DE10119817A1 - Vorrichtung und Verfahren für die zerstörungsfreie Trennung ausgehärteter Materialschichten von einer planen Bauebene - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren für die zerstörungsfreie Trennung ausgehärteter Materialschichten von einer planen Bauebene

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung einer, auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene (2) ausgehärteten Materialschicht (4) mit Hilfe einer zwischen Ebene und Materialschicht angeordneten flexiblen, elastischen Trennschicht (1), ausgebildet in Form einer Folie oder eines gelartigen Materials, bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren Verfahren für die zerstörungsfreie Trennung ausgehärteter Ma­ terialschichten von einer planen Bauebene.
Für den schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Objekte aus "lichthärtenden" Photopolymeren werden in der Literatur un­ terschiedlichste Verfahren angegeben, siehe hierzu "Automated Fabrication - Improving Productivity in Manufacturing" von Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3).
Unter die beschriebenen Verfahren fallen drei Varianten, bei der die zu erzeugende Schicht an einer transparenten Referen­ zebene, ein sogenanntes "Contact Window" (Kontakt-Fenster), durch diese hindurch selektiv belichtet wird und polymeri­ siert/aushärtet. Die drei Varianten sind in Abb. 1a bis c skizziert. In den Figuren bezeichnet 10 einen Behälter, 20 ein in dem Behälter befindliches flüssiges polymerisierbares Material, 30 ein zu bildendes Objekt, 40 eine Lichtquelle mit einer Maskenererzeugungseinrichtung zur Abbildung eines Quer­ schnittsbildes, 50 das Kontaktfenster, 60 eine Trägerplatt­ form für das Objekt und 70 Stützen für das Objekt.
Das hier im folgenden beschriebene Verfahren ist eine Weiter­ entwicklung des in der Gebrauchsmusterschrift DE G 93 19 405.6 "Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (Modells) nach dem Prinzip der Photoverfestigung" be­ schriebenen Verfahrens.
Um die ausgehärtete Masterialschicht von dem Kontaktfenster/­ der Referenzebene trennen zu können, wird in den Patent­ schriften US 5,171,490 (Efrem V. Fudim) und DE 41 25 534 A1 (EOS GmbH, Electro Optical Systems) eine Lösung für eine Trennschicht mit Hilfe einer dünnen Folie aus felxiblem Kuns­ stoff beschrieben.
Bei der selektiven Belichtung durch Laser oder Maske in un­ terschiedlich geformten Flächenstrukturen direkt an einer, der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite einer transpa­ renten Referenzebene, polymerisiert das Harz in direktem Kon­ takt mit dieser Referenzebene aus. Die Problematik besteht darin, die in Ihrer Flächenstruktur unterschiedlich ausgebil­ dete Schicht so von der transparenten Referenzebene zu tren­ nen, dass sie an den vorher erzeugten Schichten haften bleibt und durch die Trennkraft sowohl die entstandene Schicht als auch der bereits erzeugte Teil des Objektes nicht verformt oder gar zerstört bzw. abgerissen wird und letztendlich das Schicht für Schicht entstehende Objekt über den gesamten Bau­ prozeß an der Trägerplatte haften bleibt.
Durch den in den oben beschriebenen Patenten vorgeschlagenen Einsatz einer Trennfolie, wird sich der sogenannte Schälef­ fekt zunutze gemacht, dass heißt die Folie schält sich durch den Trennvorgang regelrecht von der ausgehärteten Polymer­ schicht ab, wodurch die Trennkräfte in Z-Richtung aufgrund einer Kräftevektorenzerlegung verringert werden.
Dient die Folie als Trennschicht zur transparenten Referenze­ bene und wird nur das zu bauende Objekt zwecks Trennung von der Referenzebene wegbewegt, ist der Trennweg deutlich größer als die eigentlich zu bauende, folgende Schichtdicke, da durch die während des Trennvorgangs aufgebaute elastische Spannung in der Folie die notwendige Trennkraft für den ei­ gentlichen Schälvorgang aufgebaut werden muss. Dieser Ver­ fahr- bzw. Trennprozess kostet zusätzlich Zeit, die jeweils zur Polymerisationszeit einer Bauschicht hinzugerechnet wer­ den muß und so wesentlich die Gesamtbauzeit des Bauprozesses bestimmt. Ausserdem besteht die Gefahr, dass sich die Folie auf Dauer plastisch verformt, "Falten/Wellen schlägt" und so keine ebene Fläche mehr bildet. Hier ist in Abhängigkeit von der Fläche der an der transparenten Referenzebene auspolyme­ risierten Schicht eine Adhäsionskraft zwischen Objekt bzw. ausgehärteter Schicht und transparenter Referenzebene zu überwinden. Da es sich i. d. R. um ungleichmäßige Flächenstruk­ turen handelt, sind die angreifenden Adhäsionskräfte eben­ falls ungleichmäßig verteilt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für eine Trenn­ schicht und/oder ein Trennverfahren zu schaffen, die/das un­ abhängig von
  • a) der ausgehärteten Flächengröße,
  • b) der Ausbildung der Flächenstruktur der ausgehärteten Schicht,
  • c) dem verwendeten aushärtenden Material
eine leichte Trennung der ausgehärteten Schicht von der transparenten Referenzebene ermöglicht, so dass die aktuell ausgehärtete Schicht in Verbindung mit dem bereits erzeugten Schichtaufbau in ihrer ursprünglichen Form erhalten bleibt, der nötige Verfahrweg zur Trennung minimiert und so die Bau­ zeit pro Schicht reduziert wird und der Prozeß dabei lang­ zeitstabil ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. gelöst. Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1: den Stand der Technik;
Fig. 2: eine transparente Bodenplatte 2 mit darauf vorgesehe­ ner Trennschicht 1, flüssigem Photopolymer 3 und dem Objekt 5.
Fig. 3a: eine Anordnung nach Fig. 2, wobei die Trennschicht 1 als transparente Folie ausgebildet ist, die zwischen der Bo­ denplatte und dem Photopolymer angeordnet ist;
Fig. 3b bis 3c: den Vorgang des Ablösens der bereits verfe­ stigten Schicht 4 von der Trennschicht;
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für ein Rapid Prototyping Verfahren mit Hilfe der Photoverfesti­ gung mit einer als Polymerisationswanne ausgeformten Trenn­ schicht 1 und einer in z-Richtung verfahrbaren Objekthalte­ rung 7;
Fig. 5a und 5b: schematische Darstellungen zur Veranschauli­ chung des Vermeidens der Haftung der Folie bzw. Trennschicht 1 an der Bodenplatte 2;
Fig. 6: eine schematische Darstellung des Einspannens der elastischen Folie bzw. Trennschicht 1 auf drehbar gelagerte Rollen 8; und
Fig. 7: eine schematische Darstellung einer als Polymerisati­ onswanne ausgeformten Trennschicht 1.
Als Trennschicht wird ein elastisches, transparen­ tes/translucentes Material verwendet. Die Trennschicht kann bei diesem Verfahren
  • A) zwischen Material und Bodenplatte in Form einer trans­ parenten Folie angeordnet sein, in der Form, daß die Trennschicht keine Verbindung mit der transparenten Bo­ denplatte eingeht (Abb. 2).
  • B) als direkte Beschichtung auf die transparente Boden­ platte aufgebracht werden, sodaß eine elastische Trenn­ schicht auf der Bodenplatte entsteht (z. B. Silikon).,
Zu A): Folie als Trennschicht
Als Trennschicht wird eine (transparente) Folie gewählt, die zwischen der Bodenplatte und dem Photopolymer angeordnet ist (Abb. 3a).
Da die Folie nicht an der Bodenplatte haftet und so keine fe­ ste, unverformbare Einheit mit der Bodenplatte bildet, kann sie sich während des Trennvorgangs elastisch verformen, sodaß ein sogenannter "Schäl"- oder "Abzieh"-vorgang an der ausge­ härteten Schicht hervorgerufen wird. Durch die elastische Verformung der Trennschicht bzw. den Abziehvorgang findet ei­ ne Verlagerung/Vektorzerlegung des Trennkraftvektors statt, die den Trennvorgang wesentlich erleichtert (siehe Abb. 3b- c). Dieser Vorgang kann durch das Anlegen eines Unterdruckes an den Zwischenraum zwischen Folie und Bodenplatte noch ver­ stärkt werden und hat weiterhin den Vorteil, dass die ausge­ härtete Schicht nur in dem Mass der folgenden Schichtdicke von der Bauebene weg bewegt werden muss.
Das Material der Folie kann je nach verwendetem Photopolymer für den Trennvorgang ausgewählt, bzw. optimiert werden.
Ein zusätzlicher "Antihaft"-Effekt und die leichte Inhibie­ rung der radikalen Polymerisation bei Acrylat-Systemen kann z. B. durch den Einsatz von FEP-, PTFE- oder PFA-Folien zu­ sätzlich hervorgerunfen werden.
Die Folie kann bei Beschädigung oder Abnutzung unproblema­ tisch ausgewechselt werden.
Zur Verbesserung der Wartung oder Reinigung des Gerätes kann die Folie in Verbindung mit einem zusätzlichen Rahmen aus dem selben oder anderem Material zu einer Art "Becken" ausgebil­ det werden (siehe Abb. 4), mit dem verbleibendes Restmaterial (Photopolymer) in ausgehärteter Form leicht entfernt und ent­ sorgt werden kann.
Wird eine Folie aus einem hochelastischen Material wie z. B. Latex oder Silikonkautschuk verwendet, kann sich für den Trennvorgang zusätzlich ein Schereffekt zunutze gemacht wer­ den. Dieser Effekt wird durch ein Dehnen der Folie in der Re­ ferenzenbene während des Trennvorganges hervorgerufen. Durch die Kombination von Schäl- und Schereffekt wird die Trennung erleichtert und der Trennweg beschränkt sich auf den Abstand der nächsten Schichtdicke.
Die Anordnung in Abb. 4 zeigt eine Vorrichtung für eine Rapid Prototyping Verfahren mit Hilfe der Photoverfestigung, wobei sich in einem Becken mit einer transparenten Bodenplatte (z. B. aus Glas) und einer darüber gespannten ebenso transpa­ renten Folie ein flüssiges Material (lichthärtender Kunst­ stoff) befindet. Die Folie ist dabei so im Randbereich des Beckens zwischen Rahmen und Bodenplatte eingespannt, dass ein Abstand zwischen Bodenplatte und Folie gewährleistet wird, welcher die Haftung der Folie im gespannten Zustand an der Bodenplatte verhindern würde und eine Luftzu- und -abfuhr zum/vom Zwischenraum zwischen Folie und Bodenplatte ermög­ licht.
Über dem Becken befindet sich eine Trägerplatte die in verti­ kaler Richtung zur Bodenplatte durch eine Lineareinheit ange­ hoben und abgesenkt werden kann.
Für die erste Schicht wird die Trägerplatte soweit in das Ma­ terial eingetaucht, dass die Tiefenhärtung des selektiv be­ lichteten Photopolymers (z. B. durch Multimedia Projektor oder Laser) eine feste Haftung an der Unterseite der Trägerplatte gewährleistet.
Wird die Trägerplatte mit samt der ausgehärteten Schicht(en) angehoben, löst sich die Folie von der Unterseite der ausge­ härteten Materialschicht durch eine Art Schäl-/Abziehvorgang, wenn die Kraftvektoren zwischen ausgehärteter Materialschicht und Folie zur Trennung eine ausreichend große horizontale Komponente (FTrennXY) aufweisen (Abb. 3a-c).
Die horizontale Kraftkomponente (FTrennXY) kommt dadurch zu­ stande, dass sich beim Anheben des Objektes die Folie zwi­ schen Rahmeneinspannung und dem an der ausgehärteten Materi­ alschicht haftenden Bereich elastisch verformt bzw. spannt und sich mit dem verändernden Anstellwinkel α der Folie zur Materialschicht auch die Kraftangriffsrichtung aus der senk­ rechten heraus bewegt.
Die Trägerplatte muß dabei soweit angehoben werden, daß sich die Folie vollständig von der ausgehärteten Fläche trennen und durch anschließende Relaxation in ihren Ursprungszustand zurückkehren kann.
Frisches, flüssiges Material für die folgende auszuhärtende Schicht wird automatisch durch den wachsenden, keilförmigen Spalt zwischen Folie und ausgehärteter Schicht während des Trennvorgangs mitgenommen.
Eine Alternative für die Unterbindung der Haftung der Folie an der Bodenplatte und eine Gewährleistung der Luftzufuhr und somit Verhinderung des Ansaugens der Folie an der Ebe­ ne/Bodenplatte kann durch eine gezielt hervorgerufene Ober­ flächenrauhigkeit bzw. Strukturierung
  • a) an der Unterseite der Folie (Abb. 5a) durch Mikro- /Nanostrukturierung oder
  • b) an der zur Folie ausgerichteten Seite der Bodenplatte (Abb. 5b), z. B. durch Anätzen der Glasoberfläche oder entsprechend rauhe Beschichtungen (ITO-Beschichtung)
umgesetzt werden.
Erreicht die Folie z. B. eine ausreichende Eigensteifigkeit oder ist ausreichend gespannt, kann u. U. auf die transparente Referenzplatte ganz verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind Folie und transparente Referenzplatte so angeordnet, daß zwischen Platte und Folie ein flache Kammer ausgebildet ist, die mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllt ist. An die Kammer kann ein Unterdruck angelegt werden, um den Trenn-/Abschälvorgang zu beschleunigen und das Anheben/Absenken der Trägerplatte samt Objekt beim Trennvorgang auf ein Minimum, nämlich die folgen­ de Schichtdicke zu reduzieren.
Der Unterdruck wird dann angelegt, wenn das Objekt auf die nächste Schichtdicke angehoben ist, um die elastische Verfor­ mung der Folie zu forcieren und den Anstellwinkel α der Folie im Randbereich außerhalb der Kontur der anhaftenden ausgehär­ teten Fläche bis zum Einsetzen des Abschälvorgangs zu vergrö­ ßern.
Der Unterdruck wird solange angelegt, bis sich die Folie kom­ plett von der ausgehärteten Schicht abgelöst und relaxiert hat.
Um das Problem der plastischen Verformung und des Kriechens der Folie im Dauerbetrieb zu vermeiden, kann eine hoch ela­ stische Folie eingesetzt werden, die während des Trennvorgan­ ges gedehnt wird. Dazu wird die Folie z. B. über zwei gegen­ überliegende Rollen eingespannt (siehe Abb. 6) und durch beidseitig "Aufrollen" gedehnt und anschließendes "Abrollen" wieder in den Urzustand zurückgeführt. Durch die so gleichmä­ ßige Dehnung der Folie in entgegengesetzte Richtungen ver­ jungt sich die Foliendicke temporär und zusätliche Scheer­ kräfte treten auf.
Die Einspannung der Folie zwischen den in einem Rahmen gehal­ tenen Rollen kann dabei so gestaltet sein, dass ein Becken entsteht, in dem sich das flüssige Photopolymer befindet (siehe Abb. 6).
Eine Alternative zur Folie bietet das Auftragen einer optisch transparenten Silikonschicht auf der zum Photopolymer orien­ tierten Glasplatte. Beim Trennvorgang verhält sich die dem Photopolymer zugewandte Silikonschicht vom Prinzip her ähn­ lich der Folie, d. h. in der gesamten Silikonschicht findet eine elastische Verformung statt und die inneren Spannungen in der Silikonschicht führen dazu, daß sich die an der ausge­ härteten Materialschicht haftenden Bereiche der Silikon­ schicht abschälen.
Wichtig ist hierbei, daß eine gute Haftung der Silikonschicht an der Bodenplatte (Glasplatte) gewährleistet ist, bzw. die Haftung zwischen Silikonschicht und Bodenplatte um ein Viel­ faches größer ist als die Haftung zwischen Silikonschicht und ausgehärtetem Material.
Durch das Ausformen eines Rahmens aus dem selben Silikonmate­ rial ensteht ebenfalls ein Becken zur Aufnahme des flüssigen Photopolymers (siehe Abb. 7).
Die oben beschriebenen Verfahren mit Folie oder Silikon sind nicht auf die oben beschriebene Anordnung beschränkt. Ihr Einsatz ist auch in den skizzierten Varianten, siehe Abb. 1a- c. denkbar, sowie z. B. in der Anordnung aus der Gebrauchsmu­ sterschrift DE G 93 19 405.6 "Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (Modells) nach dem Prinzip der Photoverfestigung".

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Trennung einer, auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene (2) ausgehärteten Material­ schicht (4) mit Hilfe einer zwischen Ebene und Material­ schicht angeordneten flexiblen, elastischen Trennschicht (1) ausgebildet in Form einer Folie, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) nicht an der Ebene (2) haftet und dass ein gasförmiges oder flüssiges Medium zwischen Folie und Ebene strömen kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Zu- und Abfuhr des Mediums willkürlich durch eine gewisse Oberflächenrauhigkeit der Ebenenoberfläche ge­ währleistet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abfuhr des Me­ diums willkürlich durch durch eine Mikrostrukturierung der der Ebenen zugewandten Seite der Folie gewährleistet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ebene und Folie ein flache Kammer ausgebildet ist, an die ein Unterdruck angelegt werden kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass solange ein Unterdruck an die Kammer anglegt wird, bis sich die Folie komplett von der ausgehärteten Schicht abgelöst und relaxiert hat und durch Anlegen eines Unterdruckes der Trenn- /Abschälvorgang dadurch beschleunigt wird, indem die elastische Verformung der Folie forciert und der An­ stellwinkel a der Folie im Randbereich außerhalb der Kontur der anhaftenden ausgehärteten Fläche bis zum Ein­ setzen des Abschälvorgangs zu vergrößert wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen eines Un­ terdrucks das Anheben/Absenken der Trägerplatte samt Ob­ jekt beim Trennvorgang auf ein Minimum, nämlich kleiner gleich der folgenden Schichtdicke reduziert werden kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Folie in einem Rahmen gespannt ist und in Kom­ bination mit diesem eine Einheit bildet und als Aufnah­ mebecken für das Material dient.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmebecken beste­ hend aus Rahmen und Folie eine auswechselbare Einheit bildet.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie in Form von fle­ xiblem Dünnglas eingesetzt wird.
10. Vorrichtung zur Trennung einer, auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene ausgehärteten Material­ schicht mit Hilfe einer zwischen Ebene und Material­ schicht angeordneten flexiblen, elastischen Trenn­ schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Trennschicht in Form von gelartigem, elastischen Materi­ al direkt auf die Ebene aufgebracht ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftung der gelartigen Schicht an der Ebene um ein Vielfaches größer ist als die Haftung der gelartigen Schicht an der ausgehärteten Materialschicht.
12. Vorrichtung nach Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Trennvorgang die gelartige Trennschicht sich elastisch verformt, bis der Schälvorgang vom ausgehärteten Material in Kraft gesetzt wird und die gelartige Trennschicht nach vollständiger Ablösung und durch Relaxation in ihren Ursprungszustand zurückkehrt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichent, dass die Bauebene auf der Seite der gelartigen Trennschicht seitlich durch einen Rahmen begrenzt ist und so eine Art Aufnahmebecken für das Ma­ terial gebildet wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Rahmen aus dem selben gelartigen Material wie die Trennschicht aus­ gebildet ist.
15. Vorrichtung nach Ansprüchen 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmebecken beste­ hend aus Rahmen und Bodenplatte mit gelartiger Trenn­ schicht eine auswechselbare Einheit bildet.
16. Vorrichtung zur Trennung einer, auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene ausgehärteten Material­ schicht mit Hilfe einer zwischen Ebene und Material­ schicht angeordneten flexiblen, elastischen Trenn­ schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Trennschicht in Form einer hochelastischen Folie ausge­ bildet ist und während des Trennvorganges in der Refe­ renzebene gedehnt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie in zwei gegen­ überliegende Rollen eingespannt wird und durch entgegen­ gesetztes Drehen der Rollen gedehnt werden kann.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollen in einem Rahmen gehalten werden und zusammen mit der eingespannten Folie eine Art Aufnahmebecken für das flüssige Photopolymer bilden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmebecken beste­ hend aus Rahmen, Rollen und eingespannter Folie eine auswechselbare Einheit bildet.
20. Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 10 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzebene als transparente Platte ausgebildet ist, und die Trenn­ schicht ebenfalls transparent ist.
21. Verfahren zur Trennung einer, auf einer planen, als Referenz dienenden Ebene (2) ausgehärteten Material­ schicht (4) mit Hilfe einer zwischen Ebene und Material­ schicht angeordneten flexiblen, elastischen Trennschicht (1), ausgebildet in Form einer Folie, bei dem eine Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 verwendet wird.
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