DE102014010412B4 - Verfahren und Anordnung zur generativen Fertigung von Bauteilen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem die Bauteile (26) durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials aufgebaut werden, das sich durch eine chemische Reaktion von einer flüssigen (3) in eine erste feste Phase (5) überführen lässt,wobei die schichtweise Verfestigung unter Bildung der ersten festen Phase (5) jeweils durch ortsselektive Bestrahlung (8) einer Schicht der flüssigen Phase (3) des Aufbaumaterials entsprechend der Bauteilgeometrie erfolgt,wobei als Aufbaumaterial ein Material eingesetzt wird, das bei Raumtemperatur flüssig ist und während der generativen Fertigung einen durch äußere Einwirkung steuerbaren weiteren Phasenübergang zwischen der flüssigen Phase (3) und einem festen Aggregatzustand als einer zweiten festen Phase (4) durchführen kann, der die erste feste Phase (5) nicht beeinflusst, undder weitere Phasenübergang während des Aufbaus der Bauteile (26) so gesteuert wird, dass unter Bildung der ersten festen Phase (5) verfestigte Bauteilbereiche durch umgebendes Aufbaumaterial in der zweiten festen Phase (4) gestützt werden.

Description

• Technisches Anwendungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem die Bauteile durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials aufgebaut werden, das sich durch eine chemische Reaktion von einer flüssigen in eine feste Phase überführen lässt, wobei die schichtweise Verfestigung jeweils durch ortsselektive Bestrahlung einer Schicht der flüssigen Phase des Aufbaumaterials entsprechend der Bauteilgeometrie erfolgt. Die Erfindung betrifft auch eine für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung.
• Die generative Fertigung von Bauteilen spielt auf vielen technischen Gebieten inzwischen eine wichtige Rolle, da mit diesen Verfahren auch funktionsfähige Bauteile erzeugt werden können. Bei der generativen Fertigung wird das Bauteil ausgehend von einem CAD-Modell (CAD: Computer-Aided Design) digital in Schichten zerteilt (slicen) und im anschließenden CAM-Prozess (CAM: Computer-Aided Manufacturing) Schicht für Schicht aufgebaut. Für diesen Aufbau sind unterschiedliche Techniken bekannt, die sich in physikalische und chemische bzw. photochemische Verfahren einteilen lassen.
• Stand der Technik
• Einige bekannte Verfahren nutzen die physikalischen Prozesse des Schmelzens und Erstarrens zur Erzeugung der dreidimensionalen Bauteile. Hierbei sind insbesondere das FDM (Fused Deposition Modeling) und das SLM/SLS (Selective Laser Melting/Sintering) bekannt. Beim FDM werden thermoplastische Kunststoffe in Form eines Fadens in eine Düsenvorrichtung befördert, durch Zuführung von thermischer Energie geschmolzen und dann selektiv als geschmolzener Faden abgelegt. Durch Abkühlen gelangt der Thermoplast wieder zu seiner Festigkeit und das dreidimensionale Bauteil wird aufgebaut. Beim SLM/SLS werden thermoplastische Kunststoffe oder auch andere Materialien mit einem Laserstrahl selektiv geschmolzen. Die Vorlage des Ausgangsmaterials erfolgt in Form eines Pulvers. Bei der Fertigung wird jeweils der Teil der Schicht geschmolzen bzw. gesintert und verfestigt sich dann durch Abkühlung, der der Schicht des fertigen Bauteils im CAD-Modell entspricht. Nach jeder Schicht wird durch eine Rakel eine neue Lage des Pulvers aufgetragen und mit dem nächsten Prozessschritt erneut ortsselektiv geschmolzen. Nach dem Prozess kann das verbliebene Pulver vom Bauteil entfernt werden.
• Bei den chemischen oder photochemischen Verfahren wird die Verfestigung des dreidimensionalen Bauteils durch eine chemische Reaktion (chemisches Aushärten, Polymerisieren, Vernetzen) erreicht. Die einzelnen Schichten des Bauteils werden dabei durch ortsselektives, photo-induziertes Aushärten des photosensitiven Aufbaumaterials, z.B. eines Photoharzes, erzeugt. Die bekanntesten photochemischen Verfahren sind die Stereolithographie (SLA), bei dem das ortsselektive Aushärten durch einen Laserstrahl erfolgt, und projizierende Verfahren mit DMDs/DLPs (Digital Mirror Device/Digital Light Processing). Bei beiden Verfahrenstechniken erfolgt der Aufbau an einer Bauplattform in einem Monomer-/Präpolymerbad, in welchem von der Oberseite oder von der Unterseite durch eine Glasscheibe projiziert bzw. belichtet wird. Beide Verfahren nutzen elektromagnetische Strahlung zur Härtung des Aufbaumaterials. Sie unterscheiden sich in der Art der selektiven Bestrahlung. Die Stereolithographie nutzt einen Laser in Kombination mit einem Scanner zur Strahlführung des Laserstrahls, wie dies beispielsweise in der US 4 575 330 A beschrieben ist. Diese Technologie ist von der Bestrahlungsseite her mit SLM vergleichbar. Im Unterschied zu SLM ist die Laserleistung bei photochemischen Verfahren jedoch deutlich geringer, da hier die Lichtenergie (hv) zur Initiierung der chemischen Reaktion verwendet wird und nicht die thermische Energie des Lasers zum Schmelzen des Aufbaumaterials.
• Weiterhin sind so genannte Polyjet-Verfahren bekannt, bei denen Druckköpfe verwendet werden, die eine Flüssigkeit lokal dosieren können. Mit diesen Verfahren können zum einen Photoharze mit hoher Auflösung gedruckt werden, die anschließend durch eine flächige Bestrahlung mit einer UV-Lampe ausgehärtet werden. Zum anderen können beheizte Druckköpfe auch schmelzbare Materialien verflüssigen und anschließend selektiv dosieren. Diese härten dann durch den Phasenübergang flüssig-fest durch Abkühlen aus.
• Bei allen beschriebenen Verfahren müssen bei der Herstellung komplexerer Bauteile oder von Bauteilen mit Überhängen Stützstrukturen (engl. Supports) oder ein Stützmaterial (bei Polyjet-Verfahren) eingesetzt werden. Beim SLM/SLS sind derartige Stützstrukturen zusätzlich erforderlich, um einen thermischen Verzug der Bauteile während der Fertigung zu vermeiden. Durch die Entwicklung von hoch auflösenden Projektoren (mit DLP) für die Videoprojektion werden in Zukunft immer höhere Auflösungen für die generative Fertigung erreicht, so dass sich zunehmend kompliziertere 3D-Objekte bzw. Bauteile generieren lassen. Diese Bauteile besitzen dann in der Regel Überhänge, die bei den oben genannten Verfahren ausschließlich durch Verwendung von Stützstrukturen realisiert werden können. Diese Stützstrukturen werden anschließend entweder mechanisch (bei SLM, SLA oder DLP) oder unter Verwendung eines Lösungsmittels (bei den Polyjet-Verfahren) entfernt. Die Notwendigkeit von Stützstrukturen birgt einige Nachteile, da sie neben zusätzlichen Materialkosten auch einen erheblichen Arbeitsaufwand verursachen und viel Know-how bei der Konstruktion für die CAD-Datei erfordern.
• Zur Verringerung des Arbeitsaufwandes bei der Konstruktion sind beispielsweise aus der WO 89/ 10 254 A1 so genannte Support-Generatoren als Software-Lösungen bekannt, die die Konstruktion von bauteilspezifischen Stützstrukturen unterstützen. Diese werden am Computer an das Bauteil angepasst und im späteren Fertigungsprozess dann mit dem Bauteil gedruckt. Im Anschluss an den Druck- bzw. Fertigungsprozess müssen diese Stützstrukturen jedoch ebenfalls wieder aufwändig vom Bauteil entfernt werden.
• Die US 2005/ 0 186 508 A1 beschreibt ein Stereolithografieverfahren mit einer Harzzusammensetzung die einerseits strahlungsvernetzbar und andererseits mittels Wärmeeinwirkung in einen Sol-Gel-Zustand überführt werden kann. Im Sol-Gel-Zustand kann das Harz als Stützstruktur wirken (Abs. [0061]).
• Trotz derartiger Ansätze erfordert der Einsatz von Stützstrukturen jedoch nach wie vor einen hohen Arbeitsaufwand und kann gerade bei komplexeren Bauteilgeometrien auch nicht vollständig automatisiert geplant werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen anzugeben, das unabhängig von der Komplexität des zu erzeugenden Bauteils ohne aufwändige Stützstrukturen auskommt. Weiterhin soll eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung zur generativen Fertigung bereitgestellt werden.
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen werden die Bauteile durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials aufgebaut, das sich durch eine chemische oder photochemische Reaktion von einer flüssigen in eine erste feste Phase überführen lässt. Die schichtweise Verfestigung erfolgt dabei unter Bildung der ersten festen Phase jeweils durch ortsselektive, lokale Bestrahlung einer Schicht der flüssigen Phase des Aufbaumaterials entsprechend der Bauteilgeometrie. Durch diese Bestrahlung wird im bestrahlten Bereich die chemische oder photochemische Reaktion, insbesondere eine Vernetzungs- bzw. Polymerisationsreaktion, ausgelöst. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Aufbaumaterial ein Material eingesetzt wird, das während der generativen Fertigung noch einen durch äußere Einwirkung steuerbaren weiteren Phasenübergang zwischen der flüssigen Phase und einer zweiten festen Phase durchführen kann, der die erste feste Phase nicht beeinflusst. Der weitere Phasenübergang wird dann während des Aufbaus der Bauteile, d.h. während des Zeitraums vom Start bis zur Beendigung der Fertigung des jeweiligen Bauteils, so gesteuert, dass unter Bildung der ersten festen Phase verfestigte Bauteilbereiche durch umgebendes Aufbaumaterial gestützt werden, das in der zweiten festen Phase vorliegt.
• Damit sind während der generativen Fertigung die bereits verfestigten Bauteilbereiche bereits bei oder unmittelbar nach der Verfestigung - oder auch nach einer durch Wahl der äußeren Bedingungen einstellbaren Zeit - in festes Aufbaumaterial eingebettet, das in die zweite feste Phase überführt wurde bzw. in dieser Phase vorliegt. Durch dieses feste Aufbaumaterial werden die bereits verfestigten Bauteilbereiche gestützt, so dass keine Stützstrukturen oder zusätzliche Stützmaterialien gemäß dem Stand der Technik erforderlich sind. Somit entfallen auch der Konstruktionsaufwand für die Planung und der Materialverbrauch derartiger Stützstrukturen bzw. Stützmaterialien. Da sich der Phasenübergang zwischen der flüssigen und der zweiten festen Phase nicht auf die erste feste Phase auswirkt, kann das fertig gestellte Bauteil anschließend in einfacher Weise vom verbliebenen Aufbaumaterial getrennt werden, das hierzu lediglich wieder von der zweiten festen in die flüssige Phase überführt wird. Das dann flüssige Aufbaumaterial kann einfach abtropfen oder durch unterstützende Maßnahmen, beispielsweise durch Abwaschen, vom Bauteil getrennt werden.
• Der Begriff der Phase wird in der vorliegenden Patentanmeldung im Sinne eines Aggregatzustandes verwendet, um flüssige und feste Zustände des Aufbaumaterials zu unterscheiden. Die unterschiedlichen Zustände bzw. Phasen können sich dabei nicht nur im Ordnungszustand sondern auch in der chemischen Verbindung unterscheiden.
• Die Begriffe Strahlung beziehungsweise Bestrahlung inkludieren in der vorliegenden Patentanmeldung sowohl elektromagnetische Strahlung wie beispielsweise UV- oder visuelle Licht- oder Mikrowellenstrahlung als auch Teilchenstrahlung wie beispielsweise Elektronenstrahlung. Strahlführungs- und Strahlfokussierungseinrichtungen bezeichnen beispielsweise für elektromagnetische Strahlung eine Anordnung von Optiken und für Teilchenstrahlung eine Anordnung von elektrischen oder magnetischen Feldern.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Aufbaumaterial so gewählt, dass der weitere Phasenübergang durch Erhitzen und/oder Abkühlen erzeugt werden kann. Es kann sich hierbei somit um einen rein physikalischen Prozess handeln. Damit wird dieser Phasenübergang je nach Umgebungstemperatur bei der generativen Fertigung und Schmelz- bzw. Erstarrungspunkt des Aufbaumaterials entweder durch Temperaturerhöhung von der zweiten festen Phase in die flüssige Phase oder durch Abkühlung von der flüssigen in die zweite feste Phase überführt. Der jeweils entgegen gesetzte Übergang kann je nach Umgebungstemperatur automatisch erfolgen, sobald nicht mehr gekühlt oder nicht mehr erhitzt wird. So kann beispielsweise das Aufbaumaterial für jede Schicht in bereits erhitzter Form flüssig aufgetragen werden und kühlt dann aufgrund einer niedrigeren Umgebungstemperatur unter Bildung der zweiten festen Phase automatisch ab. Die Abkühlung kann selbstverständlich auch durch explizite Kühlung beschleunigt werden.
• Bevorzugt wird ein photo-vernetzbares Aufbaumaterial gewählt, beispielsweise ein aus mehreren Komponenten bestehender Photoharz, das durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur einen Phasenübergang von fest zu flüssig und umgekehrt realisieren kann. Dadurch kann dieses Aufbaumaterial steuer- bzw. einstellbar entweder als festes Stützmaterial oder als flüssiges Aufbaumaterial für das Bauteil verwendet werden. Alternativ kann auch ein Aufbaumaterial gewählt werden, dessen Phasenübergang z.B. durch Druckänderung oder andere äußere Einwirkungen ausgelöst werden kann. So kann beispielsweise auch ein Material eingesetzt werden, das im Grundzustand fest ist und durch eine geeignete Bestrahlung einen Phasenübergang von fest zu flüssig erfährt, indem z.B. Quervernetzungen temporär gelöst oder photo-induzierte Umlagerungsreaktionen ausgelöst werden. Anschließend erfolgt dann durch eine zweite Bestrahlung der eigentliche Aushärtungsprozess für den Aufbau des Bauteils durch Vernetzungs-/Polymerisationsreaktionen der Monomere/ Präpolymere im flüssigen Zustand. Nach Beendigung der ersten Bestrahlung kehrt der nicht-polymerisierte Grundstoff des Ausgangsmaterials aus der Flüssigphase wieder in die feste Phase zurück und bildet dadurch das Stützmaterial. Auch Aufbaumaterial, in das ferromagnetische Nanopartikel eingebracht werden und das durch Induktion mittels hochfrequenter magnetischer Felder ortsselektiv verflüssigt wird, lässt sich beispielsweise für das vorgeschlagene Verfahren verwenden. Auch andere Materialien, wie zum Beispiel polare oder polarisierbare Materialien, die sich durch elektromagnetische Strahlung, z.B. durch Mikrowellenstrahlung in einen anderen Phasenzustand überführen lassen, können für das vorgeschlagene Verfahren verwendet werden.
• Mögliche Materialklassen für das Aufbaumaterial sind Polymere, Präpolymere oder Monomere mit einer oder mehreren funktionellen Gruppen, wie Epoxide (Glycidylether), Acrylate, Methacrylate, Vinylether, Allylether, Thiole, Norbornene, Proteine sowie andere insbesondere biologische Stoffe, die bei Bestrahlung mit UV-Licht direkt und/oder in Kombination mit einem Photo-Initiator chemisch vernetzen oder polymerisieren. Zusätzlich können die verwendeten Aufbaumaterialien noch Absorber, Inhibitoren, Initiatoren, Reaktivverdünner, Weichmacher, Lösungsmittel und andere Zusätze wie zum Beispiel Nanopartikel enthalten.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Aufbaumaterial für jede Schicht zunächst in flüssiger Form aufgetragen, in der flüssigen Form dann ortsselektiv bestrahlt und nach Bildung der verfestigten Bauteilbereiche der Schicht (erste feste Phase) in den verbleibenden Bereichen in die zweite Phase überführt. Diese Überführung kann durch gezielte aktive Kühlung der jeweiligen Schicht oder auch aufgrund der Umgebungs- bzw. Bauraumtemperatur erfolgen, die dann unterhalb der Erstarrungstemperatur des flüssigen Aufbaumaterials liegen muss.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Aufbaumaterial ebenfalls für jede Schicht zunächst in flüssiger Form aufgetragen und anschließend vollflächig, d.h. über die gesamte Schicht, in die zweite feste Phase überführt. Die gesamte neu aufgetragene Schicht liegt dann in fester Form in der zweiten festen Phase vor. Dies kann wiederum durch aktive Kühlung oder auch aufgrund einer Bauraumtemperatur erfolgen, die unterhalb des Erstarrungspunktes der flüssigen Phase liegt. Alternativ kann das Aufbaumaterial auch in Form einer Folie auf die vorhergehende Schicht aufgetragen werden. Anschließend werden die Bereiche der Schicht, die für die Fertigung des Bauteils in die erste feste Phase überführt werden müssen, ortsselektiv aufgeschmolzen und in der flüssigen Form dann zur Überführung in die erste feste Phase entsprechend bestrahlt. Dies kann beispielsweise durch mehrere Strahlquellen oder auch nur mit einer Strahlquelle erfolgen, die mehrere Wellenlängen (≥ 2) aufweist, beispielsweise einem Mikrochip-Laser mit Nd:YAG Grundwelle (1064nm) und einer Frequenzvervielfachten Strahlung (z.B. 355nm). Weiterhin kann das Aufschmelzen durch andere Energiequellen, wie Induktion oder Mikrowellenstrahlung oder auch durch Infrarotbestrahlung erfolgen.
• Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung umfasst einen Bearbeitungskopf, der eine Auftragsvorrichtung für den Auftrag des Aufbaumaterials auf eine Bauplattform oder darauf bereits aufgebaute Bauteilbereiche aufweist und über eine Bearbeitungsebene bewegbar ist, eine Strahlführungs- und/oder Fokussierungseinrichtung für die Projektion oder Fokussierung der Strahlung in die Bearbeitungsebene und die Bauplattform für den Aufbau der Bauteile. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Kühl- und/oder eine Heizvorrichtung aufweist, mit der aufgebrachtes Aufbaumaterial gekühlt oder ortsselektiv erhitzt werden kann. Hierbei kann die Kühl- und/oder Heizvorrichtung auch am Bearbeitungskopf angebracht oder in den Bearbeitungskopf integriert sein. Dies gilt auch für die Strahlführungs- und/oder Fokussierungseinrichtung.
• Das Verfahren und die zugehörige Anordnung lassen sich für alle Anwendungsgebiete einsetzen, in denen dreidimensionale Objekte durch generative Fertigung erzeugt werden sollen. Dies betrifft beispielsweise die generative Fertigung von Kunststoffbauteilen als Prototyp, als Kleinserienprodukt, als verlorene Form oder auch sonstige Kunststoffteile. Beispielhafte Anwendungsgebiete sind die Schmuckindustrie, die Fertigung von Bauteilen in Dentallaboren oder die Fertigung von Kunststoffgehäusen für Sensoren und anderen Bauteilen.
• Figurenliste
• Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 ein erstes Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens anhand einer schematischen Darstellung;
• 2 einen Vergleich der Fertigung mehrerer 3D-Bauteile zwischen einem konventionellen Verfahren und dem vorgeschlagenen Verfahren;
• 3 ein Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 4 ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 5 ein Beispiel für einen Bearbeitungskopf zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 6 ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 7 ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 8 ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 9 ein weiteres Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
• 10 zwei Beispiele für den Aufbau und die Bewegung von Bearbeitungsköpfen für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens; und
• 11 ein weiteres Beispiel für den Aufbau eines Bearbeitungskopfes beim vorgeschlagenen Verfahren bzw. der zugehörigen Anordnung.
• Wege zur Ausführung der Erfindung
• Im Folgenden werden das vorgeschlagene Verfahren, im Folgenden auch als 3D-Druck bezeichnet, sowie die zugehörige Anordnung am Beispiel eines Aufbaumaterials nochmals näher erläutert, bei dem der weitere Phasenübergang zwischen der zweiten festen Phase und der flüssigen Phase durch thermische Verflüssigung erfolgt. Das als Aufbaumaterial verwendete Photoharz hat einen Schmelzpunkt T_M, der zwischen den Temperaturen T₁ und T₂ liegt. Als beispielhafte Photoharzformulierung (hier auf Acrylatbasis) sei eine Kombination aus Poly(ethylenglycol)methyletheracrylat (M_N=480g/mol; CAS 32171-39-4; T_M: 6-7°C), Photoinitiator Diphenyl(2,4,6-trimethyl-benzoyl)phosphin oxid (z.B. 1 Massen-%) und dem Aborber Orasol^® Orange genannt, welche bei T₁(< 6°C) eine feste Phase ausbildet und bei T₂ (z.B. Raumtemperatur) eine flüssige Phase ausbildet.
• Im Bauraum 1 wird die Temperatur T₁ eingestellt, bei der das Photoharz fest ist (T₁ < T_M). Mit einem optional beheizbaren Flächen-Beschichter 2 wird eine dünne Schicht des Photoharzes bei der Temperatur T₂, bei der das Photoharz flüssig ist, flächig auf die Bauplattform bzw. bereits verfestigtes Aufbaumaterial aufgetragen. Durch den Temperaturunterschied zum Bauraum 1 verfestigt sich das Harz nach einer gewissen Zeit durch Abkühlung unter T_M und bildet dabei das Stützmaterial für das Bauteil. 1 zeigt schematisch das bereits verfestigte Photoharz 4 mit der Temperatur T₁, auf die jeweils die neue Schicht des flüssigen Photoharzes 3 mit der Temperatur T₂ über den Flächen-Beschichter 2 aufgebracht wird, der ein entsprechendes Harzreservoir mit flüssigem Photoharz umfasst. Schichtbereiche, die zur Schicht des zu erzeugenden Bauteils bzw. Objekts gehören, werden unmittelbar nach dem Auftragen und vor dem physikalischen Erstarren mit einer Lichtquelle selektiv bestrahlt. Damit die Bestrahlung in einer flüssigen Phase der Schicht erfolgt, kann die aufgetragene Schicht kurz vor der Polymerisierung mittels einer strukturierten Heizquelle oder einer scannenden Heizquelle, z.B. mit einem scannenden Diodenlaser oder einer anderen scannenden oder flächigen Strahlungsquelle, selektiv geheizt und dadurch flüssig gehalten oder wieder verflüssigt werden.
• Die Bestrahlung bzw. Belichtung zur Aushärtung bzw. Polymerisierung, d.h. zur Erzeugung der ersten festen Phase, kann mit Methoden erfolgen, wie sie auch bei der SLA oder der DLP eingesetzt werden. Die Bestrahlung kann auch mit einer modulierten, linearen Lichtquelle, beispielsweise einem modulierten Laser mit einem Polygon-Scanner, hinter (bzgl. der Vorschubrichtung des Flächen-Beschichters) oder parallel zum Flächen-Beschichter oder mit jeder anderen lokalen Bestrahlungsart erfolgen. Bei der entsprechenden Belichtung bzw. Bestrahlung des Photoharzes verfestigt sich das Harz durch eine photochemisch induzierte Polymerisation oder Vernetzung und geht damit in die erste feste Phase über. Die Bestrahlung wandelt somit das Photoharz vom Stütz- zum Bauteilmaterial. So kann ohne Stützstrukturen ein schichtweiser Aufbau eines Bauteils oder Objekts umgesetzt werden. Nach selektiver Verfestigung durch Polymerisation wird das übrige Baumaterial durch Ausschalten der Heizquelle als Stützmaterial wieder verfestigt.
• Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, dass die jeweils aufgetragene flüssige Schicht mittels eines flächigen Kühlelements, beispielsweise mit einem Peltier-Kühler, direkt nach dem Auftrag eingefroren bzw. verfestigt wird. Dies hat den Vorteil, dass sich durch gezielte Kühlung homogene Temperatur- bzw. Schichtdickenverteilungen realisieren lassen. Direkt hinter der Kühlung (bzgl. der Vorschubrichtung des Flächen-Beschichters) wird die in die zweite feste Phase verfestigte Schicht mittels einer lokalen Heizquelle wieder verflüssigt und direkt im Anschluss bzw. zeitgleich selektiv durch entsprechende Bestrahlung in die erste feste Phase überführt, d.h. polymerisiert. Bei nicht vollständiger Polymerisierung kann hierdurch insbesondere die jeweils darunter liegende Schicht lokal an deren Oberfläche wieder geringfügig verflüssigt und damit die Anbindung an den Untergrund verbessert werden. Eine Einstellung von Verflüssigungstiefe und Polymerisierungstiefe kann dabei durch die Einstellung der Heiz- bzw. Bestrahlungsleistung bzw. Bestrahlungsenergie und der Absorptionseigenschaften des Bau- bzw. Stützmaterials erfolgen.
• Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht in der einfachen Trennung von Stütz- und Bauteilmaterial, da die nicht belichteten Teile des Harzes beim Aufwärmen oberhalb T_M flüssig werden und dann vom Objekt bzw. Bauteil tropfen. Im Idealfall können diese Teile des Harzes aufgefangen und für den nächsten Prozess wieder verwendet werden. Eine Bedingung für die Wiederverwendung ist, dass das verwendete Harz durch die thermischen Übergänge zwischen T₁ und T₂ keine chemische Änderung erfährt, sondern nur durch Bestrahlung mit einer geeigneten Strahlquelle.
• Im Vergleich zu den bisherigen Techniken der SLA/DLP oder auch der SLM-Technologie bietet das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit, frei im Volumen aufzubauen. Bei einer Fertigung mit einer Vielzahl von Bauteilen können diese frei und Volumen angeordnet (dichte Packung) und aufgebaut bzw. gedruckt werden, da keine Stützstrukturen benötigt werden. Die gesamte Bauhöhe richtet sich dann nach Anzahl und Höhe der Bauteile. 2 zeigt hierzu einen Vergleich zwischen der Herstellung von verfestigten Bauteilen 24 bei der generativen Fertigung mit den bekannten Techniken wie DLP, SLM und SLA (linke Abbildung) und der Herstellung der Bauteile 24 mit dem vorgeschlagenen Verfahren (rechte Abbildung). Durch die Nutzung des eingesetzten Aufbaumaterials als Stützmaterial in der zweiten festen Phase 4 kann das Bauvolumen 1 wesentlich besser ausgenutzt werden, wie dies aus der Figur ersichtlich ist. Die Bestrahlung 8 ist in der Figur ebenso angedeutet wie die Bauplattform 6, das flüssige Photoharz 3 sowie die Bereiche 7 mit Stützstrukturen bei den herkömmlichen Verfahren.
• 3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau eines Bauteils bei der Bestrahlung der jeweils aufgetragenen Schicht von oben. Die Figur zeigt hierbei drei bereits aufgebrachte Schichten, in denen die zur ersten festen Phase verfestigten Bereiche 5 des Bauteils durch das umliegende in der zweiten festen Phase 4 vorliegende Aufbaumaterial gestützt werden. Auf die jeweils oberste Schicht wird dabei mit dem Flächen-Beschichter 2 verflüssigtes Aufbaumaterial bzw. Photoharz 3 jeweils neu aufgetragen und anschließend durch die Bestrahlung 8 in den gewünschten Bereichen zur Bildung des Bauteils verfestigt. Die dann noch flüssigen Bereiche des Aufbaumaterials werden in die zweite feste Phase 4 überführt, da sie unter den Schmelzpunkt abkühlen, wie dies bereits im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde. Die Vorschubrichtung 14 des Flächen-Beschichters 2 ist in der Figur ebenso angedeutet wie die Zuführung 9 für den als Aufbaumaterial eingesetzten Photoharz. Dieser Photoharz wird als Monomer/Präpolymer, beispielsweise in Form einer Schüttung, in den Flächen-Beschichter 2 eingebracht und dort durch Aufheizung verflüssigt. Der Photoharz kann selbstverständlich auch bereits in flüssiger Form dem Flächen-Beschichter 2 zugeführt werden.
• Je nach Ausgestaltung der Anordnung zur generativen Fertigung ist auch eine Bestrahlung von unten möglich, wie dies schematisch in der 4 dargestellt ist. Hierbei verfügt die Anordnung über eine bewegliche Bauplattform 10 sowie im unteren Bereich des Bauraumbehältnisses entsprechende Zuläufe 9 für das Monomer/Präpolymer. Die Bestrahlung 8 erfolgt hierbei durch eine entsprechende optisch transparente Scheibe des Bauraumbehältnisses von unten. Das Baumaterial wird hierbei in flüssiger Form jeweils unten eingebracht und entsprechend durch Bestrahlung an den gewünschten Stellen ausgehärtet. Die benachbarten Bereiche kühlen wiederum aufgrund der Bauraumtemperatur ab, die auch hier unterhalb des Schmelzpunktes des Photoharzes liegt. Nach der Verfestigung einer Schicht wird die Bauplattform 10 um eine Schichtdicke nach oben bewegt und der Prozess beginnt von neuem.
• 5 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des Flächen-Beschichters 2, der bei der Beschichtung in der Vorschubrichtung 14 bewegt wird. Dieser Beschichter verfügt in diesem Beispiel über das Auftragsvorrichtung für das flüssige Harz, hinter die optional ein Heizelement 13 und - ebenfalls optional - ein Kühlelement 12 angeordnet sein können. Die Bestrahlung erfolgt über die in diesem Flächen-Beschichter in diesem Beispiel integrierte Lichtquelle 11. Durch den Flächen-Beschichter 2 wird über die Auftragsvorrichtung das flüssige Harz mit der Temperatur T₂ auf die Unterlage aufgebracht, während der Flächen-Beschichter in Vorschubrichtung 14 bewegt wird. Durch das optionale Heizelement 13 kann sichergestellt werden, dass die aufgebrachte Schicht in jedem Falle unmittelbar vor der Bestrahlung durch die Lichtquelle 11 in flüssigem Zustand vorliegt. Unmittelbar hinter der ortsselektiven Bestrahlung können die verbleibenden flüssigen Bereiche dann schnell durch das ebenfalls optionale Kühlelement 12 auf die Temperatur T₁ abgekühlt werden, bei der die nicht belichteten noch flüssigen Bereiche in die zweite feste Phase übergehen und somit das Bauteil bzw. die bereits fertiggestellten Bauteilbereiche stützen.
• 6 zeigt ein allgemeines Beispiel für die Bestrahlung der gewünschten Bereiche mit einer Strahlquelle 16. Der Strahl wird durch eine Strahlführungs- und Strahlfokussierungseinrichtung 17 auf das flüssige Harz 3 geleitet, welches über einen Flächen-Beschichter 2, der sich in Vorschubrichtung 14 bewegt, auf das feste Harz 4 beziehungsweise 5 aufgetragen wird.
• 7 zeigt ein Beispiel für die Bestrahlung der gewünschten Bereiche zur Bildung des Bauteils mit einem Laser 18, einem Scanner 19 und einer telezentrischen F-Theta-Linse 20. Dies entspricht der Bestrahlungstechnik der SLA. In der Figur ist wiederum der Flächen-Beschichter 2 zu erkennen, der über die jeweils oberste verfestigte Schicht zum Auftrag einer neuen flüssigen Photoharzschicht in Vorschubrichtung 14 bewegt wird.
• Eine Bestrahlung kann auch mittels Projektion erfolgen, wie dies in 8 schematisch angedeutet ist. Hierbei wird ein Projektor 21 eingesetzt, der direkt oder über einen Spiegel 22 die jeweils oberste durch den Flächen-Beschichter 2 aufgetragene flüssige Schicht des Photoharzes in den gewünschten, durch das Bauteil vorgegebenen Bereichen belichtet.
• In 7 wurde die Bestrahlungseinrichtung separat vom Flächen-Beschichter 2 gezeigt. Es besteht auch die Möglichkeit, die Bestrahlungseinrichtung direkt am Flächen-Beschichter 2 anzubringen oder in diesen zu integrieren. Dies ist schematisch in 9 angedeutet. Die Bestrahlungseinrichtung 23 kann hierbei beispielsweise einen 1D-Scanner oder einen Polygon-Scanner und einen modulierten Laser oder einen kontinuierlichen Laser mit einer Ein-/Ausblendvorrichtung umfassen, mit der der Laserstrahl zur Bestrahlung entsprechend zeitweise ein- bzw. ausgeblendet werden kann. Unter einer modulierten Strahlquelle ist hierbei eine Strahlquelle zu verstehen, die hochfrequent ein- und ausgeschaltet wird. Dies kann über ein elektrisches Signal oder über einen mechanischen Shutter geschehen. Bei Nutzung einer Ein- bzw. Ausblendtechnik wird ein Scanner phasenweise in eine Strahlenfalle, beispielsweise ein Blech, gelenkt, so dass der entsprechende Strahl bei Ausblenden nicht die Harzschicht trifft. Der Laser selbst kann selbstverständlich auch außerhalb des Flächen-Beschichters 2 angeordnet sein und die Laserstrahlung dann über eine Faser zur Bestrahlungseinrichtung 23 geführt werden.
• 10 zeigt zwei Beispiele, in denen eine rotierbare Bauplattform 6 eingesetzt wird, deren Rotationsrichtung 25 ebenfalls angedeutet ist. In der linken Abbildung ist hierbei der in diesem Falle statische Flächen-Beschichter 2 zu erkennen, der die entsprechende Auftragsvorrichtung mit den Lichtquellen 11 umfasst. Die Lichtquellen 11 sind in diesem Beispiel so angeordnet, dass sie bei Rotation der Bauplattform 6 bzgl. der Rotationsrichtung jeweils hinter der Auftragsvorrichtung liegen. Weiterhin sind in diesem Beispiel auch die optionalen Kühlelemente 12 und Heizelemente 13 angedeutet. Während sich bei der Ausgestaltung der linken Abbildung der Flächen-Beschichter 2 über den gesamten Durchmesser der Bauplattform 6 erstreckt, wird bei dem Beispiel der rechten Abbildung ein Flächen-Beschichter 2 eingesetzt, der sich nur über den halben Durchmesser der Bauplattform 6 erstreckt. Durch die Rotation wird in diesem Falle dennoch die gesamte Oberfläche der Bauplattform 6 abgedeckt.
• 11 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel eines Bearbeitungskopfes für das vorgeschlagene Verfahren bzw. die vorgeschlagenen Anordnung, bei dem am Flächen-Beschichter 2 ein Heizelement angeordnet ist, das durch eine IR-Lichtquelle 24 realisiert ist. Sowohl der Strahl der IR-Lichtquelle 24 als auch der Strahl der für die Bestrahlung eingesetzten UV-Lichtquelle 11 werden über einen Strahlteiler übereinander gelegt und auf dem gleichen Strahlweg mit einem Scanner 19 auf die entsprechenden für die Bildung des Bauteils zu belichtenden Bereiche der aufgetragenen Schicht gerichtet. Auch hier umfasst der Flächen-Beschichter 2 die Auftragsvorrichtung sowie ein optionales Kühlelement 12. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt somit eine ortsselektive Aufheizung des Aufbaumaterials zur Gewährleistung eines Bearbeitungsbereiches 15 mit flüssigem Photoharz einer definierten Temperatur bei gleichzeitiger Aushärtung durch entsprechende UV-Bestrahlung.
• Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung ermöglichen eine laterale Auflösung bei der generativen Fertigung, die der der bekannten Bestrahlungs- und 3D-Prozesse wie SLA oder DLP entspricht. Es sind jedoch keine Stützstrukturen erforderlich, so dass erheblich Zeit und Kosten eingespart werden. Die Bauteile lassen sich frei im Volumen aufbauen, wodurch höhere Bauraten erreicht werden können. Des Weiteren können mehrere Baujobs hintereinander auf den jeweils vorherigen gestartet werden. Dies ermöglicht dem Anwender Baujobs über einen Tag zu sammeln, hintereinander folgend zu drucken und anschließend über Nacht vom Stützmaterial (zweite feste Phase) zu entfernen. Auch dies führt zu einer Kostenersparnis. Für die Durchführung des Verfahrens steht eine Vielzahl von Materialien zur Verfügung.
• Bezugszeichenliste

1

Bauraum

2

Flächen-Beschichter

3

flüssiges Photoharz

4

festes Photoharz in zweiter fester Phase

5

ausgehärtetes Photoharz (erste feste Phase)

6

Bauplattform

7

Bereiche mit Stützstrukturen

8

Bestrahlung

9

Harz-Zuführung/Zulauf

10

bewegliche Bauplattform

11

Lichtquelle

12

Kühlelement

13

Heizelement

14

Vorschubrichtung

15

Bearbeitungsbereich mit definierter Temperatur T₂

16

Strahlquelle

17

Strahlführungs- und Strahlfokussierungseinrichtung

18

Laser

19

Scanner

20

telezentrische Linse

21

Projektor

22

Spiegel

23

Bestrahlungseinrichtung

24

IR-Lichtquelle

25

Rotation der Bauplattform

26

Bauteil

Claims (10)

1. Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem die Bauteile (26) durch schichtweise Verfestigung eines Aufbaumaterials aufgebaut werden, das sich durch eine chemische Reaktion von einer flüssigen (3) in eine erste feste Phase (5) überführen lässt, wobei die schichtweise Verfestigung unter Bildung der ersten festen Phase (5) jeweils durch ortsselektive Bestrahlung (8) einer Schicht der flüssigen Phase (3) des Aufbaumaterials entsprechend der Bauteilgeometrie erfolgt, wobei als Aufbaumaterial ein Material eingesetzt wird, das bei Raumtemperatur flüssig ist und während der generativen Fertigung einen durch äußere Einwirkung steuerbaren weiteren Phasenübergang zwischen der flüssigen Phase (3) und einem festen Aggregatzustand als einer zweiten festen Phase (4) durchführen kann, der die erste feste Phase (5) nicht beeinflusst, und der weitere Phasenübergang während des Aufbaus der Bauteile (26) so gesteuert wird, dass unter Bildung der ersten festen Phase (5) verfestigte Bauteilbereiche durch umgebendes Aufbaumaterial in der zweiten festen Phase (4) gestützt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Phasenübergang so gesteuert wird, dass jeweils nach der Bildung der verfestigten Bauteilbereiche einer Schicht an die verfestigten Bauteilbereiche angrenzende Bereiche des Aufbaumaterials dieser Schicht in die zweite feste Phase (4) überführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbaumaterial schichtweise in der flüssigen Phase (3) auf oder unter eine Bauteilplattform (6) oder bereits verfestigte Bauteilbereiche gebracht und mittels einer flächigen Strahlungsquelle vor der Bildung der verfestigten Bauteilbereiche selektiv geheizt und dadurch flüssig gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbaumaterial jeweils vor der Bildung der verfestigten Bauteilbereiche in der jeweiligen Schicht vollflächig in die zweite feste Phase (4) überführt und zur Bildung der verfestigten Bauteilbereiche lediglich ortsselektiv entsprechend der Bauteilgeometrie zunächst wieder in die flüssige Phase (3) überführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbaumaterial schichtweise in der flüssigen Phase (3) auf oder unter eine Bauteilplattform (6) oder bereits verfestigte Bauteilbereiche gebracht und vor oder nach Bildung der verfestigten Bauteilbereiche der jeweiligen Schicht in die zweite feste Phase (4) überführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Phasenübergang durch Erhitzen und/oder Abkühlen des Aufbaumaterials gesteuert wird, wobei das Aufbaumaterial durch Abkühlen von der flüssigen (3) in die zweite feste Phase (4) und durch Erhitzen von der zweiten festen (4) in die flüssige Phase (3) überführt werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbaumaterial nach dem vollständigen Aufbau des Bauteils (26) von der zweiten festen Phase (4) in die flüssige Phase (3) überführt und in flüssigem Zustand vom Bauteil (26) getrennt wird.
8. Anordnung zur generativen Fertigung von Bauteilen, mit einem Bearbeitungskopf (2), der eine Auftragsvorrichtung für das Aufbaumaterial aufweist, als Flächen-Beschichter ausgebildet ist und relativ zu einer Bearbeitungsebene bewegbar ist, einer Einrichtung (16-23) für die Projektion oder Fokussierung elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung auf die Bearbeitungsebene, die eine ortsselektive Bestrahlung der Bearbeitungsebene ermöglicht, und einer Bauplattform (6) für den Aufbau der Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Kühlvorrichtung (12), mit der auf die Bearbeitungsebene aufgebrachtes Aufbaumaterial gekühlt werden kann, und/oder eine Heizvorrichtung (13) aufweist, die für eine ortsselektive Erhitzung des auf die Bearbeitungsebene aufgebrachten Aufbaumaterials ausgebildet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl- (12) und/oder Heizvorrichtung (13) am Bearbeitungskopf (2) angebracht oder in den Bearbeitungskopf (2) integriert sind.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16-21) am Bearbeitungskopf (2) angebracht oder in den Bearbeitungskopf (2) integriert ist.

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