WO1997014549A1 - Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objektes - Google Patents

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WO1997014549A1
WO1997014549A1 PCT/EP1996/003235 EP9603235W WO9714549A1 WO 1997014549 A1 WO1997014549 A1 WO 1997014549A1 EP 9603235 W EP9603235 W EP 9603235W WO 9714549 A1 WO9714549 A1 WO 9714549A1
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WO
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region
area
envelope
support
solidified
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PCT/EP1996/003235
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French (fr)
Inventor
Jochen Weidinger
Jürgen Serbin
Original Assignee
Eos Gmbh Electro Optical Systems
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40—Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • 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
    • B29C64/135—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 the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional object according to the preamble of claims 1 and 24, respectively.
  • a method for producing a three-dimensional object is known under the term "stereolithography".
  • a layer of a liquid or powdery material is applied to a support or an already solidified layer and is solidified at the corresponding points by irradiation with a directed light beam, for example a laser beam.
  • the object is produced in layers by successive solidification of a plurality of successive layers.
  • FIGS. 6a to 6c show a schematic representation of such known supports.
  • this type of support which has the shape of a tooth profile at its ends, the supports should be easy to remove after the production of the object at the connection points between the support structure and the actual component.
  • a kind of predetermined breaking point is created by the small areas via which the support structure is connected to the component. Nevertheless, the following problems still arise when removing the support structure from the component. With sufficient inherent stability of the overall structure of the S connects to the tütze Anknüpfstellen usually so firmly to the member that the support does not, that is, under the component, breaking immediately upon removal of the geometrically thinnest point.
  • DE 43 09 524 C1 discloses a method for producing a three-dimensional object, in which the entire object or each layer of the object to be formed is broken down into an inner core region and an outer envelope region and the radiation effect in the core region and in the envelope region is controlled differently to produce different properties of both areas.
  • the object to be formed is broken down into an envelope area and a core area in a computer.
  • the object data corresponding to the decomposition of the object to be formed into the envelope region and core region are made available to a further computer which has an irradiation device. controls to solidify the layers of the object to be formed.
  • the disassembly makes it possible to build an object with different, advantageous architectural styles that meet the respective requirements.
  • the method has the advantage that the support structure as a whole can be built stably enough, while the thin connection points to the component are designed to be soft and easily separable. At the same time, it is ensured that the support structure is clean, with the least effort and tools, i.e. can be separated from the component as a rule in one piece and without remaining residues. As a result, the time required for the removal of the support structure and for the finishing of the post-hardened component is significantly reduced. The component retains its characteristic surface structure due to the careful but thorough removal of the supports.
  • the support structure generated is very homogeneous.
  • the envelope area can be constructed in such a way that an easily detachable connection to the object is produced, and the core area can be constructed in such a way that a sufficiently stable support structure with a short construction time is generated and distortion forces during formation of the object with little deformation of the support structure.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a part of an object to be formed together with a support structure according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a section along the line A - A of Fig. 2.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an object to be formed with a support structure according to a further embodiment of the invention.
  • 5 shows a cross section through part of an object with a further support structure according to the invention
  • 6c shows schematic cross-sectional views of known shapes for stereolithographic supports.
  • a device for carrying out the method according to the invention has a container 1 which is open on its upper side and which, to a level or a surface 2, is made of a material which can be solidified under the influence of electromagnetic radiation 3 is filled.
  • a carrier 4 with an essentially flat and horizontal carrier plate 5, which is arranged parallel to the surface 2 and can be moved and positioned up and down perpendicularly to the surface 2 or to the carrier plate 5 by means of a height adjustment device, not shown can.
  • An object 6 to be formed is arranged on the carrier plate 5 together with a support structure 20, the object 6 and the support structure 20 each consisting of a plurality of layers 6a, 6b, 6c, 6d and 6e or 20a, 20b and 20c, which each extend parallel to the surface 2 and to the carrier plate 5, are constructed.
  • a device (not shown) for smoothing the surface 2 of the solidifiable material 3 is arranged above the container 1.
  • an irradiation device 7 for example a laser, which emits a directed light beam 8.
  • the directed light beam 8 is deflected via a deflection device 9, for example a rotating mirror, as a deflected beam 10 onto the surface 2 of the solidifiable material 3 in the container 1. directs.
  • a controller 11 controls the deflection device 9 in such a way that the deflected beam 10 strikes any desired location on the surface 2 of the solidifiable material in the container 1.
  • the controller 11 is connected to a computer unit 50, which supplies the controller 11 with the corresponding data for solidifying the layers of the object 6 and the support structure 20.
  • the carrier plate 5 is positioned in the container in a first step in such a way that between the top of the carrier plate 5 and the surface 2 of the solidifiable material 3 in the container 1 there is a distance which corresponds precisely to the intended layer thickness is present.
  • the layer of solidifiable material 3 located above the carrier plate 5 is determined by means of the light beam 8, 10 generated by the irradiation device 7 and controlled by the deflection device 9 and the control device 11, at predetermined, corresponding to the object 6 and the associated support structure 20 Places irradiated, whereby the material 3 is solidified and thus forms a solid layer 6a or? 0a corresponding to the shape of an object and the supporting structure.
  • the object and the support construction data for the control of the consolidation of each layer are calculated by disassembling a three-dimensional model of the object 6 and the support structure 20 m of individual layers.
  • the entire three-dimensional support structure 20 in the computer unit 50 is broken down into a shell area and a core area.
  • the envelope The area and the core area form two independent parts or individual objects of the support structure.
  • the three-dimensional model of the support structure can also be broken down in a separate computer, and the data generated can be transferred to the computer unit 50.
  • the radiation effect during solidification in each layer is now carried out in different ways, depending on whether it is the core area or the envelope area of the support structure. Due to the disassembly, a double exposure of overlapping parts of the support structure no longer occurs.
  • FIG. 2 shows a section through a support structure 21 together with the object 6 in the region of the connection of the support structure 21 to the object 6.
  • the support structure 21 is broken down into a core region 22 and an envelope region 23, which have different structures and thus different properties exhibit.
  • the radiation effect is preferably carried out in such a way that the deformation of the support structure 21 when the object 6 is generated is minimal.
  • the core area 22 must be exposed hard and thus inelastically, i. H. strong solidification must be created.
  • the core area 22 of the support structure 21 is only solidified in individual, spaced-apart partial areas which are either not connected at all or are connected to one another by connecting webs. If the envelope region 23 is sufficiently stable, it is also possible not to consolidate the core region 22 at all. After completion, non-consolidated material can be discharged through openings provided in the envelope area and / or in the core area.
  • the solidification of the support structure 21 in the shell region 23 may preferably have a sufficiently stable for the generation, take place but easily releasable connection of the support construction to the O bjekt. For this purpose, the exposure in the envelope area is soft, ie less solidification is produced than in the core area, so that the envelope area of the support structure does not adhere to the object in the area of the connection to the object.
  • Individual spaced subregions can also be solidified in the envelope region 23 of the support structure, which are either not connected at all or are connected to one another by connecting webs.
  • the distance between the partial areas in the envelope area is preferably smaller than the distance between the partial areas in the core area so that the object is adequately supported.
  • the wall thickness of the envelope area can be adjusted within the entire support structure and / or from layer to layer. The distance between the support structure and the walls of the object to be formed can thus be set.
  • a further embodiment of the method according to the invention consists in forming a support structure 30 into shell regions 31, 32, 33 and a core region 26 which form several shells disassemble, these areas 31, 32, 33, 26 each being separate parts or individual objects of the support structure.
  • An envelope area can, for example, enclose the core area completely or only partially.
  • the shell 31 has no Z thickness, but it has an XY wall thickness.
  • the envelope region 32 has only a Z thickness, while the envelope region 33 has a uniform wall thickness in the XY and Z directions.
  • the core 26 can be built with very large spaced sections. With such a shell-shaped disassembly, it is possible to optimally direct the flow of force through the support structure with minimal construction time.
  • FIG. 5 shows a cross section through an object 6 to be formed, in which the case is shown in which a support 40, which can also be part of a larger support structure (not shown here), between the upper side 61 of a part of the object 6 and the underside 62 of an overlying part of the object is formed.
  • the support 40 is again divided into a core area 41 and an envelope area 42.
  • the envelope region 42 does not necessarily have to enclose the core region 41 from all sides. It is also sufficient if the envelope region 42 only delimits the core region 41 from the ends that are in direct contact with the object.
  • the exposure of spaced-apart partial areas in the envelope area 42 takes place in such a way that the cross section of the partial areas decreases towards the surfaces 61 and 62 of the object 6 to be supported.
  • the support 40 at their with Whether projecting 6 connected ends have the shape of a tooth profile, in the case shown the teeth of the tooth profile tapering towards the object, so that a small but nevertheless sufficient contact surface between the support and the object 6 is generated for support .
  • the thickness of the enveloping area 42 in the embodiment shown in FIG. 5 with a surface in the form of a tooth profile is only a few layer thicknesses.
  • the envelope area 42 is exposed less strongly than the core area 41 according to the invention, so that due to the somewhat lower solidification in the envelope area 42 and the small contact area between the support 40 and the component 6, the support can be easily detached without damaging the object is possible.
  • the three-dimensional configuration of the envelope area means that the teeth 42a, 42b, etc. /. have a "soft zone" with the thickness D due to the lower hardening.
  • a soft envelope area can be created in two ways. Firstly, the degree of solidification can be controlled directly by the beam parameters, e.g. Beam intensity occur during the single exposure of a layer. There is then no double exposure here.
  • Beam intensity e.g. Beam intensity occur during the single exposure of a layer. There is then no double exposure here.
  • a difference in the degree of solidification of the shell and core can preferably be produced in that a simple soft exposure of the entire area of the support consisting of shell and core takes place and the core area is additionally exposed a further time.
  • the core area is thus strongly solidified by double exposure, while the envelope area receives its lower degree of solidification relative to the core area due to only one exposure. Since the support is built up in layers, the double exposure mentioned is carried out per layer.
  • a nstelle in FIG. Formation of the ends of the S shown in Figure 5 tütze 40 as tooth profiles toward the object pointed zu ⁇ running teeth are also possible, for example, in Fig. Profile shapes shown 6a and 6b, in which the teeth have a flattened surface.
  • the contact area between the support and the object is increased, which can be advantageous particularly in the case of thin projections of the object.
  • a slight detachment of the support from the object mög ⁇ also goes for such designs of the south.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (6), bei dem das Objekt durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) aus flüssigem oder pulverförmigem Material (3) durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung (8, 10) erzeugt wird und bei dem zusammen mit dem Objekt eine Stützkonstruktion (20, 21, 40) zum Stützen des Objektes (6) verfestigt wird, wird die Stützkonstruktion (20, 21, 40) in dreidimensionaler Weise in einen inneren Kernbereich (22, 41) und einen äußeren Hüllbereich (23, 42) zerlegt und die Strahlungseinwirkung zur Erzeugung unterschiedlicher Eigenschaften beider Bereiche verschieden gesteuert. Der Hüllbereich (42) wird dabei schwächer und in Teilbereichen verfestigt zur Erzeugung einer perforierten Anbindung an das Objekt, die leicht abtrennbar ist.

Description

O 97/14549 PC17EP96/03235
- 1 -
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 24.
Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objek¬ tes ist unter dem Begriff "Stereolithographie" bekannt. Hierbei wird auf einen Träger bzw. eine bereits verfestigte Schicht eine Schicht eines flüssigen oder pulverförmigen Materials aufgetragen und durch Bestrahlen mit einem ge¬ richteten Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, an dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt. Durch suk¬ zessives Verfestigen einer Vielzahl von aufeinanderfolgen¬ den Schichten wird das Objekt schichtweise hergestellt.
Ein derartiges Verfahren, bei dem zusammen mit dem Objekt Stützkonstruktionen zum Stützen von Teilen des Objektes bzw. des gesamtes Objektes verfestigt werden, ist aus der EP 0 330 751 A2 bekannt. Beim Aufbau von Stützkonstruktionen entstehen jedoch
Schwierigkeiten der folgenden Art.
Bei filigranen Strukturen sowie bei der Verschneidung von Flächen werden wegen der im CAD-Modell getrennten Flächen- verbunde mehrere Einzelstützen erzeugt. Diese können dicht nebeneinander liegen und/oder sich überschneiden bzw. durchdringen. Bei der Belichtung der Stützkonstruktion wer¬ den die Konturlinien der Einzelstützen in geringstem Ab¬ stand zueinander belichtet. Dabei verschmelzen sie mitein¬ ander. Die entstandene Stützkonstruktion läßt sich ohne Zerstörung des Bauteiles nicht oder nur sehr schwer entfer¬ nen.
Um das Verschmelzen dicht nebeneinanderliegender Konturli¬ nien von Einzelstützen zu verhindern, ist es möglich, die Stützen ohne Kontur zu belichten. Die Stützen müssen dann jedoch sehr hart belichtet werden, d. h. es muß ein hoher Grad an Verfestigung erzeugt werden, um ein Ausfransen der Stützen an den Rändern zu verhindern. Die so erzeugte Stützkonstruktion ist wiederum nur sehr mühsam vom Bauteil zu entfernen oder kann ohne Zerstörung desselben nicht ent- rernt werden.
Aus dem Benutzerhandbuch Magics 3.0. , Materialise N.V. 1995, sind bestimmte Ausbildungen von stereolithographi- schen Stützen bekannt. Die Figuren 6a bis 6c zeigen eine schematische Darstellung solcher bekannten Stützen. Bei dieser Art von Stützen, die an ihren Enden die Form eines Zahnprofiles aufweisen, soll eine leichte Entfernbarkeit der Stützen nach der Herstellung des Objektes an den An- knüpfstellen zwischen der Stützkonstruktion und dem eigent¬ lichen Bauteil ermöglicht werden. Durch die kleinen Flä¬ chen, über die die Stützkonstruktion mit dem Bauteil in Verbindung steht, wird eine Art Sollbruchstelle geschaffen. Dennoch treten bei der Entfernung der Stützkonstruktion vom Bauteil noch die folgenden Probleme auf. Bei ausreichender Eigenstabilität der Gesamtstruktur verbindet sich die Stütze an den Anknüpfstellen in der Regel so fest mit dem Bauteil, daß die Stütze bei der Entfernung nicht an der geometrisch dünnsten Stelle, d.h. unmittelbar unter dem Bauteil, bricht. Häufig bleiben bei der Entfernung der Stützen unsauber abgebrochene Stütz-Enden am Bauteil zurück oder es bricht ein Stück des Bauteils mit Entfernung der Stütze heraus. Dies ist besonders an gestützten Kanten des Bauteils der Fall. Folglich ist hier ein hoher Zeit- und Kraftaufwand bei der Nachbearbeitung des Bauteils erforder¬ lich, um die Oberfläche des Bauteils von den verbleibenden Resten zu befreien. Ein weiteres Problem tritt auf, wenn Bauteile gestützt werden sollen, deren Stützkonstruktion bereits auf einer Bauteiloberfläche beginnt. Die Härtung der Stützkonstruktion reicht εo tief in die Bauteiloberflä¬ che hinein, daß die meist hochglänzende gleichmäßige Bau¬ teiloberseite irreversibel in Mitleidenschaft gezogen wird. Die ehemaligen Stütz-Verbindungszonen sind dann rauh und matt.
Aus der DE 43 09 524 Cl ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bekannt, bei dem das ge¬ samte Objekt bzw. jede Schicht des zu bildenden Objektes in einen inneren Kernbereich und einen äußeren Hüllbereich zerlegt wird und die Strahlungseinwirkung im Kernbereich und im Hüllbereich zur Erzeugung unterschiedlicher Eigen¬ schaften beider Bereiche verschieden gesteuert wird. Die Zerlegung deε zu bildenden Objektes in einen Hüllbereich und einen Kernbereich erfolgt in einem Rechner. Der Zerle¬ gung des zu bildenden Objektes in Hüllbereich und Kernbe¬ reich entsprechende Objektdaten werden einem weiteren Rech¬ ner zur Verfügung gestellt, der eine Bestrahlungseinrich- tung zum Verfestigen der Schichten des zu bildenden Objek¬ tes steuert. Durch die Zerlegung ist es möglich, ein Objekt mit unterschiedlichen und den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden vorteilhaften Baustilen aufzubauen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, bei dem eine zusammen mit dem Objekt erzeugte Stützkonstruktion in einer kurzen Zeit hergestellt werden kann, nach der Fertig¬ stellung des Objektes leicht von diesem entfernt werden kann, ohne daß Beschädigungen am Objekt zurückbleiben und bei dem die Nachbearbeitungszeit für das Objekt reduziert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Pa¬ tentanspruch 1 bzw. 24. Weiterbildungen sind in den Un- teransprüchen gegeben.
Das Verfahren hat den Vorteil, daß die Stützkonstruktion als Ganzes stabil genug gebaut werden kann, während die dünnen Verbindungsstellen zum Bauteil weich und leicht trennbar gestaltet sind. Gleichzeitig ist gewährleistet, daß sich die Stützkonstruktion sauber, mit geringstem Kraft- und Werkzeugaufwand, d.h. in der Regel in einem Stück und ohne verbleibende Reste vom Bauteil trennen läßt. Hierdurch wird der Zeitaufwand für die Entfernung der Stützkonstruktion als auch für die Nachbearbeitung des ei¬ nes nachgehärteten Bauteils deutlich verringert. Das Bau¬ teil behält durch die schonende, aber gründliche Stützen¬ entfernung seine charakteristische Oberflächenstruktur.
Durch die Zerlegung der Stützkonstruktion in dreidimensio¬ naler Weise in den Kernbereich und den Hüllbereich wird die erzeugte Stützkonstruktion sehr homogen. Durch Steuerung der Strahlungseinwirkung im Hüllbereich verschieden von der im Kernbereich kann der Hüllbereich so aufgebaut werden, daß eine leicht lösbare Anbindung an das Objekt erzeugt wird, und der Kernbereich kann so aufgebaut werden, daß eine ausreichend stabile Stützkonstruktion mit geringer Bauzeit erzeugt wird und Verzugskräfte bei der Bildung des Objektes bei geringer Deformation der Stützkonstruktion aufgenommen werden können.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Vorrich¬ tung zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht eines Teiles eines zu bildenden Objektes zusammen mit einer Stützkonstruktion gemäß einer Aus¬ führungsform der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A - A von Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines zu bildenden Objektes mit einer Stützkon¬ struktion gemäß einer weiteren Ausführungs- form der Erfindung.
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil eines Ob¬ jektes mit einer weiteren erfindungsgemaßen Stützkonstruktion; Fig. 6a -
Fig. 6c schematische Querschnittansichten von be¬ kannten Formen für stereolithographische Stützen.
Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine Vor¬ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen auf seiner Oberseite offenen Behälter l auf, der bis einem Niveau bzw. einer Oberfläche 2 mit einem unter Ein¬ wirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Mate¬ rial 3 gefüllt ist. In dem Behälter 1 befindet sich ein Träger 4 mit einer im wesentlichen ebenen und horizontalen Trägerplatte 5, die parallel zur Oberfläche 2 angeordnet ist und mittels einer nicht gezeigten Höheneinstellvorrich¬ tung senkrecht zur Oberfläche 2 bzw. zur Trägerplatte 5 auf und ab verschoben und positioniert werden kann.
Auf der Trägerplatte 5 ist ein zu bildendes Objekt 6 zusam¬ men mit einer Stützkonstruktion 20 angeordnet, wobei das Objekt 6 und die Stützkonstruktion 20 jeweils aus einer Mehrzahl von Schichten 6a, 6b, 6c, 6d und 6e bzw. 20a, 20b und 20c, die sich jeweils parallel zur Oberfläche 2 und zur Träαerplatte 5 erstrecken, aufgebaut sind.
Über dem Behälter 1 ist eine nicht gezeigte Vorrichtung zum Glätten der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3 angeordnet.
Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 7, beispielsweise ein Laser, angeordnet, die einen gerich¬ teten Lichtstrahl 8 abgibt. Der gerichtete Lichtstrahl 8 wird über eine Ablenkeinrichtung 9, beispielsweise einen Drehspiegel, als abgelenkter Strahl 10 auf die Oberfläche 2 des verfestigbaren Materiales 3 in dem Behälter 1 abge- lenkt. Eine Steuerung 11 steuert die Ablenkeinrichtung 9 derart, daß der abgelenkte Strahl 10 auf jede gewünschte Stelle der Oberfläche 2 des verfestigbaren Materials in dem Behälter 1 auftrifft. Die Steuerung 11 ist mit einer Compu¬ tereinheit 50 verbunden, die der Steuerung 11 die entspre¬ chenden Daten zur Verfestigung der Schichten des Objektes 6 und der Stützkonstruktion 20 liefert.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Ob¬ jektes wird die Trägerplatte 5 in einem ersten Schritt in dem Behalter so positioniert, daß zwischen der Oberseite der Tragerplatte 5 und der Oberflache 2 des verfestigbaren Materiales 3 in dem Behalter 1 ein gerade der vorgesehen Schichtdicke entsprechender Abstand vorliegt. Die sich über der Tragerplatte 5 befindliche Schicht des verfestigbaren Materiales 3 wird mittels des von der Bestrahlungseinrich- tung 7 erzeugten und über die Ablenkeinrichtung 9 und die Steuereinrichtung 11 gesteuerten Lichtstrahles 8, 10 an vorgegebenen, dem Objekt 6 und der zugehörigen Stützkon¬ struktion 20 entsprechenden Stellen bestrahlt, wodurch das Material 3 verfestigt wird und so eine der Form eines Ob¬ jektes und der Stützkonstruktion entsprechende feste Schicht 6a bzw. ?0a bildet. Das Bilden von weiteren Schich¬ ten 6b, 6c und 6d bzw. 20b und 20c erfolgt sukzessive durch Absenken der Tragerplatte 5 um einen der jeweiligen Schichtdicke entsprechenden Betrag und erneutes Bestrahlen an den dem Objekt 6 bzw. der Stützkonstruktion 20 entspre¬ chenden Stellen.
In der Computereinheit 50 erfolgt eine Berechnung der Ob¬ jekt- und der Stützkonstruktionsdaten für die Steuerung der Verfestigung jeder Schicht durch Zerlegung eines dreidimen¬ sionalen Modelles des Objektes 6 und der Stützkonstruktion 20 m einzelne Schichten. Dabei wird die gesamte dreidimen¬ sionale Stützkonstruktion 20 in der Computereinheit 50 in einen Hullbereich und einen Kernbereich zerlegt. Der Hüll- bereich und der Kernbereich bilden zwei eigenständige Teile bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion. Die Zerlegung des dreidimensionalen Modells der Stützkonstruktion kann auch in einem separaten Computer erfolgen, und die erzeugten Da¬ ten können an die Computereinheit 50 übergeben werden. Die Strahlungseinswirkung bei der Verfestigung in jeder Schicht erfolgt nun in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem, ob es sich um den Kernbereich oder den Hüllbereich der Stützkonstruktion handelt. Durch die Zerlegung tritt eine Doppelbelichtung von sich überschneidenden Teilen der Stützkonstruktion nicht mehr auf.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Stützkonstruktion 21 zusammen mit dem Objekt 6 im Bereich der Anbindung der Stützkonstruktion 21 an das Objekt 6. Die Stützkonstruktion 21 ist in einen Kernbereich 22 und einen Hüllbereich 23 zerlegt, die unterschiedliche Strukturen und damit unter¬ schiedliche Eigenschaften aufweisen. Fig. 3, die einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 2 darstellt, veran¬ schaulicht die Anbindung der Stutzkonstruktion 21 über de¬ ren Hüllbereich 23 an das Objekt 6 in einer Schicht.
Im Kernbereich 22 erfolgt die Strahlungseinwirkung bevor¬ zugt so, daß die Verformung der Stutzkonstruktion 21 bei der Erzeugung des Objektes 6 minimal ist. Dazu muß der Kernbereich 22 hart und damit unelastisch belichtet werden, d. h. es muß eine starke Verfestigung erzeugt werden.
Zur Verringerung der erforderlichen Bauzeit und zur Materi¬ alersparnis wird der Kernbereich 22 der Stützkonstruktion 21 nur in einzelnen beabstandeten Teilbereichen verfestigt, die entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege mitein¬ ander verbunden sind. Es ist bei ausreichend stabiler Ver¬ festigung des Hüllbereiches 23 auch möglich, den Kernbe¬ reich 22 überhaupt nicht zu verfestigen. Nichtverfestigtes Material kann nach der Fertigstellung durch im Hüllbereich und/oder im Kernbereich vorgesehene Offnungen abgelassen werden. Die Verfestigung der Stützkonstruktion 21 im Hüllbereich 23 kann bevorzugt zur Erzeugung einer ausreichend stabilen, aber leicht lösbaren Anbindung der Stützkonstruktion an das Objekt erfolgen. Dazu erfolgt die Belichtung im Hüllbereich weich, d. h. eine geringere Verfestigung als im Kernbereich wird erzeugt, so daß der Hüllbereich der Stützkonstruktion im Bereich der Anbindung an das Objekt nicht unlösbar an dem Objekt anhaftet.
Im Hüllbereich 23 der Stützkonstruktion können ebenfalls einzelne beabstandete Teilbereiche verfestigt werden, die entweder gar nicht oder durch Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Der Abstand der Teilbereiche im Hüllbereich ist bevorzugt kleiner als der Abstand der Teilbereiche im Kernbereich, damit das Objekt ausreichend gestützt wird. In Bereichen des Hüllbereiches 23 der Stützkonstruktion 21, die an das Objekt angrenzen, ist es möglich, nur einzelne zusammenhängende Blöcke bzw. Klötzchen des Hüllbereiches zu verfestigen, wodurch eine perforierte Anbindung an das Ob¬ jekt erzeugt wird, die die Ablösung der Stutzkonstruktion nach der Fertigstellung des Objektes erleichtert.
Die Wandstärke des Hüllbereiches ist innerhalb der gesamten Stützkonstruktion und/oder von Schicht zu Schicht einstell¬ bar. Damit kann der Abstand der Stützkonstruktion zu Wänden des zu bildenden Objektes eingestellt werden.
Durch geeignete Wahl der Strahlungεeinwirkung bzw. der Belichtungstechnik können gegenüber dem herkömmlichen Ver¬ fahren Bauzeiteinsparungen von bis zu 80% erreicht werden.
Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, besteht eine wei¬ tere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, eine Stützkonstruktion 30 in mehrere Schalen bil¬ dende Hüllbereiche 31, 32, 33 und einen Kernbereich 26 zu zerlegen, wobei diese Bereiche 31, 32, 33, 26 jeweils ei¬ genständige Teile bzw. Einzelobjekte der Stützkonstruktion sind. Verschiedene Schalendicken sind möglich. Ein Hüllbe¬ reich kann beispielsweise den Kernbereich vollständig oder nur teilweise einschließen. So besitzt gemäß Fig. 4 die Hülle 31 keine Z-Dicke, hingegen jedoch XY-Wandstärke. Der Hüllbereich 32 besitzt lediglich Z-Dicke, während der Hüll¬ bereich 33 eine gleichmäßige Wandstärke in XY- und Z-Rich¬ tung aufweist. Der Kern 26 kann bei dieser Stützkonstruk¬ tion mit sehr groß beabstandeten Teilbereichen gebaut wer¬ den. Mit einer solchen schalenförmigen Zerlegung ist es möglich, den Kraftfluß durch die Stützkonstruktion bei mi¬ nimaler Bauzeit optimal zu leiten.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zu bildendes Ob¬ jekt 6, bei dem der Fall dargestellt ist, daß eine Stütze 40, die auch Teil einer größeren hier nicht dargestellten Stützkonstruktion sein kann, zwischen der Oberseite 61 ei¬ nes Teiles des Objektes 6 und der Unterseite 62 eines dar¬ überliegenden Teiles des Objektes gebildet ist. In einem solchen Fall ist eine Entfernung der Stütze nach dem Bilden des Objektes besonders schwierig. Die Stütze 40 ist wie¬ derum in einem Kernbereich 41 und einen Hüllbereich 42 zer¬ legt. Beim Bilden der Stütze 40 muß, in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, nicht notwendigerweise der Hüllbereich 42 den Kernbereich 41 von allen Seiten um¬ schließen. Es genügt auch, wenn der Hüllbereich 42 den Kernbereich 41 nur von den unmittelbar in Kontakt mit dem Objekt stehenden Enden her eingrenzt.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Belichtung von beabstandeten Teilbereichen im Hüllbereich 42 derart, daß der Querschnitt der Teilbereiche zu den an¬ grenzenden zu stützenden Oberflächen 61 und 62 des Objektes 6 hin abnimmt. Dadurch weist die Stütze 40 an ihren mit dem Objekt 6 in Verbindung stehenden Enden die Form eines Zahn¬ profiles auf, wobei im dargestellten Fall die Zähne des Zahnprofiles zum Objekt hin spitz zulaufen, so daß eine ge¬ ringe aber doch zur Stützung ausreichende Kontaktfläche zwischen der Stütze und dem Objekt 6 erzeugt wird. Die Dicke des Hüllbereiches 42 bei der in Fig. 5 gezeigten Aus¬ führungsform mit einer Oberfläche in Form eines Zahnprofi¬ les beträgt nur wenige Schichtdicken. Der Hüllbereich 42 wird erfindungsgemäß weniger stark belichtet als der Kern¬ bereich 41, so daß aufgrund der etwas geringeren Verfesti¬ gung im Hüllbereich 42 und der geringen Kontaktfläche zwi¬ schen der Stütze 40 und dem Bauteil 6 eine leichte Ablösung der Stütze ohne Beschädigung des Objektes möglich ist. Durch die dreidimensionale Ausgestaltung des Hüllbereiches ergibt sich, daß die Zähne 42a, 42b, usv/. eine durch die geringere Verfestigung bedingte "weiche Zone" mit der Dicke D haben.
Ein weicher Hüllbereich kann auf zwei Arten erzeugt werden. Einmal kann der Grad an Verfestigung über die unmittelbare Steuerung der Strahlparameter wie z.B. Strahlintenεität während der einmaligen Belichtung einer Schicht erfolgen. Hier tritt dann keine Doppelbelichtung auf.
Bevorzugt kann jedoch ein Unterschied im Verfestigungsgrad von Hülle und Kern dadurch erzeugt werden, daß eine einfa¬ che weiche Belichtung des Gesamtbereicheε der Stütze beste¬ hend aus Hülle und Kern stattfindet und der Kernbereich zu¬ sätzlich noch ein weiteres Mal belichtet wird. Der Kernbe¬ reich erhält seine starke Verfestigung also durch Doppelbe¬ lichtung, während der Hüllbereich seinen geringeren Verfe¬ stigungsgrad relativ zum Kernbereich aufgrund nur einmali¬ ger Belichtung erhält. Da die Stütze schichtweise aufgebaut wird, erfolgt die genannte Doppelbelichtung pro Schicht. Anstelle der in Fig. 5 dargestellten Ausbildung der Enden der Stütze 40 als Zahnprofile mit zum Objekt hin spitz zu¬ laufenden Zähnen sind auch die beispielsweise in Fig. 6a und 6b gezeigten Profilformen möglich, bei denen die Zähne eine abgeplattete Oberfläche aufweisen. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen Stütze und Objekt erhöht, was insbe¬ sondere bei dünnen Auskragungen des Objektes vorteilhaft sein kann. Durch eine entsprechend schwächere Belichtung im Hüllbereich ist jedoch auch bei solchen Ausbildungen der Stützenden eine leichte Ablösung der Stütze vom Objekt mög¬ lich.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Ob¬ jektes, bei dem das Objekt (6) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) aus verfestigbarem flüssigen oder pulverförmigen Material (3) durch Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung (8, 10) erzeugt wird und bei dem zusammen mit dem Objekt (6) eine Stützkonstruktion (20, 21) zum Stützen des Objektes (6) verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (20, 21) in dreidimensionaler Weise in einen inneren Kernbereich (22) und einen äußeren Hüllbe¬ reich (23) zerlegt wird und die Strahlungseinwirkung zur Erzeugung unterschiedlicher Eigenschaften beider Bereiche verschieden gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützkonstruktion (20, 21) schichtweise zusammen mit der Verfestigung der Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) des Ob¬ jektes (6) verfestigt wird und die Zerlegung in den Hüllbe¬ reich (23) und den Kernbereich (22) in jeder Schicht (20a, 20b, 20c) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeich¬ net, daß die Strahlungseinwirkung im Kernbereich (22) so erfolgt, daß die Verformung der Stützkonstruktion (20, 21) bei der Erzeugung des Objektes (6) minimal ist und daß die Strah¬ lungseinwirkung im Hüllbereich (23) zur Erzeugung der An¬ bindung der Stützkonstruktion an das Objekt erfolgt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinwirkung im Kernbereich (22) so erfolgt, daß eine starke Verfestigung erzeugt wird und daß die Strahlungseinwirkung im Hüllbereich (23) so erfolgt, daß eine geringe Verfestigung erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Kernbereich (22) einzelne beabstandete Teilbereiche verfestigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche durch Verbindungsstege miteinander verbun¬ den werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Hüllbereich (23) einzelne beabstandete Teilbereiche verfestigt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche durch Verbindungsstege miteinander verbun¬ den werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Abstand der Teilbereiche im Hüllbereich (23) kleiner als der Abstand der Teilbereiche im Kernbereich (22) ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen des Hüllbereiches (23) , die an das Objekt (6) angrenzen, nur einzelne Schichten oder eine Anzahl von übereinanderliegenden Schichten oder einzelne Teilbereiche einer Schicht zur Erzeugung einer perforierten Anbindung an das Objekt (6) verfestigt werden. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinwirkung so gesteuert wird, daß eine Wandstärke des Hüllbereiches (23) für die gesamte Stützkonstruktion gleich ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wandstärke deε Hüllbereiches (23) über die Stützkonstruktion einstellbar ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (6) in dreidimensionaler Weise in einen Kernbe¬ reich und einen Hüllbereich zerlegt wird und daß die Strahlungseinwirkung im Kernbereich so erfolgt, daß die Verformung des Objektes bei und nach der Verfestigung mini¬ mal ist und daß die Strahlungseinwirkung im Hüllbereich zur Erzeugung einer glatten und genauen Oberfläche erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich in mindestens einen zweiten Hüllbereich (32, 33) und einen zweiten Kernbereich (26) zerlegt wird und die Strahlungseinwirkung zur Erzeugung unterschiedli¬ cher Eigenschaften jedes Bereiches verschieden gesteuert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken der Hüllbereiche (31, 32, 33) einstellbar sind.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Hüllbereich (23, 31, 32, 33) Öffnungen gebildet werden, durch die unverfestigtes Material aus dem Kernbereich (22, 26) ausfließen kann. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Kernbereich (22, 26) Öffnungen gebildet werden, durch die unverfestigtes Material aus dem Kernbereich (22, 26) ausfließen kann.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen des Hüllbereiches (23) der Stützkonstruktion, die an das Objekt (6) angrenzen, in jeder Schicht nur ein¬ zelne Teilbereiche der Schicht zur Erzeugung einer perfo¬ rierten Anbindung an das Objekt (6) verfestigt werden, wo¬ bei die Teilbereiche aufeinanderfolgender Schichten über¬ einander liegen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der zu verfestigenden Teilbereiche zum Objekt (6) hin abnimmt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Querschnitte der zu verfestigenden Teilbereiche so ge¬ wählt werden, daß der an den zu stützenden Teil des Objek¬ tes (6) angrenzende Teil der Stützkonstruktion die Form ei¬ nes Zahnprofileε (42) aufweiεt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne des Zahnprofiles in Richtung des zu stützenden Teil des Objektes (6) hin spitz zulaufen.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne des Zahnprofiles zu dem zu stützenden Teil des Objektes (6) hin abgeplattet sind. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllbereich eine Dicke von 10 bis 100 Schichtdicken aufweist.
24. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Ob¬ jektes durch Verfestigen von aufeinanderfolgenden Schichten (6a, 6b, 6c, 6d, 6e) aus mittels elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung verfestigbarem flüssigen oder pulverför¬ migen Material an dem jeweiligen Querschnitt des Objekts (6) entsprechenden Stellen, wobei zuεammen mit dem Objekt (6) eine Stützkonεtruktion (20, 21) mit mindestens einer Stütze (40) zum Stützen des Objektes (6) oder Teilen des Objektes verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseinwirkung zum Bilden der Stütze (40) so ge¬ steuert wird, daß in einem den zu stützenden Teil des Ob¬ jektes (6) zugewandten Ende der Stütze ein äußerer Bereich (42) der Stütze einen geringeren Verfestigungsgrad aufweist alε ein innerer Bereich (41) der Stütze (40) und daß in dem äußeren Bereich (42) die Verfeεtigung der Stütze (40) nur in Teilbereichen des Stützenquerschnittes derart erfolgt, daß eine perforierte Anbindung der Stütze (40) an das Ob¬ jekt (6) erzeugt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (40) schichtweise zusammen mit der Verfestigung der Schichten des Objektes (6) verfestigt wird, und daß die zu verfestigenden Teilbereiche des äußeren Bereiches (42) der Stütze (40) in aufeinanderfolgenden Schichten überein¬ ander liegen, so daß der äußere Bereich (42) die Form eines Zahnprofiles aufweist.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Teilbereiche zu dem zu stützenden Teil des Objektes hin abnehmen. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der geringere Verfestigungsgrad des äußeren Bereiches (42) der Stütze relativ zu deren inneren Bereich (41) durch ein¬ maliges Bestrahlen des gesamten Bereiches, bestehend aus äußerem und innerem Bereich, und anschließend nochmaliges Bestrahlen nur des inneren Bereiches (41) erzeugt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der geringere Verfestigungsgrad des äußeren Bereiches (42) der Stütze relativ zu dem inneren Bereich (41) durch Varia¬ tion der Strahleigenschaften während eines einmaligen Be- strahlens des Gesamtbereiches erzeugt wird.
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