DE69616585T2

DE69616585T2 - Verfahren zur herstellung eines dreidimensionales gegenstandes

Info

Publication number: DE69616585T2
Application number: DE69616585T
Authority: DE
Inventors: Philip Michael Dickens; Richard James Mackenzie Hague
Original assignee: University of Nottingham
Current assignee: University of Nottingham
Priority date: 1995-11-23
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: EP0865348A1; GB9624229D0; JP2000500707A; GB2307439A; GB9524018D0; DE69616585D1; GB2307439B; WO1997018933A1; EP0865348B1; AU7632896A; US6110602A

Description

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts und insbesondere jedoch nicht ausschließlich ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch Stereolithographie und insbesondere ein Verfahren zum Bilden eines Musters zur Verwendung bei der Herstellung einer Form.
Bei traditionellen Genauguss ("Wachsausschmelzguss") ist die erste Stufe die Herstellung einer Wachskopie des fertigen Metallbauteils; dies wird üblicherweise mit einem speziell hergestellten Werkzeug durchgeführt. Die Wachsmuster werden daraufhin auf einem Wachs-"Baum" befestigt, der als ein Anguss und ein Verteilersystem für die Form dient. Diese Konstruktion wird daraufhin wiederholt mit Schichten eines keramischen Materials beschichtet ("verhüllt ") - mit üblicherweise bis zu acht Schichten. Nach dem "Verhüllen" muss das Wachs entfernt werden, um die Form zurückzulassen, in die das geschmolzene Metall eingefüllt werden soll. Das Entfernen des Wachses wird normalerweise in einem Dampfautoklaven erreicht, der im wesentlichen als ein großer Druckkocher dient, um die Konstruktion auf eine Temperatur von ca. 165ºC bei ca. 7 bar Druck zu heizen. Nach dem Entfernen des Wachses im Autoklaven werden die "grünen" Keramikhüllen gebrannt, um übriggebliebenes Wachs auszubrennen und um die Hüllen in eine "tatsächliche" Keramik zu brennen. Nach dem Brennen wird das Metall in die Form gegossen, um den abschließenden Metallguss herzustellen.
Genauguss ist ein gutes Verfahren, um komplexe und schwer herstellbare Metallteile von unterschiedlichen Dimensionen in einem einzigen Vorgang herzustellen. Die Kosten der Werkzeugproduktion zur Herstellung der Wachsmuster sind jedoch so groß, dass seine Verwendung für andere als mittlere bis große Serienproduktionsgüsse ausgeschlossen ist. Die Entwicklung von Prototypen von Bauteilen auf diese Art ist nicht kosteneffektiv.
Bei der Stereolithographie wird elektromagnetische Strahlung dazu verwendet, um ein warmaushärtendes flüssiges Material selektiv zu verfestigen. Die Verfestigung findet in einer Anzahl von Überstreichungen über das Material statt, um üblicherweise eine feste Struktur herzustellen. Im allgemeinen werden eine Vielzahl von Schichten gebaut, die Platten aus ausgehärtetem Material umfassen, wobei durch das Variieren des Aushärtemusters in benachbarten Schichten auch eine wabenförmige Struktur bereitgestellt werden kann.
Die elektromagnetische Strahlung ist im allgemeinen in der Form eines Lasers, der sich vergleichsweise langsam über die Flüssigkeit bewegt, wenn ein Aushärten benötigt wird und Bereiche überspringt, bei denen ein Aushärten nicht benötigt wird. Jede Schicht wird durch eine Anzahl von Überstreichungen des Lasers über das flüssige Material hergestellt.
Der Laser wirkt üblicherweise, aber nicht immer, auf die Oberfläche des Harzes und härtet an dieser Stelle Material bis zu einer kleinen Tiefe aus. Bei den meisten Stereolithographiesystemen wird die Schicht, die den Boden des Bauteils bildet als erstes ausgehärtet (während es aufgebaut wird). Diese Schicht wird daraufhin mit einer frischen Schicht Harz bedeckt, die nachfolgend ausgehärtet wird. Die abschließend auszuhärtende Schicht (während es aufgebaut wird) befindet sich an der Spitze des Bauteils. Das ausgehärtete Material ist üblicherweise auf einer offenen Unterstützung angeordnet, die allmählich in ein Bad eines flüssigen Harzes abgesenkt wird. Der Stereolithographievorgang ist einfach ein Herstellen einer Serie von zweidimensionalen Profilen, die, wenn sie aufeinander gestapelt werden ein komplexes dreidimensionales Objekt erzeugen können. Das Verfahren ist daher unbegrenzt in der Komplexität der Teile, die es herstellen kann.
Stereolithographie scheint daher ein geeigneter Prozeß zum Erzeugen von Mustern für den Genauguss zu sein. Da jedoch die Materialien, die in diesem Prozeß verwendet werden, wärmeaushärtende Materialien sind, schmelzen sie nicht im Dampfautoklaven sondern dehnen sich gewöhnlich während des Heizens aus. Diese Ausdehnung wird im allgemeinen verursachen, dass die vergleichsweise schwachen, noch nicht gebrannten Keramikhüllen zerspringen, wodurch die Form und möglicherweise auch das Modell beschädigt wird.
Es sind Versuche gemacht worden, Stereolithographie zur Herstellung von Mustern mit einer dünnen Haut zu verwenden, die eine offene Struktur umgibt. Solche Versuche haben sich jedoch nicht immer als besonders erfolgreich herausgestellt. Die Kriterien, die solch ein Muster erfüllen muss, sind unten aufgelistet und bis zum heutigen Tage haben die vorgeschlagenen Strukturen nicht alle diese Kriterien erfüllt und tendieren dazu, sich nicht vollständig zu entleeren oder wie benötigt zusammenzubrechen.
Ausreichende Stärke, um das Teil während des Aufbaus zu unterstützen.
Ermöglichen einer vollständigen Entleerung des Bauteils.
Ausreichende Stärke, um die Dimensionsstabilität des fertigen Bauteils aufrecht zu erhalten.
Erzeugen einer guten Oberfläche des Bauteils.
Ausreichende Unterstützung durch die hydrostatischen Drücke, die während des Verhüllens auftreten.
Ausreichende Schwäche, um während des Autoklavenprozesses zusammenzubrechen.
Die EP 0 590 957 zeigt ein fotoverfestigtes Objekt mit senkrechten Rippen, die in Aufsicht eine quadratische Wabenstruktur definieren. Die EP 0 649 691 zeigt ein Muster, das durch Stereolithographie hergestellt worden ist, wobei das Muster alternierende erste und zweite Gitter umfasst. Jedes Gitter umfasst in Aufsicht eine quadratische Wabenstruktur, wobei die ersten und zweiten Gitter 45º relativ zueinander orientiert sind.
Unter dem Begriff "polygonale Formation" wird bei der Verwendung in dieser Beschreibung ein geschlossenes Polygon verstanden mit zumindest drei Seiten, wobei die Seiten im allgemeinen gerade obwohl nicht notwendigerweise vollständig gerade sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Objektes bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden einer Struktur des festen Materials, wobei die Struktur eine Mehrzahl von Niveaus aufweist, wobei jedes Niveau eine Mehrzahl von beabstandeten Platten aus Material aufweist, wobei die Platten so angeordnet sind, dass die Kanten der Platten in Aufsicht eine Mehrzahl von angrenzenden polygonalen Formationen definieren, wobei jede Seite jeder Formation durch eine ganze Platte definiert wird und zumindest einige der Platten bei jeder Formation sich in verschiedenen Niveaus befinden, wobei die Platten Schritt für Schritt in situ gebildet werden.
Bevorzugt sind die Platten in benachbarten Niveaus durch ihre entsprechenden Kanten und/oder Ecken miteinander verbunden.
Bevorzugt sind die Platten in benachbarten Niveaus im wesentlichen durch einen Punktkontakt miteinander verbunden.
Die Struktur umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von wiederholten Niveaus, so dass eine Mehrzahl von konzentrischen polygonalen Formationen bereitgestellt wird.
Die polygonalen Formationen umfassen vorzugsweise im wesentlichen regelmäßige Sechsecke. Die Sechsecke werden vorzugsweise durch Platten in drei Niveaus definiert. Jedes Niveau umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von beabstandeten diskreten parallelen Platten. Die Platten in jedem Niveau sind vorzugsweise relativ zu Platten in benachbarten Niveaus um im wesentlichen 120º versetzt.
Das Objekt umfasst vorzugsweise eine äußere Haut, in der die Struktur enthalten ist.
Die Platten können leicht gekrümmt sein und/oder ein Merkmal kann in den Platten bereitgestellt werden, um ihr Biegen oder Zusammenbrechen zu erleichtern.
Die Struktur wird vorzugsweise durch das selektive Aushärten eines Materiales unter der Verwendung von elektromagnetischer Strahlung gebildet und das Material umfasst bevorzugt eine wärmeaushärtende Flüssigkeit.
Die Struktur wird vorzugsweise durch Stereolithographie gebildet.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Form, wobei das Verfahren umfasst:
Bilden eines Musters eines zu gießenden Gegenstandes in Form eines Objekts, dass durch ein Verfahren nach einem der vorangegangenen acht Absätze hergestellt worden ist, Bilden einer Beschichtung um das Muster und nachfolgendes Entfernen des Musters aus dem Inneren der Beschichtung, um eine Form zu bilden.
Das Muster wird vorzugsweise aus der Form ausgebrannt, vorzugsweise durch ein explosionsartiges Feuer mit einem Überschuss an Sauerstoff.
Vorzugsweise wird vor dem Beschichten Material auf dem Muster bereitgestellt, um Durchgänge für geschmolzenes Material zu definieren, das in die Form gefüllt werden soll.
Das Material kann Wachs sein, das vor dem Ausbrennen des Musters entfernt werden kann. Die Entfernung des Wachses wird vorzugsweise in einem Autoklaven bevorzugt durch einen Dampfautoklaven erreicht.
Die Beschichtung umfasst vorzugsweise keramisches Material, das in einer Anzahl von Schichten aufgebracht wird und anschließend gebrannt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden ausschließlich als Beispiel beschrieben unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in denen zeigt:
Fig. 1 - Fig. 3: diagrammartige Aufsichten auf verschiedene Stufen während der Herstellung einer Struktur durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4: eine Aufsicht auf die Struktur;
Fig. 5: eine vergrößerte, diagrammartige perspektivische Ansicht eines Teils der Struktur;
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht der Struktur; und
Fig. 7 und 8: entsprechende perspektivische Ansichten von Komponenten die Teile von zwei weiteren Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung bilden.
Die Zeichnungen zeigen verschiedene Stufen bei der Herstellung einer Struktur 10 durch Stereolithographie. Die Struktur 10 wird erzeugt in dem eine elektromagnetische Stelle bsplw. ein Laser über ein Bad eines unter Wärme aushärtenden Kunststoffmaterials für eine Anzahl von Überstreichungen bewegt wird, um das Kunststoffmaterial gezielt in bestimmten Bereichen auszuhärten. Im vorliegenden Fall läuft der Laser kontinuierlich und wird vergleichsweise langsam über Bereiche bewegt, in denen das Aushärten des Kunststoffmaterials benötigt ist, aber springt ansonsten über die anderen Bereiche. In alternativen Anordnungen kann der Laser entsprechend an und ausgeschaltet werden.
Anfangs wird eine Anordnung von diskreten geraden Linien aus ausgehärtetem Kunststoff gebildet, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wenn der Laser das Bad des thermoplastischen Materials mehrfach überstreicht, bsplw. 10 mal, werden die Linien 12 bis zu einer benötigten Höhe erzeugt, um die Platten 13 zu bilden, wie am besten in Fig. 5 zu erkennen. Zwischen jeder Überstreichung wird eine Unterstützung, auf der sich das ausgehärtete Kunststoffmaterial befindet, um einen geringen Versatz nach unten bewegt.
Daraufhin wird veranlasst, dass der Laser über das Bad des unter Wärme aushärtenden Materials für dieselbe Anzahl von Überstreichungen bewegt wird, um eine ähnliche Anordnung von Linien 14 bereitzustellen, mit der Ausnahme, dass die Anordnung um 120º gedreht ist. Die Linien 14 haben eine ähnliche Höhe wie die Linien 12, um Platten 15 bereitzustellen. Daraufhin wird verursacht, dass der Laser eine weitere Gruppe von Linien 16 bildet, die um weitere 120º gedreht sind, um die Platten 17 bereitzustellen. Die Platten 13, 15, 17 berühren einander nur an ihren entsprechenden Ecken, um einen Punktkontakt, so wie in Fig. 5 gezeigt, bereitzustellen. Der Prozeß des entsprechenden Bildens der Linien 12, 14, 16 wird so häufig wiederholt, um eine Struktur bereitzustellen, die in Fig. 4 in Aufsicht gezeigt ist und die eine Mehrzahl von konzentrischen hexagonalen Formationen umfasst, wobei sich jedoch die drei Paare von gegenüberliegenden Seiten in unterschiedlichen Niveaus befinden und nur durch Punktkontakte an den Ecken der Platten 13, 15, 17 verbunden sind.
Der Laser kann dazu verwendet werden, um die Struktur, die aus einer Anzahl von Formationen in irgendeiner benötigten Form hergestellt werden kann, zu erzeugen und im allgemeinen wird eine Haut aus einem Kunststoffmaterial um die Struktur 10 herum bereitgestellt. Die Struktur 10 wird im allgemeinen zur Herstellung eines Musters oder eines Prototyps verwendet. Die Struktur kann in einer gewünschten Form hergestellt werden, wobei der Betrieb des Laser durch einen Computer gesteuert wird.
Nach Abschluss der Struktur wird ihr Wachs hinzugefügt, um Flusspfade für geschmolzenes Material in die fertige Form zu definieren. Daraufhin werden eine Mehrzahl von keramischen Beschichtungen auf die Struktur und das Wachs aufgebracht. Im allgemeinen wird die erste Schicht aus einer feinen Keramik bestehen, um eine glatte innere Schicht bereitzustellen. Nachfolgende Beschichtungen können aus einem gröberen Material hergestellt werden, um eine gröbere Unterstützung bereitzustellen. Nachdem ausreichende keramische Beschichtungen aufgebracht worden sind, wird die beschichtete Struktur und das Wachs dem Dampfautoklaven unterzogen werden, welches das Wachs zum Schmelzen bringen wird und verursacht, dass die Struktur 10 zusammenbricht. Die Beschichtung wird daraufhin einem explosionsartigen Feuer ("Flashfeuer") mit einem Überschuss an Sauerstoff bei ca. 1100ºC ausgesetzt mit 8-9% freiem Sauerstoff, um das Kunststoffmaterial der Struktur auszubrennen. Die Beschichtung kann jetzt als eine Form zum Gießen von Metallen und ähnlichem verwendet werden.
Die Struktur der Formation, die mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, hat ein sehr offenes internes Rahmengerüst ohne spitze Winkel, wodurch sichergestellt wird, dass ein Überschuss an flüssigem Kunststoffmaterial daraus abfließen kann. Die Struktur ist kostengünstig, da sie eine vergleichsweise geringe Menge an Kunststoffmaterial verwendet und ermöglicht die Wiedergewinnung von nicht ausgehärtetem Kunststoffmaterial durch das Abfließen durch die offene Struktur zur Wiederverwendung. Ferner werden die Formationen, während sie sich im Autoklaven befinden, sich im Hinblick auf den einzigen Punktkontakt zwischen den Platten verziehen, krumm werden und/oder zusammenbrechen aufgrund der Ausdehnung des Kunststoffmaterials wodurch ein mögliches Zerspringen der Form verhindert wird, so wie es mit einer konventionellen Struktur auftreten würde.
Zahlreiche Modifikationen können durchgeführt werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise müssen die Seiten, die die Sechsecke bilden nicht gerade sein, und es könnten beispielsweise leichte Krümmungen bereitgestellt werden. Die Fig. 7 und 8 zeigen entsprechende Platten 113 und 213 mit verschiedenen Querschnitten, um beim Zusammenbruch der Struktur zu helfen. Die Platte 113 hat im wesentlichen auf der Hälfte ihrer Länge eine Zusammenbruchsstruktur 114. Die Struktur hat einen Z-förmigen Querschnitt, wobei der Querbalken des Z sich im wesentlichen transversal erstreckt. Die Platte 213 hat einen leicht gekrümmten S-förmigen Querschnitt.
Alternativ dazu können ein oder mehrere Merkmale wie z. B. eine kleine Vertiefung in den Platten bereitgestellt werden. Diese beiden Merkmale würden den Zusammenbruch oder das Falten der Platten während der Autoklavenphase unterstützen. Ferner können auch andere Formationen als die Aufnahme von Sechsecken geeignet sein. Beispielsweise könnte eine sich wiederholende Zweiniveauformation, die in Aufsicht ein Quadrat oder ein Rechteck bildet, erzeugt werden.
Während das oben beschriebene Beispiel Stereolithographie verwendet, könnten andere Herstellungsverfahren verwendet werden. Beispielsweise könnte das Aushärten zu einem Festkörper am Boden ("solid ground curing") verwendet werden. Alternativ dazu ist ein Verfahren unter der Verwendung eines Laser zum Verschmelzen von Pulverpartikeln eine Möglichkeit. Als eine weitere Alternative könnte die Struktur durch Extrusion gebildet werden, beispielsweise eines thermoplastischen Materials.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Objekts aufweisend:

Bilden einer Struktur (10) aus festem Material, wobei die Struktur (10) eine Mehrzahl von Niveaus aufweist, wobei jedes Niveau eine Mehrzahl von beabstandeten Platten (13, 15, 17) aus Material umfasst, wobei die Platten (13, 15, 17) so angeordnet sind, dass die Kanten (12, 14, 16) der Platten (13, 15, 17) in Aufsicht eine Mehrzahl von aneinandergrenzenden polygonalen Formationen definieren, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seite jeder Formation durch eine ganze Platte (13, 15, 17) definiert wird und zumindest einige der Platten (13, 15, 17) bei jeder Formation sich in verschiedenen Niveaus befinden, wobei die Platten (13, 15, 17) Schritt für Schritt in situ gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13, 15, 17) in benachbarten Niveaus durch ihre entsprechenden Kanten (12, 14, 16) und/oder Ecken miteinander verbunden sind.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13, 15, 17) in benachbarten Niveaus im wesentlichen nur durch einen Punktkontakt miteinander verbunden sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (10) eine Mehrzahl von wiederholten Niveaus aufweist, so dass die polygonalen Formationen, die durch Platten in benachbarten Niveaus gebildet werden, konzentrisch sind zu anderen entsprechenden Formationen, die durch Platten in anderen Niveaus gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonalen Formationen im wesentlichen regelmäßige Sechsecke aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sechsecke durch Platten (13, 1 S. 17) in drei Niveaus definiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Niveau eine Mehrzahl von beabstandeten diskreten parallelen Platten (13, 15, 17) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13, 15, 17) in jedem Niveau um im wesentlichen 120º relativ zu den Platten (13, 15, 17) in benachbarten Niveaus versetzt sind.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt eine äußere Haut aufweist, in der die Struktur (10) enthalten ist.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (13, 15, 17) leicht gekrümmt sind und/oder ein Merkmal in den Platten (13, 15, 17) geschaffen werden kann, um ihr Biegen oder Zusammenbrechen zu erleichtern.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (10) durch das selektive Aushärten eines Materials unter der Verwendung von elektromagnetischer Strahlung gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine unter Wärme aushärtende Flüssigkeit umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch Stereolithographie gebildet wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer Form, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Bilden eines Musters eines zu gießenden Gegenstandes in Form eine Objektes umfasst, das durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13 hergestellt worden ist, dem Bilden einer Beschichtung um das Muster und dem nachfolgenden Entfernen des Musters aus dem Inneren der Beschichtung, um eine Form zu bilden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus der Form ausgebrannt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 S. dadurch gekennzeichnet, dass das Muster aus der Form ausgebrannt wird, durch ein explosionsartiges Feuer mit einem Überschuss an Sauerstoff.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten Material auf dem Muster bereitgestellt wird, um Durchgänge für geschmolzenes Material zu definieren, das in die Form gefüllt werden soll.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Wachs ist, das vor dem Ausbrennen des Musters entfernt werden kann.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Wachs in einem Autoklav erzielt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Wachs durch eine dampf-autoklave Behandlung erreicht wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-20, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten ein keramisches Material umfasst.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material in einer Anzahl von Schichten aufgebracht wird und anschließend gebrannt wird.