Die Erfindung betrifft ein Stereolithographie-System zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen.

Die DE 10 2009 009 503 B3 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks gemäß eines Rapid-Prototyping-Verfahrens mit einem Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls für das Aushärten eines Werkstoffs und einem Werkstückträger, der durch den Laser aus einem vorgegebenen Raumwinkelbereich direkt bestrahlbar ist. Die Vorrichtung besteht aus einem Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls für das Aushärten des Werkstoffs und einem Werkstückträger, der durch den Laser direkt bestrahlbar ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Optikeinrichtung, insbesondere einen Spiegel auf, mit der der Laserstrahl umgelenkt wird, so dass der Werkstückträger mit dem Laser auch indirekt bestrahlbar ist.

In der DE 10 2004 057 527 B4 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenkörpers für die elektro-chemische Bearbeitung (ECM) für Werkstücke beschrieben, wobei der Stempel im Stereolithographie-Verfahren hergestellt wird. Im Rapid Prototyping-Verfahren (RP) wird der Elektrodenkörper in einem flüssige Kunststoffbad schichtweise aufgebaut. Hierzu wird mittels eines Lasers, der sowohl in der Horizontalebene verfahrbar als auch höhenverstellbar ist, der gewünschte Querschnitt einer Schicht des Elektrodenkörpers erzeugt. Dazu wird der Laser entsprechend der gewünschten Kontur in der Horizontalebene verfahren und durch entsprechendes Belichten ein Teil der Kunststoffschicht des flüssigen Kunststoffs belichtet und damit ausgehärtet.

Die Erfindung gemäß US 2003 001313 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von keramischen Formkörpern durch Sintern von ausgewählten Stellen eines keramischen Materials mit einem Laserstrahl zur Bildung des Formkörpers. Zur Herstellung des Formkörpers wird die flüssige Suspension oder plastische Masse schichtweise aufgetragen und die jeweilige Schicht des Materials mit dem Laserstrahl an ausgewählten Stellen gesintert. Hierbei wird der Laserstrahl vorzugsweise mittels der schichtweisen Konstruktionsdaten gesteuert. Die Vorrichtung zur Herstellung von keramischen Formkörpern hat eine Auflagefläche, eine Auftragseinheit zum Auftragen von Schichten eines keramischen Materials, eine Trocknungseinheit für die aufgetragenen Schichten und eine Lasereinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls mit Mitteln zum gesteuerten Ausrichten des Laserstrahls auf ausgewählte Stellen einer jeweiligen Schicht des keramischen Materials, um das bestrahlte Material zu sintern und den Formkörper zu bilden. Die Mittel zum gesteuerten Ausrichten, des Laserstrahls sind vorzugsweise als Laserscanner ausgebildet, wobei die Steuerung des Laserscanners mittels digitaler Konstruktionsdaten für das Formteil erfolgt. Damit kann eine Herstellung eines Prototyps direkt aus den Konstruktionsdaten erfolgen. Die Lasereinheit wird von einem Roboterarm über die Oberfläche der aufgetragenen Schicht bewegt und die entsprechende Schicht des herzustellenden Formkörpers auf der aufgetragenen Schicht abgebildet.

Die US 2002 185 782 (A1) beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch Stereolithographie. Feste Verstärkungsmaterialien werden mit dem flüssigen Medium gemischt, so dass zumindest ein Teil der festen Verstärkungsmittel in der Schicht des flüssigen Mediums zwischen der oberen Fläche der zuletzt gebildeten Schicht und der oberen Oberfläche des flüssigen Mediums angeordnet ist. Ein akustisches Feld wird dann in dem flüssigen Medium erzeugt, so dass das akustische Feld in mindestens einem Teil der Schicht des flüssigen Mediums zwischen der oberen Fläche der zuletzt gebildeten Schicht und der oberen Oberfläche des flüssigen Mediums vorhanden ist, wobei das flüssige Medium ausgehärtet wird.

In der US 2004 094 728 A wird eine Vorrichtung zum Sintern und gegebenenfalls Abtragen und/oder Beschriften und zur anschließenden Überarbeitung des fertiggestellten Werkstückes mittels elektromagnetischer gebündelter Strahlung beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Maschinengehäuse, in dem ein Bauraum untergebracht ist. Im oberen Bereich des Bauraums ist ein Scanner angeordnet, in dem der Strahl eines Sinter-Lasers eingekoppelt wird. Im unteren Bereich des Bauraums sind eine höhenverfahrbare Werkstückplattform sowie eine Materialzuführungseinrichtung vorgesehen, mit der pulverartiges oder auch pastöses oder flüssiges Sintermaterial aus einem Vorratsbehälter in den Prozessbereich über die Werkstückplattform transportiert werden kann. Der Scanner ist im oberen Bereich des Bauraums beweglich, in einer Achse verfahrbar, an einer über der Werkstückplattform motorisch verfahrbaren Scanner-Trägerbrücke angeordnet, wobei der Scanner-Trägerbrücke auf zwei parallel zueinander, in einem der Breite des Baugefäßes entsprechenden Abstand voneinander, Trägern in der zweiten Achse verfahrbar läuft. Motorische Antriebselemente des Scanner-Trägers sind an einen Steuerungsrechner angeschlossen, der für den gesamten Prozessablauf zuständig ist. Dieser Steuerungsrechner steuert während des Bauprozesses sowohl die Bewegung des Scanners über die Werkstückplattform als auch die Bewegung des Scannerspiegels im Gehäuse des Scanners. Neben einer möglichen Verschiebung des Scanners entlang der x-Achse und der y-Achse ist auch eine Verschiebung des Scanners entlang der z-Achse möglich, wodurch der Scanner über die Werkstückplattform oder auch in daneben liegenden Bereichen höhenverfahrbar ist. Dazu laufen die zwei parallel zueinander angeordneten Träger wiederum als Brücke auf jeweils zwei vertikal angeordnete Träger in Form von Linearachsen an der rechten und linken Wand des Baugefäßes. Die Einstrahlung des Strahls des Sinter-Lasers in den Bereich des Scanner-Trägers erfolgt parallel zu den Achsen der Aufhängung des Scanner-Trägers und über Ablenkspiegel zum optischen Eingang des Scanners.

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.

Die Erfindung gemäß DE 100 53 741 C1 betrifft eine Vorrichtung zum Sintern, Abtragen und/oder Beschriften mittels elektromagnetischer gebündelter Strahlung, insbesondere Laser-Sintermaschine und/oder Laser-Oberflächenbearbeitungsmaschine mit einem in einem Maschinengehäuse untergebrachten Bauraum, in oder über welchem eine Lichtleiteinrichtung, insbesondere ein mittels einer Kreuzschlittenanordnung in alle Richtungen verfahrbaren Scanner, in dem der Strahl einer Sinter-Energiequelle eingekoppelt wird, eine höhenverfahrbare Werkstückplattform sowie eine Materialzuführungseinrichtung mit einem zur Zuführung von Sinter-Material aus einem Vorratsbehälter in den Prozessbereich über der Werkstückplattform dienenden Beschichter angeordnet sind, wobei die Werkstückplattform als Wechselelement aus dem Bauraum entnehmbar ist, wobei die höhenverfahrbare Werkstückplattform, der Vorratsbehälter und der Beschichter als zusammenhängend aus dem Bauraum entnehmbare Prozessplattform-Wechseleinheit ausgebildet sind und zur Durchführung gleicher oder anderer Bearbeitungsprozesse weitere Prozessplattform-Wechseleinheiten gleicher oder unterschiedlicher Ausbildungen in den Bauraum einbringbar sind.

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.

Wie in der Erfindung gemäß US 2004 094 728 A entstehen neben dem hohen Aufwand durch die Anordnung der vier Linearantriebe und den Einsatz von fünf Spiegeln Problem bei der Synchronisation der Motoren der Linearantriebe, die bis zum Totalausfall der Stereolithographie-Anlage führen können. Des Weiteren müssen in dieser Lösung leistungsstarke Laser mit einem hohen Energie- und Kostenaufwand zum Ausgleich des Verlustes an Energie durch die Spiegel eingesetzt werden

In der US 2002 171 178 (A1) wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen, prothetischen und ein poröses Netzwerk aufweisendes Implantats aus biologisch zersetzbaren Polymer beschrieben Das Verfahren verwendet eine Stereolithographie-Vorrichtung, wobei mittels eines dreidimensionalen CAD-Bildes Ketten von einem oder mehreren Photopolymerren und einem Photoinitiator ein aus Schichten zusammengesetztes, polymeres prothetisches Implantats bilden. Als ein photohärtbares, bioerodierbares Polymer wird die Lösung aus Poly(propylen)-fumarat (PPF) und einem Lösungsmittel zur Einstellung der Viskosität der Lösung beschrieben. Während des Herstellungsprozesses wird die Lösung in einem Behälter in der Stereolithographie-Vorrichtung (einer handelsüblichen Stereolithographie-Anlage SLA 250) angeordnet. Der Behälter enthält eine in z-Achse bewegliche Bauplatte zum Tragen jedes der kovalent gebundenen Schichten des polymeren prothetischen Implantats, die der UV-Lichtenergie bei aufeinander folgenden Schichten der Lösung ausgesetzt werden. Die UV-Lichtenergie wird mittels eines handelsüblichen UV-Lasers erzeugt, wobei der Strahl des Lasers über Scannerspiegel auf Vektorbasis in der in x- und y-Achse bewegbar über dem Behälter angeordnet ist (www.klartext-pr.de/..../artikel/Die Kultur der Prototypenherstellung.pdf).

In der US 45.753.30B1 wird eine Anlage mit externer Laserquelle, optischer Strahlaufbereitung (Expander, Shutter, etc.), Laserscanner zur Strahlablenkung und F-Theta-Linse zur Versatzkompensation des Laserfokus beschrieben. Der Laserstrahl wird über zwei rotierende Spiegel geführt, um das gesamte Baufeld zu erreichen. Benötigt man eine hohe Auflösung werden sehr exakte Motoren benötigt. Außerdem muss der Fokus ständig durch die F-Theta-Linse korrigiert werden, so dass der Arbeitsabstand je nach Winkel Laserstrahl/Oberfläche variiert. Ein zusätzlicher Nachteil ist, dass der Laserstrahl im Randbereich sehr schräg in das Polymer eindringt. Der Scanner, die F-Theta-Linse und die ausreichend leistungsstarke Strahlquelle sind in ihrer Anschaffung sehr teuer. Aufgrund der sich ständig ändernden Winkel Substrat/Laserstrahl kann auch keine Teleoptik oder austauschbare Optik über dem Bad positioniert werden.

Die in der US 55 95 703 A dargestellte Vorrichtung für das Fertigen eines Objekts durch Stereolithographie ist von einer an sich bekannten Konstruktion.

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.

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 (Gandhi, P. S. et. al. Micromech. Microeng., no 20, pp 1–11, 2010). Durch die Führung über rechte Winkel kann der Laserfokus immer senkrecht über dem Baufeld positioniert werden. Die entscheidenden Nachteile sind die Anzahl der benötigten Umlenkspiegel. Da die Umlenkspiegel dynamisch geführt werden, wird ein hohes Maß an Präzision in jedem Spiegelantrieb und auch in der Planheit des Spiegels benötigt. Des Weiteren ist auf jeder spiegelnden Oberfläche mit einem Verlust der Laserleistung von ca. 10% zu rechnen. Daher wird auch hier eine leistungsstarke Strahlquelle benötigt. Beide Faktoren, Präzision an mehreren Stellen und Laserleistung, treiben die Kosten für die Anlagentechnik in die Höhe.

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 (K. Ikuta et. al. "New Mikro Stereo Lithography for freely movable 3D Mikro Structure", IEEE, pp. 290–295, 1998). Die Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber einer Scanneroptik wird sich aber kaum erhöhen. Probleme bereiten die Komponenten zum Aufspalten des Laserstrahls aus der Strahlquelle (der Kollimator) sowie die exakte gleichförmige Verteilung der Laserleistung auf die einzelnen Faserstränge. Liefert nicht jede Faser identische Parameter, leidet die Qualität/Maßhaltigkeit der Bauteile. Außerdem führt der Einsatz von Fasern mit UV-Lasern oft zu einem Alterungsprozess der Faser. Um genügend Licht in alle Fasern zu verteilen, muss auch genügend Leistung zur Verfügung stehen. Aufgrund der Vielzahl an teuren Einzelkomponenten wie Laser, Kollimator, Fasern und Antriebsachsen für die Fasern ist die Anlagentechnik sehr kostenintensiv.

Das Colamm-Verfahren (Maruo, S. et. al. Sensors and Actuators, vol A 100, pp. 70–76, 2002) umgeht die Probleme des Recoatings mit einem Wischer. Dazu wird durch ein Fenster am Boden des Gefäßes das Harz belichtet. Das Bauteil wird an der Bauplattform „festgeklebt” und dann schichtweise angehoben. Wichtig ist hier, dass das ausgehärtete Harz nicht an der Glasscheibe haften bleibt. Die Zuführung des Laserstrahls erfolgt über Scanner oder Glasfaser und es bestehen auch bei diesem Verfahren die oben beschriebenen Nachteile.

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 (Ikuta, K. IEEE, pp. 290–295, 1998). Anwendung findet diese Technik jeweils mit der Bearbeitung von oben sowie auch, angelehnt an das Colamm-Verfahren, von unten (Schuster, M. et. al. Journal of Polymer Sience: Part A: Polymer Chemistry, vol. 47, pp. 7070–7089, 2009)

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 (Maier, Ch. Diplomarbeit „Herstellung biometrischer Materialien mit Rapid-Protoyping-Verfahren" Universität Wien 2005).

Da bei diesen beiden Verfahren keine Laserquelle zum Einsatz kommt, betreffen diese Verfahren nicht unmittelbar die Erfindung.

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.

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.

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.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Stereolithographie-System gelöst, dass aus einem Aufnahmeblock (12) für in y- und x-Achse verfahrbare Linearantriebe (3, 4) als gekreuzte Anordnung und für ein Baugefäß (1) mit integrierter, in z-Achse verfahrbarer Bauplattform (2) besteht, 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 Baugefäßes (1) gerichtet, über ein Befestigungsmittel (5) am Linearantrieb für die x-Achse (4), befestigt. Direkt an der Laserquelle (6) ist die Halterung mit den integrierten Fokussieroptiken (7) angeordnet, die das austretende Laserlicht (8) direkt in die benötigte Ebene fokussiert. So erfolgt der schichtweise Aufbau des Bauteils (9) entweder durch zeilenweises oder vektorielles Verfahren des Laserkopfs. Während des Verfahrens härtet der Laser das flüssige Photopolymer aus. Durch eine praktikable Anordnung der elektrischen Anschlüsse (11) der Laserquelle (6) kann die Versorgung leicht über Schleppkabel sichergestellt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Fokussieroptik (7) als auswechselbare Fokussieroptik (7) ausgebildet sein. Damit ist es möglich, unterschiedliche Strichbreiten bei der Photopolymerisation zu erzeugen und die Auflösung und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu optimieren. Im Falle einer statischen Optik ist pro Baujob nur eine Auflösung fest vorgegeben. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese statische Optik durch ein motorgesteuertes Teleskop oder durch einen angetriebenen Objektivrevolver zu ersetzen und damit dynamisch während des Bauprozesses die Strichbreite des Laserstrahls bei gleichzeitiger Modulierung der Laserleistung anzupassen. Dadurch wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit stark erhöht.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die 1 eine schematische Darstellung des Stereolithographie-Systems darstellt, mit

Bezugszeichenliste

1

Baugefäß

2

Bauplattform

3

Linearantrieb für die y-Achse

4

Linearantrieb für die x-Achse

5

Befestigungselement für den Laserkopf

6

Laserquelle

7

Fokussieroptiken

8

Laserstrahl

9

Bauteil

10

Harz

11

elektrische Anschlüsse

12

Aufnahmeblock

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung mit den essentiellen Komponenten für die erfindungsgemäße Stereolithographie. Direkt über dem Baugefäß (1), mit der integrierten, absenkbaren Bauplattform (2), ist ein lineares Achsensystem an einem Aufnahmeblock (12) aus Granit montiert. An der gekreuzten Anordnung aus der y-Achse (3) und der x-Achse (4) wird über ein geeignetes Befestigungselement (5) die Laserquelle (6) so montiert, das der Strahlaustritt des Laserstrahls senkrecht nach unten auf das mit Harz (10) gefüllte Baugefäß (1) zeigt. Als Laserquelle (6) wird ein Dioden-Laser eingesetzt. Direkt an der Laserquelle (6) ist die Halterung mit den integrierten Fokussieroptiken (7) befestigt, die das austretende Laserlicht (8) direkt in die benötigte Ebene fokussiert. So kann der schichtweise Aufbau des Bauteils (9) entweder durch zeilenweises oder vektorielles Verfahren der Laserquelle (6) erfolgen. Während des Verfahrens härtet der Laserstrahl das flüssige Photopolymer aus. Durch eine praktikable Anordnung der elektrischen Anschlüsse (11) der Laserquelle kann die Versorgung leicht über Schleppkabel sichergestellt werden. Flüssiges Photopolymer wird von einem Laserstrahl in dünnen Schichten mit einer Standardschichtstärke im Bereich 0,05–0,25 mm, bei Mikrostereolithografie auch bis zu 1 μm ausgehärtet. Das Verfahren geschieht im Baugefäß (1), welches mit dem Photopolymer, in diesem Beispiel mit Epoxidharz, gefüllt ist. Im Baugefäß (1) wird die in z-Achse verfahrbaren Bauplattform (2) in das Epoxidharz durch Verfahren der Bauplattform (2) in der z-Achse getaucht, danach um den Betrag der Schichtstärke in der z-Achse nach oben gefahren und mit einem Wischer das Epoxidharz aufgetragen. Nach dem Auftragen des Epoxidharzes wird die Laserquelle (6) mittels der x- und y-Achsen (4, 3) über die Bauplattform (2) geführt und das Epoxidharz durch den Laserstrahl ausgehärtet. Die Laserquelle (6) wird dabei zeilenweise über das Baufeld bewegt und positionsabhängig über seinen digitalen Eingang moduliert.

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 (6) mittels der gekreuzten Anordnung der x- und y-Achse (4, 3), von einem Computer gesteuert, auf der neuen Schicht über die Flächen, die ausgehärtet werden sollen. Nach dem Aushärten erfolgt der nächste Schritt, so dass nach und nach ein dreidimensionales Teil entsteht.

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 (2) mit dem/den Teil(en) aus dem Baugefäß (1) herausgefahren. Nach dem Abtropfen des nicht gehärteten Harzes wird das Modell von der Bauplattform entfernt, von den Stützstrukturen befreit, mit Lösungsmitteln gewaschen und in einem Schrank unter UV-Licht vollständig ausgehärtet.

Bei der erfindungsgemäßen Stereolithographie-Anlage werden die Laserquelle (6) und die fokussierende Optik (7) direkt über den Baugefäß (1) und so über das gesamte Baufeld mittels linearer Achsen verfahren, wobei der Strahlaustritt und damit der Laserstrahl immer senkrecht über dem Baugefäß verbleibt. Im Vergleich zu im Stand der Technik beschriebenen Laser basierten Stereolithographie-Anlagen kommt die erfindungsgemäße Anlage ganz ohne Umlenkspiegel, Glasfasern oder ähnliche strahlbeeinflussende Bauteile aus. Die erfindungsgemäße Stereolithographie-Anlage ist bei ansonsten gleicher Leistungsfähigkeit somit deutliche einfacher und benötigt Laserquellen mit deutlich geringer Leistungsfähigkeit (Dioden-Laser). Dadurch entsteht ein erheblicher Kostenvorteil gegenüber allen bisherigen Laser-basierten Stereolithographie-Systemen. Weiterhin bestehen durch die Verwendung von nur zwei Linearantrieben, die auch noch unabhängig voneinander verfahren werden, keine Probleme bei der Synchronisation der Motoren für die Linearantriebe und die Störanfälligkeit des Stereolithographie-Systems wird erheblich gesenkt.

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.

Das Stereolithographie-System zeichnet sich weiterhin durch geringe Energieaufnahme und damit verbunden durch geringere Betriebskosten aus.

Das erfindungsgemäße System kann ebenso auch beim Lasersintern und beim Laserschneiden und Beschriften mittels Laserquellen angewendet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

• DE 102009009503 B3 [0002]
• DE 102004057527 B4 [0003]
• US 2003001313 A [0004]
• US 2002185782 A1 [0005]
• US 2004094728 A [0006, 0010]
• DE 10053741 C1 [0008]
• US 2002171178 A1 [0011]
• US 4575330 B1 [0012]
• US 5595703 A [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

• www.klartext-pr.de/..../artikel/Die Kultur der Prototypenherstellung.pdf [0011]
• Gandhi, P. S. et. al. Micromech. Microeng., no 20, pp 1–11, 2010 [0015]
• K. Ikuta et. al. ”New Mikro Stereo Lithography for freely movable 3D Mikro Structure”, IEEE, pp. 290–295, 1998 [0016]
• Maruo, S. et. al. Sensors and Actuators, vol A 100, pp. 70–76, 2002 [0017]
• Ikuta, K. IEEE, pp. 290–295, 1998 [0018]
• Schuster, M. et. al. Journal of Polymer Sience: Part A: Polymer Chemistry, vol. 47, pp. 7070–7089, 2009 [0018]
• Maier, Ch. Diplomarbeit „Herstellung biometrischer Materialien mit Rapid-Protoyping-Verfahren” Universität Wien 2005 [0019]