DE4332982A1 - Method and device for producing a three-dimensional object - Google Patents

Method and device for producing a three-dimensional object

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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.The invention relates to a method and an apparatus for Production of a three-dimensional object according to the The preamble of claim 1 and claim 9.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist für ein flüssiges Material aus der EP-A-0 171 069 und für ein pulverförmiges Material aus der EP-A-0 287 657 bekannt. Ferner ist es aus der WO 88/06494 bekannt, die Schichtdicke einer flüssigen Schicht dadurch schnell und genau einzustel­ len, daß eine strahlungsdurchlässige Platte in die Oberfläche eines Bades des flüssigen Materials eingetaucht und durch­ strahlt wird. Dieses Verfahren ist jedoch für pulverförmiges Material nicht geeignet. In allen genannten Fällen ist es erforderlich, das Material für die Bildung der einzelnen Schichten in einen Behälter einzubringen, wodurch sich ein hoher Anteil an ungenutztem Material ergibt.Such a method or device is for a liquid material from EP-A-0 171 069 and for a powdery material known from EP-A-0 287 657. It is also known from WO 88/06494, the layer thickness to adjust a liquid layer quickly and precisely len that a transparent sheet in the surface a bath of liquid material dipped and through shines. However, this procedure is for powdered Material not suitable. In all of the above cases it is required the material for the formation of each Put layers in a container, causing a results in a high proportion of unused material.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bzw. bei dem der Verbrauch des Materials möglichst gering ist und eine schnelle und genaue Einstellung einer Material­ schicht geringer Dicke auch bei pulverförmigem oder hochvis­ kosem Material erreicht werden kann.It is an object of the invention, a method or a To create device of the type mentioned, in which or where the consumption of the material is as low as possible and a quick and accurate setting of a material layer of small thickness even with powdery or highly vis kosem material can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9 gelöst. This task is accomplished by a method or a device with the features of claim 1 and claim 9 solved.  

Da bei der Übertragung des Materials vom Zwischenträger auf das Objekt und der anschließenden Verfestigung nur dasjenige Material am Objekt verbleibt, das durch die Strahlungsein­ wirkung verfestigt wurde, ist der Materialverbrauch gering. Der übliche Behälter zum Auffangen des Materials kann entfallen, da das überschüssige Material am Zwischenträger haften bleibt und bei der Bildung der nächsten Schicht mitverwendet wird. Ferner kann die Schichtdicke auch bei sehr kleinen Dicken insbesondere dann schnell und genau eingestellt werden, wenn als Zwischenträger eine ebene Platte verwendet wird. Als weitere Vorteile ergeben sich, daß kein sog. "downskin"-Effekt eintritt, also die Eindringtiefe der Strahlung exakt kontrolliert werden kann, daß die Steuerung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung vergleichsweise einfach ist und daß eine große Zahl verschiedenster Materialien verwendet werden kann, neben pulverförmigem Material insbesondere auch hochviskose Flüssigkeiten bzw. Pasten. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß beim Abheben des Zwischenträgers vom Objekt nach der Verfestigung nur Luft und nicht hochviskoses Material nachströmen muß, so daß auf den Zwischenträger nur geringe Adhäsionskräfte wirken.Because when the material is transferred from the intermediate carrier to the object and the subsequent solidification only that Material remains on the object due to the radiation material has been consolidated, the material consumption is low. The usual container for collecting the material can omitted because the excess material on the intermediate carrier sticks and in the formation of the next layer is also used. Furthermore, the layer thickness can be very small thicknesses especially quickly and precisely can be set if a flat plate is used as the intermediate support is used. Another advantage is that none so-called "downskin" effect occurs, ie the depth of penetration of the Radiation can be controlled precisely that the control the method or the device is comparatively simple is and that a large number of different materials can be used in addition to powdered material in particular also highly viscous liquids or pastes. There is also the advantage that when lifting the Subcarrier from the object after solidification only air and not highly viscous material must flow, so that on the Intermediate carriers only have low adhesive forces.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels im Zusammenhang mit der Figur beschrieben werden. Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung in vier aufeinanderfolgenden Betriebsphasen a), b), c) und d).The invention is based on an embodiment be described in connection with the figure, for example. The figure shows the device according to the invention in schematic representation in four successive Operating phases a), b), c) and d).

In der Figur ist ein Träger 1 in Form einer im wesentlichen ebenen Plattform dargestellt, auf dem bereits einzelne Schichten 2a, 2b, 2c eines Objekts 3 fertiggestellt sind. Der Träger 1 ist mittels einer nur schematisch als Doppelpfeil angedeuteten Höheneinstellvorrichtung 4 in Richtung senkrecht zur Ebene der Plattform verschiebbar bzw. einstellbar.In the figure, a carrier 1 is shown in the form of an essentially flat platform, on which individual layers 2 a, 2 b, 2 c of an object 3 have already been completed. The carrier 1 can be displaced or adjusted in the direction perpendicular to the plane of the platform by means of a height adjustment device 4, which is indicated only schematically as a double arrow.

Ein Zwischenträger 5 ist als ebene Platte ausgebildet, die um eine seitlich oberhalb des Trägers 1 angeordnete horizontale Schwenkachse 6 von einer im Teil a) der Figur gezeigten Beschichtungsstellung, in der der Zwischenträger 5 vom Objekt weggeklappt ist, um etwa 180° in die im Teil b) der Figur gezeigte Übertragungsstellung auf das Objekt geschwenkt bzw. geklappt werden kann. Hierzu dient ein (nicht gezeigter) üblicher Schwenkantrieb. Der Zwischenträger 5 ist aus einem Material gebildet, das die zur Verfestigung verwendete Strahlung der im Teil c) der Figur gezeigten Strahlungsquelle 7 zumindest teilweise durchläßt, und das ein Anhaften des verwendeten Materials ermöglicht, wobei aber die Haftung nicht so stark sein soll, daß das Ablösen des Zwischenträgers nach der Verfestigung behindert wird. Bevorzugt wird eine antihaftbeschichtete, beispielsweise teflonbeschichtete Glasplatte.An intermediate support 5 is designed as a flat plate which, about a horizontal pivot axis 6 arranged laterally above the support 1 , from a coating position shown in part a) of the figure, in which the intermediate support 5 is folded away from the object, by approximately 180 ° into that in the part b) the transfer position shown in the figure can be pivoted or folded onto the object. A conventional rotary actuator (not shown) is used for this. The intermediate carrier 5 is formed from a material which at least partially transmits the radiation used for solidification of the radiation source 7 shown in part c) of the figure, and which allows the material used to adhere, but the adhesion should not be so strong that that Detachment of the intermediate carrier after the solidification is hindered. A non-stick coated, for example Teflon coated glass plate is preferred.

Eine übliche Beschichtungseinrichtung 8 in Form einer Rinne, eines Abstreifers oder anderer geeigneter Vorrichtungen ist oberhalb des Zwischenträgers 5 in dessen Beschichtungs­ stellung so angeordnet, daß die in der Beschichtungsstellung obenliegende, möglichst ebene Fläche 9 des Zwischenträgers 5 mit dem zu verfestigenden Material beschichtbar ist. Ferner ist eine Verfestigungsvorrichtung 10 vorgesehen, die in bekannter Weise neben der Strahlungsquelle 7 eine Strahlablenkvorrichtung 11 zur Steuerung des zur Verfestigung verwendeten Strahls 12 aufweist. Die Verfestigungsvorrichtung ist auf der dem Objekt 3 abgewandten Seite des Zwischen­ trägers 5 in dessen Übertragungsstellung angeordnet.A common coating means 8 in the form of a groove, a scraper or other suitable devices is disposed above the intermediate support 5 position in the coating, that the overhead in the coating position, as flat as possible surface 9 of the intermediate member 5 is coatable material to be consolidated with the. Furthermore, a solidification device 10 is provided which, in a known manner, has, in addition to the radiation source 7, a beam deflection device 11 for controlling the beam 12 used for the solidification. The solidification device is arranged on the side facing away from the object 3 of the intermediate carrier 5 in its transmission position.

Eine (nicht gezeigte) Steuerung steuert die einzelnen Teile der Vorrichtung zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Schritte.A controller (not shown) controls the individual parts the device for performing the following described steps.

Im ersten Schritt (Teil a) der Figur) ist der Zwischenträger 5 um die Schwenkachse 6 vom Objekt 3 weg in eine im wesentlichen horizontale Stellung unterhalb der Beschichtungseinrichtung 8 geschwenkt. Mittels der Beschichtungseinrichtung 8 wird auf die in dieser Stellung des Zwischenträgers 5 der Beschichtungseinrichtung 8 gegenüberliegende Oberseite 9 eine Schicht 2d eines Materi­ als, beispielsweise eines pulverförmigen oder hochviskosen Kunststoffs, aufgetragen. Danach wird die Beschichtungsvorrichtung 8 aus dem Schwenkbereich des Zwischenträgers 5 herausbewegt.In the first step (part a) of the figure), the intermediate carrier 5 is pivoted about the pivot axis 6 away from the object 3 into a substantially horizontal position below the coating device 8 . By means of the coating device 8 , a layer 2 d of a material, for example a powdery or highly viscous plastic, is applied to the upper side 9 in this position of the intermediate carrier 5 of the coating device 8 . The coating device 8 is then moved out of the swivel range of the intermediate carrier 5 .

Im zweiten Schritt (Teil b) der Figur) wird der Zwischenträger 5 um die Schwenkachse 6 um 180° in die Übertragungsstellung umgeklappt, so daß die vorher obenliegende Fläche 9 mit der Schicht 2d nach unten weist und die Schicht 2d flächig auf der Oberseite der vorherigen obersten Schicht 2c zu liegen kommt. Die hierzu erforderliche genaue Höhen­ einstellung des Trägers 1 wird mit der Höheneinstellvor­ richtung 4 durchgeführt.In the second step (part b) of the figure), the intermediate carrier 5 is folded over the pivot axis 6 by 180 ° into the transfer position, so that the surface 9 above, with the layer 2 d facing downward, and the layer 2 d flat on the top the previous top layer 2 c comes to rest. The required precise height adjustment of the carrier 1 is carried out with the Höheneinstellvor device 4 .

Im dritten Schritt (Teil c) der Figur) verbleibt der Zwischenträger 5 in der Übertragungsstellung. In dieser Stellung wird die Verfestigungseinrichtung 10 so betätigt, daß der Strahl 12 durch den Zwischenträger 5 hindurchgeht und an den Stellen der Schicht 2d, an denen das Material verfestigt werden soll, auftrifft. Gleichzeitig mit der Verfestigung wird dadurch das Material an die darunterliegende Schicht 2c angeheftet bzw. mit dieser verbunden.In the third step (part c) of the figure), the intermediate carrier 5 remains in the transfer position. In this position, the solidification device 10 is actuated so that the beam 12 passes through the intermediate carrier 5 and strikes the locations of the layer 2 d where the material is to be solidified. Simultaneously with the solidification, the material is thereby attached to the underlying layer 2 c or connected to it.

Nach der Verfestigung (Teil d) der Figur) wird der Zwischenträger 5 wieder um 180° in die Ausgangslage zurückgeklappt, wobei das im dritten Schritt verfestigte Ma­ terial der Schicht 2d aufgrund der Antihaftbeschichtung von der Fläche 9 abgelöst wird und nur das nicht verfestigte Ma­ terial an der Fläche 9 haften bleibt und zusammen mit dem Zwischenträger zurückschwenkt. In dieser Stellung kann auf die Fläche 9 eine neue Schicht des Materials aufgetragen werden, wobei nur die dem vorher verfestigten Material entsprechende Menge neuen Materials aufgetragen werden muß, da das nicht verfestigte Material noch vorhanden und verwendbar ist.After solidification (part d) of the figure) of the intermediate support 5 is folded back by 180 ° in the starting position, wherein the solidified in the third step Ma TERIAL the layer 2 d due to the non-stick coating from the surface 9 is detached and only the non-solidified Ma material adheres to the surface 9 and swings back together with the intermediate carrier. In this position, a new layer of the material can be applied to the surface 9 , only the amount of new material corresponding to the previously solidified material having to be applied, since the non-solidified material is still available and can be used.

Vielfältige Abwandlungen der Vorrichtung sind möglich. So muß die Bewegung des Zwischenträgers 5 von der Beschichtungsstellung in die Übertragungsstellung keine Schwenkbewegung sein, sondern kann mit jeder anderen Translations- oder Rotationsbewegung durchgeführt werden. Auch unebene Formen des Zwischenträgers sind denkbar, wobei dann die Übertragung durch Abrollen mit gleichzeitiger Verfestigung mittels Durchstrahlung erfolgt. Ferner kann auch die Fläche 9 des Zwischenträgers in der Beschichtungsstellung einen Winkel mit der Horizontalen einschließen, sofern auch dann ein Aufbringen der Schicht 2d möglich ist. Schließlich kann der Zwischenträger auch gleichzeitig als lichtdurchlässiger Filter ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Photoplatte bzw. Maske oder eines LCD-Displays, wobei die dem Objekt entsprechenden durchlässigen Bereiche durch entsprechende Ausbildung der Maske bzw. Ansteuerung des Displays gebildet werden, und zur Erleichterung des Abhebens des Zwischenträgers nach der Verfestigung kann diese in vorzugsweise hochfrequente Vibrationen versetzt werden.Various modifications of the device are possible. Thus, the movement of the intermediate carrier 5 from the coating position into the transfer position does not have to be a pivoting movement, but can be carried out with any other translation or rotation movement. Uneven shapes of the intermediate carrier are also conceivable, the transmission then taking place by rolling with simultaneous solidification by means of radiography. Furthermore, in the coating position, the surface 9 of the intermediate carrier can also form an angle with the horizontal, provided that layer 2 d is then also possible. Finally, the intermediate carrier can also be designed at the same time as a translucent filter, for example in the form of a photo plate or mask or an LCD display, the permeable areas corresponding to the object being formed by appropriate design of the mask or control of the display, and to facilitate this When the intermediate carrier is lifted off after the solidification, it can be set into preferably high-frequency vibrations.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, bei dem das Objekt schichtweise durch Aufbringen einer Schicht eines verfestigbaren Materials und anschließendes Verfestigen dieses Materials an den dem Objekt entsprechenden Stellen durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Schicht des Materials aufeinen Zwischenträger aufgebracht wird und danach vom Zwischenträger auf das Objekt übertragen und verfestigt wird.1. A method for producing a three-dimensional object, in which the object is produced in layers by applying a layer of a solidifiable material and then solidifying this material at the locations corresponding to the object by the action of electromagnetic radiation, characterized in that first a layer of the material on an intermediate carrier is applied and then transferred from the intermediate carrier to the object and solidified. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung während der Übertragung derart erfolgt, daß bei der Verfestigung nur das Material an den Stellen der Strahlungseinwirkung auf das Objekt übertragen und dort verfestigt wird, während das restliche Material auf dem Zwischenträger verbleibt.2. The method according to claim 1, characterized in that the solidification during the Transfer takes place in such a way that only during consolidation the material at the points of radiation exposure the object is transferred and solidified there while the remaining material remains on the intermediate carrier. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material ein pulverför­ miges oder flüssiges, insbesondere hochviskoses Material bzw. pastenförmiges Material verwendet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a powdered material Mige or liquid, especially highly viscous material or pasty material is used. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Beschichtungsstel­ lung des Zwischenträgers das Material in einer im wesentlichen gleichmäßig dicken Schicht auf eine Fläche des im wesentlichen ebenen Zwischenträgers aufgebracht wird und der Zwischenträger danach in eine Übertragungsstellung gebracht wird, in der diese Fläche des Zwischenträgers über die Materialschicht auf die Oberseite des Objekts bzw. der bereits verfestigten Schichten des Objekts aufgelegt ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in a coating station development of the intermediate carrier the material in a essentially uniformly thick layer on a surface  of the essentially flat intermediate carrier applied and the intermediate carrier into a Transfer position is brought up in this area of the intermediate carrier over the material layer on the Top of the object or the already solidified Layers of the object is placed. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf eine in der Beschichtungsstellung nach oben zeigende Oberfläche des Zwischenträgers aufgebracht wird und die Übertragung durch Umklappen des Zwischenträgers durchgeführt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the material on a in the Coating position of the surface of the Subcarrier is applied and the transfer is carried out by folding down the intermediate carrier. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger bei der Verfestigung in seiner Übertragungsstellung verbleibt.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the intermediate carrier at Solidification remains in its transfer position. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger nach dem Aufbringen des Materials im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Objekts auf dieses abgesenkt bzw. nach der Verfestigung von diesem abgehoben wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the intermediate carrier after the Application of the material substantially perpendicular to Surface of the object lowered onto it or after the solidification is lifted from this. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger nach der Verfestigung des Materials zum Abheben in Vibration versetzt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the intermediate carrier after the Solidification of the material for lifting in vibration is transferred. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Objektträger (1), einer Vorrichtung (5, 6, 8) zum Aufbringen einer Schicht eines verfestigbaren Materials auf den Objektträger (1) bzw. das darauf entstehende Objekt (3), und einer Vorrichtung (10) zum Verfestigen des Materials mittels Einwirkung elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringvorrichtung (5, 6, 8) einen Zwischenträger (5), eine Vorrichtung (8) zum Aufbringen des Materials auf den Zwischenträger (5) in einer Beschichtungsstellung desselben und eine Vorrichtung (6) zum Bewegen des Zwischenträgers (5) von der Beschichtungsstellung in eine Übertragungsstellung zum Übertragen des Materials auf den Objektträger (1) bzw. das darauf entstehende Objekt (3) aufweist.9. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, with a specimen slide ( 1 ), a device ( 5 , 6 , 8 ) for applying a layer of a solidifiable material to the specimen slide ( 1 ) or the object ( 3 ) formed thereon, and a device ( 10 ) for solidifying the material by the action of electromagnetic radiation, characterized in that the application device ( 5 , 6 , 8 ) has an intermediate carrier ( 5 ), a device ( 8 ) for applying the material to the intermediate carrier ( 5 ) in a coating position of the same and a device ( 6 ) for moving the intermediate carrier ( 5 ) from the coating position into a transfer position for transferring the material onto the object carrier ( 1 ) or the object ( 3 ) formed thereon. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) als im wesentlichen ebene Platte ausgebildet ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) is designed as a substantially flat plate. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) um eine im wesentlichen parallel zum Objektträger liegende Achse (6) von der Beschichtungsstellung in die Übertragungsstellung schwenkbar ist.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) about a substantially parallel to the slide axis ( 6 ) from the coating position in the transfer position is pivotable. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) aus einem für die zur Verfestigung verwendete Strahlung durchlässigen Material gebildet ist.12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) is formed from a material permeable to the radiation used for solidification. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) eine vorzugsweise antihaftbeschichtete Glasplatte aufweist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) has a preferably non-stick coated glass plate. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) als lichtdurchlässiges Filter ausgebildet ist.14. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) is designed as a translucent filter. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenträger (5) ein LCD-Display oder eine Maske aufweist.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the intermediate carrier ( 5 ) has an LCD display or a mask.
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