WO2022152459A1 - Verfahren zur additiven herstellung eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

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Philip Obst
Paul Victor Osswald
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for the additive production of a three-dimensional object, a green body being formed by means of UV radiation by successive, in particular layered, selective exposure and solidification of a building material comprising at least one UV-curable component.
  • this green body can be subjected to thermal energy in order thereby to form the three-dimensional object.
  • the disadvantage of the DLS or CLIP process is that when energy is introduced into the building material by means of UV radiation, at least one component of the building material can heat up to such an extent that the viscosity properties of the building material and, if necessary, partial hardening of the building material can result.
  • the invention is based on the object of specifying a method which increases the quality of the three-dimensional objects to be produced or enables precisely predefined mechanical properties of the three-dimensional objects to be produced, particularly with regard to a simple, quick and cost-effective measure.
  • the object is achieved by a method for the additive manufacturing of a three-dimensional object according to claim 1.
  • the dependent claims relate to possible embodiments of the method and a three-dimensional object produced from the method described herein.
  • the invention relates to a method for the additive production of a three-dimensional object by means of the following method steps: (a) - first hardening step - successive, in particular layered, selective exposure and hardening of a building material comprising at least one UV-curable component UV radiation to form a green body, (b) - second solidification step - applying thermal energy to the green body, with at least one component of the building material curing thermally when a curing temperature is exceeded to form the three-dimensional object, with (c) controlling the exposure of the green body by means of the UV radiation - during the first method step - takes place in such a way that at least in sections the curing temperature of the at least one component is not significantly exceeded.
  • a resin-based construction material or a construction material comprising a resin material, in particular a synthetic resin material can be used.
  • a DLS process or a CLIP process is used as an additive manufacturing process.
  • the DLS method is characterized in particular by the fact that a liquid and UV-curable building material located in a construction container is selectively cured by means of UV radiation in order to form a green body having a defined shape.
  • This green body or green compact is then subjected to a thermal hardening process in a second process step—solidification step—and thermal energy is applied in the process.
  • the green body can be placed in an oven or in a heating chamber.
  • At least a first component of the building material triggers a predominantly, in particular complete, strength-increasing reaction due to UV radiation impinging on the building material.
  • the building material can, for example, comprise at least two components, with at least one component thermally curing when a curing temperature is exceeded or carrying out a reaction initiated by the thermal energy, which leads to a solidification or a change in the crosslinking or concatenation of the building material. With a building material that has at least two components that have different curing behavior, higher and/or more targeted mechanical properties can be achieved for the three-dimensional object through the targeted utilization of the respective curing behavior of the components.
  • the exposure to UV radiation in the first process step forming the green body is controlled in such a way that the curing temperature of the at least one component, in particular all components, of the building material is not exceeded or significantly exceeded, at least in sections.
  • the at least one other, at least thermally hardening component of the building material should not yet undergo any, in particular no significant or predominant, hardening or hardening in the actual sense Experienced.
  • the curing or hardening capacity of the building material due to the application of thermal energy is thus to be reserved as far as possible, in particular completely, for the second process step, in which the green body is specifically exposed to thermal energy.
  • Exceeding the curing temperature insignificantly means that the curing temperature can be exceeded selectively or briefly during the course of the UV exposure, but this thermal energy input is so small that it does not lead to any significant curing or solidification of the thermally curing component of the building material.
  • exceeding the curing temperature insignificantly can include exceeding the curing temperature, in particular briefly, by a maximum of 15%, preferably by a maximum of 10%, particularly preferably by a maximum of 5%.
  • a curing temperature that is not significantly exceeded can include a temperature or an energy input due to a curing temperature that may have been exceeded, which has a residual hardening capacity or residual curing capacity of the building material that has already been cured by means of UV radiation, in particular at least the thermally curing component of the material cured by means of UV radiation Building material, due to exposure to thermal energy of at least 70%, preferably at least 85%, particularly preferably at least 95%, allows.
  • the curing temperature can also be used as the thermal limit energy input of the thermal energy, when this is exceeded, crosslinking or curing of the thermally curing component of the building material takes place.
  • the exposure to UV radiation to form the green body can be controlled, for example, in such a way that at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85%, most preferably at least 95%, of at least one building material layer of the green body to be exposed does not have any significant If the curing temperature is exceeded or the respective percentages of the building material layers forming the green body still have a thermal crosslinking potential or curing capacity for the subsequent process step that applies thermal energy to the green body. Alternatively or additionally, the percentages can relate to the volume of the green body, i. H. e.g. B.
  • At least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85%, most preferably at least 95%, of the volume of the green body after the first process step, which directs the UV radiation onto the building material have significant thermal crosslinking potential or curing capacity.
  • the exposure to UV radiation used to form the green body can be controlled, for example, in such a way that thermal curing is reduced to a maximum of 20% by volume, preferably a maximum of 12% by volume, if the curing temperature of the at least one component of the building material is significantly exceeded.
  • the method of the invention described herein preferably relates to a computer-aided method.
  • at least the control of the UV radiation during the first solidification step is carried out with the aid of a computer.
  • the computer-aided method preferably includes the control of further elements of the additive manufacturing device via a central computer unit, e.g. B. by means of the computing device.
  • this can Filling of fresh unsolidified building material in the construction container (e.g. volume flow) and/or the movement of the construction panel relative to the construction container and/or the UV radiation and/or a temperature control device of the construction chamber are described in respective control parameter data and respective actuators according to the control parameter data be controlled.
  • the successive, in particular layered, selective exposure and solidification of the building material comprising at least one, in particular predominantly, UV-curable component takes place by means of UV radiation to form the green body in a building space, with a Has a detection device for detecting parameter data and/or a temperature value and the exposure to UV radiation for forming the green body is controlled as a function of the parameter data and/or as a function of the temperature value.
  • the detection device is designed as a thermal camera, so that during the first process step the thermal effect on the surface of the building material can be detected or monitored by means of the thermal camera.
  • a reaction can be made by changing the control of the UV radiation.
  • the occurrence of the exceeding can be averted and/or the curing temperature can be exceeded for as short a time as possible by appropriate control of the exposure taking place by means of the UV radiation.
  • the detection device can also detect or monitor the effect of a temperature control device of the additive manufacturing device.
  • the detection device can detect a viscosity value of the building material in a non-contact or touching manner.
  • a viscosity value of the building material can be used to draw conclusions about the degree of curing or crosslinking of at least one component of the building material due to thermal energy input or exceeding the curing temperature during the introduction of UV radiation in the first solidification step, and consequently as an input variable for influencing the control of the UV -Radiation comprehensive exposure can be used.
  • the exposure to UV radiation used to form the green body (a) is controlled as a function of parameter data and/or temperature values and/or temperature values and/or obtained from previous additive manufacturing processes for the manufacture of at least one three-dimensional object or (b) takes place as a function of parameter data and/or temperature values derived in the course of a simulation taking into account a target geometry of the three-dimensional object to be produced.
  • historical data on previous additively manufactured three-dimensional objects can be used in order to obtain data relating to the thermal energy input during the exposure of the building material to UV radiation, in particular when comparing the geometry of the previous three-dimensional objects and the three-dimensional object to be produced.
  • UV radiation can be used to keep the activation of the UV radiation to achieve the lowest possible thermal energy input or at least the limitation of the thermal energy input below a curing temperature.
  • information useful for controlling the UV radiation can be obtained or generated based on a simulation for controlling the UV radiation during the production of the green body. This information can be used to ensure that a curing temperature is not significantly exceeded during the first solidification step.
  • At least one three-dimensional object produced from the previous additive manufacturing process can be subjected to a strength and/or rigidity analysis in order to determine data obtained from previous additive manufacturing processes.
  • the data in particular the data indicating that the curing temperature has been exceeded during the first hardening step, can be determined, for example, based on strength and/or rigidity values of the previously manufactured three-dimensional object determined from the strength and/or rigidity analysis. Based on the data determined in the strength and/or stiffness analysis, conclusions can be drawn about the degree of thermal hardening the at least one component of the building material take place during the exposure based on UV radiation in the first solidification step.
  • the control of the exposure by means of the UV radiation to form the green body can be controlled, for example, in such a way that the average temperature in the building material forming the green body is a maximum of 55 °C, preferably a maximum of 45 °C, particularly preferably a maximum of 37.5 °C preferably at most 25°C. If the average or maximum temperature does not exceed the limit values of 55 °C, preferably 45 °C, particularly preferably 37.5 °C, most preferably 25 °C, crosslinking or hardening of the at least one component of the building material can occur due to the effect of thermal energy or .Be prevented due to exceeding the curing temperature.
  • the control of the exposure by means of the UV radiation to form the green body can, for example, include at least one of the following process parameters: (a) Changing a waiting time of a first UV entry to a second UV entry by means of the UV radiation within one or different building material layers and /or (b) a change in an intensity of a UV input of the UV radiation into the building material within a building material layer and/or (c) a change in a duration of an exposure time of a UV energy input of the UV radiation within a building material layer and/or ( d) a change in a wavelength of a UV energy input of the UV radiation within one or more building material layers.
  • the process parameters listed are suitable for keeping the introduction of thermal energy into the building material low and/or harmless during exposure by means of the UV radiation for forming the green body on a thermal curing or crosslinking of the at least one component of the building material.
  • the exposure by means of UV radiation for forming the green body can be controlled, for example, as a function of at least one item of target geometry information of the three-dimensional object to be produced and/or as a function of target geometry information of the green body.
  • the at least one piece of target and/or target geometry information can, for example, To draw conclusions about the thermal energy input per unit area into the building material during the introduction of UV radiation.
  • this (comparative) data can contain information on the curing temperatures occurring at least in sections during production or their simulated production or corresponding energy inputs into the relate to building materials.
  • At least one item of control information in particular control information, can be taken or obtained from the database, which makes it possible to influence the control of the exposure to UV radiation to form the green body in such a way that at least in sections, in particular completely, the curing temperature of the at least one component is not significantly exceeded or the thermal energy input of the UV radiation into the building material is below a thermal curing reaction temperature.
  • parameter data and/or temperature values are used be evaluated and/or processed by a computing device using artificial intelligence (AI) techniques, in particular in order to be used to influence the control of the exposure of the green body and/or a later green body, which takes place by means of the UV radiation.
  • AI artificial intelligence
  • the previously collected database or the existing database can be used in a simple and targeted manner to prevent an excessive thermal energy input in the course of UV radiation can be used in the first solidification step.
  • a neural network can e.g. B. include machine learning and / or deep learning.
  • the parameter data and/or temperature values originating from different sources are evaluated by the AI algorithms in such a way that their informative value with regard to the temperature development or the thermal energy input into the building material increases and consequently a higher accuracy for the control of the exposure taking place by means of UV radiation of the green body can be achieved.
  • the non-exceeding of the curing temperature or the non-exceeding of a tolerance threshold defined as a function of the curing temperature of a reference temperature is more reliably achieved or a corresponding control of the UV radiation is achieved.
  • the machine learning can include or use a convolutional neural network.
  • a computing device is used which contains one or more components that use artificial intelligence (AI) techniques. Because the computing device thus uses an artificial intelligence method, an estimation function or evaluation function for estimation or evaluation can be executed in order to optimize the activation of the UV radiation based on the estimation result and/or evaluation result in such a way that no or no significant exceeding a thermal curing or crosslinking causing UV introduction into the building material during the production of the green body.
  • AI artificial intelligence
  • machine learning such as various types of filtering and/or independent component analysis and/or support vector machine (SVM) and/or data and/or image processing techniques such as contour extraction and/or pattern recognition and/or intelligent information processing and/or enhanced learning and/or Bayesian network and/or self-organizing map (SOM) and/or neural network and/or deep learning are applied.
  • SVM support vector machine
  • SOM self-organizing map
  • the building material can, for example, comprise a resin and/or synthetic resin having at least two components, with a first component curing predominantly, in particular exclusively, by means of UV radiation and a second component curing predominantly, in particular exclusively, by means of applied thermal energy. Curing can include solidification or crosslinking of the building material.
  • the building material is present as a liquid building material, in particular made of plastic, in particular synthetic resin.
  • At least one structuring agent connected to the at least one green body can be built up, for example, with the structuring agent at least in sections, in particular completely, having a specifically higher thermal energy input experiences than the green body.
  • the building material is also hardened at least in sections and thus a structural means is also built up, which in particular is not part of the target object to be produced in the course of the additive manufacturing method.
  • Such structural means can, for example, connect at least one green body to a building board and/or a first green body to another green body.
  • Such structural means can preferably be designed as support means and/or handling means.
  • a support means - also referred to as a support structure - trained structure means can support the green body supporting function, z. B. a support against gravity hold.
  • At least one structural element may be provided with a predetermined breaking point, with the structural element being separated from the green body and/or the building board and/or the three-dimensional object (i.e. after the application of thermal energy) in a simple and convenient manner via the predetermined breaking point way is separable.
  • the structural element being separated from the green body and/or the building board and/or the three-dimensional object (i.e. after the application of thermal energy) in a simple and convenient manner via the predetermined breaking point way is separable.
  • the target body or the target object after a separation of at least a support means from the green body and/or from the building board and/or from the three-dimensional object.
  • At least one structuring agent can have at least a first section and a second section, with the first section having a higher thermal energy input during exposure by means of the UV radiation, i. H. during the first solidification step, experienced as the second section.
  • first section having a higher thermal energy input during exposure by means of the UV radiation, i. H. during the first solidification step, experienced as the second section.
  • second section of the structuring agent experiences a higher energy input during exposure by means of the UV radiation than the green body.
  • the fact that different sections of the structuring agent experience a different amount of energy, in particular thermal energy input can influence the behavior of the structuring agent for its task as a e.g. B. handling and / or support means can be adapted or optimized.
  • the proppant is not part of the actual target object, it is irrelevant if, compared to the thermal energy input into the building material forming the green body, there is a higher thermal energy input in the course of the UV input, since the later thermal solidification and the associated targeted adjustability or designability of the mechanical properties are not necessarily important. In other words, it is irrelevant for the physical and/or chemical properties, in particular mechanical component properties, of the target object to be produced whether thermal curing of the proppant already occurs during the UV radiation-based exposure of the green body.
  • the first section of the structural means can be connected to the green body and/or to a first green body, for example, exclusively via the second section of the structural means.
  • the structure means is designed as a support means, the green body being connected to the building board by the structure means.
  • the first section can face the building board, in particular touch the building board directly, and the second section can form an extension of the first section and face the green body, in particular touch the green body.
  • the first section can have a higher thermal energy input than the second section in the course of the exposure of the building material, which takes place by means of the UV radiation, for formation experience of the green body. This is advantageous in that the risk of the resultant heating and thus impairment of the target properties of the green body and/or the three-dimensional object can be reduced or prevented by the spacing of the first section experiencing the higher thermal energy input.
  • the structural means can have at least one stability section and at least one shielding section, with the stability section experiencing a higher thermal energy input during exposure by means of the UV radiation than the shielding section, with the shielding section as an external element surrounding the stability section at least in sections, in particular completely area is formed.
  • the shielding section shields the stability section z. B. compared to the unsolidified building material, at least as long as this portion of the structural agent is still in a building container receiving the liquid building material.
  • the stability section can e.g. B. form a solid and / or rigid connection between at least two green bodies and / or between a green body and the building board as a support structure.
  • the shielding section can, for example, enclose the stability section at least in sections, in particular completely. Due to the fact that the stability section experiences a high level of thermal energy input during exposure by means of the UV radiation, a thermal influence on the unsolidified building material surrounding the stability section can be reduced or prevented, since the shielding section acts as a thermal insulator or at least as a dissipation of thermal energy from the Stability section can be used to the unsolidified building material inhibiting means.
  • the invention also relates to a three-dimensional object, in particular a vehicle component, which was manufactured using a method described herein.
  • vehicle component can, for example, be part of a vehicle, preferably a motor vehicle, in particular a motor vehicle with multiple lanes, or a road vehicle driven by a motor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for carrying out the method for additively manufacturing a three-dimensional object according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the essential method steps of the method for the additive production of a three-dimensional object according to an exemplary embodiment.
  • the device 1 shown in Figure 1 is set up to carry out a method for the additive production of a three-dimensional object 2, the method having the following method steps, see Figure 2.
  • a first solidification step 101 successive, in particular layered, selective exposure causes solidification or hardening of a building material 3 comprising at least one UV-hardenable component by means of UV radiation 4 to form a green body 5.
  • This green body 5 hardened or hardened at least by means of UV radiation 4 in the first hardening step 101 is then hardened in a subsequent hardening step 102 applied with thermal energy, wherein at least one component of the building material 3 thermally hardens when a hardening temperature is exceeded and thereby a physical and/or chemical target properties, in particular in its mechanical component target properties, present three-dimensional object 2 is produced.
  • the UV radiation 4 and thus the exposure (in the first solidification step 101) to form the green body 5 can be controlled via a control device 7 in such a way that the curing temperature of the at least one component of the Building material 3 is not significantly or not exceeded.
  • the successive, in particular layered, selective exposure and solidification of the building material 3 comprising at least one UV-curable component by means of UV radiation 4 to form the green body 5 can take place in a construction space, with a detection device 8 for detecting Has parameter data and/or a temperature value and the control of the UV radiation exposure to form the green body 5 takes place as a function of the parameter data and/or as a function of the temperature value.
  • the parameter data can e.g. B. include process parameter data of the control of the additive manufacturing process.
  • the control of the exposure to UV radiation 4 to form the green body 5 can be controlled, for example, as a function of parameter data and/or temperature values obtained from previous additive manufacturing processes for the production of at least one three-dimensional object 2 and/or as a function of in the course of a simulation parameter data and/or temperature values derived from a target geometry of the three-dimensional object 2 to be produced.
  • the desired geometry of the three-dimensional object 2 is to be understood as the target geometry.
  • At least one three-dimensional object 2 produced from the previous manufacturing method can be subjected to a strength and/or stiffness analysis, for example. It can be expedient here if the data, starting from the strength and/or stiffness analysis determined strength and/or stiffness values of the previously produced three-dimensional object 2 can be determined or derived.
  • the control of the exposure by means of the UV radiation 4 to form the green body 5 can be controlled in such a way that the average temperature in the building material forming the green body 5 is a maximum of 55 °C, preferably a maximum of 45 °C, particularly preferably a maximum of 37.5 °C , most preferably at most 25 °C.
  • the control of the exposure by means of the UV radiation 4 to form the green body 5 can include, for example, at least one of the following process parameters: (a) Changing a waiting time of a first UV entry to a second UV entry of the UV radiation 4 within one or different Building material layers and/or (b) a change in an intensity of a UV input of the UV radiation 4 into the building material 3 within a building material layer and/or (c) a change in a duration of an exposure time of a UV energy input of the UV radiation 4 within a Layer of building material and/or a change in a wavelength of a UV energy input of the UV radiation 4 within one or more layer(s) of building material.
  • the UV radiation 4 for forming the green body 5 can be controlled, for example, as a function of at least one item of target geometry information of the three-dimensional object 2 to be produced and/or as a function of target geometry information of the green body 5 .
  • the UV radiation 4 is changed by a control device in such a way that the curing temperature of the material forming the green body 5 is not significantly or not exceeded comes.
  • the device 1 can have a detection device 8 which is set up to detect parameter data and/or temperature values during the execution of the first solidification step 101 or during the production of the green body 5 by means of the UV radiation 4 .
  • the detection device 8 can be a construction area and/or the green body 5 that has already been produced and/or the unconsolidated construction material 3 thermally detect.
  • the detection device 8 can be designed, for example, as a thermal camera and/or as a probe touching the building material 3 .
  • parameter data and/or temperature values of the manufacturing process can be obtained by evaluating previous additive manufacturing processes.
  • derived parameter data and/or temperature values can be obtained in the course of a simulation, taking into account the target geometry of the three-dimensional object 2 to be produced.
  • the parameter data and/or temperature values originating from the different sources can be evaluated and/or processed using a computing device 9 using at least one artificial intelligence (AI) technique.
  • AI artificial intelligence
  • these can be used as a suitable influencing variable for the control of the exposure of the green body 5 taking place by means of the UV radiation 4 .
  • the computing device 9 executes an algorithm and/or a neural network based on the parameter data and/or the temperature values and the resulting computing device information is used to influence the control of the exposure of the UV radiation 4 to the Green body 5 used. Due to the fact that a large number of determined parameter data and/or temperature data are evaluated and/or weighted or combined by an algorithm or by a neural network, the exposure of the green body 5 to UV radiation 4 can be precisely controlled in such a way that that an excessive thermal energy input of the UV radiation into the building material 3 is prevented.
  • the building material 3 can, for example, comprise a resin and/or plastic having at least two components, with a first component curing predominantly, in particular exclusively, by means of UV radiation 4 and a second component curing or solidifying predominantly, in particular exclusively, by means of applied thermal energy .
  • a first component curing predominantly, in particular exclusively, by means of UV radiation 4 and a second component curing or solidifying predominantly, in particular exclusively, by means of applied thermal energy .
  • at least one structural element 10 connected to the at least one green body 5 can also be built up, with the structural element 10 at least in sections, in particular completely, having a UV radiation 4 defines or specifically experiences higher thermal energy input than the green body 5.
  • the input of thermal energy by means of the UV radiation 4 into the building material 3 can be reduced by at least 10%, preferably by at least 20%, particularly preferably by at least 35%, most preferably by at least 50%, be different or increased in the structuring agent 10.
  • the structural means 10 can, for example, connect at least one green body 5 to a building board 11 and/or a first green body 5 to another green body 5 . It can be expedient here if the at least one structure means 10 is designed as a support means and/or handling means.
  • the structural means 10 is provided with a predetermined breaking point, with the structural means 10 being able to be separated from the green body 5 and/or from the three-dimensional object 2 and/or from the building board 11 via the predetermined breaking point. Due to the later separation of the structural means 10, this can be designed in such a way that it does not form part of the target geometry of the three-dimensional object 2.
  • At least one structure means 10 can have, for example, at least a first section 13 and a second section 14, with the first section 13 experiencing a higher thermal energy input during exposure by means of the UV radiation 4 than the second section 14.
  • the first section 13 and /or the second section 14 of the structuring agent 10 has a higher energy input during exposure by means of the UV radiation 4 than the building material forming the green body 5 .
  • the difference in thermal energy input between the two sections 13, 14 and/or between at least one section 13, 14 and the green body 5 can, for example, be in the order of a factor of 1.3, preferably 1.5, particularly preferably 2.0, most preferably 4.0, lie.
  • the structural means 10 can have, for example, at least one stability section 15 and at least one shielding section 16, the stability section 15 experiences a higher thermal energy input during the exposure by means of the UV radiation 4 than the shielding section 16, the shielding section 16 being designed as an area surrounding the stability section 15 externally at least in sections, in particular completely. It can be seen from Figure 1 that the stability section 15 is separated or spaced apart from the unconsolidated building material 3 by the shielding section 16; Area) reach, since the shielding section 16 has a buffer function for heat transfer from the stability section 15 to the unsolidified building material 3 or performs. The aging of the unconsolidated building material 3 can thus be reduced or its reusability increased.
  • the invention described herein also includes a three-dimensional object 2, in particular a vehicle component, which was produced using a method described herein.
  • the three-dimensional object 2 or the vehicle component can be used in a vehicle (not shown), in particular in a motor vehicle.
  • FIG. 1 shows an example of an additive manufacturing device or a device 1 for carrying out the method described herein, which forms a three-dimensional object 2 using a CLIP method.
  • the method described here can also be applied to other additive construction methods which use a liquid or powdered construction material 2 .
  • the CLIP method can provide that in the first hardening step 101, see FIG Component of the building material 3 is successively, preferably in layers, selectively solidified by means of UV radiation 4 emitted from a radiation device 17 in order to form a green body 5 .
  • the device 1 shown can include a construction container 18 .
  • the bottom 19 of the container 4 is permeable to light and gas, or is provided with a body 20 permeable to light and gas - also referred to as a "permeable window". so that the UV radiation 4 penetrates the bottom 19 of the construction container 18 and in an intermediate area 21 - also referred to as "dead zone" - can impinge or reach the intermediate area 21 and solidify the building material 3 located there depending on the area.
  • the light- and gas-permeable body 20 allows UV radiation 4 and a gas medium (not shown) to pass through.
  • the UV radiation 4 reaches the building material 3 and hardens it at least partially, the gas medium reaches the building material 3 and prevents the building material 3 from adhering to the bottom 19 of the building container 18 and thus contributes to the functioning of the intermediate region 21.
  • the UV radiation 4 emerges from the radiation device 17 and is deflected by a mirror device having at least two mirror elements 22 in such a way that the UV radiation 4 strikes the intermediate region 21 selectively depending on the region, for example also at least in sections over an area, with the intensity and/or or exposure time of the UV radiation 4 within the impingement surface in the intermediate area 21 can be different or can be specifically controlled.
  • a solidified or partially solidified green body 5 can thus be formed in the intermediate region 21, in particular with different material properties depending on the region (depending, for example, on the intensity of the UV radiation 4).
  • the intensity and/or exposure time of the UV radiation 4 is set or changed, for example (a) by controlling the mirror elements 22 of a mirror device that move, in particular at a frequency, and/or (b) by the radiation device 17 .
  • At least one UV LED light source for example, can be used as the radiation device 17 .
  • the mirror device can be embodied, for example, as a micromirror array.
  • the building material 3 can, for example, have photoinitiators which, due to the energetic effect of the UV radiation 4, trigger a radical polymerization in which monomers grow into polymers by chain cleavage of the double bond.
  • the building material 3 can harden along the UV-exposed surface. This creates a connection to the height-adjustable (cf. arrow 12) construction platform or construction panel 11, which is successively or continuously moved up by the action of an actuator (not shown) by one layer height or one layer thickness (i.e. by the radiation device 17 away) moved to create a space for building material that flows in and is to be solidified depending on the area 3 to form.
  • the intermediate area 21 or the area of the three-dimensional object 2 facing the UV radiation 4 and the bottom 19 of the construction container 18 are generally always covered with liquid construction material 3 during the construction process (with the exception of when the one Free space below the raised building board 11 or below the raised three-dimensional object 2 filling liquid building material 3), which in turn can be solidified by the UV radiation 4.
  • a green body 5 is successively built up in layers.
  • the three-dimensional object 2 is, for example, entirely made from the bath of liquid and unsolidified building material 3 or from the liquid building material 3 filled building container 18 moved out and finally separated or released from the building board 11.
  • thermal energy is applied to it in the course of a second solidification step 102 .
  • This targeted, preferably full-surface, heating of the green body 5 leads to further hardening or concatenation of the building material and thus to the final physical and/or chemical properties, in particular final component properties, of the three-dimensional object 2.
  • Due to the thermal stress or the increased Temperatures in the course of the second or thermal hardening step 102 can, for example, initiate a displacement reaction, also known as a chain extension reaction, of a chain extender (component B) with oligomers (component A) in the building material 3 forming the green body 5 .
  • the chain extender and the oligomers can form part of the building material 3 in this case.

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Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch folgende Verfahrensschritte: - sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung eines Grünkörpers (5), - Beaufschlagung des Grünkörpers (5) mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials (3) bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts (2), wobei - eine Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.

Description

Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei durch eine sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung ein Grünkörper ausgebildet wird. Dieser Grünkörper kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit thermischer Energie beaufschlagt, um dadurch das dreidimensionale Objekt auszubilden.
Entsprechende Verfahren sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Beispielsweise basiert das als Digital Light Synthesis (DLS) Technologie oder auch als CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production) bezeichnete additive Herstellungsverfahren auf dem oben beschriebenen Grundprinzip.
Nachteilig bei dem DLS- bzw. CLIP-Verfahren ist, dass im Zuge der Energieeinbringung in das Baumaterial vermittels der UV-Strahlung es zu einer derart hohen Erwärmung zumindest einer Komponente des Baumaterials kommen kann, welche die Viskositätseigenschaften des Baumaterials und ggf. eine Teilaushärtung des Baumaterials zur Folge haben kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches insbesondere im Hinblick auf eine einfache und schnelle sowie kostengünstige Maßnahme die Qualität der herzustellenden dreidimensionalen Objekte erhöht bzw. präzise vordefinierte mechanische Eigenschaften der herzustellenden dreidimensionalen Objekte ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Verfahrens sowie ein dreidimensionales Objekt hergestellt aus dem hierin beschriebenen Verfahren.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch folgende Verfahrensschritte: (a) - erster Verfestigungsschritt - sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung eines Grünkörpers, (b) - zweiter Verfestigungsschritt - Beaufschlagung des Grünkörpers mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts, wobei (c) eine Steuerung der Belichtung des Grünkörpers vermittels der UV-Strahlung - während des ersten Verfahrensschritts - derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.
Bei dem additiven Herstellungsverfahren kann beispielsweise ein harzbasiertes bzw. ein Harzmaterial, insbesondere ein Kunstharzmaterial, umfassendes Baumaterial verwenden. Beispielsweise kommt als additives Herstellungsverfahren ein DLS- Verfahren bzw. ein CLIP-Verfahren zum Einsatz. Das DLS-Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein in einem Baubehälter befindliches flüssiges und UV-aushärtbares Baumaterial selektiv vermittels UV-Strahlung ausgehärtet wird, um einen eine definierte Form aufweisenden Grünkörper auszubilden. Dieser Grünkörper bzw. Grünling wird anschließend in einem zweiten Prozessschritt - Verfestigungsschritt - einem thermischen Aushärteprozess unterzogen und dabei mit thermischer Energie beaufschlagt. Hierzu kann der Grünkörper in einen Ofen bzw. in eine Heizkammer verbracht werden.
Zumindest eine erste Komponente des Baumaterials löst eine überwiegende, insbesondere vollständige, festigkeitssteigernde Reaktion aufgrund von auf das Baumaterial auftreffender UV-Strahlung aus. Das Baumaterial kann beispielsweise wenigstens zwei Komponenten umfassen, wobei zumindest eine Komponente bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet bzw. eine durch die thermische Energie initiierte Reaktion ausführt, welche zu einer Verfestigung bzw. einer Veränderung der Vernetzung bzw. Verkettung des Baumaterials führt. Durch ein Baumaterial, welches wenigstens zwei Komponenten aufweist, die unterschiedliche Aushärteverhalten, kann durch die gezielte Ausnutzung des jeweiligen Aushärteverhaltens der Komponenten höhere und/oder gezieltere mechanische Eigenschaften für das dreidimensionale Objekt erzielt werden. Dadurch, dass das Baumaterial sowohl auf UV-Strahlung als auch auf thermische Energie reagiert bzw. jeweilige (und insbesondere voneinander unabhängige) Reaktionen hervorruft, können sich in dem Herstellungsverfahren zwei verschiedene Netzwerke von Ketten, z. B. Polymerketten, ausbilden. Durch eine Verknotung der zwei verschiedenen Netzwerke bzw. der Polymerketten miteinander können überdurchschnittliche mechanische Eigenschaften erreicht werden.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung in dem ersten, den Grünkörper bildenden Verfahrensschritt erfolgt dabei derart, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente, insbesondere sämtlicher Komponenten, des Baumaterials nicht überschritten oder wesentlich überschritten wird. Mit anderen Worten soll während der Erzeugung des Grünkörpers durch Hervorrufen der UV-gestützt verfestigenden Reaktion zumindest einer Komponente des Baumaterials die wenigstens eine weitere, zumindest thermisch aushärtende Komponente des Baumaterials noch keine, insbesondere noch keine wesentliche bzw. überwiegende, Aushärtung oder Verfestigung im eigentlichen Sinne erfahren. Damit soll das Aushärte- bzw. Verfestigungsvermögen des Baumaterials aufgrund von Beaufschlagung mit thermischer Energie möglichst, insbesondere vollständig, dem zweiten Prozessschritt vorbehalten werden, in welchem der Grünkörper gezielt mit thermischer Energie beaufschlagt wird.
Mit einem nicht wesentlichen Überschreiten der Aushärtetemperatur ist gemeint, dass es punktuell oder kurzzeitig zu einer Überschreitung der Aushärtetemperatur im Zuge der UV-Beaufschlagung kommen kann, jedoch dieser thermische Energieeintrag so geringfügig ist, dass er zu keiner signifikanten Aushärtung bzw. Verfestigung der thermisch aushärtenden Komponente des Baumaterials führt. Mit anderen Worten kann ein nicht wesentliches Überschreiten der Aushärtetemperatur eine, insbesondere kurzzeitige, Überschreitung der Aushärtetemperatur um maximal 15 %, bevorzugt um maximal 10 %, besonders bevorzugt um maximal 5 %, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine nicht wesentlich überschrittene Aushärtetemperatur eine Temperatur bzw. einen Energieeintrag aufgrund einer ggf. überschrittenen Aushärtetemperatur umfassen, welche ein Restverfestigungsvermögen bzw. Restaushärtevermögen des bereits vermittels UV- Strahlung ausgehärteten Baumaterials, insbesondere zumindest der thermisch aushärtenden Komponente des vermittels UV-Strahlung ausgehärteten Baumaterials, aufgrund Einwirkung thermischer Energie von mindestens 70 %, bevorzugt von mindestens 85 %, besonders bevorzugt von mindestens 95 %, ermöglicht. Die Aushärtetemperatur kann auch als thermischer Grenzenergieeintrag der thermischen Energie verstanden werden, bei dessen Überschreiten eine Vernetzung bzw. Aushärtung der thermisch aushärtenden Komponente des Baumaterials erfolgt.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart erfolgen, dass zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 %, höchst bevorzugt zumindest 95 %, wenigstens einer zu belichtenden Baumaterialschicht des Grünkörpers keine wesentliche Überschreitung der Aushärtetemperatur erfährt bzw. die jeweiligen Prozentangaben der den Grünkörper ausbildenden Baumaterialschichten noch ein thermisches Vernetzungspotential bzw. Aushärtevermögen für den nachfolgenden, den Grünkörper mit thermischen Energie beaufschlagenden Prozessschritt aufweist. Die Prozentangaben können sich alternativ oder zusätzlich auf das Volumen des Grünkörpers beziehen, d. h. z. B., dass gesehen auf das Gesamtvolumen des Grünkörpers zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 %, höchst bevorzugt zumindest 95 %, des Volumens des Grünkörpers nach dem ersten, die UV-Strahlung auf das Baumaterial richtenden Verfahrensschritt noch ein wesentliches thermisches Vernetzungspotential bzw. Aushärtevermögen aufweisen.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine thermische Aushärtung aufgrund eines wesentlichen Überschreitens der Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente des Baumaterials maximal zu einer 20 Vol.-%, bevorzugt zu einer maximal 12,5 Vol. -%, besonders bevorzugt zu einer maximal 7,5 Vol.-%, höchst bevorzugt zu einer maximal 2,5 Vol.-%, zu einer thermischen Aushärtung des Grünkörpers im Zuge der Einwirkung der UV-Strahlung führt.
Das hierin beschriebene Verfahren der Erfindung betrifft vorzugsweise ein computergestütztes Verfahren. Hierbei wird unter Zuhilfenahme eines Rechners zumindest die Steuerung der UV-Strahlung während des ersten Verfestigungsschritts ausgeführt. Vorzugsweise umfasst das computergestützte Verfahren die Steuerung weiterer Elemente der additiven Fertigungsvorrichtung über eine zentrale Rechnereinheit, z. B. vermittels der Recheneinrichtung. So kann beispielsweise das Auffüllen von frischen unverfestigten Baumaterial in den Baubehälter (z. B. Volumenstrom) und/oder die Bewegung der Bauplatte relativ zu dem Baubehälter und/oder die UV-Strahlung und/oder eine Temperiereinrichtung der Baukammer in jeweiligen Steuerungsparameterdaten beschrieben und jeweilige Aktuatoren entsprechend der Steuerungsparameterdaten angesteuert werden.
Es ist möglich, dass die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine, insbesondere überwiegend, UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers in einem Bauraum erfolgt, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt. Beispielsweise ist die Erfassungseinrichtung als Thermokamera ausgebildet, sodass während des ersten Prozessschritts die thermische Auswirkung an der Oberfläche des Baumaterials vermittels der Thermokamera erfasst bzw. überwacht werden kann. Sofern hierbei ein Überschreiten einer Referenztemperatur bzw. einer Aushärtetemperatur oder ein drohendes Überschreiten der Aushärtetemperatur erfasst wird, kann durch eine Veränderung der Steuerung der UV-Strahlung reagiert werden. Insbesondere kann das Ereignis des Überschreitens abgewendet und/oder ein möglichst kurzzeitiges Überschreiten der Aushärtetemperatur durch eine entsprechende Ansteuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung ermöglicht werden. Die Erfassungseinrichtung kann auch alternativ oder zusätzlich die Auswirkung einer Temperiereinrichtung der additiven Herstellungsvorrichtung erfassen bzw. überwachen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung berührungslos oder berührend einen Viskositätswert des Baumaterials erfassen. Ein Viskositätswert des Baumaterials kann einen Rückschluss auf den Grad der aufgrund thermischen Energieeintrags bzw. einer Aushärtetemperaturüberschreitung erfolgten Aushärtung bzw. Vernetzung von wenigstens einer Komponente des Baumaterials während des im ersten Verfestigungsschritts erfolgenden UV-Strahlungseinbringung geben und folglich als Inputgröße zur Beeinflussung der Steuerung der die UV-Strahlung umfassenden Belichtung verwendet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann es sich als zweckmäßig erweisen, wenn die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (a) in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder (b) in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgt. Zunächst können beispielsweise historische Daten zu vorausgegangenen additiv hergestellten dreidimensionalen Objekten verwendet werden, um insbesondere bei einem Abgleich der Geometrie der vorausgegangenen dreidimensionalen Objekte und dem bevorstehend herzustellenden dreidimensionalen Objekt den thermischen Energieeintrag während der Beaufschlagung des Baumaterials mit der UV-Strahlung betreffende Daten zu gewinnen. Diese können dazu verwendet werden, die Ansteuerung der UV-Strahlung zur Erzielung eines möglichst geringen thermischen Energieeintrags oder zumindest die Begrenzung des thermischen Energieeintrags unterhalb einer Aushärtetemperatur zu halten. Alternativ oder zusätzlich zu in realen vorausgegangenen Herstellungsprozessen gewonnener Daten kann eine auf einer Simulation basierende Gewinnung bzw. Generierung von für die Steuerung der UV- Strahlung nützlicher Informationen zur Ansteuerung der UV-Strahlung während der Herstellung des Grünlings genutzt werden. Diese Informationen können dahingehend eingesetzt werden, dass eine Aushärtetemperatur während des ersten Verfestigungsschritts nicht wesentlich überschritten wird.
Es ist möglich, dass zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen wird. Hierbei können die Daten, insbesondere die ein Überschreiten der Aushärtetemperatur während des ersten Verfestigungsschritts anzeigende Daten, beispielsweise ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerte des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts ermittelt werden. Aufgrund der in der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Daten kann ein Rückschluss auf den Grad der thermischen Aushärtung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials während der auf UV-Strahlung basierenden Belichtung im ersten Verfestigungsschritt erfolgen.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper ausbildenden Baumaterial maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C, beträgt. Sofern die durchschnittliche oder maximale Temperatur die Grenzwerte 55 °C, bevorzugt 45 °C, besonders bevorzugt 37,5 °C, höchst bevorzugt 25 °C, nicht überschreitet, kann eine Vernetzung bzw. Aushärtung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials aufgrund thermischer Energieeinwirkung bzw. aufgrund eins Überschreitens der Aushärtetemperatur verhindert werden.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfassen: (a) Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV-Eintrags zu einem zweiten UV-Eintrag vermittels der UV-Strahlung innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder (b) eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung in das Baumaterial innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (c) eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (d) eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV- Strahlung innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschichten. Die angeführten Prozessparameter sind dazu geeignet die Einbringung thermischer Energie in das Baumaterial während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers auf einem für eine thermische Aushärtung bzw. Vernetzung der wenigstens einen Komponente des Baumaterials gering und/oder unschädlich zu halten.
Die Steuerung der Belichtung vermittels UV-Strahlung zur Ausbildung des Grünkörpers kann beispielsweise in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers erfolgen. Die wenigstens eine Ziel- und/oder Sollgeometrieinformation kann beispielsweise einen Rückschluss auf den während der UV-Strahlungseinbringung erfolgenden thermischen Energieeintrag pro Flächeneinheit in das Baumaterial geben. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts und/oder die Sollgeometrieinformation des Grünkörpers mit in einer Datenbank hinterlegten Daten verglichen wird. Diese (Vergleichs-)Daten können für geometrisch ähnliche oder identische vormals hergestellten dreidimensionalen Objekten und/oder für geometrisch ähnliche oder identische simulierte dreidimensionale Objekte jeweils zugeordnete Informationen zu deren während der Herstellung bzw. deren simulierten Herstellung zumindest abschnittsweise auftretenden Aushärtetemperaturen bzw. entsprechender Energieeinträge in das Baumaterial betreffen. Durch diesen Vergleich und/oder eine Zuordnung von für den bevorstehenden Baujob bereitgestellter Ziel- und/oder Sollgeometrieinformationen mit ähnlichen oder identischen Geometrieinformationen aus der Datenbank kann zumindest eine Steuerungsteilinformation, insbesondere eine Steuerungsinformation, aus der Datenbank entnommen bzw. gewonnen werden, welche es ermöglicht, derart auf die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers einzuwirken, dass zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird bzw. den thermische Energieeintrag der UV-Strahlung in das Baumaterial unterhalb einer thermischen Aushärtereaktionstemperatur hält.
Es ist möglich, dass (a) durch eine Erfassungseinrichtung erfasste und/oder (b) durch aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnene und/oder (c) im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte unter Verwendung einer künstliche-lntelligenz-(AI)-Techniken verwendenden Recheneinrichtung ausgewertet und/oder bearbeitet werden, insbesondere um zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers und/oder eines späteren Grünkörpers eingesetzt zu werden. Unter Verwendung der künstlichen Intelligenz zur Auswertung und/oder Bearbeitung der Basisinformationen zur Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung kann auf einfache und zielgerichtete Weise der bislang gesammelte Datenbestand bzw. der vorliegende Datenbestand zur Verhinderung eines zu hohen thermischen Energieeintrags im Zuge der UV-Strahlung beim ersten Verfestigungsschritts genutzt werden.
Hierbei kann es beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Recheneinrichtung einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk auf Basis bzw. unter Verwendung der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt bzw. diese trainiert und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers eingesetzt wird. Ein neuronales Netz kann z. B. ein maschinelles Lernen und/oder ein Deep Learning umfassen. Allgemein werden durch die Kl-Algorithmen die aus unterschiedlichen Quellen stammenden Parameterdaten und/oder Temperaturwerte derart ausgewertet, dass deren Aussagekraft hinsichtlich der Temperaturentwicklung bzw. der thermischen Energieeinbringung in das Baumaterial steigt und folglich eine höhere Genauigkeit für die Ansteuerung der vermittels UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Grünkörpers erzielt werden kann. Hierbei kann z. B. das Nichtüberschreiten der Aushärtetemperatur bzw. das Nichtüberschreiten eines abhängig von der Aushärtetemperatur definierten Toleranzschwellwerts einer Referenztemperatur zuverlässiger erreicht bzw. eine entsprechende Ansteuerung der UV-Strahlung erreicht werden. Z. B. kann das maschinelle Lernen ein konvolutionelles neuronales Netzwerk umfassen bzw. verwenden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Recheneinrichtung eingesetzt wird, welche ein oder mehrere Bauelemente enthält, die künstliche-lntelligenz-(AI)-Techniken verwenden. Weil die Recheneinrichtung damit ein künstliche Intelligenz Verfahren anwendet, kann eine Schätzfunktion bzw. Auswertefunktion zum Schätzen bzw. Auswerten ausgeführt werden, um basierend auf dem Schätzergebnis und/oder Auswerteergebnis die Ansteuerung der UV-Strahlung derart zu optimieren, dass kein bzw. kein wesentliches Überschreiten einer eine thermische Aushärtung bzw. Vernetzung hervorrufenden UV-Einbringung in das Baumaterial während der Herstellung des Grünkörpers sich ergibt. Als die künstliche-Intelligenz-Techniken können beispielsweise maschinelles Lernen wie etwa verschiedene Arten von Filterung und/oder unabhängige-Komponente-Analyse und/oder Unterstützungsvektor-Maschine (SVM) und/oder Daten- und/oder Bildverarbeitungstechniken wie etwa Konturextraktion und/oder Mustererkennung und/oder intelligente Informationsbearbeitung und/oder verstärktes Lernen und/oder Bayes'sches Netzwerk und/oder selbstorganisierendes Kennfeld (SOM) und/oder neuronales Netzwerk und/oder vertieftes Lernen angewendet werden.
Das Baumaterial kann beispielsweise ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunstharz umfassen, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV-Strahlung aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet. Die Aushärtung kann eine Verfestigung bzw. eine Vernetzung des Baumaterials umfassen. Während des ersten Verfestigungsschritts bzw. Polymerisationsschritts zur Ausbildung des Grünkörpers vermittels der UV-Strahlung liegt das Baumaterial als flüssiges, insbesondere aus Kunststoff, insbesondere aus Kunstharz, bestehenden Baumaterial vor.
Während der UV-Strahlung basierten Ausbildung des Grünkörpers, also während des ersten Verfestigungsschritts, kann beispielsweise wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper verbundenes Strukturmittel mit aufgebaut werden, wobei das Strukturmittel zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung gezielt höheren thermischen Energieeintrag erfährt als der Grünkörper. Mit anderen Worten wird während des ersten Verfestigungsschritts zumindest abschnittsweise das Baumaterial mit verfestigt und damit ein Strukturmittel mit aufgebaut, das insbesondere nicht Bestandteil des im Zuge des additiven Herstellungsverfahrens herzustellende Zielobjekt ist. Derartige Strukturmittel können beispielsweise wenigsten einen Grünkörper mit einer Bauplatte und/oder einen ersten Grünkörper mit einem weiteren Grünkörper verbinden. Bevorzugt können derartige Strukturmittel als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet sein. Als Stützmittel - auch als Stützstruktur bezeichnet - ausgebildete Strukturmittel können eine den Grünkörper stützende Funktion, z. B. eine Abstützung gegen eine Schwerkrafteinwirkung, innehaben.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass wenigstens ein Strukturmittel mit einer Sollbruchstelle versehen ist, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel von dem Grünkörper und/oder der Bauplatte und/oder dem dreidimensionalen Objekt (d. h. nach der Beaufschlagung mit thermischer Energie) auf einfache und komfortable Weise trennbar ist. Dabei kann nach einem Abtrennen des wenigstens einen Stützmittels von dem Grünkörper und/oder von der Bauplatte und/oder von dem dreidimensionalen Objekt der Zielkörper bzw. das Zielobjekt vorliegen.
In einer optionalen Ausführungsform kann es zweckmäßig sein, dass zumindest ein Strukturmittel wenigstens einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung, d. h. während des ersten Verfestigungsschritts, erfährt als der zweite Abschnitt. Hierbei kann es z. B. vorgesehen sein, dass der zweite Abschnitt des Strukturmittels einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung erfährt als der Grünkörper. Dadurch, dass unterschiedliche Abschnitt des Strukturmittels einen unterschiedlich hohen, insbesondere thermischen, Energieeintrag erfahren, kann das Verhalten des Strukturmittels für seine Aufgabe als z. B. Handhabungs- und/oder Stützmittel angepasst bzw. optimiert sein. Dadurch, dass das Stützmittel kein Bestandteil des eigentlichen Zielobjekts ist, ist es unerheblich, wenn der im Vergleich zum thermischen Energieeintrag in den den Grünkörper ausbildenden Baumaterial im Zuge des UV-Eintrags eine höhere thermischer Energieeintrag erfolgt, da das spätere thermische Verfestigen und die damit einhergehende gezielte Einsteilbarkeit bzw. Gestaltbarkeit der mechanischen Eigenschaften nicht zwingend von Bedeutung sind. Mit anderen Worten ist es für die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere mechanischen Bauteileigenschaften, des herzustellenden Zielobjekts unerheblich, ob bereits eine thermische Aushärtung des Stützmittels während der UV-strahlungsbasierten Belichtung des Grünkörpers sich ergibt.
Der erste Abschnitt des Strukturmittels kann beispielsweise ausschließlich über den zweiten Abschnitt des Strukturmittels mit dem Grünkörper und/oder mit einem ersten Grünkörper verbunden sein. Beispielsweise ist das Strukturmittel als Stützmittel ausgebildet, wobei der Grünkörper durch das Strukturmittel mit der Bauplatte verbunden wird. Beispielsweise kann der erste Abschnitt der Bauplatte zugewandt sein, insbesondere die Bauplatte unmittelbar berühren, und der zweite Abschnitt eine Erweiterung des ersten Abschnitts bilden und dabei dem Grünkörper zugewandt sein, insbesondere den Grünkörper berühren. Hierbei kann der erste Abschnitt einen im Vergleich zu dem zweiten Abschnitt höheren thermischen Energieeintrag im Zuge der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung des Baumaterials zur Ausbildung des Grünkörpers erfahren. Dies ist dahingehend vorteilhaft, da durch die Beabstandung des den höheren thermischen Energieeintrag erfahrenden ersten Abschnitts die Gefahr einer hierdurch resultierenden Erwärmung und damit Beeinträchtigung der Zieleigenschaften des Grünkörpers und/oder des dreidimensionalen Objekts reduziert oder unterbunden werden kann.
Das Strukturmittel kann alternativ oder zusätzlich zumindest einen Stabilitätsabschnitt und wenigstens einen Abschirmabschnitt aufweisen, wobei der Stabilitätsabschnitt einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV- Strahlung erfährt als der Abschirmabschnitt, wobei der Abschirmabschnitt als ein den Stabilitätsabschnitt äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist. Mit anderen Worten schirmt der Abschirmabschnitt den Stabilitätsabschnitt z. B. gegenüber dem unverfestigten Baumaterial ab, zumindest solange sich dieser Teilbereich des Strukturmittels noch in einem das flüssige Baumaterial aufnehmenden Baubehälter befindet. Der Stabilitätsabschnitt kann z. B. als Stützstruktur eine feste und/oder steife Verbindung zwischen wenigstens zwei Grünkörpern und/oder zwischen einem Grünkörper und der Bauplatte ausbilden. Aufgrund des höheren thermischen Energieeintrags durch die UV-Strahlung in den Stabilitätsabschnitt weist dieser auch eine höhere Steifigkeit und/oder Festigkeit als der Abschirmabschnitt auf. Sofern das Strukturmittel als Stützstruktur verwendet wird, kann die zumindest überwiegende, insbesondere wesentliche oder vollständige, Stützfunktion durch den steiferen und/oder festeren Stabilitätsabschnitt erfolgen. Der Abschirmabschnitt kann beispielsweise eine zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständige, Umhüllung des Stabilitätsabschnitts ausbilden. Dadurch, dass der Stabilitätsabschnitt einen hohen thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung erfährt, kann eine thermische Beeinflussung des den Stabilitätsabschnitt umgebenden unverfestigten Baumaterials reduziert oder unterbunden werden, da der Abschirmabschnitt als thermischer Isolator oder zumindest als ein eine Ableitung thermischer Energie von dem Stabilitätsabschnitt zu dem unverfestigten Baumaterial hemmendes Mittel eingesetzt werden kann. Dadurch, dass thermische Energie von dem Stabilitätsabschnitt nicht in dem Maße in das unverfestigte Material gelangen kann, kann beispielsweise die Wiederverwendbarkeit des unverfestigten Materials erhöht bzw. dessen Alterung reduziert werden. Neben dem Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts betrifft die Erfindung auch ein dreidimensionales Objekt, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, das in einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Das Fahrzeugbauteil kann beispielsweise Bestandteil eines Fahrzeugs, bevorzugt eines, insbesondere mehrspurigen, Kraftfahrzeugs bzw. eines von einem Motor angetriebenes Straßenfahrzeug sein.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf das erfindungsgemäße dreidimensionale Objekt übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der wesentlichen Verfahrensschritte des Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiels.
Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 2 eingerichtet, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist, vgl. Figur 2. In einem ersten Verfestigungsschritt 101 wird durch sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung eine Verfestigung bzw. Aushärtung eines zumindest eine UV- aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials 3 vermittels einer UV-Strahlung 4 erreicht zur Ausbildung eines Grünkörpers 5. Dieser in dem ersten Verfestigungsschritt 101 zumindest vermittels UV-Strahlung 4 verfestigte bzw. ausgehärtete Grünkörper 5 wird in einem nachfolgenden Verfestigungsschritt 102 mit thermischer Energie beaufschlagt, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials 3 bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet und hierdurch ein in seinen physikalischen und/oder chemischen Zieleigenschaften, insbesondere in seinen mechanischen Bauteilzieleigenschaften, vorliegendes dreidimensionales Objekt 2 hergestellt wird.
Eine über eine Steuerungseinrichtung 7 erfolgende Steuerung der UV-Strahlung 4 und damit der Belichtung (im ersten Verfestigungsschritt 101) zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann derart ausgeführt werden, dass zumindest abschnittsweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente des Baumaterials 3 nicht wesentlich oder nicht überschritten wird.
Die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine UV-aushärtbaren Komponente umfassenden Baumaterials 3 vermittels UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann in einem Bauraum erfolgen, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung 8 zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers 5 in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt. Die Parameterdaten können z. B. Prozessparameterdaten der Steuerung des additiven Fertigungsverfahrens umfassen.
Die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt 2 gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgen. Als Zielgeometrie des dreidimensionalen Objekts 2 ist dessen Wunschgeometrie zu verstehen.
Zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten kann beispielsweise wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt 2 einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die Daten ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelter Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerte des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts 2 ermittelt bzw. abgeleitet werden.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper 5 ausbildenden Baumaterials maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C beträgt.
Die Steuerung der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfassen: (a) Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV- Eintrags zu einem zweiten UV-Eintrag der UV-Strahlung 4 innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder (b) eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung 4 in das Baumaterial 3 innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder (c) eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV-Energieeintrags der UV-Strahlung 4 innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV- Strahlung 4 innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschicht(en).
Die Steuerung der UV-Strahlung 4 zur Ausbildung des Grünkörpers 5 kann beispielsweise in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers 5 erfolgen. Mit anderen Worten wird abhängig von der Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 und/oder abhängig von der Sollgeometrieinformation des Grünkörpers 5 die UV-Strahlung 4 derart durch eine Steuereinrichtung verändert, dass es zu keiner wesentlichen oder keiner Überschreitung einer Aushärtetemperatur des den Grünkörper 5 ausbildenden Materials kommt.
Die Vorrichtung 1 kann eine Erfassungseinrichtung 8 aufweisen, welche eingerichtet ist Parameterdaten und/oder Temperaturwerte während der Ausführung des ersten Verfestigungsschritts 101 bzw. während der Erzeugung des Grünkörpers 5 vermittels der UV-Strahlung 4 zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 8 kann einen Baubereich und/oder den bereits erzeugten Grünkörper 5 und/oder das unverfestigte Baumaterial 3 thermisch erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 8 beispielsweise als Thermokamera und/oder als das Baumaterial 3 berührende Sonde ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können Parameterdaten und/oder Temperaturwerte des Herstellungsverfahrens durch Auswertung von vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnen werden. Optional oder zusätzlich können im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts 2 abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte gewonnen werden. Die aus den unterschiedlichen Quellen stammenden Parameterdaten und/oder Temperaturwerte können unter Verwendung einer wenigstens eine künstliche-lntelligenz-(AI)-Technik verwendenden Recheneinrichtung 9 ausgewertet und/oder bearbeitet werden. Durch diese Auswertung und/oder Bearbeitung bzw. Beeinflussung der Parameterdaten und/oder Temperaturwerte können diese als geeignete Einflussgröße der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 eingesetzt werden.
Hierbei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Recheneinrichtung 9 einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk, auf Basis der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation wird zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 eingesetzt. Dadurch, dass eine Vielzahl an ermittelter Parameterdaten und/oder Temperaturdaten durch einen Algorithmus bzw. durch ein neuronales Netzwerk ausgewertet und/oder gewichtet bzw. zusammengeführt werden, kann eine präzise Steuerung der vermittels der UV-Strahlung 4 erfolgenden Belichtung des Grünkörpers 5 derart erfolgen, dass ein zu hoher thermischer Energieeintrag der UV-Strahlung in das Baumaterial 3 verhindert wird.
Das Baumaterial 3 kann beispielsweise ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunststoff umfassen, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV-Strahlung 4 aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet bzw. sich verfestigt. Während der Ausbildung des Grünkörpers 5 vermittels der eine UV-Strahlung 4 umfassenden Belichtung des Baumaterials 3 kann beispielsweise wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper 5 verbundenes Strukturmittel 10 mit aufgebaut werden, wobei das Strukturmittel 10 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung 4 definiert bzw. gezielt höheren thermischen Energieeintrag erfährt, als der Grünkörper 5. Hierbei kann der Eintrag an thermischer Energie vermittels der UV-Strahlung 4 in das Baumaterial 3 um wenigstens 10 %, bevorzugt um wenigstens 20 %, besonders bevorzugt um wenigstens 35°%, höchst bevorzugt um wenigstens 50 %, unterschiedlich bzw. in dem Strukturmittel 10 erhöht sein.
Das Strukturmittel 10 kann beispielsweise wenigsten einen Grünkörper 5 mit einer Bauplatte 11 und/oder einen ersten Grünkörper 5 mit einem weiteren Grünkörper 5 verbinden. Hierbei kann es zweckmäßig sein, wenn das wenigstens eine Strukturmittel 10 als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Strukturmittel 10 mit einer Sollbruchstelle versehen, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel 10 von dem Grünkörper 5 und/oder von dem dreidimensionalen Objekts 2 und/oder von der Bauplatte 11 getrennt werden kann. Durch die spätere Trennung des Strukturmittels 10 kann dieses derart konzipiert sein, dass es keinen Bestandteil der Zielgeometrie des dreidimensionalen Objekts 2 bildet.
Zumindest ein Strukturmittel 10 kann beispielsweise wenigstens einen ersten Abschnitt 13 und einen zweiten Abschnitt 14 aufweist, wobei der erste Abschnitt 13 einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV- Strahlung 4 erfährt als der zweite Abschnitt 14. Beispielsweise erfährt der erste Abschnitt 13 und/oder der zweite Abschnitt 14 des Strukturmittels 10 einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 als das den Grünkörper 5 ausbildende Baumaterial. Der Unterschied des thermischen Energieeintrags zwischen den beiden Abschnitten 13, 14 und/oder zwischen wenigstens einem Abschnitt 13, 14 und dem Grünkörper 5 kann beispielsweise in der Größenordnung des Faktors 1 ,3, bevorzugt 1 ,5, besonders bevorzugt 2,0, höchst bevorzugt 4,0, liegen.
Das Strukturmittel 10 kann beispielsweise zumindest einen Stabilitätsabschnitt 15 und wenigstens einen Abschirmabschnitt 16 aufweist, wobei der Stabilitätsabschnitt 15 einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung 4 erfährt als der Abschirmabschnitt 16, wobei der Abschirmabschnitt 16 als ein den Stabilitätsabschnitt 15 äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass der Stabilitätsabschnitt 15 durch den Abschirmabschnitt 16 von dem unverfestigten Baumaterial 3 getrennt bzw. beabstandet wird, folglich kann ein im Stabilitätsabschnitt 15 erfolgender erhöhter Energieeintrag nicht unmittelbar in das unverfestigte Baumaterial 3 (vgl. den durch den Pfeil 6 angedeuteten Bereich) gelangen, da der Abschirmabschnitt 16 eine Pufferfunktion für eine Wärmeübertragung von dem Stabilitätsabschnitt 15 zu dem unverfestigten Baumaterial 3 innehat bzw. ausführt. Damit kann die Alterung des unverfestigten Baumaterials 3 reduziert bzw. dessen Wiederverwendbarkeit erhöht werden.
Die hierin beschriebene Erfindung umfasst ferner ein dreidimensionales Objekt 2, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, welches hergestellt in einem hierin beschriebenen Verfahren erzeugt wurde. Das dreidimensionale Objekt 2 bzw. das Fahrzeugbauteil kann in einem Fahrzeug (nicht dargestellt), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden.
In Figur 1 ist beispielhaft eine additive Fertigungsvorrichtung bzw. eine Vorrichtung 1 zur Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens dargestellt, welche vermittels eines CLIP-Verfahrens ein dreidimensionales Objekt 2 ausbildet. Neben dem CLIP- Verfahren kann das hierin beschriebene Verfahren auch auf andere additive Aufbauverfahren, welche ein flüssiges oder pulverförmiges Baumaterial 2 verwendet, angewandt werden. Das CLIP-Verfahren kann es vorsehen, dass in dem ersten Verfestigungsschritt 101 , vgl. Figur 1 , insbesondere in einem Polymerisationsschritt, ein unter Einwirkung einer UV-Strahlung 4, UV-verfestigbares bzw. UV- verfestigendes Baumaterial 3, insbesondere eine UV-aushärtbare Komponente des Baumaterials 3, sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, selektiv mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung 17 ausgesendeten UV-Strahlung 4, verfestigt wird, um einen Grünkörper 5 auszubilden.
Die dargestellte Vorrichtung 1 kann einen Baubehälter 18 umfassen. Der Boden 19 des Behälters 4 ist licht- und gasdurchlässig, bzw. mit einem licht- und gasdurchlässigen Körper 20 - auch als „permeables Window“ bezeichnet - versehen, so dass die UV-Strahlung 4 den Boden 19 des Baubehälters 18 durchdringen und in einem Zwischenbereich 21 - auch als „dead zone“ bezeichnet - auftreffen bzw. in den Zwischenbereich 21 gelangen und das dort befindliche Baumaterial 3 bereichsabhängig verfestigen kann. Der licht- und gasdurchlässige Körper 20 ermöglicht das Durchtreten von UV-Strahlung 4 und eines Gasmediums (nicht dargestellt). Die UV-Strahlung 4 gelangt zu dem Baumaterial 3 und härtet dieses zumindest teilweise aus, das Gasmedium gelangt an das Baumaterial 3 und verhindert ein Anhaften des Baumaterials 3 an den Boden 19 des Baubehälters 18 und trägt damit zur Funktionsweise des Zwischenbereichs 21 bei. Die UV-Strahlung 4 tritt aus der Strahlungseinrichtung 17 aus und wird von einer wenigstens zwei Spiegelelemente 22 aufweisenden Spiegelvorrichtung derart abgelenkt, dass die UV- Strahlung 4 in dem Zwischenbereich 21 selektiv bereichsabhängig, beispielsweise auch zumindest abschnittsweise flächig, auftrifft, wobei die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 4 innerhalb der Auftrefffläche im Zwischenbereich 21 unterschiedlich sein kann bzw. gezielt steuerbar ist. Damit kann im Zwischenbereich 21 ein verfestigter oder teilverfestigter Grünkörper 5, insbesondere mit bereichsabhängig (abhängig von z. B. der Intensität der UV-Strahlung 4) unterschiedlichen Materialeigenschaften, ausgebildet werden.
Die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 4 wird beispielsweise (a) durch eine Ansteuerung der, insbesondere frequenziell, sich bewegenden Spiegelelementen 22 einer Spiegelvorrichtung und/oder (b) durch die Strahlungseinrichtung 17 eingestellt bzw. geändert. Als Strahlungseinrichtung 17 kann beispielsweise wenigstens eine UV-LED-Lichtquelle verwendet werden. Die Spiegelvorrichtung kann beispielsweise als Mikrospiegelarray ausgebildet sein.
Das Baumaterial 3 kann beispielsweise Photoinitiatoren aufweisen, welche aufgrund der energetischen Einwirkung der UV-Strahlung 4 eine radikale Polymerisation auslösen, bei der Monomere durch eine Kettenspaltung der Doppelbindung zu Polymeren heranwachsen. Das Baumaterial 3 kann dabei entlang der UV-belichteten Fläche aushärten. Dabei entsteht eine Verbindung zu der höhenverlagerbaren (vgl. Pfeil 12) Bauplattform bzw. Bauplatte 11 , die sich sukzessive bzw. kontinuierlich durch Einwirkung von einem Aktor (nicht dargestellt), um eine Schichthöhe bzw. eine Schichtdicke nach oben (also von der Strahlungseinrichtung 17 weg) bewegt, um einen Raum für nachfließendes und bereichsabhängig zu verfestigendes Baumaterial 3 zu bilden. Bei dem CLIP-Verfahren bleiben i. d. R. der Zwischenbereich 21 bzw. der der UV-Strahlung 4 zugewandte Bereich des dreidimensionalen Objekts 2 und der Boden 19 des Baubehälters 18 während des Aufbauprozesses stets mit flüssigem Baumaterial 3 bedeckt (mit Ausnahme beim Nachlaufen des, einen Freiraum unterhalb der hochgezogenen Bauplatte 11 bzw. unterhalb des hochgezogenen dreidimensionalen Objekts 2 ausfüllenden flüssigen Baumaterials 3), das durch die UV-Strahlung 4 wiederum verfestigt werden kann. Durch mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs entsteht sukzessive ein schichtartig bzw. schichtweise aufgebauter Grünkörper 5. Nachdem die gewünschte Form des Grünkörpers 5 durch dieses Verfahren erzeugt wurde, wird das dreidimensionale Objekt 2 beispielsweise gänzlich aus dem Bad des flüssigen und unverfestigten Baumaterials 3 bzw. aus dem mit flüssigem Baumaterial 3 gefüllten Baubehälter 18 herausgefahren und schließlich von der Bauplatte 11 getrennt bzw. gelöst.
Vor oder nach dem Trennen des Grünkörpers 5 von der Bauplatte 11 (beispielsweise kann die Bauplatte 11 von der Vorrichtung 1 getrennt werden und an eine weitere Bearbeitungsstation verbracht werden) wird dieser im Zuge eines zweiten Verfestigungsschritts 102 mit thermischer Energie beaufschlagt werden. Diese gezielte, vorzugsweise vollflächige, Erwärmung des Grünkörpers 5 führt zu einer weiteren Aushärtung bzw. Verkettung des Baumaterials und damit zu den finalen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften, insbesondere finalen Bauteileigenschaften, des dreidimensionalen Objekts 2. Durch die thermische Beaufschlagung bzw. durch die erhöhten Temperaturen im Zuge des zweiten bzw. thermischen Verfestigungsschritts 102 kann beispielsweise eine Verdrängungsreaktion, auch Kettenverlängerungsreaktion genannt, eines Kettenverlängerers (Komponente B) mit Oligomeren (Komponente A) in dem den Grünkörper 5 bildenden Baumaterial 3 initiiert werden. Der Kettenverlängerer und die Oligomere können dabei einen Bestandteil des Baumaterials 3 bilden. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 dreidimensionales Objekt
3 Baumaterial
4 UV-Strahlung
5 Grünkörper
6 Bereich von unverfestigten Baumaterial
7 Steuerungseinrichtung
8 Erfassungseinrichtung
9 Recheneinrichtung
10 Strukturmittel
11 Bauplatte
12 Pfeil
13 erster Abschnitt von 10
14 zweiter Abschnitt von 10
15 Stabilitätsabschnitt von 10
16 Abschirmabschnitt von 10
17 Strahlungseinrichtung
18 Baubehälter
19 Boden von 18
20 Körper von 19
21 Zwischenbereich
22 Spiegelelement
101 erster Verfestigungsschritt
102 zweiter Verfestigungsschritt

Claims

22 ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch folgende Verfahrensschritte:
- sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung eines zumindest eine UV-aushärtbare Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung eines Grünkörpers (5),
- Beaufschlagung des Grünkörpers (5) mit thermischer Energie, wobei zumindest eine Komponente des Baumaterials (3) bei Überschreiten einer Aushärtetemperatur thermisch aushärtet zur Ausbildung des dreidimensionalen Objekts (2), dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart erfolgt, dass zumindest abschnittsweise die Aushärtetemperatur der zumindest einen Komponente nicht wesentlich überschritten wird.
2. Verfahren nach einem der Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die sukzessive, insbesondere schichtweise, selektive Belichtung und Verfestigung des zumindest eine UV-aushärtbaren Komponente umfassenden Baumaterials (3) vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in einem Bauraum erfolgt, wobei in und/oder an dem Bauraum eine Erfassungseinrichtung (8) zur Erfassung von Parameterdaten und/oder eines Temperaturwerts aufweist und die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in Abhängigkeit zu den Parameterdaten und/oder in Abhängigkeit zu dem Temperaturwert erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung zur Ausbildung des Grünkörpers (5)
- in Abhängigkeit aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren zur Herstellung von zumindest einem dreidimensionalen Objekt (2) gewonnener Parameterdaten und/oder Temperaturwerte und/oder
- in Abhängigkeit von im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung einer Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) abgeleiteter Parameterdaten und/oder Temperaturwerte erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung von aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnener Daten wenigstens ein aus dem vorausgegangenen Herstellungsverfahren hergestelltes dreidimensionales Objekt (2) einer Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse unterzogen wird, insbesondere werden die Daten ausgehend von aus der Festigkeits- und/oder Steifigkeitsanalyse ermittelten Festigkeits- und/oder Steifigkeitswerts des vorausgegangenen hergestellten dreidimensionalen Objekts (2) ermittelt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels der UV- Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) derart angesteuert werden, dass die durchschnittliche Temperatur in dem den Grünkörper (5) ausbildenden Baumaterial (3) maximal 55 °C, bevorzugt maximal 45 °C, besonders bevorzugt maximal 37,5 °C, höchst bevorzugt maximal 25 °C, beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels der UV- Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) wenigstens einen der folgenden Prozessparameter umfasst: - Veränderung einer Wartezeit eines ersten UV-Eintrags zu einem zweiten UV- Eintrag der UV-Strahlung (4) innerhalb einer oder unterschiedlicher Baumaterialschichten und/oder
- eine Veränderung einer Intensität eines UV-Eintrags der UV-Strahlung (4) in das Baumaterial innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder
- eine Veränderung einer Dauer einer Belichtungszeit eines UV- Energieeintrags der UV-Strahlung (4) innerhalb einer Baumaterialschicht und/oder
- eine Veränderung einer Wellenlänge eines UV-Energieeintrags der UV- Strahlung (4) innerhalb einer oder mehrerer Baumaterialschicht(en). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Belichtung vermittels UV-Strahlung (4) zur Ausbildung des Grünkörpers (5) in Abhängigkeit einer zumindest eine Zielgeometrieinformation des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) und/oder in Abhängigkeit einer Sollgeometrieinformation des Grünkörpers (5) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- durch eine Erfassungseinrichtung (8) erfasste und/oder
- durch aus vorausgegangenen additiven Herstellungsverfahren gewonnene und/oder
- im Zuge einer Simulation unter Berücksichtigung der Zielgeometrie des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (2) abgeleitete Parameterdaten und/oder Temperaturwerte unter Verwendung einer künstliche-lntelligenz-(AI)-Techniken verwendenden Recheneinrichtung (9) ausgewertet und/oder bearbeitet werden, insbesondere um zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung des Grünkörpers (5) eingesetzt zu werden. 25 Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (9) einen Algorithmus und/oder ein neuronales Netzwerk, auf Basis der Parameterdaten und/oder der Temperaturwerte ausführt und die hieraus resultierende Recheneinrichtungsinformation wird zur Beeinflussung der Steuerung der vermittels der UV-Strahlung (4) erfolgenden Belichtung des Grünkörpers (5) eingesetzt. erfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Baumaterial (3) ein wenigstens zwei Komponenten aufweisendes Harz und/oder Kunstharz umfasst, wobei eine erste Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels UV- Strahlung (4) aushärtet und eine zweite Komponente überwiegend, insbesondere ausschließlich, vermittels einwirkender thermischer Energie aushärtet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausbildung des Grünkörpers (5) vermittels der UV-Strahlung (4) umfassenden Belichtung des Baumaterials (3) wenigstens ein mit dem wenigstens einen Grünkörper (5) verbundenes Strukturmittel (10) mit aufgebaut wird, wobei das Strukturmittel (10) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, einen aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung (4) definiert höheren thermischen Energieeintrag erfährt, als der Grünkörper (5). Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmittel (10) wenigsten einen Grünkörper (5) mit einer Bauplatte und/oder einen ersten Grünkörper (5) mit einem weiteren Grünkörper (5) verbindet, bevorzugt ist das wenigstens eine Strukturmittel (10) als Stützmittel und/oder Handhabungsmittel ausgebildet, besonders bevorzugt ist Strukturmittel (10) mit einer Sollbruchstelle versehen, wobei über die Sollbruchstelle das Strukturmittel (10) von dem Grünkörper (5) und/oder der Bauplatte (11) getrennt wird. 26 Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturmittel (10) wenigstens einen ersten Abschnitt (13) und einen zweiten Abschnitt (14) aufweist, wobei der erste Abschnitt (13) einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) erfährt als der zweite Abschnitt (14), bevorzugt erfährt der erste Abschnitt (13) und/oder der zweite Abschnitt (14) des Strukturmittels (10) einen höheren Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV- Strahlung (4) als der Grünkörper (5) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmittel (10) zumindest einen Stabilitätsabschnitt (15) und wenigstens einen Abschirmabschnitt (16) aufweist, wobei der Stabilitätsabschnitt (15) einen höheren thermischen Energieeintrag während der Belichtung vermittels der UV-Strahlung (4) erfährt als der Abschirmabschnitt (16), wobei der Abschirmabschnitt (16) als ein den Stabilitätsabschnitt (15) äußerlich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umgebender Bereich ausgebildet ist. Dreidimensionales Objekt (2), insbesondere Fahrzeugbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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