DE19528215A1

DE19528215A1 - Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Modellen und Formen

Info

Publication number: DE19528215A1
Application number: DE1995128215
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Himmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1997-02-06

Description

Das beschriebene Verfahren betrifft die Herstellung von dreidimensionalen Formen und Modellen und gehört zu den Prozessen des Rapid Prototyping (Schnelle Prototypenfertigung) die auch als Solid Freeform Manufacturing, Layer Manufacturing (Schichtentechnologien), Desktop Manufacturing oder Solid Freeform Fabrication bekannt sind.

Gegenwärtig sind zahlreiche Rapid Prototyping Verfahren im Einsatz. Die unter dem Namen "Stereolithografie" bekannte Technologie ist der Hauptvertreter dieser Klasse von Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein CAD-Computer-Modell in Schichten zerlegt. Die entstandenen Querschnitte werden nun mit Hilfe eines Laserstrahls auf einer Photopolymeroberfläche ausgehärtet. Ist der erste Querschnitt verfestigt wird die nächste Schicht auf der Vorhergehenden aufgebaut. Auf diese Weise entsteht schichtweise ein festes dreidimensionales Modell. Die anderen bekannten Verfahren unterscheiden sich in der Ausführung der Bautechnologie.

Das Solider-Verfahren (Solid Ground Curing) verfestigt die entsprechenden Querschnittsbereiche mit Hilfe einer Maske und einer UV-Lampe.

Beim LOM-Verfahren (Laminated Object Manufacturing) werden Papierschichten übereinander geklebt und die jeweils oberste Schicht mit einem Laserstrahl entsprechend ausgeschnitten. Das nichtbenötigte Material wird nachfolgend entformt.

Das Direct Shell Casting härtet Pulverschichten selektiv aus. Dabei wird zuerst eine Schicht Pulver ausgelegt. Ein Plotter trägt dann auf die auszuhärtenden Stellen Binder auf, der sich mit dem Pulver verbindet. Es erfolgt keine Bearbeitung der Schichten während des Prozesses. Das zurückbleibende unverfestigte Pulver wird nach Prozeßende entfernt. Somit können direkt Formen für Gießprozesse hergestellt werden.

Die bekannten Verfahren weisen jeweils spezifische Nachteile auf. Allerdings sind einige gemeinsame Mängel zu erwähnen.

1. Die Prozesse sind hinsichtlich Fertigungsgenauigkeit und der damit verbundenen Genauigkeit der Modelle nicht befriedigend. Das Einsatzgebiet ist deshalb sehr beschränkt.
2. Die derzeitig verfügbaren Materialien besitzen ungünstige mechanische Eigenschaften. Auch die Vielfalt der Materialien ist eingeschränkt. Beispielsweise wird die Verarbeitung von Metallen noch nicht beherrscht.
3. Auf Grund der Schichtenbautechnologie zeigen die Modelle an der Oberfläche eine sogenannte "Treppenbildung". Das bedeutet, die Oberflächengüte ist für viele Anwendungsfälle unzureichend.
4. Viele Modelle weisen Verzugserscheinungen als Folge von Schrumpfprozessen auf.

Aus den genannten Nachteilen der existierenden Verfahren ergibt sich als Aufgabe der Erfindung, daß die Verfahren hinsichtlich Fertigungsgenauigkeit, Materialeigenschaften und Oberflächengüte verbessert werden müssen. Um dies zu erreichen sollen die Prozeßabläufe verändert und die Materialpalette erweitert werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Veränderung der Bautechnologie gegenüber bekannten Schichtentechnologien. Das Verfahren ist dadurch geprägt, daß eine mechanische, physikalische oder chemische Bearbeitung der einzelnen Schichten in der X/Y-Ebene während des Bauprozesses erfolgt, die Technologie und Reihenfolge der Schichtauftragung wird verändert, so daß viele Materialien eingesetzt werden können. Alle bekannten Verfahren beruhen nur auf einer Verfestigung der einzelnen Schichten in der X/Y- Ebene, bei der Annahme das die Z-Koordinate die Baurichtung ist.

Für die Verfahrensbeschreibung soll die gesamte Datenaufbereitung der Teile, wie CAD- Modellierung, Erzeugen eines Schichtfiles (Slicefile) analog den bekannten Vorgehensweisen erfolgen.

1. Auslegen der Startschicht

Das Material soll ein sogenannter Füllstoff sein, der durch chemische, thermische (Wärme, Kühlung), physikalische (Strahlung) oder mechanische Verfahren verfestigt werden kann, oder es verfestigt sich von selbst (Abbinden). Als Materialien kommen nahezu alle Materialien in Frage, die sich gut "Auslegen" lassen (z. B.: durch Walzen, Rollen, Gießen, Spritzen, Auftragsverfahren wie Auftragsschweißen, Beschichtungsverfahren, Wischen, Aufstreichen, Drucken), sich nach dem Auslegen schnell verfestigen, mechanisch bearbeitbar sind und für das ausgewählte Verfahren günstig erscheinen (Hitzebeständigkeit). Beispiele: Auswalzen, Gießen oder Spritzen eines Sand-Binder-Gemisches, eines Keramikmaterials, eines Keramik-Binder-Gemisches, eines Metalls, einer Metallegierung oder eines Gießharzes mit Metall- bzw. Metallegierungsfüllung; Metallbeschichtungen; Auftragen von flüssigem Wachs; Auftrag von flüssigen oder plastischen Kunststoffmaterialien. Anschließend muß diese Schicht wie oben erläutert verfestigt werden. Die Auftragshöhe sollte höher sein als die gewünschte Schichthöhe um beim Abtragen eine exakte, ebene Fläche zu erzielen.

2. Abtragen der Schicht

Als nächster Verfahrensschritt erfolgt ein Abtragen der verfestigten Schicht auf eine genau definierte Schichthöhe (Z-Höhe). Diese wird durch das Slicefile vorgegeben. Dadurch wird stets eine genau definierter Schichtabschluß und somit eine hohe Z- Genauigkeit erreicht. Als Abtragmethoden kämen beispielsweise mechanische Verfahren wie Fräsen, Schleifen, Hobeln, physikalische oder chemische Verfahren (Ätzen) in Frage. Durch das Abtragen werden Verzugserscheinungen beseitigt und Spannungen im Material verringert.

3. Bauen der Startschichten

Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Startschichten gebaut ist. Eine gute Haftung der Schichten muß in jedem Fall gewährleistet sein.

4. Auslegen der Baustoffschicht

Das Auslegen und Aushärten der Baustoffschicht erfolgt durch geeignete Verfahren wie unter Punkt 1 beschrieben. Ist der Baustoff z. B. Wachs erscheint eine Kühlung zur schnelleren Aushärtung sinnvoll. Die Baustoffschichten müssen zu sich selbst und zu den Füllschichten gut haften.

5. Bearbeiten der Baustoffschicht

Als nächstes wird diese Schicht in der X/Y-Ebene bearbeitet. Dazu sind geeignete Verfahren hinsichtlich Genauigkeit, Materialeigenschaften und Wirtschaftlichkeit zu wählen. Die Bearbeitung kann durch mechanische Verfahren (Fräsen, Schleifen, Gravieren, Einritzen, Einkerben, Hobeln, Schaben) physikalische oder chemische Verfahren (Ätzen) erfolgen. Bei den mechanischen Bearbeitungsvarianten ist die Werkzeuggröße von besonderer Bedeutung. Bei sehr kleinen Fräswerkzeugen (ähnlich Bohrern und Fräsern der Zahnmedizin) ist z. B. die Bearbeitung von komplizierten geometrischen Details wie Ecken besser möglich.

Im Sinne der Bearbeitungsmöglichkeiten und der Wirtschaftlichkeit sollte ein Werkzeugwechsel im Prozeß (Werkzeugwechselvorrichtung) vorgesehen werden. Weiterhin ist bei Fräs- und Schleifwerkzeugen der Winkel der Werkzeugachse und die Werkzeugform entscheidend. Zur Verringerung oder Beseitigung der durch die Bautechnologie entstandenen Treppenstruktur kann das Werkzeug eine der Modellkontur angepaßte Form besitzen.

Möglich ist auch ein Kippen der Werkzeugachse. Zusätzlich können in diesen Bearbeitungsschritten Bohrungen in Z-Richtung gefertigt werden. Um den Bearbeitungsaufwand zu verringern sollte die Bohrung erst nach Erreichen der entsprechenden Z-Höhe eingebracht werden. Montagearbeiten sind so weit wie möglich in den Prozeß einzugliedern.

Durch die genannten Bearbeitungsvarianten ist eine höhere Fertigungsgenauigkeit im Vergleich zu gegenwärtig üblichen Verfahren und eine Verringerung oder Beseitigung der Treppenstruktur zu erreichen.

6. Auftragen der Füllstoffschicht

In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt das Auftragen des Füllstoffes wie in Punkt 1 beschrieben. Der Füllstoff dient zum Auffüllen der durch die Bearbeitung entstandenen Lücken.

7. Abtragen der Schicht

Diese Schicht wird wie unter Punkt 2 erläutert abgetragen.

8. Wiederholung der Schritte 4, 5, 6, 7 bis alle Schichten gebaut sind.

Die Steuerung des Verfahrensablaufs sollte die Möglichkeit einer "variablen Schichtstärke" einschließen. Das heißt, sind im Verlauf des Prozesses nur vertikale Konturen/Flächen zu fertigen, so kann die Schichtstärke erhöht werden, da die ,,Treppenstufen" nicht auftreten. Dies erhöht die Baugeschwindigkeit und somit die Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen demonstriert.

An der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Auslegen der Baustoffschicht,

Fig. 2 Bearbeiten der Baustoffschicht,

Fig. 3 Auftragen der Füllschicht,

Fig. 4 Abtragen der Schicht und

Fig. 5 Bauen der Schichten, dargestellt in der Seitenansicht.

Mit dem dargestellten Verfahren lassen sich Formen zur Verwendung in verschiedenen Gießverfahren herstellen. Als Füllstoff (2) könnte beispielsweise ein Sand-Binder Gemisch, ein Gießharz, ein Metall oder eine Metallegierung benützt werden. Als Baustoff (3) käme Wachs, wie es in Wachsausschmelzverfahren Anwendung findet, zur Verwendung. Das Wachs kann in flüssiger Form durch Rollen, Walzen, Wischen, Gießen oder Spritzen ausgelegt werden. Nach Beendigung des Bauprozesses wird das Wachs ausgeschmolzen oder ausgewaschen. Die entstandene Form kann nun als Gießform für verschiedene Verfahren, z. B. Sandguß, eingesetzt werden. Die Formen eignen sich auch zur Mehrfachverwendung. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Form direkt ohne vorheriges Ausschmelzen des Wachses im Wachsausschmelzverfahren einzusetzen.

Die Materialwahl des Füllstoffes (2) und des Baustoffes (3) bestimmen dabei die Verwendungsmöglichkeiten. Erfolgt der Einsatz von Metall oder Metallegierungen als Füllstoff (2) ist eine Verwendung als Spritzgießform möglich. Allerdings ist dann eine sinnvolle Teilung der Formen (Bauen in mehreren Teilen) zur Entformung der Gießteile notwendig. Der Baustoff (3) müßte dann den Erfordernissen des Bauprozesse (Festigkeit) angepaßt werden. Weiterhin können die für das Gießen notwendigen Kühlvorrichtungen (Kühlrohre) im Bauprozeß mit gebaut werden.

Ist ein Modell zur Verwendung als Design-, Funktions-, Fertigungsmodell, Prototyp oder als Modell für einen Folgeprozeß vorgesehen, so kann der Baustoff (3) dem gewünschten Material entsprechen. Auf diese Art lassen sich Modelle aus Metall, Metallegierungen oder Kunststoff fertigen. Der Füllstoff (2) müßte den Bedingungen des Bauprozesses entsprechen. Grundsätzlich sollte der Füllstoff (2) nach dem Bauen durch Abschmelzen, Auflösen etc. leicht zu entfernen sein. Beispielsweise könnte der Füllstoff (2) Wachs und der Baustoff (3) eine niedrigschmelzende Metallegierung sein. Das Wachs kann dann durch Auflösen beseitigt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Model len und Formen nach dem Prinzip des Rapid Prototyping unter Nutzung eines gesteuerten Schichtaufbaus, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische, physikali sche oder chemische Bearbeitung der einzelnen Schichten in der X/Y-Ebene während des Bauprozesses erfolgt, wobei die Technologie und Reihenfolge der Schichtauftragung und Schichtbearbeitung veränderbar ist, so daß viele Materia lien eingesetzt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, wobei die gesamte Datenaufbereitung, wie CAD-Modellierung, Erzeugen eines Schichtfiles (Slicefile) analog den bekannten Vorgehensweisen erfolgt:

a) Auslegen der Startschicht (1): das Material ist ein sogenannter Füllstoff (2), der durch chemische, thermische (Wärme, Kühlung), physikalische (Strahlung) oder mechani sche Verfahren verfestigt werden kann oder es verfestigt sich von selbst (Abbinden);
b) Abtragen der Schicht: die verfestigte Schicht wird auf eine genau definierte Schichthöhe (Z-Höhe) durch mechani sche, physikalische oder chemische Verfahren abgetragen, wobei die Schichthöhe durch das Slicefile vorgegeben wird;
c) Bauen der Startschichten (1): dieser Vorgang gemäß Schritte a) und b) wird solange wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Startschichten gebaut ist;
d) Auslegen der Baustoffschicht (3): das Auslegen und Aushärten der Baustoffschicht erfolgt durch geeignete Verfahren analog Pkt. a);
e) Bearbeiten der Baustoffschicht (3) in der X/X-Ebene mittels geeigneter Verfahren (mechanische, chemische oder physikalische Verfahren), abhängig von der erforderlichen Genauigkeit, den Materialeigenschaften und der Wirtschaft lichkeit;
f) Auftragen der Füllstoffschicht (2) wie unter Pkt. a) beschrieben zum Auffüllen der durch die Bearbeitung ent standenen Lücken;
g) Abtragen der Schicht analog zu Pkt. b);
h) Wiederholung der Schritte d) bis g) solange, bis alle Schichten gebaut sind, d. h. das Modell, die Form vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Materialien eingesetzt werden, die sich u. a. durch Walzen, Rollen, Gießen, Spritzen, Auftragsverfahren wie Auftragsschweißen, Beschichtungsver fahren, Wischen, Aufstreichen, Drucken gut "auslegen" lassen, sich nach dem Auslegen schnell verfestigen, mecha nisch bearbeitbar sind und für das jeweils ausgewählte Verfahren günstig erscheinen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Fräs- und Schleifwerkzeugen im Rahmen des mechanischen Bearbeitungs verfahrens der Winkel der Werkzeugachse und/oder die Werk zeugform der Modellkontur angepaßt gewählt wird.