DE4216502C1 - Objects made of light hardening polymer - are built up in thin successive layers using optically etched film moulds which are melted out after use - Google Patents

Objects made of light hardening polymer - are built up in thin successive layers using optically etched film moulds which are melted out after use

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    • B29K2995/0072—Roughness, e.g. anti-slip
    • B29K2995/0073—Roughness, e.g. anti-slip smooth

Abstract

In hardening successive layers by electromagnetic radiation, the following steps are carried out for each layer: a) a rigid support material is applied to a base, esp. the previous layer b) the support material is removed in places according to the shape of the object c) the spaces are filled with a material capable of hardening by radiation d) the material is hardened by radiation. After the object is hardened the support material can be removed by melting, evapn. or dissolving. USE/ADVANTAGE - Improved method of making three-dimensional plastic models on film.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten des Objekts mittels elektromagnetischer Strahlung.The invention relates to a method for producing an object by successively solidifying layers of the object by means of electromagnetic radiation.

Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist das unter dem Namen "Stereografie" bekannte Herstellungsverfahren, wie es beispielsweise in dem Artikel von Hideo Kodama, "Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer", Rev. Sci. Instrum. 52 (11), Nov. 1981, Seiten 1770 bis 1773, beschrieben ist. Hierbei wird das Objekt in einem Bad aus flüssigem Kunststoffmaterial schichtweise durch Verfestigen einer Schicht an der Oberfläche des Bades hergestellt; nach Verfestigen einer Schicht wird das Objekt abgesenkt, so daß sich auf der verfestigten Schicht eine neue flüssige Schicht des Kunststoffmaterials bilden kann, die wiederum entsprechend der Form des Objekts verfestigt wird, etc. Hierbei treten jedoch insbesondere die Probleme auf, daß die Einstellung einer konstanten Dicke der flüssigen Schicht nicht gewährleistet ist und zudem erhebliche Zeit in Anspruch nehmen kann und daß bei bestimmten Formen des Objekts künstliche Stützkonstruktionen mitverfestigt werden müssen, um eine Verformung bei der Herstellung zu verhindern.An example of such a method is that under the Name "stereography" known manufacturing processes like it for example in the article by Hideo Kodama, "Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer ", Rev. Sci. Instrum. 52 (11), Nov. 1981, Pages 1770 to 1773. Here the object in a bath of liquid plastic material in layers by solidifying a layer on the surface of the Bath made; after a layer has solidified, it becomes Object lowered so that it is on the solidified layer form a new liquid layer of the plastic material can, in turn, according to the shape of the object is solidified, etc. However, this occurs in particular Problems on that setting a constant thickness of liquid layer is not guaranteed and also significant Can take time and that with certain shapes of the object, artificial support structures also consolidated to prevent deformation during manufacture.

Zur Lösung des erstgenannten Problems ist es aus der FR-A-2 659 971 bekannt, das flüssige Kunststoffmaterial durch eine lösliche Kunststoffolie zu ersetzen, die durch Bestrahlung unlöslich wird, wodurch nach der Herstellung die nicht bestrahlten Teile herausgelöst werden können. Dies stellt jedoch besondere Anforderungen an die Folie. To solve the first-mentioned problem it is from FR-A-2 659 971 known the liquid plastic material through a to replace soluble plastic film by radiation becomes insoluble, resulting in the non-irradiated after production Parts can be removed. However, this poses special requirements for the film.  

Zur Lösung des zweiten Problems ist es aus der EP-A-0250 121 bekannt, nach der Verfestigung einer Schicht die noch flüssigen Teile des Kunststoffmaterials durch ein Trägermaterial, beispielsweise Wachs, zu ersetzen, das später ohne Beeinträchtigung des Objekts entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch wegen des zusätzlichen Arbeitsgangs des Entfernens des flüssigen Materials bei jeder Schicht besonders aufwendig.To solve the second problem it is from EP-A-0250 121 known, after the solidification of a layer, the still liquid Parts of the plastic material through a carrier material, for example wax, to replace that later without affecting it of the object can be removed. This method however, is due to the additional removal process of the liquid material in every layer complex.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Lösung für beide Probleme zu schaffen.The object of the invention is a simple solution for both Creating problems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method Claim 1 solved.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind beispielsweise aus Schritt c) des Anspruchs 1 ersichtlich: Eine Schicht mit einer genau definierten Dicke aus dem Formmaterial kann in einfacher und schneller Weise durch Abstreifen über die Oberfläche des Trägermaterials eingestellt werden; ferner kann das Formmaterial trotz seines zunächst noch flüssigen Zustands seine Lage nicht verändern, da es durch das umgebende Trägermaterial fixiert ist. Frei auskragende Bereiche einer Schicht, die bei herkömmlichen Verfahren mittels einer ankonstruierten Stütze abgestützt werden müßten, können hier nicht absinken. Auch zunächst unverbundene Bereiche einer Schicht können nicht relativ zueinander wandern, wie das bei einer Verfestigung in einem Bad der Fall wäre.The particular advantages of the method according to the invention are for example from step c) of claim 1: A layer with a precisely defined thickness from the molding material can be easily and quickly by stripping can be adjusted over the surface of the carrier material; furthermore, the molding material can still initially liquid state does not change its position because of it the surrounding carrier material is fixed. Cantilevered Areas of a layer used in conventional methods an attached prop would have to be supported, cannot sink here. Also initially unconnected areas a layer cannot move relative to each other, as would be the case with solidification in a bath.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird im weiteren anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Figur beschrieben, in der die einzelnen Schritte a) bis d) in schematischer Form dargestellt sind. The invention is further illustrated by an embodiment described in connection with the figure in which the individual steps a) to d) shown in schematic form are.  

In der Figur ist mit 1 eine Unterlage bezeichnet, auf der das Objekt 4 in Form einzelner Schichten 2, 3 aufgebaut wird. Es sind der Einfachheit halber nur zwei Schichten dargestellt, obwohl in der Praxis eine große Zahl derartiger Schichten mit jeweils geringer Dicke von jeweils etwa 0,05 mm bis 0,5 mm verwendet wird.In the figure, 1 denotes a base on which the object 4 is built up in the form of individual layers 2, 3 . Only two layers are shown for the sake of simplicity, although in practice a large number of such layers, each with a small thickness of approximately 0.05 mm to 0.5 mm, are used.

In der direkt auf der Unterlage 1 aufliegenden Schicht 2 sind in einem Trägermaterial 5 bereits Bereiche 6, 7 eines für die Herstellung des Objekts verwendeten Formmaterials in der nachfolgend beschriebenen Weise gebildet, und die Oberfläche 8 dieser Schicht 2 ist in einer ebenfalls im folgenden beschriebenen Weise behandelt.Areas 6, 7 of a molding material used for the production of the object are already formed in the layer 2 lying directly on the base 1 in the carrier material 5 in the manner described below, and the surface 8 of this layer 2 is in a manner also described below treated.

Im ersten Schritt a) bei der Herstellung der nachfolgenden zweiten Schicht 3 wird nun in bekannter Weise, beispielsweise durch Aufgefrieren von Wasser mittels einer sich über die Oberfläche 8 bewegenden Düse 9, eine dünne Schicht 3 aus als Trägermaterial 10 dienendem Eis aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht entspricht im wesentlichen der gewünschten Schichtdicke für das Formmaterial, aus dem das Objekt gebildet wird. Vorzugsweise ist sie jedoch geringfügig größer, damit in der nachfolgend beschriebenen Weise eine Oberflächenbehandlung erfolgen kann. Anstelle einer Eisschicht kann jedoch auch ein anderes Trägermaterial, beispielsweise eine Kunststoffolie oder ein Wachs, verwendet werden. Es ist jedoch wesentlich, daß die Eigenschaften des Trägermaterials so gewählt werden, daß es nach der Verfestigung des Formmaterials entfernbar ist, ohne daß das Formmaterial in seinen Eigenschaften und seiner Form wesentlich beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann das Trägermaterial einen niedrigeren Schmelz- oder Verdampfungspunkt besitzen als das verfestigte Formmaterial.In the first step a) in the production of the subsequent second layer 3 , a thin layer 3 of ice serving as carrier material 10 is then applied in a known manner, for example by freezing water by means of a nozzle 9 moving over the surface 8 . The thickness of this layer essentially corresponds to the desired layer thickness for the molding material from which the object is formed. However, it is preferably slightly larger so that a surface treatment can be carried out in the manner described below. Instead of an ice layer, however, another carrier material, for example a plastic film or a wax, can also be used. It is essential, however, that the properties of the carrier material are selected so that it can be removed after the molding material has solidified, without the properties and shape of the molding material being significantly impaired. For example, the carrier material can have a lower melting or evaporation point than the solidified molding material.

Im zweiten Schritt b) wird nun die Schicht 3 an den Stellen 12, 13, die Bereichen des Objekts entsprechen, entfernt. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Eisschicht 3 durch Bestrahlen ihrer Oberfläche 8′ mit einer Lichtquelle, beispielsweise mit dem dargestellten gebündelten Lichtstrahl 11, vorzugsweise einem Laserstrahl, geschmolzen oder vorzugsweise verdampft wird. Zu diesem Zweck kann der Lichtstrahl entweder mittels einer automatischen Steuerung an die Stellen 12, 13 bewegt werden, oder die Bestrahlung kann durch eine Maske hindurch erfolgen, die das Licht an den Stellen 12, 13 durchläßt. Die Intensität und Dauer der Bestrahlung wird dabei so gewählt, daß an den Stellen 12, 13 im wesentlichen die gesamte Schicht 3 entfernt wird und eventuell darunterliegende Bereiche 6, 7 des Formmaterials freiliegen, aber nicht verflüssigt oder verdampft oder in sonstiger Weise verändert werden.In the second step b), the layer 3 is now removed at the points 12, 13 which correspond to regions of the object. This is done, for example, in that the ice layer 3 is melted or preferably evaporated by irradiating its surface 8 'with a light source, for example with the bundled light beam 11 shown , preferably a laser beam. For this purpose, the light beam can either be moved to the points 12, 13 by means of an automatic control, or the irradiation can take place through a mask which allows the light to pass through the points 12, 13 . The intensity and duration of the irradiation is chosen so that essentially the entire layer 3 is removed at the points 12, 13 and any areas 6, 7 of the molding material lying underneath are exposed, but are not liquefied or evaporated or changed in any other way.

Im nächsten Schritt c) werden die an den Stellen 12, 13 gebildeten Ausnehmungen mit einem Formmaterial 14 ausgefüllt. Als Formmaterial kommt jedes bei der Stereografie übliche Material in Frage, beispielsweise ein flüssiges, lichthärtbares (polymerisierbares) Kunststoffmaterial oder ein auf jede beliebige Weise, beispielsweise auch durch elektromagnetische Strahlung, Wärme oder chemische Einwirkung verfestigbarer Kunststoff oder Metall in flüssiger, pastöser oder Pulverform. Die Ausfüllung kann dadurch erfolgen, daß in der dargestellten Weise ein Wischelement 15 mit einer flexiblen Lippe 16 über die Oberfläche 8′ gestrichen wird, dabei das im Überschuß auf die Oberfläche 8′ aufgebrachte Formmaterial 14 in die Ausnehmungen 12, 13 hineinstreicht und gleichzeitig von den übrigen Bereichen der Oberfläche 8′ abstreicht, so daß die Oberfläche des Formmaterials eben ist und in einer Ebene mit der Oberfläche 8′ liegt. Es ist jedoch auch möglich, das Formmaterial in die Ausnehmungen beispielsweise mittels einer Spritze oder einer ähnlichen Dosiereinrichtung oder durch Absenken in einem Bad aus Formmaterial und anschließendes Abstreifen des Überschusses etc. einzufüllen.In the next step c), the recesses formed at points 12, 13 are filled with a molding material 14 . Any material customary in stereography can be used as the molding material, for example a liquid, light-curable (polymerizable) plastic material or a plastic or metal in liquid, pasty or powder form that can be solidified in any way, for example also by electromagnetic radiation, heat or chemical action. The filling can be done in that, in the manner shown, a wiping element 15 with a flexible lip 16 'is painted over the surface 8 ', the excess material 8 'applied to the surface molding material 14 in the recesses 12, 13 and at the same time from the other areas of the surface 8 'wipes off, so that the surface of the molding material is flat and lies in one plane with the surface 8 '. However, it is also possible to fill the molding material into the recesses, for example by means of a syringe or a similar metering device or by lowering it in a bath of molding material and then wiping off the excess, etc.

Im darauffolgenden Schritt d) wird das Formmaterial an den Stellen 12 und 13 verfestigt. Dies kann in der dargestellten Weise durch Bestrahlen der Oberfläche 8′ mit einer Strahlung 17 erfolgen, die das als Formmaterial verwendete Kunststoffmaterial polymerisiert bzw. härtet. Entsprechend der Natur des verwendeten Formmaterials ist jedoch auch jede andere Behandlung, die eine Verfestigung des Formmaterials bewirkt, möglich.In the subsequent step d), the molding material is solidified at points 12 and 13 . This can be done in the manner shown by irradiating the surface 8 'with radiation 17 which polymerizes or cures the plastic material used as the molding material. Depending on the nature of the molding material used, however, any other treatment which causes the molding material to solidify is also possible.

Nach dieser Verfestigung kann die Oberfläche 8′ behandelt werden, um beispielsweise eine genau definierte Dicke der Schicht 3 zu erreichen, um die Oberfläche zu glätten oder um verfestigte Reste des Formmaterials auf der Oberfläche 8′ zwischen den Bereichen 12, 13 zu entfernen. Hierfür eignet sich beispielsweise eine mechanische Oberflächenbehandlung wie z. B. Abfräsen oder eine chemische Behandlung wie z. B. Ätzen. Danach wird die nächste Schicht in der oben beschriebenen Weise aufgebracht.After this solidification, the surface 8 'can be treated, for example to achieve a precisely defined thickness of the layer 3 , to smooth the surface or to remove solidified residues of the molding material on the surface 8 ' between the areas 12, 13 . A mechanical surface treatment such as e.g. B. milling or a chemical treatment such. B. Etching. The next layer is then applied in the manner described above.

Sind sämtliche Schichten des Objekts in der beschriebenen Weise verfestigt, muß das Trägermaterial entfernt werden. Dies ist aufgrund der Eigenschaften des Trägermaterials möglich, ohne das Objekt selbst zu verändern oder zu beschädigen. Bei der Verwendung von Eis als Trägermaterial genügt z. B. eine Temperaturerhöhung auf einen Wert weit unter der Erweichungstemperatur des verfestigten Formmaterials 14, um das Eis auszuschmelzen. Auch bei Wachs ist Ausschmelzen möglich. Bei Verwendung einer Folie kann diese beispielsweise durch ein geeignetes Lösungsmittel, das das Formmaterial nicht angreift, entfernt werden.Once all layers of the object have solidified in the manner described, the carrier material must be removed. Due to the properties of the carrier material, this is possible without changing or damaging the object itself. When using ice as a carrier material, z. B. an increase in temperature to a value far below the softening temperature of the solidified molding material 14 to melt the ice. Melting is also possible with wax. When using a film, this can be removed, for example, by a suitable solvent which does not attack the molding material.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten des Objekts mittels elektromagnetischer Strahlung, wobei für jede Schicht die folgenden Schritte durchgeführt werden:
  • a) auf eine Unterlage bzw. die vorhergehende Schicht wird eine Schicht eines festen Trägermaterials aufgebracht;
  • b) das Trägermaterial wird an den der Form des Objekts entsprechenden Stellen entfernt;
  • c) an diesen Stellen wird ein mittels elektromagnetischer Strahlung verfestigbares Formmaterial eingefüllt; und
  • d) das Formmaterial wird durch Bestrahlen verfestigt.
1. A method for producing an object by successively solidifying layers of the object by means of electromagnetic radiation, the following steps being carried out for each layer:
  • a) a layer of a solid carrier material is applied to a base or the preceding layer;
  • b) the carrier material is removed at the locations corresponding to the shape of the object;
  • c) a molding material that can be solidified by means of electromagnetic radiation is filled in at these points; and
  • d) the molding material is solidified by irradiation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfestigen des Formmaterials die Oberfläche durch Abtragen, beispielsweise Abfräsen, einer dünnen Schicht geglättet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that after the solidification of the Molding material the surface by removal, for example Milling off, a thin layer is smoothed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial ein Material ausgewählt wird, das die Eigenschaft aufweist, daß es nach der Verfestigung des Formmaterials beispielsweise durch Schmelzen, Verdampfen oder Lösen entfernbar ist, ohne daß das Formmaterial beeinträchtigt wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a material as the carrier material is selected which has the property that it after solidification of the molding material, for example removable by melting, evaporation or dissolution is without adversely affecting the molding material.   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen des Trägermaterials eine Eisschicht im wesentlichen konstanter Dicke auf die Unterlage aufgefroren wird.4. The method according to claim 3, characterized in that for applying the carrier material a layer of ice essentially constant Thickness is frozen onto the base. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial eine Folie verwendet wird.5. The method according to claim 3, characterized in that a film as the carrier material is used. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen des Trägermaterials dieses mittels einer gezielten Strahlungseinwirkung verdampft oder geschmolzen wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for removing the carrier material this by means of a targeted radiation effect is evaporated or melted. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Mehrzahl von Schichten hergestellt werden und das verbleibende Trägermaterial erst danach beispielsweise durch Verdampfen, Schmelzen oder Lösen entfernt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that initially a plurality of Layers are made and the remaining carrier material only then, for example, by evaporation, Melting or dissolving is removed.
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