DE4122326C1 - Three=dimensional shaped bodies prodn. - by putting powder on photosemiconductor by electrostatic force and transferring to workpiece support - Google Patents
Three=dimensional shaped bodies prodn. - by putting powder on photosemiconductor by electrostatic force and transferring to workpiece supportInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur werkzeuglosen Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern mittels Stereolithographie.The invention relates to a method for manufacturing without tools of three-dimensional shaped bodies using stereolithography.
Unter Stereolithographie versteht man Verfahren, mit denen man räumliche Modelle von Werkstücken oder schlechthin Körpern herstellen kann, die zuvor meist mittels CAD auf Computern konstruiert wurden. Die Forderung hierbei ist nun, diese Körper in uneingeschränkter Formenvielfalt und mit möglichst hoher Genauigkeit herzustellen. Gleichzeitig spielt die Herstellungsdauer eine wichtige Rolle.Stereolithography means processes with which to create spatial models of workpieces or simply bodies can, which were previously mostly constructed using CAD on computers. The requirement here is now, this body in unrestricted Manufacture variety of shapes and with the highest possible accuracy. At the same time, the production time plays an important role.
Der momentane Stand der Technik bietet nur zum Teil Lösungen für diese Anforderungen. Momentan lassen sich nur Genauigkeiten von ca. +/-0,3 mm erreichen. Außerdem unterliegen diese Verfahren Einschränkungen bezüglich der Form des Körpers. Weiterhin sind diese Verfahren sehr langsam (bis zu 10 Stunden pro Modell). Bestehende Verfahren haben auch den Nachteil, daß nur ein bestimmtes Material z. B. Wachs bzw. Fotopolymer verwendet werden kann (je nach Verfahren).The current state of the art only partially offers solutions for these Conditions. At the moment only accuracies of approx. +/- 0.3 mm can be achieved. In addition, these procedures are subject to restrictions the shape of the body. Furthermore, these procedures are very slow (up to 10 hours each Model). Existing processes also have the disadvantage that only a specific one Material e.g. B. wax or photopolymer can be used (depending on the procedure).
In einem bereits bestehenden Verfahren (US 49 29 402) wird ein flüssiges Fotopolymer mit einem UV-Laser partiell belichtet, welches durch die UV-Bestrahlung aushärtet. Ein Rechner mit geeignetem Cad-Programm zerlegt einen virtuellen Körper in verschiedene Schichten und schickt diese nacheinander zur Belichtungseinheit. Der Körper entsteht durch mehrere aufeinandergelagerte Schichten aus ausgehärtetem Fotopolymer. Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:In an existing process (US 49 29 402) a liquid Partially exposed photopolymer with a UV laser, which by the UV radiation cures. A computer with a suitable CAD program breaks down a virtual body into different layers and send them back one after the other Exposure unit. The body is created by several layers on top of each other made of hardened photopolymer. This method has the following disadvantages:
- 1. Um Teile des Körpers zu belichten, die in der zu belichtenden Schicht noch nicht mit dem Hauptteil des Körpers verbunden sind, müssen Stützstege mitbelichtet werden, da die Teile sonst "wegschwimmen".1. To expose parts of the body that are in the layer to be exposed are not yet connected to the main part of the body Support bars are also exposed, otherwise the parts "float away".
- 2. Die Genauigkeit ist nicht gut, da keine beliebig dünne Schicht flüssiges Fotopolymer auf bestehende Schichten aufgetragen und auch belichtet werden kann. 2. The accuracy is not good because there is no arbitrarily thin layer liquid photopolymer applied to existing layers and also can be exposed.
- 3. Das Fotopolymer braucht eine relativ hohe Lichtmenge zum Aushärten. Dadurch entstehen lange Belichtungszeiten.3. The photopolymer needs a relatively large amount of light to cure. This creates long exposure times.
- 4. Dem Fotopolymer können keine Farbstoffe zugesetzt werden.4. Dyes cannot be added to the photopolymer.
Ein weiteres Verfahren (Lasersintern) benutzt ein Kunststoffpulver zum Aufbau der einzelnen Schichten. Dabei wird eine dünne Schicht des Pulvers auf einen Werkstückträger aufgetragen, bis kurz vor den Schmelzpunkt aufgeheizt und anschließend mit einem Laser hoher Leistung belichtet, so daß die einzelnen Pulverkörner mit den benachbarten Körnern verschmelzen. Eine Vielzahl solcher Schichten übereinander bilden einen Formkörper.Another method (laser sintering) uses a plastic powder to build up the individual layers. A thin layer of powder is placed on a workpiece carrier applied until heated to just before the melting point and then exposed to a high power laser, so that the individual powder grains fuse with the neighboring grains. A large number of such layers one above the other form a shaped body.
Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:This method has the following disadvantages:
- 1. Da die einzelnen Körner relativ unkontrolliert miteinander verschmelzen, wird die Oberfläche der einzelnen Schichten nicht glatt. Es wird erforderlich, nach Auftragen der nächsten Pulverschicht die einzelnen Schichten mittels einer Walze zu glätten, wobei die Gefahr besteht, daß feine noch nicht mit dem Hauptkörper verbundene Schichtteile beim Glätten verschoben werden.1. Because the individual grains are relatively uncontrolled with each other merge, the surface of the individual layers does not become smooth. It becomes necessary after the next layer of powder has been applied smooth individual layers using a roller, taking the risk there is that fine not yet connected to the main body Layer parts are shifted during smoothing.
- 2. Es können nur bestimmte Werkstoffe eingesetzt werden, da sie auf jeden Fall einen niederigen Schmelzpunkt besitzen müssen, um die Laserleistung niedrig zu halten. Gleiches gilt für den Temperaturbereich, in dem ein Material vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Wird dieser Temperaturbereich größer, steigt auch damit die notwendige Laserleistung. Weiterhin muß das Material ein günstiges Absorptionsverhalten für die Strahlung des Lasers haben. Ein "durchsichtiges" Material wird vom Laser nicht geschmolzen.2. Only certain materials can be used because they definitely have to have a low melting point, to keep the laser power low. The same applies to the temperature range in which a material from solid changes to the liquid state. If this temperature range increases, the necessary one also increases Laser power. Furthermore, the material must have a favorable absorption behavior for the radiation from the laser. A "transparent" material is not melted by the laser.
- 3. Es tritt ein oft unkontrollierter Schwund der Formkörper ein, der die Maßhaltigkeit der Teile ungünstig beeinflußt.3. An often uncontrolled loss of shape occurs one that adversely affects the dimensional accuracy of the parts.
Beide Verfahren haben außerdem den Nachteil, daß zur Belichtung nicht das relativ einfache Rasterscanverfahren angewandt werden kann, da sich anderenfalls die einzelnen Schichten verziehen oder schrumpfen. Dadurch wird wertvolle Rechenzeit bei der Aufbereitung der CAD-Daten vergeudet.Both methods also have the disadvantage of not being used for exposure the relatively simple raster scanning process can be used because otherwise the individual layers warp or shrink. This saves valuable computing time when preparing the CAD data wasted.
Die Aufgabe war es nun, ein System zu konzipieren, welches es ermöglicht, Formkörper werkzeuglos, schnell und mit hoher Genauigkeit herzustellen. Außerdem sollte eine große Anzahl von verschiedenartigen Materialien verarbeitbar sein. The task now was to design a system that would enable Manufacture moldings without tools, quickly and with high accuracy. It should also have a large number of different materials be processable.
Die Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und durch Formkörper nach Anspruch 4. Die Erfindung basiert zwar auch auf dem System des schichtweisen Aufbaus von Körpern, zeigt aber die Nachteile der anderen Systeme nicht. Mit dem neuen System lassen sich schätzungsweise Genauigkeiten von mindestens +/-0,03 mm erreichen. Es lassen sich mit diesem System auch sehr filigrane Teile herstellen, z. B. ein naturgetreues Modell eines ganzen Uhrwerks. Es gibt eigentlich nur eine Einschränkung bezüglich der Form des Formkörpers und zwar sind keine geschlossenen Hohlräume herstellbar.The problem is solved by a method according to the characteristic Features of claim 1 and by shaped bodies according to claim 4. The invention is also based on the system of layered construction of bodies, but does not show the disadvantages of the other systems. The new system can be used to estimate the accuracy of reach at least +/- 0.03 mm. This system can also be used to make very delicate parts produce, e.g. B. a lifelike model of an entire movement. There is actually only one limitation to the shape of the molded body, and indeed no closed cavities can be produced.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand des folgenden Textes und den Zeichnungen beschrieben.An embodiment of the invention is based on the following text and the drawings.
Das System besteht im wesentlichen aus den Teilen eines Laserdruckers (Bild 3). Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird die Erklärung des Belichtungsteils nur ansatzweise beschrieben, da es sich hierbei um "Stand der Technik" eines Laserdruckers bzw. Fotokopierers handelt. Das Herzstück stellt ein Master aus einem Fotohalbleiter dar, z. B.: Cadmiumsulfid, Selen, Selen-Arsenid, Zinkoxyd oder ein organischer Fotohalbleiter (E).The system essentially consists of the parts of a laser printer ( Figure 3). In the further course of the description, the explanation of the exposure part is only partially described, since this is the “prior art” of a laser printer or photocopier. The centerpiece is a master from a photo semiconductor, e.g. For example: cadmium sulfide, selenium, selenium arsenide, zinc oxide or an organic photo semiconductor (E).
Der Master umspannt zwei Walzen, die dessen Antrieb übernehmen. Der Master rotiert ständig um die beiden Walzen (T) und wird währenddessen mit einer Hochspannungscorona (F) durch eine hohe Gleichspannung elektrostatisch aufgeladen. Nach der Beladung wird der Master mit einem He-Ne oder IR-Laser oder einer anderen Lichtquelle zeilenweise, nach der Form der 1. Schicht belichtet (G). Diese Schicht wurde zuvor von einem Computer auf der Basis von CAD-Daten berechnet. Dabei wird ein virtueller Körper in Schichten zerlegt, welche dann noch einmal in Zeilen und Rasterpunkte zerlegt werden. Der Modulator (H) übernimmt dabei die Helligkeitssteuerung des Laserstrahls entsprechend den einzelnen Rasterpunkten. Die Ablenkeinheit (I) lenkt den Laserstrahl zeilenweise auf den Master. An den belichteten Stellen fließt nun die Ladung durch den Fotohalbleitereffekt ab. An den unbelichteten Stellen bleibt die Ladung erhalten. Es befindet sich nun ein latentes "Elektrostatikbild" auf dem Master. Danach wird auf den Master mittels einer Magnetbürste ein Formmaterial in Pulverform aufgebracht (Toner).The master spans two rollers that take over its drive. The master rotates constantly around the two rollers (T) and is meanwhile with a high voltage corona (F) through a high DC voltage electrostatically charged. After loading the master is done with a He-Ne or IR laser or another light source line by line, exposed according to the shape of the 1st layer (G). This layer was previously done by a computer based on CAD data calculated. A virtual body is broken down into layers, which then be broken down again into lines and halftone dots. The modulator (H) takes over the brightness control of the Laser beam corresponding to the individual halftone dots. The deflection unit (I) directs the laser beam line by line onto the master. The charge now flows through the exposed areas Photo semiconductor effect. The charge remains in the unexposed areas. There is now a latent "electrostatic image" on the master. Then a molding material is applied to the master using a magnetic brush applied in powder form (toner).
Das Formmaterial wurde zuvor durch Reibung mit dem Entwickler mit gegensätzlicher Ladung aufgeladen. Dies geschieht in der Entwicklerbox 1 (J).The molding material was previously charged by friction with the developer with opposite charges. This is done in developer box 1 (J).
Das Formmaterial wird nun wiederum durch die Übertragungscorana (M) vom Master auf den Werkstückträger (Q) übertragen. Dazu wird der Werkstückträger synchron zur Masterbewegung mittels des Motors (R) unter der Corona (M) hindurchbewegt. Die Schichtdicke kann in bestimmten Grenzen durch die Spannung an der Beladungscorona (F) gesteuert werden.The molding material is in turn transferred from the transfer corana (M) Transfer the master to the workpiece carrier (Q). To do this, the workpiece carrier is synchronized with the master movement by means of the motor (R) under the corona (M). The layer thickness can be limited by the voltage can be controlled on the loading corona (F).
Nach der Übertragung der ersten Schicht wird der Master durch die Entladecorona (O) entladen, von der Nachbelichtungslampe (K) nachbelichtet und von der Reinigungsstation (U) gereinigt. Nun wird ein zweiter "ähnlicher Vorgang gestartet" nur mit dem Unterschied, daß bei diesem Vorgang ein Füllstoff mit anderen chemischen, thermischen oder mechanischen Eigenschaften auf den Werkstückträger übertragen wird und zwar mit komplementärer Form (Bild 2 A+B). Der Füllstoff kommt aus der Entwicklerbox 2 (L), die dazu zur Walze (T) hinbewegt wird, gleichzeitig wird die Entwicklerbox 1 (J) von der Walze wegbewegt. Formmaterial und Füllstoff zusammen bilden auf dem Träger (Q) die erste Schicht.After the transfer of the first layer, the master is discharged by the discharge corona (O), post-exposed by the post-exposure lamp (K) and cleaned by the cleaning station (U). Now a second "similar process" is started with the only difference that in this process a filler with different chemical, thermal or mechanical properties is transferred to the workpiece carrier and with a complementary shape ( Fig. 2 A + B). The filler comes from the developer box 2 (L), which is moved towards the roller (T), at the same time the developer box 1 (J) is moved away from the roller. Molding material and filler together form the first layer on the carrier (Q).
Dann wird diese Schicht mittels einer hochpräzisen Heizwalze (N) fixiert, das heißt Formmaterial und Füllstoff werden gesintert. Es bildet sich eine dünne, gesinterte Schicht aus Formmaterial und Füllmaterial auf dem Werkstückträger (5-100 µm dick).Then this layer is fixed by means of a high-precision heating roller (N), that is, the molding material and filler are sintered. A thin, sintered layer of molding material and Filling material on the workpiece carrier (5-100 µm thick).
Um nun die nächste Schicht aufzutragen, wird der Werkstückhalter mit dem Höhenverstellungsmotor (S) um die Schichtdicke der letzten Schicht abgesenkt. Jetzt kann die nächste Schicht aufgetragen werden. Nach diesem Verfahren wird Schicht für Schicht aufgetragen, bis ein kompletter Körper bearbeitet ist. Die Pulverkörner verbacken miteinander und bilden einen festen Block aus zwei verschiedenen Materialien, der nun vom Werkstückhalter abgenommen wird zur weiteren Bearbeitung.To now apply the next layer, the workpiece holder with the height adjustment motor (S) by the layer thickness of the last one Layer lowered. Now the next layer can be applied. This process is applied layer by layer, until a complete body is processed. The powder grains bake together and form a solid block two different materials, which is now removed from the workpiece holder becomes for further processing.
Es werden jetzt die Füllstoffanteile entfernt, dies kann zum Beispiel durch Auswaschen, Abätzen oder ähnliches geschehen. Das resistente Formmaterial bleibt als fertiges Modell übrig. Beide Materialien müssen etwa den gleichen Schmelzpunkt haben, damit sie mit derselben Temperatur gesintert werden können. Grundsätzlich kommen fast alle thermoplastischen Kunststoffe als Material in Betracht, sie müssen nur geeignete elektrostatische Eigenschaften besitzen. The filler parts are now removed, this can be done, for example, by washing, etching or the like. The resistant molding material remains as a finished model. Both materials must have approximately the same melting point, so that they can be sintered at the same temperature. Basically, almost all thermoplastic materials come as material, they just have to be suitable have electrostatic properties.
Da wegen der Temperatur die Möglichkeit der Heizwalzensinterung nur bei thermoplastischen Kunststoffen besteht, kann auch ohne Fixierung die nächste Schicht aufgetragen werden. In diesem Fall wird der fertig aufgeschichtete Pulverblock nachträglich gesintert, was allerdings den Nachteil hat, daß das Werkstück beim Sintern schrumpft. Es ist aber genauso möglich, anstatt eines schmelzenden Füllmaterials, z. B. Glaspulver zu verwenden, wobei durch die notwendige Flächensinterung ein thermoplastischer Stoff als Formmaterial benutzt werden muß, z. B. Wachse, Kunststoffe, Zucker. Dann muß allerdings der Pulverblock durch eine Seitenbegrenzung vor dem Auseinanderfallen geschützt werden. Diese Seitenbegrenzung wird einfach aus Formmaterial ausgeführt, indem ein Rahmen mitbelichtet und aufgeschichtet wird. In diesem Fall kann das fertige Modell einfach aus dem Glaspulver entnommen und abgeschüttelt werden.Because of the temperature, the possibility of heating roll sintering only at consists of thermoplastics, can also without fixation next layer can be applied. In this case, the powder block that has been stacked up will be added subsequently sintered, which has the disadvantage, however, that the workpiece is sintered shrinks. But it is also possible, instead of a melting filler, e.g. B. to use glass powder with the necessary surface sintering a thermoplastic material must be used as a molding material, e.g. B. waxes, plastics, sugar. Then, however, the powder block must pass through a side boundary be protected from falling apart. This side boundary is simply made from molding material by a frame is exposed and stacked. In this case, the finished model can simply be made from the glass powder removed and shaken off.
Es kommt auch eine Verarbeitung vom Oxydkeramik in Betracht, sogar eine Verarbeitung von Metallen ist möglich. Die Metalltonerkörner müssen dann ganz dünn mit einem Flußmittel/Isoliermittel beschichtet sein, um sie elektrostatisch verarbeiten zu können. Beim Sintern kann dann die Isolierschicht als Flußmittel dienen z. B. Glas, Borax o. ä.Processing of oxide ceramics is also possible, even processing of metals is possible. The metal toner grains must then be very thin with one Flux / insulators may be coated to make them electrostatic to be able to process. The insulating layer can then serve as a flux during sintering e.g. B. glass, borax or the like
Bei einer Verarbeitung von Metallen bzw. Keramiken muß allerdings erst ein kompletter Pulverblock mit lose aufeinandergeschichteten Lagen hergestellt werden, welcher dann anschließend im Ofen gesintert wird. In diesem Fall muß dann eine Schwundzugabe gemacht werden, da beim Sintern die Werkstücke "eingehen".When processing metals or ceramics however only a complete powder block with loose layers are produced, which then is then sintered in the furnace. In this case a shrinkage allowance has to be made, because the workpieces "shrink" during sintering.
Bei der Verarbeitung von Keramik und Metallen muß Formmaterial und Füllstoff in etwa den gleichen Schmelzpunkt besitzen, damit Formmaterial und Füllstoff beim Sintern gleichzeitig "eingehen".When processing ceramics and metals, molding material and Filler have approximately the same melting point, so that the molding material and filler "shrink" at the same time during sintering.
Claims (4)
daß pulverförmige Materialien mittels elektrostatischer Kräfte auf einen Fotohalbleiter (E) aufgebracht werden,
daß das Formmaterial vom Fotohalbleiter (E) auf einen Werkstückträger (Q) übertragen wird,
daß weitere Schichten aufgebracht werden, und
daß nach dem Aufbringen jeder einzelnen Schicht gesintert wird oder alle Schichten zusammen gesintert werden.1. A process for the production of three-dimensional shaped bodies, in particular functional models, cast models and dies in mold construction, characterized by stereolithography ,
that powdery materials are applied to a photo semiconductor (E) by means of electrostatic forces,
that the molding material is transferred from the photo semiconductor (E) to a workpiece carrier (Q),
that additional layers are applied, and
that after the application of each individual layer is sintered or all layers are sintered together.
daß ein Füllstoff auf den Werkstoffträger (Q) übertragen wird, wobei Formmaterial und Füllstoff zusammen die erste Schicht bilden, und
daß von dem dreidimensionalen Block aus Formmaterial und Füllmaterial das Füllmaterial entfernt wird, so daß der eigentliche Formkörper zurückbleibt.2. The method according to claim 1, characterized in that
that a filler is transferred to the material carrier (Q), the molding material and filler together forming the first layer, and
that the filling material is removed from the three-dimensional block of molding material and filling material, so that the actual molding remains.
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