vertikaler Richtung derart beweglich, dass die Folie (4) auf die Referenzplatte (7) auflegbar und von dieser abhebbar ist, wobei im auf die Referenzplatte (7) aufgelegten Zustand Randbereiche der Folie (4) die Referenzplatte (7) seitlich überragen, wobei eine Hubbewegung des Behälters (3) in einer vorgegebenen Position zu stoppen ist und wobei die Folie (4) derart ausgebildet und an einer Seitenwandung (5) des Behälters (3) angeordnet ist, dass sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 101 19 817 A1 beschrieben, eine Vorrichtung zur Trennung einer auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene ausgehärteten Materialschicht mit Hilfe einer zwischen Ebene und Materialschicht angeordneten flexiblen, elastischen Trennschicht bekannt. Diese Trennschicht ist in Form einer Folie ausgebildet, welche nicht an der Ebene haftet. Ein gasförmiges oder flüssiges Medium kann zwischen der Folie und der Ebene strömen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer umfasst einen an einer Oberseite geöffneten Behälter für das flüssige Fotopolymer, wobei ein Boden des Behälters durch eine transluzente Folie gebildet ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine transluzente Referenzplatte, eine unter der Referenzplatte angeordnete Belichtungsvorrichtung und eine zumindest vertikal bewegbare Bauteilhalterung.
Erfindungsgemäß ist der Behälter in vertikaler Richtung derart beweglich, dass die Folie auf die Referenzplatte auflegbar und von dieser abhebbar ist, wobei im auf die Referenzplatte aufgelegten Zustand Randbereiche der Folie die Referenzplatte seitlich überragen, wobei eine Hubbewegung des Behälters in einer vorgegebenen Position zu stoppen ist und wobei die Folie derart ausgebildet und an einer Seitenwandung des Behälters angeordnet ist, dass sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt.
Die Vorrichtung sowie ein mittels dieser Vorrichtung durchführbares Verfahren ermöglichen die Herstellung eines Bauteils durch gezielte Lichtbestrahlung eines Fotopolymers, so dass dieses aushärtet, d. h. polymerisiert. Dabei erfolgt dieses Aushärten jeweils schichtweise, d. h. das Bauteil ist in einer Mehrzahl ausgehärteter Schichten auszubilden. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen auf diese Weise das Herstellen von Bauteilen aus dem Fotopolymer, d. h. aus Kunststoff, genauer gesagt aus einem Kunstharz, in einer großen Vielfalt von Ausformungen. Dies wird auch als rapid prototyping oder rapid manufacturing bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr einfach und kostengünstig herzustellen und des Weiteren sehr einfach zu nutzen. Insbesondere ist keine aufwändige Bewegungssteuerung von Bestandteilen der Vorrichtung in einer Vielzahl unterschiedlicher Bewegungsrichtungen erforderlich, sondern es ist vorzugsweise lediglich die Bauteilhalterung vertikal zu bewegen. Weitere Antriebe zur Bewegung weiterer Bestandteile der Vorrichtung sind vorteilhafterweise nicht erforderlich, denn das Absenken des mit dem Fotopolymer befüllten Behälters in Richtung der Referenzplatte erfolgt vorzugsweise allein durch dessen Eigengewicht.
Die Folie ist während des Absenkens durch das Gewicht des Fotopolymers, d. h. durch die auf die Folie wirkende Gewichtskraft des Fotopolymers, in Richtung der Referenzplatte gewölbt, so dass ein mittlerer Bereich der Folie zuerst auf einen mittleren Bereich der Referenzplatte auftrifft. Während des weiteren Absenkens des Behälters legt sich die Folie von diesem mittleren Bereich ausgehend in Richtung eines Randes der Referenzplatte auf, so dass Lufteinschlüsse und Wellen- oder Faltenbildungen vermieden sind. Da die Randbereiche der Folie die Referenzplatte seitlich überragen, senkt sich der Behälter weiter ab, d. h. ein unterer Rand des Behälters mit der daran angeordneten Folie ist dann tiefer positioniert als eine Oberseite der Referenzplatte. Dadurch spannt sich die Folie über die Referenzplatte, ohne Lufteinschlüsse und ohne Wellen oder Falten auszubilden, so dass sie an der Referenzplatte flach anliegt. Dies ermöglicht eine optimierte Oberfläche der anschließend auszubildenden Schicht des Bauteils durch die gezielte Bestrahlung mit Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs. Dieser Wellenlängenbereich ist entsprechend des verwendeten Fotopolymers vorgegeben und kann beispielsweise im sichtbaren Lichtbereich oder im Ultraviolettlichtbereich oder im Infrarotlichtbereich liegen.
Nach dem Aushärten der Schicht ist die Bauteilhalterung vertikal anzuheben, wobei die ausgehärtete Schicht an der Folie anhaftet, so dass die Bauteilhalterung über die Folie auch den Behälter anhebt, bis dieser in einer vorgegebenen Position zu stoppen ist. Die Bauteilhalterung bewegt sich weiter vertikal nach oben, so dass durch die Krafteinwirkung auf die an der ausgehärteten Schicht anhaftende Folie sich diese zunächst nach oben wölbt und sich dann zunehmend von der ausgehärteten Schicht abschält. Dieses Abschälen beginnt an einem Rand der ausgehärteten Schicht und setzt sich dann in Richtung des mittleren Bereichs der Folie fort, bis diese vollständig von der ausgehärteten Schicht des Bauteils abgelöst ist. Danach fällt der Behälter wieder in Richtung der Referenzplatte und die nächste Schicht ist durch gezielte Lichtbestrahlung auszuhärten.
Der Behälter ist sehr einfach und kostengünstig auszubilden und ist daher beispielsweise als Verpackung für das Fotopolymer zu nutzen, d. h. der Behälter ist beispielsweise bei einem Hersteller des Fotopolymers mit diesem zu befüllen und anzuliefern. Er ist dann in die Vorrichtung einzusetzen und solange zu nutzen, bis das Fotopolymer verbraucht ist. Danach ist der Behälter beispielsweise zu entsorgen. Auf diese Weise ist eine gute Qualität der Folie für die begrenzte Einsatzdauer bis zum Aufbrauchen des Fotopolymers auf einfache Weise sicherzustellen und ein zu starker Verschleiß der Folie aufgrund einer Vielzahl von Spannvorgängen durch das Überspannen der Referenzplatte und das anschließende Ablösen von der jeweils ausgehärteten Schicht des auszubildenden Bauteils ist vermieden. Ein derartiger zu starker Verschleiß der Folie könnte beispielsweise zu einer Eintrübung und dadurch einer verminderten Transluzenz der Folie führen, so dass das optimale Aushärten des Fotopolymers nicht mehr sichergestellt wäre, oder die Folie könnte Reißen und das Fotopolymer die Vorrichtung verschmutzen. Dies ist durch die Verwendung des Behälters mit der Folie nur bis zum Aufbrauchen des Fotopolymers vermieden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines ersten Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils,
2 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines zweiten Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils,
3 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines dritten Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils,
4 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines vierten Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils,
5 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines fünften Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils, und
6 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer während eines sechsten Teils eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 6 zeigen eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer 2 während eines Ablaufs eines Verfahrens zur Herstellung des Bauteils, d. h. in den 1 bis 6 sind aufeinander folgende Verfahrensschritte des mittels der Vorrichtung 1 durchzuführenden Verfahrens dargestellt. Das Fotopolymer 2 ist ein Harz, insbesondere ein Kunstharz, d. h. ein Kunststoff. Dieses Fotopolymer 2 liegt zunächst in einem flüssigen Zustand vor und ist fotochemisch aushärtbar, d. h. eine Bestrahlung des Fotopolymers 2 mit Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs bewirkt eine chemische Reaktion des Fotopolymers 2, so dass dieses aushärtet, d. h. polymerisiert. Dieser Wellenlängenbereich ist entsprechend des jeweils verwendeten Fotopolymers 2 vorgegeben und kann beispielsweise im sichtbaren Lichtbereich oder im Ultraviolettlichtbereich oder im Infrarotlichtbereich liegen.
Die Vorrichtung 1 und das mittels der Vorrichtung 1 durchführbare Verfahren ermöglichen somit die Herstellung eines Bauteils durch gezielte Lichtbestrahlung des Fotopolymers 2, so dass dieses aushärtet. Dabei erfolgt dieses Aushärten jeweils schichtweise, d. h. das Bauteil ist in einer Mehrzahl ausgehärteter Schichten auszubilden. Die Vorrichtung 1 und das Verfahren ermöglichen auf diese Weise das Herstellen von Bauteilen aus dem Fotopolymer 2 in einer großen Vielfalt von Ausformungen. Dies wird beispielsweise auch als rapid prototyping oder rapid manufacturing bezeichnet.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen Behälter 3. In diesem Behälter 3 ist das Fotopolymer 2 in flüssiger Form angeordnet. Der Behälter 3 ist vorzugsweise zylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet, wie in den Figuren dargestellt, d. h. er weist einen runden Querschnitt auf. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Fotopolymers 2 im Behälter 3. Der Behälter 3 ist an einer Oberseite geöffnet. Ein Boden des Behälters 3 ist durch eine transluzente Folie 4 gebildet, d. h. die Folie 4 kann vollständig transparent ausgebildet sein oder zumindest in vorgegebener Weise transluzent, so dass Licht zum Aushärten des Fotopolymers 2 die Folie 4 in einer ausreichenden Bestrahlungsintensität durchdringen kann. Zweckmäßigerweise ist die Folie 4 aus Kunststoff ausgebildet. Die Folie 4 ist an einer Seitenwandung 5 des Behälters 3, beispielsweise an einem unteren Randbereich der Seitenwandung 5, formschlüssig, stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder durch eine Flanschklemmung.
Die Folie 4 ist derart ausgebildet und an der Seitenwandung 5 des Behälters 3 angeordnet, dass sie sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt, d. h. die Folie 4 ist beispielsweise begrenzt elastisch ausgebildet und ist derart an der Seitenwandung 5 befestigt, dass sie im unbefüllten Zustand des Behälters 3 flach ist. Nach einem Befüllen des Behälters 3 mit dem Fotopolymer 2 entsteht durch den vom Fotopolymer 2 auf die Folie 4 ausgeübten Druck, d. h. durch die Schwerkraft bzw. durch die Gewichtskraft des Fotopolymers 2, welche auf die Folie 4 einwirkt, eine leichte, kuppenförmige Wölbung der Folie 4 nach unten, wie in 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine Führungseinheit 6 auf, mittels welcher vertikale Bewegungen des Behälters 3 zu führen sind. Diese Führungseinheit 6 ist korrespondierend zum Behälter 3 ausgebildet. Daher ist die Führungseinheit 6 in diesem Beispiel ebenfalls zylinderförmig ausgebildet, d. h. sie weist ebenfalls einen runden Querschnitt auf. Zum Führen der vertikalen Bewegungen des Behälters 3 ist dieser in die Führungseinheit 6 einzusetzen, so dass diese einen Außenumfang des Behälters 3 umschließt, d. h. eine vertikale Führungswandung 6.1 liegt an einer Außenseite der Seitenwandung 5 des Behälters 3 an, so dass dieser in der Führungseinheit 6 vertikal nach oben und nach unten gleiten kann.
Eine vertikale Bewegung des Behälters 3 nach unten erfolgt dabei allein durch dessen Eigengewicht, d. h. durch das Gewicht des Behälters 3 und des sich darin befindenden Fotopolymers 2. Auf diese Weise ist kein Antrieb zum Bewegen des Behälters 3 erforderlich. Während der vertikalen Bewegung des Behälters 3 nach unten erreicht, wie in 1 dargestellt, der tiefste Punkt der durchhängenden Folie 4 als erstes eine transluzente Referenzplatte 7 der Vorrichtung 1, welche unter dem in der Führungseinheit 6 positionierten Behälter 3 angeordnet ist. Diese Referenzplatte 7 ist beispielsweise aus Glas oder aus Kunststoff und analog zur Folie 4 ebenfalls entweder vollständig transparent ausgebildet oder zumindest in vorgegebener Weise transluzent, so dass das Licht zum Aushärten des Fotopolymers 2 die Folie 4 in einer ausreichenden Bestrahlungsintensität durchdringen kann. Diese Referenzplatte 7 dient im späteren Verfahrensverlauf als Referenzebene zur Ausbildung des Bauteils.
Da die Folie 4 beim weiteren Herabgleiten des Behälters 3 Luft immer seitlich auspressen kann und durch den Druck des eingefüllten Fotopolymers 2, d. h. durch dessen Gewichtskraft, ausgehend von diesem mittleren Punkt in Richtung von Randbereichen auf die Referenzplatte 7 abgelegt wird, entstehen keine Blasen zwischen der Folie 4 und der Referenzplatte 7. Die Referenzplatte 7 ist rund ausgebildet und weist einen geringeren Durchmesser auf als der Behälter 3 und die dessen Boden bildende Folie 4, so dass Randbereiche der Folie 4 die Referenzplatte 7 seitlich überragen. Dadurch sinkt der Behälter 3 weiter vertikal nach unten ab. Auf diese Weise spannt sich die Folie 4 bis zum Erreichen einer unteren Endlage des Behälters 3, wie in 2 dargestellt, vollständig planar über die Referenzplatte 7 und wird durch das Eigengewicht des Behälters 3 auch dann noch gestrafft, falls sie sich in vorherigen Verfahrensdurchläufen bereits etwas plastisch gedehnt hat.
Ist das Eigengewicht des Behälters 3 zu hoch, beispielsweise unverhältnismäßig höher als eine maximale Dehnkraft der Folie 4, so dass diese zerreißen würde, so weist die Vorrichtung 1 zumindest ein hier nicht näher dargestelltes, beispielsweise als Druckfeder ausgebildetes Federelement oder eine Mehrzahl derartiger Federelemente auf. Mittels dieses Federelementes oder der Mehrzahl von Federelementen ist eine Absenkbewegung des Behälters 3 in Richtung der Referenzplatte 7 rechtzeitig abzubremsen, bevor die Folie 4 reißt. Dazu ist das Federelement oder die Mehrzahl von Federelementen beispielsweise unter einem unteren Rand des Behälters 3 positioniert, so dass der Behälter 3 durch seine Absenkbewegung auf dem Federelement oder auf den Federelementen aufsetzt. Durch diese Vorrichtung 1 und deren beschriebene Wirkungsweise ist somit die Folie 4 falten- und blasenfrei über die Referenzplatte 7 zu spannen.
Die so erreichte Lage bzw. Position des Behälters 3 und der Folie 4 ist eine Ausgangsstellung für einen Herstellungsprozess des Bauteils. Eine vertikal bewegbare Bauteilhalterung 8 ist nun von oben in den Behälter 3 einzuführen, wie in 3 dargestellt, und soweit vertikal abzusenken, bis eine Unterseite der Bauteilhalterung 8 oder, wie in 3 dargestellt, eine Unterseite eines bereits ausgebildeten Teils 9 des Bauteils in einem vorgegebenen Abstand zur Referenzplatte 7 und der diese überspannenden Folie 4 positioniert ist. Dabei taucht natürlich die Unterseite der Bauteilhalterung 8 bzw. die Unterseite des bereits ausgebildeten Teils 9 des Bauteils in das Fotopolymer 2 ein.
In dem in 3 dargestellten Beispiel sind im Verfahren bereits mehrere Herstellungsdurchläufe erfolgt, so dass das Bauteil bereits teilweise ausgebildet ist. Dabei wird das Bauteil schichtweise ausgebildet, d. h. in jedem Herstellungsdurchlauf wird eine weitere Schicht des Bauteils ausgebildet. Zu Beginn des Verfahrens wird daher die Bauteilhalterung 8 soweit abgesenkt, bis deren Unterseite im vorgegebenen Abstand zur Referenzplatte 7 und zur diese überspannenden Folie 4 positioniert ist und in das Fotopolymer 2 eintaucht. In jedem weiteren Herstellungsdurchlauf wird dann die Bauteilhalterung 8 soweit abgesenkt, bis die Unterseite des dann bereits ausgebildeten Teils 9 des Bauteils in dem vorgegebenen Abstand zur Referenzplatte 7 und der diese überspannenden Folie 4 positioniert ist und in das Fotopolymer 2 eintaucht.
Der vorgegebene Abstand entspricht dabei einer Schichtdicke einer jeweils zu erzeugenden Schicht, d. h. des durch die Lichtbestrahlung in dem jeweiligen Herstellungsdurchlauf auszuhärtenden Fotopolymers 2. Die in das Fotopolymer 2 eintauchende Bauteilhalterung 8 bzw. der in das Fotopolymer 2 eintauchende bereits ausgebildete Teil 9 des Bauteils verdrängt das Fotopolymer 2 seitlich im Behälter 3, so dass unter der Bauteilhalterung 8 bzw. unter dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils lediglich das nachfolgend durch Lichtbestrahlung auszuhärtende und eine folgende Schicht des Bauteils auszubildende Fotopolymer 2 verbleibt.
Anschließend erfolgt mittels einer unter der Referenzplatte 7 angeordneten Belichtungsvorrichtung 10 eine Belichtung eines vorgegebenen Bereichs des Fotopolymers 2, d. h. im in 3 dargestellten Beispiel der unter dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils angeordneten Schicht des Fotopolymers 2, so dass dieses aushärtet. Die Belichtungsvorrichtung 10 ist beispielsweise als eine Lichtquelle mit einer Maske ausgebildet oder besonders bevorzugt, wie im hier dargestellten Beispiel, als eine bilderzeugende Lichtquelle, so dass keine separate Maske erforderlich ist. Im hier dargestellten Beispiel ist die Belichtungsvorrichtung 10 beispielsweise als ein so genannter DLP-Projektor oder DLP-Beamer ausgebildet, dessen Licht beispielsweise mittels eines geeigneten Objektivs 11 oder einer anderen Optikeinrichtung oder Lichtleiteinrichtung in Richtung der Referenzplatte 7 gerichtet ist. Diese Lichtquellen sind besonders lichtstark, da von diesen abgestrahltes Licht mittels einer Mehrzahl von Spiegeln in vorgegebene Richtungen zu lenken ist, um auf diese Weise ein jeweils zu projizierendes Bild zu erzeugen. Dadurch ist eine ausreichende Bestrahlungsintensität zum Aushärten des Fotopolymers 2 erreichbar.
Mittels der Belichtungseinheit 10 ist ein vorgegebenes Bild, d. h. ein Querschnittsbild, auf das Fotopolymer 2 zu projizieren, so dass entsprechend des vorgegebenen Bildes vorgegebene Bereiche stark belichtet werden und andere Bereiche nicht belichtet werden. Das Fotopolymer 2 härtet nur in den belichteten Bereichen aus, in den anderen Bereichen des Behälters 3 bleibt das Fotopolymer 2 weiterhin flüssig. Durch diese Belichtung bildet sich eine weitere Schicht des herzustellenden Bauteils durch gezieltes Aushärten des Fotopolymers 2 aus.
Die ausgehärtete Schicht des Fotopolymers 2 haftet sowohl an der Bauteilhalterung 8 bzw. an dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils als auch an der Folie 4. D. h. die Folie 4 ist nun zunächst von dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils, genauer gesagt von dessen zuletzt ausgehärteter Schicht, abzulösen, um eine weitere Schicht ausbilden zu können. Dies erfolgt durch vertikales Anheben der Bauteilhalterung 8. Da die Folie 4 an dem mittels der Bauteilhalterung 8 angehobenen bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils anhaftet, erfolgt auf diese Weise über die Folie 4 ein Anheben des gesamten mit der Folie 4 verbundenen Behälters 3, wie in 4 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 weist in einem vorgegebenen Abstand über dem Behälter 3 zumindest ein Anschlagelement 12 auf, mittels welchem die Hubbewegung des Behälters 3 in einer vorgegebenen Position zu stoppen ist. Im hier dargestellten Beispiel weist die Vorrichtung 1 zwei derartige Anschlagelemente 12 an gegenüberliegenden Seiten des Behälters 3 auf, welche beispielsweise nach dem Anordnen des Behälters 3 in der Führungseinheit 6 auf eine Grundplatte 13 der Vorrichtung 1 aufzusetzen sind und an welche der Behälter 3 während seiner durch die Bauteilhalterung 8 verursachten Hubbewegung mit einem oberen Randbereich der Seitenwandung 5 anstößt. Auf der Grundplatte 13, welche eine Öffnung aufweist, durch welche die Belichtungsvorrichtung 10 hindurchstrahlen kann, ist auch die Führungseinheit 6 gehaltert. Die Bauteilhalterung 8 ist nun weiterhin nach oben bewegbar, während der Behälter 3 durch die Anschlagelemente 12 gestoppt ist und in der an den Anschlagelementen 12 anliegenden Position verharrt, wie in 5 dargestellt.
Aus diesem Stoppen der Bewegung des Behälters 3 und dem weiteren Bewegen der Bauteilhalterung 8 nach oben resultiert das Ablösen der Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils, wobei ein Abschäleffekt der Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils eintritt. D. h. aus der weiteren Bewegung der Bauteilhalterung 8 nach oben und dem gleichzeitigen Stillstand des Behälters 3 resultiert eine Krafteinwirkung auf die an dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils anhaftende Folie 4, so dass sich diese zunächst nach oben wölbt und sich dann zunehmend von der ausgehärteten Schicht abschält. Dieses Abschälen beginnt an einem Rand der ausgehärteten Schicht und setzt sich dann in Richtung des mittleren Bereichs der Folie 4 fort, bis diese vollständig von der ausgehärteten Schicht des Bauteils abgelöst ist.
Dabei kommt es zu einer so genannten Vektorenzerteilung, d. h. durch die Wölbung der Folie 4 setzt sich eine auf die Folie 4 wirkende Abziehkraft aus einer vertikalen Komponente und einer horizontalen Komponente zusammen, so dass eine resultierende Kraftwirkung schräg zur bereits ausgehärteten Schicht ausgerichtet ist. Dadurch erfolgt das Abschälen der Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils mit geringem Kraftaufwand, so dass eine Deformation der Folie 4 vermieden oder zumindest stark reduziert ist. Auf diese Weise sind insbesondere eine Beschädigung der Folie 4, beispielsweise ein Reißen, sowie ein starker Verschleiß der Folie 4 vermieden, welcher zu einer plastischen Verformung der Folie 4 und/oder zu einer Eintrübung der Folie 4, d. h. zu einer verringerten Transluzenz, führen würde. Durch das schonende Abschälen der Folie 4 ist diese mehrfach wiederzuverwenden, zweckmäßigerweise zur Aushärtung aller Schichten des auszubildenden Bauteils. Des Weiteren ist durch das schonende Abschälen der Folie 4 eine Beschädigung des Bauteils bzw. des bereits ausgebildeten Teils 9 des Bauteils vermieden, beispielsweise ein Abreißen der zuletzt ausgehärteten Schicht oder anderer Bereiche aufgrund einer zu starken Krafteinwirkung.
Um das Ablösen der Folie 4 zu optimieren und mit einem möglichst geringen Kraftaufwand zu ermöglichen, ist die Folie 4 beispielsweise aus Polyvinychlorid (PVC), Perfluorethylenpropylen (FEP), aus einem Perfluoralkoxy-Polymer (PFA) oder besonders bevorzugt aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet und/oder mit einer Antihaftbeschichtung beschichtet, zumindest auf einer in Richtung des Fotopolymers 2 weisenden Seite, um eine Haftwirkung des Fotopolymers 2 an der Folie 4 zu reduzieren.
Nach dem vollständigen Ablösen der Folie 4 wölbt diese sich aufgrund der Gewichtskraft des sich noch im Behälter 3 befindenden flüssigen Fotopolymers 2 wieder nach unten in Richtung der Referenzplatte 7, wobei sich das Fotopolymer 2 wieder gleichmäßig im Behälter 3 verteilt, wie in 6 dargestellt, und der Behälter 3 fällt, wie in 1 dargestellt, in der Führungseinheit 6 wieder in Richtung der Referenzplatte 7, so dass ein weiterer Herstellungsdurchlauf starten kann, um eine weitere Schicht des Bauteils auszubilden. Durch eine mehrfache Wiederholung dieser Vorgänge ist somit das Bauteil vollständig aus dem Fotopolymer 2 auszubilden. Mittels der Vorrichtung 1 ist somit ohne eine aufwändige Mechanik und ohne zusätzliche Antriebe ein schonendes Ablösen der Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils und ein Bewegen des Behälters 3 in eine Ausgangsposition zum Aushärten einer weiteren Schicht des Fotopolymers 2 ermöglicht.
Für den Behälter 3 und die Führungseinheit 6 ist keine besonders hohe Präzision erforderlich, so dass diese auf einfache und kostengünstige Weise aus Kunststoff auszubilden sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Behälter 3 als Verpackung für das Fotopolymer 2 zu nutzen, d. h. der Behälter 3 ist beispielsweise von einem Hersteller des Fotopolymers 2 mit dem Fotopolymer 2 zu befüllen und einem Nutzer der Vorrichtung 1 zur Herstellung von Bauteilen aus dem Fotopolymer 2 anzuliefern, welcher den Behälter 3 dann lediglich in die Vorrichtung 1 einzusetzen hat, um das jeweils gewünschte Bauteil auszubilden.
Die Vorrichtung 1 ist einfach und kostengünstig ausgebildet und einfach zu nutzen, insbesondere da sie nur eine zu deren Bewegung anzutreibende Einheit aufweist, nämlich die Bauteilhalterung 8, welche zudem lediglich vertikal zu bewegen ist, so dass keine komplizierten und kostenintensiven Bewegungssteuerungen und mehrfachen Bewegungseinheiten erforderlich sind, wie dies bei Systemen aus dem Stand der Technik mit komplizierten Abkipp- und Abziehmechaniken bekannt ist. Dennoch ist die Vorrichtung 1 hochpräzise und ermöglicht auf diese Weise ein optimiertes und hochpräzises Ausbilden von Bauteilen aus dem Fotopolymer 2.
In besonders vorteilhafter Weise bildet die Führungseinheit 6, wie in dem dargestellten Beispiel, zusammen mit der Referenzplatte 7 ein Auffanggefäß für bei einem Reißen der Folie 4 aus dem Behälter 3 austretendes Fotopolymer 2. D. h. die Führungseinheit 6 weist einen Bodenbereich 6.2 auf, welcher angeschrägt ist, d. h. von einem unteren Rand der Führungswandung 6.1 aus in Richtung der Referenzplatte 7 verläuft, welche auf diese Weise erhöht in der Führungseinheit 6 angeordnet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Behälter 3 ausreichend an der Referenzplatte 7 vorbei absenken kann, um die Folie 4 ausreichend auf der Referenzplatte 7 zu spannen.
Die Führungseinheit 6 mit ihrer Führungswandung 6.1 und ihrem Bodenbereich 6.2 sowie die mit dem Bodenbereich 6.2 verbundene Referenzplatte 7 bilden somit ein unten und seitlich geschlossenes Auffanggefäß, d. h. ein Sicherheitsgefäß. Sollte nun ein Notfall in Form eines Reißens der Folie 4 oder in Form einer Undichtigkeit der Folie 4 eintreten, beispielsweise während eines Spannens der Folie 4 über der Referenzplatte 7 oder während des Abschälens der Folie 4 von der zuletzt ausgehärteten Schicht, so dass das Fotopolymer 2 aus dem Behälter 3 austritt, so ergießt es sich in das durch die Führungseinheit 6 ausgebildete Auffanggefäß und wird durch dieses aufgefangen. Dadurch ist ein Verschmutzen anderer Bestandteile der Vorrichtung 1, insbesondere der Belichtungsvorrichtung 10, mit dem Fotopolymer 2 verhindert.
Im Folgenden wird der Ablauf des mittels der Vorrichtung 1 durchzuführenden Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer 2 noch einmal zusammenfassend geschildert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der an der Oberseite geöffnete und mit dem Fotopolymer 2 befüllte Behälter 3, dessen Boden aus der transluzenten Folie 4 ausgebildet ist, welche derart ausgebildet und an der Seitenwandung 5 des Behälters 3 angeordnet ist, dass sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt, in Richtung der transluzenten Referenzplatte 7 vertikal abgesenkt, bis die Folie 4 vollflächig auf der Referenzplatte 7 aufliegt und diese derart vollständig überspannt, dass Randbereiche der Folie 4 die Referenzplatte 7 seitlich überragen. Das Absenken des Behälters 3 erfolgt dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch sein Eigengewicht, d. h. durch das Eigengewicht des Behälters 3 und des sich darin befindenden Fotopolymers 2. Die vertikale Bewegung des Behälters 3 wird mittels der Führungseinheit 6 geführt. Durch das Fotopolymer 2, d. h. durch dessen auf die Folie 4 einwirkende Gewichtskraft, wölbt sich die Folie 4 während des Absenkens des Behälters 3 leicht kuppenförmig nach unten, wie in 1 dargestellt, so dass während der vertikalen Bewegung des Behälters 3 nach unten der tiefste Punkt der durchhängenden Folie 4 als erstes die transluzente Referenzplatte 7 der Vorrichtung 1 erreicht.
Da die Folie 4 beim weiteren Herabgleiten des Behälters 3 Luft immer seitlich auspressen kann und durch den Druck des eingefüllten Fotopolymers 2, d. h. durch dessen Gewichtskraft, ausgehend von diesem mittleren Punkt in Richtung von Randbereichen auf die Referenzplatte 7 abgelegt wird, entstehen keine Blasen zwischen der Folie 4 und der Referenzplatte 7. Da die Referenzplatte 7 einen geringeren Durchmesser als der Behälter 3 und die dessen Boden bildende Folie 4 aufweist, so dass Randbereiche der Folie 4 die Referenzplatte 7 seitlich überragen, sinkt der Behälter 3 weiter vertikal nach unten ab. Auf diese Weise spannt sich die Folie 4 bis zum Erreichen einer unteren Endlage des Behälters 3, wie in 2 dargestellt, vollständig planar über die Referenzplatte 7 und wird durch das Eigengewicht des Behälters 3 auch dann noch gestrafft, falls sie sich in vorherigen Verfahrensdurchläufen bereits etwas plastisch gedehnt hat. Ist das Eigengewicht des Behälters 3 zu hoch, beispielsweise unverhältnismäßig höher als die maximale Dehnkraft der Folie 4, so dass diese zerreißen würde, so wird ein weiteres Absenken des Behälter 3 mittels zumindest eines hier nicht dargestellten Federelementes abgebremst und auf diese Weise rechtzeitig gestoppt, bevor die Folie 4 beschädigt wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die vertikal bewegbare Bauteilhalterung 8 soweit in den Behälter 3 abgesenkt, bis die Unterseite der Bauteilhalterung 8 oder in dem dargestellten Beispiel die Unterseite des bereits ausgebildeten Teils 9 des Bauteils in einem vorgegebenen Abstand zur Referenzplatte 7 positioniert ist und in das Fotopolymer 2 eintaucht, wie in 3 dargestellt. Der vorgegebene Abstand entspricht einer Schichtdicke der als nächstes auszubildenden Schicht des Bauteils.
In einem dritten Verfahrensschritt wird mittels der unter der Referenzplatte 7 angeordneten Belichtungsvorrichtung 10 ein vorgegebener Bereich des Fotopolymers 2 belichtet und dadurch ausgehärtet.
In einem vierten Verfahrensschritt wird, wie in 4 dargestellt, die Bauteilhalterung 8 mit dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils und dem Behälter 3 angehoben. Dabei wird der Behälter 3 mittels der Bauteilhalterung 8 angehoben, da die an der Seitenwandung 5 des Behälters 3 befestigte Folie 4 an dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils, d. h. an der zuletzt ausgehärteten Schicht, anhaftet.
In einem fünften Verfahrensschritt wird, wie in 5 dargestellt, die Hubbewegung des Behälters 3 mittels der Anschlagelemente 12 in einer vorgegebenen Position gestoppt und die Bauteilhalterung 8 mit dem bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils wird weiter angehoben, bis sich die Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils vollständig abgelöst hat. Dabei wird die Folie 4 auf schonende Weise von der zuletzt ausgehärteten Schicht des Bauteils abgeschält, da sie sich zunächst aufgrund der von der Bauteilhalterung 8 über den bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils auf die Folie 4 einwirkenden Kraft, welche vertikal nach oben gerichtet ist, nach oben wölbt und dann ausgehend von Randbereichen der zuletzt ausgehärteten Schicht sukzessive vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils ablöst. Durch diese Wölbung der Folie 4 erfolgt eine so genannte Vektorenzerteilung, d. h. eine auf die Folie 4 wirkende Ablösekraft setzt sich aus einem vertikalen und einem horizontalen Anteil zusammen, so dass eine daraus resultierende Kraftwirkung schräg zur zuletzt ausgehärteten Schicht ausgerichtet ist.
Diese Verfahrensschritte werden so oft wiederholt, bis das Bauteil vollständig ausgebildet ist. D. h. nach dem Ablösen der Folie 4 vom bereits ausgebildeten Teil 9 des Bauteils verteilt sich das Fotopolymer 2 wieder gleichmäßig im Behälter 3 und die Folie 4 wölbt sich wieder leicht nach unten durch, wie in 6 dargestellt. Der Behälter 3 sinkt nun, wie in 1 dargestellt, aufgrund seines Eigengewichts wieder in der Führungseinheit 6 vertikal in Richtung der Referenzplatte 7 ab, so dass die geschilderten Verfahrensschritte zum Ausbilden einer weiteren Schicht des Bauteils erneut durchgeführt werden können, und zwar so oft, bis das Bauteil vollständig ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Fotopolymer
3: Behälter
4: Folie
5: Seitenwandung
6: Führungseinheit
6.1: Führungswandung
6.2: Bodenbereich
7: Referenzplatte
8: Bauteilhalterung
9: Teil
10: Belichtungsvorrichtung
11: Objektiv
12: Anschlagelement
13: Grundplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10119817 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer (2), umfassend einen an einer Oberseite geöffneten Behälter (3) für das flüssige Fotopolymer (2), wobei ein Boden des Behälters (3) durch eine transluzente Folie (4) gebildet ist, eine transluzente Referenzplatte (7), eine unter der Referenzplatte (7) angeordnete Belichtungsvorrichtung (10) und eine zumindest vertikal bewegbare Bauteilhalterung (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) in vertikaler Richtung derart beweglich ist, dass die Folie (4) auf die Referenzplatte (7) auflegbar und von dieser abhebbar ist, wobei im auf die Referenzplatte (7) aufgelegten Zustand Randbereiche der Folie (4) die Referenzplatte (7) seitlich überragen, wobei eine Hubbewegung des Behälters (3) in einer vorgegebenen Position zu stoppen ist und wobei die Folie (4) derart ausgebildet und an einer Seitenwandung (5) des Behälters (3) angeordnet ist, dass sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) durch sein Eigengewicht in Richtung der Referenzplatte (7) absenkbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Führungseinheit (6), mittels welcher der Behälter (3) vertikal in Richtung der Referenzplatte (7) führbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinheit (6) während der Führung des Behälters (3) einen Außenumfang des Behälters (3) umschließt, wobei die Führungseinheit (6) zusammen mit der Referenzplatte (7) ein Auffanggefäß für bei einem Reißen der Folie (4) aus dem Behälter (3) austretendes Fotopolymer (2) bildet und wobei die Referenzplatte (7) erhöht in der Führungseinheit (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Federelement, mittels welchem eine Absenkbewegung des Behälters (3) in Richtung der Referenzplatte (7) abzubremsen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Fotopolymer (2) mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt ein an einer Oberseite geöffneter und mit dem Fotopolymer (2) befüllter Behälter (3), welcher einen Boden aus einer transluzenten Folie (4) aufweist, die derart ausgebildet und an einer Seitenwandung (5) des Behälters (3) angeordnet ist, dass sie sich bei einer vertikalen Krafteinwirkung in Kraftwirkungsrichtung auswölbt, in Richtung einer transluzenten Referenzplatte (7) vertikal abgesenkt wird, bis die Folie (4) vollflächig auf der Referenzplatte (7) aufliegt und diese derart vollständig überspannt, dass Randbereiche der Folie (4) die Referenzplatte (7) seitlich überragen, – in einem zweiten Verfahrensschritt eine zumindest vertikal bewegbare Bauteilhalterung (8) soweit in den Behälter (3) abgesenkt wird, bis eine Unterseite der Bauteilhalterung (8) oder eines bereits ausgebildeten Teils (9) des Bauteils in einem vorgegebenen Abstand zur Referenzplatte (7) positioniert ist, – in einem dritten Verfahrensschritt mittels einer unter der Referenzplatte (7) angeordneten Belichtungsvorrichtung (10) ein vorgegebener Bereich des Fotopolymers (2) belichtet und dadurch ausgehärtet wird, – in einem vierten Verfahrensschritt die Bauteilhalterung (8) mit dem bereits ausgebildeten Teil (9) des Bauteils und dem Behälter (3) angehoben wird, – in einem fünften Verfahrensschritt eine Hubbewegung des Behälters (3) in einer vorgegebenen Position gestoppt wird und die Bauteilhalterung (8) mit dem bereits ausgebildeten Teil (9) des Bauteils weiter angehoben wird, bis sich die Folie (4) vom bereits ausgebildeten Teil (9) des Bauteils vollständig abgelöst hat, und – diese Verfahrensschritte so oft wiederholt werden, bis das Bauteil vollständig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) durch sein Eigengewicht in Richtung der Referenzplatte (7) abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, der Behälter (3) mittels einer Führungseinheit (6) vertikal in Richtung der Referenzplatte (7) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken des Behälters (3) durch zumindest ein Federelement abgebremst wird.