DE69607975T2

DE69607975T2 - Formgebungsverfahren unter verwendung von in der wärme härtenden materialien

Info

Publication number: DE69607975T2
Application number: DE69607975T
Authority: DE
Inventors: B. Booth; Udaykumar Lakshminarayan; P. Mcalea
Original assignee: DTM Corp
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: AU703099B2; ATE192055T1; AU7515796A; KR19990064213A; EP0854764A1; US5749041A; DE69607975D1; JPH11513746A; WO1997013601A1; EP0854764B1; CA2234266A1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung von Prototyp- Gegenständen und betrifft insbesondere die Bildung von solchen Gegenständen und Gußerzeugnissen mittels selektivem Lasersintern.

Hintergrund der Erfindung

Das Gebiet der schnellen Herstellung von Prototyp-Teilen ("Rapid Prototyping") hat in den letzten Jahren im Hinblick auf die Bereitstellung von Teilen mit hoher Festigkeit, hoher Dichte, für die Verwendung bei der Muster- und bei der Pilotherstellung von vielen nützlichen Gegenständen große Fortschritte gemacht. "Rapid Prototyping" bezeichnet ganz allgemein die Herstellung von Gegenständen direkt aus computerunterstützten Konstruktions- (CAD)-Datenbanken auf automatische Weise, und zwar im Unterschied zu der konventionellen spanabhebenden Herstellung von Prototyp- Gegenständen anhand technischer Zeichnungen. Als Ergebnis hat sich die Zeit, die benötigt wurde, um Prototyp-Teile anhand technischer Zeichnungen herzustellen, von einigen Wochen bei der Verwendung von konventionellen Maschinen auf einige Stunden vermindert.
Ein Beispiel einer Rapid Prototyping-Technologie ist das selektive Lasersinter-Verfahren, das mit Systemen, die von DTM Corporation von Austin, Texas, erhältlich sind, durchgeführt wird. Gemäß dieser Technologie werden Gegenstände schichtweise aus einem laserschmelzbaren Pulver hergestellt, wobei immer eine Schicht auf einmal hergestellt wird. Das Pulver wird geschmolzen oder durch die Einwirkung von Laserenergie gesintert, die auf Rasterscan-Art auf die Teile des Pulvers gerichtet ist, die einem Querschnitt des Gegenstands entsprechen. Nach dem Schmelzen des Pulvers in jeder Schicht wird dann eine zusätzliche Pulverschicht aufgebracht, und das Verfahren wiederholt, wobei geschmolzene Teile der späteren Schichten auf geschmolzene Teile der vorherigen Schichten aufgeschmolzen werden (wie es für den Gegenstand passend ist), bis der Gegenstand vollständig ist. Eine detaillierte Beschreibung der selektiven Lasersinter-Technologie ist im US-Patent Nr. 4 863 538, US-Patent-Nr. 5 017 753, US- Patent Nr. 5 076 869 und US-Patent Nr. 4 944 816 zu finden, die alle dem Board of Regents, The University of Texas System gehören, und in dem US-Patent Nr. 4 247 508, das der DTM Corporation gehört, die alle durch Bezugnahme hierin einbezogen werden. Die selektive Lasersinter-Technologie hat die direkte Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen mit hoher Auflösung und Dimensionsgenauigkeit aus einer Vielzahl von Materialien, die Wachs, Polycarbonat, Nylon, andere Kunststoffe und Verbundmaterialien, wie polymerbeschichtete Metalle und Keramiken einschließen, ermöglicht. Wachsteile können bei der Herstellung von Werkzeugen durch das bekannte "Ausschmelz"- Verfahren verwendet werden. Beispiele von Verbundpulvermaterialien sind in dem US-Patent Nr. 4 944 817, US-Patent Nr. 5 156 697 und US-Patent Nr. 5 284 695 beschrieben, die alle dem Board of Regents, The University of Texas System gehören und durch Bezugnahme hierin einbezogen werden.
Zusätzlich zur Herstellung von Prototyp-Gegenständen wird das selektive Lasersinter-Verfahren jetzt auch bei der Herstellung von Prototyp-Werkzeug zum Spritzgießen verwendet, mit einer erwarteten Werkzeugbeständigkeit von über mehr als zehntausend Verwendungen. Bei der Herstellung von solch einem Werkzeug durch selektives Lasersintern wird gewöhnlich ein Pulver aus Metallteilchen verwendet, das mit einem Polymer beschichtet ist, und aus dem durch selektives Lasersintern der Polymerbeschichtung, um die Teilchen aneinander zu binden, ein Vorkörper hergestellt wird. Der Vorkörper wird dann auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Polymers erwärmt, was sowohl das Polymer austreibt, als auch die Metallsubstratteilchen aneinander bindet, um den Metallgegenstand zu bilden. In dem Fall, in dem der Gegenstand eine Spritzform für das Spritzgießen ist, wird die Form auch mit einem anderen Metall, zum Beispiel mit Kupfer imprägniert, um Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und Werkzeughaltbarkeit hinzuzufügen.
Gemäß einem anderen konventionellen Ansatz können Verbundpolymermetallteile oder Werkzeug geformt werden, ohne daß der Vorkörper einem Erhitzen nach dem Verfahren unterworfen wird. Bei dieser Technik werden die Vorkörper, die durch das selektive Lasersintern eines polymerbeschichteten Metallpulvers gebildet werden, mit einem flüssigen Harz imprägniert. Das Harz wird entweder bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur in Abhängigkeit von der Harzchemie vernetzt, was zu nahezu vollständig verdichteten Verbundgegenständen führt.
Gemäß den Techniken vom Stand der Technik waren thermoplastische Polymere die bevorzugte Klasse für die Polymerbeschichtung des Pulvers und somit das Bindemittel in dem Vorkörper. Das ist deswegen so, weil thermoplastische Polymere über lange Lagerzeiten ziemlich stabil sind, im Gegensatz zu wärmehärtenden Polymeren, die wie bekannt, bei der Lagerung über die Zeit reagieren können. Demgemäß sind die Bedingungen beim selektiven Lasersinter-Verfahren für thermoplastische Polymere stabiler als die Bedingungen für wärmehärtende Polymere. Beispiele von Verbundpulvern, die bei dem selektiven Lasersinter-Verfahren verwendet werden, sind in dem oben beschriebenen US-Patent Nr. 5 284 695 beschrieben und schließen das UCAR-430-Polymer und Copolymere von Methylmethacrylat und Butylacrylat ein, wobei alle auf ein Keramik- oder Metallsubstrat sprühgetrocknet werden können, um das Verbundpulver zu bilden.
Ein spezifisches Beispiel eines konventionellen Verbundpulvers ist ein auf Acryl basierender Thermoplast (z. B. A639, erhältlich von Zeneca Inc.) mit einer Glasübergangstemperatur von 69ºC, der in einem Fließbett aufgetragen wird, um ein Kohlenstoffstahlpulver (z. B. 1045 oder 1080 Stahl) mit mittlerer Teilchengröße von 55 um einheitlich zu beschichten. Der Polymeranteil in diesem Verbundpulver beträgt etwa 1,0 Gew.-% (7 Vol.-%) des Verbundpulvers.
Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die strukturelle Festigkeit des Vorkörpers ein wichtiger Faktor bei seiner Verwendung, da weiche Gegenstände während den nachfolgenden Arbeitsvorgängen nicht sicher gehandhabt werden können. Ein anderer wichtiger Faktor bei der Qualität eines Prototyp-Gegenstands ist die Dimensionsgenauigkeit bezüglich der Konstruktionsdimension. Jedoch sind die Faktoren der Festigkeit und der Dimensionsgenauigkeit des Teils im allgemeinen einander entgegengesetzt, wenn man berücksichtigt, daß die Verdichtung des Pulvers, die bei dem Sintern beim Glühen nach dem Verfahren auftritt, auch zu einer Schrumpfung des Gegenstandes führt. Während zum Beispiel der Polymeranteil des oben beschriebenen polymerbeschichteten Stahlpulvers um 1 Gew.-% erhöht werden könnte, um eine höhere Festigkeit des Vorkörpers zu gewährleisten, würde dadurch das Schrumpfen des Teils beim Glühen nach dem Verfahren anwachsen. Somit war es schwierig, hochakkurate Prototyp-Gegenstände mittels selektivem Lasersintern herzustellen, insbesondere für die Verwendung als Spritzgußwerkzeug, da zwischen der Festigkeit des Teils und der Dimensionsstabilität Kompromisse im Pulverdesign gemacht werden mußten.
Es wurden auch andere Nachteile in den konventionellen Verbundpulvern, die thermoplastische Polymerbindemittel einschließen, beobachtet. Bei dem Glühen nach dem Verfahren von Vorkörpern unter Verwendung von solchen Bindemitteln wurde eine Kriechverformung beobachtet, wenn das Teil auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels, aber unterhalb der Zersetzungstemperatur, bei der das Bindemittel freigegeben wird, erwärmt wurde. In diesem Temperaturbereich, der für das thermoplastische A639 Polymer zwischen 69ºC und etwa 350ºC liegt, nimmt die Viskosität des Polymers so stark ab, daß die Stahlsubstratteilchen unter dem Einfluß der Schwerkraft aneinander vorbeigleiten. Es ändern sich nicht nur die Dimensionen des Gegenstands als Ergebnis dieser Kriechverformung, sondern diese dimensionale Änderung ist nicht einheitlich, so daß größere Formen sich zu einem größeren Ausmaß verformen, als kleinere Formen. Diese uneinheitliche Deformation schließt die Verwendung eines konstanten Schrumpfkorrekturfaktors bei der selektiven Lasersinterherstellung des Vorkörpers aus, was die Schwierigkeit, dimensionsmäßig akkurate Gegenstände mit hoher Dichte und Festigkeit zu erhalten, vergrößert.
Es wurde beobachtet, daß die Kriechverformung nicht nur die Höhe, sondern auch die Gestalt von vertikalen Formen wie Seitenwänden verformt. Es wurde zum Beispiel beobachtet, daß sich vertikale Wände von Formhohlräumen, die durch selektives Lasersintern von polymerbeschichteten Metallpulvern gebildet wurden, und die eine Dicke von 0,75 inch (1,91 cm) und eine Höhe von 1,5 inch (3,81 cm) aufwiesen, als Folge der Kriechverformung sich nach außen hin bogen. Die Dimensionsgenauigkeit des infiltriertenfertigen Teils ist natürlich durch solch eine Deformation stark beeinträchtigt.
Eine Verformung wurde auch bei der Herstellung von Metallpolymerverbundgegenständen durch Imprägnierung eines Vorkörpers mit einem Vernetzungsharz beobachtet. Der Grund für diese Verformung liegt in der Reaktion des Vernetzungsharzes (z. B. eines auf Acryl basierenden wärmehärtenden Harzes wie Resinol RTC, erhältlich von Loctite Company) mit dem thermoplastischen Bindemittelpolymer des Verbundpulvers des selektiven Lasersinterns. Das wärmehärtende Harz plastifiziert das thermoplastische Bindemittel, was dazu führt, daß der Vorkörper während dem Imprägnierverfahrens an Form verliert, bevor das Imprägnierharz vollständig vernetzt ist.
Somit ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen und Werkzeugen mit einer hohen Dichte und einer hohen Festigkeit durch selektives Lasersintern bereitzustellen, um eine verbesserte Dimensionskontrolle zu gewährleisten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, solch ein Verfahren mit einem Verbundpulver bereitzustellen, das stabile Lagerzeiteigenschaften aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung liegt darin, solch ein Verfahren bereitstellen, das verwendet werden kann, um Metallgegenstände und auch Verbund-Metallpolymergegenstände herzustellen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung liegt darin, solch ein Verfahren bereitzustellen, bei dem jegliches Schrumpfen, das bei der Herstellung des Gegenstandes auftritt, im wesentlichen einheitlich ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, solch ein Verfahren bereitzustellen, das insbesondere bei der Herstellung von Prototypwerkzeug für das Spritzgießen von Vorteil ist.
Andere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die Erfindung kann in ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes wie eines Prototyp-Teils oder eines Werkzeugs zum Spritzgießen mittels selektivem Lasersintern eingebunden werden. Es wird erfindungsgemäß ein Vorkörper durch selektives Lasersintern eines Metallpolymerverbundpulvers hergestellt, wobei das Polymerbindemittel ein thermoplastisches Polymer ist. Bei der folgenden Herstellung wird der Vorkörper mit einem wärmehärtenden Material vor dem Erwärmen des Teils infiltriert. Das wärmehärtende Material kann eine wäßrige Emulsion eines vernetzbaren Polymers mit einem Vernetzungsmittel sein, oder es kann stattdessen eine wäßrige Emulsion nur aus dem Vernetzungsmittel sein. Im ersten Fall reagiert das Vernetzungsmittel mit dem vernetzbaren Polymer in dem Infiltriermittel, um ein starres Gerüst für den Vorkörper zu bilden; im zweiten Fall reagiert das Vernetzungsmittel mit dem Polymerbindemittel des Vorkörpers, um ein starres Gerüst zu bilden. Im Anschluß an die Bildung des starren Gerüsts kann der Gegenstand erwärmt werden, um das Polymer zu zersetzen und die Metallsubstratteilchen zu sintern; gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann ein Polymerharz den Gegenstand imprägnieren, um einen vollständig verdichteten Metallpolymer-Verbundgegenstand zu bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können dreidimensionale Gegenstände mit komplexer Form mit hoher Dimensionsgenauigkeit und einer guten Teilfestigkeit sowohl in ihrem Vorkörperzustand und auch als fertiger Gegenstand hergestellt werden. Zusätzlich erlaubt die vorliegende Erfindung die Verwendung von thermoplastischen Polymeren als Bindemittel, die das Verbundpulver beschichten, was zu guten Lagerzeiteigenschaften des selektiven Lasersinterpulvers führt. Es ist verständlich, daß, während die vorliegende Erfindung besonders bei der Herstellung von Spritzgieß-Prototypen und Werkzeugen nützlich ist, die vorliegende Erfindung auch verwendet werden kann, um bei der Herstellung von Prototyp-Teilen, wie die, die bei der Modellierung von mechanischen Systemen verwendet werden, einen Vorteil zu erzielen. In der Tat ist es vorgesehen, daß das selektive Lasersinterverfahren und das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um Gegenstände für die Endverwendung und Teile dafür herzustellen, insbesondere auf Anfrage oder bei geringen hergestellten Mengen, wenn es wirtschaftlich ist. Somit wird die Verwendung des Ausdrucks "Gegenstand" hier so verwendet, daß er sich entweder auf ein Teil (Prototyp oder Endverbrauch) oder auf Werkzeug zum Spritzgießen bezieht, wobei verschiedene endgültige Verwendungen des Gegenstands erfaßt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, beginnt das Verfahren mit dem Verfahren 10, welches das selektive Lasersintern eines Verbundmetallpolymerbindemittels darstellt, um einen "Grün"-Gegenstand zu bilden. Der Ausdruck "grün" betrifft den Zwischenzustand des Gegenstands vor seiner Verdichtung, was hiernach beschrieben wird. Das Verbundpulver, das in dem Verfahren 10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, ist ein polymerbeschichtetes Metallpulver, wobei die Polymerbeschichtung oder das Bindemittel ein thermoplastisches Polymer ist, das die Metallsubstratteilchen vollständig bedeckt. Ein bevorzugtes Beispiel eines Verbundpulvers, das in Verbindung mit dieser Ausführungsform der Erfindung nützlich ist, und nun konventionell bei dem selektiven Lasersinterverfahren verwendet wird, weist ein Substrat mit niedrigem Kohlenstoffstahl mit sphärischen Teilchen von 1045- oder 1080-Stahl mit einem mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 55 um auf, das mit einem auf Acryl basierenden thermoplastischen Polymer wie A639, das von Zeneca Inc. erhältlich ist, beschichtet ist. Das Polymerbindemittel wird vorzugsweise mittels konventioneller Fließbettechnik auf die Metallpulversubstratteilchen aufgetragen, um vollständig die Stahlteilchen zu bedecken. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegt der bevorzugte Polymeranteil des Verbundpulvers bei etwa 1 Gew.-%, was mit 7 Vol.-% übereinstimmt.
Alternativ dazu kann das Pulver eine Mischung des Hochtemperaturmaterials wie Metall oder Keramik mit einem Polymerbindemittel sein. Jedoch ist das oben beschriebene beschichtete Pulver bevorzugt, da es den Polymeranteil des Vorkörpers und somit das Ausmaß des Schrumpfens bei dem Glühen nach dem Verfahren minimiert.
Das selektive Lasersinterverfahren 10 wird vorzugsweise in einer modernen selektiven Lasersintervorrichtung, wie dem SINTER- STATION® 2000 System, das von DTM Corporation erhältlich ist, durchgeführt. Wie in den oben zitierten Patenten beschrieben, stellt das Verfahren 10 den Vorkörper schichtweise her, indem eine dünne Schicht des Pulvers über eine Zieloberfläche, vorzugsweise in einer gesteuerten Umgebung, abgegeben wird, und dann Laserenergie auf ausgewählte Stellen der Pulverschicht angewandt wird, um dort das Pulver zu verschmelzen oder zu sintern. Gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das Pulver ein polymerbeschichtetes Metallpulver ist, werden die Pulverteilchen miteinander verschmolzen, indem das Polymerbindemittel schneller geschmolzen und gekühlt wird, als die Metallsubstratteilchen gesintert werden (was eine sehr hohe Laserenergie erfordern würde). Die ausgewählten Stellen der Pulverschicht stimmen mit den Teilen der Schicht überein, in denen der Gegenstand geformt werden soll, wie es durch eine Computer unterstützte Konstruktions-(CAD)-Datenbankpräsentierung des Gegenstands definiert ist. Nach dem selektiven Schmelzen einer Schicht wird eine nachfolgende Schicht über die zuvor bearbeitete Schicht angeordnet, und das selektive Schmelzen wird in der neuen Schicht an den Stellen der Schicht wiederholt, die mit dem CAD- "Stück" des zu formenden Gegenstands übereinstimmen. Diese Teile einer Schicht, die über den geschmolzenen Teilen des Pulvers in der vorherigen Schicht liegen, werden beim Sintern mit den verschmolzenen Teilen in der vorigen Schicht verbunden, so daß ein fester Gegenstand gebildet wird. Das nicht geschmolzene Pulver in jeder Schicht dient als ein Trägermedium für nachfolgende Schichten, was die Bildung von überhängenden Elementen in dem Gegenstand ermöglicht. Als Ergebnis des Verfahrens 10 wird der Vorkörper mit der gewünschten Größe und Form gebildet.
Es ist vorgesehen, daß die besonderen Aushärtungs- und Arbeitsparameter des selektiven Lasersintersystems, die in dem Verfahren 10 verwendet werden, durch einen Fachmann leicht ausgewählt werden können. Diese Parameter schließen solche Punkte ein wie die Laserenergie, die Laserscangeschwindigkeit, die Umgebungstemperatur in der Kammer, die Schichtdicke und ähnliche. Typischerweise werden die Werte für diese Arbeitsparameter für ein vorgegebenes kommerziell erhältliches Pulver, wie das oben beschriebene polymerbeschichtete Metallpulver gemäß der Dokumentation, die von dem Systemhersteller bereitgestellt wird, optimiert.
Als Alternative kann ein anderes auf Wärme basierendes zusätzliches Verfahren verwendet werden, um den Vorkörper zu bilden. Zum Beispiel ist es vorgesehen, daß das Verfahren 10 durch die schichtweise maskierte Belichtung des Verbundpulvers durchgeführt wird, so daß die Teile des Pulvers, die geschmolzen werden sollen, dem Licht ausgesetzt werden und die nicht geschmolzenen Teile davon maskiert werden.
Zur Vervollständigung des Verfahrens 10 wird dann das Verfahren 12 durchgeführt, um nicht geschmolzenes oder nicht gesintertes Pulver von dem Artikel auf übliche Weise zu entfernen. Solch ein Entfernen wird gewöhnlicherweise als "rohes Herausbrechen" bezeichnet und enthält im allgemeinen das mechanische Entfernen des nicht geschmolzenen Pulvers, um den Vorkörper zu erhalten. Falls erwünscht, kann zu dieser Zeit eine weitere Oberflächennachbearbeitung des Vorkörpers durchgeführt werden.
Gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läßt man ein Infiltriermittel, das ein wärmehärtendes Polymer und ein korrespondierendes Vernetzungsmittel enthält, auf den Vorkörper einwirken. Der Feststoffanteil der Polymeremulsion liegt vorzugsweise im Bereich von 0,25 Gew.-% bis 20,0 Gew.-%. Die obere Grenze bei dem Feststoffanteil in der Emulsion soll eine übermäßige Erhöhung des Polymeranteils des infiltrierten Vorkörpers vermeiden, damit Defekte, die auf einen Überschuß an Polymeranteil zurückzuführen sind, nicht während der nachfolgenden thermischen Verarbeitung auftreten, wie es unten be schrieben wird. Eine bevorzugte Klasse von Infiltriermitteln ist eine wäßrige Emulsion eines BMA-Styrol-Copolymers und des korrespondierenden Vernetzungsmittels dafür. Ein spezifisches Beispiel für eine solche wäßrige Emulsion, die für den Fall geeignet ist, bei dem das Polymerbindemittel des Pulvers A369 ist, ist eine wäßrige Emulsion aus 7 Gew.-% A622 Copolymer, das von Zeneca Inc. erhältlich ist, zusammen mit 3 Gew.-% Cytec 385, welches ein Melaminformaldehyd-Vernetzungsharz darstellt, das von Cytec Industries erhältlich ist.
Es ist vorgesehen, daß in der vorliegenden Erfindung auch andere wärmehärtende Polymere verwendet werden können, wie Phenolbasierende Polymere, Epoxy-basierende Polymere (ein Beispiel davon ist das EPI-REZ Harz WD 510 Polymer, das von Shell Chemical Company erhältlich ist), und Urethan-basierende Polymere (ein Beispiel davon ist die Neorez R-9000 Serie, die von Zeneca erhältlich ist); wobei in jedem Fall natürlich das passende Vernetzungsmittel in die Emulsion eingeschlossen wird.
Die Verwendung von wäßrigen Emulsionen oder Lösungen als Infiltriermittel für den Vorkörper ist hoch bevorzugt, und zwar im Hinblick auf die Anforderung an die Dimensionsgenauigkeit des schließlich nachzubearbeitenden Gegenstands. Wenn zum Beispiel flüssige Polymere als Infiltriermittel des Vorkörpers verwendet wurden, würde der Polymeranteil in dem infiltrierten Vorkörper so groß sein (z. B. im Bereich von 11 Gew.-%), daß ein Risiko an Blasen, Sprüngen oder anderen Defekten bei der Zersetzung des Bindemittels herbeigeführt wird. Demgemäß wurde beobachtet, daß Lösungen oder Emulsionen, die das wärmehärtende Polymer enthalten, bevorzugt sind, da die Infiltration den Polymeranteil des infiltrierten Vorkörpers nicht übermäßig vergrößern wird. Ferner wurde beobachtet, daß organische Lösemittel wie Methanol oder Toluol im allgemeinen nicht als das Medium in der Polymerlösung verwendet werden können, da sie mit dem thermoplastischen Bindemittel des Vorkörpers reagieren werden und ihn plastifizieren. Somit werden wäßrige Emulsionen des Polymers und des Vernetzungsmittels als das Zuführungslösemittel für wärmehärtende Polymere gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet.
Wie zuvor bemerkt, können wärmehärtende Polymere während der Lagerung über die Zeit reagieren, so daß sie nicht für die Verwendung als Polymerbindemittel in einem selektiven Lasersinter-Verbundpulver geeignet sind. Jedoch sind die wäßrigen Emulsionen der wärmehärtenden Polymere als Infiltriermittel gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung geeignet, da sich die Eigenschaften der wärmehärtenden Polymere über die Zeit nicht ändern, während sie in Lösung sind. Darüber hinaus beeinflußt irgendeine Änderung der Eigenschaften der wärmehärtenden Polymere natürlich nicht das selektive Lasersinterverfahren, da die wärmehärtenden Polymere nur auf den Vorkörper angewandt werden, und nicht Bestandteile des Pulvers sind, das dem selektiven Lasersintern unterworfen wird.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der wäßrigen Emulsion ein Vorwärmen sowohl des Infiltriermittels wie auch des Vorkörpers erwünscht sein, um das Infiltrierverfahren zu unterstützen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird die wäßrige Emulsion des Infiltriermittels in dem Verfahren 13 vorgewärmt, und auch der Vorkörper wird in dem Verfahren 15 vorgewärmt. Die Temperatur, auf die die wäßrige Emulsion und der Vorkörper jeweils vorgewärmt werden, liegt vorzugsweise unter der Glasübergangstemperatur (Tg) des Polymerbindemittels des Vorkörpers, um eine Kriechverformung während des Vorwärmens des Gegenstandes oder während der Infiltrierung des Vorkörpers durch die vorgewärmte Emulsion zu verhindern. In dem oben beschriebenen Beispiel, bei dem das thermoplastische Bindemittel A639 ist, sollte das Vorwärmen unterhalb der Glasübergangstemperatur von 69ºC liegen. Es wurde beobachtet, daß das Vorwärmen des Infiltriermittels und des Vorkörpers das Infiltrierverfahren 16 stark unterstützen, das nun beschrieben werden wird.
Nach den Vorwärmverfahren 13, 15 wird das Verfahren 16 durchgeführt, bei dem der Vorkörper mit der wäßrigen Emulsion aus wärmehärtendem Polymer und Vernetzungsmittel, wie oben beschrieben, infiltriert wird. Die bevorzugte Technik, um solch eine Infiltration durchzuführen, ist die, den vorgewärmten Vorkörper in eine vorgewärmte wäßrige Emulsion des Infiltriermittels zu geben und den Vorkörper darin für eine ausgewählte Zeit verweilen zu lassen. Das Infiltriermittel wird typischerweise von dem Vorkörper aufgesaugt, so daß es nicht notwendig ist, den Gegenstand vollständig in die Emulsion einzutauchen. Der Gegenstand wird in der Infiltrationsemulsion für einige Minuten gelassen, bis der Vorkörper vollständig infiltriert ist, dieser gesättigte Zustand ist leicht durch visuelle Inspektion sichtbar.
Nach der Infiltration des Verfahrens 16 wird der infiltrierte Vorkörper in dem Verfahren 18 getrocknet, um das Wassermedium aus der wäßrigen Emulsion auszutreiben. Das Trocknungsverfahren 18 wird vorzugsweise ebenfalls bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Polymerbindemittels des Vorkörpers durchgeführt, um wieder die Kriechverformung zu verhindern. Bei dem Beispiel, bei dem A639 als das Polymerbindemittel dient, kann die Trocknung bei einer Temperatur von etwa 50ºC nach dem Entfernen des infiltrierten Vorkörpers aus der wäßrigen Emulsion des Infiltriermittels erfolgen. Während des Trocknungsverfahrens wird das Vernetzungsmittel mit dem wärmehärtenden Polymer des Infiltriermittels reagieren, und wird erhärten, um ein starres Gerüst für den Gegenstand zu erzeugen. Wenn das starre Gerüst um die Mikrostruktur des Vorkörpers gebildet worden ist, weist der Vorkörper im allgemeinen eine verbesserte strukturelle Festigkeit auf, was auf das vernetzte Polymer zurückzuführen ist. Die tatsächliche Festigkeit des Gegenstands wird von der Menge und von der Chemie des Infiltriermittels und auch von der Trocknungstemperatur abhängen; für das oben beschriebene Beispiel wurde eine Dreipunkt-Biegefestigkeit von etwa 400 psi beobachtet. Diese Zunahme in der Festigkeit des Vorkörpers macht nicht nur das Teil robuster für die nachfolgende Verarbeitung, sondern es ermöglicht auch, die Vorkörper sicher zu transportieren.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird danach das Zersetzungsglühen des Verfahrens 20 durchgeführt, wobei der Gegenstand einem Glühen bei einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Das Verfahren 20 wird im allgemeinen durchgeführt, indem der Gegenstand einer Stickstoff- oder Stickstoff-Wasserstoffmischatmosphäre bei einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, die sowohl oberhalb der Zersetzungstemperatur des thermoplastischen Polymerbindemittels des Verbundpulvers, aus dem der Vorkörper gebildet worden ist, als auch oberhalb der Zersetzungstemperatur des vernetzten wärmehärtenden Polymers liegt. Bei dieser erhöhten Temperatur zersetzen sich sowohl das thermoplastische Polymerbindemittel des Verbundpulvers als auch das vernetzte wärmehärtende Polymer des Infiltriermittels, und sie werden von dem Vorkörper ausgetrieben. Nach der Zersetzung oder dem Entfernen der Polymere wird die Temperatur, der der Vorkörper ausgesetzt ist, weiter auf die Sintertemperatur des Metalls erhöht (z. B. über 700ºC), so daß die Metallteilchen durch Sintern aneinander gebunden werden, um den fertigen Metallgegenstand zu bilden. Für das obige Beispiel, bei dem der Vorkörper aus einem Pulver, das das thermoplastische Polymerbindemittel A369 enthält, gebildet wurde und mit einer Emulsion aus A622 Polymer und Cytec 385 Vernetzer infiltriert wurde, sollte das Verfahren 20 zuerst bei einer Temperatur von 350ºC im Zeitraum von 5 Stunden durchgeführt werden, und zwar im Hinblick darauf, daß sich das vernetzte A622 Polymer bei Temperaturen zwischen 300ºC und 400ºC zersetzt, gefolgt von einem Erwärmen des Vorkörpers auf eine Temperatur oberhalb von 700ºC, zum Beispiel durch Einstellen der Temperatur auf eine Temperatur von etwa 1000ºC für etwa 8 Stunden, um das Metallsintern zu bewirken. Nach der Vervollständigung des Verfahrens 20 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein Metallgegenstand mit der Gestalt und den Dimensionen, die im wesentlichen dem des Vorkörpers angepaßt sind, erhalten.
Falls erwünscht, kann der Metallgegenstand jetzt mit einem anderen Metall wie Kupfer imprägniert werden, wie es für die Herstellung des fertigen Teils oder des Werkzeuges üblich ist.
Diese Imprägnierung führt somit zu einem voll verdichteten Gegenstand, der für eine Verwendung mit hohem Verschleiß wie bei dem Spritzgießen, geeignet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ermöglicht somit das starre Gerüst, das durch das vernetzte wärmehärtende Polymer bereitgestellt wird, den Vorkörper, seine Gestalt und die Dimensionseigenschaften während der Zersetzung zu erhalten und eine Kriechverformung trotz der abnehmenden Viskosität des thermoplastischen Polymers zu verhindern, wenn die Temperatur erhöht wird. Als Ergebnis ermöglicht das Verfahren dieser Ausführungsform der Erfindung in dem Pulver für das selektive Lasersintern die Verwendung einer thermoplastischen Polymerbeschichtung auf Metallsubstratteilchen, was ein Pulver mit einer hohen Lagerstabilitätzeit liefert. Dieser Vorteil wird auf eine Weise erhalten, die dem Vorkörper ermöglicht, mit einem hohen Ausmaß an Dimensionsgenauigkeit und Präzision gebildet zu werden, da die Wirkungen der Kriechverformung durch das starre Gerüst, das durch das vernetzte wärmehärtende Polymer im Infiltrationsmittel gebildet wird, ausgeschlossen werden. Darüberhinaus wird, wenn der Polymeranteil des Vorkörpers minimiert wird, das Schrumpfen, das bei der Zersetzung und bei dem Sintern auftritt, auch minimiert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird jetzt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstands gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Detail beschrieben, mit den gleichen Verfahren wie die, die in Fig. 1 gezeigt sind, unter Bezugnahme auf die gleichen Bezugszeichen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, beginnt das Verfahren mit Verfahren 10, das die selektive Lasersinterbildung des Vorkörpers aus einem Verbundpulver ist, vorzugsweise einem Metallsubstrat, das mit einem thermoplastischen Polymer wie oben bezüglich Fig. 1 beschrieben, beschichtet ist. Nach dem Verfahren 10 wird das nicht geschmolzene oder nicht gesinterte Pulver von dem Vorkörper in dem Verfahren 12 wie zuvor entfernt.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung soll der Vorkörper mit einer wäßrigen Emulsion aus einem Vernetzungsmittel, das nachfolgend mit dem Polymerbindemittel des Vorkörpers reagiert, infiltriert werden. Bevorzugte Beispiele an Vernetzungsmitteln, die gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung nützlich sind, schließen ein Cytec 385, das ein Melaminformaldehydvernetzungsharz ist, das von Cytec Industries erhältlich ist, und CX 100, das ein polyfunktionelles Aziridinharz ist, das von Zeneca Resins erhältlich ist. Ein bevorzugtes Beispiel der wäßrigen Emulsion des Vernetzungsmittels ist eine 1 Gew.-%ige Lösung des Cytec 385 Vernetzungsharzes. Es ist vorgesehen, daß in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch andere Vernetzungsmittel, die mit dem thermoplastischen Polymer des Verbundpulvers, das bei dem selektiven Lasersinterverfahren verwendet wird, reagieren, verwendet werden können.
Wie in dem Verfahren oben bezüglich Fig. 1 beschrieben, ist es bevorzugt, daß sowohl der Vorkörper wie auch das Infiltriermittel vor dem Infiltrieren des Vorkörpers durch das Vernetzungsmittel erwärmt werden sollten. Tatsächlich wurde beobachtet, daß eine 1%-ige Lösung eines Cytec 385 Harzes einen Vorkörper bei Raumtemperatur nicht infiltrieren kann. Demgemäß wird, wie in Fig. 2 gezeigt, der Vorkörper auf eine Temperatur erwärmt, die unter der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels in dem Verfahren 15 liegt, und die wäßrige Emulsion des Vernetzungsmittels wird in dem Verfahren 21 auf eine ähnliche Temperatur vorgewärmt.
Dann wird das Verfahren 23 durchgeführt, wobei der Vorkörper mit der wäßrigen Lösung des Vernetzungsmittels infiltriert wird. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung bezüglich Fig. 1 wird dieses Infiltrieren einfach durchgeführt, indem der vorgewärmte Vorkörper in ein Volumen einer wäßrigen Emulsion gegeben wird, da sich die Emulsion in den Vorkörper bis zur Sättigung "einsaugt", was typischerweise ein paar Minuten dauert und leicht zu beobachten ist.
Wenn das Infiltrieren des Verfahrens 23 vollständig ist, wird der infiltrierte Vorkörper dann in dem Verfahren 24 bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Polymermittels des Vorkörpers getrocknet. Bei der Trocknung des Verfahrens 24 reagiert das Vernetzungsmittel in dem Infiltriermittel mit dem Polymerbindemittel des Vorkörpers, wobei ein starres Gerüst für den infiltrierten Vorkörper gebildet wird. In diesem Beispiel wird das starre Gerüst aus dem vernetzten Polymerbindemittel gebildet und es wird keine Kriechverformung des Vorkörpers, der oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels erwärmt worden ist, stattfinden. Die Trocknung des Verfahrens 24 sollte wieder bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels stattfinden, z. B. bei 50ºC, wenn das A639 Polymer verwendet wird, so daß nicht vor der Vernetzungsreaktion eine Kriechverformung stattfindet. Somit wird ein Vorkörper mit einer erhöhten strukturellen Festigkeit gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt.
An die Bildung des starren Gerüstes in dem Verfahren 24 anschließend, wird der Vorkörper mit dem starren Gerüst des vernetzten Polymers zuerst auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Polymers erwärmt, um das Polymer zu zersetzen und auszutreiben, und dann auf eine ausreichende Temperatur, um die Metallsubstratpartikel, wie zuvor beschrieben, durch Sintern aneinander zu binden. Das Erwärmen wird in einer inerten Umgebungsatmosphäre wie in Stickstoff oder in einer Stickstoff-Wasserstoffmischung durchgeführt, um bereitsvorhandene Oxide zu entfernen, und um eine weitere Oxidation des Metalls während dem Sintern zu verhindern. Falls gewünscht, kann jetzt die Imprägnierung des Metallgegenstandes mit einem anderen Metall wie Kupfer durchgeführt werden. Wie in der Ausführungsform unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben, führt das Verfahren der Fig. 2 zu einem Metallgegenstand, der durch das selektive Lasersintern eines Verbundpulvers aus Metallsubstratteilchen gebildet wurde, das mit einem thermoplastischen Polymer beschichtet ist, so daß es ausgezeichnete Lagerzeiteigenschaften aufweist, während noch eine ausgezeichnete dimensionale Stabilität während der nachfolgenden Hochtemperatursinter- und Polymerzersetzungsstufen ermöglicht wird. Zusätzlich wird wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Polymeranteil des Vorkörpers minimiert, um auch das Schrumpfen des Vorkörpers bei der Zersetzung und beim Sintern zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird jetzt eine andere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei der ein Metallpolymerverbundgegenstand hergestellt werden wird. Das Verfahren der Fig. 3 schließt die gleichen Verfahrensstufen wie zuvor bezüglich Fig. 2 ein, und schließt das Verfahren 24 ein, bei dem der infiltrierte Vorkörper bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels des Vorkörpers getrocknet wird. Wie zuvor weist der durch selektives Lasersintern hergestellte Vorkörper nun ein starres Gerüst auf, das durch das thermoplastische Polymerbindemittel selbst nach der Reaktion mit dem Vernetzungsmittel gebildet worden ist, so daß eine Kriechverformung bei Arbeitsvorgängen bei höherer Temperatur verhindert wird.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird als nächsten das Verfahren 30 durchgeführt, bei dem ein Polymerharz in den Gegenstand imprägniert wird, wobei dieses Polymerharz die Lücken zwischen den polymerbeschichteten Teilchen des Gegenstandes füllen soll, was zu einem vollverdichteten Metallpolymerverbund führt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist Resinol RTC ein bevorzugtes Beispiel des Polymerharzes. Die Imprägnierung des Polymerharzes wird ähnlich wie bei dem Infiltrierverfahren 24 durchgeführt, indem der Gegenstand einfach in ein Volumen des Harzes plaziert wird und es dem Harz ermöglicht wird, sich in den Gegenstand bis zur Sättigung einzusaugen. An die Imprägnierung des Verfahrens 30 anschließend, wird das Polymerharz auf geeignete Weise in dem Verfahren 32 gehärtet, im allgemeinen durch Erwärmen des imprägnierten Gegenstandes, wobei ein voll verdichteter Metallpolymerverbundgegenstand gebildet wird.
Wie in den Ausführungsformen der Erfindung, die oben in Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben sind, ermöglicht das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Bildung eines Gegenstandes mit hoher Festigkeit, in diesem Fall eines Metallpolymerverbundes, auf dem Wege des selektiven Lasersinterns eines Verbundpulvers aus Metall und thermoplastischem Polymer. Der mögliche Metallpolymerverbundgegenstand wird auf eine verbesserte Weise durch die Bildung eines starren Gerüsts innerhalb des Gegenstands gebildet, so daß das Polymerharz nicht das Polymerbindemittel des Vorkörpers plastifiziert.
Gemäß jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Gegenstände von hoher Festigkeit aus verschleißfesten Materialien wie Stahl oder Metallpolymerverbundmaterialien, die somit als Prototyp-Spritzgießwerkzeug mit vernünftiger Haltbarkeit (in der Größenordnung von einer bis zehntausend Verwendungen) geeignet sind, hergestellt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung können die Gegenstände mit hoher Präzision hergestellt werden und auf solch eine Weise, daß sie gegenüber der Kriechverformung und anderen Verformungseffekten nicht anfällig sind.
Während die vorliegende Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es natürlich vorgesehen, daß Modifikationen und Alternativen von diesen Ausführungsformen, und zwar solche Modifikationen und Alternativen, die die Vorteile und Nutzen dieser Erfindung erhalten, dem Fachmann unter Bezug auf diese Beschreibung und die Zeichnungen ersichtlich sind. Es ist vorgesehen, daß sich solche Modifikationen und Alternativen im Rahmen dieser Erfindung, wie nachfolgend beansprucht wird, befinden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands, das die Stufen umfaßt:

Bilden eines Vorkörpers durch selektives Lasersintern eines Verbundpulvers mit einem thermoplastischen Polymerbindemittel;

Infiltrieren des Vorkörpers mit einer wäßrigen Emulsion; und

Trocknen des infiltritierten Vorkörpers;

dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Emulsion ein Vernetzungsmittel für ein Polymer umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter umfaßt:

Erwärmen des Gegenstandes nach der Trocknungsstufe auf eine erste Temperatur, um das Polymerbindemittel zu zersetzen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Verbundpulver ferner Metallteilchen umfaßt;

und bei dem die Erwärmungsstufe ferner das Erwärmen des Gegenstandes auf eine zweite Temperatur, die oberhalb der ersten Temperatur liegt, umfaßt, um die Metallteilchen durch Sintern aneinander zu binden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Emulsion ein wärmehärtendes Polymer umfaßt;

und das Vernetzungsmittel einem Typ zum Vernetzen des wärmehärtenden Polymers angehört.

5. Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfaßt:

Imprägnieren des Gegenstandes nach der Erwärmungsstufe mit einem Metall.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel einem Typ zum Vernetzen des thermoplastischen Polymerbindemittels angehört.

7. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfaßt:

Erwärmen des Gegenstands nach der Trocknungsstufe, um das Polymerbindemittel zu zersetzen.

8. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfaßt:

Imprägnieren des Gegenstands nach der Trocknungsstufe mit einem Polymerharz und Aushärten des Harzes.

9. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfaßt:

Vorwärmen der wäßrigen Emulsion vor der Infiltrierungsstufe.

10. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfaßt:

Vorwärmen des Vorkörpers vor der Infiltrierungsstufe auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner umfaßt:

Vorwärmen der wäßrigen Emulsion vor der Infiltrierungsstufe auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymerbindemittels.

12. Gegenstand, hergestellt durch das Verfahren, das umfaßt:

Formen eines Vorkörpers durch selektives Lasersintern eines Verbundpulvers, das Metallteilchen mit einem thermoplastischen Polymerbindemittel aufweist;

Infiltrieren des Vorkörpers mit einer wäßrigen Emulsion, Trocknen des infiltrierten Vorkörpers,

Erwärmen des Gegenstands nach der Trocknungsstufe auf eine erste Temperatur, um das Polymerbindemittel zu zersetzen, und Erwärmen des Gegenstands auf eine zweite Temperatur, die oberhalb der ersten Temperatur liegt, um die Metallteilchen durch Sintern aneinander zu binden, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Emulsion ein Vernetzungsmittel zum Vernetzen eines Polymers umfaßt.

13. Gegenstand nach Anspruch 12, wobei die wäßrige Emulsion umfaßt:

ein wärmehärtendes Polymer und ein Vernetzungsmittel zum Vernetzen des wärmehärtenden Polymers.

14. Gegenstand nach den Ansprüchen 12 oder 13, wobei das Verfahren ferner umfaßt:

Imprägnierung des Gegenstands nach der Erwärmungsstufe mit einem zweiten Metall.

15. Gegenstand nach Anspruch 12, wobei die wäßrige Emulsion umfaßt:

ein Vernetzungsmittel zum Vernetzen des thermoplastischen Polymerbindemittels.

16. Gegenstand nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner umfaßt:

Imprägnieren des Gegenstandes nach der Trocknungsstufe mit einem Polymerharz und Aushärten des Harzes.