-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands gemäß vorgegebener Geometriedaten, wobei auf Auftragungsstellen einer um eine Rotationsachse rotierenden Unterlage und nachfolgend auf einer verfestigten Materialschicht ein physikalisch oder chemisch verfestigbares Material für eine zu bildende Materialschicht aufgetragen wird, und wobei das Material nach dem Auftragen physikalisch oder chemisch verfestigt wird.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Unterlage zur Aufnahme eines dreidimensionalen Formgegenstands, mindestens einem Druckkopf zum Aufbringen von physikalisch oder chemisch verfestigbarem Material auf die Unterlage, einer Antriebseinrichtung zum Positionieren der Unterlage relativ zum Druckkopf, einer einen Datenspeicher zum Ablegen von Geometriedaten für den Formgegenstand aufweisenden Steuereinrichtung, die mit der Antriebseinrichtung und dem Druckkopf in Steuerverbindung steht, einem Reservoir zur Aufnahme des auf die Unterlage aufzubringenden Materials und einer Fixiereinrichtung zum Verfestigen des Materials.
-
Eine derartige Vorrichtung beziehungsweise ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
US 2004/0265413 A1 bekannt.
-
Bei der bekannten Vorrichtung sind zwei Druckkopfanordnungen in Druckkopfträgern angeordnet, welche an Schlitten befestigt sind, mittels welcher sie über eine kreisringförmige Unterlage radial zur Rotationsachse der Unterlage verschiebbar sind. Jede Druckkopfanordnung hat eine Vielzahl von matrixförmig in mehreren Reihen und Spalten angeordnete Druckköpfe. Dabei sind die Spalten der Matrix parallel zur Verschieberichtung der Schlitten angeordnet und die Reihen verlaufen schräg zu den Spalten und parallel zu der Ebene, in der sich die Unterlage erstreckt. Jeder Druckkopf hat jeweils eine Vielzahl von entlang der betreffenden Spalte der Matrix zueinander versetzte Düsen.
-
Mit Hilfe der Düsen werden auf Auftragungsstellen, die auf konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Kreislinien in Rotationsrichtung der Unterlage zueinander versetzt sind, flüssige Materialportionen des verfestigbaren Materials auf die Unterlage abgegeben, um die einzelnen Materialschichten zu bilden. Da der Weg entlang des inneren Umfangs des Kreisrings kleiner ist als der Weg entlang des äußeren Umfangs des Kreisring, ist die Dichte, des am inneren Umfang des Kreisrings aufgetragenen Materials höher, als die Dichte des am äußeren Umfang der Kreislinie aufgetragenen Materials.
-
Um dem zu begegnen, werden die Düsen der Druckkopfanordnungen so angesteuert, dass sie bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der kreisringförmigen Unterlage sowie konstanter Geschwindigkeit, mit der die Druckkopfanordnungen in radialer Richtung über die Unterlage bewegt werden, eine etwa trapezförmige Fläche besprühen, deren kürzere Grundseite dem inneren Umfang der Kreislinie zugewandt ist. Der Aufbau der bekannten Vorrichtung ist kompliziert und insbesondere wegen der verschiebbar angeordneten Druckkopfeinrichtungen störanfällig. Es können geometrische Verzerrungen und Inhomogenitäten im Druckbild auftreten. Insbesondere wird das Problem der unterschiedlichen Druckdichte entlang eines Radius nicht gelöst. Da sehr viele kleine Druckköpfe vorhanden sind, ist ein Stitching praktisch unmöglich. Darüber hinaus ist die Druckgeschwindigkeit wegen der für die Verschiebung der Druckkopfanordnungen benötigte Zeit relativ langsam.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass ein zuverlässiger Arbeitsablauf und bei hoher Homogenität des Druckbildes eine hohe Druckgeschwindigkeit sowie Qualität erreicht wird.
-
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese sehen vor, dass das physikalisch oder chemisch verfestigbare Material auf eine Trägerfolie aufgebracht wird, dass die Trägerfolie zusammen mit dem darauf befindlichen Material über quer zur Rotationsrichtung der Unterlage zueinander versetzte Auftragungsstellen der Unterlage und nachfolgend der verfestigten Schicht positioniert wird, dass ein Energiestrahl, für den die Trägerfolie durchlässig ist, in Abhängigkeit von den Geometriedaten nacheinander derart an mehreren Materialabgabestellen der Trägerfolie positioniert wird, dass das jeweils an der betreffenden Materialabgabestelle befindliche Material erhitzt und von der Materialabgabestelle auf eine dieser zugeordnete Auftragungsstelle der Unterlage und nachfolgend der verfestigten Schicht übertragen wird, und dass die Leistung des Energiestrahls derart eingestellt wird, dass an einer ersten Materialabgabestelle, die weiter von der Rotationsachse entfernt ist als eine zweite Materialabgabestelle, eine größere Menge Material auf die Unterlage oder die verfestigte Materialschicht aufgebracht wird als an der zweiten Materialabgabestelle.
-
Dadurch, dass die Leistung des Energiestrahls mit zunehmendem Abstand der Materialabgabestelle von der Rotationsachse vergrößert bzw. mit abnehmendem Abstand der Materialabgabestelle von der Rotationsachse reduziert wird, wird an Materialabgabestellen, die weit von der Rotationsachse entfernt angeordnet sind, eine größere Menge Material auf die Unterlage bzw. eine darauf befindliche Materialschicht aufgetragen als an Materialabgabestellen, die näher an der Rotationsachse angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann über die gesamte zu bedruckende Fläche der Unterlage bzw. mindestens einer zuvor darauf aufgebrachten verfestigten Materialschicht sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung eine homogene Materialabgabe und somit ein homogenes Druckbild erreicht werden.
-
Die Trägerfolie wird zusammen mit dem darauf befindlichen Material bevorzugt derart mit den Materialabgabestellen über den Auftragungsstellen positioniert, dass das auf die Trägerfolie als Schicht aufgebrachte Material in einem Vertikalabstand zu den Auftragungsstellen über diesen angeordnet sind.
-
Die Geometriedaten können in Form von Polarkoordinatenrasterpunkten bereitgestellt und insbesondere in einem Datenspeicher abgelegt sein. Die Polarkoordinatenrasterpunkte sind vorzugsweise auf gedachten Kreislinien angeordnet, die konzentrisch zur Rotationsachse verlaufen und in radialer Richtung einen vorbestimmten, vorzugsweise konstanten Kreislinienabstand zueinander haben. Ferner können die Polarkoordinatenrasterpunkte auf radial zur Rotationsachse verlaufenden, gedachten Strahlen angeordnet sein, die in einem Winkelraster in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse zueinander versetzt sind. Dabei kann die Anzahl der Polarkoordinatenrasterpunkte der Anzahl der Schnittpunkte zwischen den Kreislinien und den Strahlen entsprechen.
-
Insbesondere bei Unterlagen, bei denen das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des zu bedruckenden Bereichs der Unterlage und dem Innendurchmesser des zu bedruckenden Bereichs der Unterlage größer als zwei ist, ist es auch denkbar, dass in einem ersten, zur Rotationsachse konzentrischen Ringbereich der Unterlage auf jeder Kreislinie jeweils eine erste Anzahl von Polarkoordinatenrasterpunkten vorgesehen ist, während in einem zweiten, zur Rotationsachse konzentrischen Ringbereich, der innerhalb des ersten Ringbereichs liegt, eine zweite Anzahl von Polarkoordinatenrasterpunkten pro Kreislinie vorgesehen ist, die kleiner ist als die erste Anzahl. Dabei kann die erste Anzahl insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Anzahl sein. In entsprechender Weise können weitere Ringbereiche vorgesehen sein.
-
In dem Datenspeicher kann für jeden Polarkoordinatenrasterpunkt jeweils eine Information abgelegt sein, die angibt, ob an dem betreffenden Polarkoordinatenrasterpunkt Material beispielsweise in Form einer Materialportion auf die Unterlage bzw. eine zuvor darauf aufgetragene verfestigte Materialschicht aufgebracht werden soll oder nicht. Bei Bedarf ist es sogar möglich, für jeden Polarkoordinatenrasterpunkt einen Leistungswert in dem Datenspeicher abzulegen, und diesen zur Einstellung der Strahlleistung zu verwenden bzw. an die Stelleinrichtung zu übergeben, wenn der Energiestrahl an dem entsprechenden Polarkoordinatenrasterpunkt positioniert wird. Die Leistungswerte können auch zusätzlich zu der Information, die angibt, ob an dem betreffenden Polarkoordinatenrasterpunkt Material aufgebracht werden soll oder nicht, in dem Datenspeicher abgelegt sein. Dies kann für eine schnelle Ansteuerung der Stelleinrichtung zum Einstellen der Leistung des Energiestrahls vorteilhaft sein.
-
Bei Bedarf können die Polarkoordinatenrasterpunkte durch Transformation von Bilddaten, die als Bildpunkte oder als Vektoren in einem kartesischen Koordinatensystem vorliegen, erzeugt werden. Dabei sind die kartesischen Bilddaten bevorzugt in einem ersten Speicherbereich des Datenspeichers und die Polarkoordinatenrasterpunkte in einem zweiten Speicherbereich des Datenspeichers hinterlegt.
-
Im zweiten Speicherbereich können die Polarkoordinatenrasterpunkte als kartesische Rasterpunkte in Koordinaten des den Bilddaten zu Grunde liegenden kartesischen Koordinatensystems hinterlegt sein, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte auf Kreislinien angeordnet sind, die einen vorbestimmten Kreislinienabstand zueinander haben, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte im ersten Ringbereich auf ersten Strahlen angeordnet sind, die einen ersten Winkelabstand zueinander haben, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte im zweiten Ringbereich auf zweiten Strahlen angeordnet sind, die einen zweiten Winkelabstand zueinander haben, der größer ist als der erste Winkelabstand, wobei die kartesischen Rasterpunkte mit den Bildpunkten oder den Vektoren der Bilddaten verglichen werden, und wobei mittels des Energiestrahls nur an solchen Polarkoordinatenrasterpunkten Material auf die Unterlage aufgebracht wird, an denen der Vergleich eine Übereinstimmung ergibt. Unter einem Winkelabstand wird der Winkel verstanden, den zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarte bzw. aufeinanderfolgende Strahlen, auf denen Polarkoordinatenrasterpunkte auf der Kreislinie angeordnet sind, zwischen sich einschließen.
-
Es ist aber auch möglich, dass im zweiten Speicherbereich Polarkoordinatenrasterpunkte hinterlegt sind, die auf Kreislinien angeordnet sind, die einen vorbestimmten Kreislinienabstand zueinander haben, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte im ersten Ringbereich auf ersten Strahlen angeordnet sind, die einen ersten Winkelabstand zueinander haben, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte im zweiten Ringbereich auf zweiten Strahlen angeordnet sind, die einen zweiten Winkelabstand zueinander haben, der größer ist als der erste Winkelabstand, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte in Koordinaten des kartesischen Koordinatensystems transformiert werden, wobei die so erhaltenen kartesischen Rasterpunkte mit den Bildpunkten oder den Vektoren der Bilddaten verglichen werden, und wobei die Strahlungsquelle derart angesteuert wird, dass nur an solchen Polarkoordinatenrasterpunkten Material auf die Unterlage aufgebracht wird, an denen der Vergleich eine Übereinstimmung ergibt.
-
Die Polarkoordinatenrasterpunkte haben bevorzugt eine etwa kreisförmige Außenkontur, deren Lage beispielsweise durch die Koordinaten ihres Mittelpunkts definiert sein kann. Die Polarkoordinatenrasterpunkte können aber auch eine andere Form haben.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiestrahl ein Laserstrahl, insbesondere ein Infrarot-Laserstrahl. Zum Positionieren des Laserstrahls an den Materialabgabestellen der Trägerfolie kann dieser mittels mindestens einer verstellbaren Optik abgelenkt werden. Die Optik kann insbesondere einen Schwenkspiegel, einen Galvanometerspiegel, einen Polygonspiegel und/oder ein Prisma aufweisen. Dabei kann der den Laserstrahl erzeugende Laser ortsfest in Bezug zu einer die rotierende Unterlage tragenden Halterung angeordnet sein, wobei die Optik bevorzugt derart ausgestaltet ist, dass der Laserstrahl entlang der gesamten radialen Abmessung des zu bedruckenden Bereichs der Unterlage positioniert werden kann.
-
Der Energiestrahl kann aber auch ein Elektronen- oder Ionenstrahlsein. In diesem Fall kann der Energiestrahl mittels eines veränderlichen Magnetfelds vorzugsweise in einem evakuierten Raum abgelenkt werden, um ihn an den Materialabgabestellen der Trägerfolie zu positionieren und/oder ihn auf die Materialabgabestellen zu fokussieren. Auch bei dieser Ausgestaltung kann der den Energiestrahl erzeugende Generator (Elektronenstrahl- und/oder Ionenkanone) ortsfest in Bezug zu der die rotierende Unterlage tragenden Halterung angeordnet sein.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Energiestrahl auf der Trägerfolie relativ zur Rotationsachse entlang einer gedachten Bewegungslinie positioniert, die in der Fläche, in der sich das auf die Trägerfolie aufgebrachte Material erstreckt, radial zur Rotationsachse verläuft. Dies ermöglicht eine einfache Positionierung des Energiestrahls an den Materialabgabestellen der Trägerfolie.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden für den Formgegenstand Polarkoordinatenrasterpunkte bereitgestellt, an denen Material zum Bilden der Materialschicht auf die Unterlage aufgetragen werden soll, wobei die Polarkoordinatenrasterpunkte auf zur Rotationsachse konzentrischen, gedachten Kreislinien liegen, wobei sich die Bewegungslinie oder ein Abschnitt der Bewegungslinie über mehrere zueinander benachbarte Polarkoordinatenrasterpunkte erstreckt, und wobei der Energiestrahl unterbrechungsfrei entlang der Bewegungslinie oder des Abschnitts der Bewegungslinie bewegt wird. Der Energiestrahl wird also, wenn er entlang einer Reihe mit mehreren nebeneinander angeordneten Polarkoordinatenrasterpunkten positioniert wird, beim Erreichen des ersten Polarkoordinatenrasterpunkts der Reihe eingeschaltet und beim Erreichen des letzten Polarkoordinatenrasterpunkts der Reihe ausgeschaltet. Dazwischen wird er kontinuierlich weiterbetrieben, wobei die Leistung des Energiestrahls erhöht wird, wenn sich die Materialabgabestelle von der Rotationsachse weg bewegt und/oder wobei die Leistung des Energiestrahls reduziert wird, wenn sich die Materialabgabestelle auf die Rotationsachse zu bewegt.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Energiestrahl beim Positionieren entlang der Bewegungslinie derart gepulst, dass bei den einzelnen Impulsen voneinander getrennte Materialportionen von der Trägerfolie auf die Unterlage oder die verfestigte Materialschicht transferiert werden. Wenn entlang einer Reihe mit mehreren nebeneinander angeordneten Polarkoordinatenrasterpunkten Material auf die Unterlage bzw. eine darauf befindliche verfestigte Materialschicht aufgetragen wird, kann der Energiestrahl also auch diskontinuierlich betrieben werden, vorzugsweise derart, dass an jedem zu druckenden Polarkoordinatenrasterpunkt jeweils eine Materialportion abgegeben wird.
-
Bezüglich der Vorrichtung wird die vorstehend genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Diese sehen vor, dass der Druckkopf eine Trägerfolie und eine Beschichtungseinrichtung zum Beschichten der Trägerfolie mit dem in dem Reservoir befindlichen Material aufweist, dass der Druckkopf derart ausgestaltet ist, dass die Trägerfolie zusammen mit dem darauf befindlichen Material über quer zur Rotationsrichtung der Unterlage zueinander versetzte Auftragungsstellen der rotierenden Unterlage und nachfolgend der verfestigten Materialschicht positionierbar ist, dass der Druckkopf eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Energiestrahls aufweist, für den die Trägerfolie durchlässig ist, dass der Druckkopf eine Positioniereinrichtung für den Energiestrahl hat, mittels welcher dieser nacheinander an mehreren Materialabgabestellen der Trägerfolie positionierbar ist, dass das jeweils an der betreffenden an der Materialabgabestelle befindliche Material durch den Energiestrahl erhitzt und von der Materialabgabestelle auf eine dieser zugeordnete Auftragungsstelle der Unterlage und nachfolgend der verfestigten Schicht übertragen wird, dass die Strahlungsquelle eine Stelleinrichtung zum Einstellen der Leistung des Energiestrahls aufweist, und dass die Steuereinrichtung derart mit der Stelleinrichtung in Steuerverbindung steht, dass beim Positionieren des Energiestrahls an einer ersten Materialabgabestelle, die weiter von der Rotationsachse entfernt ist als eine zweite Materialabgabestelle, der Energiestrahl eine größere Leistung hat als beim Positionieren des Energiestrahls an der zweiten Materialabgabestelle. Ein solcher Druckkopf verhält sich ähnlich wie ein Druckkopf, der zum Auftragen des fließfähigen Materials eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Düsen aufweist.
-
Die Trägerfolie ist zusammen mit dem darauf befindlichen Material bevorzugt derart mit den Materialabgabestellen über den Auftragungsstellen positioniert, dass das auf die Trägerfolie als Schicht aufgebrachte Material in einem Vertikalabstand zu den Auftragungsstellen über diesen angeordnet ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die die Strahlungsquelle ein Laser, insbesondere ein Infrarot-Laser. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und kompakten Aufbau der Strahlungsquelle und der Positioniereinrichtung.
-
Vorteilhaft ist, wenn die Trägerfolie als Endlosband ausgestaltet ist, das über Ablenkelemente umlaufend geführt ist. Die Trägerfolie kann dann nach dem Übertragen des auf ihr befindlichen Materials auf die Unterlage bzw. die darauf aufgebrachte verfestigte Schicht erneut mit flüssigem Material aus dem Reservoir beschichtet und über der Unterlage positioniert werden.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt zum Teil stärker schematisiert:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen dreidimensionaler Formgegenstände, die einen Drehteller aufweist, auf den eine Anzahl von Materialschichten für die Formgegenstände aufgebracht sind,
- 2 eine Darstellung ähnlich 1, nachdem weitere Materialschichten aufgebracht wurden und der Drehteller gegenüber 1 abgesenkt wurde,
- 3 einen Querschnitt durch einen Lasertransfer-Druckkopf, der einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls aufweist, in dessen Strahlengang ein Polygonspiegel angeordnet ist,
- 4 eine perspektivische Darstellung des Lasertransfer-Druckkopfs, bei welcher der Strahlengang des Laserstrahls für unterschiedliche Positionen des Polygonspiegels durch dünne Linien markiert ist,
- 5 eine Aufsicht auf den Drehteller, nach dem mit dem Druckkopf eine Materialschicht zum Herstellen eines Formkörpers auf den Drehteller aufgetragen wurde, wobei auch ein Polarkoordinatenraster dargestellt ist, und
- 6 eine Darstellung ähnlich 5, wobei jedoch die Polarkoordinatenrasterpunkte des Polarkoordinatenrasters in einem inneren Ringbereich des Drehtellers einen größeren Winkelabstand zueinander haben als in einem äußeren Ringbereich.
-
Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Formgegenstände 2A, 2B, 2C, 2D mittels schichtweisem Materialauftrag weist eine ebene Unterlage 3 auf, die sich in einer Horizontalebene erstreckt. Auf der Unterlage 3 sind Schichtstapel 2A', 2B', 2C', 2D' für mehrere Formgegenstände 2A, 2B, 2C, 2D aufbringbar, die jeweils eine Vielzahl von Materialschichten aufweisen.
-
Die Unterlage 3 ist als kreisringförmiger Drehteller ausgestaltet, der um eine vertikale Rotationsachse 4 an einer ortsfesten Halterung 5 verdrehbar gelagert ist. Die Halterung 5 hat an ihrer Unterseite eine Standfläche, mittels der sie beispielsweise auf einer Tischplatte oder auf dem Boden eines Raums aufstellbar ist.
-
Die Unterlage 3 steht mit einer Antriebseinrichtung in Antriebsverbindung, die einen ersten Antriebsmotor 6 hat, mittels welchem die Unterlage 3 in Richtung des Pfeils 7 drehantreibbar und entsprechend einem von einer Steuereinrichtung 8 bereitgestellten Drehlagen-Sollwertsignal positionierbar ist. Der erste Antriebsmotor 6 ist zu diesem Zweck mit einem in die Steuereinrichtung 8 integrierten ersten Lageregler verbunden, der einen Encoder 9 zur Erfassung der Drehlage der Unterlage 3 aufweist. Der Encoder 9 kann als Impulsgeber ausgebildet sein. Mit Hilfe der Antriebseinrichtung kann die Unterlage 3 kontinuierlich, mit hoher Drehgeschwindigkeit und ohne anzuhalten über nahezu beliebige Winkel von mehr als 360° relativ zu der Halterung 5 um die Rotationsachse 4 gedreht werden. Die Steuereinrichtung 8 weist in an sich bekannter Weise einen Mikroprozessor 8' und einen Datenspeicher auf.
-
Die Antriebseinrichtung hat außerdem einen zweiten Antriebsmotor 10, mittels welchem die Unterlage 3 in Richtung des Doppelpfeils 11 relativ zu der Halterung 5 auf- und ab verschiebbar und entsprechend einem von der Steuereinrichtung 8 bereitgestellten Höhenlagen-Sollwertsignal positionierbar ist (1 und 2). Die Positionierung kann schrittweise oder kontinuierlich in Form einer sich nach unten drehenden Schraube erfolgen. Der zweite Antriebsmotor 10 ist zu diesem Zweck mit einem in die Steuereinrichtung 8 integrierten zweiten Lageregler verbunden, der einen Lagesensor 12 zur Erfassung der Höhenlage der Unterlage 3 aufweist.
-
Die Vorrichtung 1 hat zwei ortsfest an der Halterung 5 angeordnete Druckköpfe 13A, 13B, aus denen jeweils Materialportionen eines fließfähigen Materials 14, wie zum Beispiel eines Polymers, Klebers, Binders, etc. abgebbar sind. Die Materialportionen können Materialtröpfchen und/oder Materialstränge sein. Die Druckköpfe 13A, 13B können zum Auftragen unterschiedlicher Materialien auf die Unterlage 3 bzw. eine darauf befindliche verfestigte Materialschicht dienen. Die unterschiedlichen Materialien können beispielsweise zur Herstellung von Mehrkomponenten-Formgegenständen unterschiedliche Materialeigenschaften, wie Farbe, Härte und/oder Temperaturausdehnungskoeffizient haben.
-
Wie in 3 und 4 erkennbar ist, weist der Druckkopf 13A, 13B eine als Endlosband ausgestaltete Trägerfolie 15 auf, die über Ablenkelemente 16 umlaufend geführt ist. Die Ablenkelemente 16 sind als Walzen ausgestaltet, die um parallel zueinander verlaufende Drehachsen an einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Trägerteil drehbar gelagert sind. Mindestens eine der Walzen ist mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Walzenantriebs derart drehantreibbar, dass die Trägerfolie 15 in Richtung der Pfeile 17 über die Ablenkelemente 16 umläuft. Die Ablenkelemente 16 sind so angeordnet, dass ein Abschnitt 18 der Trägerfolie 15 parallel zu der Ebene verläuft, in der sich die Unterlage 3 erstreckt. Dieser Abschnitt ist mit seiner Längsachse radial zur Rotationsachse 4 angeordnet. Wenn die Trägerfolie 15 über die Ablenkelemente 16 umläuft, bewegt sich dieser Abschnitt 18 normal zu einer Ebene, die von der Rotationsachse 4 und einer radial dazu verlaufenden Gerade aufgespannten wird.
-
Wie in 3 weiter erkennbar ist, weist der Druckkopf 13A, 13B außerdem eine Beschichtungseinrichtung 19 zum Beschichten der Trägerfolie 15 mit dem fließfähigen Material 14 auf. Die Beschichtungseinrichtung 19 hat ein wannenförmiges Reservoir 20, welches mit dem fließfähigen Material 14 befüllt ist. Die Beschichtungseinrichtung 19 weist außerdem eine Transferwalze 21 auf, die synchron zu der Umlaufbewegung der Trägerfolie 15 um eine parallel zu den Drehachsen der Ablenkelemente 16 angeordnete, horizontale Achse rotiert. Die Transferwalze 21 taucht mit einem unteren Teilbereich ihrer Mantelfläche in das in dem Reservoir 20 befindliche fließfähige Material 14 ein und läuft mit einem von der Eintauchstelle beabstandeten Abschnitt ihrer Mantelfläche derart dicht an der Trägerfolie 15 vorbei, dass an der Mantelfläche der Transferwalze 21 anhaftendes fließfähiges Material 14 flächig auf die Trägerfolie 15 übertragen wird. Dadurch wird die im Abschnitt 18 der Unterlage 3 zugewandte Außenfläche bzw. Unterseite der Trägerfolie 15 mit einer definierten Schichtdicke mit dem fließfähigen Material 14 beschichtet.
-
Jeder Druckkopf 13A, 13B hat einen Laser 22 zum Erzeugen eines Laserstrahls 23. Die Absorptionscharakteristik der Trägerfolie 15 ist derart auf die Wellenlänge des Laserstrahls 23 abgestimmt, dass die Trägerfolie 15 für den Laserstrahl 23 durchlässig ist. Mittels einer Positioniereinrichtung kann der Lasterstrahl 23 an einer Vielzahl von Materialabgabestellen 24A, 24B, die entlang einer radial zur Rotationsachse 4 der Unterlage 3 verlaufenden, gedachten Bewegungslinie 25 nebeneinander angeordnet sind, auf die an der Unterseite des Abschnitts 18 der Trägerfolie 15 anhaftende flüssige Materialschicht projiziert werden. In 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei Materialabgabestellen 24A, 24B mit Bezugszeichen versehen.
-
Der Druckkopf 13A, 13B weist zu diesem Zweck eine Positioniereinrichtung für den Laserstrahl 23 auf, die einen in dessen Strahlengang drehbar angeordneten Polygonspiegel 26 hat, an dem der Laserstrahl 23 derart ablenkbar ist, dass er nacheinander an den einzelnen Materialabgabestellen 24A, 24B positionierbar ist. In 3 ist erkennbar, dass der Polygonspiegel 26 zwischen dem Laser 22 und der Unterlage 3 im Strahlengang des Laserstrahls 23 angeordnet ist. Nachdem der Laserstrahl 23 am Polygonspiegel 26 abgelenkt wurde, durchdringt er zunächst den Abschnitt 18 der Trägerfolie 15 und trifft dann auf das an der Unterseite dieses Abschnitts 18 anhaftende flüssige Material 14. Dabei erhitzt sich das Material schlagartig, wodurch Materialportionen von den Materialabgabestellen 24A, 24B der Trägerfolie 15 an darunter befindliche, den Materialabgabestellen 24A, 24B zugewandte Auftragungsstellen 27 der Unterlage 3 bzw. einer zuvor darauf aufgetragenen Teilbereich des herzustellenden Formgegenstands 2A, 2B abgegeben werden.
-
Der Laser 22 weist eine Stelleinrichtung 28 zum Einstellen der Leistung des Laserstrahls 23 auf. Die Steuereinrichtung 8 steht derart mit der Stelleinrichtung 28 in Steuerverbindung, dass beim Positionieren des Laserstrahls 23 an einer ersten Materialabgabestelle 24A, die weiter von der Rotationsachse 4 entfernt ist als eine zweite Materialabgabestelle 24B, der Laserstrahl 23 eine größere Leistung hat als beim Positionieren des Laserstrahls 23 an der zweiten Materialabgabestelle 24B, wenn sowohl an der ersten Materialabgabestelle 24A als auch an der zweiten Materialabgabestelle 24B Material auf eine jeweils darunter befindliche, der betreffenden Materialabgabestelle 24A, 24B zugeordnete Auftragungsstelle 27 der Unterlage 3 bzw. einer zuvor darauf aufgetragenen verfestigten Materialschicht aufgetragen werden soll.
-
Durch die höhere Strahlleistung des Laserstrahls 23 wird an der zweiten Materialabgabestelle 24B der Trägerfolie 15 mehr flüssiges Material auf die Unterlage 3 bzw. eine zuvor darauf aufgetragene verfestigte Materialschicht aufgebracht als an der Materialabgabestelle 24A. Die Laserstrahlleistung wird an den einzelnen Materialabgabestellen 24A, 24B in Abhängigkeit von deren Abstand zur Rotationsachse 4 derart eingestellt, dass bei einer vollflächig aufgetragenen Materialschicht eine gleichmäßige und homogene Materialverteilung erreicht wird.
-
Während des Druckvorgangs wird der Laserstrahl 23 mit Hilfe des Polygonspiegels 26 radial zur Rotationsachse 4 auf dem der Unterlage 3 zugewandten Abschnitt 18 der Trägerfolie 15 hin- und her bewegt, während gleichzeitig die Unterlage 3 um die Rotationsachse 4 gedreht wird. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl 23 auf dem Abschnitt 18 der Trägerfolie 15 in radialer Richtung abgelenkt wird ist wesentlich größer als die Geschwindigkeit, mit der sich die senkrecht unter der Materialabgabestelle 24A, 24B befindliche Stelle der Unterlage 3 in Rotationsrichtung bewegt. Bei einer 360°-Drehung der Unterlage 3 um die Rotationsachse 4 führt der Laserstrahl 23 eine Vielzahl von radialen Hin- und Herbewegungen aus.
-
Die Ansteuerung der Druckköpfe 13A, 13B und der Antriebseinrichtung der Unterlage 3 erfolgt gemäß vorgegebener Geometriedaten, die in Form von Polarkoordinatenrasterpunkten 29 in einem Datenspeicher abgelegt sind. Wie in 5 erkennbar ist, sind die pro zu druckender Materialschicht 2E' möglichen Polarkoordinatenrasterpunkte 29 auf gedachten Kreislinien 30 angeordnet, die konzentrisch zur Rotationsachse 4 der Unterlage 3 verlaufen und in radialer Richtung einen vorbestimmten, konstanten Kreislinienabstand zueinander haben. Ferner sind die Polarkoordinatenrasterpunkte 29 auf radial zur Rotationsachse 4 verlaufenden, gedachten Strahlen 31 angeordnet, die in einem Winkelraster in Umfangsrichtung bezüglich der Rotationsachse 4 zueinander versetzt sind. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit im Druckbereich der Vorrichtung 1 insgesamt nur 7 Kreislinien und nur 60 Strahlen vorgesehen, was insgesamt 420 Polarkoordinatenrasterpunkte 29 ergibt. In der Praxis kann die Vorrichtung pro zu druckender Schicht jedoch eine wesentlich höhere Anzahl von Polarkoordinatenrasterpunkten 29 aufweisen, beispielsweise mehrere Millionen.
-
In dem Datenspeicher ist für jeden Polarkoordinatenrasterpunkt einer zu druckenden Materialschicht 2E' jeweils eine Information abgelegt, die angibt, ob an dem betreffenden Polarkoordinatenrasterpunkt 29 Material auf die Unterlage 3 bzw. eine zuvor darauf aufgetragene verfestigte Materialschicht aufgebracht werden soll oder nicht. Die Steuerung des Lasers 22 erfolgt in Abhängigkeit von den im Datenspeicher abgelegten Geometriedaten über die Steuereinrichtung 8.
-
Wenn der Strahlengang des Lasers 22 durch eine Stelle der Trägerfolie 15 verläuft, an der Material auf die Unterlage 3 bzw. eine darauf befindliche verfestigte Materialschicht aufgetragen werden soll, ist der Laserstrahl 23 eingeschaltet. Wenn der Strahlengang des Lasers 22 durch eine Stelle der Trägerfolie 15 verläuft, an der kein Materialauftrag stattfinden soll, ist der Laserstrahl 23 ausgeschaltet. Entsprechende Ein- und Ausschaltbefehle für den Laserstrahl 23 werden über einen ersten Kanal von der Steuereinrichtung 8 an den Laser 22 übermittelt.
-
Wenn auf der Bewegungslinie 15, entlang welcher der Strahlengang des Lasers 22 den der Unterlage 3 zugewandten Abschnitt 18 der Trägerfolie 15 schneidet, eine Punktereihe mit mehreren im Polarkoordinatenraster nebeneinander angeordneten Polarkoordinatenrasterpunkten 29 gedruckt werden soll, bleibt der Laserstrahl 23 entlang dieser Punktereihe unterbrechungsfrei eingeschaltet. D.h. der Laserstrahl 23 wird am Anfang der Punktereihe eingeschaltet und bleibt dann bis zum Erreichen des Endes der Punktereihe eingeschaltet.
-
Die einzustellende Sollleistung des Laserstrahls 23 wird mittels der Steuereinrichtung 8 in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Rotationsachse 4 der Unterlage 3 und der Stelle der Trägerfolie 15, auf die der Strahlengang des Lasers 22 jeweils positioniert ist, bestimmt und über einen zweiten Kanal an die Stelleinrichtung 28 des Lasers 22 übermittelt. Wenn eine in radialer Richtung verlaufende Punktereihe mit mehreren im Polarkoordinatenraster nebeneinander angeordneten Polarkoordinatenrasterpunkten 29 gedruckt wird, wird eine sich über diese Polarkoordinatenrasterpunkten 29 unterbrechungsfrei erstreckende Materialspur aufgebracht. Wie in 5 erkennbar ist, nimmt die Breite dieser Materialspur, ausgehend von der von der Rotationsachse 4 am weitesten entfernten Stelle der Materialspur zu der am nächsten zu der Rotationsachse 4 angeordneten Stelle der Materialspur ab.
-
Zum Bereitstellen der Informationen, welcher Polarkoordinatenrasterpunkt 29 gedruckt werden soll und welcher nicht, werden mittels der Steuereinrichtung 8 Bilddaten, die als Vektoren 34 in einem kartesischen Koordinatensystem vorliegen, in das durch die Polarkoordinatenrasterpunkte 29 gebildete Polarkoordinatenraster transformiert. Dabei sind die kartesischen Bilddaten in einem ersten Speicherbereich 32 des Datenspeichers und die zu druckenden Polarkoordinatenrasterpunkte in einem zweiten Speicherbereich 33 des Datenspeichers hinterlegt.
-
Die transformierten Vektoren der Bilddaten werden mit den Polarkoordinatenrasterpunkten 29 verglichen und mittels des Energiestrahls wird nur an solchen Polarkoordinatenrasterpunkten Material auf die Unterlage aufgebracht, an denen der Vergleich eine Übereinstimmung ergibt.
-
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Polarkoordinatenrasterpunkte 29 in einem inneren Ringbereich der Unterlage 3 in Umfangsrichtung einen größeren Winkelabstand zueinander als in einem äußeren Ringbereich. Im inneren Ringbereich sich die Polarkoordinatenrasterpunkte 29 auf ersten Strahlen 31 angeordnet, die jeweils um einen ersten Winkel zueinander versetzt sind. Im äußeren Ringbereich sich die Polarkoordinatenrasterpunkte 29 auf zweiten Strahlen 31' angeordnet, die jeweils um einen zweiten Winkel zueinander versetzt sind, der halb so groß ist wie der erste Winkel. Durch diese Maßnahme wird insbesondere bei Formgegenständen, die in radialer Richtung vergleichsweise große Abmessungen aufweisen, eine gleichmäßigere Druckauflösung ermöglicht. Der Abstand der Kreislinien 30 ist in beiden Ringbereichen der gleiche.
-
In beiden Ringbereichen wird die Leistung des Laserstrahls 23 jeweils derart eingestellt, dass sie mit zunehmendem Abstand der Materialabgabestelle 23A, 23B von der Rotationsachse 4 zunimmt bzw. mit abnehmendem Abstand der Materialabgabestelle 23A, 23B von der Rotationsachse 4 abnimmt.
-
Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Fixiereinrichtung 35 auf, die zum Verfestigen bzw. zum Vernetzen einer auf die Unterlage 3 bzw. einer auf eine darauf befindliche, bereits verfestigte Materialschicht 2E' eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte, geeignete elektromagnetische Lichtquelle (zum Beispiel eine UV-Lichtquelle), die mit ihrer Abstrahlseite der Unterlage 3 zugewandt ist. Die Fixiereinrichtung kann das Material aber auch auf eine andere geeignete Weise physikalisch oder chemische verfestigen. Die Fixiereinrichtung 17 ist ortsfest in Bezug zu der Halterung 3 angeordnet und mit ihrer Längserstreckung etwa radial zur Drehachse 4 ausgerichtet (1 und 2).
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2004/0265413 A1 [0003]
