DE4309524C2 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 171 069 A bekannt. Bei einem derartigen Verfahren kann zwar ei­ ne gute Oberfläche erhalten werden, es tritt aber das Problem auf, daß eine Maßhaltigkeit des Objekts wegen der Verformung der einzelnen Schichten aufgrund von Schrumpfung des Materials nicht gewährleistet ist. Auch ist die Herstellungszeit lang.

Aus der EP 0 362 982 A ist es bekannt, zur Reduzie­ rung der Verformungen entweder zunächst einzelne Streifen zu verfestigen, die mit benachbarten und darun­ terliegenden Streifen nur über eine Stützkonstruktion verbunden sind, oder die Schicht nur bereichsweise zu verfestigen, wobei im Objekt Spalten zwischen den Be­ reichen entstehen. In beiden Fällen kann jedoch eine hohe Oberflächenqualität erhalten werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der oben genannten Art derart zu verbessern, daß eine geringe Verformung des Objekts bei gleichzeitiger hoher Ober­ flächenqualität erhalten wird. Ferner soll die Genauig­ keit der Oberfläche erhöht und der Materialverbrauch sowie die Bauzeit verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ver­ fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Wei­ terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezug auf die Figur erläutert, die in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Teil des Objekts in einer Schichtebene zeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach dem unter dem Begriff "Stereographie" oder "Stereolithogra­ phie" bekannten Verfahren, wie es beispielsweise in der EP-A-0 171 069 dargestellt ist. Hierbei wird auf einen Träger bzw. eine bereits verfestigte Schicht eine Schicht eines flüssigen oder pulverförmigen Materials aufgetra­ gen und durch Bestrahlen mit einem gerichteten Licht­ strahl, beispielsweise einem Laser, an dem Objekt ent­ sprechenden Stellen verfestigt. Durch entsprechendes Verfestigen einer Vielzahl von Schichten wird das Ob­ jekt schichtweise erstellt. Zur genaueren Beschreibung dieses Verfahrens wird auf die genannte EP-A-0 171 069 Bezug genommen, die insoweit Teil dieser Anmeldung sein soll.

Eine Teilansicht einer beispielhaft herausgegriffenen Schicht ist in der Figur dargestellt, anhand der das erfin­ dungsgemäße Verfahren zunächst im Prinzip beschrie­ ben werden soll. In der Figur bezeichnet die Linie 1 die Kontur des herzustellenden Objekts in der Schicht. Die Fläche der Schicht ist rasterförmig in eine Vielzahl von quadratischen oder rechteckigen Einzelbereichen bzw. Voxels i, j ... i + 6, j + 6 mit einer Seitenlänge von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, aufgeteilt. Die Koor­ dinatendaten der Kontur 1 sowie der einzelnen Einzel­ bereiche liegen in einem Rechner vor, der die Bestrah­ lung der Schicht steuert. Im Rechner erfolgt ein Ver­ gleich der Konturdaten mit den Koordinatendaten der Einzelbereiche. Stellt der Rechner fest, daß ein Einzel­ bereich, beispielsweise der Einzelbereich i + 1, j, voll­ ständig innerhalb der Kontur 1 liegt, dann wird dieser Einzelbereich einem Kernbereich 2 zugeordnet; wird dagegen festgestellt, daß ein Einzelbereich, beispiels­ weise der Einzelbereich i, j, von der Kontur 1 geschnit­ ten wird, dann wird dieser Einzelbereich einem Hüllbe­ reich 3 zugeordnet. Damit ergibt sich ein schmaler Hüll­ bereich 3, der sich entlang der Konturlinie 1 mit einer im Mittel etwa der Seitenlänge der Einzelbereiche entspre­ chenden Breite erstreckt.

Vorzugsweise erfolgt im Rechner ausschließlich die Berechnung des Kernbereiches 2; der Hüllbereich 3 wird danach durch Subtraktion der Einzelbereiche des Kernbereiches 2 vom Gesamtkörper berechnet. Bei der Berechnung des Kernbereiches 2 werden alle Einzelbe­ reiche markiert, die voll im Innern des Körperschnittes, also der Konturlinie 1, liegen.

Im einzelnen erfolgt die Zuordnung der Einzelberei­ che zur Hülle oder zum Kern allerdings nicht nur zwei­ dimensional, wie oben im Prinzip erläutert, sondern dreidimensional, um eine definierte Dicke des Hüllbe­ reichs 3 in allen drei Richtungen zu erhalten.

In diesem Fall entspricht der Konturlinie 1 eine Kon­ turfläche, und bei der Berechnung des Kerngebietes werden alle Einzelbereiche markiert, die voll im Inneren dieser Konturfläche liegen. Jeder Einzelbereich i, j bein­ haltet dabei neben der Information über die aktuelle Schicht auch die entsprechende Information der voran­ gegangenen Schichten. Hierbei werden nur diejenigen Einzelbereiche als zum Kern gehörend markiert, die in einer vorbestimmten Anzahl von vorausgehenden Schichten ebenfalls Kerngebiete darstellten bzw. dar­ stellen würden. Die vorbestimmte Anzahl hängt dabei von der erwünschten Hüllendicke und dem räumlichen Abstand der Einzelbereiche ab; bei Schichtdicken von 0,1 mm und einer Hüllendicke von 0,5 mm werden bei­ spielsweise beträgt diese Anzahl beispielsweise 5. Die­ selbe Betrachtung gilt auch für nachfolgende Schichten: Es werden nur diejenigen Einzelbereiche zum Kern ge­ rechnet, die in einer vorgegebenen Anzahl von nachfol­ genden Schichten ebenfalls zum Kern gehören bzw. ge­ hören würden.

Nach der Zuordnung aller Einzelbereiche einer Schicht erfolgt die Verfestigung durch Bestrahlen der Schicht innerhalb der Einzelbereiche an den dem Ob­ jekt entsprechenden Stellen. Diese Bestrahlung erfolgt nun in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem ob es sich um einen Einzelbereich im Kernbereich oder einen solchen im Hüllbereich handelt. Da es im Kernbe­ reich 2 (im Vergleich zum schmalen Hüllbereich 3) auf einen geringen Verzug, einen geringen Materialver­ brauch und geringe Bauzeiten ankommt, werden dort die Einzelbereiche nicht vollflächig, sondern in Form einzelner Zellen bestrahlt bzw. verfestigt, die unterein­ ander entweder durch schmale Stege oder vorzugswei­ se überhaupt nicht verbunden, sondern durch Trennfu­ gen getrennt sind. Alternativ ist es möglich, die Einzel­ bereiche im Kernbereich 2 nur entlang geschlossener Linienzüge zu verfestigen, so daß sich Hohlstrukturen wie z. B. Wabenstrukturen ergeben, in denen noch flüs­ siges oder pulverförmiges Material eingeschlossen ist, das nach der Verfestigung des Objekts entweder abge­ lassen oder durch Nachhärten verfestigt wird. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Vermeidung von thermischen Ausdehnungen, beispielsweise bei Aus­ schmelzformen, und auch zur direkten Herstellung von Gußformen. Hierbei wird das invertierte Objekt in ei­ nen einhüllenden Quader gesetzt. Hieraus ergibt sich eine Negativform, an der in der oben beschriebenen Weise eine Zerlegung in Hülle und Kern vorgenommen wird.

Im Kernbereich 2 wird die Bestrahlung derart durch­ geführt, daß sich ein hoher Polymerisationsgrad und da­ mit eine hohe Festigkeit bei geringer Verzugstendenz ergibt.

Im Hüllbereich 3 kommt es dagegen auf eine hohe Genauigkeit und Qualität der Oberfläche an der Kontur 1 an. Hierzu erfolgt die Bestrahlung bzw. Verfestigung im Hüllbereich 3 vollflächig entweder in Form neben­ einanderliegender Schraffurlinien oder einer bzw. meh­ rerer nebeneinanderliegender Konturlinien, d. h. der Kontur 1 beispielsweise als Polygonzug folgenden Li­ niengruppen. Auch eine Kombination dieser Linienty­ pen in einer Schicht oder in übereinanderliegenden Schichten ist möglich.

Die Bestrahlung im Kernbereich 2 und im Hüllbe­ reich 3 einer einzigen Schicht kann gleichzeitig oder auch nacheinander durch entsprechende Steuerung mit­ tels eines einzigen oder auch mehrerer Lichtstrahlen bzw. Laserstrahlen erfolgen, wobei die Schichtdicke im Kernbereich 2 und Hüllbereich 3 gleich ist. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, zunächst eine Anzahl N von Schichten des Hüllbereichs 3 zu verfestigen, wobei N eine ganze Zahl darstellt. Das Material im Kernbereich 2 bleibt zunächst flüssig bzw. pulverförmig mit einer Schichtdicke, die dem N-fachen der Schichtdicke des Hüllbereichs 3 entspricht. Bei der N-ten Schicht wird auch diese dicke Schicht des Kernbereichs durch ent­ sprechend intensives Bestrahlen verfestigt. Dadurch kann der Zeitaufwand für die Herstellung des Kerns und damit für die Herstellung des Objekts erheblich redu­ ziert werden.

Wird der Kern nicht vollständig verfestigt, so ist es vorteilhaft, in der Hülle Öffnungen vorzusehen, durch die das im Kern verbliebene flüssige oder pulverförmige Material nach der Verfestigung des Objekts abfließen kann. Dies kann beispielsweise so erfolgen, daß in jeder N-ten Schicht Durchbrechungen des Hüllbereichs 3 vorgesehen werden, die so groß bemessen sind, daß sie ein Ausströmen des Materials zulassen, aber die Ober­ flächenqualität nicht beeinträchtigen.

Der besondere Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß durch die übereinanderliegenden Hüll­ bereiche 3 eine verhältnismäßig stabile Hülle hergestellt wird, die es erlaubt, den Kernbereich mittels einer einen Verzug minimierenden Technik herzustellen, ohne daß die Stabilität des Objekts leidet. Beispielsweise ist es nur wegen dieser Hülle möglich, auf die Verbindungsstege zwischen den einzelnen Zellen oder Hohlstrukturen des Kernbereichs zu verzichten. Ferner wird die Herstel­ lungszeit dadurch erheblich reduziert, daß im Kern, der den ganz überwiegenden Teil des Objektvolumens bil­ det, nur partiell verfestigt wird.

Claims (14)

1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensiona­ len Objekts, bei dem das Objekt durch aufeinander­ folgendes Verfestigen einzelner Schichten aus flüs­ sigem oder pulverförmigem, verfestigbarem Mate­ rial durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung erzeugt wird, wobei jede Schicht in einen inneren Kernbereich und einen äußeren Hüllbereich zerlegt wird und daß die Strahlungseinwirkung im Kernbereich und im Hüll­ bereich zur Erzeugung unterschiedlicher Eigen­ schaften beider Bereiche verschieden gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinwirkung im Kernbe­ reich so erfolgt, daß die Verformung des Objekts bei und nach der Verfestigung minimal ist, und daß die Strahlungseinwirkung im Hüllbereich zur Er­ zeugung einer möglichst glatten und genauen Oberfläche erfolgt, wobei der Hüllbereich durch Substraktion in dreidimensionaler Weise von Einzelbereichen des Kernbereiches von dem Gesamtkörper bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Kernbereich einzelne beabstande­ te Teilbereiche verfestigt werden und daß gegebe­ nenfalls die Zwischenbereiche zwischen den Teil­ bereichen nach Verfestigen der Teilbereiche einer Schicht oder nach Verfestigen aller Teilbereiche des Objekts ebenfalls verfestigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Kernbereich einzelne Strei­ fen verfestigt werden, die mit benachbarten und darunterliegenden Streifen über eine Stützkon­ struktion verbunden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Kernbereich zunächst Teilberei­ che einer Schicht verfestigt werden und dabei mit darunterliegenden Teilbereichen der vorher verfe­ stigten Schicht zu mehrschichtigen Zellen verbun­ den werden, daß danach die Teilbereiche mit den benachbarten Teilbereichen derselben Schicht durch Verfestigung von schmalen Verbindungsbe­ reichen zwischen den Teilbereichen in Form von Verbindungsstegen verbunden werden und daß schließlich die Zwischenbereiche zwischen den Teilbereichen verfestigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsbereiche erst nach einer Wartezeit verfestigt werden, die einer Schrumpfung der Teilbereiche um mindestens ein vorgegebenes Maß entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilbereiche zur Erzeugung von Hohlstrukturen, vorzugsweise Wabenstrukturen, gebildet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hüllbe­ reich dicht aneinanderliegende Teilbereiche verfe­ stigt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah­ lungseinwirkung im Hüllbereich entlang einer bzw. mehrerer Linien erfolgt, die den äußeren Rand des Hüllbereichs beschreiben bzw. zu diesem parallel sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ dicke im Hüllbereich geringer als im Kernbereich gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst eine ganze Zahl N von Schichten des Hüllbereichs verfestigt werden und danach eine Schicht des Kernbereichs mit einer dem N-fachen der Dicke der Hüllbereichsschichten entsprechenden Schichtdicke verfestigt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hüll­ bereich Volumenelemente des Objekts in einer Schicht definiert werden, die innerhalb eines vorge­ gebenen Abstands vom Rand des Objekts in dieser Schicht liegen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß solche Volumenelemente definiert werden, die in einer Schicht und/oder in einer vor­ bestimmten Anzahl von vorhergehenden und/oder nachfolgenden Schichten dieser Schicht vom Rand bzw. der Kontur des Objekts berührt oder ge­ schnitten werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hüll­ bereich eine Dicke von 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, gewählt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hüllbe­ reich Öffnungen gebildet werden, durch die unver­ festigtes Material aus dem Kernbereich ausfließen kann.