DE4244579A1 - Verfahren zur werkzeuglosen Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern durch Stereolithographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur werkzeuglosen Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern insbesondere Funktionsmodellen, Gußmodellen und Matrizen im Formenbau, durch Stereolithographie.

Unter Stereolithographie versteht man Verfahren, mit denen man räumliche Modelle von Werkstücken oder schlechthin Körpern herstellen kann, die zuvor meist mittels CAD auf Computer 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.

Das bestehende System Patent Nr. 41 22 326 (Hauptpatent) funktioniert wie folgt: Das System besteht im wesentlichen aus den Teilen eines Laserdruckers. 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.

Der Master umspannt zwei Walzen, die dessen Antrieb übernehmen. Der Master rotiert ständig um die beiden Walzen und wird währenddessen mit einer Hochspannungscorona durch eine hohe Gleichspannung elektrostatisch aufgeladen. Nach der Beladung wird der Master mit einem He-Ne oder einem IR-Laser oder einer anderen Lichtquelle zeilenweise, nach der Form der 1. Schicht belichtet. 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 übernimmt dabei die Helligkeitssteuerung des Laserstrahls entsprechend den einzelnen Rasterpunkten. Die Ablenkeinheit 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).

Das Formmaterial wurde zuvor durch Reibung mit dem Entwickler mit gegensätzlicher Ladung aufgeladen. Dies geschieht in der Entwicklerbox 1. Das Formmaterial wird nun wiederum durch die Übertragungscorona vom Master auf den Werkstückträger übertragen. Dazu wird der Werkstückträger synchron zur Masterbewegung mittels des Motors unter der Corona hindurchbewegt. Die Schichtdicke kann in bestimmten Grenzen durch die Spannung an der Beladungscorona gesteuert werden.

Nach der Übertragung der ersten Schicht wird der Master durch die Entladecorona entladen, von der Nachbelichtungslampe nachbelichtet und von der Reinigungsstation 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. Der Füllstoff kommt aus der Entwicklerbox 2, die dazu zur Walze hinbewegt wird, gleichzeitig wird die Entwicklerbox 1 von der Walze wegbewegt. Formmaterial und Füllstoff zusammen bilden auf dem Träger die erste Schicht.

Dann wird diese Schicht mittels einer hochpräzisen Heizwalze 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).

Um nun die nächste Schicht aufzutragen, wird der Werkstückhalter mit dem Höhenverstellungsmotor 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.

Es werden jetzt die Füllstoffanteile entfernt, dies kann zum Beispiel durch Auswaschen, Abätzen oder ähnliches geschehen. Das resistente Formmaterial bleibt als fertiges Modell übrig.

Das System beinhaltet folgende Einschränkungen:

• 1. Durch die bei der Heizwalzensinterung benötigte hohe Temperatur erwärmt sich das Werkstück und damit auch der Fotohalbleiter, der auf Erwärmung mit verändertem Verhalten reagiert.
• 2. Bei Werkstücken, die erst nach Auftragen aller Schichten gesintert werden, treten teilweise unkontrollierte Schrumpfvorgänge auf, die die Maßhaltigkeit der Werkstücke ungünstig beienflussen.
• 3. Durch die Verwendung nur eines einzelnen Fotohalbleiters, um Form und Füllmaterial auf den Werkstückträger zu übertragen, kommt es zu Vermengungen der verschiedenen Materialien in den Entwicklerboxen.
• 4. Durch die Verwendung einer Corona zur Übertragung der Pulver auf den Werkstückträger, die hinter dem Fotohalbleiter angeordnet ist, kann nur ein Master als Fotohalbleiter verwendet werden.

Die Aufgabe war es nun, diese Einschränkungen zu beseitigen.

Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 und durch Formkörper nach Anspruch 8. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand des folgenden Textes und den Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen fertig aufgebauten Block aus Form und Füllmaterial im Schnitt, in den ein flüssiges Metall (Lot) eingegossen wird. Das Formmaterial besteht in diesem Fall aus einem Metall.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit zwei Fotohalbleitern arbeitet.

Fig. 3 zeigt das Auftragen eines Klebers oder eines Lösungsmittels auf eine bereits aufgebaute Schicht mit Hilfe einer Zerstäuberdüse.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf das im Hauptpatent Nr. 41 22 326 beschriebene Verfahren, mit folgenden Abwandlungen:

1. Zum Auftragen von form- und Füllmaterial können jeweils gesonderte Fotohalbleiter verwendet werden (Fig. 2). Dies hat den Vorteil, daß sich Form- und Füllmaterial in den Entwicklerstationen 3+4 nicht vermischen können. Außerdem kann das auf dem Fotohalbleiter nach der Übertragung verbleibende Form- und Füllpulver das von der Reinigungsstation 16+17 aufgenommen wird, wiederverwendet werden. Die Funktion der beiden Fotohalbleiter sind identisch, außer daß vom einen Form- und vom anderen Füllmaterial übertragen wird.

Zuerst wird der Fotohalbleiter mit der Beladecorona Fig. 2 18+19 beladen und durch die Lichtquelle 14+15 belichtet. Dann wird das Form- bzw. Füllmaterial von der Entwicklerbox 3+4 auf den Fotohalbleiter aufgetragen. Zur Übertragung des Form- und Füllpulvers muß die elektrostatische Anziehungskraft, die die Pulverkörner am Fotohalbleiter haften läßt, abgebaut werden. Beim wie im Hauptpatent beschriebenen Verfahren geschieht dies durch eine Übertragungscorona, die den Fotohalbleiter von der Rückseite her mit der gleichnamigen Ladung belädt, mit der die Pulverkörner beladen sind; dadurch werden die Pulverkörner vom Fotohalbleiter abgestoßen und auf den Werkstückträger übertragen. Dies hat den Nachteil, daß der Fotohalbleiter aus einem Master bestehen muß, damit die Ladung von der Rückseite her aufgebracht werden kann. Das heißt, es können keine handelsüblichen Fotohalbleitertrommeln verwendet werden. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird der Fotohalbleiter 1+2 nach dem Belichten 14+15 und Auftragen des Pulvers 3+4 mit Hilfe einer Nachbelichtungslampe Fig. 2 5+6 nachbelichtet und oder mit einer Wechselspannungscorona 7+8 entladen, so daß die Pulverkörner nur noch schwach am Fotohalbleiter haften. Gleichzeitig wird der Werkstückträger 12 bzw. zuvor aufgetragene Schichten 11 mittels einer Corona 9+10 beladen, so daß die Pulverkörner durch das am Werkstück 11 herrschende, höhere Potential bei entsprechender Nähe zum Fotohalbleiter auf das Werkstück übertragen werden. Dazu wird der Werkstückträger wie in Fig. 2 zuerst unter der Corona 10 von links nach rechts hindurchbewegt. Anschließend wird Formmaterial vom Fotohalbleiter 2 auf das Werkstück 11 übertragen. Nun wird das Werkstück abermals beladen, mittels der Corona 9 und es wird anschließend Füllmaterial vom Fotohalbleiter 1 übertragen. Je nach Material und Verfahren wird Form- und Füllmaterial bei 13 durch Sintern, durch Verkleben, durch Anlösen oder gar nicht fixiert. Nachdem eine Schicht fertig ist, wird der Werkstückträger 12 wieder in die Ausgangsposition rechts gebracht und eine neue Schicht kann aufgetragen werden. Es kann auch zuerst Füllmaterial und dann Formmaterial aufgetragen werden.

2. Bei metallischen Werkstoffen werden alle Pulverschichten nacheinander auf den Werkstückträger aufgetragen (Form- unnd Füllmaterial). Jetzt wird das mit einem Flußmittel umhüllte, pulverförmige Formmaterial Fig. 1-2 eingebettet in das Füllmaterial 3 erhitzt, bis das Flußmittel beginnt zu wirken. Danach wird durch einen aus Formmaterial gebildeten Einguß 4, flüssiges Lot 1 in das Formmaterial eingebracht. Durch Kapillarwirkung verteilt sich das Lot im ganzen Formmaterial und füllt so alle Hohlräume zwischen den Pulverkörnern aus.

Das nicht benetzende Füllmaterial nimmt kein Lot auf und bewirkt dadurch eine klare Trennung zwischen Form- und Füllstoff.

3. Bei nichtmetallischen Werkstoffen wird eine Schicht aus Form- und Füllmaterial auf den Werkstückträger aufgetragen (Fig. 3) 1+2. Anschließend wird eine dünne Schicht Kleber aufgetragen (3), die die Aufgabe hat, die Pulverkörner miteinander zu verkleben. Jetzt wird eine weitere Schicht aus Form- und Füllmaterial aufgetragen, dann wieder eine Schicht Kleber und so weiter, bis der komplette Körper gebildet ist. Anstatt eines Klebers kann bei löslichen Formmaterialien auch ein Lösungsmittel verwendet werden, welches das Formpulver äußerlich anlöst, so daß benachbarte Pulverkörner miteinander verkleben. Das Auftragen des Klebers/Lösungsmittels kann wie in Fig. 3 durch eine Zerstäuberdüse, oder z. B. durch Aufwalzen, Aufdampfen, Aufstreichen geschehen.

4. Es können auch Zweikomponenten-Werkstoffe verarbeitet werden. Dabei besteht das Formmaterial aus der festen Komponente eines Zerikomonenten-Materials (Binder). Nach dem Aufbau des kompletten Pulverblocks, wird der komplette Pulverblock in einen dünnflüssigen Härter getaucht. Durch Kapillarwirkung verteilt sich der Härter im ganzen Pulverblock. Das Formmaterial härtet durch den eingebrachten Härter aus, das Füllmaterial welches nicht mit dem Härter reagiert, bleibt unbefestigt und kann später thermisch, chemisch oder mechanisch entfernt werden. Weiterhin wäre möglich, beide Komponenten gleichzeitig als Formmaterialgemisch aufzutragen und anschließend die Aushärtereaktion durch thermischen oder chemischen Einfluß einzuleiten.

Bei allen obengenannten Verfahrensabwandlungen kommt der Auswahl des Füllmaterials eine untergeordnete Stellung zu.

Es muß folgende Eigenschaften aufweisen:

• 1. Es muß elektrostatisch zu verarbeiten sein.
• 2. Es muß ausreichende Festigkeit besitzen.
• 3. Es muß eine für das jeweilige Verfahren ausreichende Temperaturfestigkeit besitzen.
• 4. Es dürfen keine unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Formmaterial auftreten.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Formkörpern, insbesondere Funktionsmodellen, Gußmodellen und Matrizen im Formenbau, durch Stereolithographie nach Patent Nr. 41 22 326, indem pulverförmige Materialien mittels elektrostatischer Kräfte auf einen Fotohalbleiter aufgebracht werden, Formmaterial vom Fotohalbleiter auf einen Werkstückträger übertragen wird, weitere Schichten aufgebracht werden und nach dem Aufbringen jeder einzelnen Schicht gesintert wird oder alle Schichten zusammen gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Pulverkörner nicht unbedingt durch Sinten geschehen muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei metallischen Werkstoffen die Verbindung des Formpulvers dadurch zustande kommt, daß die Hohlräume zwischen den Pulverkörnern durch Kapillarwirkung mit einem flüssigen Metall (Lot) aufgefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Formpulvers dadurch zustande kommt, daß die Pulverkörner mittels eines Klebers zusammengehalten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Formpulvers dadurch zustande kommt, daß die Pulverkörner mittels eines Lösungsmittels äußerlich angelöst werden und dadurch mit den benachbarten Körnern verkleben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Formpulvers dadurch zustande kommt, daß das Formpulver selbst aus einem oder zwei Komponenten eines Zweikomponentenmaterials besteht und durch nachträgliches Einbringen einen Härter oder durch anschließenden chemischen oder thermischen Einfluß aushärtet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufbringen eines Füllmaterials, für Form und Füllmaterial getrennte Fotohalbleiter verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Form- beziehungsweise Füllmateriales vom Fotohalbleiter auf den Werkstückträger, der Werkstückträger, beziehungsweise bereits abgeschiedene Schichten beladen werden.

8. Dreidimensionale Formkörper, die nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurden, insbesondere Funktionsmodelle, Gußmodelle oder Matrizen im Formenbau, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Schichten pulverförmigen Materials bestehen und entweder schichtweise oder alle Schichten zusammen fixiert wurden.