DE4414775A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Stereographie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Eine derartige Vorrichtung bzw. ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 171 069 A1 bekannt. Hierbei wird nach dem Verfestigen einer Schicht eine neue Schicht des flüssigen Materials dadurch eingestellt, daß der Träger zunächst weit mehr abgesenkt wird, als für die Bildung der neuen Schicht erforderlich wäre, anschließend in die neue Endlage angehoben wird, in der die Oberfläche der verfestigten Schicht eine Schichtdicke unter der Badoberfläche liegt. Zur beschleunigten Einstellung der Schichtdicke kann gemäß der US 5 014 207 überschüssiges Ma­ terial mittels eines Abstreifers entfernt werden.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß zunächst eine übermäßige Materialmenge auf die verfestigte Schicht aufgebracht wird, die anschließend zum großen Teil wieder entfernt werden muß. Daher treten beim Abziehen unkontrolliert große Anhäufungen von Material in Form einer wachsenden geschobenen Welle auf, was insbesondere bei eingeschlossenen flüssigen Volumina zu ungenauer Beschichtung führt. Auch bedingt die Materialanhäufung auf den verfestigten Flächen nach dem Anheben des Trägers ein Absinken der Badoberfläche im übrigen Bereich, was bei der Verteilung mittels des Abstreifers zu ungleicher Beschichtung führen kann bzw. einen zeitaufwendigen Abziehvorgang erfordert. Schließlich erfordert die Einstellung des Badniveaus auch das Verbleiben des vom Abstreifer abgezogenen Materials im Behälter, was aber lange Wartezeiten zur Einstellung einer gleichmäßigen Badoberfläche und zusätzliche Meßvorrichtungen zur Niveaumessung bedingt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bzw. dem die genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine einfache und schnelle Einstellung einer korrekten und gleichmäßigen Badoberfläche erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.

Im Ergebnis erreicht die Erfindung durch eine Kombination der Funktionen "Material aufbringen", "Material verteilen", "überschüssiges Material abziehen" und "Niveau der Badoberfläche einstellen" und insbesondere durch das gezielte Transportieren des Materials vom Bad an eine für die Verteilung durch den Abstreifer geeignete Stelle eine erhebliche Zeiteinsparung gegenüber den herkömmlichen Verfahren.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausführungs­ beispiels im Zusammenhang mit der Figur beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in seitlicher Ansicht.

Ein auf seiner Oberseite offener Behälter 1 ist durch eine Zwischenwand 2 in das eigentliche Behältervolumen 3 und einen Auffangbehälter 4 unterteilt. Die horizontale Oberkante der Zwischenwand 2 bildet eine Überlaufkante 5. Das Behältervolumen 2 ist mit einem in der Stereographie üblichen lichthärtbaren, flüssigen Kunststoffmaterial 6 gefüllt, dessen Niveau bzw. Oberfläche 7 durch die Überlaufkante 5 festgelegt ist.

Im Behältervolumen 3 befindet sich ein Träger 8 in Form einer im wesentlichen horizontalen ebenen bzw. parallel zur Oberfläche 7 angeordneten Platte, die über eine Halterung 9 mit einer schematisch angedeuteten Positionier- oder Höheneinstellvorrichtung 10 senkrecht auf und ab verschoben und positioniert werden kann. Die Platte 8 liegt im wesentlichen dicht, d. h. nur unter Bildung eines zur Verschiebung erforderlichen Spalts, an den Seitenwänden des Behältervolumens 3 an und unterteilt damit dieses in einen unteren Bereich 11 und einen oberen Bereich 12. Beide Bereiche sind mit dem Material 6 gefüllt.

Eine Verbindung zwischen dem unteren Bereich 11 und dem oberen Bereich 12 wird durch einen Verbindungskanal 13 geschaffen, der im gezeigten Ausführungsbeispiel die Form einer Mehrzahl von Röhrchen (von denen in der Figur nur eines gezeigt ist) aufweist, die in einer sich über die Behälterbreite (also senkrecht zur Ebene der Figur) erstreckenden Reihe mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind und sich im Behältervolumen jeweils senkrecht durch entsprechende Aussparungen in der Platte 8 von einem im unteren Teil des unteren Bereichs 11 angeordneten Einlaß 14 zu einem Auslaß 15 erstrecken, der etwa um den Betrag einer Schichtdicke des zu verfestigenden Objekts unter der Oberfläche 7 liegt. Der Verbindungskanal kann jedoch auch die Form eines einzelnen schmalen, sich über die Behälterbreite erstreckenden Kanals mit rechteckigem Querschnitt aufweisen oder auch zum Teil außerhalb des Behälters 1 verlaufen. Wesentlich ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel jedoch, daß der Einlaß 14 im unteren Bereich 11 liegt, und zwar möglichst nahe über dem Boden des Behälters 1, und daß der Auslaß 15 so an der Oberfläche 7 angeordnet ist, daß er das in der später beschriebenen Weise durch den Verbindungs­ kanal 13 geförderte Material in den Bereich der Oberfläche 7 an eine Stelle bringt, die auf der der Überlaufkante 5 gegenüberliegenden Seite des auf dem Träger 8 gebildeten Objekts 16 liegt, und zwar vorzugsweise in Form einer Linie bzw. eines schmalen Bereichs, der sich parallel zur Überlaufkante über die Breite des Behälters 1 erstreckt.

Oberhalb des Behälters 1 ist eine Vorrichtung 17 zum Verfestigen einer Schicht des Materials 6 an der Oberfläche 7 vorgesehen, die in üblicher Weise eine Lichtquelle 18, beispielsweise einen Laser, und einen Umlenkspiegel 19 zum Ablenken und Positionieren des Lichtstrahls an den dem Objekt 16 entsprechenden Stellen der Oberfläche 7 aufweist. Alternativ können auch andere bekannte derartige Belichtungseinrichtungen, beispielsweise Lichtleiter, verwendet werden.

An der offenen Oberseite des Behälters 1 ist ein in der Figur schematisch angedeuteter Abstreifer 20 vorgesehen, dessen Unterkante sich im wesentlichen in Höhe der Überlaufkante 5 quer über den Behälter 1 erstreckt und der mittels einer (nicht gezeigten) bekannten Verschiebevorrichtung von der in der Figur gestrichelt angedeuteten Ausgangsstellung, in der der Abstreifer auf der der Überlaufkante 5 abgelegenen Seite des Auslasses 15 steht, in die durchgezogen Endstellung an der Überlaufkante 5 im wesentlichen horizontal über die Oberfläche 7 verschiebbar ist.

Ferner ist eine den Auffangbehälter 4 mit dem Behältervolumen 3 verbindende Rückführleitung 21 mit einer Pumpe 22 zum Pumpen von Material aus dem Auffangbehälter 4 in das Behältervolumen 3 vorgesehen. Eine (nicht gezeigte) Steuerung ist mit der Verfestigungsvorrichtung 17, der Positioniervorrichtung 10, der Verschiebevorrichtung für den Abstreifer 20 und der Pumpe 22 zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Schritte gekoppelt.

Der Betrieb der Vorrichtung soll anhand der Verfestigung einer Schicht des Materials 6 auf dem in der Figur gezeigten bereits verfestigten Objekt 16 beschrieben werden. Hierbei ist der untere Bereich 11 und der obere Bereich 12 des Behälters 1 mit dem Material 6 soweit gefüllt, daß die Oberfläche 7 des Materials 6 in einer Höhe mit der Überlaufkante 5 liegt. Der Träger 8 ist zunächst so positioniert, daß die Oberfläche 23 der letzten bereits verfestigten Schicht des Objekts 16 in einer Höhe mit der Oberfläche 7 bzw. wegen der Schrumpfung des Materials bei der vorhergehenden Verfestigung um das Schrumpfmaß unter dieser liegt. Der Abstreifer steht in seiner gestrichelt gezeichneten Ausgangsstellung.

Zum Aufbringen der nächsten Schicht des flüssigen Materials 6 auf die Oberfläche 23 wird der Träger 8 mittels der Positioniervorrichtung 10 um den Betrag s dieser Schichtdicke abgesenkt. Dadurch wird das Volumen des unteren Bereichs 11 um einen Betrag verringert, der genau der gewünschten Schichtdicke entspricht. Da der Träger 8 an den Seitenwänden des Behälters 1 im wesentlichen dicht anliegt, kann das beim Absenken aus dem unteren Bereich 11 verdrängte Material nicht um den Träger 8 herum, sondern nur durch den Verbindungskanal 13 in den oberen Bereich 12 gelangen. Diese Förderung des Ma­ terials erfolgt wegen der definierten Lage des Auslasses 15 genau vor den Abstreifer, d. h. an eine Stelle zwischen der Ausgangsposition des Abstreifers und der Oberfläche 23 des Objekts 16. Wegen der langgestreckten Form des Auslasses 15 bzw. des Umstandes, daß diese aus einer Mehrzahl von vorzugsweise eng nebeneinander angeordneten Röhrchen gebildet wird, wird das geförderte Material in Form einer sich in Richtung des Abstreifers 20 quer über den Behälter 1 erstreckenden, wulstförmigen oder rippenförmigen Erhöhung der Oberfläche 7 vor denselben gebracht.

Beim Absenken des Trägers 8 wird ferner ein dem Querschnitt der Halterung 9 entsprechendes zusätzliches Volumen unter die Oberfläche 7 getaucht; dieses zusätzliche Volumen ist durch entsprechende Bemessung des Querschnitts zumindest so groß wie das bei der Verfestigung höchstens auftretende Schrumpfmaß, so daß die Oberfläche 7 nach dem Verfestigen und Absenken des Trägers 8 nicht absinken kann und im oberen Bereich 12 auf jeden Fall eine zur Einstellung der Oberfläche 7 in Höhe der Überlaufkante 5 ausreichende Materialmenge vorliegt.

Anschließend wird der Abstreifer 20 von seiner Ausgangsstellung in seine Endstellung bewegt und verteilt damit den am Auslaß 15 gebildeten Materialberg gleichmäßig über die Oberfläche 7, so daß eine flüssige Schicht des Ma­ terials mit der gewünschten Schichtdicke s gebildet wird. Wenn das Schwundmaß nicht dem maximalen Schwund entspricht, bleibt in der Endstellung eine geringfügige Restmenge des Ma­ terials 6 übrig, die vom Abstreifer 20 über die Überlaufkante 15 in den Auffangbehälter 4 geschoben wird. Das sich dort ansammelnde Material wird nach der Fertigstellung des Objekts mittels der Pumpe wieder in das Behältervolumen 3 gefördert und kann damit wieder verwendet werden.

Nach der Einstellung der Schichtdicke in der oben beschriebenen Weise wird die Verfestigungsvorrichtung 17 betätigt, wobei der Lichtstrahl mittels der Umlenkvorrichtung 19 an die gewünschten Stellen der Schicht gelenkt wird und dort die Polymerisation und damit Verfestigung des Materials 6 bewirkt.

Abänderungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiels sind möglich; so muß beispielsweise der Auslaß 15 nicht um den Betrag einer Schichtdicke unter der Oberfläche liegen, sondern kann tiefer oder höher angeordnet sein, solange er die Funktion erfüllt, das Material in den Bereich der Oberfläche gezielt an eine zum Verteilen durch den Abstreifer 20 geeignete Stelle zu transportieren. Ferner muß der Verbindungskanal 13 zu diesem Zweck auch nicht im Bad an einer Stelle zwischen der Ruheposition des Abstreifers 20 und dem zu verfestigenden Bereich der Schicht enden, sondern kann beispielsweise in einen am Abstreifer 20 angeordneten Behälter führen, so daß das Material beim Absenken des Trägers 8 vom unteren Bereich 11 in diesen Behälter transportiert und anschließend vom Abstreifer 20 aus diesem entnommen und über die Oberfläche des Bades verteilt wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß erfindungsgemäß nur zwei Arbeitsschritte, nämlich das Absenken des Trägers 8 und das Verschieben des Abstreifers 20, erforderlich sind, um das Material aufzutragen und zu verteilen und gleichzeitig eine genaue Einstellung des Niveaus der Oberfläche 7 zu bewirken. Dabei genügt das einmalige Verfahren des Abstreifers 20 von seiner Ausgangsstellung in die Endstellung. Wartezeiten zum Ausgleich der Oberfläche wie beim Stand der Technik treten dabei nicht auf.

Claims (24)

1. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Stereographie, mit einem Behälter (1) zur Aufnahme eines Bades aus flüssigem, durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung verfestigbarem Ma­ terial (6), einem Träger (8) zum Positionieren des Objekts (16) relativ zur Oberfläche (7) des Bades, einer Vorrichtung (17) zum Verfestigen von Teilbereichen einer Schicht des Materials (6) an der Oberfläche (7) mittels elektromagnetischer Strahlung und einem entlang der Oberfläche (7) verschiebbaren Abstreifer (20), dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungskanal (13) vorgesehen ist, über den beim Absenken des Trägers (8) Material aus dem unteren Bereich (11) des Bades unterhalb des Trägers (8) zum Verteilen mittels des Abstreifers (20) über die Oberfläche (7) transportiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (13) einen mit dem unteren Bereich (11) des Bades unter dem Träger (8) verbundenen Einlaß und einen im Bereich der Oberfläche (7) des Bades angeordneten Auslaß (15) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (8) für das Ma­ terial (7) undurchlässig ausgebildet ist und im Behälter (1) unterhalb des Trägers (8) einen im wesentlichen abgeschlossenen Bereich (11) des Materials bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbindungskanal (13) von unten bis an die Oberfläche (7) erstreckt, wobei der Auslaß (15) vorzugsweise um etwa den Betrag einer Schichtdicke unter der Unterkante des Abstreifers (20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Auslaß (15) des Verbindungskanals (13) in Richtung des Abstreifers (20) über einen wesentlichen Teil der Breite des Behälters (1) erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (15) an der Oberfläche (7) an einer Stelle zwischen einer Startposition des Abstreifers (20) und der Oberfläche (23) des Objekts angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (13) sich im wesentlichen abgedichtet durch den Träger (8) hindurcherstreckt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (13) im Bad im wesentlichen senkrecht angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (13) aus einer Mehrzahl von Kanälen gebildet ist, die in Richtung des Abstreifers (20) im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (13) bzw. die Kanäle als Röhrchen ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) an der der Startposition des Abstreifers (20) gegenüberliegenden Stelle der Oberfläche (7) einen Überlauf (5) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (5) mit einem Auffangbehälter (4) verbunden ist, der über eine Rückführleitung (21) mit dem Behälter (3) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (21) eine Pumpe (22) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (5) als eine sich im wesentlichen in Richtung des Abstreifers (20) über die Breite der Oberfläche (7) bzw. des Behälters (1) erstreckende Überlaufkante ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung (9) für den Träger (8) vorgesehen ist, die sich in das Bad hineinerstreckt und deren Querschnitt so bemessen ist, daß das beim Absenken des Trägers (8) von der Halterung (9) verdrängte Materialvolumen der maximal möglichen Volumenschrumpfung bei der Verfestigung des Objekts (16) entspricht.

16. Verfahren zum Herstellen eines Objekts mittels Stereographie, bei dem das Objekt in einem Bad aus flüssigem Material schichtweise hergestellt wird, indem jeweils eine Schicht gleichmäßiger Dicke des Materials mittels eines über die Badoberfläche bewegten Abstreifers aufgetragen und anschließend durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung an dem dem Objekt entsprechenden Bereich verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen der Schichtdicke entsprechende Menge des Materials gezielt aus dem Bad in den Bereich des Abstreifers transportiert und von diesem über die Badoberfläche verteilt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmenge an eine Stelle der Badoberfläche zwischen der Ausgangsstellung des Abstreifers und dem verfestigten bzw. zu verfesti­ genden Objekt transportiert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt auf einer schrittweise absenkbaren Trägerplatte erzeugt wird und der Transport des Materials gleichzeitig mit dem Absenken der Trägerplatte für das Verfestigen der nächsten Schicht erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Niveau der Badoberfläche durch eine Überlaufkante eingestellt wird, über die ein evtl. vorhandener Überschuß an Material vom Abstreifer ausgeschoben wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgeschobene Materialüberschuß in einen Auffangbehälter geleitet wird und von dort wieder in den Behälter zurückgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Materialüberschusses nach der Herstellung eines Objekts erfolgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verteilende Materialmenge aus dem unteren Behälterbereich zur Badoberfläche dosiert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmenge im wesentlichen gleichmäßig entlang eines sich quer über die Badoberfläche erstreckenden schmalen Bereichs vor die Startposition des Abstreifers gebracht wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Materialschwund entsprechendes Volumen eines Verdrängungskörpers in das Bad eingetaucht wird.