DE19808569A1 - Verfahren zum raschen Erzeugen eines Bauteils aus Folienlaminat - Google Patents

Verfahren zum raschen Erzeugen eines Bauteils aus Folienlaminat

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum raschen Erzeugen eines Bauteils aus Folienlaminat, bei dem die Folien miteinander verbunden und mit Hilfe eines Laserstrahls beschnitten werden. DOLLAR A Bei dem Verfahren handelt es sich um das Laminated Object Manufacturing (LOM). Dabei wird das Bauteil aus Folien gebildet, die mit Hilfe eines Klebers miteinander verbunden werden. Die Aktivierung des Klebers erfolgt durch eine beheizte Walze, die in Kontakt mit der Folie gebracht wird. DOLLAR A Um bei diesem Verfahren nicht an eine bestimmte komplizierte Maschine gebunden zu sein, erfolgt das Verbinden der Folien miteinander erfindungsgemäß durch sukzessives Abscannen der jeweils obersten Folie mit dem Laserstrahl.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines drei­ dimensionalen Bauteils aus Folien, die miteinander verbunden und mit Hilfe eines Laserstrahls beschnitten werden.
Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Rapid-Prototyping-Ver­ fahren, genauer gesagt um das Laminated Object Manufacturing (LOM). In der europäischen Patentschrift EP 0 272 305 B1 ist ein derartiges Verfahren beschrieben. Ausgangspunkt des Ver­ fahrens ist ein dreidimensionales CAD-Modell, das in Schichten zerlegt wird. Die Schichten werden von Folien gebildet, die mithilfe eines Klebers miteinander verbunden werden. Die Akti­ vierung des Klebers erfolgt durch eine beheizte Walze, die in Kontakt mit der Folie gebracht wird. Dabei muß die beheizte Walze exakt zu der Folie geführt werden, um eine gleichmäßige Aktivierung des Klebers zu gewährleisten. Mithilfe des Laser­ strahls wird dann die Geometrie einer Schicht des zu er zeugen­ den dreidimensionalen Objekts herausgeschnitten. Anschließend wird die nächste Folie mithilfe der beheizten Walze aufgeklebt.
Die für das LOM-Verfahren verwendeten Maschinen umfassen einen stufenlos absenkbaren Werkstückaufnahmetisch, mit dem erreicht wird, daß die jeweils oberste Folie stets in Höhe der Unter­ kante der beheizten Walze zu liegen kommt. Das Volumen der zur erzeugenden dreidimensionalen Bauteile wird in Richtung der Achse der beheizten Walze durch die mögliche durchbiegungsfrei beherrschbare Walzenlänge begrenzt, denn zur Kontakterwärmung der Folie ist ein gewisser Anpreßdruck der Walze erforderlich.
In Verfahrrichtung der beheizten Walze wird das Bauteil durch thermische und mechanische Verzugsneigung begrenzt, die auch als Walkeffekt bezeichnet wird und mit der Bauteilgröße zu­ nimmt. Darüber hinaus hat sich als nachteilig erwiesen, daß Kleber in flüssiger Form aus den Folienlagen herausgequetscht wird und zu Maßabweichungen oder unerwünschten Verklebungen mit dem umgebenden Material führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zum Er­ zeugen eines dreidimensionalen Bauteils aus Folien zu verbes­ sern. Insbesondere soll das Verfahren nicht an eine bestimmte komplizierte Maschine gebunden sein.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Erzeugen eines dreidi­ mensionalen Bauteils aus Folien, die miteinander verbunden und mithilfe eines Laserstrahls beschnitten werden, dadurch gelöst, daß das Verbinden der Folien miteinander durch sukzessives Ab­ scannen der jeweils obersten Folie mit dem Laserstrahl erfolgt. Dadurch kann die beim Stand der Technik zum Verkleben der Fo­ lien benötigte beheizte Walze weggelassen werden. Folglich ent­ fällt die beim Stand der Technik auftretende Beschränkung der Bauteilgröße. Außerdem hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es praktisch auf jedem Maschinentisch unter Ein­ satz eines den Laserkopf führenden Präzisionsroboters ausge­ führt werden kann.
Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserstrahl beim Verbinden der Folien defo­ kussiert wird. Das Defokussieren des Laserstrahls kann in be­ kannter Art und Weise erfolgen. Durch das Defokussieren des Laserstrahls wird das Wärmeeinflußvolumen des Laserstrahls vergrößert. Gleichzeitig sinkt die eingebrachte spezifische Wärmemenge. Dadurch ist es möglich, mit demselben Laser, der zum Schneiden der Folien verwendet wird, auch die Verbindung zwischen den Folien herzustellen.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind und durch die Einwirkung des Laser­ strahls miteinander verschweißt werden. Mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren können Folien ohne Kleber miteinander verbunden werden. Das hat den Vorteil, daß dreidimensionale Bauteile mit einer geringen Anisotropie erzeugt werden können. Der gemäß dem Stand der Technik verwendete Kleber führt zu einem Werkstoff­ wechsel in den Folienlagen, was zu einer starken Anisotropie des fertigen Bauteils führt.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus einem lotbeschichteten Me­ tall gebildet sind und durch die Einwirkung des Laserstrahls miteinander verlötet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch zum Verlöten von weichlotbeschichteten Metall­ folien eingesetzt werden.
Eine weitere besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus Papier, Kunststoff oder Me­ tall gebildet und mit einem Kleber beschichtet sind. Die Erfin­ dung kann auch auf das aus dem Stand der Technik bekannte Ver­ kleben von kleberbeschichteten Folien angewendet werden. Die Erfindung bewirkt eine erhebliche Vereinfachung des apparativen Aufwandes und kann dennoch auf bekannte mit Kleber beschichtete Folien angewendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzel­ nen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Fig. 1 zeigt das Schneiden von zwei übereinander angeordne­ ten Folien; und
Fig. 2 zeigt das Verbinden von zwei übereinander angeordne­ ten Folien.
In Fig. 1 sind zwei miteinander verbundene Folien 1 und 2 dar­ gestellt. Ein Laserstrahl 3 wird über Spiegel 4 und 5, die in einem Gehäuse 6 angeordnet sind, senkrecht zu der Folie 2 ge­ richtet und auf deren Oberfläche fokussiert. Ein Volumenelement 7 deutet den Verlauf des Wärmeeinflusses des Laserstrahls in den zwei Folien 1 und 2 an. Das Schneiden der Folien mithilfe eines Laserstrahls ist beim Laminated Object Manufacturing be­ kannt.
In Fig. 2 ist eine Folie 11 dargestellt, die auf einem her­ kömmlichen Maschinentisch angeordnet sein kann. Auf der Folie 11 liegt eine zweite Folie 12. Die beiden Folien 11 und 12 be­ stehen aus einem thermoplastischen Kunststoff. Die beiden Fo­ lien 11 und 12 werden durch die Einwirkung eines Laserstrahls 13 stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Laserstrahl 13 wird über Spiegel 4 und 5, die in einem Gehäuse 6 angebracht sind, senkrecht zu den Folien 11 und 12 gerichtet. Der Laser­ strahl 13 ist defokussiert. Der Fokus F des Laserstrahls 13 befindet sich nicht, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Schneidvorgang, auf der Folienoberfläche, sondern in einem Ab­ stand zu der Folienoberfläche innerhalb des Gehäuses 6.
Wie man in Fig. 2 sieht, ist das Volumenelement 17, das ein Maß für den Wärmeeinfluß des nicht fokussierten Laserstrahls 13 ist, deutlich größer als das Volumenelement 7 in Fig. 1. Das bedeutet, daß bei dem in Fig. 2 dargestellten Verbinden der Folien 11 und 12 die gleiche Wärmemenge auf ein größeres Volumen verteilt wird. Das bedeutet, daß das Folienmaterial beim in Fig. 2 dargestellten Verbinden nicht so stark erhitzt wird wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Schneiden. Beim Schneiden wird das Folienmaterial entweder verbrannt oder so sehr verflüssigt, daß es abfließt. Beim Verbinden wird das Folienmaterial nur soweit erwärmt, daß die beiden Folien 11 und 12 eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.
Das hat den Vorteil, daß das Bauteil aus einem einzigen Poly­ mer aufgebaut werden kann. Die zu erreichende Bauteilfestigkeit entspricht der Folienfestigkeit. Die Eigenschaften der fertigen Bauteile verändern sich beim Lagern nicht. Je nach den Anforde­ rungen an das Bauteil kann ein Folienmaterial gewählt werden, das temperaturbeständig, medienbeständig, transparent etc. ist. Beim Schichtaufbau treten keine Haftungsprobleme aufgrund von thermischen Reaktionen des Klebers auf (Delamination).
Der schichtweise Aufbau eines Bauteils geht wie folgt vor sich. Zwei übereinander liegende Polymerfolien werden mithilfe eines defokussierten Laserstrahls miteinander verschweißt. Anschlie­ ßend werden die Bauteilkonturen mithilfe eines fokussierten La­ serstrahls ausgeschnitten. Daraufhin wird die nächste Folie aufgelegt und mit den darunter liegenden Folien verschweißt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Bauteil fertig ist.
Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauteile aus kleberbeschichteten Folien oder Verbundfolien aufgebaut werden. Es können beispielsweise Halbleiterlaser ver­ wendet werden, deren Wellenlänge an das verwendete Folienmate­ rial angepaßt ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bauteils aus Folien (1, 2), die miteinander verbunden und mithilfe eines Laserstrahls (3) beschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Folien (11, 12) miteinander durch sukzessives Abscannen der jeweils obersten Folie (12) mit dem Laserstrahl (13) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (13) beim Verbinden der Folien (11, 12) defokussiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (11, 12) aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind und durch die Einwirkung des La­ serstrahls (13) miteinander verschweißt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (11, 12) aus einem lotbeschichteten Metall gebildet sind und durch die Einwirkung des Laserstrahls (13) miteinander verlötet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (11, 12) aus Papier, Kunststoff oder Me­ tall gebildet und mit einem Kleber beschichtet sind.
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