DE4302418A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der EP-A-0 171 069 bekannt. Hierbei wird der Träger in einem Bad aus flüssigem, polymerisierbarem Kunststoff abge­ senkt, so daß sich eine Schicht aus flüssigem Kunststoff bil­ den kann, und diese Schicht wird danach an dem Objekt ent­ sprechenden Stellen durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl polymerisiert bzw. verfestigt. Da die Polymerisation eine be­ stimmte Reaktionszeit benötigt, kann der Laserstrahl nicht beliebig schnell über die Schicht geführt werden, so daß die Herstellungszeit nicht beliebig verkürzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Zeitaufwand für die Her­ stellung des Objekts zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. die in Anspruch 10 gekenn­ zeichnete Vorrichtung gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausführungsbei­ spiels im Zusammenhang mit der Figur beschrieben, die eine teilweise geschnittene schematische Ansicht einer Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.

Ein auf seiner Oberseite offener Behälter 1 ist bis zu einem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem lichthärtbaren, flüssigen Kunststoffmaterial 3 gefüllt. Im Behälter 1 befin­ det sich im Bereich des Kunststoffs 3 ein Träger 4 mit einer im wesentlichen ebenen und horizontalen Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mittels einer schematisch angedeuteten Höheneinstellvorrichtung 6 in Rich­ tung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 ver­ schoben und positioniert werden kann. Die Höheneinstellvor­ richtung ist mit einer Steuerung 7 zur Steuerung der Verschiebeposition verbunden.

Auf der Trägerplatte befindet sich das Objekt 8, das aus ei­ ner Mehrzahl von Schichten 8a, 8b, 8c und 8d in der später beschriebenen Weise aufgebaut wird.

Eine Bestrahlungsvorrichtung 9 zum Verfestigen der an die Oberfläche 2 angrenzenden obersten Schicht 8d enthält eine Beleuchtungsvorrichtung 10 mit einer Strahlungsquelle 11, die über eine Optik 12 einen gebündelten bzw. gerichteten Strahl 13 erzeugt. Die Strahlungsquelle 11 ist vorzugsweise eine Lichtquelle wie z. B. ein Laser, kann jedoch auch jede andere Quelle für elektromagnetische Strahlung sein. Im Bereich oberhalb des Behälters 1 bzw. der Oberfläche 2 sind in Rich­ tung des Strahls 13 hintereinander eine Mehrzahl von, bei­ spielsweise drei, jeweils teilweise strahlungsdurchlässige Spiegel 14, 15, 16 angeordnet, die jeweils voneinander unabhängig kardanisch auf gehängt sind und mittels entspre­ chender schematisch angedeuteter Steuervorrichtungen 17, 18, 19 so geschwenkt werden können, daß der auf die Spiegel 14, 15, 16 auftreffende Strahl 13 von den Spiegeln 14, 15, 16 jeweils un­ abhängig als reflektierter Strahl 20, 21, 22 innerhalb von vor­ bestimmten Bereichen der Oberfläche 2 positioniert werden kann. Alternativ können in bekannter Weise auch jeweils zwei rotierende Spiegel, jeweils einer für jede Koordinatenrichtung, verwendet werden.

Die Steuervorrichtungen 17, 18, 19 sind jeweils mit der Steuerung 7 zur Steuerung der Richtung der Strahlen 20, 21, 22 verbunden.

Im Betrieb werden zunächst in der Steuerung 7 die aufgrund eines Konstruktionsprogramms oder dgl. erstellten Daten über die Form des Objekts 8 abgespeichert. Diese Daten sind für die Herstellung des Objekts 8 so aufbereitet, daß das Objekt in eine Vielzahl von horizontalen, im Vergleich zur Objekt­ dimension dünnen Schichten zerlegt ist und die Formdaten für jede Schicht vorliegen.

Zur Herstellung der ersten Schicht 8a steuert die Steuerung 7 die Höheneinstellvorrichtung 6 so, daß die Oberfläche der Trägerplatte 5 auf eine der Dicke der Schicht 8a entspre­ chende vorbestimmte Höhe unterhalb der Oberfläche 2 positioniert wird. Damit liegt zwischen der Oberfläche der Trägerplatte 5 und der Oberfläche 2 eine flüssige Kunststoff­ schicht mit der der gewünschten Schicht 8a entsprechenden Dicke vor.

Danach werden von der Steuerung 7 die Beleuchtungsvorrichtung 9 und insbesondere die Steuervorrichtungen 17, 18, 19 so ge­ steuert, daß der von jedem entsprechenden Spiegel 14, 15, 16 reflektierte Strahl 20, 21, 22 auf vorbestimmte Bereiche der Schicht 8a auf trifft und damit diese Bereiche verfestigt. Beispielsweise kann ein Randbereich der Schicht 8a von einem vom mittleren Spiegel 15 abgelenkten ersten Strahl 21 und der Mittenbereich der Schicht 8a von den beiden anderen Strahlen 20, 22 verfestigt werden. Dadurch wird der Randbereich in ei­ nem geschlossenen Zug verfestigt, was eine verbesserte, ins­ besondere glattere Oberfläche des Objekts ohne Versatz ermög­ licht. Der Innenbereich kann dann von den anderen Strahlen 20, 22 derart verfestigt werden, daß diese Strahlen abwech­ selnd nebeneinanderliegende linienförmige Bereiche bestreichen oder jeder Strahl 20, 22 einen separaten Bereich bzw. ein separates Feld der Schicht verfestigt. Im letzteren Fall ergibt sich der Vorteil, daß die Spiegel 14 und 16 nur einen kleineren Arbeitsbereich aufweisen müssen bzw. daß die Größe der verfestigbaren Schicht bei gleichem Arbeitsbereich der Spiegel erhöht wird. Wichtig ist in jedem Fall, daß auf­ grund der gleichzeitigen Bestrahlung mittels der Strahlen 20, 21, 22 eine der Zahl der Strahlen entsprechende Mehrzahl von Bereichen gleichzeitig verfestigt werden, so daß die Schicht 8a trotz gleichbleibender Reaktionszeit des Materials in einer verkürzten Zeit hergestellt wird.

Nach der Herstellung der ersten Schicht 8a wird die Höhenein­ stellvorrichtung 6 von der Steuerung 7 um den Betrag der vor­ gesehenen Dicke der zweiten Schicht 8b abgesenkt, so daß sich auf der ersten Schicht 8a eine flüssige Schicht mit der Dicke der zweiten Schicht 8b bildet. Danach werden die Steuervor­ richtungen 17, 18, 19 analog zur ersten Schicht zur Verfestigung der zweiten Schicht gesteuert. Die folgenden Schichten 8c, 8d werden entsprechend hergestellt.

Anstelle der einzigen Strahlungsquelle 11 mit einer Mehrzahl von Spiegeln 14, 15, 16, die den Nachteil aufweist, daß die Lichtleistung der reflektierten Strahlen 20, 21, 22 entspre­ chend der Spiegelzahl reduziert ist, können auch eine Mehr­ zahl von Strahlungsquellen 11 mit jeweils einem zugeordneten Spiegel bzw. einer Ablenkvorrichtung für den Lichtstrahl vor­ gesehen sein. Eine besonders vorteilhafte Abwandlung der be­ schriebenen Vorrichtung besteht außerdem darin, daß eine Strahlungsquelle und 5 Spiegel vorgesehen sind, wobei vier Spiegel ringförmig um einen fünften, mittleren Spiegel herum angeordnet sind. Jeder Spiegel ist mit einer entsprechenden Steuer- bzw. Ablenkvorrichtung für den jeweiligen Lichtstrahl versehen und wird von der Steuerung 7 zur Verfestigung ein­ zelner Bereiche der Schichten 8a . . . 8d gesteuert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mittlere Spiegel so gesteuert wird, daß er entsprechend dem Spiegel 15 die Verfestigung des Randbereichs der Schicht übernimmt.

Anstelle der Spiegel kann die Aufteilung des Strahls 13 und die separate Ablenkung der Teilstrahlen auch durch eine Mehr­ zahl von Lichtleitern erreicht werden, in deren eines Ende der Strahl 13 eintritt und deren anderes Ende mittels einer an sich bekannten x, y-Verschiebevorrichtung entsprechend den Strahlen 20, 21, 22 über die Oberfläche geführt wird. Weitere mögliche Abwandlungen bestehen darin, daß anstelle des flüs­ sigen Kunststoffs auch Kunststoff-, Metall- oder kunststoff­ überzogene Metall- oder -Keramikpulver verwendet werden. Zum Auftragen einer Schicht dieses Materials können alle geeigne­ ten Verfahren wie Streu- und Sprühvorrichtungen, Wischer, Walzen etc. verwendet werden. Die Verfestigung des Materials kann abhängig von dessen Eigenschaften auch durch andere For­ men elektromagnetischer Strahlung wie Elektronenstrahl oder Wärmestrahlung erfolgen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen eines Objekts, bei dem einzelne Schichten aus mittels elektromagnetischer Strahlung verfestigbarem Material nacheinander durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einer Schicht an einer Mehrzahl von Stellen gleichzeitig verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von elektromagnetischen Strahlen verwendet werden, die je­ weils auf einen vorbestimmten Bereich der Schicht ein­ wirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Strahl die Kontur des Objekts und mit den anderen Strahlen der von der Kontur umschlossene Innenbereich der Schicht verfestigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen dadurch erzeugt werden, daß ein von einer Strahlungsquelle abgegebener Strahl in eine Mehrzahl von Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils getrennt gesteuert auf die zu verfestigende Schicht einwirken.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Strahlen verschiedene Strahlungsquellen verwendet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem Träger (4) zur Aufnahme des Objekts, einer Vorrichtung (3, 6) zum Aufbringen einer Schicht (8a . . . 8d) eines durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials auf den Träger (4) und einer Bestrahlungsvorrichtung (11, 12, 14, 15, 16) zum gesteuerten Ausrichten einer elektromagnetischen Strah­ lung auf dem Objekt entsprechende Bereiche der Schicht (8a . . . 8d), dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsvorrichtung (11, 12, 14, 15, 16) so ausgebildet ist, daß sie eine Mehr­ zahl von Strahlen (20, 21, 22) erzeugt, und daß eine Steu­ ervorrichtung (7, 17, 18, 19) vorgesehen ist, die jeden der Mehrzahl der Strahlen unabhängig voneinander auf ver­ schiedene Bereiche der Schicht (8a . . . 8d) ausrichtet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsvorrichtung eine einzige Strahlungsquelle (11) und eine Mehrzahl von halbdurchlässigen Spiegeln (14, 15, 16) aufweist, die je­ weils von der Steuervorrichtung (7, 17, 18, 19) gesteuert werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (14, 15, 16) in der Strahlachse des von der Strahlungsquelle (11) abge­ gebenen Strahls (13) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Strah­ lungsquellen (11) vorgesehen sind, die jeweils einen über die Steuervorrichtung gesteuerten Strahl abgeben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Spiegel vorgesehen sind, die derart angeordnet sind, daß ein mittlerer Spiegel von 4 äußeren Spiegeln umgeben ist.