DE102021100620A1

DE102021100620A1 - Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102021100620A1
Application number: DE102021100620.1A
Authority: DE
Inventors: Philip Obst; Paul Victor Osswald
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-07-14
Also published as: US20240059021A1; WO2022152459A1; CN116457191A

Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch folgende Verfahrensschritte:- sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung eines Grünkörpers (5),- Beaufschlagung des Grünkörpers (5) mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials (3) bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts (2), wobei- eine Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei durch eine sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung ein Grünkörper ausgebildet wird. Dieser Grünkörper kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit thermischer Energie beaufschlagt, um dadurch das dreidimensionale Objekt auszubilden.
Entsprechende Verfahren sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Beispielsweise basiert das als Digital Light Synthesis (DLS) Technologie oder auch als CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production) bezeichnete additive Herstellungsverfahren auf dem oben beschriebenen Grundprinzip.
Nachteilig bei dem DLS- bzw. CLIP-Verfahren ist, dass im Zuge der Energieeinbringung in das Baumaterial vermittels der UV-Strahlung es zu einer derart hohen Erwärmung zumindest einer Komponente des Baumaterials kommen kann, welche die Viskositätseigenschaften des Baumaterials und ggf. eine Teilaushärtung des Baumaterials zur Folge haben kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches insbesondere im Hinblick auf eine einfache und schnelle sowie kostengünstige Maßnahme die Qualität der herzustellenden dreidimensionalen Objekte erhöht bzw. präzise vordefinierte mechanische Eigenschaften der herzustellenden dreidimensionalen Objekte ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Verfahrens sowie ein dreidimensionales Objekt hergestellt aus dem hierin beschriebenen Verfahren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch folgende Verfahrensschritte: (a) - erster Verfestigungsschritt - sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung eines Grünkörpers, (b) - zweiter Verfestigungsschritt - Beaufschlagung des Grünkörpers mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts, wobei (c) eine Steuerung der Belichtung des Grünkörpers vermittels der UV-Strahlung - während des ersten Verfahrensschritts - derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.
Bei dem additiven Herstellungsverfahren kann beispielsweise ein harzbasiertes bzw. ein Harzmaterial, insbesondere ein Kunstharzmaterial, umfassendes Baumaterial verwenden. Beispielsweise kommt als additives Herstellungsverfahren ein DLS-Verfahren bzw. ein CLIP-Verfahren zum Einsatz. Das DLS-Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein in einem Baubehälter befindliches flüssiges und UV-aushärtbares Baumaterial selektiv vermittels UV-Strahlung ausgehärtet wird, um einen eine definierte Form aufweisenden Grünkörper auszubilden. Dieser Grünkörper bzw. Grünling wird anschließend in einem zweiten Prozessschritt - Verfestigungsschritt - einem thermischen Aushärteprozess unterzogen und dabei mit thermischer Energie beaufschlagt. Hierzu kann der Grünkörper in einen Ofen bzw. in eine Heizkammer verbracht werden.
Zumindest eine erste Komponente des Baumaterials löst eine überwiegende, insbesondere vollständige, festigkeitssteigernde Reaktion aufgrund von auf das Baumaterial auftreffender UV-Strahlung aus. Das Baumaterial kann beispielsweise wenigstens zwei Komponenten umfassen, wobei zumindest eine Komponente bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet bzw. eine durch die thermische Energie initiierte Reaktion ausführt, welche zu einer Verfestigung bzw. einer Veränderung der Vernetzung bzw. Verkettung des Baumaterials führt. Durch ein Baumaterial, welches wenigstens zwei Komponenten aufweist, die unterschiedliche Aushärteverhalten, kann durch die gezielte Ausnutzung des jeweiligen Aushärteverhaltens der Komponenten höhere und/oder gezieltere mechanische Eigenschaften für das dreidimensionale Objekt erzielt werden. Dadurch, dass das Baumaterial sowohl auf UV-Strahlung als auch auf thermische Energie reagiert bzw. jeweilige (und insbesondere voneinander unabhängige) Reaktionen hervorruft, können sich in dem Herstellungsverfahren zwei verschiedene Netzwerke von Ketten, z. B. Polymerketten, ausbilden. Durch eine Verknotung der zwei verschiedenen Netzwerke bzw. der Polymerketten miteinander können überdurchschnittliche mechanische Eigenschaften erreicht werden.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung in dem ersten, den Grünkörper bildenden Verfahrensschritt erfolgt dabei derart, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente, insbesondere sämtlicher Komponenten, des Baumaterials nicht überschritten oder wesentlich überschritten wird. Mit anderen Worten soll während der Erzeugung des Grünkörpers durch Hervorrufen der UV-gestützt verfestigenden Reaktion zumindest einer Komponente des Baumaterials die wenigstens eine weitere, zumindest thermisch aushärtende Komponente des Baumaterials noch keine, insbesondere noch keine wesentliche bzw. überwiegende, Aushärtung oder Verfestigung im eigentlichen Sinne erfahren. Damit soll das Aushärte- bzw. Verfestigungsvermögen des Baumaterials aufgrund von Beaufschlagung mit thermischer Energie möglichst, insbesondere vollständig, dem zweiten Prozessschritt vorbehalten werden, in welchem der Grünkörper gezielt mit thermischer Energie beaufschlagt wird.
Mit einem nicht wesentlichen Überschreiten der Aushärtetemperatur ist gemeint, dass es punktuell oder kurzzeitig zu einer Überschreitung der Aushärtetemperatur im Zuge der UV-Beaufschlagung kommen kann, jedoch dieser thermische Energieeintrag so geringfügig ist, dass er zu keiner signifikanten Aushärtung bzw. Verfestigung der thermisch aushärtenden Komponente des Baumaterials führt. Mit anderen Worten kann ein nicht wesentliches Überschreiten der Aushärtetemperatur eine, insbesondere kurzzeitige, Überschreitung der Aushärtetemperatur um maximal 15 %, bevorzugt um maximal 10 %, besonders bevorzugt um maximal 5 %, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine nicht wesentlich überschrittene Aushärtetemperatur eine Temperatur bzw. einen Energieeintrag aufgrund einer ggf. überschrittenen Aushärtetemperatur umfassen, welche ein Restverfestigungsvermögen bzw. Restaushärtevermögen des bereits vermittels UV-Strahlung ausgehärteten Baumaterials, insbesondere zumindest der thermisch aushärtenden Komponente des vermittels UV-Strahlung ausgehärteten Baumaterials, aufgrund Einwirkung thermischer Energie von mindestens 70 %, bevorzugt von mindestens 85 %, besonders bevorzugt von mindestens 95 %, ermöglicht. Die Aushärtetemperatur kann auch als thermischer Grenzenergieeintrag der thermischen Energie verstanden werden, bei dessen Überschreiten eine Vernetzung bzw. Aushärtung der thermisch aushärtenden Komponente des Baumaterials erfolgt.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart erfolgen, dass zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 %, höchst bevorzugt zumindest 95 %, wenigstens einer zu belichtenden Baumaterialschicht des Grünkörpers keine wesentliche Überschreitung der Aushärtetemperatur erfährt bzw. die jeweiligen Prozentangaben der den Grünkörper ausbildenden Baumaterialschichten noch ein thermisches Vernetzungspotential bzw. Aushärtevermögen für den nachfolgenden, den Grünkörper mit thermischen Energie beaufschlagenden Prozessschritt aufweist. Die Prozentangaben können sich alternativ oder zusätzlich auf das Volumen des Grünkörpers beziehen, d. h. z. B., dass gesehen auf das Gesamtvolumen des Grünkörpers zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 %, höchst bevorzugt zumindest 95 %, des Volumens des Grünkörpers nach dem ersten, die UV-Strahlung auf das Baumaterial richtenden Verfahrensschritt noch ein wesentliches thermisches Vernetzungspotential bzw. Aushärtevermögen aufweisen.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine thermische Aushärtung aufgrund eines wesentlichen Überschreitens der Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente des Baumaterials maximal zu einer 20 Vol.-%, bevorzugt zu einer maximal 12,5 Vol.-%, besonders bevorzugt zu einer maximal 7,5 Vol.-%, höchst bevorzugt zu einer maximal 2,5 Vol.-%, zu einer thermischen Aushärtung des Grünkörpers im Zuge der Einwirkung der UV-Strahlung führt.
Das hierin beschriebene Verfahren der Erfindung betrifft vorzugsweise ein computergestütztes Verfahren. Hierbei wird unter Zuhilfenahme eines Rechners zumindest die Steuerung der UV-Strahlung während des ersten Verfestigungsschritts ausgeführt. Vorzugsweise umfasst das computergestützte Verfahren die Steuerung weiterer Elemente der additiven Fertigungsvorrichtung über eine zentrale Rechnereinheit, z. B. vermittels der Recheneinrichtung. So kann beispielsweise das Auffüllen von frischen unverfestigten Baumaterial in den Baubehälter (z. B. Volumenstrom) und/oder die Bewegung der Bauplatte relativ zu dem Baubehälter und/oder die UV-Strahlung und/oder eine Temperiereinrichtung der Baukammer in jeweiligen Steuerungsparameterdaten beschrieben und jeweilige Aktuatoren entsprechend der Steuerungsparameterdaten angesteuert werden.
Es ist möglich, dass die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine, insbesondere überwiegend, UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers in einem Bauraum erfolgt, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt. Beispielsweise ist die Erfassungseinrichtung als Thermokamera ausgebildet, sodass während des ersten Prozessschritts die thermische Auswirkung an der Oberfläche des Baumaterials vermittels der Thermokamera erfasst bzw. überwacht werden kann. Sofern hierbei ein Überschreiten einer Referenztemperatur bzw. einer Aushärtetemperatur oder ein drohendes Überschreiten der Aushärtetemperatur erfasst wird, kann durch eine Veränderung der Steuerung der UV-Strahlung reagiert werden. Insbesondere kann das Ereignis des Überschreitens abgewendet und/oder ein möglichst kurzzeitiges Überschreiten der Aushärtetemperatur durch eine entsprechende Ansteuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung ermöglicht werden. Die Erfassungseinrichtung kann auch alternativ oder zusätzlich die Auswirkung einer Temperiereinrichtung der additiven Herstellungsvorrichtung erfassen bzw. überwachen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung berührungslos oder berührend einen Viskositätswert des Baumaterials erfassen. Ein Viskositätswert des Baumaterials kann einen Rückschluss auf den Grad der aufgrund thermischen Energieeintrags bzw. einer Aushärtetemperaturüberschreitung erfolgten Aushärtung bzw. Vernetzung von wenigstens einer Komponente des Baumaterials während des im ersten Verfestigungsschritts erfolgenden UV-Strahlungseinbringung geben und folglich als Inputgröße zur Beeinflussung der Steuerung der die UV-Strahlung umfassenden Belichtung verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann es sich als zweckmäßig erweisen, wenn die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (a) in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder (b) in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgt. Zunächst können beispielsweise historische Daten zu vorausgegangenen additiv hergestellten dreidimensionalen Objekten verwendet werden, um insbesondere bei einem Abgleich der Geometrie der vorausgegangenen dreidimensionalen Objekte und dem bevorstehend herzustellenden dreidimensionalen Objekt den thermischen Energieeintrag während der Beaufschlagung des Baumaterials mit der UV-Strahlung betreffende Daten zu gewinnen. Diese können dazu verwendet werden, die Ansteuerung der UV-Strahlung zur Erzielung eines möglichst geringen thermischen Energieeintrags oder zumindest die Begrenzung des thermischen Energieeintrags unterhalb einer Aushärtetemperatur zu halten. Alternativ oder zusätzlich zu in realen vorausgegangenen Herstellungsprozessen gewonnener Daten kann eine auf einer Simulation basierende Gewinnung bzw. Generierung von für die Steuerung der UV-Strahlung nützlicher Informationen zur Ansteuerung der UV-Strahlung während der Herstellung des Grünlings genutzt werden. Diese Informationen können dahingehend eingesetzt werden, dass eine Aushärtetemperatur während des ersten Verfestigungsschritts nicht wesentlich überschritten wird.
Es ist möglich, dass zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen wird. Hierbei können die Daten, insbesondere die ein Überschreiten der Aushärtetemperatur während des ersten Verfestigungsschritts anzeigende Daten, beispielsweise ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerte des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts ermittelt werden. Aufgrund der in der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Daten kann ein Rückschluss auf den Grad der thermischen Aushärtung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials während der auf UV-Strahlung basierenden Belichtung im ersten Verfestigungsschritt erfolgen.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper ausbildenden Baumaterial maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C, beträgt. Sofern die durchschnittliche oder maximale Temperatur die Grenzwerte 55 °C, bevorzugt 45 °C, besonders bevorzugt 37,5 °C, höchst bevorzugt 25 °C, nicht überschreitet, kann eine Vernetzung bzw. Aushärtung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials aufgrund thermischer Energieeinwirkung bzw. aufgrund eins Überschreitens der Aushärtetemperatur verhindert werden.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfassen: (a) Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV-Eintrags zu einem zweiten UV-Eintrag vermittels der UV-Strahlung innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder (b) eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung in das Baumaterial innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (c) eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (d) eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschichten. Die angeführten Prozessparameter sind dazu geeignet die Einbringung thermischer Energie in das Baumaterial während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers auf einem für eine thermische Aushärtung bzw. Vernetzung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials gering und/oder unschädlich zu halten.
Die Steuerung der Belichtung vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers erfolgen. Die wenigstens eine Ziel- und/oder Sollgeometrieinformation kann beispielsweise einen Rückschluss auf den während der UV-Strahlungseinbringung erfolgenden thermischen Energieeintrag pro Flächeneinheit in das Baumaterial geben. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts und/oder die Sollgeometrieinformation des Grünkörpers mit in einer Datenbank hinterlegten Daten verglichen wird. Diese (Vergleichs-)Daten können für geometrisch ähnliche oder identische vormals hergestellten dreidimensionalen Objekten und/oder für geometrisch ähnliche oder identische simulierte dreidimensionale Objekte jeweils zugeordnete Informationen zu deren während der Herstellung bzw. deren simulierten Herstellung zumindest abschnittsweise auftretenden Aushärtetemperaturen bzw. entsprechender Energieeinträge in das Baumaterial betreffen. Durch diesen Vergleich und/oder eine Zuordnung von für den bevorstehenden Baujob bereitgestellter Ziel- und/oder Sollgeometrieinformationen mit ähnlichen oder identischen Geometrieinformationen aus der Datenbank kann zumindest eine Steuerungsteilinformation, insbesondere eine Steuerungsinformation, aus der Datenbank entnommen bzw. gewonnen werden, welche es ermöglicht, derart auf die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers einzuwirken, dass zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird bzw. den thermische Energieeintrag der UV-Strahlung in das Baumaterial unterhalb einer thermischen Aushärtereaktionstemperatur hält.
Es ist möglich, dass (a) durch eine Erfassungseinrichtung erfasste und/oder (b) durch aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnene und/oder (c) im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte unter Verwendung einer künstliche-Intelligenz-(AI)-Techniken verwendenden Recheneinrichtung ausgewertet und/oder bearbeitet werden, insbesondere um zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers und/oder eines späteren Grünkörpers eingesetzt zu werden. Unter Verwendung der künstlichen Intelligenz zur Auswertung und/oder Bearbeitung der Basisinformationen zur Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung kann auf einfache und zielgerichtete Weise der bislang gesammelte Datenbestand bzw. der vorliegende Datenbestand zur Verhinderung eines zu hohen thermischen Energieeintrags im Zuge der UV-Strahlung beim ersten Verfestigungsschritts genutzt werden.
Hierbei kann es beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Recheneinrichtung einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk auf Basis bzw. unter Verwendung der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt bzw. diese trainiert und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers eingesetzt wird. Ein neuronales Netz kann z. B. ein maschinelles Lernen und/oder ein Deep Learning umfassen. Allgemein werden durch die Kl-Algorithmen die aus unterschiedlichen Quellen stammenden Parameterdaten und/oder Temperaturwerte derart ausgewertet, dass deren Aussagekraft hinsichtlich der Temperaturentwicklung bzw. der thermischen Energieeinbringung in das Baumaterial steigt und folglich eine höhere Genauigkeit für die Ansteuerung der vermittels UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers erzielt werden kann. Hierbei kann z. B. das Nichtüberschreiten der Aushärtetemperatur bzw. das Nichtüberschreiten eines abhängig von der Aushärtetemperatur definierten Toleranzschwellwerts einer Referenztemperatur zuverlässiger erreicht bzw. eine entsprechende Ansteuerung der UV-Strahlung erreicht werden. Z. B. kann das maschinelle Lernen ein konvolutionelles neuronales Netzwerk umfassen bzw. verwenden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Recheneinrichtung eingesetzt wird, welche ein oder mehrere Bauelemente enthält, die künstliche-Intelligenz-(AI)-Techniken verwenden. Weil die Recheneinrichtung damit ein künstliche Intelligenz Verfahren anwendet, kann eine Schätzfunktion bzw. Auswertefunktion zum Schätzen bzw. Auswerten ausgeführt werden, um basierend auf dem Schätzergebnis und/oder Auswerteergebnis die Ansteuerung der UV-Strahlung derart zu optimieren, dass kein bzw. kein wesentliches Überschreiten einer eine thermische Aushärtung bzw. Vernetzung hervorrufenden UV-Einbringung in das Baumaterial während der Herstellung des Grünkörpers sich ergibt. Als die künstliche-Intelligenz-Techniken können beispielsweise maschinelles Lernen wie etwa verschiedene Arten von Filterung und/oder unabhängige-Komponente-Analyse und/oder Unterstützungsvektor-Maschine (SVM) und/oder Daten- und/oder Bildverarbeitungstechniken wie etwa Konturextraktion und/oder Mustererkennung und/oder intelligente Informationsbearbeitung und/oder verstärktes Lernen und/oder Bayes'sches Netzwerk und/oder selbstorganisierendes Kennfeld (SOM) und/oder neuronales Netzwerk und/oder vertieftes Lernen angewendet werden.
Das Baumaterial kann beispielsweise ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunstharz umfassen, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV-Strahlung aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet. Die Aushärtung kann eine Verfestigung bzw. eine Vernetzung des Baumaterials umfassen. Während des ersten Verfestigungsschritts bzw. Polymerisationsschritts zur Ausbildung des Grünkörpers vermittels der UV-Strahlung liegt das Baumaterial als flüssiges, insbesondere aus Kunststoff, insbesondere aus Kunstharz, bestehenden Baumaterial vor.
Während der UV-Strahlung basierten Ausbildung des Grünkörpers, also während des ersten Verfestigungsschritts, kann beispielsweise wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper verbundenes Strukturmittel mit aufgebaut werden, wobei das Strukturmittel zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung gezielt höheren thermischen Energieeintrag erfährt als der Grünkörper. Mit anderen Worten wird während des ersten Verfestigungsschritts zumindest abschnittsweise das Baumaterial mit verfestigt und damit ein Strukturmittel mit aufgebaut, das insbesondere nicht Bestandteil des im Zuge des additiven Herstellungsverfahrens herzustellende Zielobjekt ist. Derartige Strukturmittel können beispielsweise wenigsten einen Grünkörper mit einer Bauplatte und/oder einen ersten Grünkörper mit einem weiteren Grünkörper verbinden. Bevorzugt können derartige Strukturmittel als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet sein. Als Stützmittel - auch als Stützstruktur bezeichnet - ausgebildete Strukturmittel können eine den Grünkörper stützende Funktion, z. B. eine Abstützung gegen eine Schwerkrafteinwirkung, innehaben.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens ein Strukturmittel mit einer Sollbruchstelle versehen ist, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel von dem Grünkörper und/oder der Bauplatte und/oder dem dreidimensionalen Objekt (d. h. nach der Beaufschlagung mit thermischer Energie) auf einfache und komfortable Weise trennbar ist. Dabei kann nach einem Abtrennen des wenigstens einen Stützmittels von dem Grünkörper und/oder von der Bauplatte und/oder von dem dreidimensionalen Objekt der Zielkörper bzw. das Zielobjekt vorliegen.
In einer optionalen Ausführungsform kann es zweckmäßig sein, dass zumindest ein Strukturmittel wenigstens einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung, d. h. während des ersten Verfestigungsschritts, erfährt als der zweite Abschnitt. Hierbei kann es z. B. vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt des Strukturmittels einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung erfährt als der Grünkörper. Dadurch, dass unterschiedliche Abschnitt des Strukturmittels einen unterschiedlich hohen, insbesondere thermischen, Energieeintrag erfahren, kann das Verhalten des Strukturmittels für seine Aufgabe als z. B. Handhabungs- und/oder Stützmittel angepasst bzw. optimiert sein. Dadurch, dass das Stützmittel kein Bestandteil des eigentlichen Zielobjekts ist, ist es unerheblich, wenn der im Vergleich zum thermischen Energieeintrag in den den Grünkörper ausbildenden Baumaterial im Zuge des UV-Eintrags eine höhere thermischer Energieeintrag erfolgt, da das spätere thermische Verfestigen und die damit einhergehende gezielte Einstellbarkeit bzw. Gestaltbarkeit der mechanischen Eigenschaften nicht zwingend von Bedeutung sind. Mit anderen Worten ist es für die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere mechanischen Bauteileigenschaften, des herzustellenden Zielobjekts unerheblich, ob bereits eine thermische Aushärtung des Stützmittels während der UV-strahlungsbasierten Belichtung des Grünkörpers sich ergibt.
Der erste Abschnitt des Strukturmittels kann beispielsweise ausschließlich über den zweiten Abschnitt des Strukturmittels mit dem Grünkörper und/oder mit einem ersten Grünkörper verbunden sein. Beispielsweise ist das Strukturmittel als Stützmittel ausgebildet, wobei der Grünkörper durch das Strukturmittel mit der Bauplatte verbunden wird. Beispielsweise kann der erste Abschnitt der Bauplatte zugewandt sein, insbesondere die Bauplatte unmittelbar berühren, und der zweite Abschnitt eine Erweiterung des ersten Abschnitts bilden und dabei dem Grünkörper zugewandt sein, insbesondere den Grünkörper berühren. Hierbei kann der erste Abschnitt einen im Vergleich zu dem zweiten Abschnitt höheren thermischen Energieeintrag im Zuge der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Baumaterials zur Ausbildung des Grünkörpers erfahren. Dies ist dahingehend vorteilhaft, da durch die Beabstandung des den höheren thermischen Energieeintrag erfahrenden ersten Abschnitts die Gefahr einer hierdurch resultierenden Erwärmung und damit Beeinträchtigung der Zieleigenschaften des Grünkörpers und/oder des dreidimensionalen Objekts reduziert oder unterbunden werden kann.
Das Strukturmittel kann alternativ oder zusätzlich zumindest einen Stabilitätsabschnitt und wenigstens einen Abschirmabschnitt aufweisen, wobei der Stabilitätsabschnitt einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung erfährt als der Abschirmabschnitt, wobei der Abschirmabschnitt als ein den Stabilitätsabschnitt äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist. Mit anderen Worten schirmt der Abschirmabschnitt den Stabilitätsabschnitt z. B. gegenüber dem unverfestigten Baumaterial ab, zumindest solange sich dieser Teilbereich des Strukturmittels noch in einem das flüssige Baumaterial aufnehmenden Baubehälter befindet. Der Stabilitätsabschnitt kann z. B. als Stützstruktur eine feste und/oder steife Verbindung zwischen wenigstens zwei Grünkörpern und/oder zwischen einem Grünkörper und der Bauplatte ausbilden. Aufgrund des höheren thermischen Energieeintrags durch die UV-Strahlung in den Stabilitätsabschnitt weist dieser auch eine höhere Steifigkeit und/oder Festigkeit als der Abschirmabschnitt auf. Sofern das Strukturmittel als Stützstruktur verwendet wird, kann die zumindest überwiegende, insbesondere wesentliche oder vollständige, Stützfunktion durch den steiferen und/oder festeren Stabilitätsabschnitt erfolgen. Der Abschirmabschnitt kann beispielsweise eine zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständige, Umhüllung des Stabilitätsabschnitts ausbilden. Dadurch, dass der Stabilitätsabschnitt einen hohen thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung erfährt, kann eine thermische Beeinflussung des den Stabilitätsabschnitt umgebenden unverfestigten Baumaterials reduziert oder unterbunden werden, da der Abschirmabschnitt als thermischer Isolator oder zumindest als ein eine Ableitung thermischer Energie von dem Stabilitätsabschnitt zu dem unverfestigten Baumaterial hemmendes Mittel eingesetzt werden kann. Dadurch, dass thermische Energie von dem Stabilitätsabschnitt nicht in dem Maße in das unverfestigte Material gelangen kann, kann beispielsweise die Wiederverwendbarkeit des unverfestigten Materials erhöht bzw. dessen Alterung reduziert werden.
Neben dem Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts betrifft die Erfindung auch ein dreidimensionales Objekt, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, das in einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Das Fahrzeugbauteil kann beispielsweise Bestandteil eines Fahrzeugs, bevorzugt eines, insbesondere mehrspurigen, Kraftfahrzeugs bzw. eines von einem Motor angetriebenes Straßenfahrzeug sein.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf das erfindungsgemäße dreidimensionale Objekt übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Prinzipdarstellung der wesentlichen Verfahrensschritte des Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiels.

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 2 eingerichtet, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist, vgl. 2. In einem ersten Verfestigungsschritt 101 wird durch sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung eine Verfestigung bzw. Aushärtung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials 3 vermittels einer UV-Strahlung 4 erreicht zur Ausbildung eines Grünkörpers 5. Dieser in dem ersten Verfestigungsschritt 101 zumindest vermittels UV-Strahlung 4 verfestigte bzw. ausgehärtete Grünkörper 5 wird in einem nachfolgenden Verfestigungsschritt 102 mit thermischer Energie beaufschlagt, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials 3 bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet und hierdurch ein in seinen physikalischen und/oder chemischen Zieleigenschaften, insbesondere in seinen mechanischen Bauteilzieleigenschaften, vorliegendes dreidimensionales Objekt 2 hergestellt wird.
Eine über eine Steuerungseinrichtung 7 erfolgende Steuerung der UV-Strahlung 4 und damit der Belichtung (im ersten Verfestigungsschritt 101) zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann derart ausgeführt werden, dass zumindest abschnittsweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente des Baumaterials 3 nicht wesentlich oder nicht überschritten wird.
Die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine UV-aushärtbaren Komponente umfassenden Baumaterials 3 vermittels UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann in einem Bauraum erfolgen, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung 8 zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers 5 in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt. Die Parameterdaten können z. B. Prozessparameterdaten der Steuerung des additiven Fertigungsverfahrens umfassen.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt 2 gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgen. Als Zielgeometrie des dreidimensionalen Objekts 2 ist dessen Wunschgeometrie zu verstehen.
Zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten kann beispielsweise wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt 2 einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Daten ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelter Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerte des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts 2 ermittelt bzw. abgeleitet werden.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper 5 ausbildenden Baumaterials maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C beträgt.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfassen: (a) Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV-Eintrags zu einem zweiten UV-Eintrag der UV-Strahlung 4 innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder (b) eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung 4 in das Baumaterial 3 innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (c) eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung 4 innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung 4 innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschicht(en).
Die Steuerung der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers 5 erfolgen. Mit anderen Worten wird abhängig von der Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 und/oder abhängig von der Sollgeometrieinformation des Grünkörpers 5 die UV-Strahlung 4 derart durch eine Steuereinrichtung verändert, dass es zu keiner wesentlichen oder keiner Überschreitung einer Aushärtetemperatur des den Grünkörper 5 ausbildenden Materials kommt.
Die Vorrichtung 1 kann eine Erfassungseinrichtung 8 aufweisen, welche eingerichtet ist Parameterdaten und/oder Temperaturwerte während der Ausführung des ersten Verfestigungsschritts 101 bzw. während der Erzeugung des Grünkörpers 5 vermittels der UV-Strahlung 4 zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 8 kann einen Baubereich und/oder den bereits erzeugten Grünkörper 5 und/oder das unverfestigte Baumaterial 3 thermisch erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 8 beispielsweise als Thermokamera und/oder als das Baumaterial 3 berührende Sonde ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können Parameterdaten und/oder Temperaturwerte des Herstellungsverfahrens durch Auswertung von vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnen werden. Optional oder zusätzlich können im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte gewonnen werden. Die aus den unterschiedlichen Quellen stammenden Parameterdaten und/oder Temperaturwerte können unter Verwendung einer wenigstens eine künstliche-Intelligenz-(AI)-Technik verwendenden Recheneinrichtung 9 ausgewertet und/oder bearbeitet werden. Durch diese Auswertung und/oder Bearbeitung bzw. Beeinflussung der Parameterdaten und/oder Temperaturwerte können diese als geeignete Einflussgröße der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 eingesetzt werden.
Hierbei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Recheneinrichtung 9 einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk, auf Basis der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation wird zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 eingesetzt. Dadurch, dass eine Vielzahl an ermittelter Parameterdaten und/oder Temperaturdaten durch einen Algorithmus bzw. durch ein neuronales Netzwerk ausgewertet und/oder gewichtet bzw. zusammengeführt werden, kann eine präzise Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 derart erfolgen, dass ein zu hoher thermischer Energieeintrag der UV-Strahlung in das Baumaterial 3 verhindert wird.
Das Baumaterial 3 kann beispielsweise ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunststoff umfassen, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV-Strahlung 4 aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet bzw. sich verfestigt.
Während der Ausbildung des Grünkörpers 5 vermittels der eine UV-Strahlung 4 umfassenden Belichtung des Baumaterials 3 kann beispielsweise wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper 5 verbundenes Strukturmittel 10 mit aufgebaut werden, wobei das Strukturmittel 10 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung 4 definiert bzw. gezielt höheren thermischen Energieeintrag erfährt, als der Grünkörper 5. Hierbei kann der Eintrag an thermischer Energie vermittels der UV-Strahlung 4 in das Baumaterial 3 um wenigstens 10 %, bevorzugt um wenigstens 20 %, besonders bevorzugt um wenigstens 35°%, höchst bevorzugt um wenigstens 50 %, unterschiedlich bzw. in dem Strukturmittel 10 erhöht sein.
Das Strukturmittel 10 kann beispielsweise wenigsten einen Grünkörper 5 mit einer Bauplatte 11 und/oder einen ersten Grünkörper 5 mit einem weiteren Grünkörper 5 verbinden. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn das wenigstens eine Strukturmittel 10 als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Strukturmittel 10 mit einer Sollbruchstelle versehen, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel 10 von dem Grünkörper 5 und/oder von dem dreidimensionalen Objekts 2 und/oder von der Bauplatte 11 getrennt werden kann. Durch die spätere Trennung des Strukturmittels 10 kann dieses derart konzipiert sein, dass es keinen Bestandteil der Zielgeometrie des dreidimensionalen Objekts 2 bildet.
Zumindest ein Strukturmittel 10 kann beispielsweise wenigstens einen ersten Abschnitt 13 und einen zweiten Abschnitt 14 aufweist, wobei der erste Abschnitt 13 einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 erfährt als der zweite Abschnitt 14. Beispielsweise erfährt der erste Abschnitt 13 und/oder der zweite Abschnitt 14 des Strukturmittels 10 einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 als das den Grünkörper 5 ausbildende Baumaterial. Der Unterschied des thermischen Energieeintrags zwischen den beiden Abschnitten 13, 14 und/oder zwischen wenigstens einem Abschnitt 13, 14 und dem Grünkörper 5 kann beispielsweise in der Größenordnung des Faktors 1,3, bevorzugt 1,5, besonders bevorzugt 2,0, höchst bevorzugt 4,0, liegen.
Das Strukturmittel 10 kann beispielsweise zumindest einen Stabilitätsabschnitt 15 und wenigstens einen Abschirmabschnitt 16 aufweist, wobei der Stabilitätsabschnitt 15 einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 erfährt als der Abschirmabschnitt 16, wobei der Abschirmabschnitt 16 als ein den Stabilitätsabschnitt 15 äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist. Aus 1 ist ersichtlich, dass der Stabilitätsabschnitt 15 durch den Abschirmabschnitt 16 von dem unverfestigten Baumaterial 3 getrennt bzw. beabstandet wird, folglich kann ein im Stabilitätsabschnitt 15 erfolgender erhöhter Energieeintrag nicht unmittelbar in das unverfestigte Baumaterial 3 (vgl. den durch den Pfeil 6 angedeuteten Bereich) gelangen, da der Abschirmabschnitt 16 eine Pufferfunktion für eine Wärmeübertragung von dem Stabilitätsabschnitt 15 zu dem unverfestigten Baumaterial 3 innehat bzw. ausführt. Damit kann die Alterung des unverfestigten Baumaterials 3 reduziert bzw. dessen Wiederverwendbarkeit erhöht werden.
Die hierin beschriebene Erfindung umfasst ferner ein dreidimensionales Objekt 2, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, welches hergestellt in einem hierin beschriebenen Verfahren erzeugt wurde. Das dreidimensionale Objekt 2 bzw. das Fahrzeugbauteil kann in einem Fahrzeug (nicht dargestellt), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden.
In 1 ist beispielhaft eine additive Fertigungsvorrichtung bzw. eine Vorrichtung 1 zur Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens dargestellt, welche vermittels eines CLIP-Verfahrens ein dreidimensionales Objekt 2 ausbildet. Neben dem CLIP-Verfahren kann das hierin beschriebene Verfahren auch auf andere additive Aufbauverfahren, welche ein flüssiges oder pulverförmiges Baumaterial 2 verwendet, angewandt werden. Das CLIP-Verfahren kann es vorsehen, dass in dem ersten Verfestigungsschritt 101, vgl. 1, insbesondere in einem Polymerisationsschritt, ein unter Einwirkung einer UV-Strahlung 4, UV-verfestigbares bzw. UVverfestigendes Baumaterial 3, insbesondere eine UV-aushärtbare Komponente des Baumaterials 3, sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, selektiv mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung 17 ausgesendeten UV-Strahlung 4, verfestigt wird, um einen Grünkörper 5 auszubilden.
Die dargestellte Vorrichtung 1 kann einen Baubehälter 18 umfassen. Der Boden 19 des Behälters 4 ist licht- und gasdurchlässig, bzw. mit einem licht- und gasdurchlässigen Körper 20 - auch als „permeables Window“ bezeichnet - versehen, so dass die UV-Strahlung 4 den Boden 19 des Baubehälters 18 durchdringen und in einem Zwischenbereich 21 - auch als „dead zone“ bezeichnet - auftreffen bzw. in den Zwischenbereich 21 gelangen und das dort befindliche Baumaterial 3 bereichsabhängig verfestigen kann. Der licht- und gasdurchlässige Körper 20 ermöglicht das Durchtreten von UV-Strahlung 4 und eines Gasmediums (nicht dargestellt). Die UV-Strahlung 4 gelangt zu dem Baumaterial 3 und härtet dieses zumindest teilweise aus, das Gasmedium gelangt an das Baumaterial 3 und verhindert ein Anhaften des Baumaterials 3 an den Boden 19 des Baubehälters 18 und trägt damit zur Funktionsweise des Zwischenbereichs 21 bei. Die UV-Strahlung 4 tritt aus der Strahlungseinrichtung 17 aus und wird von einer wenigstens zwei Spiegelelemente 22 aufweisenden Spiegelvorrichtung derart abgelenkt, dass die UV-Strahlung 4 in dem Zwischenbereich 21 selektiv bereichsabhängig, beispielsweise auch zumindest abschnittsweise flächig, auftrifft, wobei die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 4 innerhalb der Auftrefffläche im Zwischenbereich 21 unterschiedlich sein kann bzw. gezielt steuerbar ist. Damit kann im Zwischenbereich 21 ein verfestigter oder teilverfestigter Grünkörper 5, insbesondere mit bereichsabhängig (abhängig von z. B. der Intensität der UV-Strahlung 4) unterschiedlichen Materialeigenschaften, ausgebildet werden.
Die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 4 wird beispielsweise (a) durch eine Ansteuerung der, insbesondere frequenziell, sich bewegenden Spiegelelementen 22 einer Spiegelvorrichtung und/oder (b) durch die Strahlungseinrichtung 17 eingestellt bzw. geändert. Als Strahlungseinrichtung 17 kann beispielsweise wenigstens eine UV-LED-Lichtquelle verwendet werden. Die Spiegelvorrichtung kann beispielsweise als Mikrospiegelarray ausgebildet sein.
Das Baumaterial 3 kann beispielsweise Photoinitiatoren aufweisen, welche aufgrund der energetischen Einwirkung der UV-Strahlung 4 eine radikale Polymerisation auslösen, bei der Monomere durch eine Kettenspaltung der Doppelbindung zu Polymeren heranwachsen. Das Baumaterial 3 kann dabei entlang der UV-belichteten Fläche aushärten. Dabei entsteht eine Verbindung zu der höhenverlagerbaren (vgl. Pfeil 12) Bauplattform bzw. Bauplatte 11, die sich sukzessive bzw. kontinuierlich durch Einwirkung von einem Aktor (nicht dargestellt), um eine Schichthöhe bzw. eine Schichtdicke nach oben (also von der Strahlungseinrichtung 17 weg) bewegt, um einen Raum für nachfließendes und bereichsabhängig zu verfestigendes Baumaterial 3 zu bilden. Bei dem CLIP-Verfahren bleiben i. d. R. der Zwischenbereich 21 bzw. der der UV-Strahlung 4 zugewandte Bereich des dreidimensionalen Objekts 2 und der Boden 19 des Baubehälters 18 während des Aufbauprozesses stets mit flüssigem Baumaterial 3 bedeckt (mit Ausnahme beim Nachlaufen des, einen Freiraum unterhalb der hochgezogenen Bauplatte 11 bzw. unterhalb des hochgezogenen dreidimensionalen Objekts 2 ausfüllenden flüssigen Baumaterials 3), das durch die UV-Strahlung 4 wiederum verfestigt werden kann. Durch mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs entsteht sukzessive ein schichtartig bzw. schichtweise aufgebauter Grünkörper 5. Nachdem die gewünschte Form des Grünkörpers 5 durch dieses Verfahren erzeugt wurde, wird das dreidimensionale Objekt 2 beispielsweise gänzlich aus dem Bad des flüssigen und unverfestigten Baumaterials 3 bzw. aus dem mit flüssigem Baumaterial 3 gefüllten Baubehälter 18 herausgefahren und schließlich von der Bauplatte 11 getrennt bzw. gelöst.
Vor oder nach dem Trennen des Grünkörpers 5 von der Bauplatte 11 (beispielsweise kann die Bauplatte 11 von der Vorrichtung 1 getrennt werden und an eine weitere Bearbeitungsstation verbracht werden) wird dieser im Zuge eines zweiten Verfestigungsschritts 102 mit thermischer Energie beaufschlagt werden. Diese gezielte, vorzugsweise vollflächige, Erwärmung des Grünkörpers 5 führt zu einer weiteren Aushärtung bzw. Verkettung des Baumaterials und damit zu den finalen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere finalen Bauteileigenschaften, des dreidimensionalen Objekts 2. Durch die thermische Beaufschlagung bzw. durch die erhöhten Temperaturen im Zuge des zweiten bzw. thermischen Verfestigungsschritts 102 kann beispielsweise eine Verdrängungsreaktion, auch Kettenverlängerungsreaktion genannt, eines Kettenverlängerers (Komponente B) mit Oligomeren (Komponente A) in dem den Grünkörper 5 bildenden Baumaterial 3 initiiert werden. Der Kettenverlängerer und die Oligomere können dabei einen Bestandteil des Baumaterials 3 bilden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: dreidimensionales Objekt
3: Baumaterial
4: UV-Strahlung
5: Grünkörper
6: Bereich von unverfestigten Baumaterial
7: Steuerungseinrichtung
8: Erfassungseinrichtung
9: Recheneinrichtung
10: Strukturmittel
11: Bauplatte
12: Pfeil
13: erster Abschnitt von 10
14: zweiter Abschnitt von 10
15: Stabilitätsabschnitt von 10
16: Abschirmabschnitt von 10
17: Strahlungseinrichtung
18: Baubehälter
19: Boden von 18
20: Körper von 19
21: Zwischenbereich
22: Spiegelelement
101: erster Verfestigungsschritt
102: zweiter Verfestigungsschritt

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch folgende Verfahrensschritte: - sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung eines Grünkörpers (5), - Beaufschlagung des Grünkörpers (5) mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials (3) bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts (2), dadurch gekennzeichnet, dass - eine Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine UV-aushärtbaren Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in einem Bauraum erfolgt, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung (8) zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) - in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt (2) gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder - in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt (2) einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen wird, insbesondere werden die Daten ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerts des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts (2) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper (5) ausbildenden Baumaterial (3) maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfasst: - Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV-Eintrags zu einem zweiten UV-Eintrag der UV-Strahlung (4) innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder - eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung (4) in das Baumaterial innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder - eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung (4) innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder - eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung (4) innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschicht(en).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - durch eine Erfassungseinrichtung (8) erfasste und/oder - durch aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnene und/oder - im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte unter Verwendung einer künstliche-lntelligenz-(AI)-Techniken verwendenden Recheneinrichtung (9) ausgewertet und/oder bearbeitet werden, insbesondere um zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung des Grünkörpers (5) eingesetzt zu werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk, auf Basis der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation wird zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung des Grünkörpers (5) eingesetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Baumaterial (3) ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunstharz umfasst, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV-Strahlung (4) aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausbildung des Grünkörpers (5) vermittels der UV-Strahlung (4) umfassenden Belichtung des Baumaterials (3) wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper (5) verbundenes Strukturmittel (10) mit aufgebaut wird, wobei das Strukturmittel (10) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung (4) definiert höheren thermischen Energieeintrag erfährt, als der Grünkörper (5).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmittel (10) wenigsten einen Grünkörper (5) mit einer Bauplatte und/oder einen ersten Grünkörper (5) mit einem weiteren Grünkörper (5) verbindet, bevorzugt ist das wenigstens eine Strukturmittel (10) als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet, besonders bevorzugt ist Strukturmittel (10) mit einer Sollbruchstelle versehen, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel (10) von dem Grünkörper (5) und/oder der Bauplatte (11) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturmittel (10) wenigstens einen ersten Abschnitt (13) und einen zweiten Abschnitt (14) aufweist, wobei der erste Abschnitt (13) einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) erfährt als der zweite Abschnitt (14), bevorzugt erfährt der erste Abschnitt (13) und/oder der zweite Abschnitt (14) des Strukturmittels (10) einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) als der Grünkörper (5)
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmittel (10) zumindest einen Stabilitätsabschnitt (15) und wenigstens einen Abschirmabschnitt (16) aufweist, wobei der Stabilitätsabschnitt (15) einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) erfährt als der Abschirmabschnitt (16), wobei der Abschirmabschnitt (16) als ein den Stabilitätsabschnitt (15) äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist.
Dreidimensionales Objekt (2), insbesondere Fahrzeugbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.