WO2008104213A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstandes aus einem verfestigbaren material - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstandes aus einem verfestigbaren material Download PDF

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WO2008104213A1
WO2008104213A1 PCT/EP2007/010836 EP2007010836W WO2008104213A1 WO 2008104213 A1 WO2008104213 A1 WO 2008104213A1 EP 2007010836 W EP2007010836 W EP 2007010836W WO 2008104213 A1 WO2008104213 A1 WO 2008104213A1
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Frank Niebling
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Mercedes Benz Group AG
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Evonik Degussa GmbH
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing a three-dimensional object from a solidifiable material.
  • Such methods and devices are e.g. from DE 10108612 Cl or DE 102005041559 known.
  • the solidifiable material may be in powder form, such as e.g. in DE 10108612 C1 or fluid as in DE 102005041559.
  • SLS selective laser sintering
  • a platform that can be lowered into a construction space (installation space floor) carries a powder layer which is heated by a laser beam in selected areas, so that the powder particles merge to form a first layer.
  • the platform is lowered by about 20 to 200 ⁇ m (depending on the particle size and type) down into the construction space and a new powder layer is applied.
  • the laser beam again draws its path and melts the powder particles of the second layer together and the second with the first layer and in it a solidified three-dimensional object, for example an injection mold.
  • a platform which can be lowered into a building space carries a powder layer which is irradiated by a liquid jet in selected areas, thereby dissolving the powder particles or be excited to a chemical reaction with each other so that the powder particles combine to form a first layer. It can also occur as a result of the reaction warming. Targeted preheating is also possible with the 3DP, for example to increase the reaction speed.
  • radiation-sensitive fluid layers are solidified by irradiation.
  • the irradiation is usually carried out by means of UV radiation but also by means of IR radiation or liquid jets, e.g. according to DE 102005044920 Al. This can also occur warming.
  • masking is sometimes also applied over a large area, e.g. in Selective Masks sintering (SMS) according to EP 1015214 Bl. In this case also heating can occur.
  • SMS Selective Masks sintering
  • DE 10108612 C1 proposes heating the jacket of the installation space in such a way that a temperature distribution in the jacket occurs which decreases starting from the areas of the jacket adjoining the last sintered surface of the coating cake in the direction of the installation space floor.
  • the unconnected powder material is reused as much as possible after the component generation.
  • Such reuse is included many materials, especially in polymeric materials, thermal degradation, which increases with the duration of the temperature stress. Therefore, the fastest possible but uniform cooling of the layer cake is sought.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for producing a three-dimensional object of a solidifiable powdery material, in which the component distortion due to temperature gradients and the thermal degradation of the powder material are largely limited.
  • the object is achieved according to the invention by the following steps:
  • the energy beam can be of any kind, e.g. an electron beam or IR beam, preferably a laser beam, as long as the energy input into the material layer is only sufficiently high to effect local solidification of the material layer.
  • the particles of the powdery material do not completely melt in the irradiation area.
  • a melting or an energetic initiation of a chemical reaction may possibly also be sufficient.
  • the beam can irradiate the respective layer surface selectively or over a large area.
  • both solid (particle beam) and liquid material can be blasted onto the material layer of the target surface.
  • liquid jet When using a liquid jet, it is advantageous if at least one component of the material layer is soluble in the liquid or a reaction is triggered as a result of the interaction with the liquid, which causes a local solidification of the material layer in the impact area of the liquid.
  • liquid jet not only comprises a continuous jet, but in particular also individual drops.
  • Layer cake is understood to mean the powder cylinder applied in layers within the construction space, which contains solidified and non-solidified areas.
  • This homogenization of the temperature distribution within the layer cake is achieved by superimposing the temperature distribution generated by the fluid flowing through to the temperature distribution generated by the irradiation and optionally by an annular radiant heater and / or a jacket heating.
  • this additional temperature distribution must not reach temperatures which would cause an independent solidification of the material layers.
  • it specifies a substantially uniform base temperature of the individual material layers so that the heat emission of the irradiated areas within a layer is minimized and the heat conduction from the irradiated areas into the depth, ie perpendicular to the material layers, is promoted.
  • the flow occurs after completion of the generative process.
  • interactions with the component generation are largely excluded.
  • the flow can also take place during the generation.
  • the flow then has to be comparatively low in order to minimize influences on the component generation.
  • the fluid may be gaseous or liquid.
  • a liquid has a higher heat capacity and can thus influence the temperature distribution within the layer cake more than a gas.
  • the use of a liquid requires a subsequent drying step for the powder. However, this can be easily integrated into an already frequently connected powder preparation.
  • the use of a gas as a fluid flowing through influences the layer cake less and thus represents a gentler, but slower process. In addition, eliminates the otherwise required drying step.
  • the fluid is heated, preferably cooled. This is done before entering the layer cake, preferably before entering the space.
  • the temperature of the fluid is adapted to the temperature of the layer cake.
  • the temperature of the layer cake at one or more predetermined positions can be measured in real time or derived from empirically determined or calculated by simulation values. The adjustment is made such that a threshold value of the temperature difference between fluid and layer cake is not exceeded, e.g. To minimize influences due to thermal stresses within the layer cake. This limit can be varied depending on the material.
  • the temperature of the fluid is varied over time.
  • the temperature difference between the fluid and the layer cake during the cooling of the layer layer be kept constant. It is also conceivable to lower the temperature difference slowly in order to delay the cooling of particularly sensitive materials.
  • the fluid preferably penetrates through at least one wall of the installation space (for example, installation space floor) with a multiplicity of inlet or outlet openings for the fluid, preferably such that openings are closed individually and / or in groups by means of closure devices as required.
  • a wall may e.g. be designed in a sieve-like manner in whole or in sections.
  • the temperature control takes place differently in a plurality of, preferably variable, areas within the installation space.
  • This can be done with differently tempered fluid streams, which are separated by different o.
  • G. Closing devices are introduced into the layer cake.
  • the areas may e.g. all lie in a layer plane of the layer cake, for other applications, all areas may be advantageous in a plane perpendicular to the stratification and in still other applications, a three-dimensionally distributed arrangement of the tempering be advantageous. If the possible arrangements of the tempering regions are made variable, all of these applications can be carried out in the same device advantageously.
  • the tempering can take place uniformly in all regions or even only all regions of a plane, ie in each case a uniform temperature is imparted to the surrounding layer material. However, it can be even more advantageous if a different tempering takes place in different areas within the construction space. For example, the temperature control in dependence on the distance of the respective Tem- perier Schemes to the contour of the solidified object within the layer cake done, for example, due to a higher temperature at a greater distance to the comparatively warm object by the superposition of the respective temperature distributions altogether a more uniform temperature distribution.
  • a simulation of the irradiation process with respect to a reduction of the component distortion can be performed. It is particularly advantageous for controlling any, z. B. also specify non-linear and temporally variable temperature distribution, which has been optimized by means of a simulation of the laser sintering process with respect to a reduction of the component distortion.
  • a corresponding simulation of the energy input of a laser into the powder layers of the layer cake has already been proposed, for example in German patent application DE 100 50 280 A1.
  • the resulting temperature distributions within the powder cake can by known methods, for. B. by dissolving the heat conduction equation, also be determined and also the influence of this temperature distribution by superimposing an additional temperature within the space. Optimization methods are also known to the person skilled in the art. Individual steps of the simulation can be experimentally verified or replaced.
  • the actual temperature distribution on the material layer surface or else within the layer cake may be known Determined measuring method and used to control a more uniform temperature distribution.
  • At least one wall of the construction space is removed after the temperature control to simplify the unpacking of the object.
  • the object is achieved with respect to the device to be created for producing a three-dimensional object from a solidifiable powdery material by means of the following means:
  • a device for lowering the target surface within the installation space wherein the device comprises at least one device for the flow of at least parts of the installation space with a fluid.
  • the target surface at the beginning of the production of the construction space floor and during production is the respective uppermost material layer of the building up layer cake.
  • Suitable flooding means include e.g. a pump or a compressor.
  • the inventive device for flooding allows a temperature within the layer cake and thus a reduction of component distortion, since the temperature distribution within the layer cake can be homogenized so better.
  • the device comprises at least one device for temperature control of the fluid, preferably for the cooling thereof.
  • a temperature-controlled fluid in particular a cooled fluid, can influence the temperature distribution within the layer cake much more effectively than a non-tempered fluid. This may be a gaseous or a liquid fluid.
  • the installation space has at least one wall with at least one inlet or outlet opening for the fluid. These openings should be permeable to the fluid but not to the powder of the layer cake.
  • the installation space has at least one wall with a multiplicity of inlet or outlet openings for the fluid, which can be closed individually and / or in groups by means of closure devices as required.
  • a wall may e.g. be designed like a sieve.
  • the device has at least one control or regulating device for the separate control or regulation of different closure devices of inlet or outlet openings for the fluid.
  • At least one wall with openings arranged interchangeably in the space preferably such that different walls are used, which have different sizes, size distributions and / or arrangements of the openings.
  • the device comprises at least one device for generating a negative pressure, since thus, the flow through the layer cake can be promoted.
  • the device has a plurality of tempering devices for different fluid flows and at least one control or regulating device for separate control or regulation of the different tempering devices. This can be used, for example, to specify an inhomogeneous temperature distribution in the construction space whose superposition with the inhomogeneous temperature distribution as a result of the irradiation of the layer cake results overall in a more homogeneous temperature distribution of the layer cake.
  • this homogenization can be further improved if the device has at least one control or regulating device for the separate control or regulation of the different above-mentioned inlet and / or outlet openings and the respective volume flows of the fluids.
  • the control device optionally comprises a suitable measuring device for detecting the actual temperature distribution in the layer cake or is connected to such a measuring device.
  • the exemplary apparatus for producing a three-dimensional article from a solidifiable powdery material is a commercially available laser sintering apparatus comprising the following devices:
  • a device for irradiating a selected part of the material layer with a laser beam - A device for lowering the target area within the space.
  • the commercially available laser sintering system additionally has a device for the flow through of at least parts of the construction space with a fluid, which is arranged outside the installation space, as well as a device for controlling the device for the flow through.
  • the means for flooding comprises a gas storage, a tempering device for the gas and a pump for conveying a gas stream.
  • the means for flooding is gas-tightly connected to a plurality of inlet openings in the sieve-like designed construction space floor.
  • inlet openings for the fluid which can be closed individually and / or in groups by means of closure devices as needed.
  • the opening or closing of the closure devices is controlled as required by the means for control, e.g. via a standard PC.
  • the top of the space is sealed gas-tight and connected to a suction device, which generates a slight negative pressure and thus promotes the flow through the layer cake.
  • the extracted gas is returned to the gas storage.
  • the production of the article is carried out in a conventional manner by means of the known method of selective laser sintering, wherein within the layer cake, a temperature control takes place.
  • suitable control parameters for the tempering device are first determined.
  • first a simulation of the usual irradiation process is carried out and the resulting temperature distribution is calculated.
  • the tempering device for the gas flowing through, its volumetric flow and the individual shutter openings are actuated during the laser sintering process which otherwise proceeds in the usual way.
  • the additional tempering (in addition to the temperature as a result of irradiation) within the layer cake reduces component distortion, since the temperature distribution within the layer cake, especially within a layer of the layer cake so better homogenized and starting from the irradiated areas of the surface to the bottom of the space drop more evenly can.
  • the temperature of the fluid is variable over time by being regularly adjusted to the temperature of the layer cake.
  • the temperature of the layer cake is measured at a predetermined position in real time.
  • the adaptation takes place in such a way that a limit value of the temperature difference between the fluid and the layer cake is not exceeded in order, for example, to minimize influences due to thermal stresses within the layer cake.
  • the temperature difference between the fluid and the layer cake is kept constant during the cooling of the layer cake.
  • the invention can be used to increase the productivity, since it makes it possible to produce several components simultaneously in a large space. So far, the overlapping temperature distributions of several components caused intolerable component distortions.
  • the component distortion in the case of several components can be minimized by suitable temperature control within the installation space, in particular between adjacent component boundaries. This also allows to increase the space to previously unusable standards.
  • the so-called "packaging”, that is to say the distribution of several components in a construction space, can be optimized, whereby a maximum number of components can be produced simultaneously under optimum temperature conditions in a construction space.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der Rapid-Technologie zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverf örmigen Material, wobei innerhalb des Bauraums eine zusätzliche Temperierung mittels Durchströmung des Pulvers mit einem temperierten Fluid erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind z.B. aus der DE 10108612 Cl oder der DE 102005041559 bekannt. Dabei kann das verfestigbare Material pulverförmig sein wie z.B. in der DE 10108612 Cl oder fluid wie in der DE 102005041559.
Die DE 10108612 Cl betrifft das sogenannte Selektive Lasersintern (SLS, Selective Laser Sintering) . SLS ist ein Rapid- Technologie-Verfahren, bei dem eine in einen Bauraum absenkbare Plattform (Bauraumboden) eine Pulverschicht trägt, die durch einen Laserstrahl in ausgewählten Bereichen erhitzt wird, so dass die Pulverpartikel zu einer ersten Schicht verschmelzen. Anschließend wird die Plattform um etwa 20 bis 200 um (je nach Partikelgröße und -art) nach unten in den Bauraum gesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht. Der Laserstrahl zeichnet wieder seine Bahn und verschmilzt die Pulverpartikel der zweiten Schicht miteinander sowie die zweite mit der ersten Schicht und in ihm ein verfestigter dreidimensionaler Gegenstand, zum Beispiel eine Spritzgussform. Mitunter wird auch der Bauraum als Ganzes oder oberflächlich vorgewärmt, um den notwendigen zusätzlichen Energieeintrag für das Versintern zu reduzieren. In ähnlicher Weise trägt bei dem Rapid-Technologie-Verfahren 3d-Drucken (3DP, 3 dimensional printing) eine in einen Bauraum absenkbare Plattform (Bauraumboden) eine Pulverschicht, die durch einen Flüssigkeitsstrahl in ausgewählten Bereichen bestrahlt wird, wodurch die Pulverpartikel (an) gelöst oder zu einer chemischen Reaktion miteinander angeregt werden, so dass die Pulverpartikel sich zu einer ersten Schicht verbinden. Dabei können infolge der Reaktion ebenfalls Erwärmungen auftreten. Eine gezielte Vorwärmung ist auch beim 3DP möglich um beispielsweise die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Ebenfalls in ähnlicher Weise werden bei der Stereolithographie strahlungssensitive Fluidschichten durch Bestrahlung verfestigt. Dabei erfolgt die Bestrahlung üblicherweise mittels UV-Strahlung aber auch mittels IR-Strahlung oder Flüssigkeitsstrahlen, z.B. gemäß der DE 102005044920 Al. Dabei können ebenfalls Erwärmungen auftreten.
Anstatt mit flächenmäßig eng begrenzten Energie- oder Flüssigkeitsstrahlen wird mitunter auch großflächig durch Masken bestrahlt, z.B. beim Selektiven Masken Sintern (SMS) gemäß der EP 1015214 Bl. Dabei können ebenfalls Erwärmungen auftreten.
Innerhalb des Bauraums erfahren bestimmte Bereiche - abhängig von der Geometrie des herzustellenden Bauteils - für einen längeren oder kürzeren Zeitraum die vorstehend genannte Erwärmung durch die Bestrahlung während andere Bereiche dadurch nicht erwärmt werden. Außerdem wird nur die jeweils oberste Materialschicht durch die Bestrahlung erwärmt, die unteren Schichten geben die aufgenommene Wärme an ihre Umgebung und kühlen ab. Die Folge sind inhomogene Temperaturverteilungen und thermische Spannungen innerhalb des Schichtkuchens, die zu Bauteilverzug führen können. Beim SMS kann abhängig von dem eingesetzten Material eine Vorwärmung des gesamten Bauraums notwendig sein. Dies ist z.B. bei PA12 der Fall. Vor allem in der Bauraummitte kann es dabei zum Wärmestau kommen, so dass der Pulverkuchen insgesamt hart wird.
In der EP 556 291 Bl wurde zur Minimierung dieses Problems bereits vorgeschlagen, eine einheitliche Basistemperatur der jeweiligen Oberflächenschicht mittels eines parallel über ihr angebrachten ringförmigen Heizstrahlers einzustellen. Daraus solle eine gleichmäßigere Abkühlung der einzelnen Schichten und damit ein geringerer Bauteilverzug resultieren.
Eigene Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass weiterhin Temperaturgradienten innerhalb und zwischen den einzelnen Schichten auftreten, wobei insbesondere die erstgenannten zu Bauteilverzug führen, der zumindest bei qualitativ hochwertigen Bauteilen nicht tolerierbar ist. Deshalb wird in der DE 10108612 Cl vorgeschlagen, die Ummantelung des Bauraums derart zu beheizen, dass sich eine Temperaturverteilung in der Ummantelung einstellt, die ausgehend von den an die zuletzt gesinterte Oberfläche des Schichtkuchens angrenzenden Bereichen der Ummantelung in Richtung auf den Bauraumboden hin abnimmt .
Dadurch wird der Bauteilverzug weitgehend eingeschränkt. Für besondere Anwendungen besteht jedoch weiterhin Verbesserungsbedarf.
Neben dem Bauteilverzug spielen mit zunehmender Anzahl der generativ hergestellten Bauteile auch die Materialkosten eine immer größere Rolle. Deshalb wird das nicht verbundene Pulvermaterial nach der Bauteilgenerierung soweit als möglich wiederverwendet. Einer solchen Wiederverwendung steht bei vielen Werkstoffen, insbesondere bei polymeren Werkstoffen, eine thermische Degradation entgegen, die mit der Dauer der Temperaturbelastung ansteigt. Deshalb wird eine möglichst schnelle aber gleichmäßige Abkühlung des Schichtkuchens angestrebt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material anzugeben, bei welchen der Bauteilverzug infolge von Temperaturgradienten sowie die thermische Degradation des Pulvermaterials weitgehend eingeschränkt werden.
Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 wiedergegeben. Durch die Merkmale der weiteren Patentansprüche werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen beider angegeben.
Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:
- Auftragen und Glätten einer verfestigbaren pulverförmigen Materialschicht auf eine Zielfläche,
- Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht mit einem Energie- oder Materialstrahl, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, so dass die Materialschicht sich in diesem ausgewählten
Teil verfestigt, wobei sich die bestrahlten Teile und deren Umgebung erwärmen,
- Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, welche einen Schichtkuchen bilden, so dass die verfestigten Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkuchen zumindest teilweise von einem Fluid durchströmt wird.
Der Energiestrahl kann beliebiger Art sein, z.B. einen Elektronenstrahl oder IR-Strahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, solange der Energieeintag in die Materialschicht nur ausreichend hoch ist, um eine lokale Verfestigung der Materialschicht zu bewirken. Dazu müssen die Partikeln des pulver- förmigen Materials im Bestrahlungsbereich nicht vollständig aufschmelzen. Ein Anschmelzen oder eine energetische Initiierung einer chemischen Reaktion können ggf. ebenfalls ausreichen. Der Strahl kann die jeweilige Schichtoberfläche punktuell oder auch großflächig bestrahlen.
Bei Verwendung eines Materialstrahls kann sowohl festes (Partikelstrahl) als auch flüssiges Material (Flüssigkeit, Suspension, Emulsion, Auftragschweißen, etc.) auf die Materialschicht der Zielfläche gestrahlt werden.
Bei Verwendung eines Flüssigkeitsstrahls, ist es vorteilhaft, wenn in der Flüssigkeit zumindest ein Bestandteil der Materialschicht löslich ist oder infolge der Wechselwirkung mit der Flüssigkeit eine Reaktion ausgelöst wird, die eine lokale Verfestigung der Materialschicht im Auftreffbereich der Flüssigkeit bewirkt. Die Bezeichnung Flüssigkeitsstrahl umfasst nicht nur einen kontinuierlichen Strahl, sondern insbesondere auch einzelne Tropfen.
Unter Schichtkuchen wird der schichtweise aufgetragene Pulverzylinder innerhalb des Bauraums verstanden, der verfestigte und nicht verfestigte Bereiche enthält. Durch die erfindungsgemäß durchgeführte (zumindest teilweise) Durchströmung des Schichtkuchens mit einem Fluid wird die ansonsten geringe Wärmeleitfähigkeit der Pulverschüttung des Schichtkuchens deutlich erhöht, indem die Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln zum Wärmetransport mitgenutzt werden. Dies erfolgt, indem Wärme mit dem durchströmenden Fluid abgeführt (oder eingebracht) wird. Eine derartige Wärmeströmung ist bereits allein effektiver als eine Wärmeleitung über die Pulverschüttung und erst recht zusätzlich zu dieser. Im Ergebnis wird die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens wesentlich homogenisiert.
Diese Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens wird erzielt, indem man die von dem durchströmenden Fluid erzeugte Temperaturverteilung zu der von der Bestrahlung und ggf. der von einem ringförmigen Heizstrahler und/oder einer Mantelheizung erzeugten Temperaturverteilung überlagert. Diese zusätzliche Temperaturverteilung darf natürlich keine Temperaturen erreichen, die ein eigenständiges Verfestigen der Materialschichten bewirken würden. Sie gibt vielmehr eine im Wesentlichen einheitliche Basistemperatur der einzelnen Materialschichten vor, so dass die Wärmeabgabe der bestrahlten Bereiche innerhalb einer Schicht minimiert wird und die Wärmeleitung von den bestrahlten Bereichen in die Tiefe, also senkrecht zu den Materialschichten, gefördert wird.
Vorzugsweise erfolgt die Durchströmung nach Abschluss des generativen Verfahrens. Dadurch werden Wechselwirkungen mit der Bauteilgenerierung weitestgehend ausgeschlossen. Die Durchströmung kann jedoch auch während der Generierung erfolgen. Dann muss der Durchfluss jedoch vergleichsweise gering sein, um Einflüsse auf die Bauteilgenerierung zu minimieren. Das Fluid kann gasförmig oder flüssig sein. Eine Flüssigkeit besitzt in der Regel eine höhere Wärmekapazität und kann somit die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens stärker beeinflussen als ein Gas. Anderseits erfordert die Verwendung einer Flüssigkeit einen nachfolgenden Trocknungsschritt für das Pulver. Dieser kann aber leicht in eine ohnehin häufig angeschlossene Pulveraufbereitung integriert werden. Die Verwendung eines Gases als durchströmendes Fluid beeinflusst den Schichtkuchen weniger und stellt somit ein schonenderes, aber langsameres Verfahren dar. Außerdem entfällt der ansonsten erforderliche Trocknungsschritt.
Hilfreich ist auch eine Förderung der Durchströmung durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Strömungsauslassseite des Schichtkuchens bzw. Bauraums.
Vorteilhaft wird das Fluid temperiert, vorzugsweise gekühlt. Dies erfolgt vor Eindringen in den Schichtkuchen, vorzugsweise vor Eintritt in den Bauraum. Vorzugsweise wird die Temperatur des Fluids an die Temperatur des Schichtkuchens ange- passt. Dazu kann die Temperatur des Schichtkuchens an einer oder mehreren vorgegebenen Positionen in Echtzeit gemessen werden oder aus empirisch bestimmten oder per Simulation berechneten Werten abgeleitet werden. Die Anpassung erfolgt derart, dass ein Grenzwert des Temperaturunterschiedes zwischen Fluid und Schichtkuchen nicht überschritten wird, um z.B. Einflüsse aufgrund thermischer Spannungen innerhalb des Schichtkuchens zu minimieren. Dieser Grenzwert kann materialspezifisch variiert werden.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Fluids zeitlich variiert. Dadurch kann z.B. die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Schichtkuchen während der Abkühlung des Schichtku- chens konstant gehalten werden. Denkbar ist aber auch, die Temperaturdifferenz langsam abzusenken, um die Abkühlung besonders empfindlicher Materialien zu verzögern.
Das Fluid dringt vorzugsweise durch zumindest eine Wandung des Bauraums (z.B. Bauraumboden) mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid ein, vorzugsweise derart, dass bedarfsabhängig Öffnungen einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden. Eine solche Wandung kann z.B. ganz oder abschnittsweise siebartig ausgestaltet sein.
Vorteilhaft erfolgt die Temperierung unterschiedlich in mehreren, vorzugsweise variablen, Bereichen innerhalb des Bauraums. Dies kann mit unterschiedlich temperierten Fluidströ- men erfolgen, die durch verschiedene der o. g. Verschlusseinrichtungen in den Schichtkuchen eingeleitet werden. Die Bereiche können z.B. alle in einer Schichtebene des Schichtkuchens liegen, für andere Anwendungsfälle mögen alle Bereiche in einer zur Schichtung senkrechten Ebene vorteilhaft sein und in wieder anderen Anwendungsfällen kann auch eine dreidimensional verteilte Anordnung der Temperierbereiche vorteilhaft sein. Wenn die Anordnungsmöglichkeiten der Temperierbereiche variabel ausgestaltet sind, können alle diese Anwendungsfälle in derselben Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden .
Die Temperierung kann in allen Bereichen oder auch nur allen Bereichen einer Ebene gleichmäßig erfolgen, d.h. jeweils eine einheitliche Temperatur an das umgebende Schichtmaterial vermittelt werden. Noch vorteilhafter kann es aber sein, wenn in unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Bauraums eine unterschiedliche Temperierung erfolgt. Beispielsweise kann die Temperierung in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Tem- perierbereichs zur Kontur des verfestigten Gegenstandes innerhalb des Schichtkuchens erfolgen, z.B. bedingt eine höhere Temperierung in größerem Abstand zum vergleichsweise warmen Gegenstand durch die Überlagerung der jeweiligen Temperaturverteilungen insgesamt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung .
In Hinsicht auf eine solche gleichmäßigere Temperaturverteilung ist auch eine Steuerung oder Regelung der Temperierung vorteilhaft, welche vorzugsweise in unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Bauraums unterschiedlich erfolgt.
Zur Ermittlung geeigneter Steuerparameter kann z.B. eine Simulation des Bestrahlungsprozesses in Hinsicht auf eine Reduzierung des Bauteilverzuges durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es zur Steuerung eine beliebige, z. B. auch nicht lineare und zeitlich veränderliche Temperaturverteilung vorzugeben, die mittels einer Simulation des Lasersinterprozesses in Hinsicht auf eine Reduzierung des Bauteilverzuges optimiert wurde. Eine entsprechende Simulation des Energieeintrages eines Lasers in die Pulverschichten des Schichtkuchen wurde bereits vorgeschlagen, beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 100 50 280 Al. Die sich dadurch ergebenden Temperaturverteilungen innerhalb des Pulverkuchens können mit bekannten Verfahren, z. B. durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung, ebenfalls ermittelt werden und ebenso die Beeinflussung dieser Temperaturverteilung durch Überlagerung einer zusätzlichen Temperierung innerhalb des Bauraums. Optimierungsverfahren sind dem Fachmann ebenfalls bekannt. Einzelne Schritte der Simulation können experimentell verifiziert oder ersetzt werden.
Zur Ermittlung geeigneter Regelungsparameter kann die tatsächliche Temperaturverteilung auf der Materialschichtoberfläche oder auch innerhalb des Schichtkuchens durch bekannte Messverfahren ermittelt und zur Regelung einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung verwendet werden.
Vorteilhaft wird zumindest eine Wandung des Bauraums nach der Temperierung zur Vereinfachung der Entpackung des Gegenstandes entfernt.
Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material mittels folgender Einrichtungen gelöst:
- eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche in einem Bauraum,
- eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht,
- eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Energie- oder Materialstrahl,
- eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums, wobei die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem Fluid um- fasst .
Dabei ist die Zielfläche zu Beginn der Herstellung der Bauraumboden und während der Herstellung die jeweils oberste Materialschicht des sich aufbauenden Schichtkuchens.
Eine geeignete Einrichtung zur Durchflutung beinhaltet z.B. eine Pumpe oder einen Kompressor.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchflutung ermöglicht eine Temperierung innerhalb des Schichtkuchens und damit eine Verminderung von Bauteilverzug, da die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens so besser homogenisiert werden kann . In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Temperierung des Fluids, vorzugsweise zu dessen Kühlung. Eine temperiertes Fluid, insbesondere ein gekühltes Fluid, kann die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens deutlich effektiver beeinflussen als ein nicht temperiertes Fluid. Dabei kann es sich um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Fluid handeln.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Bauraum zumindest eine Wandung mit zumindest einer Einlass- oder Auslassöffnung für das Fluid aufweist. Diese Öffnungen sollten für das Fluid, nicht aber für das Pulver des Schichtkuchens durchlässig sein.
Vorzugsweise weist der Bauraum zumindest eine Wandung mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid auf, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können. Eine derartige Wandung kann z.B. siebartig ausgestaltet sein.
Besonders vorteilhaft weist die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.
Ebenfalls vorteilhaft ist zumindest eine Wandung mit Öffnungen austauschbar im Bauraum angeordnet, vorzugsweise derart, dass unterschiedliche Wandungen einsetzbar sind, welche unterschiedliche Größen, Größenverteilungen und/oder Anordnungen der Öffnungen aufweisen.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes umfasst, da damit, die Durchströmung des Schichtkuchens gefördert werden kann. Ebenfalls vorteilhaft weist die Vorrichtung mehrer Temperiereinrichtungen für unterschiedliche Fluidströme sowie mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf zur separaten Steuerung oder Regelung der unterschiedlichen Temperiereinrichtungen. Damit lässt sich z.B. eine inhomogene Temperaturverteilung im Bauraum vorgeben, deren Überlagerung mit der inhomogenen Temperaturverteilung infolge der Bestrahlung des Schichtkuchens insgesamt eine homogenere Temperaturverteilung des Schichtkuchens bewirkt.
Alternativ oder additiv kann diese Homogenisierung noch verbessert werden, wenn die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung der unterschiedlichen oben genannten Ein- und/oder Auslassöffnungen sowie der jeweiligen Volumenströme der Fluide. Die Regeleinrichtung umfasst dabei ggf. eine geeignete Messeinrichtung zur Erfassung der Ist- Temperaturverteilung im Schichtkuchen oder ist mit einer solchen Messeinrichtung verbunden.
Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
Die beispielhafte Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulver- förmigen Material ist eine handelsübliche Lasersinteranlage mit folgenden Einrichtungen:
- eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche im Bauraum,
- eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht,
- eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Laserstrahl, - eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums .
Die handelsübliche Lasersinteranlage weist zusätzlich eine Einrichtung zur Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem Fluid auf, welche außerhalb des Bauraums angeordnet ist, sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Einrichtung zur Durchflutung.
Die Einrichtung zur Durchflutung umfasst einen Gasspeicher, eine Temperiereinrichtung für das Gas sowie eine Pumpe zur Förderung eines Gasstroms. Die Einrichtung zur Durchflutung ist mit mehreren Einlassöffnungen im siebartig ausgestalteten Bauraumboden gasdicht verbunden.
Unterhalb des in üblicher Weise absenkbaren Bauraumbodens befindet sich eine Vielzahl von Einlassöffnungen für das Fluid, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können. Das Öfnen oder Schließen der Verschlusseinrichtungen wird bedarfsabhängig über die Einrichtung zur Steuerung gesteuert, z.B. über einen handelsüblichen PC.
Die Oberseite des Bauraums ist gasdicht verschlossen und mit einer Absaugeinrichtung verbunden, welche einen leichten Unterdruck erzeugt und so die Durchströmung des Schichtkuchens fördert. Das abgesaugte Gas wird in den Gasspeicher zurück geführt .
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt auch die Herstellung des Gegenstandes in üblicher Weise mittels des bekannten Verfahrens des selektiven Lasersinterns, wobei innerhalb des Schichtkuchens eine Temperierung erfolgt. Für diese Temperierung werden zunächst geeignete Steuerparameter für die Temperiereinrichtung ermittelt. Dafür wird zunächst eine Simulation des üblichen Bestrahlungsprozesses durchgeführt und die sich dabei ergebende Temperaturverteilung berechnet. Anschließend erfolgt eine entsprechende Simulation zur rechnerischen Optimierung einer zu überlagernden zusätzlichen Temperierung infolge einer temperierten Durchströmung des Inneren des Bauraums in Hinsicht auf die Minimierung des Bauteilverzuges.
Mit den derartig ermittelten Steuerparametern werden die Temperiereinrichtung für das durchströmemde Gas, dessen Volumenstrom sowie die einzelnen Verschlußöffnungen während des ansonsten in üblicher Weise verlaufenden Lasersinterverfahrens angesteuert.
Die zusätzliche Temperierung (neben der Temperierung infolge der Bestrahlung) innerhalb des Schichtkuchens vermindert Bauteilverzug, da die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens, insbesondere innerhalb einer Schicht des Schichtkuchens so besser homogenisiert werden kann und ausgehend von den bestrahlten Bereichen der Oberfläche bis zum Boden des Bauraums gleichmäßiger absinken kann.
Die Temperierung des Fluids erfolgt zeitlich variabel, indem sie regelmäßig an die Temperatur des Schichtkuchens angepasst wird. Dazu wird die Temperatur des Schichtkuchens an einer vorgegebenen Position in Echtzeit gemessen. Die Anpassung erfolgt derart, dass ein Grenzwert des Temperaturunterschiedes zwischen Fluid und Schichtkuchen nicht überschritten wird, um z.B. Einflüsse aufgrund thermischer Spannungen innerhalb des Schichtkuchens zu minimieren. Durch die Regelung der Temperierung des Fluids wird die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Schichtkuchen während der Abkühlung des Schichtkuchens konstant gehalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für Rapid Manufacturing-Anwendungen in der Automobilindustrie.
Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der der Bauteilqualität hinsichtlich des temperaturbedingten Verzuges erreicht werden.
Außerdem kann die Erfindung zur Erhöhung der Produktivität genutzt werden, da sie es ermöglicht, mehrere Bauteile gleichzeitig in einem großen Bauraum herzustellen. Bisher haben die sich überlagernden Temperaturverteilungen mehrerer Bauteile nicht tolerierbare Bauteilverzüge bedingt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Bauteilverzug bei mehreren Bauteilen minimiert werden durch geeignete Temperierung innerhalb des Bauraums, insbesondere zwischen benachbarten Bauteilgrenzen. Dies erlaubt auch, den Bauraum auf bisher nicht nutzbare Maßstäbe zu vergrößern.
Mittels numerischer Optimierungsverfahren (z.B. FEM- Simulation) kann das sog. „Packaging", d.h. die Verteilung mehrerer Bauteile in einem Bauraum optimiert werden. Dadurch kann eine maximale Anzahl von Bauteilen gleichzeitig unter optimalen Temperaturbedingungen in einem Bauraum hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend folgende Schritte:
- Auftragen und Glätten einer verfestigbaren pulver- förmigen Materialschicht auf eine Zielfläche,
- Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht mit einem Energie- oder Materialstrahl, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, so dass die Materialschicht sich in diesem ausgewählten
Teil verfestigt, wobei sich die bestrahlten Teile und deren Umgebung erwärmen,
- Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, welche einen Schichtkuchen bilden, so dass die verfestigten Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, wobei der Schichtkuchen zumindest teilweise von einem Fluid durchströmt wird dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wandung des Bauraums nach der Temperierung zur Vereinfachung der Entpackung des Gegenstandes entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid temperiert, vorzugsweise gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch zumindest eine Wandung des Bauraums mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid eindringt, vorzugsweise derart, dass bedarfsabhängig Öffnungen einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung der Temperierung mittels des lokal durchströmenden Fluids erfolgt durch ganz oder teilweises Öffnen oder Verschließen unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen der Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.
5. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material umfassend
- eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche in einem Bauraum,
- eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht,
- eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Energie- oder Materialstrahl,
- eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums, wobei die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur
Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem
Fluid umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bauraum zumindest eine Wandung mit einer
Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid aufweist, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können, wobei die zumindest eine Wandung mit Öffnungen austauschbar im Bauraum angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Temperierung, vorzugsweise Kühlung, des Fluids umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bauraum zumindest eine Wandung mit zumindest einer Einlass- oder Auslassöffnung für das Fluid aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest eine Wandung mit Öffnungen austauschbar im Bauraum derart angeordnet ist, dass unterschiedliche Wandungen einsetzbar sind, welche unterschiedliche Größen, Größenverteilungen und/oder Anordnungen der Öffnungen aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes umfasst.
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