Die Erfindung betrifft ein Stereolithographie-System mit mehr als einer unabhängigen Strahlquelle zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile.

Die DE 10 2011 012 412 A1 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung von 3D-Strukturen mit einer Druckkopfanordnung, die relativ zu einer Arbeitsebene kontrolliert positionierbar ist und mit wenigstens zwei Reservoirbehältern verbunden ist, in denen flüssig bis pastöses photovernetzbares Material mit jeweils unterschiedlichen Photoempfindlichkeiten bevorratet ist, das jeweils über die Druckkopfanordnung in dem Bereich der Arbeitsebene ortsselektiv ausbringbar ist, sowie mit einer Strahlungsquellenanordnung, die elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der Photoempfindlichkeit des ortsselektiv auf die Arbeitsebene ausgebrachten photovernetzbaren Materials flächig emittiert. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlungsquellenanordnung wenigstens eine Laserlichtquelle umfasst, deren Laserstrahl mithilfe optischer Strahlablenk- und Fokussiermittel in einen Bereich einer auf die Arbeitsebene mittels der Druckkopfanordnung flächig ausbringbaren photovernetzbaren Materialschicht fokussierbar ist und im Fokusbereich innerhalb der photovernetzbaren Materialschicht Zweiphotonen- oder Mehrphotonenprozesse, die zur ortsselektiven Verfestigung des photovernetzbaren Materials führen, initiert.

In der DE 10 235 427 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtweisen, generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten offenbart. Mehrere Objekte werden parallel zu verschiedenen Prozesskammern mittels sukzessiven Auftrags von Schichten eines Aufbaumaterials und anschließendem Verfestigen einer Schicht bzw. Verbinden der Schicht mit der zuvor aufgetragenen Schicht mittels Strahlung hergestellt. Die Strahlung wird von einer außerhalb der Prozesskammern angeordneten Strahlenquelle einem Teil der Prozesskammern zugeführt, während in dem anderen Teil der Prozesskammern ein Schichtauftrag stattfindet.

In der DE 10 2012 011 418 A1 wird ein Stereolithographie-System, bestehend aus einem Aufnahmeblock für die Aufnahme der in y- und x-Achse verfahrbaren Linearantriebe als gekreuzte Anordnung und für die Aufnahme eines Baugefäßes mit integrierter, in z-Achse verfahrbarer Bauplattform beschrieben, wobei die gekreuzte Anordnung der Linearantriebe für die y-Achse und für die x-Achse in vertikaler Richtung senkrecht über dem Baugefäß angeordnet sind. Eine Laserquelle ist mit dem Strahlaustritt senkrecht nach unten in Richtung des mit Harz gefüllten Baugefäß gerichtet, über ein Befestigungsmittel am Linearantrieb für die x-Achse befestigt und direkt an der Laserquelle können über eine Halterung integrierte Fokussieroptiken angebracht werden.

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. 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 flüssigen 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, angeordneten 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 und wobei die höhenverfahrbare Werkstückplattform, der Vorratsbehälter und der Beschichter als zusammenhängend aus dem Bauraum entnehmbare Prozessplattform-Wechseleinheit ausgebildet und zur Durchführung gleicher oder anderer Bearbeitungsprozesse weitere Prozessplattform-Wechseleinheiten gleicher oder unterschiedlicher Ausbildungen in den Bauraum einbringbar sind.

Der Kreuzschlitten 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 Probleme 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 Implantat aus biologisch zersetzbaren Polymer beschrieben Das Verfahren verwendet eine Stereolithographie-Vorrichtung, wobei mittels eines dreidimensionalen CAD-Modells Ketten von einem oder mehreren Photopolymeren 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 45.753.30 B1 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 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 3 D 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 (K. Ikuta, et. al. "New Mikro Stereo Lithography for freely movable 3D Mikro Structure," IEEE. pp. 290–295, 1998)

Anwendung findet diese Technik jeweils mit der Bearbeitung von oben sowie auch, angelehnt an das Colamm-Verfahren, von unten (M. Schuster et al., "Gelatin-Based Photopolymers for Bone Replacement Materials, "Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, vol 47, pp. 7078–7089, 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 also die gesamte Schicht gleichzeitig ausgehärtet. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass die Größe des Baufeldes bzw. die Anzahl der Bildpunkte (Pixel) fix 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 bis zu 5 μm bei einer Schichtdicke von 10 μm (Ch. Maier, "Herstellung biomimetischer Materialien mit Rapid Prototyping Verfahren," Universität Wien, Diplomarbeit 2005)

Die Lösungen aus dem Stand der Technik ermöglichen eine effiziente Fertigung kleiner Bauteile. Sollen der Bauraum und damit das Baufeld größer werden, egal ob größere Bauteile oder nur mehrere Bauteile in einem Arbeitsgang gefertigt werden sollen, vergrößert sich die Fertigungszeit. Grund sind sehr lange Fahrwege der Achsen. Je länger die horizontalen Achsen werden, umso mehr Zeit wird für die Strecke benötigt. Grundsätzlich lässt sich mit der bisherigen Erfindung zwar das Baufeld beliebig in der Größe skalieren, die Fertigungsgeschwindigkeit je Bahn bleibt aber konstant. Damit steigt bei größeren Baufeldern die Fertigungszeit pro Schicht.

Eine Vergrößerung der Flächen, die über dem Baufeld zu belichten sind, wird durch die Anordnung mehrere Laserscanner-Systeme in einem festen Raster erreicht. So gesehen wird der Bauraum in einzelne Baufelder aufgeteilt. Die Kosten für die Belichtung steigen dadurch sehr stark an, da mehrere Laser, mehrere optische Systeme und mehrere Laserscanner-Systeme eingesetzt werden müssen.

Weiterhin wird versucht die Fertigungsgeschwindigkeit der Stereolithographie durch die gleichzeitige Fertigung mehrerer Bauteile in Arbeitsgang zu erhöhen. Nachteil ist dabei aber, dass nur identische Bauteile gleicher Größe und Form produziert werden können. Es besteht keine Möglichkeit unterschiedliche Bauteile in einem Arbeitsgang oder beliebig große Bauteile besonders schnell zu fertigen.

Aufgabe der Erfindung ist ein Stereolithographie-System mit mehr als einer unabhängigen Strahlquelle zu entwickeln und damit verbunden, eine Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen, wobei in einem Arbeitsgang auch in Form, Größe und Gestalt unterschiedliche Bauteile gefertigt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Stereolithographie-System bestehend aus einem Aufnahmeblock (1) für die Aufnahme von in y- und x-Achsen verfahrbaren Linearantriebe (4, 5) als gekreuzte Anordnung und für die Aufnahme eines Baugefässes (2) mit integrierter, höhenverstellbarer Bauplattform (3) gelöst, wobei die gekreuzte Anordnung der Linearantriebe für die y-Achsen (4) und für die x-Achsen (5) in vertikaler Richtung senkrecht über dem Baugefäß (3) angeordnet sind. Die unabhängig von einander verfahrbaren, je eine Strahlungsquelle (7) tragende, Schlitten (6) sind an in x-Achsen unabhängige voneinander verfahrbaren Linearantrieben (5) und die in den x-Achsen unabhängig voneinander verfahren Linearantriebe (5) sind an unabhängig voneinander verfahrbaren Linearantrieben (4) in y-Achsen angeordnet.

Um eine optimale Führung der Strahlungsquellen (7) über das Baufeld (9) zu erreichen, beträgt in einer weiteren Ausführung der Erfindung das Verhältnis der in y-Achse verfahrbaren Linearantrieben (4) zu den in der x-Achse verfahrbaren Linearantrieb (5) 1:1 oder 1:2 oder 2:1, wobei beim Verhältnis 1:1 mindestens zwei Schlitten (6) für je eine Strahlungsquelle (7) auf dem in der x-Achse verfahrbaren Linearantrieb (5) angeordnet sind.

In einer weitere Ausführung der Erfindung wird ein Stereolithographie-System dargestellt, das zwei, unabhängig voneinander verfahrbare, eine Strahlungsquelle (7) tragender, Schlitten (6) an mindestens einem, in x-Achse verfahrbaren und an mindestens einem in y-Achse verfahrbaren Linearantrieb (4) angeordneten, Linearantrieb (5) befestigt sind.

In einer weitere Möglichkeit gemäß dieser Erfindung wird ein Stereolithographie-System beschrieben, das je ein, eine Strahlungsquelle (7) tragender Schlitten (6) an zwei, unabhängig voneinander in x-Achse verfahrbaren und an mindestens einem in Y-Achse verfahrbaren Linearantriebe (4) angeordneten, Linearmotoren (5) befestigt sind.

Die Linearantriebe (4, 5) können gemäß dieser Erfindung Linearmotoren sein.

Die Strahlungsquellen (7) sind gemäß dieser Erfindung als Laserquellen ausgebildet.

Kern der Erfindung ist, ein neues Konzept zur Aufhängung zweier oder mehrerer Strahlungsquellen (7) zur unabhängigen Belichtung eines Photopolymerbades. und die Möglichkeit mehrere unabhängig gesteuerte Schlitten auf einem Linearantrieb zu betreiben.

So kann innerhalb einer Fertigungsbahn ein Bauraum durch mehr als einen Laser polymerisiert werden. Damit verdoppelt, verdreifacht, usw. sich abhängig von der Laseranzahl die Fertigungsgeschwindigkeit bei gleicher Achsenlänge.

Durch Auslegung der Steuerelektronik kann auch ein einziges Bauteil mit mehreren Lasern gleichzeitig gefertigt werden. Dazu müssen sich die Arbeitsbereiche der Laser nur überschneiden.

Das erfindungsgemäße Stereolithographie-System zeichnet sich durch eine deutliche Steigerung der Produktivität herkömmlicher Systeme (mehrere gleichzeitig arbeitende Strahlquellen) und die Möglichkeit, sehr große Bauteile mit vertretbarem Aufwand zu fertigen, aus. Damit wird ein Kostenvorteil gegenüber bisherigen Stereolithographie-Anlagen erreicht.

Die Erfindung wird nun näher an mehreren Beispielen erläutert, wobei die 1 den schematischen Aufbau des Stereolithographie-System mit einem Linearantrieb (4) für die y-Achse und einem Linearantrieb (5) für die x-Achse mit zwei eine Strahlungsquelle (7) tragenden Schlitten (6), die 2 die Aufteilung der Arbeitsbereiche für zwei Laser (7) auf der x-Achse, die 3 eine schematische Darstellung des Stereolithographie-System mit einem Linearantrieb (4) für die Y-Achse und zwei Linearantriebe (5) für die x-Achse, die 4 eine schematische Darstellung eines Stereolithographie-Systems für sechs unabhängige Laser (7) und die 5 die Aufteilung der Arbeitsbereiche für acht voneinander unabhängige Laser (7) auf sechs Linearantriebe (4) für die x-Achsen und drei Linearantrieb für die y-Achsen darstellen. Dabei bedeuten

Bezugszeichenliste

1

Aufnahmeblock

2

Bauraum

3

Bauplattform

4

Linearmotor für den Antrieb auf der y-Achse

5

Linearmotor für die x-Achse

6

Schlitten

7

Strahlquelle

9

Baufeld

10

Träger

Beispiel 1:

An dem Aufnahmeblock (1) ist ein Träger (10) angeordnet, an dem ein Linearmotor (4) als Antrieb auf der y-Achse befestigt ist. An diesem Linearmotor (4) als Antrieb auf der y-Achse ist ein Linearmotor (5) für den Antrieb auf der x-Achse angebracht, wobei beide Linearmotoren (4,5) unabhängig voneinander geregelt werden. Der Linearmotor (5) für den Antrieb auf der x-Achse wird von dem Linearmotor (4) für die y-Achse über das Baufeld (3) geführt.

An dem Linearmotor (5) für den Antrieb auf der x-Achse sind zwei Schlitten (6) angeordnet, die unabhängig voneinander in Ihren Verfahrwegen regelbar sind.

An den Schlitten (6) sind senkrecht über dem Baufeld (9) je ein Diodenlaser (7) angeordnet, die mittels der unabhängig voneinander regelbaren Linearmotoren (4, 5) für die Antriebe x- und y-Achsen sowie der Schlitten (6) über das gesamte Baufeld (9) geführt werden können. Ein lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer), zum Beispiel Epoxidharz, wird von einem Laser in dünnen Schichten (Standardschichtstärke im Bereich 0,05–0,25 mm, bei Mikrostereolithografie auch bis zu 1 Mikrometerschichten) ausgehärtet. Die Prozedur geschieht in einem Bad, welches mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen (photosensitiven) Kunststoffes gefüllt ist. 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. Der flüssige Kunststoff über dem Teil wird dann durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Dann fahren die zwei Diodenlaser (7) mittels der Linearmotoren (4, 5) für die Antriebe auf den x- und y-Achsen 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 Modell entsteht.

Beim Stereolithographieverfahren werden bei der Herstellung typischerweise auch Stützstrukturen mit gebaut, da das vorn 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 (3) mit dem/den Teil(en) aus dem Bauraum (2) 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.

Beispiel 2:

In diesem Beispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit acht unabhängig steuerbaren Lasereinheiten dargestellt. Dabei sind an zwei Linearmotoren (4) für die Y-Achsen jeweils vier Linearmotoren (5) für die X-Achsen mit je zwei Schlitten (6) für die Aufnahme eines Diodenlasers (7) befestigt.

Das Baufeld (9) ist in Quadranten (s. 5) aufgeteilt, wobei jeder Laser einem Quadranten zugeordnet ist und jeder Laser belichtet mittels einer Softwaresteuerung seinen Quadranten. Die geometrische Überlappung der Quadranten sichert einen sauberen Übergang innerhalb eines Bauteils ab. Die schematische Darstellung in der 3 zeigt eine solche Anlage.

Zu Herstellung von Bauteilen in den jeweiligen Quadranten wird dann nach Prinzip im Beispiel 1 verfahren.

Diese Stereolithographie-System eignet sich besonders für Bauraumabmessungen größer einem Meter Breite.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

• DE 102011012412 A1 [0002]
• DE 10235427 A1 [0003]
• DE 102012011418 A1 [0004]
• DE 102009009503 B3 [0005]
• DE 102004057527 B4 [0006]
• US 2003001313 A [0007]
• US 2002185782 A1 [0009]
• US 2004094728 A [0010, 0015]
• DE 10053741 C1 [0013]
• US 2002171178 A1 [0016]
• US 4575330 B1 [0018]
• US 5595703 A [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

• www.klartext-pr.de/..../artikel/Die Kultur der Prototypenherstellung.pdf [0017]
• Gandhi, P. S. et. al. Micromech. Microeng., no 20, pp 1–11, 2010 [0020]
• K. Ikuta et. al. ”New Mikro Stereo Lithography for freely movable 3 D Mikro Structure”, IEEE, pp. 290–295, 1998 [0022]
• Maruo, S. et. al. Sensors and Actuators, vol A 100, pp. 70–76, 2002 [0024]
• K. Ikuta, et. al. ”New Mikro Stereo Lithography for freely movable 3D Mikro Structure,” IEEE. pp. 290–295, 1998 [0025]
• M. Schuster et al., ”Gelatin-Based Photopolymers for Bone Replacement Materials, ”Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, vol 47, pp. 7078–7089, 2009 [0026]
• Ch. Maier, ”Herstellung biomimetischer Materialien mit Rapid Prototyping Verfahren,” Universität Wien, Diplomarbeit 2005 [0027]