DE4433118A1 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.
Bei dem unter der Bezeichnung "Layermanufacturing" bekann­ ten Verfahren wird ein dreidimensionales Objekt schicht­ weise durch Aufbringen und anschließendes Verfestigen auf­ einanderfolgender Schichten eines zunächst flüssigen oder eines pulverförmigen Materials hergestellt. Die Verfesti­ gung erfolgt dabei vorzugsweise durch einen gebündelten Lichtstrahl in Form eines Lasers oder dergleichen, der an die dem Objekt entsprechenden Stellen der Schicht gerichtet wird und dort die Verfestigung des Materials bewirkt. Ein Verfahren, bei dem ein pulverförmiges Feststoffmaterial als zu verfestigendes Medium verwendet wird, ist beispielsweise aus der US 4 863 538 bekannt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit flüs­ sigem oder pulverförmigem Material ist aus der DE 31 34 265 bekannt.
Eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens speziell mit pulverförmigem Material ist aus der DE 43 00 178 bekannt.
Um bestimmte Belichtungs- und Bauteileigenschaften zu er­ halten, werden Mischungen verschiedener Pulver verwendet, wobei sich die einzelnen Pulver durch ihre thermischen Ei­ genschaften wie zum Beispiel die Schmelztemperatur und ihre rheologischen Eigenschaften wie zum Beispiel ihre Viskosi­ tät unterscheiden. Die Verwendung von Pulvermischungen hat jedoch die folgenden Nachteile:
In einer makroskopischen Pulvermischung weisen die einzel­ nen Pulverkörner jeweils die makroskopischen thermische bzw. rheologischen Eigenschaften eines jeweiligen Mi­ schungsbestandteiles auf. Beim Erkalten nach der Belichtung einer Schicht mit dem Laserstrahl tritt in den Einzel­ bereichen (den Pulverkörnern) eine Kristallisation in Folge der Gleichförmigkeit und Regelmäßigkeit der Polymerketten auf, da unter der Belichtung keine vollständige Vermischung der Polymere auf molekularer Ebene stattfindet. Die Kri­ stallisation führt zu einem Volumenschwund des Bauteiles, der im Prozentbereich liegen kann. Gerade dieser Volumen­ schwund stellt eines der größten Probleme beim Aufbau drei­ dimensionaler Modelle dar, da er nur durch aufwendige und exakte Temperaturführung gesteuert werden kann. Durch diese Temperaturführung kann jedoch allenfalls der Schwund von Einzelschichten verhindert werden. Beim Abkühlen des Gesamtbauteiles tritt er in jedem Fall auf. Der Kristalli­ sationsgrad, d. h. der Anteil der kristallinen Bereiche am Gesamtvolumen, ist von der Abkühlgeschwindigkeit abhängig. Da die Abkühlgeschwindigkeit wiederum stark geometrieabhän­ gig ist, sie unterscheidet sich z. B. stark für dünne Wände bzw. große gefüllte Volumina, stellt der Schwund durch Kri­ stallisation immer einen unberechenbaren Faktor in der Bau­ teilgenauigkeit dar.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich das Pulver beim Beschichtsprozeß bzw. bei der Verarbeitung oder Rückgewinnung entmischen kann oder sich das Mischverhältnis ändern kann. Die Gefahr der Entmischung besteht hauptsäch­ lich bei Pulvermischungen, die sich durch Dichte, Kornform und Korngröße unterscheiden.
Ein weiterer Nachteil der Pulvergemische besteht darin, daß die Eigenschaften des späteren Bauteiles wie z. B. thermi­ sche und mechanische Kennwerte durch die schlechtere Kompo­ nente bestimmt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, bei dem die Prozeßführung vereinfacht wird und gewünschte Eigen­ schaften des späteren Bauteiles schon im Ausgangsmaterial leicht einstellbar und variierbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Ein Polymerblend ist eine Mischung auf molekularer Ebene von zwei oder mehr Polynieren bzw. Copolymeren. Die Vermi­ schung geschieht in der schmelze, aus welcher anschließend ein Pulver gewonnen wird. Somit enthält ein Pulverkorn ver­ schiedene Polymere in vorgegebenem Mischungsverhältnis. Dies ist entscheidend für die Homogenität des späteren Bau­ teiles. Bei der mikroskopischen Mischung stellt sich eine neue Phase ein, welche die Eigenschaften der Mischungsbe­ standteile kombiniert und normalerweise Mittelwerte ein­ nimmt. Daher ist es möglich, verschiedene Eigenschaftspro­ file wie z. B. spröde-weich oder niederviskos-hochviskos auf molekularer Ebene zu kombinieren. Größen wie die Glastempe­ ratur, der Schubmodul und die Viskosität sind bei Polymer­ blends oft stufenlos einstellbar. Daher kann man gewünschte Eigenschaften des späteren Bauteiles schon im Ausgangsmate­ rial einstellen.
Da im Polymerblend unterschiedliche Kettenstrukturen auf­ treten, ist die Kristallisation stark behindert bzw. wird vollständig unterdrückt. Somit wird auch der Volumen­ schwund, der aus der Kristallisation folgt, verhindert. Bei einem amorphen Polymerblend entfällt dieser Volumenschwund komplett. Dadurch wird die Prozeßführung vereinfacht oder es sind bei identischem Prozeßaufwand genauere Modelle er­ zeugbar.
Weil das Polymerblend eine Mischung auf molekularer Ebene ist, kann sich bei der Verarbeitung des Pulvers oder der Rückgewinnung das Pulver nicht entmischen bzw. das Misch­ verhältnis kann sich nicht ändern. Auch bei wiederverwende­ tem Pulver ist die Konstanz des Mischungsverhältnisses ga­ rantiert.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an­ hand der Figur.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein auf seiner Oberseite offener Behälter 1 ist bis zu ei­ nem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem Polymerblend 3 in Pulverform gefüllt. Im Behälter 1 befindet sich im Be­ reich des Polymerblends 3 ein Träger 4 mit einer im wesent­ lichen ebenen und horizontalen Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mittels einer nicht ge­ zeigten Höheneinstellvorrichtung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf und ab verschoben und positio­ niert werden kann.
Auf der Trägerplatte 5 befindet sich das Objekt 6, das aus einer Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c und 6d, die sich jeweils parallel zur Oberfläche 2 und zur Trägerplatte 5 erstrecken, in der später beschriebenen Weise aufgebaut wird.
Über dem Behälter 1 befindet sich eine nicht gezeigte Vor­ richtung zum Glätten der Oberfläche 2. Eine solche Vorrich­ tung kann beispielsweise als Walze oder als Wischer ausge­ bildet sein.
Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 7 angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl 8 abgibt. Be­ vorzugt besteht die Bestrahlungseinrichtung 7 aus einem La­ ser. Der gerichtete Lichtstrahl 8 wird über eine Ablenkein­ richtung 9, beispielsweise einen Drehspiegel, als abgelenk­ ter Strahl 10 auf die Oberfläche 2 des Polymerblends 3 in dem Behälter 1 abgelenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenkeinrichtung 9 derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte stelle der Oberfläche 2 des Polymer­ blends 3 in dem Behälter 1 auftrifft.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Ob­ jektes wird die Trägerplatte 5 in einem ersten Schritt in dem Behälter so positioniert und das über der Trägerplatte 5 befindliche Material mit der nicht gezeigten Vorrichtung zum Glätten so geglättet, daß zwischen der Oberseite der Trägerplatte 5 und der Oberfläche 2 des Polymerblends 3 in dem Behälter 1 ein gerade der vorgesehenen Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Diese Schicht wird mittels des von dem Laser 7 erzeugten und über die Ablenkeinrich­ tung 9 und die Steuereinrichtung 11 gesteuerten Laserstrah­ les 8, 10 an vorgegebenen, dem Objekt entsprechenden Stel­ len bestrahlt, wodurch das Polymerblend 3 sintert und so eine der Form des Objektes entsprechende feste Schicht 6a bildet. Das Bilden von weiteren schichten 6b, 6c und 6d er­ folgt sukkzessive durch Absenken der Trägerplatte 5 um einen der jeweiligen Schichtdicke entsprechenden Betrag, Glätten der neu zu verfestigenden Schicht und Bestrahlen an den dem Objekt 6 entsprechenden stellen.
Vorzugsweise werden gemäß der Erfindung die folgenden Polymerblends verwendet: Polyamid/Copolyamid, Polysty­ rol/Copolyamid, PPE/PA Blend (Polyphenylenether/Polyamid) z. B. Vestoblend, PPE/SB Blend (Polyphenylenether/Styrol/Butadienblend) oder ABS/PA Blend (Acrylnitril-Butadien-Styrol/Polyamid).
Durch Wahl des Mischungsverhältnisses der Polymerbestand­ teile in dem Polymerblend 3 können die mechanischen und/oder die thermischen Eigenschaften des Objekts (6) in weiten Bereichen eingestellt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Ob­ jektes, bei dem aufeinanderfolgende Schichten (6a, 6b, 6c, 6d) des zu bildenden Objektes (2) aus mittels elektromagne­ tischer Strahlung verfestigbarem Material nacheinander durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung (8, 10) verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Material ein Polymerblend (3) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerblend in Pulverform verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Polymerblend Polyamid und Copolyamid umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Polymerblend Polystyrol und Copolyamid umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Polymerblend Polyphenylether und Polyamid umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Polymerblend, Styrol und Butadien umfaßt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerblend Polyphenylether umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Polymerblend Acrylnitril-Butadien-Styrol und Polya­ mid umfaßt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung (8, 9) ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) zur Aufnahme des durch Einwirkung elek­ tromagnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (3); einen Träger (4) zur Aufnahme des Objekts (6) zum Positio­ nieren des Objektes (6) in dem Behälter (1) einer Vorrichtung (7, 9, 11) zum Verfestigen einer Schicht des Materials (3) mittels elektromagnetischer Strahlung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Verfestigen einen Laser (7) umfaßt.
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