DE10256672B4

DE10256672B4 - Verfahren zur Trennung stereolithographisch ausgehärteter Materialschichten von einer Kontaktfläche

Info

Publication number: DE10256672B4
Application number: DE10256672.0A
Authority: DE
Inventors: Hendrik John
Original assignee: Envisiontec GmbH
Current assignee: Envisiontec GmbH
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: DE10256672A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch Überlagerung aufeinanderfolgender, selektiv durch elektromagnetische Strahlung verfestigter Oberflächenschichten eines flüssigen Materials (4), wobei das Material (4) an einer Kontaktfläche aushärtet, die sich während der Aushärtung in einer Referenzebene (10) befindet und
wobei die zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) von der Kontaktfläche getrennt wird,
wobei das flüssige Material (4) in einem Behälter (11) vorgelegt wird, der als Wanne (11) ausgebildet ist, um das flüssige Material (4) aufzunehmen,
wobei die Kontaktfläche durch die dem Behälterinneren zugewandten Seite einer transparenten Bodenplatte (7), mit oder ohne Trennschicht (6), verkörpert wird,
und wobei die elektromagnetische Strahlung durch die transparente Bodenplatte (7) hindurchgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) maximal um das erforderliche Maß für die nächste Schichtdicke von der Referenzebene (10) weg bewegt wird und zusätzlich die Kontaktfläche von der Referenzebene (10) und der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) weg bewegt und nach Ablösen von der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) in die Referenzebene (10) gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung stereolithographisch ausgehärteter Materialschichten von einer Kontaktfläche.
Für den schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Objekte aus „lichthärtenden“ Photopolymeren werden in der Literatur unterschiedlichste Verfahren angegeben, siehe hierzu „Automated Fabrication - Improving Productivity in Manufacturing“ von Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3).
Unter die beschriebenen Verfahren fallen drei Varianten, bei der die zu erzeugende Schicht an einer transparenten Kontaktfläche, ein sogenanntes „Contact Window“ (KontaktFenster), durch diese hindurch selektiv belichtet wird und polymerisiert/aushärtet. Die drei Varianten sind in den 1 bis 3 dargestellt, wobei jeweils ein schichtweise aufgebautes Objekt 1, eine Trägerplatte 2, ein Kontaktfenster 3, das Photopolymer 4 und die Strahlen 5 aus der selektiven Belichtungseinheit gezeigt sind.
Um die ausgehärtete Materialschicht von der Kontaktfläche trennen zu können, wird in den Druckschriften US 5 171 490 A und DE 41 25 534 A1 eine Lösung für eine Trennschicht mit Hilfe einer dünnen Folie aus flexiblem Kunststoff beschrieben.
In der offengelegten deutschen Patentanmeldung DE 101 19 817 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren für die zerstörungsfreie Trennung ausgehärteter Materialschichten von einer planen Bauebene durch die Anordnung einer elastisch verformbaren Trennschicht beschrieben. Im Stand der Technik wird die zuletzt geformte Schicht schrittweise um die jeweilige Schichtdicke von der Bauebene, die in der Refernzebene liegt, weg bewegt.
In der Patentschrift EP 0 171 069 B1 wird der Zufluß flüssigen Materials dadurch erleichtert, dass die Bewegung der zuletzt geformten Schicht über das erforderliche Maß (Schichtdicke) hinaus von der bestimmten Oberfläche (Bauebene/Referenzebene) weg und anschließend wieder auf das erforderliche Maß (Schichtdicke) zurück bewegt wird.
EP 0 435 564 A2 beschreibt ein System zur Herstellung von 3D-Objekten, bei dem ein gespannter Film unter Verwendung einer transparenten Platte gegen eine foto-formbare Zusammensetzung gedrückt wird, um eine ebene Oberfläche zu erzeugen. Nach der Belichtung wird die transparente Platte vom Baubereich wegbewegt und die Folie vom Objekt abgezogen. Die Bauplattform sinkt dann hinab, um eine weitere Schicht der foto-formbaren Zusammensetzung über das Objekt fließen zu lassen, und die Platte wird in den Baubereich zurückgeführt, um wieder eine ebene Oberfläche zu schaffen.
Bei der selektiven Belichtung durch Laser oder Maske in unterschiedlich geformten Flächenstrukturen direkt an einer, der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite einer transparenten Kontaktfläche, polymerisiert das Harz in direktem Kontakt mit dieser Fläche in der Bauebene/Referenzebene aus. Durch die in der DE 101 19 817 A1 beschriebene und in den 4 und 5 ersichtliche Anordnung einer elastischen Trennschicht 6, wird der sogenannte Schäleffekt genutzt, dass heißt die elastische Trennschicht 6 verformt sich elastisch durch die noch andauernde Haftung der Trennschicht an der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 und schält sich dann sukzessive durch die der elastischen Verformung zugrunde liegenden intern aufgebauten Kräfte von der auspolymerisierten Objektschicht ab, wodurch die Trennkräfte in Z-Richtung aufgrund einer Kräftevektorenzerlegung verringert werden.
Bleibt das Kontaktfenster 7 bzw. die Bauebene mit samt der Trennschicht 6 in Ruhe und wird nur die zuletzt auspolymerisierte Objektschicht 9 um die erforderliche Schichtdicke von der Bauebene weg bewegt, so verlängert sich die Trennzeit um so mehr, je dünner die zu bauenden Schichten werden, bis zu dem Extremfall, wo sich die elastische Trennschicht 6 aufgrund der zu klein gewordenen elastischen Verformung nicht mehr von der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 löst.
Je größer die Fläche der auspolymerisierten Schicht ist, um so höher sind die Adhäsionskräfte zwischen der Objektschicht und der Trennschicht, insbesondere wenn das Objekt senkrecht zur Bauebene getrennt wird. Dies kann zu einer Beeinträchtigung des Bauprozesses führen und begrenzt die maximal aushärtbare Fläche einer Objektschicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für den Trennprozess bereitzustellen, mit dem auch sehr dünne Schichten gebaut werden können, und bei dem die zuletzt auspolymerisierte Objektschicht während des schrittweisen Bauprozesses nicht über das erforderliche Maß (Schichtdicke) hinaus bewegt werden muß und die Trennkräfte um ein erhebliches Maß reduziert werden, um eine möglichst große härtbare Fläche zu erreichen. Dabei ist eine zeitoptimierte Lösung des gesamten Bauprozesses zu berücksichtigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1 bis 3: jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine bekannte Stereolithographievorrichtung;
4 und 5: eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung;
6: eine schematische Darstellung des Prinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
8 bis 11: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
12: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
13 bis 16: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Lösung der Aufgabe wird anhand der 4 bis 6 erläutert, in der eine elastische Trennschicht 6 als direkte Beschichtung auf eine transparente Bodenplatte 7 aufgebracht ist und die Bodenplatte 7 einschließlich Trennschicht 6 als Polymerisationswanne 11 ausgebildet ist, um das Photopolymer 4 aufzunehmen.
Zur Realisierung und Beschleunigung des Trennvorganges wird, um die Trennkräfte zu reduzieren, die Polymerisationswanne 11 - also Bodenplatte 7 samt Beschichtung 6 - von der Referenzebene 10 und der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 weg, jenseits des Niveaus der Referenzebene 10 bewegt, so dass sich die elastisch verformbare Trennschicht 6 von der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 ablöst/abschält. Die Referenzebene 10 ist dabei definiert als die Ebene, in der gebaut wird und in der sich die Kontaktfläche (Oberseite der Trennschicht 6) befindet, während die Objektschicht 9 belichtet/ausgehärtet wird.
Anschließend wird die zuletzt auspolymerisierte Objektschicht 9 um die erforderliche Schichtdicke von der Referenzebene 10 weg bewegt und abschließend wird die Bodenplatte 7 mit Trennschicht 6 wieder in Ihre Ausgangslage gebracht, so dass sich die Kontaktfläche wieder in der Referenzebene 10 befindet und die folgende Schicht belichtet werden kann.
Die Vorteile der Erfindung sind wie folgt: Das Ablösen bzw. Abschälen der elastischen Trennschicht 6 wird durch das Absenken der Bodenplatte 7 gesteuert bzw. forciert. Dadurch ist das Verfahren der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 über das erforderliche Maß hinaus nicht mehr notwendig.
Die Trennkräfte werden durch das Absenken zum Beispiel in Form eines Abkippens oder Abschwenkens der Bodenplatte 7 bzw. Polymerisationswanne 11 drastisch reduziert.
Die Anordnung in 6 zeigt eine Vorrichtung für ein Rapid Prototyping Verfahren mit Hilfe der Photoverfestigung, wobei sich in einer Polymerisationswanne 11 mit einer transparenten Bodenplatte 7 (z.B. aus Glas) und einer direkt aufgebrachten Trennschicht 6 flüssiges Material 4 (lichthärtender Kunststoff) befindet. Über der Polymerisationswanne 11 befindet sich eine Trägerplatte 12 die in vertikaler Richtung zur Bodenplatte 7 durch eine Lineareinheit angehoben und abgesenkt werden kann.
Für die erste Schicht wird die Trägerplatte 12 soweit in das Material 4 eingetaucht, dass die Tiefenhärtung des selektiv belichteten Photopolymers 8 (z.B. durch Multimedia Projektor oder Laser) eine feste Haftung an der Unterseite der Trägerplatte 12 gewährleistet.
Wird die Trägerplatte 12 mit samt der ausgehärteten Objektschicht(en) angehoben, beginnt sich die Trennschicht 6 von der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 zu lösen.
Die folgenden Ausführungsformen beschreiben unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zum oben dargestellten Lösungsansatz.
Ausführung 1
Wie in 7 gezeigt ist, kann die Bodenplatte 7 kann in beliebiger Bewegungsrichtung gegenüber der Referenzebene 10 durch Aktuatoren 13 abgesenkt und wieder hochgefahren werden.
Die 8 bis 11 zeigen das Verfahren. Das Objekt 1 mit der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 wird während des Bauprozesses schritt- und schichtweise nach oben gefahren. Nach jedem Schichtaushärtungsvorgang wird die Bodenplatte 7 Ablösen/Abschälen der Trennschicht 6 nach unten abgesenkt und anschließend wieder in die Ausgangslage überführt.
Ausführung 2
Wie aus 12 ersichtlich ist, ist die Bodenplatte 7 an einer Seite über eine oder mehrere Schwenkeinrichtungen 14 schwenkbar gelagert. An der gegenüberliegenden Seite lässt sich die Bodenplatte 7 über einen oder mehrere Aktuatoren 13 nach unten/oben kippen. Nach oben wird die Bewegung durch mechanische Anschläge begrenzt an denen die Bodenplatte 7 im Ruhezustand mit der Oberseite der Trennschicht 6 in der Referenzebene 10 bzw. Bauebene gehalten wird..
Die 13 bis 16 zeigen ein zugehöriges Verfahren. Das Objekt 1 mit der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 wird während des Bauprozesses schritt- und schichtweise nach oben gefahren. Nach jedem Schichtaushärtungsvorgang wird die Bodenplatte 7 zum Ablösen/Abschälen der Trennschicht 6 nach unten geschwenkt und anschließend wieder in die Ausgangslage (Referenzebene 10) überführt.
Ausführung 3
Unterhalb der Bodenplatte 7 ist eine weitere transparente Platte angeordnet, wodurch zwischen den Platten eine Kammer ausgebildet wird, an die über einen Kanal ein Unterdruck angelegt werden kann. Das Objekt 1 mit der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9 wird während des Bauprozesses schritt- und schichtweise nach oben gefahren. Nach jedem Schichtaushärtungsvorgang wird kurzzeitig ein entsprechender Unterdruck an der Kammer angelegt. Durch den angelegten Unterdruck wölbt und/oder bewegt sich die Bodenplatte 7 nach innen/unten und forciert somit den Ablösevorgang der Trennschicht 6 von der zuletzt auspolymerisierten Objektschicht 9. Durch Druckausgleich in der Kammer geht die Bodenplatte 7 in Ihre Ursprungslage zurück.
Die in den Ausführungen beschriebenen Vorgänge sind in der Reihenfolge Ihrer Abläufe variabel und wiederholen sich so lange, bis das gesamte Objekt 9aus den Schichten aufgebaut ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch Überlagerung aufeinanderfolgender, selektiv durch elektromagnetische Strahlung verfestigter Oberflächenschichten eines flüssigen Materials (4), wobei das Material (4) an einer Kontaktfläche aushärtet, die sich während der Aushärtung in einer Referenzebene (10) befindet und wobei die zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) von der Kontaktfläche getrennt wird, wobei das flüssige Material (4) in einem Behälter (11) vorgelegt wird, der als Wanne (11) ausgebildet ist, um das flüssige Material (4) aufzunehmen, wobei die Kontaktfläche durch die dem Behälterinneren zugewandten Seite einer transparenten Bodenplatte (7), mit oder ohne Trennschicht (6), verkörpert wird, und wobei die elektromagnetische Strahlung durch die transparente Bodenplatte (7) hindurchgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) maximal um das erforderliche Maß für die nächste Schichtdicke von der Referenzebene (10) weg bewegt wird und zusätzlich die Kontaktfläche von der Referenzebene (10) und der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) weg bewegt und nach Ablösen von der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) in die Referenzebene (10) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Kontaktfläche weg von der Referenzebene (10) und der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) vor der Bewegung der zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) von der Referenzebene (10) weg erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der zuletzt ausgehärtete Objektschicht (9) von der Referenzebene (10) weg vor der Bewegung der Kontaktfläche weg von der Referenzebene (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche durch die Oberseite einer unelastischen Trennschicht (6) verkörpert wird, die direkt auf der transparenten Bodenplatte (7) aufgebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche durch die Oberseite einer elastischen Trennschicht (6) verkörpert wird, die direkt auf der transparenten Bodenplatte (7) aufgebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (7) an einer Achse (14) schwenkbar gelagert ist und durch Aktuatoren (13) um diese Achse geschwenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (7) nach Aushärtung der aktuellen Objektschicht (9) um die entsprechende Achse (14) von der Referenzebene (10) und der Objektschicht (9) weggeschwenkt wird und nach Ablösen der Trennschicht (6) von der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) wieder in die Ausgangslage zurückgeschwenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (7) in beliebiger Bewegungsrichtung von der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) und der Referenzebene (10) mit Hilfe von Aktuatoren (13) wegbewegt wird und nach Ablösen der Trennschicht (6) von der zuletzt ausgehärteten Objektschicht (9) wieder in die Ausgangslage zurück bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Bodenplatte (7) eine weitere transparente Platte angeordnet ist, so dass zwischen den Platten eine Kammer ausgebildet wird, an die ein Unterdruck angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck an die Kammer angelegt wird, so dass sich die Bodenplatte (7) samt Trennschicht (6) von der Referenzebene (10) und dem Objekt (9) weg bewegt, bis sich die Trennschicht (6) komplett von der ausgehärteten Objektschicht (9) abgelöst hat und die Bodenplatte (7) mit der Trennschicht (6) wieder in die Referenzebene (10) gelangen kann.