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Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren.
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Es existieren heutzutage verschiedene Verfahren, mittels derer basierend auf Konstruktionsdaten dreidimensionale Modelle aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulvern oder Flüssigkeiten hergestellt werden können. Diese Verfahren sind auch unter dem Sammelbegriff "Rapid Prototyping" bekannt. Oftmals findet hierbei ein Urformungsschritt statt, bei dem das Ausgangsmaterial entweder von vornherein flüssig vorliegt oder zwischenzeitig verflüssigt wird und an vorgesehener Stelle aushärtet. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das sogenannte Schmelzbeschichten (fused deposition modeling, FDM), bei dem ein Werkstück schichtweise aus thermoplastischen Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff wird z.B. pulverförmig oder strangförmig zugeführt, aufgeschmolzen und in geschmolzener Form von einem Druckkopf appliziert, der nacheinander einzelne, in der Regel waagerechte Schichten des herzustellenden Objekts abtastet.
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Ein anderes Verfahren ist die sogenannte Stereolithographie, bei der das Rohmaterial eine Flüssigkeit ist, die durch Strahlungseinwirkung härtbar ist. Beispielsweise kann es sich um ein UV-härtbares Harz handeln. Es kommen derzeit im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahrenstypen zum Einsatz, bei denen jeweils nacheinander horizontal verlaufende Schichten eines Objekts aufgebaut werden. Bei einer Verfahrensvariante ist aushärtende Strahlung auf die Oberfläche der Flüssigkeit, die sich in einem Tank befindet, gerichtet. Dabei wird eine innerhalb des Tanks vertikal verfahrbare Plattform zunächst unmittelbar unterhalb der Oberfläche positioniert. Anschließend wird eine Schicht direkt auf der Plattform ausgehärtet und die Plattform um eine Schichtdicke nach unten verfahren. Flüssigkeit strömt nun nach bzw. wird mit einem Wischer über das Objekt gezogen und bedeckt die ausgehärtete Schicht, so dass eine weitere Schicht ausgehärtet werden kann. Durch schrittweises Aushärten und Verfahren der Plattform wird das Objekt aus einer Abfolge von horizontal verlaufenden Schichten zusammengesetzt. Bei einer anderen Variante wirkt die aushärtende Strahlung von unten durch einen strahlungsdurchlässigen Boden des Tanks ein, so dass jeweils eine Schicht unmittelbar am Boden ausgehärtet werden kann. Das zu fertigende Objekt haftet an der Unterseite einer vertikal verfahrbaren Plattform an, die nach der Aushärtung jeder Schicht um eine Schichtdicke nach oben verfahren wird. Da die jeweils gefertigte Schicht allerdings auch am Boden des Tanks anhaftet, muss sie durch eine Rüttelwegung oder dergleichen abgelöst werden, was eine unerwünschte mechanische Belastung des Bauteils darstellt.
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Derzeit verfügbare Stereolithographie-Verfahren eignen sich nicht für die kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Serienfertigung von Bauteilen. Das Entfernen des fertigen Bauteils von der Ober- bzw. Unterseite der Plattform ist relativ zeitaufwendig und bedeutet eine Unterbrechung des Fertigungsverfahrens.
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Die
US 2015/0290881 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Modelle, bei der ein Druckkopf innerhalb einer schräg stehenden Ebene zweidimensional bewegbar ist. Mittels des Druckkopfes kann ein pulverförmiges Material, mit dem die Vorrichtung beschickt wird, lokal geschmolzen werden, wodurch ein Modell nach und nach durch Schichten innerhalb der genannten Ebene aufgebaut werden kann. Durch ein Förderband wird das Modell während des Aufbauprozesses waagerecht weiterbewegt.
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Die
CN 103231513 A offenbart einen 3D-Drucker, bei dem ein Druckkopf dreidimensional über einer feststehenden Plattform bewegbar ist, auf der ein Objekt gefertigt werden soll. Der Druckkopf ist über eine Zuleitung mit einem Vorratsbehälter für ein UV-härtbares Harz verbunden, das über eine Düse des Druckkopfes abgegeben werden kann. Weiterhin verfügt der Druckkopf über eine UV-Lichtquelle, mittels der das abgegebene Harz ausgehärtet wird.
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Die
CN 104325643 A offenbart ein Fertigungsverfahren, bei dem innerhalb eines Tanks ein flüssiges, UV-härtbares Harz aufgenommen ist. Mittels einer an einem dreidimensional bewegbaren Arm montierten UV-Strahlungsquelle kann eine oberste Schicht des Harzes ausgehärtet werden. Seitlich des Tanks ist eine Einspritzvorrichtung angeordnet, die eine Flüssigkeit in den Tank einleiten kann, deren Dichte größer ist als die des flüssigen Harzes, so dass letzteres auf der Flüssigkeit aufschwimmt. Im Verlauf des Fertigungsprozesses werden nach und nach horizontal verlaufende Schichten eines zu fertigenden Objekts ausgehärtet, während die Oberfläche des flüssigen Harzes sukzessive durch Zugabe von Flüssigkeit angehoben wird.
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In der
CN 104626571 A ist ein 3D-Drucker beschrieben, bei dem auf einem Basisteil eine vertikal verstellbare Plattform angeordnet ist, auf der ein Objekt gefertigt werden kann. Ein strangförmig zugeführtes thermoplastisches Material wird in einem Druckkopf verflüssigt, der Teil einer horizontal bewegbaren Einheit ist, die über der Plattform positioniert werden kann.
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Die
WO 2014/165265 A1 offenbart ein Lithographieverfahren, bei dem ein zu fertigendes Objekt von oben nach unten aufgebaut wird. Hierbei erfolgt der Schichtaufbau allerdings nicht innerhalb einer Ebene, sondern spiralförmig, indem eine oder mehrere Abgabeeinheiten für ein strahlungshärtbares Harz relativ zu einer Aufbauplattform rotieren, an der das zu fertigende Objekt gehalten ist. Im Verlaufe des Fertigungsprozesses bewegt sich die Aufbauplattform zeitgleich zu der genannten Rotation vertikal aufwärts.
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Die
US 2015/0266235 A1 offenbart ein additives Fertigungsverfahren, das auf Schmelzbeschichtung beruht. Mittels einer Düse werden nach und nach Stränge eines thermoplastischen Materials aufgebracht. Um einerseits einen besseren Zusammenhalt verschiedener Stränge zu erreichen und andererseits beliebige Oberflächenformen exakter nachbilden zu können, ist vorgesehen, dass das Aufbringen der Stränge nicht ausschließlich in parallelen, waagerechten Ebenen erfolgt, sondern innerhalb beliebig geneigter oder auch gekrümmter Flächen.
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Aus der
DE 10 2012 021 284 A1 ist eine Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von Bauteilen mittels Photopolymerisation bekannt. In einem Behältnis für flüssiges Bauteilmaterial ist eine Walze drehbar gelagert, deren Mantelfläche eine Unterlage für einen Aufbau von Bauteilen bildet. Dabei weist das Behältnis transparente Seiten auf, die einen Abstand zu der Mantelfläche aufweisen, der sich ausgehend von einem minimalen Anfangswert auf einer Seite des Behältnisses in Umfangsrichtung der Walze vergrößert. Mehrere Belichtungseinheiten bilden mehrere Belichtungsstationen entlang der Umfangsrichtung der Walze, an denen sie die elektromagnetische Strahlung durch die transparenten Seiten in das flüssige Bauteilmaterial richten.
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Die
DE 10 2010 020 158 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter organischer Vernetzung. Die Vorrichtung weist eine Laserquelle, eine Fokussieroptik zur Ausbildung eines oder mehrerer Laserfoki und einen Materialbehälter für das zu verfestigende Material auf, wobei der Materialbehälter wenigstens teilweise aus einem für die verwendete Laserstrahlung durchlässigen Material besteht und so im Strahlengang anordenbar ist, dass die Laserstrahlung durch den Materialbehälter in das zu verfestigende Material einbringbar ist, wobei der Materialbehälter als optisch definierte Grenzfläche wirkt. In dem Materialbehälter ist eine gegenüber diesem positionierbare Trägereinheit angeordnet. Bevorzugt entspricht die Grenzfläche dem Boden des Materialbehälters.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Effizienz additiver Fertigungsverfahren noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes additives Fertigungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches schnell und kontinuierlich arbeitet, so dass es auch für eine Serienfertigung geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein additives Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein additives Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt. Das Verfahren kann dem Bereich des Rapid Prototyping zugeordnet werden. Wie allerdings noch deutlich werden wird, ist es nicht nur zur Fertigung von Prototypen bzw. einzelnen Modellen geeignet, sondern ggf. auch zur Serienfertigung.
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Bei dem Verfahren wird ein Tank verwendet, der eine strahlungshärtbare Flüssigkeit enthält und wenigstens eine strahlungsdurchlässige Seitenwand aufweist. "Strahlungshärtbar" bedeutet hierbei, dass die Flüssigkeit durch Einwirkung wenigstens einer bestimmten Art von Strahlung in einen festen Zustand übergeht, beispielsweise durch Polymerisation. Insbesondere kann es sich um eine durch UV-Strahlung härtbare (oder kurz: UV-härtbare) Flüssigkeit handeln, z.B. ein Harz, das in Form von Monomeren oder Oligomeren als Flüssigkeit vorliegt und unter UV-Strahlung polymerisiert.
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Der Tank kann auch als Behälter oder Becken bezeichnet werden und kann je nach Anforderungen des Verfahrens unterschiedlich geformt und dimensioniert sein. Der Tank kann nach oben offen oder geschlossen sein. Wenigstens eine Seitenwand des Tanks ist strahlungsdurchlässig, was sich selbstverständlich auf diejenige Strahlung bezieht, durch die die Flüssigkeit härtbar ist. Es versteht sich, dass immer ein gewisser Teil der Strahlung reflektiert und/oder absorbiert wird, weshalb die Durchlässigkeit normalerweise nicht hundertprozentig ist. Typischerweise wird wenigstens 50 % oder wenigstens 80 % der Strahlung durchgelassen wobei auch geringere Anteile denkbar wären, wodurch das Verfahren allerdings unökonomisch wird. Im Falle von UV-Strahlung kann die Seitenwand bspw. aus einem Glas bestehen, das keine nennenswerte UV-Absorption zeigt. Die Seitenwand bildet hierbei einen Teil des Tanks, der bezogen auf das durch die Schwerkraft vorgegebene Bezugssystem seitlich angeordnet ist. Die Seitenwand gehört also weder zum Boden noch zu einem Deckel des Tanks. Anders ausgedrückt, die Seitenwand erstreckt sich aufwärts bzw. abwärts, allerdings nicht notwendigerweise senkrecht. Die Seitenwand muss hierbei nicht als Ganzes strahlungsdurchlässig sein, sondern es kann bspw. innerhalb einer senkrechten Wand ein strahlungsdurchlässiges Fenster ausgebildet sein. Dabei nimmt die Seitenwand einen Winkel von höchstens 30° zur Vertikalen ein, wobei die Vertikale oder Senkrechte durch die Wirkungsrichtung der Schwerkraft definiert ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirkt eine Strahlung durch die Seitenwand hindurch ein, wodurch Flüssigkeit nahe der Seitenwand wenigstens bereichsweise ausgehärtet wird. Eine geeignete Strahlungsquelle ist also außerhalb des Tanks angeordnet und erzeugt die entsprechende Strahlung, die die Seitenwand durchdringt und auf die im Tank befindliche Flüssigkeit einwirkt. Genauer gesagt wird ein gewisser Teil der Flüssigkeit nahe der Seitenwand (also an deren Innenseite) durch die einwirkende Strahlung ausgehärtet. Hier und im Folgenden ist der Begriff "Härten" ebenso wie "Aushärten" weit auszulegen und bedeutet nicht, dass bspw. eine Polymerisation oder ein anderer der Härtung zu Grunde liegender Vorgang vollständig abgeschlossen sein muss. Im Sinne eines zielgerichteten Fertigungsverfahrens wirkt die Strahlung hierbei normalerweise entsprechend einem bestimmten Muster ein. Man könnte auch sagen, dass eine vorbestimmte Fläche bestrahlt wird. Hierbei ist es möglich, dass bspw. ein Abtasten der Fläche durch einen eng fokussieren Strahl erfolgt oder aber dass auf einmal ein bestimmtes Strahlungsmuster projiziert wird. Es versteht sich, dass die Strahlungsquelle und somit das räumliche bzw. zeitliche Strahlungsmuster entsprechend vorgegebener Daten eines herzustellenden Objekts gesteuert werden können. Die bestrahlte Fläche entspricht hierbei einem (u. U. nicht-ebenen) Querschnitt des Objekts.
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Weiterhin wird bei dem Verfahren ein durch Aushärtung gebildetes Objekt entlang einer Transportrichtung seitwärts von der Seitenwand fort transportiert, wodurch Flüssigkeit in einen Zwischenraum zwischen dem Objekt und der Seitenwand strömt. Durch die oben beschriebene Aushärtung entsteht im Bereich der Seitenwand ein flächiger (oder ggf. linien- oder punktförmiger) Bereich ausgehärteten Materials, der einem herzustellenden Objekt zugehörig ist. Durch die genannte Transportbewegung wird das Objekt einschließlich dieses gehärteten Bereichs von der Seitenwand entfernt, man könnte auch sagen, das gehärtete Material wird von der Seitenwand getrennt. Hierdurch entsteht ein Zwischenraum, in den nicht-gehärtete Flüssigkeit einströmt. Diese Strömungsbewegung beruht teilweise auf der Schwerkraft, teilweise auf einem Unterdruck, der beim Ablösen zwischen dem Objekt und der Seitenwand entsteht. Die einströmende Flüssigkeit kann wiederum durch Strahlung gehärtet werden, wodurch ein sukzessiver Aufbau des Objekts erfolgt. Der Transport des Objekts erfolgt entlang der Transportrichtung, die im Rahmen des Verfahrens unterschiedlich gewählt sein kann, wobei sie allerdings eine Bewegung seitwärts (also quer zur Richtung der Schwerkraft) beinhaltet. Dies schließt nicht aus, dass die Transportrichtung auch eine vertikale Komponente (aufwärts bzw. abwärts) hat. Das Transportieren kann durch wenigstens eine Transportvorrichtung oder Fördervorrichtung erfolgen, die wenigstens teilweise innerhalb des Tanks angeordnet ist.
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Allerdings erfolgt der Transport wenigstens überwiegend horizontal. So nimmt die Transportrichtung einen Winkel von höchstens 30° zur Horizontalen ein. Die Horizontale bzw. Waagerechte ist hierbei die Ebene, die senkrecht zur Wirkungsrichtung der Schwerkraft verläuft. Der genannte Winkel kann insbesondere höchstens 20° oder höchstens 10° betragen. Insbesondere kann die Transportrichtung in der Horizontalen liegen. Ein derartiger, wenigstens überwiegend horizontaler Transport hat verschiedene Vorteile. Zum einen ist es auch mit einer einfach ausgestalteten Transportvorrichtung, bspw. einer Art Förderband, möglich, dass Objekt ohne aufwändige Abstützung zu transportieren, da es einfach auf einer (annähernd) horizontalen Oberfläche der Transportvorrichtung stehen kann. Normalerweise kommt es durch die Schwerkraft zu keinen nennenswerten Kippmomenten oder Kräften, die zu einer Verschiebung des Objekts auf der Transportvorrichtung führen können. Auch ist zu beachten, dass sich der Abstand eines obersten Punktes des Objekts von der Oberfläche der Flüssigkeit im Tank nicht bzw. nur geringfügig ändert. D.h. dass das Objekt im Zuge der Fertigung sowie ggf. auch beim Weitertransport nach Fertigstellung ganz oder überwiegend innerhalb der Flüssigkeit verbleibt und somit durch die Auftriebskraft weiter stabilisiert wird. Unter Umständen kann die Dichte des ausgehärteten Materials etwas größer sein als diejenige der Flüssigkeit, allerdings wird die Gewichtskraft des Objekts durch den Auftrieb wenigstens teilweise oder überwiegend kompensiert. Auch dies trägt zur Stabilisierung bei, wodurch im Allgemeinen auf aufwändige Stützvorrichtungen verzichtet werden kann.
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Insgesamt kann man davon sprechen, dass bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren kein Aufbau waagerechter Schichten von oben nach unten oder von unten nach oben erfolgt, sondern dass der Aufbau des Objekts seitlich erfolgt. Dadurch, dass das Objekt seitwärts abtransportiert wird, wird der eigentliche Fertigungsbereich nahe der Seitenwand direkt wieder freigegeben und es kann mit der Fertigung eines neuen Objekts begonnen werden. Durch die wenigstens teilweise seitliche Bewegung verbleibt das Objekt während seiner gesamten Fertigung ganz oder zumindest teilweise innerhalb der Flüssigkeit, wobei deren Auftriebskraft dazu führt, dass das Objekt leichter stabilisiert werden kann. Gegenüber einem Aufbau von unten nach oben, bei dem eine Plattform sukzessive abgesenkt wird, während schichtweise eine Aushärtung an der Oberfläche der Flüssigkeit erfolgt, ist ein klarer Vorteil, dass das Nachströmen von Flüssigkeit in den Bereich der Seitenwand vergleichsweise schnell und ohne weiteres Zutun erfolgt.
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Bevorzugt wird das Objekt kontinuierlich transportiert, während die Strahlung einwirkt. D.h. im Unterschied zu bekannten Stereolithographieverfahren, bei denen eine Schicht des Objekts aufgebaut wird, während sich dieses in Ruhe befindet und anschließend ein Absenken bzw. Anheben erfolgt, während die Strahlungsquelle abgeschaltet ist, erfolgen bei dieser Ausgestaltung das Aushärten durch Strahlung und das Transportieren des Objekts zeitlich parallel zueinander. Das Objekt kann hierbei mittels wenigstens eines Stetigförderers transportiert werden, der mit konstanter Geschwindigkeit betrieben werden kann. Einerseits kann die Bildung des Objekts ggf. deutlich schneller erfolgen als bei einem diskontinuierlichen, horizontalen schichtweisen Aufbau, andererseits muss steuerungstechnisch nur für eine hinreichend gleichmäßige Bewegung des Objekts und eine zeitliche Abstimmung des Strahlungsmusters gesorgt werden. Hingegen entfällt die Notwendigkeit, ein Anhalten des Objekts räumlich und zeitlich mit der Erzeugung des jeweiligen Strahlungsmusters abzustimmen. Ein positiver Aspekt bei dieser Verfahrensvariante ist auch, dass beim fertigen Objekt in der Regel keinerlei diskontinuierlichen Übergänge zwischen einzelnen Schichten erkennbar sind, sondern sich vielmehr eine glatte Außenkontur gibt.
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Insbesondere, aber nicht ausschließlich ist es bei der o.g. kontinuierlichen Ausgestaltung des Verfahrens vorteilhaft, wenn durch eine Struktur der Seitenwand ein Anhaften des Objekts verhindert wird. D.h. die Seitenwand ist insgesamt oder beispielsweise auch nur an der Innenseite derart strukturiert, dass das Objekt im Zuge der Aushärtung nicht anhaften kann. Beispielsweise kann die Seitenwand sauerstoffdurchlässig ausgebildet sein, wodurch bei bestimmten UV-härtbaren Harzen die Polymerisation unterbunden wird. In diesem Fall kommt es also in einem kleinen Bereich unmittelbar angrenzend an die Seitenwand zu keiner Aushärtung, womit ein Anhaften unterbunden wird. Unabhängig davon, wie das Anhaften verhindert wird, wird hiermit natürlich der kontinuierliche Ablauf des Verfahrens unterstützt. Es ist dann unnötig, durch größeren Kraftaufwand oder gar eine Rüttelbewegung das Objekt von der Seitenwand zu lösen. Somit kommt es auch zu keiner mechanischen Belastung, die das Objekt verformen oder anderweitig beschädigen könnte.
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Wie bereits oben angesprochen, kann die Seitenwand unterschiedlich geformt sein, bspw. gebogen oder abgewinkelt. In diesen Fällen muss selbstverständlich das erzeugte Strahlungsmuster entsprechend einer Koordinatentransformation an die Form der Seitenwand angepasst werden, da hier der jeweils ausgehärtete Bereich der Flüssigkeit keiner ebenen Querschnittsfläche des Objekts entspricht (sondern einer gebogenen, abgewinkelten oder dergleichen). Insgesamt ist es allerdings bevorzugt, dass die Seitenwand eben ausgebildet ist. Diese Aussage bezieht sich selbstverständlich streng genommen nur auf den Teil der Seitenwand, der maximal von der Strahlung erfasst werden kann. Falls es strahlungsdurchlässige Bereiche gibt, die von der Strahlung nicht erfasst werden können, können diese selbst verständlich nicht-eben ausgebildet sein.
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Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Seitenwand senkrecht zur Transportrichtung verläuft. Die Verlaufsrichtung der Seitenwand entspricht bei dem Verfahren der Verlaufsrichtung der Aufbauebene des Objekts, also der Ebene, in der die Aushärtung stattfindet. Bei dieser Variante verläuft also die Transportrichtung im 90°-Winkel zur Aufbauebene. Dies ist u.a. vorteilhaft hinsichtlich des zugrunde liegenden Koordinatensystems, welches in diesem Fall kartesisch gewählt werden kann, wobei die Transportrichtung einer ersten Achse (z.B. X-Achse) entspricht und die Aufbauebene, in die das jeweilige Strahlungsmuster projiziert wird, durch die zweite und dritte Achse (z.B. Y-Achse und Z-Achse) aufgespannt wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sich die Seitenwand zumindest annähernd senkrecht erstreckt. So kann die Seitenwand einen Winkel von höchstens 20° zur Vertikalen einnehmen. Weiterhin kann der Winkel höchstens 10° betragen.
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Insbesondere kann die Seitenwand senkrecht verlaufen. Da die Seitenwand, wie bereits erwähnt, die Aufbauebene vorgibt, kann durch einen senkrechten Verlauf der Seitenwand gewährleistet werden, dass jeweils übereinander liegende Bereiche des Objekts aufgebaut werden, was es im Allgemeinen unwahrscheinlich macht, dass das Objekt aus dem Gleichgewicht gerät.
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Die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen über die herkömmliche Herstellung von einzelnen Prototypen oder Modellen hinaus. Tatsächlich ist eine regelrechte Serienfertigung möglich, die bei herkömmlichen Stereolithographieverfahren schon dadurch unterbunden wird, dass das fertige Objekt jeweils auf oder unter einer Plattform gefertigt wird und von dieser zunächst entfernt werden muss, bevor ein weiteres Objekt gefertigt werden kann. Dieses Problem ergibt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht, da das fertige Objekt seitwärts fort transportiert wird und somit den eigentlichen Fertigungsbereich angrenzend an die Seitenwand freigibt. Insbesondere steht bspw. dann, wenn der Transport mit einer Art Förderband erfolgt, unmittelbar eine Unterlage für die Fertigung des nächsten Objekts zur Verfügung. Somit kann, während das Objekt innerhalb des Tanks transportiert wird, die Fertigung eines nächsten Objekts beginnen. Im Extremfall könnte zwischen zwei aufeinanderfolgend gefertigten Objekten ein minimaler Zwischenraum (bspw. 1 mm oder sogar weniger) gelassen werden. Der Weitertransport des zunächst gefertigten Objekts erfolgt hierbei also zeitlich parallel zur Fertigung des nachfolgenden Objekts. Es ist also eine echte Serienproduktion möglich.
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Selbstverständlich ist es insbesondere bei dieser Verfahrensvariante, allerdings auch im Allgemeinen, vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit im Tank kontinuierlich oder intervallweise aus einem Reservoir aufgefüllt wird, da die Produktion des Objekts bzw. der Objekte Flüssigkeit verbraucht. Ein Auffüllen ist spätestens dann notwendig, wenn der Flüssigkeitsspiegel unterhalb einer Oberkante der strahlungsdurchlässigen Seitenwand liegt.
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Nach dem Ende der Fertigung muss das Objekt in irgendeiner Weise aus dem Tank entfernt werden. Während das Objekt im Zuge der Fertigung bevorzugt kontinuierlich transportiert wird, kann das Entfernen auch durch einen diskontinuierlichen Transport erfolgen, bspw. mit einem Greifarm, der das Objekt erfasst und von einem Stetigförderer abhebt. Vorteilhaft wird allerdings das gefertigte Objekt kontinuierlich aus dem Tank transportiert. Dies kann wiederum durch einen Stetigförderer, bspw. ein Förderband, erfolgen. Dabei ist es möglich, dass das Objekt während der Fertigung von einem ersten Stetigförderer transportiert wird und dann an einen zweiten Stetigförderer übergeben wird, der das Objekt aus dem Tank transportiert. Insbesondere kann das Objekt hierzu schräg aufwärts transportiert werden, bspw. durch ein geneigtes Förderband oder dergleichen. In den Fällen, in denen die Transportrichtung nicht horizontal verläuft, ist es allerdings auch möglich, dass das Objekt entlang der Transportrichtung im weiteren Verlauf aus dem Tank befördert wird. Bspw. könnte ein einziges Förderband, das aufwärts geneigt ist, das Objekt während der Fertigung transportieren und im weiteren Verlauf aus dem Tank herausführen.
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Wie bereits diskutiert, kann zumindest bei einigen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Abstützung des Objekts verzichtet werden bzw. diese kann minimiert werden. In einigen Fällen, insbesondere abhängig von der dreidimensionalen Form des gefertigten Objekts, ist eine Abstützung jedoch zielführend. Gemäß einer Alternative könnten Stützvorrichtungen an der Transportvorrichtung angeordnet sein, die bei einer Serienfertigung für mehrerer Objekte wieder verwendet werden können. Gemäß einer anderen Ausführungsform können Stützstrukturen am Objekt, gleichzeitig mit diesem erzeugt werden, die entfernt werden, nachdem das Objekt aus dem Tank transportiert wurde. D.h. es werden bei der Fertigung bestimmte Teilstrukturen erzeugt, die nicht zur gewünschten Endform des Objekts zählen, sondern nur dazu dienen, das Objekt während der Fertigung und des weiteren Transports zu stabilisieren, bspw. ein Umkippen des Objekts zu verhindern. Derartige Stützstrukturen können die Form von Halterungen, Aufhängungen, Stützen, Stelzen oder Ähnlichem haben. Da diese Stützstrukturen nicht zur eigentlich gewünschten Form des Objekts gehören, werden sie entfernt, nachdem das Objekt den Tank verlassen hat. Das Abtrennen der Stützstrukturen kann unter Umständen mechanisch durch Abbrechen oder Abschneiden oder durch andere geeignete Verfahren wie bspw. Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; sowie
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2 eine Detailansicht von 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt in schematisierter Form eine Fertigungsanlage 1, mit der ein additives Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann. Die Fertigungsanlage 1 umfasst einen langgestreckten Tank 2, der eine UV-härtbare Flüssigkeit 4, z.B. einen Harz, enthält. Die Flüssigkeit 4, die im Wesentlichen aus Monomeren besteht, polymerisiert bei Einwirkung von UV-Strahlung und wird dadurch fest. Der Tank 2 ist im vorliegenden Beispiel quaderförmig mit offener Oberseite ausgebildet und mit seinen Kanten entlang der Vertikalen V und der Horizontalen H ausgerichtet. Insbesondere erstreckt sich eine Seitenwand 3 des Tanks 2 senkrecht, also in Richtung der vertikalen V. Diese Seitenwand 3 ist UV-durchlässig ausgebildet. Seitlich des Tanks 2 ist ein UV-Projektor 5 angeordnet, der UV-Strahlen 6 auf die Seitenwand 3 und durch diese hindurch in die dahinterliegende Flüssigkeit 4 projizieren kann. Der UV-Projektor 5 ist hierbei mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden, die das Muster der UV-Strahlen 6, also deren räumliche und/oder zeitliche Intensitätsverteilung, steuert.
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Die Fertigungsanlage weist eine Reihe von Stetigförderern 7–12 auf. Ein erstes Paar Stetigförderer 7, 8 ist hierbei vollständig innerhalb des Tanks 2 und in der Flüssigkeit 4 angeordnet. Diese Stetigförderer 7, 8 sind dazu eingerichtet, ein Objekt 20 entlang einer horizontalen Transportrichtung T zu transportieren. Hierbei kann das Objekt 20 auf einem ersten Stetigförderer 7, der bspw. als Förderband ausgebildet sein kann, stehen, während ein parallel hierzu laufender zweiter Stetigförderer 8 einen oberen Teil des Objekts 20 führt. Ein zweites Paar Stetigförderer 9, 10 schließt sich hieran an und führt in einem Winkel von ca. 25° schräg nach oben aus dem Tank 2 heraus. Seitlich oberhalb des Tanks 2 schließt sich ein drittes Paar Stetigförderer 11, 12 an, die wiederum horizontal verlaufen.
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Beim Betrieb der Fertigungsanlage 1 laufen die Stetigförderer 7–12 mit einer konstanten Geschwindigkeit. Im Bereich der UV-durchlässigen Seitenwand 3, die auch als Stirnwand bezeichnet werden kann, bewirken die UV-Strahlen 6 eine Aushärtung der Flüssigkeit 4, wodurch nach und nach das Objekt 20 gebildet wird. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Zahnrad 21, das stoffschlüssig mit einer Stützstruktur 22 verbunden ist. Die Stützstruktur 22 dient hierbei lediglich dazu, ein Umkippen des Objekts 20 zu verhindern. An ihrem oberen Ende greift die Stützstruktur 22 in eine Haltevorrichtung 8.1 des zweiten Stetigförderers 8 ein. Während durch das erste Paar Stetigförderer 7, 8 eine Transportbewegung entlang der Transportrichtung T aufrechterhalten wird, werden durch das Muster der UV-Strahlen 6 Bereiche der Flüssigkeit 4 nahe der Seitenwand 3, als an dieser ausgehärtet, wobei das Muster so verändert wird, dass es jeweils einem Querschnitt des zu erzeugenden Objekts 20 entspricht. Dabei ist die zeitliche Veränderung des Musters so auf die Transportgeschwindigkeit abgestimmt, dass die jeweiligen Querschnitte ohne Verzerrung entlang der Transportrichtung T aneinandergereiht werden.
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Die Seitenwand 3 ist hierbei so ausgebildet, dass ein Anhaften des Objekts 20 an ihr verhindert wird. Bspw. kann es sich um eine sauerstoffdurchlässige Membran handeln. Dadurch kann das Objekt 20 ohne besonderen Kraftaufwand von der Seitenwand 3 abgezogen werden, womit, wie in der Detaildarstellung von 2 erkennbar, ein Zwischenraum 15 entsteht. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Größe des Zwischenraums 15 in 2 nicht maßstäblich dargestellt ist. Einerseits der Gravitation, andererseits einem entstehenden Unterdruck folgend, strömt Flüssigkeit 4 in den Zwischenraum 15 ein, wie durch die dicken Pfeile angedeutet. D.h., ohne weitere Maßnahmen füllt sich der Zwischenraum 15 wieder mit Flüssigkeit, die im weiteren Verlauf durch die UV-Strahlen 6 ausgehärtet werden kann. Das Verfahren arbeitet hierbei kontinuierlich, d.h. es ist nicht notwendig, das Objekt 20 zwischenzeitlich anzuhalten, um eine diskrete Schicht hinzuzufügen. Im Zuge der additiven Fertigung werden auch die Stützstrukturen 22 erzeugt, die der Lagesicherung des Objekts 20 dienen. Im Allgemeinen können diese allerdings eher sparsam ausgeführt sein, da bei dem gezeigten Verfahren das Objekt 20 während seines Aufbaus von der Flüssigkeit 4 umgeben ist, die eine ähnliche Dichte hat. Die Differenz von Gewichtskraft und Auftriebskraft des Objekts 20 ist daher gering. Nach Fertigstellung des Objekts 20 wird der UV-Projektor für einige Zeit abgeschaltet, während die Stetigförderer 7 bis 12 weiterlaufen.
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Wie in 1 dargestellt, beginnt die Fertigung eines neuen Objekts 20, während sich das zuletzt gefertigte Objekt 20 noch auf dem ersten Stetigförderer 7 innerhalb des Tanks 2 befindet. Da jedes Objekt 20 seitwärts abtransportiert wird, ist der eigentliche Fertigungsbereich nahe der Seitenwand 3 unmittelbar wieder frei und kann erneut genutzt werden. Nach dem Verlassen der ersten beiden Stetigförderer 7, 8 wird das jeweilige Objekt 20 an das zweite Paar Stetigförderer 9, 10 übergeben, wodurch es aus dem Tank 2 und aus der Flüssigkeit 4 heraus transportiert wird. Hierbei kann überschüssige Flüssigkeit 4 größtenteils vom Objekt 20 zurück in den Tank 2 ablaufen.
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Selbstverständlich entzieht die Fertigung jedes Objekts 20 dem Tank 2 eine gewisse Menge an Flüssigkeit 4, die entweder kontinuierlich oder intervallweise ersetzt werden muss. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist eine entsprechende Zuleitung hier nicht dargestellt.
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Oberhalb des Tanks 2 wird das Objekt 20 an das dritte Paar Stetigförderer 11, 12 übergeben, wo dann mittels hier nicht dargestellter Werkzeuge bspw. durch Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden das Zahnrad 21 von der Stützstruktur 22 getrennt werden kann. Die nicht mehr benötigten Stützstrukturen 22 können in einem Behälter 13 gesammelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fertigungsanlage
- 2
- Tank
- 3
- Seitenwand
- 4
- Flüssigkeit
- 5
- UV-Projektor
- 6
- UV-Strahl
- 7–12
- Stetigförderer
- 8.1
- Haltevorrichtung
- 13
- Behälter
- 15
- Zwischenraum
- 20
- Objekt
- 21
- Zahnrad
- 22
- Stützstruktur
- V
- Vertikale
- H
- Horizontale
- T
- Transportrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0290881 A1 [0005]
- CN 103231513 A [0006]
- CN 104325643 A [0007]
- CN 104626571 A [0008]
- WO 2014/165265 A1 [0009]
- US 2015/0266235 A1 [0010]
- DE 102012021284 A1 [0011]
- DE 102010020158 A1 [0012]
