WO2010045950A1 - Vorrichtung und verfahren zur verarbeitung von lichtpolymerisierbarem material zum schichtweisen aufbau von formkörpern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von lichtpolymerisierbarem Material zum Aufbau eines Formkörpers unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigungstechnik, bei dem eine Schicht aus einem lichtpolymerisierbaren Material, das sich in zumindest einer Wanne (4) mit einem insbesondere lichtdurchlässig ausgebildeten, horizontalen Boden (6) befindet, auf wenigstens einer in eine Wanne (4) ragenden, horizontalen Bauplattform (12) mit vorgegebener Geometrie in einem Belichtungsfeld durch Belichten polymerisiert wird, die Bauplattform (12) zur Bildung einer nachfolgenden Schicht vertikal verschoben wird, lichtpolymerisierbares Material auf die zuletzt gebildete Schicht nachgeführt wird, und durch Wiederholen der vorhergehenden Schritte schichtweise der Formkörper in der gewünschten Form, die sich aus der Folge der Schichtgeometrien ergibt, aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (4) horizontal in eine Zufuhrstellung versetzbar ist, eine Zufuhreinrichtung (8) lichtpolymerisierbares Material wenigstens auf ein Belichtungsfeld des Wannenbodens (6) ausbringt, bevor die zumindest eine Wanne (4) in eine Belichtungsstellung versetzt wird, in der sich das Belichtungsfeld unterhalb der Bauplattform (12) und oberhalb der Belichtungseinheit (10) befindet, und die Belichtung erfolgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung von lichtpolymeri- sierbarem Material zum schichtweisen Aufbau von Formkörpern
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von lichtpolymerisierbarem Material zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigung, z.B. Rapid Prototyping, mit einer Wanne mit einem wenigstens teilweise lichtdurchlässig ausgebildeten horizontalen Boden, in die lichtpolymerisierbares Material einfüllbar ist, einer horizontalen Bauplattform, die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden gehalten ist, einer Belichtungseinheit, die zur ortsselektiven Belichtung einer Fläche auf der Bauplattform mit einem Intensitätsmuster mit vorgegebener Geometrie ansteuerbar ist, einer Steuereinheit, die dazu vorbereitet ist, in aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten übereinanderliegende Schichten auf der Bauplattform jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Belichtungseinheit zu polymerisieren und nach jedem Belichtungsschritt für eine Schicht die Relativposition der Bauplattform zum Wannenboden anzupassen, um so sukzessive den Formkörper in der gewünschten Form, die sich aus der Folge der Schichtgeometrien ergibt, aufzubauen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verarbeitung von lichtpolymerisierbarem Material zum Aufbau eines Formkörpers unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigungstechnik, z.B. Rapid Prototyping, bei dem eine Schicht aus einem lichtpolymerisierbare-s-n Material, das sich in zumindest einer Wanne mit einem insbesondere lichtdurchlässig (transparent oder transluzent) ausgebildeten, horizontalen Boden befindet, auf wenigstens einer in wenigstens eine Wanne ragenden, horizontalen Bauplattform mit vorgegebener Geometrie in einem Belichtungsfeld durch Belichten polymerisiert wird, die Bauplattform zur Bildung einer nachfolgenden Schicht vertikal verschoben wird, lichtpolymerisierbares Material auf die zuletzt gebildete Schicht nachgeführt wird, und durch Wiederholen der vorhergehenden Schritte schichtweise der Formkörper in der gewünschten Form, die sich aus der Folge der Schichtgeometrien ergibt, aufgebaut wird.
Die Erfindung ist insbesondere auf den Aufbau von Formkörpern gerichtet, die für Dentalrestaurationen verwendet werden sollen.
CAD-CAM-Technologien haben in der Dentalbranche schon seit einiger Zeit Einzug gehalten und lösen die traditionelle handwerkliche Herstellung von Zahnersatz ab. Die heute üblichen abtragenden Herstellungsverfahren zur Erzeugung von keramischen Dentalrestaurationskörpern haben aber einige Nachteile, die nach heutigem Stand der Technik mit vernünftigem Aufwand unter wirtschaftlichen Aspekten nicht verbessert werden können. In diesem Zusammenhang können aufbauende Herstellungsverfahren, die unter der Bezeichnung "rapid prototyping" (schnelle Prototypenbauweise) in Betracht gezogen werden, insbesondere stereolithographische Verfahren, bei denen jeweils eine neu aufgetragene Materialschicht durch ortsselektive Belichtung in der gewünschten Form polymerisiert wird, wodurch sukzessive durch schichtweise Formgebung der gewünschte Körper in seiner dreidimensionalen Form, die sich aus der Aufeinanderfolge der aufgebrachten Schichten ergibt, hergestellt wird.
In Bezug auf keramikgefüllte Polymere ist insbesondere WO 98/06560 zu nennen. Dabei wird ein keramischer Schlicker über eine dynamische Maske (Lichtmodulator) belichtet, wodurch sukzessive ein dreidimensionaler Körper aufgebaut werden soll. Bei dem beschriebenen Verfahren wird der keramischer Schlicker von oben auf einer Bauplattform belichtet. Bei einer solchen Belichtung von oben muss nach jeder Belichtung mit Hilfe einer Rakel eine neue dünne Materialschicht aufgetragen werden (typischerweise mit einer Schichtdicke, die zwischen 10 und 100 μm liegt) . Bei Verwendung höher viskoser Materialien, wie dies keramikgefüllte Harze sind, können solche dünnen Schichten jedoch nur schwer in reproduzierbarer Weise aufgetragen werden.
Im Stand der Technik sind auch, jedenfalls für Photomonoymere ohne Keramikfüllung, Techniken bekannt, bei denen die Belichtung von unten durch den Boden einer Wanne hindurch, der mit einer transparenten Folie, Platte oder Platte mit einer ela- stomeren Oberfläche (z.B. aus Silikon oder Fluorelastomer) ausgeführt ist, erfolgt. Über der transparenten Folie oder Platte befindet sich eine Bauplattform, die von einem Hubmechanismus in einstellbarer Höhe über der Folie oder Platte gehalten wird. Im ersten Belichtungsschritt wird das Photopolymer zwischen Folie und der Bauplattform in der gewünschten Form durch Belichten polymerisiert . Beim Anheben der Bauplattform löst sich die polymerisierte erste Schicht von der Folie oder Platte und flüssiges Monomer fließt in den entstehenden Spalt nach. Durch sukzessives Anheben der Bauplattform und selektive Belichtung des nachgeflossenen Monomermaterials entsteht der schichtweise polymerisierte Formkörper. Eine zur Anwendung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung ist zum Beispiel in DE 199 57 370 Al beschrieben, auf der die Oberbegriffen von Anspruch 1 und 20 beruhen. Eine ähnliche Verfahrensweise ist in DE 102 56 672 Al beschrieben, die sich jedoch ebenfalls auf ungefüllte Polymere bezieht.
Bei der Verarbeitung keramikgefüllter Photopolymere stellen sich gegenüber der Verarbeitung von ungefüllten Photopolymeren folgende Probleme:
Die Grünfestigkeit der polymerisierten Körper ist deutlich geringer (kleiner 10 MPa) als die Festigkeit eines ungefüllten Polymers (typischerweise ca. 20 bis 60 MPa) . Dadurch ist der keramikgefüllte Photopolymerkörper mechanisch deutlich weniger belastbar (z.B. beim Abtrennen der - A -
zuletzt gebildeten Schicht von der Platte bzw. Folie, durch die hindurch von unten belichtet wurde) .
Durch den hohen Anteil an Keramikpartikeln kommt es zu ausgeprägter Lichtstreuung, und die Eindringtiefe des verwendeten Lichtes ist deutlich reduziert. Damit verbunden ist eine ungleichmäßige Polymerisation in z-Richtung (Strahlungsrichtung) bei Schichtdicken von mehr als 20 μm. Durch die geringe Eindringtiefe ist es auch schwierig, eine zuverlässige Haftung der ersten Schicht direkt an der Bauplattform zu erreichen. Bei keramikgefüllten Monomerma- terial kann jedoch nicht gewährleistet werden, dass die anfängliche Startschicht ausreichend dünn ist (z.B. kleiner als 75 μm) . Somit ließe sich auch bei sehr langer Belichtung der ersten Schicht eine reproduzierbare Haftkraft an der Bauplattform nicht gewährleisten.
Im Vergleich zu ungefüllten Photopolymeren sind keramikgefüllte photopolymerisierbare Materialien deutlich viskoser. Dies stellt erhöhte Anforderungen an den verwendeten Beschichtungsmechanismus. Insbesondere kann die Zeit, die bis zum Nachfließen von keramikgefülltem Photopolymer nach Anheben der Bauplattform benötigt wird, erheblich länger sein. Auch stellt das Anheben und Absenken der Bauplattform in einem hochviskosen Photopolymermaterial erhöhte Anforderungen, um Beschädigungen des Bauteils zu vermeiden.
Aufgrund der hohen Grundviskosität sind keramikgefüllte Photopolymere empfindlicher hinsichtlich Gelierung durch Streulicht oder Umgebungslicht. Bereits kleine Lichtintensitäten sind ausreichend, um durch die stattfindende Polymerisation die Viskosität des Materials über die zulässige Grenze anzuheben. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein aufbauendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung lichtpolymeri- sierbarer Materialien zum Aufbau von Formkörpern unter Anwendung einer lithographishen schnellen Prototypenbauweise so zu verbessern, dass damit auch höher viskose lichtpolymerisierba- re Materialen, insbesondere keramikgefüllte Photopolymere, besser verarbeitet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient die Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und das Verfahren nach Patentanspruch 14. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne horizontal beweglich bezüglich der Belichtungseinheit und der Bauplattform ist und dass eine Zufuhreinrichtung vorgesehen ist, die unter Steuerung der Steuereinheit lichtpolymerisierbares Material in die Wanne ausbringt, wobei Belichtungseinheit und Bauplattform horizontal auf Abstand zur Zufuhreinrichtung angeordnet sind, und dass die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, die Wanne zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten in vorgegebener Weise in einer horizontalen Ebene durch einen Antrieb zu bewegen, um so von der Zufuhreinrichtung auf den Wannenboden ausgebrachtes lichtpolymerisierbares Material in den Bereich zwischen Belichtungseinheit und Bauplattform zu bringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt in Bewegungsrichtung der Wanne zwischen der Zufuhreinrichtung und der Beleuchtungseinheit/Bauplattform eine Aufbringvorrichtung, insbesondere eine Rakel oder eine Rolle, deren Höhe über dem Wannenboden einstellbar ist, um auf die von der Zufuhreinrichtung ausgegebene Schicht aus lichtpolymerisierbarem Material einzuwirken und diese vor Erreichen des Zwischenraums zwischen Belich- tungseinheit und Bauplattform auf eine einheitliche Dicke zu bringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Belichtungseinheit unterhalb des Wannenbodens zur Belichtung des wenigstens teilweise lichtdurchlässigen (transparenten oder transluzen- ten) Wannenbodens von unten angeordnet, und ist die Bauplattform in einem Hubmechanismus durch die Steuereinheit höhenverstellbar oberhalb des Wannenbodens gehalten.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu vorbereitet, die Dicke der Schicht, nämlich den Abstand zwischen der Bauplattform oder der letzten erzeugten Schicht und dem Wannenboden, über den Hubmechanismus einzustellen.
Vorzugsweise ist in dem Hubmechanismus ein mit der Steuereinheit verbundener Kraftaufnehmer vorhanden, der dazu in der Lage ist, die von dem Hubmechanismus auf die Bauplattform ausgeübte Kraft zu messen und das Messergebnis an die Steuereinheit zu senden, wobei die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, die Bauplattform mit einem vorgegebenen Kraftverlauf zu bewegen. Insbesondere bei keramikgefüllten lichtpolymerisierbaren Materialien können aufgrund der hohen Viskosität beim Herunterfahren in das oder beim Herauffahren der Bauplattform aus dem viskosen Material große Kräfte auftreten, die durch das Verdrängen beziehungsweise Ansaugen des viskosen Materials zwischen Bauplattform und Wannenboden bedingt sind. Um die auftretenden Kräfte zu beschränken und dennoch eine möglichst hohe Absenk- beziehungsweise Anhebegeschwindigkeit zu ermöglichen, was den Produktionsprozess insgesamt beschleunigt, kann die Steuereinheit durch eine Kraftmessung den Hubmechanismus in optimaler Weise kraftgesteuert einsetzen.
Zur Ausführung der horizontalen Bewegung zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten kann die Wanne mit ihrem Boden um eine zentrale Achse drehbar gelagert sein und durch einen Antrieb zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten um einen vorgegebenen Winkel gedreht werden. Die Belichtungseinheit und die darϋberliegende Bauplattform liegen radial gegenüber der zentralen Achse nach außen versetzt, so dass bei aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten und dazwischen erfolgenden Drehbewegungsschritten schließlich eine Kreisringform des Wannenbodens überstrichen wird. Die Aufbringvorrichtung, z.B. Rakel oder Rolle oder Kombinationen daraus, liegt dann in Bewegungsrichtung zwischen Zufuhreinrichtung einerseits und Belichtungseinheit und Bauplattform andererseits, so dass der Belichtungsprozess nach Einwirken der Aufbringvorrichtung auf die Materialschicht erfolgt. Es können noch mehrere Rakel oder Rollen oder Kombinationen davon vorgesehen sein, um eine glattstreichende und eine walzende Einwirkung auf die Schicht zu nehmen. Die Aufbringvorrichtung kann insbesondere auch von einer Kante eines Ausgabekanals der Zufuhreinrichtung gebildet sein, die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden liegt.
Als Alternative zur Drehbewegung kann die Wanne entlang einer Linie versetzbar gelagert und ein Antrieb vorgesehen sein, der in der Lage ist, unter Steuerung der Steuereinheit die Wanne zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten um einen vorgegebenen Weg zu verschieben.
Durch geeignete Wahl der Größe der Bewegungsschritte der Wanne können Strategien durchgeführt werden, die es erlauben, den Wannenboden an immer neuen Stellen zu belichten, so dass ein Anhaften des lichtpolymerisierbaren Materials am Wannenboden durch mehrfaches Belichten an derselben Stelle des Wannenbodens reduziert werden kann. Bei einer Drehbewegung der Wanne ist z.B. das Verhältnis Vollkreis (360°) zum Drehwinkelschritt vorzugsweise nicht ganzzahlig, insbesondere auch keine rationale Zahl. Alternativ können die Drehwinkelschritte auch in vorgegebener oder zufälliger Weise variiert werden, so dass die Polymeristation in immer anderen Bereichen der Wanne erfolgt.
Vorzugsweise werden in der Vorrichtung als Lichtquelle der Belichtungseinheit und/oder der weiteren Belichtungseinheit Leuchtdioden eingesetzt. Herkömmlich wurden bei Stereolithographieprozessen mit Maskenprojektion Quecksilberdampflampen eingesetzt, was aber Nachteile mit sich bringt, da die Leuchtdichte solcher Quecksilberdampflampen zeitlich und räumlich in beträchtlichem Ausmaß variieren kann, was häufig zu wiederholende Kalibrationen erforderlich machte. Daher ist der Einsatz von Leuchtdioden bevorzugt, die räumlich und zeitlich deutlich geringere Intensitätsvariationen zeigen. Gleichwohl ist die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform dazu vorbereitet, in vorgegebenen Intervallen automatisch eine Korrektur oder Kompensation von Intensitätsvariationen durchzuführen. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Belichtungseinheit einen Referenzsensor aufweist, der als ein das gesamte Belichtungsfeld abtastender Photosensor oder als eine das gesamte Belichtungsfeld erfassende CCD-Kamera ausgebildet ist. Die Steuereinheit ist dazu vorbereitet, in einem Kalibrationsschritt die Belichtungseinheit mit einem über das gesamte Belichtungsfeld vorgegebenen Ansteuerungssignal für die Belichtungseinheit zu belichten und das von dem Referenzsensor erfasste Intensitätsmuster über das Belichtungsfels zur Berechnung einer ortsabhängigen Kompensation zu verwenden, deren Anwendung eine gleichmäßige Intensität bei vorgegebenem Ansteuerungssignal im gesamten Belichtungsfeld ergibt. Anders ausgedrückt liefert die Kompensationsmaske ortsabhängig im Belichtungsfeld eine Beziehung zwischen der die Belichtungseinheit ansteuernden Signalamplitude und der jeweils daraus resultierenden tatsächlichen Intensität. Dadurch können zeitabhängig oder permanent auftretende Variationen der örtlichen Intensitätsverteilung im Belichtungsfeld kompensiert werden, indem die Belichtungseinheit von der Steuereinheit mit einer zu dem im letzten Kali- brationsschritt bei vorgegebenem Ansteuerungssignal tatsächlich erfassten Intensitätsmuster umgekehrten Maske ortsabhängig gesteuert wird, so dass eine gleichmäßige tatsächliche Intensität im Belichtungsfeld erreichbar ist.
Vorzugsweise werden Leuchtdioden eingesetzt, die Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen emittieren. Damit ist es möglich, verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Photoinitiatoren in derselben Vorrichtung zu verarbeiten.
Die Belichtungseinheit ist vorzugsweise zur Emission von Licht mit einer mittleren Intensität von 1 mW/cm2 bis 2000 mW/cm2, insbesondere 5 Wm/cm2 bis 50 mW/cm2, ausgelegt.
Die Belichtungseinheit weist vorzugsweise einen räumlichen Lichtmodulator auf, insbesondere ein von der Steuereinheit angesteuertes Mikrospiegelfeld.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt in Drehrichtung hinter dem Bereich der Belichtungseinheit und Bauplattform ein in vorgebbarer Höhe über dem Wannenboden positionierbarer Wischer, der für eine erneute Verteilung des Materials nach dem Polymerisationspozess ausgestaltet ist. Nach einem Belichtungsschritt bleibt nach Anheben der Bauplattform bleibt auf dem Wannenboden in der Materialschicht eine Zone ohne lichtpo- lymerisierbares Material zurück, die der Form der zuletzt gebildeten Schicht entspricht. Diese Zone wird durch erneutes Verteilen des Materials am Wannenboden spätestens beim Passieren des Wischers wieder aufgefüllt.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, um bei Einleitung des Anhebens der Bauplattform nach einem Belichtungsschritt unter Steuerung der Steuereinheit eine relative Kippbewegung zwischen Bauplattform und Wannenboden auszuführen, wodurch eine schonendere Trennung der polymerisierten Ma- terialschicht vom Wannenboden und damit eine geringe Belastung des Formkörpers erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Wannen, denen jeweils eine Zufuhreinrichtung für eines aus einer Mehrzahl von lichtpolymerisierbaren Materialien zugeordnet ist, und ein Antrieb vorhanden, der in der Lage ist, gesteuert durch die Steuereinheit jeweils eine der Wannen in einer ausgewählten vorgegebenen Reihenfolge zwischen die Belichtungseinheit und Bauplattform zu bewegen, wobei diese Bewegung eine lineare Bewegung bei serieller Anordnung mehrerer Wannen oder eine rotierende Bewegung bei der Anordnung mehrerer Wannen entlang einer gekrümmten Bahn ist, wodurch Schichten aus verschiedenen Materialien nach Maßgabe der ausgewählten vorgegebenen Reihenfolge aufgebaut werden können. Die unterschiedlichen Materialien können sich nach ihrer Farbe und sonstigen Materialeigenschaften unterscheiden, insbesondere nach optischen und mechanischen Eigenschaften, um so eine gewünschte Materialschichtung in dem Formkörper zu erreichen. Vorzugsweise wird beim Wechsel von einer Wanne zu einer anderen die Verschleppung von Material aus der einen Wanne in die andere Wanne unterdrückt, um die Verunreinigung der Materialien in den Wannen zu vermeiden. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Bauplattform mit den daran bereits gebildeten Schichten nach Anheben aus der einen Wanne durch eine Reinigungseinheit, insbesondere durch ein Bad mit Lösungsmittel, geführt wird, um anhaftendes nicht-polymerisiertes Material zu entfernen.
Eine Wann im Sinne der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Ausführungsform bedeutet ein abgeteilter, nach oben offener Aufnahmeraum für lichtpolymerisierbares Material. Insbesondere kann daher auch ein einzelner Wannenkörper durch Trennwände in mehrere voneinander getrennte Wannensegmente unterteilt sein und so eine Mehrzahl von Wannen im Sinne dieser Erfindung bilden.
Vorzugsweise weist die Zufuhreinrichtung eine Aufnahme zum Einsetzen einer Kartusche mit lichtpolymerisierbarem Material auf, um auf einfache Weise das für den jeweiligen Bauprozess gewünschte lichtpolymerisierbare Material zum Einsatz bringen zu können.
Vorzugsweise ist die Unterseite der Bauplattform mit einer Strukturierung z.B. aus Noppen, Rillen oder Nuten versehen, die in oder auf der unteren Oberfläche selbst und/oder in oder auf einer darauf aufgebrachten Beschichtung oder Folie vorgesehen ist. Vorzugsweise wird der wenigstens teilweise lichtdurchlässige Wannenboden durch eine einen Polymerisationsinhibitor enthaltende Folie oder Platte gebildet. Die Bauplattform kann insbesondere aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen, vorzugsweise aus Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Saphirglas oder Quarzglas.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der oben genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wanne horizontal in eine Zufuhrstellung versetzbar ist, die Zufuhreinrichtung lichtpolymerisierbares Material wenigstens auf ein Belichtungsfeld des Wannenbodens ausbringt, bevor die Wanne in eine Belichtungsstellung versetzt wird, in der sich das Belichtungsfeld unterhalb der Bauplattform und oberhalb der Belichtungseinheit befindet, und die Belichtung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verteilung des zugeführten lichtpolymerisierbaren Materials in einer vorgegebenen Schichtdicke auf dem Wannenboden, insbesondere auf dem Belichtungsfeld, während des Versetzens der Wanne aus der Zufuhrstellung in die Belichtungsstellung mit Hilfe einer zwischen der Zufuhreinrichtung und der Belichtungseinheit sowie der Bauplattform angeordneten Aufbringvorrichtung, zum Beispiel einer Rakel oder einer Rolle, deren Höhe über dem Wannenboden einstellbar ist, vorgenommen.
Vorzugsweise wird anschließend die Bauplattform, gegebenenfalls mit den daran bereits gebildeten Schichten, durch den Hubmechnismus unter Steuerung der Steuereinheit wieder in das nachgeführte lichtpolymerisierbare Material abgesenkt, so dass lichtpolymerisierbares Material aus dem verbleibenden Zwischenraum zum Wannenboden verdrängt wird, und wird der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der zuletzt gebildeten Schicht und dem Wannenboden in vorgegebener Weise von der Steuereinheit eingestellt. Auf diese Weise kann durch einen mechanisch präzises Einstellen der Bauplattform über dem Wannenboden die Dicke der zu bildenden Schicht, die dem Abstand zwischen unterer Oberfläche der zuletzt gebildeten Schicht und dem Wannenboden entspricht, präzise eingestellt werden.
Vorzugsweise wird die erste Schicht des lichtpolymerisierbaren Materials an eine an der Unterseite der Bauplattform angeordnete, gegebenenfalls entfernbare Folie oder Beschichtung anpo- lymerisiert .
Vorzugsweise erfolgt das Verschieben der Bauplattform durch Anheben und/oder Absenken kraftgesteuert nach Maßgabe eines vorgegebenen Kraftverlaufs, d.h. die von dem Hubmechanismus auf die Bauplattform ausgeübte Kraft wird auf vorgegebene Kriterien hin beschränkt. Dadurch können die auftretenden Kräfte, die insbesondere bei höher viskosen Materialien erheblich sein können und die den Aufbau des Formkörpers beschädigen könnnten, beschränkt werden und dennoch eine möglichst hohe Absenk- bzw. Anhebegeschwindigkeit der Bauplattform in das bzw. aus dem lichtpolymerisierbaren Material ermöglicht werden, was die Geschwindigkeit des Produktionsprozesses insgesamt optimiert, da immer mit der höchsten Geschwindigkeit, bei der Beschädigungen noch vermieden werden, gearbeitet werden kann.
Um den Aufbau von Formkörpern unter Verwendung von verschiedenen Materialien zu ermöglichen, kann in aufeinanderfolgenden Schichtaufbauschritten in einer auswählbaren Reihenfolge eine Mehrzahl von verschiedenen Materialien zum Schichtaufbau verwendet werden, indem eine Mehrzahl von Wannen, denen jeweils eine Zufuhreinrichtung mit einem aus der Mehrzahl von Materialien zugeordnet ist, in einer ausgewählten Reihenfolge zwischen Belichtungseinheit und Bauplattform bewegt wird, wobei diese Bewegung eine lineare Bewegung bei serieller Anordnung mehrerer Wannen oder eine rotierende Bewegung bei Anordnung mehrerer Wannen entlang einer gekrümmten Bahn ist. Die unterschiedlichen Materialien können sich nach ihrer Farbe und sonstigen Materialeigenschaften unterscheiden, insbesondere nach optischen und mechanischen Eigenschaften, um so eine gewünschte Materialschichtung in dem Formkörper zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Herstellung des Formkörpers ein partikelgefülltes, beispielsweise keramikgefülltes, lichtpolymerisierbares Material verwendet wird und aus dem fertigen Formkörper die organischen Bestandteile ausgebrannt werden, bevor der Formkörper gesintert wird. Vorzugsweise kann der Partikelanteil des lichtpolymerisierbaren Materials aus einer Oxidkeramik oder einer Glaskeramik besteht.
Vorzugsweise wird das lichtpolymerisierbare Material an der Unterseite der Bauplattform durch Belichten von unten polyme- risiert, wonach die Bauplattform relativ zu einer Wanne für das lichtpolymerisierbare Material nach jedem Belichtungsschritt angehoben wird und lichtpolymerisierbares Material unter die zuletzt gebildete Schicht nachgeführt wird. Dabei kann die erste Schicht des lichtpolymerisierbaren Materials an ei- ner an der Unterseite der Bauplattform angeordneten, entfernbaren Folie oder Beschichtung anpolymerisiert werden.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Formkörper kann zum Beispiel ein Grünling für eine Dentalrestauration sein, wobei das lichtpolymerisierbare Material in diesem Fall zum Beispiel ein keramikgefülltes Photopolymer sein kann. Die Bauplattform weist vorzugsweise eine Platte aus einem hochtemperaturbeständigen Material auf, vorzugsweise aus Zir- konoxid, Aluminiumoxid, Saphirglas oder Quarzglas. Auf einen solchen keramischen Träger kann eine transparente Polymerfolie aufgeklebt sein, um die Bauplattform zu bilden, wobei die Polymerfolie auf der Seite, die mit dem Photopolymer in Kontakt kommt, mit Strukturierungen wie Noppen, Rillen oder dergleichen versehen sein kann, um eine bessere Anhaftung des keramikgefüllten Photopolymers zu erreichen. Nach dem sukzessiven Aufbau des Grünlings kann die Bauplattform mit dem daran anhafteten Grünling entnommen und direkt in den Sinterofen eingebracht werden. Beim Entbindern des Bauteils zersetzt sich neben der organischen Harzkomponente auch die Polymerfolie der Bauplattform und der gesinterte Keramikkörper liegt somit nach dem Sintern lose auf der Platte der Bauplattform und kann entnommen werden.
Vorzugsweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Formteils ein Kunststoff verwendet werden, wobei das Formteil nach dessen Herstellung in einer Einbettmasse eingebettet und nach Erstarrung der Einbettmasse ausgebrannt wird und wobei die entstandenen Hohlräume in der Einbettmasse ein anderes Material, insbesondere ein Dentalkeramikmaterial oder Metall oder eine Legierung eingepresst wird.
Bei einem bevorzugten Verfahren kann für die Herstellung des Formteils ein Dentalkomposit verwendet werden und das Formteil nach dessen Herstellung vergütet und anschließend poliert oder lackiert und anschließend vergütet werden.
Vorzugsweise besteht bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Keramikanteil des keramikgefüllten Photopolymers aus einer Oxidkeramik oder einer Glaskeramik, insbesondere Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Lithiumdisilikat , Leuzitglaskeramik, Apatit-Glaskeramik oder Mischungen daraus.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise nach Durchführung eines Belichtungsschrittes bei ruhender Wanne die Bauplattform angehoben, um die gebildete Schicht vom Wannenboden abzuheben. Vorzugsweise wird dazu eine leichte relative Kippbewegung zwischen Bauplattform und Wannenboden durchgeführt, da nach der Polymerisation eine Anhaftung der gebildeten Schicht an dem Wannenboden bei senkrechtem Ziehen nach oben zu einer zu starken mechanischen Belastung der gerade gebildeten Schicht beziehungsweise des gesamten Bauteils führen könnte. Nach Anheben der Bauplattform bleibt auf dem Wannenboden in der Materialschicht eine Zone ohne lichtpolymerisierba- res Material zurück, die der Form der zuletzt gebildeten Schicht entspricht. Diese Zone wird durch erneutes Verteilen des Materials am Wannenboden spätestens beim Passieren der Rakel oder der Rolle oder durch einen optionalen zusätzlichen Wischer wieder aufgefüllt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus Figur 1 von oben zeigt, Fig. 3 bis 5 zeigen eine Teilansicht der Vorrichtung aus Fig. 1 im Bereich von Bauplattform und Wannenboden in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten,
Fig. 6 zeigt auf Draufsicht von oben für eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 7 eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf die Vorrichtung der zweiten Ausführungsform aus Fig. 6 zeigt, und
Fig. 8 eine Draufsicht von oben auf eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zeigt.
Das folgende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung eines Grünlings für eine Dentalrestauration.
Es werden zunächst mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 die Hauptkomponenten der Vorrichtung beschrieben.
Die Vorrichtung weist in der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ein Gehäuse 2 auf, das zur Unterbringung und Anbringung der übrigen Komponenten der Vorrichtung dient. Die Oberseite des Gehäuses 2 wird durch eine Wanne 4 bedeckt, die zumindest in den für Belichtungen vorgesehenen Bereichen einen lichtdurchlässigen und ebenen Wannenboden hat.
Unter dem Wannenboden 4 ist in dem Gehäuse 2 eine Belichtungseinheit 10 vorgesehen, die gesteuert von einer Steuereinheit 11 ein vorgegebenes Belichtungsfeld an der Unterseite des Wannenbodens 6 selektiv mit einem Muster in gewünschter Geometrie belichten kann.
Vorzugsweise weist die Belichtungseinheit 10 eine Lichtquelle 15 mit einer mehreren Leuchtdioden 23 auf, wobei im Belich- tungsfeld vorzugsweise eine Lichtleistung von etwa 15 bis 20 mW/cm2 erreicht wird. Die Wellenlänge des von der Belichtungseinheit abgestrahlten Lichts liegt vorzugsweise im Bereich von 400 bis 500 nm. Das Licht der Lichtquelle 15 wird über einen Lichtmodulator 17 ortsselektiv in seiner Intensität moduliert und in dem resultierenden Intensitätsmuster mit gewünschter Geometrie auf das Belichtungsfeld an der Unterseite des Wannenbodens 6 abgebildet. Als Lichtmodulatoren können verschiedene Arten von sogenannten DLP-Chips (digital light processing Chips) dienen, wie zum Beispiel Mikrospiegelfeider, LCD-Felder und dergleichen. Alternativ kann als Lichtquelle ein Laser verwendet werden, dessen Lichtstrahl über einen beweglichen Spiegel, der von der Steuereinheit gesteuert werden kann, das Belichtungsfeld sukzessive abtastet.
Über der Belichtungseinheit 10 ist jenseits des Wannenbodens 6 eine Bauplattform 12 vorgesehen, die von einem Hubmechanismus 14 mit einem Trägerarm 18 gehalten wird, so dass sie in höhenverstellbarer Weise über dem Wannenboden 6 über der Belichtungseinheit 10 gehalten wird. Die Bauplattform 12 ist ebenfalls transparent oder transluzent.
Über der Bauplattform 12, die lichtdurchlässig ausgebildet ist, ist eine weitere Belichtungseinheit 16 angeordnet, die ebenfalls von der Steuereinheit 11 angesteuert wird, um zumindest bei der Bildung der ersten Schicht unter der Bauplattform 12 auch Licht von oben durch die Bauplattform 12 einzustrahlen, um dadurch eine sichere und verlässlich reproduzierbare Polymerisation und Anhaftung der ersten polymerisierten Schicht an der Bauplattform zu erreichen.
Oberhalb der Oberfläche der Wanne 4 ist ferner eine Zufuhreinrichtung 8 mit einem Reservoir in Form einer austauschbaren Kartusche 9 gefüllt mit lichtpolymerisierbarem Material vorgesehen. Aus der Zufuhreinrichtung 8 kann sukzessive unter Steuerung der Steuereinheit 11 keramikgefülltes lichtpolymeri- sierbares Material auf den Wannenboden 6 ausgeben werden. Die Zufuhreinrichtung wird von einem höhenverstellbaren Träger 34 gehalten.
Die Wanne 4 ist an dem Gehäuse 2 mit einem Lager 7 um eine vertikale Achse 22 drehbar gelagert. Es ist ein Antrieb 24 vorgesehen, der von der Steuereinheit 11 angesteuert die Wanne 4 in eine gewünschte Drehstellung einstellt.
In Drehrichtung zwischen Belichtungseinheit 12 und Zufuhreinrichtung 8 kann ein Wischer 30 mit einstellbarer Höhe über dem Wannenboden 6 angeordnet sein, der unterschiedliche Funktionen übernehmen kann, wie weiter unten erläutert.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, liegt zwischen der Zufuhreinrichtung 8 und der Belichtungseinheit 12 oberhalb des Wannenbodens 6 eine Aufbringvorrichtung 26, hier in Form einer Rakel 26, die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden 6 positionierbar ist, um so Material, das aus der Zufuhreinrichtung 8 auf den Wannenboden 6 ausgegeben worden ist, durch Vorbeibewegung and der Aufbringvorrichtung glattzustreichen, bevor es die Belichtungseinheit 12 erreicht, um dadurch eine gleichmäßige Verteilung und vorgegebene Schichtdicke sicherzustellen. Alternativ oder zusätzlich zu der Rakel können eine oder mehrere Walzen oder weitere Rakel zu der Aufbringvorrichtung gehören, um in glättender Weise auf die Materialschicht einzuwirken.
Der die Bauplattform 12 tragende Schwenkarm 18 ist über ein Drehgelenk 20 mit dem vertikal verschiebbaren Teil des Hubmechanismus 14 verbunden. In dem Hubmechanismus 14 ist ferner ein Kraftaufnehmer 29 vorgesehen, der die von dem Hubmechanismus 14 beim Absenken bzw. Anheben der Bauplattform 12 auf diese ausgeübte Kraft misst und das Messergebnis zu der Steuereinheit 12 sendet. Diese ist wie weiter unten beschrieben dazu ausgestaltet, um den Hubmechanismus 14 nach eine vorgegebenen Kraftverlauf zu steuern, z.B. die auf die Bauplattform 12 ausgeübte Kraft auf einem Maximalwert zu begrenzen.
Die Funktionsweise der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung kann zusammenfassend folgendermaßen beschrieben werden. Aus der Zufuhreinrichtung 8 wird gesteuert durch die Steuereinheit eine vorgegebene Materialmenge von keramikgefülltem lichtpolymerisierbaren Material 5 auf den Wannenboden 6 ausgegeben. Durch Ansteuerung des Antriebs 24 veranlasst die Steuereinheit 11 eine Drehung des Wannenbodens 6 um die Drehachse 22, so dass das ausgegebene Material die Aufbringvorrichtung 26, hier einer Rakel, passiert, die das lichtpolyme- risierbare Material auf eine vorgegebene Schichtdicke 32 glättet, die durch die Höheneinstellung der Aufbringvorrichtung 26 bestirnt wird. Weiter wird das Material durch Drehung der Wanne 4 bis in den Bereich zwischen der Bauplattform 12 und der Belichtungseinheit 10 bewegt.
Hier folgt nun, nach Stoppen der Drehbewegung der Wanne 4, das Absenken der Bauplattform 12 in die auf dem Wannenboden 6 gebildete Schicht aus lichtpolymerisierbaren Material 5, was im Folgenden anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert wird. In dem in Fig. 3 gezeigten Zustand ist auf dem Wannenboden eine Schicht aus lichtpolymerisierbaren Material 5 mit einer vorgegebenen Dicke 32 gebildet, wobei sich die Bauplattform 12 in diesem Zustand noch oberhalb der Schicht 5 befindet. An der Unterseite der Bauplattform 12 ist eine Folie 13 angebracht, auf die weiter unten eingegangen wird. Aus dem in Fig. 3 dargestellten Zustand erfolgt nun ein Absenken der Bauplattform 12 durch den von der Steuereinheit 11 gesteuerten Hubmechanismus 14, so dass die Bauplattform 12 mit der Folie 13 an der Unterseite in die Schicht aus lichtpolymerisierbaren Material 5 eintaucht und dieses bei weiterem Absenken teilweise aus dem Zwischenraum zwischen der Folie 13 und der oberen Oberfläche des Wan- nenbodens 6 verdrängt. Durch den Hubmechanismus 14 wird die Bauplattform 12 von der Steuereinheit 11 gesteuert so zu dem Wannenboden abgesenkt, dass eine Schicht mit einer präzise vorgegebenen Schichtdicke 21 zwischen Bauplattform und Wannenboden definiert wird. Dadurch lässt sich die Schichtdicke 21 des zu polymerisierenden Materials präzise steuern.
Beim Eintauchen der Bauplattform 12 in das lichtpolymerisier- bare Material 5 und dem weiteren Absenken in die in Fig. 4 gezeigte Stellung können insbesondere bei Verdrängung von höher viskosem Material große Kräfte auftreten, wenn das Absenken der Bauplattform mit vorgegebener Geschwindigkeit erfolgen würde. Um zu verhindern, dass die aufzubauenden Materialschichten beim Absenken der Bauplattform 12 in das lichtpoly- merisierbare Material 5 zu großen Kräften ausgesetzt ist, ist in dem Hubmechanismus der oben erwähnte Kraftaufnehmer 29 vorhanden, der die auf die Bauplattform 12 ausgeübte Kraft misst und das Messsignal an die Steuereinheit 11 sendet. Diese ist nun dazu vorbereitet, den Hubmechanismus so zu steuern, dass die von dem Kraftaufnehmer 29 erfasste Kraft vorgegebenen Kriterien folgt, insbesondere dass die ausgeübte Kraft eine vorgegebene Maximalkraft nicht überschreitet. Dadurch kann das Absenken der Bauplattform 12 das lichtpolimerisierbare Material 5 hinein und das Anheben der Bauplattform daraus heraus einerseits so gesteuert durchgeführt werden, dass die auf die Bauplattform und damit auch auf die bereits gebildeten Schichten ausgeübten Kräfte begrenzt werden und dadurch Beschädigungen beim Aufbau des Formkörpers vermieden werden, und andererseits das Absenken und Anheben der Bauplattform 12 mit der maximal möglichen Geschwindigkeit, bei der Beschädigungen des aufzubauenden Formkörpers gerade noch vermieden werden, durchgeführt werden können, um so eine optimale Prozessgeschwindigkeit zu erreichen. Nach dem Absenken der Bauplattform in das lichtpolimerisierba- re Material 5 in die in Fig. 4 gezeigte Stellung folgt nun der erste Belichtungsschritt zur Polymerisation der ersten Schicht 28 an der Bauplattform 12, wobei dabei auch die weitere Belichtungseinheit 16 betätigt wird (gleichzeitig oder zeitlich versetzt), um ein sicheres Anhaften der ersten Polymerisationsschicht 28 an der Bauplattform zu gewährleisten. Während des Belichtungsprozesses bleibt die Wanne 4 ruhig gehalten, d.h. der Antrieb 24 bleibt abgeschaltet. Nach dem Belichten einer Schicht wird die Bauplattform 12 durch den Hubmechanismus 14 angehoben. Dabei wird vorzugsweise aber zunächst vor dem Anheben der Bauplattform 12 eine relative Kippbewegung zwischen der Bauplattform 12 und dem Wannenboden 6 durchgeführt. Diese leichte Kippbewegung soll zu einer mechanisch wenig belastenden Ablösung der zuletzt polymerisierten Schicht des Formkörpers 27 vom Wannenboden 6 dienen. Nach dieser Kippbewegung und Ablösung der zuletzt gebildeten Schicht wird die Transportplattform um eine vorgegebene Strecke angehoben, wie in Fig. 5 gezeigt, so dass die zuletzt gebildete Schicht an dem Formkörper 27 über dem lichtpolymerisierbaren Material 5 liegt .
Anschließend wird wieder Material aus der Zufuhreinrichtung 8 ausgegeben und die Wanne 4 durch den Antrieb 24 um einen vorgegebenen Drehwinkel gedreht, wobei das sich an der Rakel vorbeibewegende Material wieder auf eine einheitliche Schichtdik- ke gebracht wird. Diese Schrittfolge wird unter Bildung von aufeinanderfolgenden Schichten vorgegebener Konturform solange fortgesetzt, bis die Aufeinanderfolge von Schichten mit jeweils vorgegebener Geometrie die gewünschte Form des keramischen Grünlings ergibt.
Der hinter der Belichtungseinheit vorgesehene Wischer 30 über dem Wannenboden 6 kann verschiedene Funktionen haben. Er kann zum Beispiel, wenn er ganz auf den Wannenboden 6 abgesenkt ist, dazu dienen, das Material von dem Wannenboden zu sammeln und abzuleiten oder in die Zufuhreinrichtung 8 zurückzuführen, was am Ende eines Bauprozesses erfolgen sollte. Während eines Bauprozesses dient der Wischer 30, wenn er leicht gegenüber dem Wannenboden 6 angehoben ist, dazu, das Material wieder zu verteilen, insbesondere wieder Material in die "Löcher" zu schieben, die durch einen Belichtungsprozess in der Materialschicht nach Anheben der Bauplattform 12 entstanden sind.
Nach der Beendigung eines Bauprozesses kann die Bauplattform 12 mit der darüber angebrachten Belichtungseinheit 16 insgesamt durch Schwenken des Schwenkarms 18 um das Gelenk 20 nach oben geschwenkt werden, wie in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist. Danach besteht besser Zugang zu der Wanne 4, um diese zum Beispiel reinigen oder austauschen zu können.
Nach dem beschriebenen Aufbau des Grünlings aus polymerisier- tem keramikgefüllten Material muss dieser aus der Vorrichtung entnommen und einem Brennofen zugeführt werden, in dem durch die Temperaturbehandlung eine Zersetzung des polymerisierten Bindemittels (Entbindern) herbeigeführt und eine Sinterung des Keramikmaterials durchgeführt wird. Zur Vereinfachung der Handhabung des aufgebauten Körpers ist die Bauplattform so gestaltet, dass sie von dem Trägerarm 18 leicht lösbar ist. Dann kann die Bauplattform mit dem daran haftenden aufgebauten keramikgefüllten Formkörper 27 von ihrem Träger 18 abgenommen und in einem Brennofen platziert werden. Um diese bevorzugte einfache Entnahme des aufgebauten Dentalrestaurationskörpers aus keramikgefüllten Polymer zu ermöglichen, muss die Bauplattform aber aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt sein, wozu zum Beispiel Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Saphirglas oder Quarzglas dienen können. Als Alternative dazu ist eine selbstklebende, transparente Folie möglich, welche auf der dem Photopolymer zugewandten Seite für eine bessere Anhaftung mit Noppen, Rillen, Ritzen etc. strukturiert sein kann, und welche nach dem Bauprozess durch einfaches Ablösen von der Bauplattform oder samt der Bauplattform abgenommen und samt der Folie in den Brennofen zur Entbinderung/Sinterung gegeben werden kann.
Fig. 6 und 7 zeigen gegenüber der Vorrichtung aus den Fig. 1 und 2 mit drehbarer Wanne eine alternative Ausführungsform, in der die Wanne 54 linear hin und her beweglich ausgestaltet ist. In dieser Ausführungsform ist am Gehäuse 52 eine Wanne 54 linear beweglich in einem Lager 57 gelagert. Oberhalb der Wanne 54 ist die Zufuhreinrichtung 58 in höhenverstellbarer Weise angeordnet. In Bezug auf die lineare Bewegungsrichtung versetzt gegenüber der Zufuhreinrichtung 58 ist oberhalb der Wanne 54 die Bauplattform 62 an einem Schwenkarm 68 gehalten, der zu einem Hubmechanismus 64 gehört. Der Schwenkarm 68 ist wiederum mit einem Drehgelenk 70 versehen, das es ermöglicht, das der Schwenkarm 68 nach Anheben in vertikaler Richtung sich um 180° drehen lässt, wonach die Bauplattform 62 mit dem darauf aufgebauten Formkörper nach oben zeigt und in dieser Stellung leicht gehandhabt werden kann.
Unterhalb der Bauplattform 62 und des Wannenbodens 56 befindet sich die Belichtungseinheit 60, in der eine Lichtquelle 65 mit Leuchtdioden 73 angeordnet ist. Das Licht der Lichtquelle 65 wird über einen Lichtmodulator 67 und durch den transparenten Wannenboden 56 auf die Bauplattform 62 projiziert. In der Belichtungseinheit 60 ist auch ein Referenzsensor 51 vorhanden, der in einem Kalibrationsschritt dazu verwendet wird, um bei Ansteuerung des Lichtmodulators in der Weise, das keine Ortsabhängigkeit oder Modulation über das Belichtungsfeld erfolgen soll, die tatsächliche Intensitätsverteilung in dem Belichtungsfeld aufzunehmen. Aus der Abweichung der tatsächlich er- fassten Intensitätsverteilung lässt sich dann durch Umkehrung ein Ansteuerungsprofil (Kompensationsmaske) für den Lichtmodulator berechnen, das für eine tatsächlich gleichmäßige Inten- sität über das Belichtungsfeld sorgt. Ein entsprechender Referenzsensor 1 ist auch bei der Ausführungsform aus Fig. 1 und 2 vorhanden .
In Bewegungsrichtung der Wanne 54 (angedeutet durch den Doppelpfeil in den Fig. 6 und 7) hintereinander sind eine höhenverstellbar über dem Wannenboden 56 gehaltene Aufbringvorrichtung 76, hier in Form einer Rakel, deren Unterkante in einstellbarem Abstand zur Oberfläche des Wannenbodens liegt, und ein Wischer 80 angeordnet.
Die Funktionsweise der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Vorrichtung entspricht bis auf den Unterschied der linear hin- und hergehenden Bewegung der Wanne 54 anstelle der Drehbewegung der Wanne 4 den zuvor in Bezug auf die Fig. 3 bis 5 beschriebenen Verfahrensschritten. Zunächst wird die Wanne 54 aus der in Fig. 7 gezeigten Stellung, veranlasst durch die Steuereinheit 61, die den Antrieb 75 betätigt, nach links in die durch gestrichelte Linien gezeigte Stellung (Zufuhrstellung) verschoben. Dabei wird durch die Zufuhreinrichtung 58 lichtpoly- merisierbares Material auf den Wannenboden 56 ausgegeben, wobei Menge und zeitlicher Verlauf der Ausgabe ebenfalls von der Steuereinheit 61 vorgegeben werden. Darauf veranlasst die Steuereinheit 61 durch Umkehr des Antriebs 75, dass die Wanne 54 wieder zurück verschoben wird. Dabei passiert das auf den Wannenboden 56 ausgegebene lichtpolymerisierbare Material 55 zunächst den Wischer 80 und dann die Aufbringvorrichtung 76 die für eine gleichmäßige Verteilung und eine einheitliche Schichtdicke des lichtpolymerisierbaren Materials 55 sorgen, bevor dies den Zwischenraum zwischen Bauplattform 62 und Belichtungseinheit 60 erreicht. Danach wird der Antrieb 75 gestoppt, woraufhin die Schrittfolge wie oben im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 5 beschrieben durchlaufen wird, wobei die Bauplattform 62 in die Schicht aus lichtpolymerisierbaren Material 55 eintaucht und durch Einstellen des Abstands zum Wan- nenboden eine Schicht mit vorgegebener Dicke zwischen Bauplattform und Wannenboden definiert. Danach erfolgt die Betätigung der Belichtungseinheit 60 zur Erzeugung eines Belichtungsmusters mit vorgegebener Geometrie, wobei in diesem Zusammenhang zumindest bei der Erzeugung der ersten Schicht direkt an der Bauplattform 62 auch die weitere Belichtungseinheit 66 mit ihren Leuchtdioden 69 betätigt wird, um die erste Schicht durch Belichtung durch die lichtdurchlässige Bauplattform hindurch zu belichten und dadurch eine vollständige Polymerisation und ein verlässliches Anhaften der ersten Schicht an der Bauplattform 62 zu erreichen.
Nach Polymerisation der ersten Schicht mit gewünschter Geometrie wird die Bauplattform 62 durch Betätigen des Hubmechanismus 64 wieder angehoben, so dass die gebildete polymerisierte Schicht über den Spiegel des lichtpolymerisierbaren Materials 55 hinaus angehoben wird.
Daraufhin wiederholt sich die beschriebene Schrittfolge, d.h. die Wanne 54 wird wieder nach links verschoben, lichtpolymeri- sierbares Material aus der Zufuhreinrichtung 58 abgegeben und dieses beim Zurückschieben der Wanne 54 nach rechts durch Wischer 80 und Aufbringvorrichtung 76 gleichmäßig verteilt, woraufhin nach Abschalten des Antriebs 75 der Hubmechanismus 64 die Bauplattform 62 wieder absenkt, so dass die zuletzt gebildete polymerisierte Schicht in das lichtpolymerisierbare Material 55 eintaucht und auf einen vorgegebenen Abstand über dem Wannenboden 56 gebracht wird, um die nun in dem Zwischenraum liegende Materialschicht im nächsten Belichtungsschritt zu po- lymerisieren . Die Schrittweite der hin- und hergehenden Bewegung kann natürlich wieder variiert werden, um zu vermeiden, dass die Polymerisation immer über derselben Stelle des Wannenbodens durchgeführt wird. Der Hubmechanismus 64 ist wiederum mit einem Kraftaufnehmer 79 versehen, dessen Messwerte von der Steuereinheit 61 wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben zur Begrenzung der auf die Bauplattform ausgeübten Kraft beim Absenken und Anheben der Bauplattform verwendet werden.
Vorzugsweise können auch Verfahren angewendet werden, bei denen mehrere verschiedene keramikgefüllte photopolymerisierbare Materialien zum Aufbau des Grünlings verwendet werden. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass eine Mehrzahl von Wannen mit jeweils zugeordnetem Reservoir mit verschiedenen Materialien vorgesehen sind. Diese können dann nach Art eines Wechselträgers zu der Belichtungseinheit und der Bauplattform bewegt werden, um in vorgegebener Reihenfolge verschiedene Materialien zu verarbeiten. Dazu können die mehreren Wannen zum Beispiel seriell hintereinander an einem Träger angeordnet sein, der dann linear bezüglich der Belichtungseinheit und der Bauplattform beweglich ist, um jeweils eine gewünschte Wanne bereitzustellen. Alternativ kann eine Mehrzahl von drehbaren Wannen, von denen eine in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, auf einem Kreisring einer größeren Platte angeordnet sein, die ihrerseits wiederum drehbar ist, um jeweils eine gewünschte Wanne durch Einstellung der Drehstellung der Scheibe in die Position zwischen Belichtungseinheit und Bauplattform zu bringen, in der dann der Polymerisationsschicht der jeweiligen Schicht durchgeführt wird.
Eine spezielle Ausführungsform einer Vorrichtung, mit der verschiedene lichtpolymerisierbare Materialien zum Aufbau eines Formkörpers verwendet werden können, ist in schematischer Draufsicht von oben in Fig. 8 gezeigt. Hier sind auf einer Drehscheibe in kreisringförmiger Anordnung vier Wannen 104 vorhanden. Die Anordnung von Zufuhreinrichtung 108, der weiteren Belichtungseinheit 116 an einem Hubmechanismus 114 sowie des dazwischen liegenden Wischers 130 und der Aufbringvorrich- tung 126 ähnelt weitgehend der Anordnung der Vorrichtung aus den Fig. 6 und 7, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Komponenten nicht entlang einer linearen Strecke angeordnet und die Wanne linear beweglich ist, sondern die Komponenten entlang eines Kreisringsegments angeordnet sind und die Wanne entsprechend die Form eines Kreisringsegments hat. Zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten in derselben Wanne 104 wird die Wanne hin- und hergehend um einen Winkel von etwa weniger als 90° bewegt, so dass sich wiederum eine hin- und hergehende Bewegung zwischen Zufuhreinrichtung 118 und der unter der weiteren Belichtungseinheit 108 befindlichen Bauplattform ergibt.
Soll zu einem bestimmten Zeitpunkt eines von den Materialien aus einer der drei übrigen Wannen 104 verwendet werden, wird die Drehscheibe um einen Winkel entsprechend 90°, 180° oder 270° gedreht, um eine der folgenden Wannen zu der gerade betrachteten Vorrichtung zum Aufbau des Formkörpers zu bringen.
Wie in Fig. 8 unten angedeutet, kann an der Drehscheibe im Bereich eines anderen Kreisringsegments eine weitere Vorrichtung zum Aufbau von Formkörpern vorgesehen sein, die parallel zu der oben gezeigten Vorrichtung arbeiten kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verarbeitung von lichtpolymerisierbarem Material (5; 55; 105) zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers (27) unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigung, z.B. Rapid Prototyping, mit
einer Wanne (4; 64; 104) mit einem wenigstens teilweise lichtdurchlässig ausgebildeten horizontalen Boden (6; 56; 106), in die lichtpolymerisierbares Material (5; 55; 105) einfüllbar ist,
einer horizontalen Bauplattform (12; 62), die in einstellbarer Höhe über dem Wannenboden (6; 56; 106) gehalten ist,
einer Belichtungseinheit (10; 60), die zur ortsselektiven Belichtung einer Fläche auf der Bauplattform (12; 62) mit einem Intensitätsmuster mit vorgegebener Geometrie ansteuerbar ist,
einer Steuereinheit (11; 61), die dazu vorbereitet ist, in aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten übereinanderlie- gende Schichten (28) auf der Bauplattform (12; 62) jeweils mit vorgegebener Geometrie durch Steuerung der Belichtungseinheit (10; 60) zu polymerisieren und nach jedem Belichtungsschritt für eine Schicht (28) die Relativposition der Bauplattform (12; 62) zum Wannenboden (6; 56; 106) anzupassen, um so sukzessive den Formkörper (27) in der gewünschten Form, die sich aus der Folge der Schichtgeometrien ergibt, aufzubauen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (4; 54; 104) horizontal beweglich bezüglich der Belichtungseinheit (10; 60) und der Bauplattform (12; 62) ist und dass eine Zufuhreinrichtung (8; 58; 108) vorgesehen ist, die unter Steuerung der Steuereinheit (11; 61) lichtpolymerisierbares Material (5; 55; 105) in die wenigstens eine Wanne (4; 54; 104) ausbringt, wobei Belichtungseinheit (10; 60) und Bauplattform (12; 62) horizontal auf Abstand zur Zufuhreinrichtung (8; 58; 108) angeordnet sind, und dass die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, die Wanne (4; 54; 104) zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten in vorgegebener Weise in einer horizontalen Ebene durch einen Antrieb (28) zu bewegen, um so von der Zufuhreinrichtung (8; 58; 108) auf den Wannenboden ausgebrachtes lichtpolymerisierbares Material (5; 55; 105) in den Bereich zwischen Belichtungseinheit (10; 60) und Bauplattform (12; 62) zu bringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Bewegungsrichtung zwischen der Zufuhreinrichtung (8; 58; 108) und der Belichtungseinheit (10) sowie der Bauplattform (12; 62) eine Aufbringvorrichtung (26; 76; 126), insbesondere eine Rakel oder eine Rolle, angeordnet ist, deren Höhe über dem Wannenboden (6; 56; 106) einstellbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit (10; 60) unterhalb des Wannenbodens (6; 56; 106) zur Belichtung des wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Wannenbodens (6) von unten angeordnet ist und dass die Bauplattform (12; 62) an einem Hubmechanismus (14; 64; 114) durch die Steuereinheit (10; 60) höhenverstellbar oberhalb des Wannenbodens (6; 56; 106) gehalten ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu vorbereitet ist, die Dicke (21) der Schicht (28), nämlich der Abstand zwischen der Bauplattform (12; 62) oder der letz- ten erzeugten Schicht und dem Wannenboden (6; 56; 106), über den Hubmechanismus (14; 64; 114) einzustellen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hubmechanismus (14; 64; 114) ein mit der Steuereinheit (11; 61) verbundener Kraftaufnehmer
(29; 79) vorhanden ist, der in der Lage ist, die von dem Hubmechanismus (14; 64; 114) auf die Bauplattform (12; 62) ausgeübte Kraft zu messen und das Messergebnis an die Steuereinheit (11; 61) zu senden, wobei die Steuereinheit (11; 61) dazu vorbereitet ist, die Bauplattform (12; 62) mit einem vorgegebenen Kraftverlauf zu bewegen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (4) um eine zentrale, vertikale Achse (22) drehbar gelagert ist, wobei die Belichtungseinheit (10) unter dem Wannenboden (6) und die Bauplattform (12) sowie die Zufuhreinrichtung (8) und die Aufbringvorrichtung (26) darüber in radialer Richtung versetzt gegenüber der vertikalen Drehachse (22) liegen, dass ein Antrieb (24) vorgesehen ist, der in der Lage ist, unter Steuerung der Steuereinheit (11) die Wanne (4) zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten um einen vorgegebenen Winkel um die zentrale Drehachse (22) zu drehen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (54) entlang einer Linie versetzbar gelagert ist und dass ein Antrieb (74) vorgesehen ist, der in der Lage ist, unter Steuerung der Steuereinheit (61) die Wanne (54) zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsschritten um einen vorgegebenen Weg zu verschieben.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/ EP
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle der Belichtungseinheit (10; 60) Leuchtdioden (23; 73) dienen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (23; 73) Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen emittieren.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinheit (10; 60) weiter zumindest einen Referenzsensor (1; 51) aufweist, der in Form eines ein Belichtungsfeld abtastenden Photosensors oder in Form einer ein Belichtungsfeld erfassenden CCD-Kamera ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (11; 61) dazu vorbereitet ist, in einem Kalibrationsschritt das Belichtungsfeld mit einem über das ganze Belichtungfeld vorgegebenen Ansteuerungssignal für die Belichtungseinheit (10; 60) zu belichten und das von dem Referenzsensor (1; 51) erfasste Intensitätsmuster im Belichtungsfeld zur Berechnung einer Kompensationsmaske zur Erzielung einer gleichmäßigen Intensität im gesamten Belichtungsfeld zu verwenden..
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wannen (104), denen jeweils eine Zufuhreinrichtung (108) für eines aus einer Mehrzahl von Materialien (105) zugeordnet ist, und ein Antrieb vorhanden ist, der gesteuert durch die Steuereinheit jeweils eine der Wannen (104) in einer ausgewählten vorgegebenen Reihenfolge zwischen Belichtungseinheit und Bauplattform bewegt, wobei diese Bewegung eine lineare Bewegung bei nebeneinander angeordneten Wannen oder eine rotierende Bewegung bei der Anordnung mehrerer Wannen (104) entlang einer gekrümmten Bahn ist.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/ EP
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhreinrichtung (8) für lichtpqlymerisierbares Material (5) eine Aufnahme zum auswechselbaren Einsetzen einer Kartusche (9) mit lichtpoly- merisierbarem Material (5) hat.
13. Verfahren zur Verarbeitung von lichtpolymerisierbarem Material (5; 55; 105) zum Aufbau eines Formkörpers (27) unter Anwendung einer lithographiebasierten generativen Fertigungstechnik, z.B. Rapid Prototyping, bei dem eine Schicht (28) aus einem lichtpolymerisierbaresn Material (5; 55; 105), das sich' in zumindest einer Wanne (4; 54;
104) mit einem insbesondere lichtdurchlässig ausgebildeten, horizontalen Boden (6; 56; 106) befindet, auf wenigstens einer in eine Wanne (4; 54; -104) ragenden, horizontalen Bauplattform (12; 62) mit vorgegebener Geometrie in einem Belichtungsfeld durch Belichten polymerisiert wird,
die Bauplattform (12; 62) zur Bildung einer nachfolgenden Schicht vertikal verschoben wird,
lichtpolymerisierbares Material (5; 55; 105) auf die zuletzt gebildete Schicht (28) nachgeführt wird, und
durch Wiederholen der vorhergehenden Schritte schichtweise der Formkörper (27) in der gewünschten Form, die sich aus der Folge der Schichtgeometrien ergibt, aufgebaut wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (4; 54; 104) horizontal in eine Zufuhrstellung versetzbar ist, eine Zufuhreinrichtung (8) lichtpolymerisierbares Material (5; 55;
105) wenigstens auf ein Belichtungsfeld des Wannenbodens (6; 56; 106) ausbringt, bevor die zumindest eine Wanne (4; 54; 104) in eine Belichtungsstellung versetzt wird, in der sich das Belichtungsfeld unterhalb der Bauplattform (12;
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/ EP 62) und oberhalb der Belichtungseinheit (10; 60) befindet, und die Belichtung erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des zugeführten Materials (5; 55; 105) in einer vorgegebenen Schichtdicke (33) auf dem Wannenboden (6; 56; 106), insbesondere auf dem Belichtungsfeld, während des Versetzens der Wanne (4; 54; 104) aus der Zufuhrstellung in die Belichtungsstellung mit Hilfe einer zwischen der Zufuhreinrichtung (8; 58; 108) und der Belichtungseinrichtung (10; 60) sowie der Bauplattform (12; 62) angeordneten Aufbringvorrichtung (26; 76; 126), z.B. einer Rakel oder einer Rolle, deren Höhe über dem Wannenboden (6; 56; 106) einstellbar ist, vorgenommen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Materials (5; 55; 105) über den Abstand zwischen der Bauplattform (12; 62) und dem Wannenboden (6; 56; 106) mit Hilfe eines Hubmechanismus (14; 64; 114) eingestellt wird, der nach Nachführung von lichtpoly- merisierbarem Material die Bauplattform (12; 62), falls vorhanden mit den daran gebildeten Schichten, wieder in das nachgeführte lichtpolymerisierbare Material (5; 55;
105) abgesenkt, so dass lichtpolymerisierbares Material aus dem verbleibenden Zwischenraum zum Wannenboden (6; 56;
106) verdrängt wird, und den verbleibende Abstand zwischen der abgesenkten unteren Oberfläche und dem Wannenboden in vorgegebener Weise von der Steuereinheit (11; 61) gesteuert einstellt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben und/oder Absenken der Bauplattform (12; 62) kraftgesteuert nach Maßgabe eines vorgegebenen Kraftverlaufs erfolgt.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/ EP
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (4) drehbar gelagert ist und zwischen aufeinanderfolgenden Schichtaufbauschritten um einen vorgegebenen Winkel um die vertikale Achse (22) gedreht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Wanne (54) seitlich versetzbar gelagert ist und zwischen aufeinanderfolgenden Schichtaufbauschritten um einen vorgegebenen Weg horizontal versetzt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem in aufeinanderfolgenden Schichtaufbauschritten in einer auswählbaren Reihenfolge eine Mehrzahl von verschiedenen Materialien (105) zum Schichtaufbau verwendet wird, indem eine Mehrzahl von Wannen (104) , denen jeweils eine Zufuhreinrichtung (108) mit einem aus der Mehrzahl von Materialien (105) zugeordnet ist, in einer ausgewählten Reihenfolge zwischen Belichtungseinheit und Bauplattform bewegt wird, wobei diese Bewegung eine rotierende Bewegung bei Anordnung mehrerer Wannen (104) entlang einer gekrümmten Bahn bzw. eine lineare Bewegung ist, wenn die Wannen entlang einer Geraden angeordnet sind.
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