DE9415849U1

DE9415849U1 - Device for the stereolithographic layer-by-layer production of an object in a bath of a liquid which can be solidified by the action of radiation

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Publication number: DE9415849U1
Application number: DE9415849U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2004-10-01

Description

Dr. Matthias Fockele, 33178 Borchen Dr. Dieter Schwarze, 33160 PaderbornDr. Matthias Fockele, 33178 Borchen Dr. Dieter Schwarze, 33160 Paderborn

Vorrichtung zur stereolithographischen schichtweisen Herstellung eines Objektes in einem Bad einer durch Strahlunaseinwirkuna verfestiabaren Flüssigkeit Device for the stereolithographic layer-by-layer production of an object in a bath of a liquid that can be solidified by exposure to radiation

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur stereolithographischen schichtweisen Herstellung eines Objektes in einem Bad einer durch Strahlungseinwirkung verfestigaren Flüssigkeit, umfassend einen Behälter zur Aufnahme des Flüssigkeitsbades, eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung einer jeweils nahe der Oberfläche des Bades zu verfestigenden Schicht der Flüssigkeit zwecks Bildung einer betreffenden Schicht des Objektes, einen Träger zur Positionierung des bereits durch Bestrahlung der Flüssigkeit verfestigten Teils des Objektes relativ zur Oberfläche des Bades und eine mit einer entlang der Oberfläche des Bades horizontal verschiebbar geführten Abstreifvorrichtung mit einem starren Abstreifelement ausgestattete Einrichtung zur Präpierung einer jeweils nachfolgend zu verfestigenden, an ihrer Oberfläche im wesentlichen glatten Flüssigkeitsschicht über der jeweils zuletzt verfestigten Schicht, wobei das Abstreifelement an seinem der Badoberfläche benachbarten Ende eine sich quer zur Verschieberichtung erstreckende Abstreifrandzone in Form einer Klinge aufweist.The invention relates to a device for the stereolithographic layer-by-layer production of an object in a bath of a liquid that can be solidified by exposure to radiation, comprising a container for receiving the liquid bath, an irradiation device for irradiating a layer of the liquid that is to be solidified near the surface of the bath in order to form a respective layer of the object, a carrier for positioning the part of the object that has already been solidified by irradiation of the liquid relative to the surface of the bath and a device equipped with a stripping device that can be moved horizontally along the surface of the bath and has a rigid stripping element for preparing a liquid layer that is to be solidified subsequently and has a substantially smooth surface over the layer that was solidified last, the stripping element having a stripping edge zone in the form of a blade that extends transversely to the direction of displacement at its end adjacent to the bath surface.

Stereolithographische Vorrichtungen der vorstehend genannten Art sind beispielsweise in der Publikation "A Review of 3D Solid Object Generation", A.J. Herbert, in Journal of Imaging Technology, Vol. 15, 1989, Seiten bis 190, beschrieben.Stereolithographic devices of the type mentioned above are described, for example, in the publication "A Review of 3D Solid Object Generation", A.J. Herbert, in Journal of Imaging Technology, Vol. 15, 1989, pages to 190.

Bei der stereolithographischen Herstellung von Kunststoffobjekten erfolgt die Verfestigung des Objektes schichtweise, wobei man eine Trägerplatte zunächst dicht unterhalbIn the stereolithographic production of plastic objects, the solidification of the object takes place layer by layer, whereby a carrier plate is first placed just below

der Badoberfläche anordnet und die über der Trägerplatte liegende Schicht der Flüssigkeit nach Maßgabe des gewünschten Querschnitts des Objektes bestrahlt, um so eine Basisschicht des Objektes zu verfestigen, die auf der Trägerplatte aufliegt. Sodann wird die Trägerplatte mit der darauf verfestigten Schicht weiter in das Kunststoffbad hineinbewegt, um eine nachfolgend zu verfestigende Flüssigkeitsschicht über der bereits verfestigten Schicht vorzusehen, wobei die Flüssigkeitsschichtdicke mit der Dicke der nachfolgend verfestigten Schicht korrespondiert. Durch entsprechende Bestrahlung der Flüssigkeitsschicht wird nun die nächste feste Objektschicht gebildet, die an der zuvor gebildeten Objektschicht anhaftet. Auf diese Weise werden weitere Schichten verfestigt bis das gewünschte Objekt insgesamt verfestigt ist.the bath surface and irradiates the layer of liquid above the carrier plate according to the desired cross-section of the object in order to solidify a base layer of the object that rests on the carrier plate. The carrier plate with the solidified layer on it is then moved further into the plastic bath in order to provide a liquid layer to be solidified next above the already solidified layer, the thickness of the liquid layer corresponding to the thickness of the subsequently solidified layer. By irradiating the liquid layer accordingly, the next solid object layer is formed, which adheres to the previously formed object layer. In this way, further layers are solidified until the desired object is solidified as a whole.

Die Bestrahlung der Flüssigkeit erfolgt bei den üblicherweise herangezogenen Photopolymeren vorzugsweise mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere ultraviolettem Licht. In der EP 0 171 &Oacgr;69 Al ist ferner auf die Verwendung von Elektronenstrahlen zur Aushärtung entsprechender flüssiger Kunststoffe hingewiesen.The irradiation of the liquid in the photopolymers usually used is preferably carried out by means of electromagnetic radiation, in particular ultraviolet light. EP 0 171 69 A1 also refers to the use of electron beams for curing corresponding liquid plastics.

Zu den Grundlagen der stereolithographischen Herstellung von Modellen kann ferner auf den Artikel von Hideo Kodama, "Automatic Method for Fabricating a Three-Dimensional Plastic Model with Photohardening Polymer", Rev. Sei. Instr. 52 (11), November 1981, Seiten 1770 bis 1773 verwiesen werden.For the basics of stereolithographic model production, reference can also be made to the article by Hideo Kodama, "Automatic Method for Fabricating a Three-Dimensional Plastic Model with Photohardening Polymer", Rev. Sci. Instr. 52 (11), November 1981, pages 1770 to 1773.

Bei den bekannten Verfahren der schichtweisen stereolithographischen Herstellung eines Objektes tritt das Problem auf, daß es schwierig ist, eine für den folgenden Bestrahlungsvorgang hinreichend gleichmäßige Flüssigkeitsschicht auf der zuletzt verfestigten Schicht auszubilden. Insbesondere wurden nach Absenkung der zuletzt verfestigten Schicht häufig Stellen unzureichender Benetzung der zuletztThe known processes for layer-by-layer stereolithographic production of an object have the problem that it is difficult to form a sufficiently uniform liquid layer on the last solidified layer for the subsequent irradiation process. In particular, after lowering the last solidified layer, areas of insufficient wetting of the last

verfestigten Schicht und Stellen mit Flüssigkeitsüberschuß gegenüber dem allgemeinen Pegel des Flüssigkeitsbades beobachtet.solidified layer and areas with excess liquid compared to the general level of the liquid bath were observed.

Zur Glättung der jeweils nachfolgend zu verfestigenden Flüssigkeitsschicht verwendet die in der DE 41 34 265 Al vorgeschlagene Vorrichtung zur stereolithographischen Herstellung eines Objektes eine flexible Abstreiflippe, die entlang der Oberfläche des Bades bewegt wird, um die Badoberfläche glattzustreichen, nachdem die zuletzt verfestigte Schicht abgesenkt worden ist. Die flexible Abstreiflippe ist so bemessen, daß sie mit ihrem unteren Ende in das Bad eintaucht, wenn sie in Ruhe ist. Im Bewegungszustand ist das untere Ende der Abstreiflippe in eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung aufgrund des von der Flüssigkeit entgegengesetzten Widerstandes gebogen und dabei geringfügig angehoben, wobei die Unterkante der Abstreiflippe in diesem angehobenen Zustand den Pegel der glattzustreichenden Badoberfläche definiert. Eine solche flexible Abstreiflippe funktioniert jedoch nur dann einigermaßen zuverlässig, wenn ihre Verschiebegeschwindigkeit im wesentlichen konstant ist und darüber hinaus keine wesentlichen Unebenheiten an der Badoberfläche vorliegen, da sonst der Verformungszustand nicht in der gewünschten Weise aufrechterhalten werden kann. Bei Versuchen mit einer derartigen flexiblen Abstreiflippe zeigte es sich, daß bei ausgeprägter Welligkeit der Badoberfläche die Unterkante der Abstreiflippe dem Welligkeitsprofil bis zu einem gewissen Grad folgte, anstatt die Wellenberge und die Wellentäler hinreichend gut auszugleichen. Dabei kam es ferner zu Ablösungen von Badflüssigkeit, die sich aufgrund von Kohäsionseffekten an der Abstreiflippe aufgestaut bzw. angesammelt hatte, wobei die Flüssigkeit insbesondere zur Ablösung neigte, während die Abstreiflippe die zuletzt verfestigte Schicht überstrich. Dies mag dadurch begründet sein, daß nach dem Absenken des Objektträgers eineTo smooth the liquid layer to be solidified next, the device for stereolithographic production of an object proposed in DE 41 34 265 A1 uses a flexible scraper lip that is moved along the surface of the bath to smooth the bath surface after the last solidified layer has been lowered. The flexible scraper lip is dimensioned so that its lower end is immersed in the bath when it is at rest. In the moving state, the lower end of the scraper lip is bent in a direction opposite to the direction of movement due to the resistance of the liquid and is slightly raised, with the lower edge of the scraper lip in this raised state defining the level of the bath surface to be smoothed. Such a flexible stripping lip only functions reasonably reliably, however, if its displacement speed is essentially constant and if there are no significant unevennesses on the bath surface, otherwise the deformation state cannot be maintained in the desired manner. Tests with such a flexible stripping lip showed that when the bath surface was extremely wavy, the lower edge of the stripping lip followed the wavy profile to a certain extent, instead of compensating the wave crests and troughs sufficiently well. This also led to the detachment of bath liquid that had accumulated or accumulated on the stripping lip due to cohesion effects, with the liquid particularly tending to detach while the stripping lip was wiping over the last solidified layer. This may be due to the fact that after the slide was lowered, a

ausgeprägtere Welligkeit der Flüssigkeitsoberfläche regelmäßig genau über der zuletzt verfestigten Schicht entsteht und ferner Adhäsionseffekte zwischen dem bereits festen Polymer und dem an der Lippe angesammelten flüssigen Polymer die Ablösung begünstigen.more pronounced waviness of the liquid surface regularly occurs exactly above the last solidified layer and furthermore adhesion effects between the already solid polymer and the liquid polymer accumulated on the lip promote detachment.

Bei einer aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 89 16 116 bekannten Vorrichtung zur stereolithographischen Herstellung eines Objektes ist eine längs der Badoberfläche verschiebbare Abstreifvorrichtung mit starren Abstreifklingen vorgesehen. Die Abstreifklingen reichen mit ihren unteren Enden bis zu dem gewünschten Niveau der nachfolgend zu verfestigenden Flüssigkeitsschicht. Hierdurch wird die bei flexiblen Abstreiflippen beobachtete nachgiebige Auf- und Abwärtsbewegung der Unterkannte bei stärkeren Unebenheiten der zu glättenden Flüssigkeitsschicht vermieden. Die in dem deutschen Gebrauchsmuster G 89 16 116 vorgeschlagenen Abstreifklingen sind jedoch allesamt so geformt und orientiert, daß an der (in Bezug auf die Bewegungsrichtung) hinteren Seite ein Überhang einer Klingenfläche über der bereits glattgestrichenen Badoberfläche vorhanden ist. An einem solchen Überhang bildet sich aufgrund von Oberflächenspannungseffekten zwischen der Badflüssigkeit und dem Material der Abstreifklinge ein Meniskus mit einer entsprechenden Ansammlung von Flüssigkeit. Derartige kohäsiven Flüssigkeitsansammlungen werden selbst dann noch beobachtet, wenn die rückseitige Klingenfläche senkrecht zur Badoberfläche steht. Bei Versuchen unter Verwendung solcher Abstreifklingen aus starrem Material wurde beobachtet, daß die angesammelte Flüssigkeitsmenge sich häufig dann von der Klingenrückseite löste, wenn die Klinge direkt in den Bereich oberhalb der zuletzt verfestigten Schicht bewegt wurde. Derartige Ablösungen von Flüssigkeit bewirken nun ihrerseits Unebenheiten der nachfolgend zu verfestigenden Schicht, und zwar regelmäßig an den Stellen, an denen eine besonders gleichmäßige Schichtdicke angestrebt wird.In a device for stereolithographic production of an object known from the German utility model G 89 16 116, a stripping device with rigid stripping blades that can be moved along the bath surface is provided. The lower ends of the stripping blades reach to the desired level of the liquid layer that is subsequently to be solidified. This avoids the flexible up and down movement of the lower edge observed with flexible stripping lips when the liquid layer to be smoothed is more uneven. However, the stripping blades proposed in the German utility model G 89 16 116 are all shaped and oriented in such a way that on the rear side (in relation to the direction of movement) there is an overhang of a blade surface over the already smoothed bath surface. At such an overhang, a meniscus with a corresponding accumulation of liquid forms due to surface tension effects between the bath liquid and the material of the scraper blade. Such cohesive accumulations of liquid are observed even when the rear surface of the blade is perpendicular to the bath surface. In tests using such scraper blades made of rigid material, it was observed that the accumulated amount of liquid often came off the back of the blade when the blade was moved directly into the area above the last solidified layer. Such detachments of liquid in turn cause unevenness in the layer to be solidified next, and regularly in the places where a particularly uniform layer thickness is desired.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der mit einfachen Mitteln eine verbesserte Präparierung der Badoberfläche für den jeweils nachfolgenden Bestrahlungsvorgang erzielt wird.In contrast, the present invention is based on the object of providing a device of the type mentioned at the outset, in which an improved preparation of the bath surface for the subsequent irradiation process is achieved using simple means.

Diese Aufgabe wird - ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 - erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Klinge des Abstreifelementes derart geformt und ausgerichtet ist, daß ihre Schneide in eine der Verschieberichtung des Abstreifelements entgegengesetzte und gegebenenfalls nach unten abgelenkte Richtung weist, wobei eine der Klingenbreitseiten oberhalb einer durch den im wesentlichen tiefsten Punkt der Schneide verlaufenden horizontalen Bezugsebene liegt und dieser zugewandt ist oder in der Bezugsebene liegt und wobei die andere Klingenbreitseite oberhalb der Bezugsebene liegt und von der Bezugsebene abgewandt ist.This object is achieved - based on the features of the preamble of claim 1 - in that the blade of the stripping element is shaped and aligned in such a way that its cutting edge points in a direction opposite to the direction of displacement of the stripping element and possibly deflected downwards, with one of the broad sides of the blade lying above a horizontal reference plane running through the essentially lowest point of the cutting edge and facing this or lying in the reference plane and with the other broad side of the blade lying above the reference plane and facing away from the reference plane.

Bezogen auf die horizontale Verschieberichtung des Abstreifelementes definiert die Schneide den tiefsten und am weitesten zurückliegenden Teil der Abstreifrandzone. Eine solche Ausbildung der Abstreifrandzone gewährleistet, daß keine nennenswerte Menge der Flüssigkeit aufgrund von Oberflächenspannungseffekten an der Klingenrückseite angesammelt wird. Die klingenförmige Abstreifrandzone hinterläßt daher bei ihrer Bewegung eine ebene Badoberfläche, ohne daß es zu Abtropfungen von der Klingenrückseite kommen kann.In relation to the horizontal displacement direction of the stripping element, the cutting edge defines the deepest and furthest back part of the stripping edge zone. Such a design of the stripping edge zone ensures that no significant amount of liquid is collected on the back of the blade due to surface tension effects. The blade-shaped stripping edge zone therefore leaves a flat bath surface behind as it moves, without any dripping from the back of the blade.

Wenngleich die Abstreifvorrichtung grundsätzlich mit einem starren Abstreifelement auskommen kann, das nach einem AbstreifVorgang angehoben und wieder in die Ausgangsstellung an einer Seite des Behälters zurückbewegt werden könnte, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, an der Abstreifvorrichtung zwei Abstreif-Although the stripping device can basically manage with a rigid stripping element that could be lifted after a stripping process and moved back into the starting position on one side of the container, according to a further development of the invention, it is proposed to use two stripping elements on the stripping device.

elemente vorzusehen, die einander gegenüberliegen und deren jedes für eine bestimmte Verschieberichtung im Sinne des kennzeichenden Teils des Anspruchs 1 ausgebildet ist. In diesem Fall wird der angestrebte Abstreifeffekt bei jeder Hin- und Herbewegung der Abstreifvorrichtung erzielt, wobei das in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung hinten liegende oder nachlaufende Abstreifelement eine glatte Badoberfläche hinterläßt.elements which are opposite one another and each of which is designed for a specific displacement direction in the sense of the characterizing part of claim 1. In this case, the desired stripping effect is achieved with each back and forth movement of the stripping device, with the stripping element which is located at the back or trailing in relation to the respective direction of movement leaving behind a smooth bath surface.

Dieser Effekt kann auch mit einem einzelnen Abstreifelement erhalten werden, wenn dieses nach jedem AbstreifVorgang winkelmäßig verstellt wird, so daß es in Bezug auf die dann jeweils folgende Bewegung in die entgegengesetzte Richtung im Sinne des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 ausgerichtet ist.This effect can also be achieved with a single stripping element if this is adjusted angularly after each stripping process so that it is aligned in the opposite direction with respect to the subsequent movement in the sense of the characterizing part of claim 1.

Vorzugsweise umfaßt die Einrichtung zur Präparierung einer jeweils nachfolgend zu verfestigenden Flüssigkeitsschicht eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung zur Bereitstellung von durch Strahlungseinwirkung verfestigbarer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeitsabgabevorrichtung Flüssigkeitsabgabemittel aufweist, die zusammen mit der Abstreifvorrichtung längs der Badoberfläche bewegbar angeordnet sind, und die dazu eingerichtet sind, während der Verschiebung der Abstreifvorrichtung Flüssigkeit an einer in Bezug auf die Verschieberichtung der Abstreifvorrichtung vor der betreffenden Abstreifrandzone liegenden Stelle abzugeben. Durch die von der Flüssigkeitsabgabevorrichtung bereitgestellte Flüssigkeit kann Flüssigkeitsmangel, etwa aufgrund unzureichender Benetzung der zuletzt verfestigten Schicht, ausgeglichen werden.Preferably, the device for preparing a liquid layer to be subsequently solidified comprises a liquid dispensing device for providing liquid that can be solidified by the action of radiation, the liquid dispensing device having liquid dispensing means that are arranged to be movable along the bath surface together with the stripping device and that are designed to dispense liquid during the displacement of the stripping device at a point that lies in front of the relevant stripping edge zone with respect to the displacement direction of the stripping device. The liquid provided by the liquid dispensing device can compensate for a lack of liquid, for example due to insufficient wetting of the last solidified layer.

Bei Ausführungsformen der Erfindung mit zwei einander gegenüberliegenden Abstreifelementen sind die Flüssigkeitsabgabemittel in einem Zwischenraum zwischen den Abstreifelementen angeordnet.In embodiments of the invention with two opposing stripping elements, the liquid dispensing means are arranged in a space between the stripping elements.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfaßtAccording to a preferred embodiment of the invention,

• ··

die Flüssigkeitsabgabevorrichtung wenigstens zwei unter Bildung eines Flüssigkeitsabgabespaltes einander gegenüber1iegende Hochspannungs flächenelektroden unterschiedlicher Polarität, deren unteren Enden nahe der Badoberfläche, insbesondere geringfügig oberhalb der Badoberfläche, gehalten sind, wobei durch Anlegung einer Hochspannung an die Hochspannungsflächenelektroden ein Reservoir der dielektrischen Photopolymerflüssigkeit durch elektrostatische Kräfte in Zwischenräumen zwischen den Hochspannungsflächenelektroden speicherbar ist, aus denen Flüssigkeit über den Flüssigkeitsabgabespalt an die Badoberfläche gelangen kann. Die Aufnahme des Flüssigkeitsreservoirs aus dem Bad erfolgt vorzugsweise in der Ruhestellung der Abstreifvorrichtung in einer Ausgangsstellung am Behälterrand. Beim Überstreichen der zuletzt verfestigten Schicht des Objektes löst sich aufgrund von Adhäsionseffekten Flüssigkeit von den Elektroden ab, die zur besseren Benetzung der zuletzt verfestigten Schicht dient. Der Ablösevorgang der Flüssigkeit kann noch dadurch beeinflußt werden, daß die elektrische Hochspannung an den Elektroden während des AbstreifVorganges gesteuert und insbesondere nach und nach verringert wird.the liquid dispensing device has at least two high-voltage surface electrodes of different polarity, which are opposite one another to form a liquid dispensing gap and whose lower ends are held close to the bath surface, in particular slightly above the bath surface, whereby by applying a high voltage to the high-voltage surface electrodes, a reservoir of the dielectric photopolymer liquid can be stored by electrostatic forces in gaps between the high-voltage surface electrodes, from which liquid can reach the bath surface via the liquid dispensing gap. The liquid reservoir is preferably taken up from the bath in the rest position of the stripping device in a starting position on the edge of the container. When the last solidified layer of the object is swept over, liquid detaches from the electrodes due to adhesion effects, which serves to better wet the last solidified layer. The liquid removal process can be further influenced by controlling the high electrical voltage at the electrodes during the stripping process and, in particular, by gradually reducing it.

Gemäß einer anderen Ausführungsform umfaßt die Flüssigkeitsabgabevorrichtung als Flüssigkeitsabgabemittel einen mittels einer Eintaucheinrichtung in das Bad eintauchbaren Schwamm zur Speicherung der Flüssigkeit. Der Schwamm kann die Flüssigkeit während der Verschiebebewegung der Abstreifvorrichtung an die Badoberfläche abgeben. Das Eintauchen des Schwamms erfolgt vorzugsweise in Ruhestellung der Abstreifvorrichtung in einer Ausgangsstellung am Behälterrand. Danach wird der Schwamm angehoben, so daß er vorzugsweise oberhalb des gewünschten Pegels der Badoberfläche während des Abstreifvorgangs verbleibt.According to another embodiment, the liquid dispensing device comprises a sponge as liquid dispensing means, which can be immersed in the bath by means of an immersion device, for storing the liquid. The sponge can dispense the liquid to the bath surface during the sliding movement of the stripping device. The sponge is preferably immersed in the rest position of the stripping device in a starting position at the edge of the container. The sponge is then raised so that it preferably remains above the desired level of the bath surface during the stripping process.

Die Flüssigkeitsabgabe des ggf. synthetischen Schwamms kann beispielsweise durch eine den porösen SchwammThe liquid release of the synthetic sponge can be for example by a porous sponge

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zusammendrückende Vorrichtung gesteigert werden.8th
compressing device can be increased.

Sehr gute Ergebnisse wurden bei einer Ausführungsform mit Hochspannungsflächenelektroden der vorstehend erläuterten Art und zwischen den Elektroden eingesetzten Schwämmen erzielt.Very good results were achieved in an embodiment with high-voltage surface electrodes of the type described above and sponges inserted between the electrodes.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird -ausgehend von der gattungsgemäßen Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen- vorgeschlagen, daß der Träger von einem sich in abgedichteter Weise durch den Behälterboden erstreckenden Haltegestänge in dem Bad gehalten ist, wobei das Haltegestänge vertikal verschiebbar ist, um die jeweils zuletzt verfestigte Schicht des entstehenden Objektes jeweils um eine der gewünschten Schichtdicke der nachfolgend zu verfestigenden Schicht im wesentlichen entsprechendes Maß in das Bad einzutauchen, und daß an dem Träger oder an dem Haltegestänge ein sich aus dem Bad heraus nach oben erstreckendes Volumenausgleichelement befestigt ist, welches so bemessen ist, daß das von ihm beim Absenken des Trägers verdrängte Flüssigkeitsvolumen im wesentlichen dem Volumen desjenigen Teils des Haltegestänges entspricht, welches während des jeweiligen Absenkvorgangs durch den Behälterboden hindurch das Behälterinnere verläßt.According to a further aspect of the invention - based on the generic device with the features mentioned at the beginning - it is proposed that the carrier is held in the bath by a holding rod extending in a sealed manner through the bottom of the container, the holding rod being vertically displaceable in order to immerse the last solidified layer of the object being created into the bath by a distance that essentially corresponds to the desired layer thickness of the layer to be solidified subsequently, and that a volume compensation element extending upwards out of the bath is attached to the carrier or to the holding rod, which is dimensioned such that the volume of liquid displaced by it when the carrier is lowered essentially corresponds to the volume of that part of the holding rod that leaves the interior of the container through the bottom of the container during the respective lowering process.

Durch diese verblüffend einfachen Maßnahmen wird sichergestellt, daß die Badoberfläche ungeachtet der Absenkung des Trägers einen konstanten mittleren Pegel beibehält, was ebenfalls dazu beiträgt, daß die jeweils nachfolgend zu verfestigende Flüssigkeitsschicht in determinierter Weise für den Bestrahlungsvorgang bereitgestellt werden kann. Insbesondere sind keine Detektionsmittel zur Überwachung des Pegels der Badoberfläche während des laufenden Betriebes erforderlich.These astonishingly simple measures ensure that the bath surface maintains a constant average level regardless of the lowering of the carrier, which also contributes to the fact that the liquid layer to be solidified subsequently can be made available in a determined manner for the irradiation process. In particular, no detection means are required to monitor the level of the bath surface during operation.

Das Haltegestänge und das Volumenausgleichselement sindThe support rod and the volume compensation element are

vorzugsweise gleichartige Stangen, die über ihre gesamte Länge einen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen.preferably similar rods which have a substantially constant cross-section over their entire length.

Das insbesondere in Form einer Haltestange ausgebildete Haltegestänge ist vorzugsweise unterhalb des Behälterbodens betriebsmäßig lösbar an einer Antriebseinrichtung für die Vertikalverschiebung angekuppelt. Auf diese Weise kann der Behälter schnell freigemacht werden, um gegen einen anderen entsprechenden Behälter ausgetauscht werden zu können'.The holding rod, which is designed in particular in the form of a holding rod, is preferably coupled to a drive device for vertical displacement below the container bottom in an operationally detachable manner. In this way, the container can be quickly freed in order to be able to be exchanged for another corresponding container.

Die Austauschmöglichkeit der Behälter ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da in der Praxis häufig Objekte aus unterschiedlichen Polymermaterialien in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen ein- und derselben Stereolithographievorrichtung herzustellen sind. Die unterschiedlichen Photopolymere werden in den verschiedenen austauschbaren Behältern bereitgestellt.The interchangeability of the containers is an important consideration, since in practice objects made of different polymer materials often have to be produced in successive working cycles of one and the same stereolithography device. The different photopolymers are provided in the various interchangeable containers.

Damit nach einer solchen Behälterauswechslung die Badoberfläche des jeweils neu in die Vorrichtung eingebrachten Behälters rasch auf das gewünschte Höhenniveau eingestellt werden kann, wird eine Triangulationsmeßeinrichtung vorgeschlagen, die eine in Bezug auf die Bestrahlungseinrichtung ortsfeste Meßstrahlungsquelle zur Emission eines schräg auf die Badoberfläche einfallenden MeSstrahlenbündels und eine ebenfalls gesondert von dem Behälter angeordnete Strahlungsdetektionseinrichtung aufweist, die das von der Badoberfläche reflektierte Strahlenbündel an einer vorbestimmten Stelle empfängt, wenn die Badoberfläche das gewünschte Höhenniveau eingenommen hat. Der Behälter ist mittels einer Hubeinrichtung vertikal bewegbar, um die Höheneinstellung der Badoberfläche nach Maßgabe des von der Strahlungsdetektioneinrichtung bereitgestellten Signals vornehmen zu können. Die Höheneinstellung kann im Sinne einer Reglung vollautomatisch erfolgen. In einer vereinfachten Variante sind Mittel zur manuellenIn order to ensure that the bath surface of the new container placed in the device can be quickly adjusted to the desired height level after such a container exchange, a triangulation measuring device is proposed which has a measuring radiation source which is fixed in relation to the irradiation device for emitting a measuring beam incident at an angle on the bath surface and a radiation detection device which is also arranged separately from the container and which receives the beam reflected from the bath surface at a predetermined location when the bath surface has reached the desired height level. The container can be moved vertically by means of a lifting device in order to be able to adjust the height of the bath surface in accordance with the signal provided by the radiation detection device. The height adjustment can be carried out fully automatically in the sense of a control. In a simplified variant, means for manual

&iacgr;&ogr;&iacgr;&ogr;

Einstellung der vertikalen Position des Behälters vorgesehen.Adjustment of the vertical position of the container is provided.

Die Strahlungsquelle der Triangulationsmeßeinrichtung kann - falls gewünscht - auf die Badoberfläche einer Nebenkammer des Behälters gerichtet sein, die mit dem eigentlichen Behälter kommuniziert.The radiation source of the triangulation measuring device can - if desired - be directed at the bath surface of a secondary chamber of the container, which communicates with the actual container.

Triangulationsmeßeinrichtungen sind auf dem Gebiet der Stereolithographie bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf das bereits zitierte deutsche Gebrauchsmuster G 89 16 116 verwiesen werden. Die bekannten Triangulationsmeßeinrichtungen dienen jedoch zur laufenden Überwachung des Pegels der Badflüssigkeit während des Betriebes und haben eine an dem Behälter angeordnete Meßstrahlungsquelle. Damit ist es jedoch nicht möglich ein Referenzmaß für die oft unterschiedlichen Pegel austauschbarer Behälter festzulegen. Die laufende Überwachung des Flüssigkeitspegels des jeweils in Betrieb befindlichen Behälters ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 10 gar nicht erforderlich, da das Haltegestänge und das am Träger befestigte Volumenausgleichselement automatisch für einen hinreichend konstanten Pegel sorgen.Triangulation measuring devices are known in the field of stereolithography. In this context, reference can be made, for example, to the German utility model G 89 16 116 already cited. The known triangulation measuring devices, however, serve to continuously monitor the level of the bath liquid during operation and have a measuring radiation source arranged on the container. However, this does not make it possible to establish a reference measurement for the often different levels of interchangeable containers. The continuous monitoring of the liquid level of the container in use at any given time is not necessary in the device according to the invention as defined in claim 10, since the holding rods and the volume compensation element attached to the carrier automatically ensure a sufficiently constant level.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the figures.

Darin zeigt:It shows:

Figur 1 in einer stark schematisierten Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur stereolithographischen Herstellung von Objekten.Figure 1 shows a highly schematic side view of a device according to the invention for the stereolithographic production of objects.

Figur 2 eine alternative Ausführungsform einer Abstreifklinge für die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung,Figure 2 shows an alternative embodiment of a scraper blade for the device shown in Figure 1,

Figur 2a eine Erläuterungsskizze mit einer AbstreifklingeFigure 2a an explanatory sketch with a scraper blade

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nach dem Stand der Technik,11
According to the state of the art,

Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Abstreifvorrichtung für die in Figur 1 gezeigte Stereolithographievorrichtung undFigure 3 shows a further embodiment of a stripping device for the stereolithography device shown in Figure 1 and

Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer Abstreifvorrichtung für die in Figur 1 gezeigte Stereolithographievorrichtung .Figure 4 shows a further embodiment of a stripping device for the stereolithography device shown in Figure 1 .

Figur 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht.Figure 1 shows a highly schematic representation of a device according to the invention, generally designated 1, in a side view.

Die Vorrichtung 1 umfaßt einen Rahmen 3 mit horizontalen Schienen 5, auf denen die Räder 7 eines als Wagen ausgebildeten Behälters 9 abgestützt und geführt sind.The device 1 comprises a frame 3 with horizontal rails 5 on which the wheels 7 of a container 9 designed as a trolley are supported and guided.

Der in Figur 1 im Schnitt gezeichnete Behälter 9 ist nach oben hin offen und beinhaltet eine durch elektromagnetische Strahlung verfestigbare Photopolymerflüssxgkeit 11.The container 9 shown in section in Figure 1 is open at the top and contains a photopolymer liquid 11 that can be solidified by electromagnetic radiation.

Durch den Boden 13 des Behälters erstreckt sich in vertikaler Richtung eine Haltestange 15, die an ihrem oberen Ende eine Trägerplattform 18 für das herzustellende Objekt 17 trägt.A support rod 15 extends vertically through the bottom 13 of the container and carries at its upper end a support platform 18 for the object 17 to be produced.

Die in abgedichteter Weise durch den Behälterboden 13 geführte Haltestange 15 ist mittels einer Antriebsvorrichtung 19 in gesteuerter Weise vertikal verschiebbar, um die Trägerplattform 18 in noch zu erläuternder Weise weiter in das Flüssigkeitsbad 11 einzutauchen. Damit beim Absenken der Trägerplattform 18 die Badoberfläche 21 auf einem im wesentlichen konstanten Höhenniveau bleibt, wird das Volumen des beim Absenken der Trägerplattform 18 unten aus dem Behälter herausgezogenen Teils der Haltestange 15 durch eine Ausgleichsstange 23 ausgeglichen, die über ihreThe holding rod 15, which is guided in a sealed manner through the container bottom 13, can be moved vertically in a controlled manner by means of a drive device 19 in order to immerse the support platform 18 further into the liquid bath 11 in a manner to be explained below. In order to ensure that the bath surface 21 remains at a substantially constant height when the support platform 18 is lowered, the volume of the part of the holding rod 15 that is pulled out of the container at the bottom when the support platform 18 is lowered is compensated by a compensating rod 23, which

gesamte Länge den gleichen Querschnitt hat wie die Haltestange 15 und die von der Trägerplattform 18 vertikal nach oben absteht. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Maßnahme zur Aufrechterhaltung des Höhenniveaus der Badoberfläche 21 getroffen worden.has the same cross-section as the entire length of the support rod 15 and which projects vertically upwards from the support platform 18. In this way, a very simple measure for maintaining the height level of the bath surface 21 has been taken.

Die Haltestange 15 ist über eine Kupplung 25 betriebsmäßig lösbar mit dem Vertikalantrieb 19 verbunden, wobei diese Kupplung 25 unterhalb des Behälterbodens 13 vorgesehen ist. Soll der Behälter 9 gegen einen anderen Behälter entsprechender Bauart ausgewechselt werden, so ist lediglich die Haltestange 15 von dem Antrieb 19 durch Lösen der Kupplung 25 zu trennen und der Behälter 9 mit dem darin verbleibenden Träger 18 dann längs der Schienen 5 fortzubewegen. Ein gegebenenfalls mit einem anderen Photopolymer gefüllter Behälter kann dann den Platz des entfernten Behältes 9 einnehmen, und die entsprechende Trägerhaltestange 15 des neuen Behälters kann über die Kupplung 25 mit dem Vertikalantrieb 19 verbunden werden.The holding rod 15 is detachably connected to the vertical drive 19 via a coupling 25, whereby this coupling 25 is provided below the container base 13. If the container 9 is to be exchanged for another container of a corresponding design, the holding rod 15 only has to be separated from the drive 19 by releasing the coupling 25 and the container 9 with the carrier 18 remaining in it then moved along the rails 5. A container possibly filled with a different photopolymer can then take the place of the removed container 9, and the corresponding carrier holding rod 15 of the new container can be connected to the vertical drive 19 via the coupling 25.

Damit nach einem solchen Auswechslungsvorgang die Badoberfläche 21 des neuen Behälters 9 mit einfachen Mitteln wieder auf ein vorbestimmtes Höheniveau gebracht werden kann, ist eine Triangulationsmeßeinrichtung vorgesehen, die einen an dem Rahmen 3 befestigten He-Ne-Laser 27 umfaßt, der so justiert ist, daß sein gebündelter Strahl 29 unter einem Winkel schräg zur Badoberfläche 21 auftrifft. Der von der Badoberfläche 21 reflektierte Strahl 29' des He-Ne-Lasers 27 trifft auf eine Photodetektorzeile 31, die ebenfalls an dem Rahmen 3 befestigt ist. Hat die Badoberfläche 21 das gewünschte Höhenniveau, dann trifft der reflektierte Strahl 29' auf ein vorbestimmtes Sensorelement 31' der Photodetektorzeile 31. Dieser Zustand wird über eine Kontrollanzeige 33 angezeigt. Hat die Badoberfläche 21 des Behälters 9 nicht den gewünschten Höhenpegel, so können die Schienen 5 vertikal nach oben oder nach unten verschoben werden, bis die Anzeige 33 dieSo that after such a replacement process the bath surface 21 of the new container 9 can be brought back to a predetermined height using simple means, a triangulation measuring device is provided which comprises a He-Ne laser 27 attached to the frame 3, which is adjusted so that its bundled beam 29 hits the bath surface 21 at an angle. The beam 29' of the He-Ne laser 27 reflected from the bath surface 21 hits a photodetector row 31, which is also attached to the frame 3. If the bath surface 21 has the desired height, the reflected beam 29' hits a predetermined sensor element 31' of the photodetector row 31. This state is displayed via a control display 33. If the bath surface 21 of the container 9 does not have the desired height level, the rails 5 can be moved vertically up or down until the indicator 33 shows the

13
korrekte Höheneinstellung der Badoberfläche 21 anzeigt.13
correct height setting of the bath surface 21.

Die Höheneinstellbarkeit der Schienen 5 ist in Figur 1 nur stellvertretend durch Stellschrauben 35 repräsentiert angedeutet. Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich automatische Hubantriebe für die Schienen 5 vorgesehen sein. Die Höheneinstellung der Schienen 5 und damit der Badoberfläche 21 kann auch durch eine Reglung erfolgen, wobei der Ist-Wert durch das jeweils von dem reflektierten Laserstrahl 29' getroffene Sensorelement der Photodetektorzeile 31 {Abstand zum Element 31') bereitgestellt werden kann.The height adjustability of the rails 5 is only indicated in Figure 1 by adjusting screws 35. Of course, automatic lifting drives for the rails 5 can be provided alternatively or additionally. The height adjustment of the rails 5 and thus of the bath surface 21 can also be carried out by a control, whereby the actual value can be provided by the sensor element of the photodetector row 31 (distance to the element 31') hit by the reflected laser beam 29'.

Die Vorrichtung 1 weist ferner einen UV-Laser 37 auf, der einen gebündelten Strahl 39 für die Aushärtung des Photopolymers 11 bereitstellt. Der Laserstrahl 39 trifft auf einen steuerbaren Spiegelscanner 41, welcher den Strahl 39 zur Badoberfläche 21 hin ablenkt.The device 1 also has a UV laser 37, which provides a focused beam 39 for curing the photopolymer 11. The laser beam 39 hits a controllable mirror scanner 41, which deflects the beam 39 towards the bath surface 21.

Der Spiegel-Scanner 41 wird von einem Steuerrechner 43 gesteuert und ist in der Lage, den abgelenkten Laserstrahl 39 innerhalb des bei 44 angedeuteten Raumkegels auf jeden Punkt der Badoberfläche 21 abzulenken.The mirror scanner 41 is controlled by a control computer 43 and is able to deflect the deflected laser beam 39 to any point on the bath surface 21 within the spatial cone indicated at 44.

Bei Beginn der Herstellung eines Objektes 17 befindet sich die Trägerplattform 18 dicht unterhalb der Badoberfläche 21. Der Steuerrechner 43 steuert den Spiegel-Scanner 41 dann in der Weise, daß letzterer mit dem Laserstrahl an der Badoberfläche 21 eine Fläche nach Maßgabe des Querschnitts der untersten herzustellenden Schicht des Objektes 17 beschreibt. Der von dem Laserstrahl 39 überstrichene Bereich der Flüssigkeit 11 an der Badoberfläche 21 wird auf diese Weise verfestigt und bildet die Bodenschicht des herzustellenden Objektes 17.At the start of the production of an object 17, the support platform 18 is located just below the bath surface 21. The control computer 43 then controls the mirror scanner 41 in such a way that the latter uses the laser beam on the bath surface 21 to describe an area in accordance with the cross-section of the lowest layer of the object 17 to be produced. The area of the liquid 11 on the bath surface 21 covered by the laser beam 39 is solidified in this way and forms the bottom layer of the object 17 to be produced.

Der Steuerrechner 43 aktiviert daraufhin den Antrieb 19, um die Trägerplattform 18 um das Maß der Dicke der nachfolgendThe control computer 43 then activates the drive 19 to move the support platform 18 by the amount of the thickness of the following

zu verfestigenden Flüssigkeitsschicht weiter in das Bad einzutauchen.to further immerse the liquid layer to be solidified into the bath.

Zur Herstellung einer gleichmäßigen Dicke der nachfolgend zu verfestigenden Schicht ist eine Abstreifvorrichtung 45 vorgesehen, die entlang der Badoberfläche 21 horizontal verschiebbar geführt und mittels eines nicht näher gezeigten Schlittenantriebs antreibbar ist. Die Abstreifvorrichtung weist im gezeigten Beispiel nach Figur 1 zwei Abstreifelemente 47 auf, die sich senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 mit Spiel im wesentlichen über die gesamte Innenbreite des Behälters 9 erstrecken und an ihren unteren Enden voneinander weggebogene Abstreifrandzonen 49 aufweisen, die nach außen hin unter Bildung einer Schneide 51 spitz zulaufen bzw. sich asymptotisch mit ihrer Unterseite der angestrebten Horizontalebene für den Flüssigkeitspegel nähern. Die Schneiden 51 bilden die am weitesten unten und am weitesten außen liegenden Elemente der aus den Abstreifelementen 47 bestehenden Baugruppe.To produce a uniform thickness of the layer to be solidified subsequently, a stripping device 45 is provided, which is guided so as to be horizontally displaceable along the bath surface 21 and can be driven by means of a slide drive (not shown in detail). In the example shown in Figure 1, the stripping device has two stripping elements 47, which extend perpendicularly to the plane of the drawing in Figure 1 with play essentially over the entire inner width of the container 9 and have stripping edge zones 49 bent away from one another at their lower ends, which taper towards the outside to form a cutting edge 51 or asymptotically approach the desired horizontal plane for the liquid level with their underside. The cutting edges 51 form the lowest and outermost elements of the assembly consisting of the stripping elements 47.

Durch die gezeigte Form der Abstreifrandzonen 49 wird erreicht, daß keine nennenswerte Flüssigkeitsmenge durch Kohäsion (Oberflächenspannungseffekte) am rückseitigen Ende des in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung 45 hinteren oder nachlaufenden Abstreifelementes aufsteigt und dann über der zuletzt verfestigten Schicht in unerwünschter Weise wieder abgegeben wird. Das in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung 45 nachlaufende Abstreifelement 47 hinterläßt daher eine glatte Badoberfläche und somit eine gleichmäßige nachfolgend zu verfestigende Schicht über der jeweils zuletzt verfestigten Schicht, wobei sich die Schneiden 51 der Abstreifelemente in Höhe des gewünschten mittleren Pegels der Badoberfläche 21 befinden.The shape of the stripping edge zones 49 shown ensures that no significant amount of liquid rises due to cohesion (surface tension effects) at the rear end of the stripping element that is at the rear or trailing end in relation to the respective direction of movement of the stripping device 45 and is then released again in an undesirable manner over the last solidified layer. The stripping element 47 that trails in relation to the respective direction of movement of the stripping device 45 therefore leaves behind a smooth bath surface and thus a uniform layer to be subsequently solidified over the last solidified layer, with the cutting edges 51 of the stripping elements being at the height of the desired average level of the bath surface 21.

Bei der in Figur 1 gezeigten Abstreifvorrichtung 45 sind inIn the stripping device 45 shown in Figure 1,

einem Abstand von den unteren Enden der Abstreifelemente Öffnungen 53 in den Abstreifelementen 47 vorgesehen. Diese kleinen Öffnungen 53 erlauben den Durchtritt von Flüssigkeit, die sich auf der Vorderseite des in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung 45 vorlaufenden Abstreifelementes 47 gegebenenfalls sammelt. Wenigstens ein Teil dieser vorn aufgestauten Flüssigkeit kann somit in den Zwischenraum 55 zwischen den Abstreifelementen gelangen, um dort gegebenenfalls vorhandenen Flüssigkeitsmangel auszugleichen. Die Lage und die Form der Öffnungen 53 sind so gewählt, daß keinesfalls so viel Flüssigkeit in den Zwischenraum 55 gelangen kann, daß diese aus der jeweiligen Öffnung 53 des in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung 45 nachlaufenden Abstreifelementes wieder austreten kann.a distance from the lower ends of the stripping elements, openings 53 are provided in the stripping elements 47. These small openings 53 allow the passage of liquid that may collect on the front of the stripping element 47 that is leading in relation to the respective direction of movement of the stripping device 45. At least part of this liquid that has accumulated at the front can thus reach the gap 55 between the stripping elements in order to compensate for any lack of liquid that may be present there. The position and shape of the openings 53 are selected in such a way that under no circumstances so much liquid can get into the gap 55 that it can escape again from the respective opening 53 of the stripping element that is trailing in relation to the direction of movement of the stripping device 45.

Bei Bedarf kann die Abstreifvorrichtung 45 ein oder mehrere Male über der zuletzt verfestigten Schicht hinweg hin- und herbewegt werden, um die Badoberfläche 21 zu glätten. Bei den bisherigen Versuchen hat es sich jedoch gezeigt, daß ■ jeweils ein einmaliges Überstreichen der zuletzt verfestigten Schicht mit der Abstreifvorrichtung 45 ausreicht, um eine hinreichend gleichmäßige Flüssigkeitsschicht zu präparieren.If necessary, the stripping device 45 can be moved back and forth over the last solidified layer one or more times in order to smooth the bath surface 21. In the tests carried out so far, however, it has been shown that ■ a single sweep over the last solidified layer with the stripping device 45 is sufficient to prepare a sufficiently uniform liquid layer.

Die Abstreifvorrichtung 45 ist an einer Schlittenführung 57 in Form von Laufschienen horizontal geführt. Es sind Mittel vorgesehen, die eine Justierung der horizontalen Lage der Laufschienen 57 ermöglichen, etwa um Unebenheiten des Fundaments auszugleichen, auf dem der Rahmen 3 steht. Zu diesem Zweck sind die Schienen 57 bei 59 an einem Ende schwenkbar am Rahmen 3 gelagert und stützen sich am entgegengesetzten Ende an einem Verstellmechanismus 61 ab, der bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel durch eine horizontal verstellbare Justierschraube repräsentiert ist. Die schwenkbare Laufschiene 57 dient ferner in vorteilhafter und einfacher Weise dazu, die Abstreifvorrichtung 45The stripping device 45 is guided horizontally on a slide guide 57 in the form of guide rails. Means are provided that enable the horizontal position of the guide rails 57 to be adjusted, for example to compensate for unevenness in the foundation on which the frame 3 stands. For this purpose, the rails 57 are pivotably mounted on the frame 3 at 59 at one end and are supported at the opposite end on an adjustment mechanism 61, which in the example shown in Figure 1 is represented by a horizontally adjustable adjustment screw. The pivotable guide rail 57 also serves in an advantageous and simple manner to adjust the stripping device 45

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vollständig aus dem Behälter 9 herauszuheben, wenn letzterer zum Austausch aus dem Rahmen 3 herausgefahren werden soll. Sie kann dann für den neu eingebrachten Behälter wieder zurückgeschwenkt werden, wobei die Abstreifvorrichtung dann automatisch ihre korrekte Höhenposition einnimmt.to be lifted completely out of the container 9 when the latter is to be moved out of the frame 3 for replacement. It can then be swung back again for the newly inserted container, whereby the stripping device then automatically assumes its correct height position.

Die Steuerung des Antriebs der Abstreifvorrichtung 45 erfolgt mittels des Steuerrechners 43.The drive of the stripping device 45 is controlled by means of the control computer 43.

Nachdem der GlättungsVorgang mittels der Abstreifvorrichtung 45 beendet worden ist, steuert der Steuerrechner 43 nach Maßgabe gespeicherter Daten, die die Form des herzustellenden Objektes 17 repäsentieren, erneut den Spiegel-Scanner 41 an, so daß dieser an der Badoberfläche 21 ein Flächenmuster entsprechend dem Querschnitt der nun zu verfestigenden Schicht des Objektes 17 mit dem Laserstrahl 39 beschreibt, um die Flüssigkeit entsprechend dem gewünschten Querschnitt des Objektes 17 über der zuletzt verfestigten Schicht auszuhärten. Daraufhin folgt dann wieder eine Absenkung der Trägerplattform 18 in der bereits beschriebenen Weise, und die Abstreifvorrichtung kommt wieder zum Einsatz. Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich, bis das in Form aneinanderhaftender Schichten gebildete Objekt 17 bis zum angestrebten Grad fertiggestellt ist.After the smoothing process has been completed using the stripping device 45, the control computer 43 controls the mirror scanner 41 again according to stored data that represents the shape of the object 17 to be produced, so that the latter uses the laser beam 39 to describe a surface pattern on the bath surface 21 corresponding to the cross section of the layer of the object 17 that is now to be solidified, in order to harden the liquid in accordance with the desired cross section of the object 17 above the last solidified layer. The carrier platform 18 is then lowered again in the manner already described, and the stripping device is used again. The processes described are repeated until the object 17, formed in the form of layers adhering to one another, is completed to the desired degree.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Figur 1 weist gegenüber dem Stand der Technik mehrere hervorzuhebende Vorteile auf. In diesem Zusammenhang ist die einfache Auswechselbarkeit des Behälters 9 zu betonen, hier sei daran erinnert, daß lediglich das Trägerhaltegestänge vom Antrieb 19 zu lösen und die Schiene 57 zu verschwenken ist, um den Behälter frei zu machen.The device according to the invention shown in Figure 1 has several advantages over the prior art that are worth emphasizing. In this context, the simple exchangeability of the container 9 should be emphasized; here it should be remembered that only the carrier holding rod has to be released from the drive 19 and the rail 57 has to be pivoted in order to free the container.

In diesem Zusammenhang ist ferner zu betonen, daß der gewünschte Abstand zwischen dem Spiegel-Scanner 41 und derIn this context, it should also be emphasized that the desired distance between the mirror scanner 41 and the

Badoberfläche 21 nach Auswechslung eines Behälters 9 mit einfachen Mitteln einstellbar ist, wobei die in Bezug auf den Spiegel-Scanner 41 ortsfest angebrachten Elemente 27 und 31 der Triangulationsmeßexnrichtung eine präzise Einstellhilfe bieten.Bath surface 21 can be adjusted using simple means after replacing a container 9, whereby the elements 27 and 31 of the triangulation measuring device, which are fixed in position with respect to the mirror scanner 41, offer a precise adjustment aid.

Bedeutung kommt ferner der Kombination der durch den Behälterboden 13 geführten Haltestange 15 und der mit der Trägerplattform 19 nachgeführten Ausgleichsstange 23 zu. Durch diese Kombination ist mit geringstem Aufwand sichergestellt, daß die Badoberfläche 21 den gewünschten Höhenpegel beibehält.Also important is the combination of the support rod 15 guided through the tank bottom 13 and the compensation rod 23 guided along the support platform 19. This combination ensures with minimal effort that the bath surface 21 maintains the desired height level.

Figur 2 zeigt in einer vergrößerten Seitenansicht das Profil einer Abstreifrandzone 149 eines Abstreifelements 147, wie es alternativ zu dem Abstreifelement 47 aus Figur 1 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur stereolithographischen Herstellung eines Objektes verwendbar ist. Zu Erläuterungszwecken zeigt der Pfeil F in Figur 2 die aktuelle Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung an. Aus Figur 2 ist deutlich zu erkennen, daß die Schneide 151 des Abstreifelementes 147 in eine der Verschieberichtung F entgegengesetzte und nach unten abgelenkte Richtung K weist, wobei die Klingenbreitseite 160 oberhalb der durch den tiefsten Punkt der Schneide 151 verlaufenden horizontalen Bezugsebene E liegt und dieser Bezugsebene E zugewandt ist. Die andere Klingenbreitseite 162 liegt ebenfalls oberhalb der Bezugsebene E, wobei sie jedoch von der Bezugsebene E abgewandt ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Breitseite 162 mit der Badoberfläche 121 einen Winkel einschließt, der größer als 90* ist. Hierdurch wird vermieden, daß am rückseitigen Ende der Abstreifrandzone ein Überhang über der Badoberfläche vorliegt, welcher der Flüssigkeit die Möglichkeit gäbe, aufgrund von Oberflächenspannungseffekten am Abstreifelement aufzusteigen bzw. zeitweilig anzuhaften.Figure 2 shows an enlarged side view of the profile of a stripping edge zone 149 of a stripping element 147, as can be used as an alternative to the stripping element 47 from Figure 1 in the device according to the invention for the stereolithographic production of an object. For explanatory purposes, the arrow F in Figure 2 shows the current direction of movement of the stripping device. From Figure 2 it can be clearly seen that the cutting edge 151 of the stripping element 147 points in a direction K that is opposite to the direction of displacement F and is deflected downwards, with the broad side 160 of the blade lying above the horizontal reference plane E running through the lowest point of the cutting edge 151 and facing this reference plane E. The other broad side 162 of the blade is also above the reference plane E, but it faces away from the reference plane E. In other words, this means that the broad side 162 forms an angle with the bath surface 121 that is greater than 90*. This prevents an overhang over the bath surface at the rear end of the stripping edge zone, which would allow the liquid to rise or temporarily adhere to the stripping element due to surface tension effects.

Eine solche unerwünschte Situation, wie sie bei Abstreifvorrichtungen nach dem Stand der Technik beobachtet wurde, ist in Figur 2a skizziert. Die in Figur 2a gezeigte Abstreifklinge X weist eine im wesentlichen senkrecht zu der Bezugsebene E ausgerichtete Schneide S auf. Hierbei kommt es zu einem Überhang Ü an der in Bezug auf die Bewegungsrichtung F hinten liegenden Breitseite der Klinge X. An einem solchen Überhang 0 bildet sich ein Meniskus M der betreffenden Flüssigkeit 111 aufgrund der Oberflächenspannungswirkungen zwischen dem Material der Klinge X und der Flüssigkeit 111 aus. Es hat sich gezeigt, daß die so gesammelte Flüssigkeitsmenge an der Rückseite der Abstreifklinge X dazu neigt, sich dann von der Abstreifklinge zu lösen, wenn diese über der zuletzt verfestigten Schicht des herzustellenden Objektes angekommen ist.Such an undesirable situation, as observed in stripping devices according to the state of the art, is outlined in Figure 2a. The stripping blade X shown in Figure 2a has a cutting edge S aligned essentially perpendicular to the reference plane E. This results in an overhang Ü on the broad side of the blade X, which is at the back in relation to the direction of movement F. A meniscus M of the relevant liquid 111 forms on such an overhang 0 due to the surface tension effects between the material of the blade X and the liquid 111. It has been shown that the amount of liquid collected in this way on the back of the stripping blade X tends to detach from the stripping blade when it has arrived above the last solidified layer of the object to be produced.

Dieser unerwünschte und der angestrebten Glättung der Badoberfläche zuwiderlaufende Effekt wird bei der Abstreifvorrichtung nach der Erfindung vermieden.This undesirable effect, which runs counter to the desired smoothing of the bath surface, is avoided with the stripping device according to the invention.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abstreifvorrichtung 245, wie sie bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung verwendbar ist. Die Abstreifvorrichtung 245 nach Figur 3 hat Abstreifelemente 247, die den unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Elementen 47 ähnlich sind. Die Abstreifelemente 247 nach Figur 3 haben eine im wesentlichen horizontale Sohle 248. Im Zwischenraum 255 zwischen den Abstreifelementen 247 sind quer zur Horizontalen ausgerichtete Hochspannungselektroden unter Bildung jeweiliger Spalte 272 zwischen den Elektroden angeordnet und an einem Träger 274 gehalten. Bei Einschaltung der Elektrodenhochspannung wird eine Menge der dielektrischen Flüssigkeit 211 aufgrund elektrostatischer Kräfte in die Spalte 272 zwischen den Elektroden gezogen. Diese Flüssigkeitsmenge kann während des AbstreifVorgangs wieder abgegeben werden, um Flüssigkeitsmangel an bestimmten Stellen der Badoberfläche auszugleichen.Figure 3 shows a further embodiment of a stripping device 245 according to the invention, as can be used in the device shown in Figure 1. The stripping device 245 according to Figure 3 has stripping elements 247 that are similar to the elements 47 described with reference to Figure 1. The stripping elements 247 according to Figure 3 have a substantially horizontal base 248. In the space 255 between the stripping elements 247, high-voltage electrodes aligned transversely to the horizontal are arranged to form respective gaps 272 between the electrodes and are held on a carrier 274. When the high voltage of the electrodes is switched on, a quantity of the dielectric liquid 211 is drawn into the gaps 272 between the electrodes due to electrostatic forces. This quantity of liquid can be released again during the stripping process in order to compensate for a lack of liquid at certain points on the bath surface.

In Figur 4 ist eine weitere Abstreifvorrichtung 345 nach der Erfindung gezeigt. Die Besonderheit der Abstreifvorrichtung nach Figur 4 besteht darin, daß ein Schwamm 374 in dem Zwischenraum 355 zwischen den Abstreifelementen 347 angeordnet ist. Der Schwamm 374 kann mittels einer nicht gezeigten Eintauchvorrichtung in die Badflüssigkeit eingetaucht werden, um ein Reservoir aufzunehmen. Vor der jeweiligen Inbetriebsetzung der Abstreifvorrichtung 345 wird der Schwamm 374 wieder in den Zwischenraum 355 zurückgezogen. Er kann dann während der Verschiebebewegung der Abstreifvorrichtung 345 Flüssigkeit an die Badoberfläche 321 abgeben, um Stellen mit Flüssigkeitsmangel an der Badoberfläche mit Flüssigkeit zu versorgen. Es können Mittel vorgesehen sein, die während der Verschiebebewegung der Abstreifvorrichtung 345 einen Druck auf den Schwamm 374 ausüben, um die Flüssigkeitsabgabe zu forcieren.Figure 4 shows a further stripping device 345 according to the invention. The special feature of the stripping device according to Figure 4 is that a sponge 374 is arranged in the space 355 between the stripping elements 347. The sponge 374 can be immersed in the bath liquid by means of an immersion device (not shown) in order to accommodate a reservoir. Before the stripping device 345 is put into operation, the sponge 374 is pulled back into the space 355. It can then release liquid to the bath surface 321 during the sliding movement of the stripping device 345 in order to supply liquid to places on the bath surface where there is a lack of liquid. Means can be provided which exert pressure on the sponge 374 during the sliding movement of the stripping device 345 in order to force the release of liquid.

Wenngleich in den Figuren 1, 3 und 4 jeweils zwei Abstreifelemente an der Abstreifvorrichtung gezeigt sind, so kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur stereolithographischen Herstellung eines Objektes auch mit nur einem Abstreifelement auskommen, wenn dieses jeweils nach einem Abstreifvorgang von der Badoberfläche abgehoben und in eine definierte Startposition zurückgeführt wird. Eine andere Möglichkeit der Verwendung nur eines Abstreifelementes im erfindungsgemäßen Sinne liegt darin, die winkelmäßige Ausrichtung des Abstreifelementes nach jedem Abstreifvorgang zu ändern, so daß sich die unter Bezugnahme auf Figur 2 diskutierten geometrischen Beziehungen einstellen. Hizuzufügen ist noch, daß die klingenförmige Abstreifrandzone nicht unbedingt die in Fig. 2 gezeigte Form mit sich konisch verjüngender Spitze haben muß, zumal eine Spitze in der realistischen Ausführung immer einen endlichen, wenn auch kleinen Spitzenradius hat. Der erfindungsgemäß angestrebte Erfolg wird beispielsweise auchAlthough two stripping elements are shown on the stripping device in Figures 1, 3 and 4, a device according to the invention for the stereolithographic production of an object can also manage with just one stripping element if this is lifted off the bath surface after each stripping process and returned to a defined starting position. Another possibility of using just one stripping element in the sense of the invention is to change the angular orientation of the stripping element after each stripping process so that the geometric relationships discussed with reference to Figure 2 are established. It should also be added that the blade-shaped stripping edge zone does not necessarily have to have the shape shown in Figure 2 with a conically tapering tip, especially since a tip in the realistic design always has a finite, albeit small, tip radius. The success sought according to the invention is also achieved, for example,

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dann in befriedigender Weise erzielt, wenn die Abstreifrandzone als hinreichend dünne Blattklinge ausgebildet ist, bei der es einer Verjüngung am untersten Ende (an der Schneide) gar nicht bedarf.This is achieved satisfactorily if the stripping edge zone is designed as a sufficiently thin blade, which does not require any tapering at the lower end (at the cutting edge).

Claims

Dr. Matthias Fockele, 33178 Borchen Dr. Dieter Schwarze, 33160 Paderborn Protection claims

1. Device for the stereolithographic layer-by-layer production of an object in a bath of a liquid that can be solidified by exposure to radiation, comprising

- a container (9) for holding the liquid bath

- an irradiation device (37, 41) for irradiating a layer of the liquid to be solidified near the surface (21) of the bath (11) for the purpose of forming a respective layer of the object (17),

- a support (18) for positioning the already solidified part of the object (17) relative to the surface (21) of the bath and

- a device equipped with a stripping device (45; 145; 245; 345) that is displaceably guided along the surface (21) of the bath (11) and has a rigid stripping element (47; 147; 247; 347) for preparing a liquid layer that is to be subsequently solidified and has an essentially smooth surface above the layer that was solidified last, the stripping element (47; 147; 247; 347) having a stripping edge zone (49; 149; 249; 349) in the form of a blade that extends transversely to the direction of displacement of the stripping device (45; 145; 245; 345),

characterized,

that the blade (49; 149; 249; 349) is shaped and aligned in such a way that its cutting edge (51; 151; 251; 351) points in a direction opposite to the direction of displacement of the stripping device and possibly deflected downwards, wherein one (160) of the blade broad sides (160, 162) is above a through the substantially

deepest point of the cutting edge (151) and faces the horizontal reference plane (E) or lies in the reference plane (E) and the other broad side of the blade (162) lies above the reference plane (E) and faces away from the reference plane (E).

2. Device for the stereolithographic production of an object according to claim 1, characterized in that the blade-shaped edge zone (49; 249; 349) projects laterally from a substantially vertical support web.

3. Device for the stereolithographic production of an object according to claim 1 or 2, characterized in that the stripping device can be selectively displaced in mutually opposite horizontal directions along the bath surface and that the stripping element can be positioned by means of a positioning device in the respective working position in which the blade edge points in the relevant direction opposite to the direction of displacement and optionally deflected downwards.

4. Device for the stereolithographic production of an object according to one of claims 1 to 2, characterized in that

that the stripping device (45; 245; 345) can be moved back and forth along the bath surface and has two stripping elements (47; 247; 347) opposite one another in the direction of displacement, each of which has a stripping edge zone (51; 151; 251; 351) designed in the form of a blade in the sense of the characterizing part of claim 1 at the end adjacent to the bath surface, the stripping edge zone which is at the rear with respect to the respective direction of displacement pointing with its cutting edge (51; 251; 351) in a direction opposite to the relevant direction of displacement and possibly deflected downwards.

5. Device for stereolithographic production of an object according to one of the preceding claims, characterized in that

that the device for preparing a liquid layer to be subsequently solidified has a liquid dispensing device (270, 272; 374) for providing liquid that can be solidified by the action of radiation on the bath surface and that the liquid dispensing device comprises liquid dispensing means that are arranged to be movable along the bath surface together with the stripping device (245; 345) and that are designed to dispense liquid during the displacement of the stripping device (245; 345) at a location located in front of the stripping edge zone (247; 347) with respect to the displacement direction of the stripping device (245; 345).

6. Device for the stereolithographic production of an object according to claim 5,

characterized,

that the liquid is dielectric and that the liquid dispensing device has as liquid dispensing means at least two high-voltage electrodes (270) of different polarity, arranged transversely to the bath surface, which lie opposite one another to form a liquid dispensing gap, the lower ends of which are held close to the bath surface, in particular slightly above the bath surface, whereby by applying a high voltage to the high-voltage surface electrodes (270) a reservoir of the dielectric liquid can be stored by electrostatic forces between the high-voltage surface electrodes (270), from which liquid can reach the bath surface via the liquid dispensing gap.

7. Device for stereolithographic production of an object according to claim 5 or 6,

characterized,

that the liquid release means have capillary channels running transversely to the bath surface, in which liquid can be stored by cohesion or surface tension effect, and which release the stored liquid at least partially to the bath surface during the sliding movement of the stripping device.

8. Device for stereolithographic production of an object according to one of claims 5 to 7, characterized in that

that the liquid dispensing device has as liquid dispensing means a sponge (347) for storing liquid, which can be immersed in the bath and pulled out again by means of an immersion device, which is designed to dispense stored liquid to the bath surface during the displacement movement of the stripping device (345), if necessary via a funnel arrangement.

9. Device for stereolithographic production of an object according to claim 8,

characterized ,

that the liquid dispensing device has a device for compressing the sponge during the sliding movement of the stripping device.

10. Device for the stereolithographic production of an object according to the preamble of claim 1, characterized in that

that the carrier (18) is held in the bath (11) by a holding rod (15) extending in a sealed manner through the container bottom (13), wherein the holding rod (15) is vertically displaceable in order to move the last solidified layer of the resulting object by

a degree that essentially corresponds to the desired layer thickness of the layer to be subsequently solidified into the bath (11), and that a volume compensation element (23) extending upwards out of the bath (11) is arranged on the carrier (18) or on the holding rod (15), which is dimensioned such that the volume of liquid displaced by it when the carrier (18) is lowered essentially corresponds to the volume of that part of the holding rod (15) which leaves the interior of the container through the container bottom (13) during the respective lowering process.

11. Device for the stereolithographic production of an object according to claim 10, characterized in that the holding rod (15) and the volume compensation element (23) are rods with equal and essentially constant cross-sections over their length.

12. Device for stereolithographic production according to claim 10 or 11,

characterized,

that the support rod (15) is operatively detachably coupled to a drive device (19) for vertical displacement below the bottom (13) of the container (9) and that the container (9) is exchangeably held in a frame (3) of the stereolithography device in a predetermined position relative to the irradiation device (37, 41).

13. Device for stereolithographic production of an object according to claim 12,

characterized,

that for setting a predetermined working distance between the bath surface (21) and a component (41) of the irradiation device directing the radiation of the irradiation device (37, 41) onto the bath surface, a triangulation measuring device (27, 31, 33) and a

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Adjustment device (35) is provided for adjusting the working distance, wherein the triangulation measuring device (27, 31, 33) has a measuring radiation source (27) which is stationary in relation to the component (41) of the irradiation device (37, 41) and arranged separately from the container for emitting a measuring beam (29) and a radiation detection device (31) which is arranged separately from the container in a predetermined position relative to the measuring radiation source (27), which receives the beam (29) reflected from the bath surface (21) at a predetermined location (31') when the working distance adjustable by means of the adjustment device (35) is set, and which emits a signal indicating the correct setting of the working distance.

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