DE102015100940A1 - Method and device for producing a component with an at least partially curved surface - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Oberfläche (2), bei dem mit einem 3D-Drucker ein Substrat (1) erstellt oder bearbeitet wird, so dass im Bereich einer zu erzeugenden gekrümmten Oberfläche (2) eine stufenförmige Grundstruktur geschaffen wird, die eine Vielzahl von Teilflächen (3) aufweist, die zumindest teilweise einen Versatz, insbesondere einen Höhenversatz (4), zueinander aufweisen, und bei dem die stufenförmige Grundstruktur, insbesondere lokal, durch Beaufschlagung mit einer Strahlung bis zum Schmelzen erwärmt wird, so dass die Grundstruktur durch Oberflächenkräfte des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Substrats (1) geglättet wird.Method for producing a component having an at least partially curved surface (2), in which a substrate (1) is created or processed with a 3D printer so that a step-shaped basic structure is created in the region of a curved surface (2) to be produced, which has a multiplicity of partial surfaces (3) which at least partially have an offset, in particular a vertical offset (4) relative to one another, and in which the step-shaped basic structure, in particular locally, is heated until it melts by exposure to radiation, such that the Basic structure is smoothed by surface forces of at least partially melted substrate (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Oberfläche.The present invention relates to a method and a device for producing a component with an at least partially curved surface.

Aus der EP 0 664 891 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Linse mit einer abschnittsweise gekrümmten Oberfläche bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird in ein Substrat eine stufenförmige Grundstruktur durch ein lithografisches Verfahren mit einer Mehrzahl von Maskierungs-, Belichtungs- und Ätzschritten eingebracht. Anschließend wird diese Struktur durch Beaufschlagung mit Elektronenstrahlung geglättet. Als nachteilig dabei erweist sich die aufwendige Herstellung der stufenförmigen Grundstruktur.From the EP 0 664 891 B1 For example, a method of manufacturing a lens having a sectionally curved surface is known. In the method described therein, a step-shaped basic structure is introduced into a substrate by a lithographic process having a plurality of masking, exposing and etching steps. Subsequently, this structure is smoothed by exposure to electron beam radiation. A disadvantage here proves to be the complicated production of the step-shaped basic structure.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Angabe eines Verfahrens eingangs genannten Art, mit dem die Grundstruktur einfacher und/oder effektiver und/oder kostengünstiger hergestellt werden kann.The problem underlying the present invention is the specification of a method of the type mentioned, with which the basic structure can be made easier and / or more effective and / or less expensive.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1. The subclaims relate to preferred embodiments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte:
Mit einem 3D-Drucker wird ein Substrat erstellt oder bearbeitet, so dass im Bereich einer zu erzeugenden gekrümmten Oberfläche eine stufenförmige Grundstruktur geschaffen wird, die eine Vielzahl von Teilflächen aufweist, die zumindest teilweise einen Versatz, insbesondere einen Höhenversatz, zueinander aufweisen, wobei weiterhin die stufenförmige Grundstruktur, insbesondere lokal, durch Beaufschlagung mit einer Strahlung bis zum Schmelzen erwärmt wird, so dass die Grundstruktur durch Oberflächenkräfte des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Substrats geglättet wird. Mit einem 3D-Drucker lassen sich stufenförmige Grundstrukturen in guter Auflösung vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen. Das anschließende lokale Aufschmelzen der stufenförmigen Grundstruktur führt zu einer sehr effektiven Glättung der Oberfläche, so dass eine funktional sehr hochwertige Oberfläche geschaffen wird, die beispielsweise auch für Präzisionsmikrooptiken verwendet werden kann.According to claim 1, the method according to the invention comprises the following method steps:
With a 3D printer, a substrate is created or processed, so that in the region of a curved surface to be produced a step-shaped basic structure is provided which has a plurality of partial surfaces, at least partially an offset, in particular a height offset, to each other, wherein further step-shaped basic structure, in particular locally, is heated by the application of radiation until melting, so that the basic structure is smoothed by surface forces of the at least partially melted substrate. With a 3D printer, step-like basic structures with good resolution can be produced comparatively easily and inexpensively. The subsequent local melting of the step-shaped basic structure leads to a very effective smoothing of the surface, so that a functionally very high-quality surface is created, which can be used for example for precision micro-optics.

Dabei kann der 3D-Drucker als 3D-Druckmethode das selektive Laserschmelzen oder das selektive Lasersintern oder das Elektronenstrahlschmelzen oder das Elektronenstrahlsintern oder die Stereolithografie oder das Digital Light Processing oder das Polyjet-Modeling oder das Fused Deposition Modeling verwenden. Als Material für den 3D-Druck können Kunststoff oder Kunstharz oder ein keramisches Material oder ein Glas oder ein glasähnliches Material oder ein polymeres Material oder ein Metall verwendet werden. Es zeigt sich, dass gekrümmte Flächen in den unterschiedlichsten Materialien durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit einer glatten Oberfläche versehen werden können.The 3D printer can use as a 3D printing method selective laser melting or selective laser sintering or electron beam melting or electron beam or stereo lithography or digital light processing or the Polyjet modeling or fused deposition modeling. As the material for the 3D printing, plastic or synthetic resin or a ceramic material or a glass or a glass-like material or a polymeric material or a metal can be used. It turns out that curved surfaces in a very wide variety of materials can be provided with a smooth surface by a method according to the invention.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 10 umfasst einen 3D-Drucker sowie Mittel zur Erzeugung einer Strahlung, mit der ein von dem 3D-Drucker erstelltes oder bearbeitetes Substrat beaufschlagt werden kann, wobei die Vorrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen kann.A device according to the invention as claimed in claim 10 comprises a 3D printer and means for generating a radiation with which a substrate created or processed by the 3D printer can be acted upon, wherein the device can carry out a method according to the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigt:Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine schematische Seitenansicht einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Linse. 1 a schematic side view of a lens produced by a method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in einem ersten Verfahrensschritt mit einem 3D-Drucker ein Substrat 1 so erstellt oder bearbeitet wird, dass im Bereich einer zu erzeugenden gekrümmten Oberfläche 2 eine stufenförmige Grundstruktur geschaffen wird. Diese Grundstruktur ist in 1 strichpunktiert dargestellt. Sie umfasst eine Vielzahl von Teilflächen 3 auf, die zumindest teilweise einen Höhenversatz 4 zueinander aufweisen.The inventive method provides that in a first step with a 3D printer, a substrate 1 is created or edited so that in the area of a curved surface to be generated 2 a step-shaped basic structure is created. This basic structure is in 1 shown in phantom. It comprises a large number of partial surfaces 3 on, at least partially a height offset 4 to each other.

1 zeigt, dass die Breite b unterschiedlicher Teilflächen 3 nicht gleich groß sein muss. Weiterhin muss auch die Ausdehnung h des Höhenversatzes 4 unterschiedlicher Paare von Teilflächen 3 nicht gleich groß sein. 1 shows that the width b of different faces 3 does not have to be the same size. Furthermore, the extent h of the height offset must also be 4 different pairs of faces 3 not be the same size.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der 3D-Drucker als 3D-Druckmethode das selektive Laserschmelzen oder das selektive Lasersintern oder das Elektronenstrahlschmelzen oder das Elektronenstrahlsintern oder die Stereolithografie oder das Digital Light Processing oder das Polyjet-Modeling oder das Fused Deposition Modeling verwenden kann.The method according to the invention provides that the 3D printer can use as a 3D printing method selective laser melting or selective laser sintering or electron beam melting or electron beam sintering or stereolithography or digital light processing or polyjet modeling or fused deposition modeling.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, dass als Material für den 3D-Druck Kunststoff oder Kunstharz oder ein keramisches Material oder ein Glas oder ein glasähnliches Material oder ein polymeres Material oder ein Metall verwendet werden kann.The method according to the invention furthermore provides that the material used for the 3D printing can be plastic or synthetic resin or a ceramic material or a glass or a glass-like material or a polymeric material or a metal.

Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil eine optisch wirksame Struktur, insbesondere eine Linse, die zumindest für elektromagnetische Strahlung eines Teilbereichs des optischen Spektrums durchlässig ist, wie beispielsweise für Teile des sichtbaren Bereichs und/oder des Infrarotbereichs und/oder des Ultraviolettbereichs.In the illustrated embodiment, the component is an optically active structure, in particular a lens, at least for Electromagnetic radiation of a portion of the optical spectrum is transparent, such as for parts of the visible range and / or the infrared range and / or the ultraviolet range.

Nach der Erzeugung der stufenförmigen Grundstruktur mit dem 3D-Drucker wird das Substrat 1 im Bereich der stufenförmigen Grundstruktur mit Strahlung beaufschlagt, insbesondere mit Laserstrahlung oder mit Elektronenstrahlung. Die Strahlung weist dabei auf der Oberfläche des Substrats 1 im Bereich der stufenförmigen Grundstruktur eine linienförmige Intensitätsverteilung auf. Diese linienförmige Intensitätsverteilung wird senkrecht zur Längserstreckung der linienförmigen Intensitätsverteilung über die Oberfläche des Substrats 1 bewegt.After the generation of the step-shaped basic structure with the 3D printer, the substrate becomes 1 In the area of the step-shaped basic structure, radiation is applied, in particular with laser radiation or with electron radiation. The radiation points on the surface of the substrate 1 in the area of the stepped basic structure a linear intensity distribution. This line-shaped intensity distribution becomes perpendicular to the longitudinal extent of the linear intensity distribution over the surface of the substrate 1 emotional.

Durch die Beaufschlagung mit Strahlung wird die Oberfläche im Bereich der stufenförmigen Grundstruktur aufgeschmolzen. Durch dieses Aufschmelzen wird die stufenförmige Grundstruktur geglättet, weil Oberflächenkräfte des geschmolzenen Bereichs eine Minimierung der Fläche und damit eine Glättung des Bereichs der stufenförmigen Grundstruktur bewirken.By applying radiation, the surface is melted in the region of the step-shaped basic structure. This melting smooths the step-shaped basic structure, because surface forces of the molten area cause a minimization of the area and thus a smoothing of the area of the stepped basic structure.

Die Tiefe der Aufschmelzzone in vertikaler Richtung in 1 kann mindestens der Ausdehnung h des Höhenversatzes 4 einzelner Teilflächen 3 zueinander entsprechen, insbesondere mindestens der Ausdehnung h des mittleren Höhenversatzes h. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Tiefe der Aufschmelzzone einem Mehrfachen, beispielsweise dem zwei- bis dreifachen des mittleren Höhenversatzes h entspricht.The depth of the melting zone in the vertical direction in 1 can be at least the extent h of the height offset 4 individual partial surfaces 3 correspond to each other, in particular at least the extent h of the average height offset h. However, there is also the possibility that the depth of the melting zone corresponds to a multiple, for example, two to three times the average height offset h.

Die Breite der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung kann etwa der Breite b der Teilflächen 3 entsprechen, insbesondere mindestens der mittleren Breite b der Teilflächen 3. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Breite der linienförmigen Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung einem Mehrfachen, beispielsweise dem zwei- bis dreifachen der mittleren Breite b der Teilflächen 3 entspricht.The width of the linear intensity distribution in the line transverse direction can be approximately the width b of the partial surfaces 3 correspond, in particular at least the average width b of the partial surfaces 3 , However, there is also the possibility that the width of the linear intensity distribution in the line transverse direction is a multiple, for example, two to three times the average width b of the sub-areas 3 equivalent.

Es besteht die Möglichkeit, dass das Substrat 1 vor oder während der Beaufschlagung mit Strahlung vorgeheizt wird, beispielsweise in einem Ofen. Dabei kann die Temperatur, auf die das Substrat 1 vorgeheizt wird, etwas unter der Schmelztemperatur des Materials des Substrats 1 liegen.There is a possibility that the substrate 1 is preheated before or during the application of radiation, for example in an oven. Thereby, the temperature to which the substrate 1 is preheated, slightly below the melting temperature of the material of the substrate 1 lie.

Es besteht dabei durchaus auch die Möglichkeit, dass für das Vorheizen kein Ofen oder eine andere zusätzliche Heizquelle verwendet wird, sondern dass das Vorheizen von der Strahlung bewirkt wird, mit der das Substrat 1 beaufschlagt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Intensitätsverteilung der Strahlung auf dem Substrat 1 in Linienquerrichtung entsprechend strukturiert ist, wie dies beispielsweise in der WO 2008/128781 A1 beschrieben ist.There is also the possibility that no oven or other additional heating source is used for the preheating, but that the preheating is effected by the radiation with which the substrate 1 is charged. This can be done, for example, by the fact that the intensity distribution of the radiation on the substrate 1 is structured according to line transverse direction, as for example in the WO 2008/128781 A1 is described.

Die Intensitätsverteilung kann dementsprechend in Linienquerrichtung eine „sesselförmige“ Intensitätsverteilung aufweisen mit einem ersten plateauähnlichen Bereich geringerer Intensität und einer in Vorschubrichtung auf dem Substrat 1 dem Plateau folgenden Spitze höherer Intensität. Durch das Plateau niedrigerer Intensität kann das Substrat vorgeheizt werden. Durch die Spitze der Intensität wird kurzzeitig die Temperatur so stark erhöht, insbesondere lokal über den Schmelzpunkt des Substratmaterials erhöht, so dass das Substrat 1 an der Oberfläche lokal aufschmilzt. Oberflächenkräfte wie die Oberflächenspannung der flüssigen Schmelze bewirken dann eine Glättung der stufenförmigen Grundstruktur.The intensity distribution can accordingly have a "chair-shaped" intensity distribution in the line transverse direction with a first plateau-like region of lower intensity and one in the feed direction on the substrate 1 following the plateau following peak of higher intensity. Due to the plateau of lower intensity, the substrate can be preheated. Due to the peak intensity, the temperature is briefly increased so much, in particular locally increased above the melting point of the substrate material, so that the substrate 1 locally melted on the surface. Surface forces such as the surface tension of the liquid melt then cause a smoothing of the step-shaped basic structure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0664891 B1 [0002] EP 0664891 B1 [0002]
  • WO 2008/128781 A1 [0020] WO 2008/128781 A1 [0020]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Oberfläche (2), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Mit einem 3D-Drucker wird ein Substrat (1) erstellt oder bearbeitet, so dass im Bereich einer zu erzeugenden gekrümmten Oberfläche (2) eine stufenförmige Grundstruktur geschaffen wird, die eine Vielzahl von Teilflächen (3) aufweist, die zumindest teilweise einen Versatz, insbesondere einen Höhenversatz (4), zueinander aufweisen, – die stufenförmige Grundstruktur wird, insbesondere lokal, durch Beaufschlagung mit einer Strahlung bis zum Schmelzen erwärmt, so dass die Grundstruktur durch Oberflächenkräfte des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Substrats (1) geglättet wird.Method for producing a component having an at least partially curved surface ( 2 ), characterized by the following method steps: with a 3D printer, a substrate ( 1 ) so that in the area of a curved surface ( 2 ) a step-shaped basic structure is created, which has a plurality of partial surfaces ( 3 ), which at least partially offset, in particular a height offset ( 4 ), the step-shaped basic structure is heated, in particular locally, by the application of radiation until it melts, so that the basic structure is determined by surface forces of the at least partially melted substrate ( 1 ) is smoothed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung eine Laserstrahlung oder eine Elektronenstrahlung ist.A method according to claim 1, characterized in that the radiation is a laser radiation or an electron beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung bei dem Auftreffen auf das Substrat (1) eine linienförmige Intensitätsverteilung aufweist, die insbesondere in einer Richtung senkrecht zu der Linienlängsrichtung über das Substrat (1) bewegt wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the radiation when hitting the substrate ( 1 ) has a line-shaped intensity distribution, which in particular in a direction perpendicular to the line longitudinal direction over the substrate ( 1 ) is moved. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gestufte Grundstruktur zumindest bis zu einer Tiefe aufgeschmolzen wird, die der Tiefe einer oder mehrerer der Stufen beziehungsweise der Ausdehnung (h) des Höhenversatzes (4) einzelner Teilflächen (3) entspricht.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the stepped basic structure is melted at least to a depth which corresponds to the depth of one or more of the steps or the extent (h) of the height offset ( 4 ) of individual partial surfaces ( 3 ) corresponds. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der linienförmige Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung mindestens der Breite (b) einer der Teilflächen (3) der Grundstruktur entspricht.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the width of the line-shaped intensity distribution in the line transverse direction at least the width (b) of one of the partial surfaces ( 3 ) corresponds to the basic structure. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gestufte Grundstruktur vor oder während der Beaufschlagung mit der Strahlung vorgeheizt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the stepped basic structure is preheated before or during the application of the radiation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Drucker als 3D-Druckmethode das selektive Laserschmelzen oder das selektive Lasersintern oder das Elektronenstrahlschmelzen oder das Elektronenstrahlsintern oder die Stereolithografie oder das Digital Light Processing oder das Polyjet-Modeling oder das Fused Deposition Modeling verwendet.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the 3D printer as a 3D printing method selective laser melting or selective laser sintering or electron beam melting or electron beam sintering or stereolithography or digital light processing or the Polyjet Modeling or Fused Deposition Modeling used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für den 3D-Druck Kunststoff oder Kunstharz oder ein keramisches Material oder ein Glas oder ein glasähnliches Material oder ein polymeres Material oder ein Metall verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that as a material for 3D printing plastic or synthetic resin or a ceramic material or a glass or a glass-like material or a polymeric material or a metal is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Bauteil eine optisch wirksame Struktur, insbesondere eine Linse, ein Prisma oder einen Spiegel umfasst, wobei das Bauteil insbesondere zumindest für elektromagnetische Strahlung eines Teilbereichs des optischen Spektrums durchlässig ist. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the component to be produced comprises an optically active structure, in particular a lens, a prism or a mirror, wherein the component is permeable in particular at least for electromagnetic radiation of a portion of the optical spectrum. Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Oberfläche (2), umfassend – einen 3D-Drucker, – Mittel zur Erzeugung einer Strahlung, mit der ein von dem 3D-Drucker erstelltes oder bearbeitetes Substrat (1) beaufschlagt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführen kann.Device for producing a component with an at least partially curved surface ( 2 ), comprising - a 3D printer, - means for generating a radiation with which a substrate created or processed by the 3D printer ( 1 ), characterized in that the device can perform a method according to any one of claims 1 to 9.
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