DE102012011418A1 - Stereolithography system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen mittels Stereolithographie. Das Stereolithographie-System bestehend aus einem Aufnahmeblock (12 für die Aufnahme der in y- und x-Achse verfahrbare Linearantriebe (3, 4) als gekreuzte Anordnung und für die Aufnahme eines Baugefässes (1) mit integrierter, in z-Achse verfahrbarer Bauplattform (2), wobei die gekreuzte Anordnung der Linearantriebe für die y-Achse (3) und für die x-Achse (4) in vertikaler Richtung senkrecht über dem Baugefäß (2) angeordnet sind. Eine Laserquelle (6) ist mit dem Strahlaustritt senkrecht nach unten in Richtung des mit Harz gefüllten Baugefäß (1) gerichtet, über ein Befestigungsmittel (5) am Linearantrieb für die x-Achse (4), befestigt und direkt an der Laserquelle (6) können über eine Halterung (9) integrierte Fokussieroptiken (7) angebracht werden.The invention relates to a device for producing three-dimensional components by means of stereolithography. The stereolithography system comprising a receiving block (12 for receiving the y-and x-axis movable linear drives (3, 4) as a crossed arrangement and for receiving a construction vessel (1) with integrated, movable in the z-axis construction platform ( 2), wherein the crossed arrangement of the linear drives for the y-axis (3) and for the x-axis (4) are arranged vertically above the building vessel (2) in the vertical direction A laser source (6) is perpendicular to the beam exit directed downwards in the direction of the resin-filled construction vessel (1), via a fastening means (5) on the linear drive for the x-axis (4), and directly on the laser source (6) can be integrated via a holder (9) integrated focusing optics (7 ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Stereolithographie-System zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen.The invention relates to a stereolithography system for the production of three-dimensional components.
Die
In der
Die Erfindung gemäß
Die
In der
Neben den hohen Aufwand durch die Anordnung der drei Linearachsen bei der Zwei-Achs-Verfahrbarkeit beziehungsweise der sieben Linearachsen bei der Drei-Achs-Verfahrbarkeit und den Einsatz von vier Spiegel entstehen Probleme bei der Synchronisation der Motoren der Linearachsen, die bis zum Totalausfall der Stereolithographie-Anlage führen können.In addition to the high cost due to the arrangement of the three linear axes in the two-axis mobility or the seven linear axes in the three-axis mobility and the use of four mirrors problems arise in the synchronization of the motors of the linear axes, up to the total failure of stereolithography System.
Die Erfindung gemäß
Der Kreuzschlittens für den in alle Richtungen verfahrbaren Scanner ist als eine in y-Richtung verfahrbare Trägerbrücke ausgebildet, an der ein Linearantrieb für die z-Achse mit einem Laserscanner angeordnet ist. Diese Trägerbrücke läuft auf zwei parallel zueinander, in einem der Breite des Baugefäßes entsprechende Abstand voneinander angeordneten, in x-Achse verfahrbaren Trägern. Der Laserstrahl wird über eine Vielzahl von Spiegeln entlang der Träger und der Trägerbrücke sowie des Linearantrieb für die z-Achse zum Laserscanner geführt. Die parallel angeordneten Träger und die Trägerbrücke sind als Linearantriebe ausgebildet.The cross slide for the movable in all directions scanner is designed as a movable in the y-direction carrier bridge on which a linear actuator for the z-axis is arranged with a laser scanner. This support bridge runs on two parallel to each other, arranged in a width of the construction vessel corresponding distance from each other, movable in x-axis carriers. The laser beam is guided through a large number of mirrors along the carrier and the carrier bridge and the linear drive for the z-axis to the laser scanner. The parallel arranged carrier and the carrier bridge are designed as linear drives.
Wie in der Erfindung gemäß
In der
In der
Die in der
Diese Vorrichtung umfasst in der Hauptsache einen Behälter, gefüllt mit einem flüssigen fotopolymerisierbaren Präpolymer, ein darin angebrachtes Plateau, das durch einen nicht dargestellten Mechanismus in dem flüssigen Präpolymer auf- und abwärts bewegt werden kann, und eine Laserstrahlquelle, die durch einen ebenfalls nicht dargestellten Mechanismus gemäß einem bestimmten Muster über die Oberfläche des flüssigen Präpolymers bewegt werden kann.This device mainly comprises a container filled with a liquid photopolymerizable prepolymer, a plateau attached therein which can be moved up and down in the liquid prepolymer by a mechanism, not shown, and a laser beam source which is actuated by a mechanism, also not shown can be moved over the surface of the liquid prepolymer according to a specific pattern.
Als ein 2D-optomechanisch Laserscanner wird eine Lösung bezeichnet, bei der der Laserstrahl nicht durch einen Scanner mit rotierenden Spiegeln gesteuert wird, sondern über mehrere parallel verschiebbare Umlenkspiegel (
Eine Weiterentwicklung bezüglich der Fertigung mehrerer identischer Bauteile parallel zueinander bietet die Bauform mit mehreren parallel geführten Glasfasern auf einem X-Y-Plotter. Der Laser wird über Shutter und Strahlführungsoptiken gesteuert. Ein Glasfaserbündel multipliziert dann die Strahlquelle und über ein X-Y-Plottersystem wird die Kontur zeilenhaft oder über Vektoren abgearbeitet. Durch die Multiplikation erreicht man den Bau mehrerer identischer Komponenten parallel bei senkrechtem Einfall der Laserstrahlung. Der Einsatz von Glasfasern zum Multiplizieren der Strahlquelle ermöglicht das parallele Herstellen von Bauteilen (
Das Colamm-Verfahren (
Andere technische Lösungen für die Stereolithographie bieten sogenannte Maskenverfahren. Bezeichnet werden diese Varianten als flächige Bearbeitung. Dabei kommt kein Laser, sondern eine UV-Lampe zum Einsatz. Durch eine schaltbare LCD-Maske oder vorgefertigte Masken können dann die Konturen für die jeweilige Schicht in einem Arbeitsgang erzeugt werden (
Das Digital Light Processing (DLP) ist eine weitere Modifikation der Stereolithographie. Die Polymerisation des Harzes erfolgt hier durch sichtbares, nicht kohärentes Licht. Das erforderliche Muster wird entweder durch Mikrospiegel oder durch eine dynamische LCD Maske direkt auf das Harz abgebildet. Es wird die gesamte Schicht gleichzeitig ausgehärtet. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass die Größe des Baufeldes bzw. die Anzahl der Bildpunkte (Pixel) fest sind. Je höher die Auflösung der zu bauenden Strukturen gewählt wird, desto kleiner sind diese Strukturen. Gebräuchliche Systeme erreichen innerhalb der x y-Ebene Auflösungen von 1 bis zu 5 μm bei einer Schichtdicke von 10 μm (
Da bei diesen beiden Verfahren keine Laserquelle zum Einsatz kommt, betreffen diese Verfahren nicht unmittelbar die Erfindung.Since no laser source is used in these two methods, these methods do not directly affect the invention.
Alle im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen für die Stereolithographie weisen Einrichtungen zur optischen Strahlaufbereitung, wie Expander und Shutter, Anlagen zur Strahlablenkung, wie Laserscanner, rotierender oder parallel verschiebbare Umlenkspiegel, Anlagen zur Versatzkompensation des Strahls, wie F-Theta-Linsen oder Vorrichtungen zur Strahlführung, wie Glasfasern, auf. Damit werden die Anlagen für die Stereolithographie, insbesondere der Mikro-Stereolithographie kostspielig und teuer und schränken die Einsatzmöglichkeiten der Stereolithographie ein. Außerdem müssen durch die auftretenden Verluste bei der Strahlaufbereitung leistungsstarke Laser eingesetzt werden, die wiederum auch sehr kostspielig sind.All devices described in the prior art for stereolithography have devices for optical beam conditioning, such as expander and shutter, systems for beam deflection, such as laser scanners, rotating or parallel sliding deflecting mirrors, systems for Offset compensation of the beam, such as F-theta lenses or devices for beam guidance, such as glass fibers, on. Thus, the equipment for stereolithography, especially micro-stereolithography costly and expensive and limit the applications of stereolithography. In addition, high-performance lasers must be used, which in turn are also very expensive due to the losses occurring in the jet preparation.
Auch alle aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur senkrecht über dem Baugefäß angeordneten Aufhängungen von Laserscanner benötigen eine hohen Aufwand, da die Aufhängung entweder in Form eines in z-Achse verfahrbaren Linearantriebes an einer Trägerbrücke oder direkt an dieser Trägerbrücke, die wiederum auf zwei parallel zueinander angeordneten Trägern läuft, ausgebildet ist. Außerdem werden diese Lösungen zur Vergrößerung des Baufeldes eingesetzt, da die Scanner nur eine begrenzte Fläche des Baufeldes bestrahlen können. Aus diesem Grund ist das Baufeld bei diesen Lösungen in Quadrate eingeteilt, wobei der Scanner nach Bestrahlen eines Quadrates mittels des Kreuzschlittens zum nächsten Quadrat bewegt wird und dieses Quadrat des Baufeldes bestrahlt. Hier bleiben die oben beschriebenen Probleme trotz über dem Baufeld senkrechter Anordnung des Scanners erhalten.All known from the prior art solutions for vertically above the building vessel arranged suspensions of laser scanner require a lot of effort because the suspension either in the form of a movable in the z-axis linear drive on a support bridge or directly to this support bridge, which in turn to two parallel is running trained, trained. In addition, these solutions are used to increase the construction field, since the scanner can only irradiate a limited area of the construction field. For this reason, the construction field in these solutions is divided into squares, the scanner is moved after irradiation of a square by means of the cross slide to the next square and irradiated this square of the construction field. Here, the problems described above remain despite over the construction field vertical arrangement of the scanner.
Außerdem können bei diesen Lösungen erhebliche Problem bei der Synchronisation der Motoren der Linearachsen, insbesondere bei längeren Laufzeiten, entstehen, die dann zum Ausfall der Stereolithographie-Anlagen führt.In addition, these solutions can cause significant problems in the synchronization of the motors of the linear axes, especially for longer maturities, which then leads to the failure of stereolithography equipment.
Aufgabe der Erfindung ist es, für Stereolithographie-Anlagen eine neue Aufhängung der Strahlungsquelle sowie eine wesentlich vereinfachte Strahlformung und -lenkung zu schaffen, wobei wesentliche Kosteneinsparungen durch die Reduzierung von Bauteilen und sensibler Komponenten bei gleichzeitiger Erhöhung der Bearbeitungsmöglichkeiten und der -qualität sowie der Zuverlässigkeit, auch bei längeren Laufzeiten, der Stereolithographie-Systeme, insbesondere der Mikro-Stereolithographie-Systeme erzielt werden sollen.The object of the invention is to provide a new suspension of the radiation source and a much simplified beam shaping and deflection for stereolithography equipment, with significant cost savings by reducing components and sensitive components while increasing the processing options and the -qualification and reliability, even at longer maturities, the stereolithography systems, especially the micro-stereolithography systems are to be achieved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Stereolithographie-System gelöst, dass aus einem Aufnahmeblock (
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BaugefäßBaugefäß
- 22
- Bauplattformbuilding platform
- 33
- Linearantrieb für die y-AchseLinear drive for the y-axis
- 44
- Linearantrieb für die x-AchseLinear drive for the x-axis
- 55
- Befestigungselement für den LaserkopfFixing element for the laser head
- 66
- Laserquellelaser source
- 77
- Fokussieroptikenfocusing optics
- 88th
- Laserstrahllaser beam
- 99
- Bauteilcomponent
- 1010
- Harzresin
- 1111
- elektrische Anschlüsseelectrical connections
- 1212
- Aufnahmeblockreceiving block
Die
Nach jedem Schritt wird das Werkstück einige Millimeter in die Flüssigkeit abgesenkt und auf eine Position zurückgefahren, die um den Betrag einer Schichtstärke unter der vorherigen liegt. Das Epoxidharz über dem Bauteil wird dann durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Dann fährt die Laserquelle (
Beim Stereolithographie-Verfahren werden bei der Herstellung typischerweise auch Stützstrukturen mit gebaut, da das vom Laser gehärtete Harz noch relativ weich ist und auch bestimmte Formelemente (z. B. Überhänge) während des Bauprozesses sicher zu fixieren sind. Nach dem Bauprozess wird die Bauplattform (
Bei der erfindungsgemäßen Stereolithographie-Anlage werden die Laserquelle (
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Stereolithographie-Systems sind in den geringeren Verlusten der Laserleistung im optischen System durch Komponentenreduzierung und der immer senkrechten Anordnung der Laserquelle und des senkrechten Austritts des Laserstrahles gegenüber des Baugefäßes zu sehen. Der senkrechte Einfallwinkel der Laserstrahlung vermeidet die bei Laser-Scanner-Verfahren übliche Belichtung mit einem nicht senkrechten Einfallwinkel im Randbereich des Baufelds und gewährleistet somit über das gesamte Baufeld eine gleichbleibend hohe Fertigungspräzision. Weiterhin treten keine Alterungserscheinung bei Funktionskomponenten (z. B. Lichtleiter) auf und das System weist eine hohe Wartungsfreundlichkeit auf, da ein ausgetauschter Laser nicht ins optische System justiert werden muss.Further advantages of the stereolithography system according to the invention can be seen in the lower losses of the laser power in the optical system due to component reduction and the always vertical arrangement of the laser source and the vertical exit of the laser beam relative to the construction vessel. The vertical angle of incidence of the laser radiation avoids the usual laser scanner procedure exposure with a non-perpendicular angle of incidence in the edge region of the construction field and thus ensures a consistently high manufacturing precision over the entire construction field. Furthermore, there are no signs of aging in the case of functional components (eg optical fibers) and the system has a high level of serviceability since an exchanged laser does not have to be adjusted into the optical system.
Das Stereolithographie-System zeichnet sich weiterhin durch geringe Energieaufnahme und damit verbunden durch geringere Betriebskosten aus.The stereolithography system is further characterized by low energy consumption and associated lower operating costs.
Das erfindungsgemäße System kann ebenso auch beim Lasersintern und beim Laserschneiden und Beschriften mittels Laserquellen angewendet werden.The system according to the invention can likewise be used in laser sintering and in laser cutting and labeling by means of laser sources.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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