DE10057686A1 - Verfahren zur Nachbehandlung von dreidimensionalen Objekten, die mittels der Stereolithographie erzeugt worden sind - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung von dreidimensionalen Objekten, die mittels der Stereolithographie erzeugt worden sind, indem flüssige Monomere bzw. Oligomere von Acrylaten mit Epoxiden oder anderen chemisch reaktiven Stoffen durch UV- oder Laser-Strahlung schichtweise zu einem festen Polymer vernetzt worden sind. Es wird die Aufgabe gelöst, ein solches Verfahren zu schaffen, mit dem eine farbige Gestaltung derartiger Teile ohne Verschlechterung ihrer Eigenschaften erreicht wird. Dies wird möglich, indem das dreidimensionale Objekt in einer Farbflotte aus Säurefarbstoffen oder kationischen Farbstoffen gelagert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung von dreidi­ mensionalen Objekten, die mittels der Stereolithographie erzeugt worden sind, indem flüssige Monomere bzw. Oligomere von Acrylaten mit Epoxiden oder anderen chemisch reaktiven Stoffen durch UV- oder Laser-Strahlung schichtweise zu einem festen Polymer vernetzt wor­ den sind.

In verschiedenen Industriezweigen ist eine Reduzierung der Entwick­ lungszeit für neue Erzeugnisse wesentlich, um die Marktposition des jeweiligen Unternehmens gegenüber Wettbewerbern halten bzw. verbes­ sern zu können. Dieses Ziel ist mit konventioneller Entwicklungstä­ tigkeit, die einen relativ langen Zeitraum von ersten Studien über zahlreiche virtuelle Zwischenstufen bis zur Aufnahme einer Serien­ fertigung erfordert, kaum zu erreichen. Deshalb kommen zunehmend Verfahren des sog. "Rapid Prototyping" zur Anwendung, mit denen sich die Entwicklungszeiten im Vergleich zur konventionellen Ent­ wicklungstätigkeit erheblich vermindern lassen und mit denen oft­ mals eine noch bessere Erzeugnisqualität erreicht wird.

Für Aufgaben des Rapid Prototyping ist z. B. die Stereolithographie auf Basis der Photopolymerisation geeignet, mit der dreidimensiona­ le Objekte durch lokal begrenzte chemische Reaktionen erzeugt wer­ den können. Hierbei werden flüssige Monomere bzw. Oligomere (Acry­ late oder Epoxidharze) durch UV- oder Laser-Strahlung zu einem fe­ sten Polymer vernetzt. Der Aufbau des dreidimensionalen Objektes erfolgt schichtweise. Sobald eine Schicht photochemisch erzeugt und auspolymerisiert ist, wird neues, noch flüssiges Material auf diese Schicht aufgetragen und nachfolgend ebenfalls auspolymerisiert, so dass eine weitere Schicht entsteht. Für die Stereolithographie sind zahlreiche technische Lösungen verfügbar, die z. B. aus WO 92/11 577 A1 und DE 44 14 775 A1 bekannt sind.

Unabhängig von der jeweils konkreten Verfahrens- und Gerätetechnik hat sich die Stereolithographie grundsätzlich bewährt. Nachdem ihre Anwendung zunächst auf die Herstellung von Prototypen im Entwick­ lungsprozeß beschränkt war, wird diese Technik nunmehr auch für die Serienfertigung interessant. Die lediglich geringe mechanische Sta­ bilität der dreidimensionalen Objekte kann z. B. durch Tempern er­ höht werden. Da die photochemischen Eigenschaften der verwendeten Harze nicht durch Zusätze verändert werden dürfen, können aller­ dings bisher nur Harze in der Eigenfarbe verarbeitet werden. Bei der Fertigung von Prototypen ist es für den Entwicklungsingenieur somit schwierig, insbesondere bei kleinen oder geometrisch stark gegliederten Teilen die exakten Konturen eindeutig zu erkennen. Für die Serienfertigung genügen solche farblosen Teile zumindest dann nicht den Anforderungen, sofern sie beim bestimmungsgemäßen Ge­ brauch des Erzeugnisses sichtbar sind und bestimmte Designansprüche erfüllen sollen.

Deshalb werden die mittels Stereolithographie erzeugten dreidimen­ sionalen Objekte nach ihrer Fertigstellung oftmals mit einem Farb­ auftrag versehen, wobei die Farbe z. B. durch Sprühen oder durch Tauchen aufgebracht wird. Diese zusätzliche Farbschicht verändert jedoch Parameter der behandelten Teile. So entstehen maßliche Ände­ rungen, indem die Farbschicht auf der Außenkontur größere Außenmaße bewirkt, während sich bei Durchbrüchen und ähnlichen Ausgestaltun­ gen der freie Durchlaßquerschnitt reduziert. Weiterhin können die Farbschichten, die andere mechanische Eigenschaften aufweisen als das auspolymerisierte Harz, bei der Erprobung bzw. weiteren Handha­ bung beschädigt werden. Ferner ist es möglich, dass durch den Farb­ auftrag chemische Reaktionen zwischen dem Stereolithographieharz und der Farbe auftreten, in derem Ergebnis sich die Materialeigen­ schaften ändern, so dass sich z. B. eine verminderte Festigkeit des gesamten dreidimensionalen Objektes ergeben kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Nachbehandlung von dreidimensionalen Stereolithographieteilen zu schaffen, mit dem ei­ ne farbige Gestaltung derartiger Teile ohne Verschlechterung ihrer Eigenschaften erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst, indem das dreidimensionale Objekt in einer Farbflotte aus Säurefarbstoffen oder kationischen Farbstoffen gela­ gert wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Durch diese Verfahrenstechnik diffundieren die Farbstoffe in das zu behandelnde dreidimensionale Objekt ein, ohne dass sich die Maße und Oberflächeneigenschaften verändern. Sofern das Verfahren für Prototypen verwendet wird, werden für den Entwicklungsingenieur die Strukturen besser erkennbar als bei einem transparent diffusen Teil. Wird das Verfahren hingegen für die Serienfertigung benutzt, können insbesondere dekorative Effekte realisiert werden, indem das Teil eingefärbt wird. Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, dass das Verweilen der Stereolithographieteile in der Farbflotte einen ähnlichen Effekt bewirkt wie das bisher übliche Tempern, die Sprö­ digkeit wird vermindert. Gleichzeitig werden negative Auswirkungen auf Folgeprozesse, z. B. auf die Fertigung einer Silikonform unter Verwendung des derart behandelten Stereolithographieteils, ausge­ schlossen. Zusammenfassend bewirkt die vorgeschlagene Nachbehand­ lung eine Veredlung von dreidimensionalen Objekten, die mittels der Stereolithographie erzeugt worden sind.

Die Erfindung kann in verschiedenen Ausführungen realisiert werden. Sofern beispielsweise für die Entwicklung eines neuen Staubsaugers strömungstechnische Untersuchungen am Lüfterrad beabsichtigt sind, kann der Prototyp eines derartigen Lüfterrades zunächst mittels der Stereolithographie hergestellt werden. Dabei werden in an sich be­ kannter Weise flüssige Monomere bzw. Oligomere von Acrylaten oder Epoxidharzen durch UV- oder Laser-Strahlung schichtweise zu einem festen Polymer vernetzt, bis die Endkontur erreicht ist. Nunmehr wird das Lüfterrad aus der Stereolithographieeinheit entnommen, das Stützgewebe sowie unvernetztes Harz werden entfernt und nachfolgend wird das Lüfterrad in einer Farbflotte aus Säurefarbstoffen oder kationischen Farbstoffen gelagert. Bezüglich der Behälter zur Auf­ nahme der Farbflotte bestehen keine besonderen Forderungen. Es muß lediglich gewährleistet werden, dass das Lüfterrad vollständig von der Farbflotte benetzt wird. Diese Farbflotte weist Temperaturen zwischen 40° und 70° Celsius auf. Die Verweilzeit des Lüfterrades in der Farbflotte liegt zwischen einer Stunde und fünf Stunden. Hierbei kann die Verweilzeit bei 70° Celsius lediglich eine Stunde betragen, während sie bei Temperaturen von 40° Celsius etwa fünf Stunden beträgt. Unabhängig von der konkreten Temperatur der Farb­ flotte und der Verweildauer erfolgt das Färben ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung, die Farbflotte weist also Umgebungsdruck auf.

Diese Nachbehandlung bewirkt eine Einfärbung des Lüfterrades. Hier­ bei diffundieren Farbpigmente bis in eine gewisse Tiefe in das Teil ein. Aufgrund der Eigenschaften von Säurefarbstoffen bzw. kationi­ schen Farbstoffen erfolgt die Bindung des Farbstoffes an das ver­ netzte Harz hauptsächlich durch physikalische Effekte, so dass sich keine Veränderung der Materialeigenschaften ergibt. Nachdem die Verweilzeit erreicht ist, wird das Lüfterrad aus der Farbflotte entnommen. Nachfolgend wird überschüssiger Farbstoff abgewaschen, wobei das Lüfterrad eine bleibende Färbung behält. Das Lüfterrad kann sofort verwendet werden oder im Rahmen einer weiteren Proto­ typenerprobung auch mechanisch bearbeitet, erneut eingefärbt oder sonstigen Bearbeitungsschritten unterzogen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Nachbehandlung von dreidimensionalen Objekten, die mittels der Stereolithographie erzeugt worden sind, indem flüssige Monomere bzw. Oligomere von Acrylaten mit Epoxiden oder anderen chemisch reaktiven Stoffen durch UV- oder Laser-Strahlung schicht­ weise zu einem festen Polymer vernetzt worden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das dreidimensionale Objekt in einer Farbflotte aus Säurefarb­ stoffen oder kationischen Farbstoffen gelagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbflotte Temperaturen zwischen 40° Celsius und 70° Cel­ sius aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der dreidimensionalen Objekte in der Farbflot­ te zwischen einer Stunde und fünf Stunden beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbflotte Umgebungsdruck aufweist.