DE4308189C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrich­ tung sind aus der EP-A-0 171 069 bekannt. Hierbei wird der Träger in ein Bad aus flüssigem, polymerisierbarem Kunststoff abgesenkt, bis sich eine Schicht des flüssigen Kunststoffs mit einer definierten Schichtdicke auf dem Träger gebildet hat. Diese Schicht wird danach durch Bestrahlen mit einem Laser entsprechend der Form des Objekts verfestigt.

Aufgrund der Zähigkeit des flüssigen Kunststoffma­ terials kann die Einstellung einer gleichmäßigen Schichtdicke, die für eine genaue Herstellung unerläß­ lich ist, eine erhebliche Zeit in Anspruch nehmen; dar­ über hinaus wird insbesondere bei geringen Schichtdic­ ken an der Stelle, an der die vorhergehende Schicht verfestigt wurde, die Einstellung der Schichtdicke der nachfolgenden Flüssigkeit gestört; als Folge davon wird der Herstellungsvorgang stark verlangsamt, bzw eine geringere Genauigkeit bei der Herstellung erreicht.

Die WO 88/02677 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Objekts durch aufeinanderfolgendes Ver­ festigen von einzelnen Schichten eines Pulvermaterials. Die Vorrichtung weist einen Träger zur Aufnahme des Objekts und eine Bestrahlungsvorrichtung auf. Das Auftragen einer gleich­ mäßigen Schicht des mittels Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung sinterbaren Pulvermaterials auf den Träger bzw. die bereits zuvor gebildete Schicht erfolgt mittels einer gegenläu­ fig rotierenden Walze, deren Abstand zum Träger einstellbar ist.

Aus der US 5,096,530 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch selektives Aushärten von aufeinanderfolgenden Filmen aus härtbarem Harz bekannt. Die selektiv ausgehärteten Filme werden getrennt von dem zu bildenden Objekt mit Hilfe eines den Film aufspannenden rotierenden Rahmens hergestellt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Herstellungsge­ schwindigkeit bzw. -genauigkeit bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren bzw. durch die im Anspruch 4 gekennzeichnete Vorrichtung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in der Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren be­ schrieben. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsform einer Vor­ richtung; und

Fig. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform nach, Fig. 1 entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform weist einen Hohlzylinder 1 auf, dessen Mantelfläche 2 als Träger für das zu bildende Objekt dient. Die Mantel­ fläche 2 ist an ihren Stirnseiten von jeweils einer radial nach innen ragenden Stirnplatte 3, 4 begrenzt, so daß sich ein von der Innenseite der Mantelfläche 2 und den Innenseiten der Stirnplatten 3, 4 begrenzter Ringraum ergibt, in dem in der weiter unten beschriebenen Weise das Objekt gebildet wird. Der Hohlzylinder 1 ist um eine im wesentlichen horizontal angeordnete Achse 5 dreh­ bar gelagert und mit einem Antrieb 6 zur Drehung um die Achse 5 verbunden.

Die eine Stirnplatte 3 ist als Ringplatte mit einer mitti­ gen Ausnehmung 7 ausgebildet, so daß der Innenraum 8 des Hohlzylinders 1 durch diese Ausnehmung zugäng­ lich ist. In diesem Innenraum sind beispielsweise als Flüssigkeitsspender ausgebildete Vorrichtung 9 zum Aufbringen von verfestigbarem Material, eine Bestrah­ lungsvorrichtung 10 und eine Niveaumeßeinheit 11 in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Achse 5 derart angeordnet, daß sie jeweils für sich oder gemeinsam in einer X-Richtung parallel zur Achse 5 und in der ge­ meinsamen Ebene in einer Z-Richtung senkrecht zur Achse 5 und in Radialrichtung des Hohlzylinders 1 rela­ tiv zu diesem bewegbar sind aber nicht mitgedreht wer­ den. Die Bestrahlungsvorrichtung 10 ist über ein Licht­ leiterkabel 13 und einen Modulator 14 mit einer Strah­ lungsquelle 15, beispielsweise einem Laser, verbunden und derart ausgebildet, daß sie über den Modulator 14 gesteuert einen gerichteten Lichtstrahl 16 im wesentli­ chen senkrecht auf die Innenseite der Mantelfläche 2 abgibt. Die Steuerung des Modulators 14 erfolgt von einer Steuereinheit 17, die auch einen Antrieb 18 zur Positionierung der Elemente 9, 10 und 11 in X- und Z-Richtung steuert.

Unterhalb der Hohlzylinders 1 ist ferner an der Man­ telfläche 2 oder einer der Stirnflächen 3, 4 eine Ablaß­ vorrichtung 19 zur Aufnahme von überschüssigem Ma­ terial angeordnet.

Im Betrieb wird zunächst der Hohlzylinder in Dre­ hung versetzt und mittels der Aufbringvorrichtung 9 eine für die vorgesehene Schichtdicke der ersten Schicht 20 angemessene Menge eines flüssigen, durch Einwirkung von Strahlung verfestigbaren Materials auf die Innenseite der Mantelfläche 2 zwischen die Stirn­ platten 3, 4 aufgebracht. Die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlzylinders wird derart eingestellt, daß die auftre­ tenden Zentrifugalkräfte jeweils abhängig von der Vis­ kosität des Materials eine gleichmäßige Verteilung des Materials in X-Richtung und in Umfangsrichtung bewir­ ken; diese Gleichmäßigkeit wird von der Niveaumeß­ einheit 11 durch Abtasten der inneren Oberfläche der Schicht 20 während der Rotation durch Verfahren in X-Richtung gemessen. Wenn die Unterschiede in der Dicke der Schicht 20 innerhalb eines vorgegebenen To­ leranzbereichs liegen, wird die Verfestigung der ersten Schicht 20 freigegeben.

Diese Verfestigung erfolgt dadurch, daß die Bestrah­ lungsvorrichtung 10 an eine erste X-Position verscho­ ben wird und dort bei einer Umdrehung des Hohlzylin­ ders 1 durch Bestrahlung der Schicht 20 an dem Objekt entsprechenden Stellen die Schicht 20 entlang einer Li­ nie in der Ebene 12 verfestigt, danach um einen Schritt, der im wesentlichen der Breite der verfestigten Linie entspricht, in X-Richtung verschoben wird und eine Be­ strahlung entlang der nächsten Linie durchführt usw., bis die Schicht 20 in der in Fig. 2 schraffiert angedeute­ ten Weise an allen erforderlichen Stellen verfestigt ist.

Danach wird die Verfestigung der nächsten Schichten 21 ... 26 in analoger Weise durch Aufbringen einer ab­ gemessenen Flüssigkeitsmenge, Abtasten der flüssigen Oberfläche und Verfestigen durchgeführt, wobei die Elemente 9, 10 und 11 jeweils um eine Schichtdicke in Z-Richtung verschoben werden und dadurch der Ab­ stand von der flüssigen Innenoberfläche der Schichten konstant gehalten wird. Der Aufbau des Objekts 27 er­ folgt also Schicht um Schicht von außen nach innen.

Nach Fertigstellen aller Schichten wird das restliche flüssige Material aus dem Hohlzylinder, gegebenenfalls unter "Trockenschleudern" des Objekts 27, in die Ablaß­ vorrichtung 19 abgelassen, der Hohlzylinder 1 zum Still­ stand gebracht und das fertiggestellte Objekt 27 aus dem Hohlzylinder 1 herausgenommen. Anschließend kann der Zylinder 1 durch Einbringen von Reinigungs­ mittel gereinigt und das Objekt 27 durch Waschen von restlichem flüssigem Material befreit werden.

Die Verschiebung der Bauteile 9, 10 und 11 kann ge­ meinsam oder einzeln gesteuert erfolgen. Eine beson­ ders einfach Ausführung ergibt sich aber, wenn diese Bauteile auf einem gemeinsamen Schlitten montiert sind, der von der Steuereinheit 17 in X- und Z-Richtung verschiebbar und positionierbar ist.

Anstelle von flüssigem Material ist auch die Verwen­ dung von pulverförmigem Material möglich, das unter Einwirkung des Lichtstrahls 16 gesintert wird. Das Auf­ bringen des Pulvers erfolgt vorzugsweise durch Aufbla­ sen von Pulverstaub, der durch die Zentrifugalkräfte bei der Rotation des Zylinders 1 nicht nur gleichmäßig ver­ teilt, sondern auch verdichtet wird. Zusätzlich zu den Bauteilen 9, 10, 11 ist dann im Innenraum 8 ein Erhitzer zum Vorwärmen des Materials vorgesehen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, bei dem auf einen Träger und nachfolgend auf eine bereits ver­ festigte Schicht eine der zu bildenden Schicht entsprechende Menge von durch elektromagnetischer Strahlung verfestigbarem Material aufgebracht wird und dann jeweils nach Bildung einer Schicht von definierter Dicke an bestimmten Stellen durch elek­ tromagnetische Strahlung verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Schicht definierter Dicke die aufgebrachte Menge durch Rotation des Trägers in gleichmäßiger Schichtdicke verteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke bzw. die Gleichmäßigkeit der Schicht gemessen wird und die Verfestigung erst durchgeführt wird, wenn die Dicke bzw. die Gleichmäßigkeit innerhalb eines Toleranzbereichs liegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Träger ein Hohlzylinder verwendet wird, der um seine Achse in Rotation versetzt wird, und daß das Material auf die zylindrische Innenfläche des Hohlzylinders aufgebracht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Träger (2) zur Aufnahme des Objekts, einer Vor­ richtung (9) zum Aufbringen von durch Einwirkung elektromag­ netischer Strahlung verfestigbarem Material auf den Träger (2) und einer Bestrahlungsvorrichtung (10) zum Verfestigen des Ma­ terials, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) drehbar ge­ lagert ist und daß eine Vorrichtung (5, 6) zum Rotieren des Trägers vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) derart ausgebildet und gelagert ist, daß die bei der Rotation auftretenden Zentrifugalkräfte im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Trägers wirken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als Mantelfläche (1) eines um seine Achse (5) dreh­ baren Hohlzylinders (1) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) zum Aufbringen des Materials im Innenraum (8) des Hohlzylinders (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß im Innenraum (8) des Hohlzylinders (1) eine Niveaumeß­ vorrichtung (11) zum Abtasten der Oberfläche der Schicht (20... 26) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung (9) zum Aufbringen des Materials bzw. die Niveaumeßvorrichtung (11) und die Bestrahlungsvorrichtung (10) in Achsrichtung und vorzugsweise auch in Radialrichtung des Hohlzylinders (1) verschiebbar ausgebildet sind.