DE102014114333B4

DE102014114333B4 - 3D-Drucker

Info

Publication number: DE102014114333B4
Application number: DE102014114333.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-12
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: DE102014114333A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler kopfüber erstellter Objekte (10) zwischen einer obig angebrachten Tischplattform, an der das Objekt klebt, und einem Harz enthaltenden Gefäß mit einem Boden, an dem eine zuletzt erstellte Objektschicht haftet und von dem das Objekt durch Absenken mindestens einer Gefäßebene (2) mittels triangulierter oder quadrangulärer Ebenensteuerung getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kanten der Gefäßebene (2) je eine Exzenterwelle in einer angeflanschten Buchse axial verschoben wird und durch raumkreisende Bewegungen der Gefäßebene (2) Harztransport ermöglicht wird, wobei die Gefäßebene (2) durch die Anordnung der Exzenterwellen von der untersten Wellenposition betrachtet das Gefäß in vier Richtungen fahren kann und von der 3 oder 9 Uhr Position betrachtet das Gefäß in die jeweilige Gegenposition in unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt wird, sodass Harz bei langsamer Gefäßbewegung in eine Richtung mitgenommen wird, jedoch bei hoher Gefäßrückführungsgeschwindigkeit in der Nähe des Gefäßverschiebeumkehrpunktes verbleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels schichtweiser Harzpolymerisation durch Strahlenbeschuss. Insbesondere gilt die Erfindung der Trennung des Objektes vom Gefäß in der Überkopfobjekterstellung und dem Harztransport im Gefäß.
Stand der Technik
Die Entwicklung technischer Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte läuft auf Hochtouren. Experten sagen voraus, dass insbesondere das additive Verfahren des 3D Drucks die vierte industrielle Revolution einläuten könnte. Hierbei werden Objekte schichtweise erzeugt, z. B. mittels Pulverbenässung, Plastikdrahtschmelzung, Pulverschmelzung, Harzpolymerisation, usw.
Erfindungen waren immer dann besonders förderlich, wenn sie letztendlich dem Konsumentenmarkt zuträglich sein konnten. Dies wird auch beim 3D Druck der Fall sein. Hierfür muss darauf geachtet werden, dass die Objekterstellungsmethode folgende Eigenschaften berücksichtigt: Sicherheit, Geschwindigkeit, Farbe, Materialvielfalt, Temperaturstabilität, Hinterschneidungsgrade, Nachbearbeitungsaufwand, und natürlich die Kosten.
Bezogen auf diese umfangreiche Anforderungsliste sieht der Autor die Flüssigharzpolymerisierungsmethode allen anderen Verfahren derzeit als überlegen an. Dipropylen Glykol Diacrylat als Basisstoff mit Zugabe eines geeigneten Photoinitiators kann bspw. kostengünstig hergestellt werden und in Mikrosekunden polymerisieren, ist genügend maßhaltig und fest, kann eingefärbt werden, und die Objekte können viele Hinterschneidungsgrade haben, wenn die Software entsprechende Stützen einplant.
Die DLP Projektion kann zwar eine Schicht auf einmal härten, die Auflösung ist jedoch durch die Anzahl der Spiegel auf dem Chip begrenzt. Galvanometer (Galvos) können derzeit zehntausende Punkte pro Sekunde anfahren, und die Skalierbarkeit bietet in Bezug auf Objektgrösse und Auflösung mehr Möglichkeiten. Als Lichtquelle kann eine preiswerte Laserdiode, bspw. im UV-Bereich, dienen; derartig konzipierte Maschinen sind bereits im Einsatz. Hier wird die Harzschicht von oben aufgetragen, oder das Objekt wird kopfüber erstellt, sodass dieses im Harz über einer transparenten Platte hängt.
Ein Problem bei der Kopfüberharzpolymerisation stellt die Abtrennung des gehärteten Objektes von der transparenten Platte (z. B. Glas (vorzugsweise Bosolisikat oder Quarz) oder Acryl) dar. Hierzu wird entweder der Tisch, an dem das Objekt hängt, senkrecht oder zunächst an einer Seite angehoben, oder/und das Harzgefäß wird senkrecht oder zunächst an einer Seite abgesenkt. In jedem Fall befinden sich Tisch und Gefäß für die nächste Schichthärtung senkrecht fluchtend an der gleichen Position. Auftretende Probleme sind: Masshaltigkeitsgefährdung bei nicht senkrechter Anhebung, sowie bei Wiederabsenkungsmethode, falls das Harzgefäß unbeweglich ist. Das Harz läuft gemäß Viskosität und Oberflächenreibung der transparenten Platte, es entstehen hohe Harzfliessgeschwindigkeitsdifferenzen in Abhängigkeit vom Harzort auf der Platte. Langsamer Anlauf des Harzes, nur abhängig von Plattenkippwinkel, Viskosität, Plattenoberflächenbeschaffenheit, Harzfüllstand, Harzdichte und Erdanziehung als Beschleuniger. Das Gefäß ändert seine Position von Schichtbelichtung zu Schichtbelichtung nicht.
Die häufig genutzte einseitige Absenkung des Harzgefäßes erfolgt nicht nur zwecks Trennung von Objekt und Gefäß, sondern auch zu dem Zweck, das Harz an die zu polymerisierende Stelle nachfließen zu lassen, da sich genau dort nun meist kein Harz mehr befindet. Adhäsionskräfte unterstützen den Vorgang und „saugen” das Harz unter das Objekt. Da dies nicht ausreicht, wird eben einseitig abgesenkt und je nach Viskosität gewartet, bis Harz nachlaufen konnte. Die Adhäsionskräfte verkleinern den harzfreien Raum, schließen ihn jedoch meist nicht.
EP 2 173 538 B1 , 9D, zeigt beispielsweise eine derartige Anordnung, ebenso US 2014/0 085 620 A1 . US 2013/0 292 862 A1 verschiebt das Gefäß zur Seite und wieder zurück, sie alle kreieren die nächste Schicht stets am gleichen Platz. WO 92/07 705 A1 das Gefäß horizontal verschieben, weil das Verfahren zweier unterschiedlicher Flüssigkeiten bedarf. WO 2005/110 721 A1 mittels Folie vorteilhafterweise nahezu zugkraftfrei, benötigt für den Trennvorgang jedoch wesentlich mehr Zeit.
Weitere gattungsgemäße Verfahren sind aus der US 2004/0 159 340 A1 US 5 238 614 A bekannt.
Alle genannten Verfahren benötigen mehr Zeit. Druckzeit und Anschaffungspreis bilden den derzeitigen Hemmschuh in der Demokratisierung des 3D Drucks. Das Verhältnis Polymerisation zu notwendiger Positionsbenässung auf der transparenten Platte bestimmt stark die Objekterstellungszeit. Der Härtungsvorgang kann durchaus nur 50% des Zeitraumes ausmachen, den die Maschine für eine komplette Schichterstellung benötigt. Der Rest wird fast nur für die Objekttrennung und Benässung benötigt.
Wird die Platte zu schnell hochgefahren, kann das sich im Grünstadium befindliche Objekt in seiner Maßhaltigkeit gestört werden. Ebenso kann diese verloren gehen, wenn die Adhäsionskräfte nebst Schwerkraft beim Absenken bzw. Anheben des Harzgefäßes oder des Tisches das Flüssigharz am Objekt zu stark wirken lassen, etwa, wenn zu schnell und/oder zu weit abgesenkt/angehoben wird. Je nach Harzgefäßfüllstand und Objektdesign müsste evtl. Flüssigharz -ähnlich Luft im eingeschlossenen Raum eines Hauses- von umschlossenen Objektwänden (und vor allem von Böden) gehalten und getragen werden; die sich im Grünstadium befindlichen Objektstrukturen müssten den dynamischen Kräften während der Hebe/Senkvorgänge standhalten. Mindestens die Maßhaltigkeit wäre negativ betroffen.
Die Nutzung mehrerer unterschiedlicher Flüssigkeiten mit mehreren notwendigen Gefäßen verkompliziert das Verfahren zusätzlich.
Eine vertikale oder einseitige Plattformanhebung oder Gefäßabsenkung (mit oder ohne darauf folgender horizontaler Gefäßverschiebung) belastet das Objekt stark, Verformungen stören die Maßhaltigkeit.
Folien zur Trennung benötigen weiteres Material, Platz, verschleißen und verteuern die Maschine.
Viele Mechanismen zur Objektabtrennung und Harzbenässung benötigen so viel Raum, dass das Design gestört und die Maschine unerwünscht groß wird.
Viele Mechanismen haben Schwierigkeiten, eine Deckung der Tisch- zur Gefäßebene zu erlangen. Dies wird bei zunehmend dünneren Schichtdicken zu einem Problem.
Viele Mechanismen haben Schwierigkeiten, das Objekt gleichmäßig vom Gefäß zu trennen (siehe einseitig gelagerte Gefäße), sodass unterschiedliche Zugkräfte aus meist nur einer Richtung auf das Objekt wirken und die Masshaltigkeit negativ beeinflussen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht im Aufbau eines sehr schnellen, einfach und preiswert realisierbaren Mechanismus auf möglichst kleinem Raum, mit geringem Materialaufwand, zudem soll die Objektabtrennung die Maßhaltigkeit möglichst wenig beeinflussen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst.
Beim dem Verfahren ist vorgesehen, dass die Gefäßebene mit an mindestens drei umlaufend beabstandet angeordneten Stellen getrennt absenkbar gestaltet und einzeln gesteuert in vorgegebener Reihenfolge abgesenkt wird. Vorteilhaft ist dabei die Ausbildung als eckiges, z. B. rechteckiges oder quadratisches Gefäß, wobei die Stellen im Bereich der Ecken angeordnet sind. Aber auch runde oder ovale Gefäße oder ähnliche Formen sind möglich. Die Kante des Gefäßes verläuft umfangsseitig im Randbereich, wobei einzelne Kantenabschnitte an den Ecken ineinander übergehen oder bei nicht eckigen Gefäßen die Kante stetig umlaufend ausgebildet ist. Der Boden des Gefäßes ist insbesondere ein Glasboden, aber auch andere ähnliche Materialien (z. B. Keramik) kommen in Betracht.
Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass eine von einer Steuerungseinrichtung gesteuerte Konstruktionseinheit vorhanden ist, mittels deren mindestens drei umlaufend beabstandet angeordnete Stellen, bei eckiger Ausführung des Gefäßes insbesondere den Ecken, einer Ebene der Tischplattform einzeln – bezogen auf einen Bruchteil eines Millimeters voneinander unabhängig – auf eine Referenzebene auffahren und ein jeweiliger Anschlag vorzugsweise tasterlos durch eine Motorblockier-Erkennungselektronik erkennbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Nachteile des Stands der Technik eliminiert und die folgenden Vorteile erzielt:

1. Die Mechanik ist kaum störanfällig.
2. Die Mechanik ist gegen unkontrollierten Zugang des Nutzers geschützt, nicht unbeabsichtigt berührbar, störbar oder zerstörbar.
3. Die Mechanik benötigt nur wenig mehr Bauraum (z. B. 3%).
4. Der Aufbau ist sehr preisgünstig realisierbar.
5. Die Mechanik ist um ein Vielfaches schneller als die der meisten herkömmlichen Mechaniken.
6. Die Objekttrennung ist schonender als bei fast jedem bekannten Verfahren.
7. Die Mechanik, die Baufläche, ist skalierbar bis zu ca. 1 m².
8. Die Mechanik erreicht durch Steuerung aller Ecken der Tisch- wie auch Gefäßebene die beste Deckung beider Ebenen zueinander.
9. Die Mechanik transportiert Harz richtungsgelenkt aktiv, wo es für die nächsten Schichterstellungen benötigt wird, ohne dass auf Harzfluss gewartet werden muss.

Wenn das Objekt schneller und gleichmäßiger vom Gefäß getrennt wird und das Harz durch ein anderes technisches Verfahren Unterstützung findet, um schneller an der zuvor belichteten Position für die nächste Belichtung wieder zur Verfügung zu stehen, kann die Objekterstellung sehr viel schneller (Zielfaktor: 10) von Statten gehen. So können größere Objekte mit hoher Auflösung in akzeptabler Zeit erstellt werden.
Beschreibung der Erfindung: Grundsätzlicher Aufbau mit wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmalen
Nachdem Objektplattform und Gefäßplatte eine deckungsgleiche vorzugsweise horizontale Ebene gefunden haben, wird eine Schicht erstellt. Jede Schicht kann unterschiedlich dick sein, wofür Laserstärke, Belichtungszeit, Laserstrahldurchmesser und Tischanhebung stets neu berechnet werden müssen. Nun muss das kopfüber erstellte Objekt vom Gefäß getrennt werden, danach muss die Software der Steuerungseinrichtung entscheiden, ob die nächste Schicht am gleichen Gefäßort erstellt werden kann oder welcher Gefäßort hinsichtlich Materialtransport und zuvor genutztem Harzverbrauchsort der Beste wäre, und ob gegebenenfalls eine Transportphase vorgenommen werden muss, sodass zwischen zwei Schichterstellungen Harz zum nächsten Schichterstellungsort transportiert wird.
Zwecks Findung der Deckungsgleichheit zwischen Plattform und Gefäßebene werden Gefäßebene und Tischebene nach unten bewegt. Beide Ebenen sollten vorzugsweise mindestens trianguliert aufgehängt sein um alle Ecken beider Platten einstellen zu können. Haben alle Ecken der Tischebene ihren Anschlagpunkt auf den Gefäßhalterrahmen vorzugsweise durch eine Motorblockier-Erkennungselektronik gefunden, merkt sich die Elektronik diese Position. Die Gefäßebene fährt nun hoch, bis alle vorzugsweise getrennt gesteuerten Ecken vorzugsweise durch die die Motorstellung detektierende Elektronik ihren Anschlagpunkt auf die Objektplattform gefunden haben, und die Elektronik merkt sich diese Position.
Zwecks Abtrennung wird das an der Plattform haftende Objekt zunächst vorzugsweise nicht bewegt, sondern die vorzugsweise PDMS beschichtete Glasplatte wird vorzugsweise vertikal nach unten bewegt.
Diese Bewegung ist vorzugsweise ca. doppelt so lang wie die zuletzt erstellte Schicht dick ist.
Diese Vertikalbewegung beginnt bei einem vorzugsweise quadratisch gestalteten Gefäß an einer Ecke, ohne dass die anderen Ecken aktiv bewegt werden.
Hat die erste Glasplattenecke vorzugsweise vertikal die Distanz absolviert, bleibt sie dort stehen, und es wird vorzugsweise eine verbundene Ecke auf vorzugsweise die gleiche Art und Weise bewegt, danach die dritte Ecke, zum Schluss die vierte.
Die Glasplatte steht nun vorzugsweise vertikal vom Objekt getrennt unter dem Objekt. Der Tisch wird so weit hochgefahren, wie die nächste Schicht dick sein soll.
Die Software hat das Objekt nach einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Methode vorzugsweise derartig in den Raum gelegt, dass es möglichst wenige Stützelemente benötigt, aber auch möglichst wenige zusammenhängende Flächen in einer Schicht polymerisieren müssen. Dennoch ist es möglich, dass die vorige Schicht großflächig Harz von der Platte gezogen hat und für die nächste Schicht nun keines schnell genug nachfließen könnte. In diesem Fall, wenn man nicht warten will, bis Harz an die benötigte zuvor genutzte Stelle nachgelaufen ist, kann die Gefäßebene nicht an den vorigen Ort zurückkehren, sondern muss einen anderen Ort unter das Objekt bringen, von dem für die letzte Schichterstellung kein Harz gezogen wurde. Die Vorrichtung bietet vier verschiedene Orte an.
Alternativ oder zusammenwirkend wird im Fall gemäß dem vorhergehenden Absatz, bei dem die Gefäßebene nicht an den vorigen Ort zurückkehren kann, weil sich dort nicht genügend Harz befände, eine Transportphase zwischen die Polymerisationsphasen eingebaut: Das Gefäß fährt langsam in eine Richtung (die Vorrichtung bietet vier verschiedene Hauptrichtungen an) und fährt dann so schnell vorzugsweise zum Ursprungsort zurück dass die Massenträgheit (harzabhängig) überwunden wird oder andersherum: Das Gefäß fährt so schnell in eine Richtung und dann langsam vorzugsweise zum Ursprungsort zurück, dass die Massenträgheit (harzabhängig) in die erste Richtung überwunden wird, während das Harz bei Gefäßbewegung in Gegenrichtung mitgenommen wird. Richtungen können nach jedem Takt verändert werden, sodass jeder Winkel und jede Richtung möglich ist.
Wenn sich das Gefäß alternierend zwischen zwei Orten und Distanzen bewegt, die schnell genug überwindbar sind, aber weit genug voneinander entfernt sind, sodass der vorletzte Ort durch Harznachlaufen und Gefäßverschiebung harzgefüllt ist, wenn das Gefäß den letzten Ort verlässt, erlaubt dies eine sehr viel schnellere Objekterstellung als aus dem Stand der Technik bekannt. Das gezeigte Ausführungsbeispiel erlaubt die Bewegung über eine Ortsdistanz von 4300 μm und überwindet diese in ca. 0,35 Sekunden.
Beschreibung der Zeichnungen und der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und nicht einschränkend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Verfahren zum Erreichen der Deckungsgleichheit der Tisch- und Gefäßebenen
2a–d Verfahren zur Objekttrennung
3a–c Verfahren zum Harztransport
4a–c Verfahren zum Ortswechsel für die nächste Beschichtung
5a–c Vorrichtung zum Herstellen der Deckungsgleichheit der Tisch- und Gefäßebenen
6a–e Vorrichtung zur Objekttrennung
7a–e Vorrichtung für den Harztransport
8a–b Vorrichtung zum Ortswechsel für die nächste Beschichtung
In 1 ist die Vorgehensweise zum Herstellen der Deckungsgleichheit der Tischebene 1 und Gefäßebene 2 schematisch dargestellt.
Die Deckungsgleichheit der Tischebene 1 zur Gefäßebene 2 gewinnt bei zunehmend dünneren Schichtdicken an Bedeutung. Diese Deckung ist bei planaren Tisch- und Gefäßplattformen erreicht, wenn alle Ecken dieser beiden Plattformen den exakt gleichen Abstand zueinander aufweisen. Zur Erreichung dieses Ziels werden vorzugsweise alle Ecken getrennt gesteuert, eine trianguläre Steuerung der Ebenen ist die Mindestvoraussetzung.
Die 2a–d zeigen die Vorgehensweise zur Objekttrennung.
Das polymerisierte Harzobjekt haftet Schicht auf Schicht an der Tischplattform. Die zuletzt erstellte Schicht haftet zusätzlich an der Glasplatte 2. Das Objekt mit seiner an der Glasplatte 2 haftenden Schicht muss nun in möglichst schonender Weise von der Glasplatte getrennt werden, um die Maßhaltigkeit nicht zu gefährden. Einseitiger Zug würde das Objekt in eine Richtung ziehen.
Daher wird mit der Glasplattenabsenkung um vorzugsweise zwei Schichtdicken an einer Ecke begonnen 2a, danach wird vorzugsweise eine verbundene Ecke der Gefäßebenen 2, die eine Glasplatte sein kann, ebenfalls vorzugsweise zwei Schichtdicken nach unten gefahren 2b, gefolgt von vorzugsweise ebenfalls einer hiermit verbunden Eckenabsenkung 2c, gefolgt von einer Absenkung der letzten Ecke (die Gefäßebene 2 sollte vorzugsweise rechteckig gestaltet sein).
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Gefäßebene 2 vorzugsweise zwei Schichtdicken unterhalb der Tischplatte, das Harzobjekt wurde von der Glasplatte 2 getrennt, es wurde in mehrere Richtungen belastet (in diesem Beispiel in vier).
Im nächsten Objekttrennungsvorgang sollte zwecks Gleichmäßigkeit der Zugrichtungen vorzugsweise von 2d nach 2a verfahren werden, d. h., es wird mit der Absenkung der Ecke, die zuletzt runtergefahren wurde, begonnen und mit der Ecke, die bei der letzten Objekttrennung zuerst abgesenkt wurde, geendet.
Die 3a–c zeigen das Verfahren für den Harztransport.
Diverse geforderte Materialeigenschaften des gedruckten Objekts lassen sich nicht ohne eine Mindestviskosität und eine Maximaltemperatur des Harzes bewerkstelligen. Daraus ergibt sich eine in die Steuerung einzubauende Warteschleife zwischen zwei Schichterstellungsprozessen, da das zähflüssige Harz unmittelbar nach der Polymerisierung am Ort fehlt und nachlaufen muss um die Lücke zu füllen („Harzloch” auf der Glasplatte).
Die Objektpositionierung an der Tischplatte soll vom Programm vorzugsweise derartig erfolgen, dass möglichst wenige und vor allem möglichst kleine zusammenhängende Flächen in einer Schicht polymerisiert werden müssen, nicht nur, weil der Polymerisationsvorgang wärmefreisetzend ist, sondern, weil das Auffüllen eines großen Harzloches auf der Glasplatte noch mehr Zeit benötigt. Manchmal ist diese Forderung jedoch nicht zu erfüllen, und eine Region der Harzplatte benötigt für die Erstellung weiterer Schichten viel mehr Harz als andere Regionen.
In diesem Fall wird ist es für schnelles Drucken unerlässlich, das Harz in die harzarme Region zu transportieren. Ein aktiver Schub benötigt viel weniger Zeit als eine Ebenenschrägstellung, bei der auf das nachfließende Harz gewartet werden muss, zudem müsste diese Schrägstellung dann in mehrere Richtungen ermöglicht werden.
Das hiesige Harztransportverfahren bedient sich zwecks Verschiebung der Harzmasse einer gegenläufigen Glasplattenbewegung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten: Das Harzgefäß mit der Gefäßebene 2 bewegt sich zunächst in Richtung der harzarmen Zone mit einer Geschwindigkeit, die das zähflüssige Harz „mitnimmt”, um bei Erreichung der Endposition viel schneller in die Gegenrichtung zurückzufahren bzw. zurückzuschwingen, sodass der Massenträgheitseffekt das Harz in der Nähe der Hinschwingposition- Endposition belässt.
Durch Aneinanderreihung dieses Hin- und Rückschwingprozesses erreicht das Harz die harzarme Region, die nun aufgefüllt wird.
Wenn die Gefäßebenenverschiebung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedliche Richtungen vorgenommen wird, kann Harz gezielt in jede Region transportiert werden, sogar im Kreis: 3b zeigt die Aneinanderreihung zweier perpendikular zueinander stehender Harzschübe, sodass sich vektoriell eine Harzverschiebung um 45° ergibt. Wird noch ein 90° Vorgang drangehängt, fließt das Harz wie in 3b zweites Bild in Richtung 22,5°, usw.
3c deutet an, dass durch Kombination unterschiedlicher Gefäßrichtungsschübe 2 fast jede Richtung möglich ist.
Die 4a–c zeigen die Vorgehensweise beim Ortswechsel für die nächste Beschichtung.
Ein Ortswechsel des Gefäßes mit der Gefäßebene 2 zwecks Erstellung der nächsten nur ein Material benötigenden Schicht innerhalb des gleichen Gefäßes wurde beim Stand der Technik nicht realisiert. Hierin liegt jedoch der entscheidende Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das durch die letzte Schichterstellung entstandene Harzloch 3 in 4a für die nächste Schicht nicht benötigt wird. Es hat mindestens eine Schichterstellungsdauer Zeit, sich durch Adhäsions-, Sog-, Ebenenschräglegungs-, und Gefäßschwingeffekte aufzufüllen (4b).
Da jedoch je nach Gefäßebenenverschiebungsmechanismus mehrere Positionen für die Wahl des im nächsten Vorgang zu polymerisierenden Punktes 4 möglich sind, kann je nach Umstand und Notwendigkeit dem Harzloch 3 mehr Zeit gegeben werden, innerhalb der diesem Punkt durch Gefäßbewegungen neues Harz zugeführt wird, wie in 4c angedeutet.
Die 5a–c beschreiben eine Vorrichtung zum Herstellen der Deckungsgleichheit der Tisch- und Gefäßebenen.
Mit diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein 3D Drucker realisiert, der die Deckungsgleichheit der Tisch- 1 und Gefäßebenen 2 mit sieben Steppermotoren bewerkstelligt. Die Tischplattform 1 wird mittels einer (nicht gezeigten) Steuerungseinrichtung trianguliert mittels Spindelstepper gesteuert, während das Gefäß 2 von 4 Exzenter-Getriebesteppern bewegt wird. Hier wurde auf die üblichen Limit-Taster verzichtet und stattdessen eine Motorblockier-Erkennungselektronik eingesetzt, sodass die Mechanik flexibel ist und die gewünschten Ebenen zueinander finden können.
5b zeigt die abgesenkte Gefäßebene 2, sodass der herabfahrende Tisch mit der Tischebene 1 nur auf die (Gefäßmotorträger)-Plattform 9 fahren kann. Hat der Tisch nun diese Ebene erreicht, ist es am Gefäß, sich auf die Tischebene einzustellen.
5c zeigt, wie die Motoren 5–8 mittels ihrer Exzenter jede Ecke schrittweise anheben, bis die Elektronik den Anschlag jedes Eckpunktes erkannt hat. Nun fahren die Stepper in die Gegenrichtung um auch hier die Polymerisierungsebene festzulegen.
Die 6a–e zeigen eine Vorrichtung zur Objekttrennung.
Die Motoren 5–8 stellen über ein hier nicht näher beschriebenes (da anderweitig bekanntes) Verfahren ihren jeweiligen Nullpunkt fest (0° in 6a). Der Arbeitsbereich liegt zwischen +–90,7° und +–89,3°, was in diesem Beispiel der Absenkung der Gefäßplatte um zwei Schichtdicken entspricht. Das Objekt 10 wurde also bei einer Exzenterwellenposition von 90,7° erstellt (oberes Dreieck) und ist spätestens getrennt, wenn alle Motoren 5–8 1,4° oder 2 Vollschritte nach unten gefahren wurden (unteres Dreieck). Das obere Dreieck stellt also das Objekt 10 dar, das noch an der z. B. PDMS-beschichteten Glasplatte klebt und abgelöst werden soll. Nach Durchfahren der Motorsequenz, die vorzugsweise reihum in der Beispielsausführung ca. 1,4° das Gefäß mit der Plattform 2 nach unten bewegt, ist das vom Glasboden getrennt (Darstellung unteres Dreieck in 6a). Eine neue Schichterstellungssequenz kann beginnen.
Der Abtrennungsvorgang beginnt beispielsweise mit Motor 5 in die einzig mögliche Richtung (6b), gefolgt von Motor 6 (6c), dann Motor 7 (6d), zum Schluss fährt Motor 8 (6e). Das Objekt 10 ist nun von der Glasplatte 2 getrennt, und seine zuletzt polymerisierte Schicht steht ca. zwei Schichtdicken über der Glasplatte (Die Glasplatte kann zur leichteren Abtrennung eine PTFE- oder PDMS Schicht aufweisen).
Die 7a–e zeigen die Ausbildung der Vorrichtung für den Harztransport.
Die vier Exzentergetriebemotoren 5–8 können über die für die Abtrennung nötigen Winkel +–90,7° bis +–89,3° hinaus neben der fast vertikalen Gefäßbewegung auch noch eine vertikal-horizontale Gefäßbewegung ausführen (siehe 6a). Diese Bewegung lässt sich für den Harztransport nutzen: Das Gefäß 2 fährt in eine Richtung langsam los, das Harz nimmt die Bewegungsenergie auf. Die Umkehr wird bei ca. 30–40° eingeleitet, sodass das Harz die Horizontalkomponente der Bewegungsenergie nicht verliert und „ausgehebelt” wird durch die Vertikalkomponente der Exzenterbewegung (fliegt hoch). Hierdurch reißt der Harzfilm noch leichter vom (teflon- oder silikonbeschichteten) Boden ab, und das Harz kann der nun viel schnelleren Umkehrbewegung des Gefäßes (7b) nicht mehr folgen. Natürlich kann der Vorgang auch umgekehrt begonnen werden: Das Gefäß bewegt sich schnell nach unten, dann seitlich, der Harzfilm reißt ab, und bei ca. 30–40° kehrt das Gefäß die Bewegungsrichtung um und nimmt das Harz mit.
Der Harztransport funktioniert in jede Richtung, die maximale Harzverschiebungsstrecke pro Vorgang lässt sich durch Steuerung aller vier Motoren 5–8 mittels der Steuerungseinrichtung gleichzeitig erreichen (ca. 40% mehr Strecke als bei Steuerung zweier gegenüberliegender Motoren). 7a bis 7b zeigen die 45° Harzverschiebung unter Zuhilfenahme aller 4 Gefäßmotoren, 7c bis 7d zeigen die Verschiebung nach 90°.
Die Kombination (Aneinanderreihung) der Verschiebeprozesse ermöglicht jede beliebige Richtungssteuerung, beispielhaft gezeigt in 7e für die Bewegung in Richtung 67,5°.
Die 8a–b zeigen die Ausbildung der Vorrichtung zum Ortswechsel für die nächste Beschichtung.
Eine Schichterstellung, während der die Gefäßplatte im entscheidenden Moment am entscheidenden Ort ein Harzloch aufweist, wird fehlerhaft sein. Daher ist bspw. eine Schichterstellungsfolge im Millisekundenbereich ohne Gefäßverschiebung unmöglich, das Harz kann nicht schnell genug nachfließen. Die vorliegende Erfindung baut deshalb auf einen Ortswechsel des Gefäßes für die nächstfolgende Schicht.
Im Normalfall werden alle vier Gefäßmotoren gleichzeitig und so schnell wie möglich gefahren. 8a zeigt den aktuellen Polymerisationspunkt 3 der aktuellen Schicht. Dieser Punkt muss nun für die nächste Schichterstellung gemieden werden. Die Diagonalbewegung dieser Maschine entfernt den zuletzt erstellten Objektpunkt relativ zum Punkt 3 um über 4300 μm, sodass auch eine millimeterdicke Wand im Normalfall nicht auf diesen Punkt 3 zurückgreifen muss (8b).
Sollte die Steuerungseinrichtung mit der Software dennoch diesen Fall nicht verhindert haben können, so wäre der Harztransport als Zwischenschritt anzuwenden oder eine andere Position anzufahren, also nicht diagonal, sondern nur in X- oder nur in Y-Richtung.
8c zeigt einen möglichen Aufbau einer diese Erfindung nutzenden Maschine. Der Exzentermechanismus 11 erlaubt die Bewegung der Gefäßebene 2 in vier Richtungen, weil die Exzenterwelle durch das ans Gefäß mit der Gefäßebene 2 angeflanschte Lager rutschen kann. Hier werden vorteilhafterweise kostengünstige Buchsengleitlager eingesetzt, die die Axialbewegungen auf der Welle erlauben. Diese Bewegungsfreiheit ist unerlässlich, da das System ansonsten statisch überbestimmt wäre. Der Exzentermechanismus ist der einfachste um die Rotation – und damit die komplexe Raumbewegung des Gefäßes (Kombination von Vertikal- und Horizontalbewegungen)- zu erreichen. Denkbar sind natürlich auch Hub/Zugmagnete, Kolbenbewegungen durch Pneumatik/Hydraulikzylinder für großvolumige Anwendungen, oder Piezomotoren kleinräumige Anwendungen, z. B. Nanodrucker. Besonderes Augenmerk wurde beim gezeigten Aufbau mit Exzenterwellen jedoch auf Simplizität und Effizienz gelegt. Linearantriebe wären erheblich teurer. Durch die kreisende Bewegung der Exzenterwelle bewegt sich jede Gefäßecke rauf und runter, aber auch vor und zurück, und wird dabei gleichzeitig lateral bewegt.
Bezugszeichenliste

1: Tischplattformebene
2: Gefäßebene (Glasplatte)
3: Polymerisierungsposition = fehlendes Harz auf der Glasplatte für nächste Schichterstellung („Harzloch”)
4: neue Polymerisierungsposition auf der Glasplatte, harzgefüllt = kein „Harzloch”
5: erster (Gefäß-)Motor
6: zweiter (Gefäß-)Motor
7: dritter (Gefäß-)Motor
8: vierter (Gefäß-)Motor
9: (Gefäßmotorträger)-Plattform
10: Objekt
11: Exzentermechanismus

Claims

Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler kopfüber erstellter Objekte (10) zwischen einer obig angebrachten Tischplattform, an der das Objekt klebt, und einem Harz enthaltenden Gefäß mit einem Boden, an dem eine zuletzt erstellte Objektschicht haftet und von dem das Objekt durch Absenken mindestens einer Gefäßebene (2) mittels triangulierter oder quadrangulärer Ebenensteuerung getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kanten der Gefäßebene (2) je eine Exzenterwelle in einer angeflanschten Buchse axial verschoben wird und durch raumkreisende Bewegungen der Gefäßebene (2) Harztransport ermöglicht wird, wobei die Gefäßebene (2) durch die Anordnung der Exzenterwellen von der untersten Wellenposition betrachtet das Gefäß in vier Richtungen fahren kann und von der 3 oder 9 Uhr Position betrachtet das Gefäß in die jeweilige Gegenposition in unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt wird, sodass Harz bei langsamer Gefäßbewegung in eine Richtung mitgenommen wird, jedoch bei hoher Gefäßrückführungsgeschwindigkeit in der Nähe des Gefäßverschiebeumkehrpunktes verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ebene (1) und die Gefäßebene (2) tasterlos elektromotorisch zueinander eingestellt werden, wobei die erste Ebene (1) sich mittels Triangulation oder Quadrangulation auf eine Referenzebene (9) einstellt, und die Gefäßebene (2) sich daraufhin ebenfalls mittels elektromotorisch gesteuerter Triangulation oder Quadrangulation auf die Erste einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Motoren (5–8) mit je einer Exzenterwelle in Wirkverbindung stehen und dass die einzelnen Motoren derart betrieben werden, dass die Gefäßebene (2) mittels der Exzenterwellen zur Abtrennung eines Objekts (10) gekippt wird, wobei die Kipprichtung auf Basis von bis zu vier Richtungen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Gefäßbewegungsrichtungen miteinander kombiniert werden, um Harz in jede für den Transport erforderliche Richtung und über jede Distanz im Bereich konstruktiver Vorgaben innerhalb des Gefäßes zu transportieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefäßplattform mit der Gefäßebene (2) exzenterwellenmotorisch gesteuert bewegt wird, wobei an deren Kanten je eine Exzenterwelle in einer angeflanschten Buchse axial verschiebbar lagert und durch raumkreisende Bewegungen Ortswechsel der Gefäßebene (2) relativ zum Objekt (10) ermöglicht und wobei das Gefäß sich bei mindestens paarweiser Steuerung gegenüberliegender Motoren (5 und 7 und/oder 6 und 8) mit einer benässten Fläche (4) unter das Objekt stellt und in der vorigen Schichterstellung genutzte Flächen (3) zur Benässung freihält.
Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler kopfüber erstellter Objekte mit einer obig an einer Tragvorrichtung angebrachten Tischplattform und einem unterhalb angeordneten, einen Boden aufweisenden, mit Harz befüllbaren Gefäß, wobei ein Objekt (10) zwischen der Tischplattform und dem Gefäß erstellbar ist und dabei an der Tischplattform klebt und mit einer zuletzt erstellten Objektschicht an dem Boden haftet, und mit einer Trennungsvorrichtung, mittels deren das Objekt von dem Boden durch Absenken mindestens einer Gefäßebene (2) und triangulierter oder quadrangulärer Ebenensteuerung getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer Steuerungseinrichtung gesteuerte Konstruktionseinheit vorhanden ist, mittels deren mindestens drei umlaufend beabstandet angeordnete Stellen einer Ebene (1) der Tischplattform einzeln – bezogen auf einen Bruchteil eines Millimeters voneinander unabhängig – auf eine Referenzebene (9) auffahren und ein jeweiliger Anschlag vorzugsweise tasterlos durch eine Motorblockier-Erkennungselektronik erkennbar ist und dass die Gefäßebene (2) exzenterwellenmotorisch gesteuert bewegbar ist, wobei an den beabstandeten Stellen der Gefäßebene (2) je eine Exzenterwelle in einem angeflanschten Lager axial verschiebbar lagert und durch raumkreisende Bewegungen der Gefäßebene (2) Harz transportierbar ist, wobei das Gefäß bei mindestens paarweiser Steuerung gegenüberliegender Motoren (5 und 7 und/oder 6 und 8) in eine Richtung mit harzmitnehmender Geschwindigkeit fahrbar ist, in Gegenrichtung jedoch so schnell bewegbar ist, dass der Harzfilm keine Haftung mehr am beschichteten Gefäßboden findet und abreißt, sodass das Harz in der Nähe der Gefäßumkehrposition verbleibt, wobei der Ortsverbleib des Harzes durch die Vertikalkomponente der Exzenterbewegung unterstützt wird, bei der die Fliehkraft die Harzablösung fördert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennungsvorrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass die Abtrennung des Objektes (10) durch schrittweises Absenken jeder der Stellen der Gefäßebene (2) durch Steuerung jedes Gefäßmotors (5–8), vorzugsweise reihum, erfolgt, sodass das Objekt gleichmäßig von jeder Seite belastet wird, wobei der nächste Abtrennungsprozess vorzugsweise in umgekehrter Motorreihenfolge (8–5) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz durch eine Kombination von Richtungswechseln der Gefäßebene (2) durch paarweise Steuerung gegenüberliegender Motoren (5 und 7 oder 6 und 8) oder Aktivierung aller Motoren (5–8) gleichzeitig in jede gewünschte Richtung lenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefäßebene (2) durch die raumkreisenden Bewegungen Ortswechsel der Gefäßebene (2) relativ zum Objekt (10) ermöglicht, wobei das Gefäß bei mindestens paarweiser Steuerung gegenüberliegender Motoren (5 und 7 und/oder 6 und 8) an einen anderen Ort als zum Punkt (3) bewegbar ist, nämlich zu einem benässten Punkt (4), der vorzugsweise eine halbe Exzenterwellendrehung weit entfernt ist.