DE19511772C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Herstellen eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 bzw. 9.
Ein unter dem Namen Selektives Lasersintern bekanntes Verfahren
zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinan
derfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mit
tels elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials
an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden
Stellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist aus der DE 43 00 478 C1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung
wird das zu bildende Objekt auf einer metallischen Plattform auf
gebaut, die Teil der Vorrichtung ist. Die Sinterung bzw. Verfe
stigung der Schichten des Objektes kann jedoch nicht mit der er
sten auf die Plattform aufgebrachten Pulverschicht beginnen, da
die darin verfestigten Bereiche keinen seitlichen Halt haben und
deshalb beim Aufbringen der nächsten Pulverschicht von dem das
Pulver auftragenden Wischer auf der metallischen Plattform ver
schoben werden können. Deshalb werden üblicherweise zunächst min
destens eine, besser jedoch mehrere Pulverschichten durch den
Laserstrahl vollständig verfestigt, um eine Grundlage für das
Objekt zu bilden. Die vollständige Verfestigung der ersten auf
die metallische Plattform aufgebrachten Schichten erfordert je
doch eine lange zusätzliche Bearbeitungszeit, welche die gesamte
Bauzeit des Objektes erheblich verlängert.
Aus der US 5 173 220 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs
9 bekannt. Ferner ist es aus dieser Druckschrift bekannt,
unmittelbar auf dem Träger für das zu bildende Objekt eine
Stützstruktur aus verfestigtem Aufbaumittel zu bilden, welche
das Objekt tragen kann oder Teil desselben sein kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren
zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen,
bei der bzw. bei dem die Herstellungszeit für das Objekt verkürzt
wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentan
spruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Patentanspruch 9.
Die Erfindung wird anhand
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Figuren
näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht der
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Unterseite einer Aus
führungsform des Objektträgers 2 von Fig. 1;
und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Objektträgers
entlang der Linie I-I von Fig. 2.
Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die Vorrichtung
zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes einen an seiner
Oberseite offenen Behälter 1 auf, in dem ein Objektträger 2 in
Form einer zu der Oberkante 1a des Behälters parallel ausgerich
teten Platte zum Tragen eines zu bildenden Objektes 50 mittels
einer Höheneinstellvorrichtung 3 in vertikaler Richtung ver
schiebbar ist. Der Objektträger 2 weist einen horizontalen Quer
schnitt auf, der etwas geringer ist, als der entsprechende Quer
schnitt des Innenraumes des Behälters 1, so daß der Objektträger
2 leicht in dem Behälter 1 verschoben werden kann. Der Zwischen
raum zwischen dem Rand des Objektträgers 2 und der Innenwand des
Behälters 1 ist durch eine an dem Rand des Objektträgers 2 umlau
fend angebrachte flexible Dichtlippe 22 abgedichtet.
Auf der dem offenen Ende des Behälters 1 zugewandten Oberseite 2a
des Objektträgers 2 ist eine vorgefertigte Platte 13 aus verfe
stigtem Aufbaumaterial angeordnet, die als Sockel für das zu bil
dende Objekt 50 dient und die über Schrauben 14 mit dem Objekt
träger 2 verbunden ist. Dazu weist die Platte 13 an ihrer dem
Objektträger 2 zugewandten Unterseite entsprechende Gewindelöcher
auf. Der Querschnitt der Platte 13 entspricht dem Querschnitt des
Objektträgers 2. Ferner ist die Platte 13 so auf dem Objektträger
2 justiert, daß sie parallel zur Oberkante 1a des Behälters ist.
Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, weist der
Objektträger 2 an seiner dem Behälterboden zugewandten Unterseite
2b einen in mäanderförmigen Windungen verlaufenden Kühlkanal 20
zur Aufnahme eines Kühlwasser führenden Kupferrohres auf. Ferner
weist der Objektträger 2 eine Mehrzahl von Bohrungen 21 zum Hin
durchführen der den Objektträger 2 mit der vorgesinterten Platte
13 zu verbindenden Schrauben 14 auf.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Behälter 1,
der Objektträger 2 und die vorgesinterte Platte 13 einen quadra
tischen Querschnitt auf. Der Querschnitt kann jedoch auch kreis
förmig oder rechteckig sein oder jede beliebige Form aufweisen.
Der Objektträger 2 ist aus einem gut wärmeleitfähigen Metall,
beispielsweise aus Aluminium, angefertigt. Die vorgesinterte
Platte 13 ist aus demselben Aufbaumaterial gebildet, aus dem auch
das Objekt 50 gebildet wird. Das Aufbaumaterial besteht bevorzugt
aus Metallpulver, Keramikpulver, kunststoffummanteltem Metall-
oder Keramikpulver oder kunstharzummanteltem Sand.
Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 4 in
Form eines Lasers angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl 5
abgibt. Dieser wird über eine Ablenkeinrichtung 6, beispielsweise
in Form eines Drehspiegels, als abgelenkter Strahl 7 auf die
durch die Behälteroberkante 1a definierte Arbeitsebene 8 fokus
siert. Eine Steuerung 9 steuert die Ablenkeinrichtung 6 derart,
daß der abgelenkte Strahl 7 auf jede gewünschte Stelle innerhalb
der Arbeitsebene 8 auftrifft.
Eine Vorrichtung 10 zum Aufbringen einer gleichmäßigen Schicht
eines pulverförmigen, durch Einwirkung elektromagnetischer Strah
lung verfestigbaren Materiales 11, die beispielsweise als Vor
ratsbehälter mit Wischer zum Aufbringen und Glätten der Schicht
ausgebildet ist, ist horizontal über die Arbeitsebene 8 und par
allel zu dieser bewegbar.
Die Höheneinstellvorrichtung 3 und die Steuerung 9 für die Be
strahlungseinrichtung 4 sind jeweils mit einer zentralen Steuer
einheit 12 in Form eines Computers zur koordinierten Steuerung
dieser Vorrichtungen verbunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt
die Platte 13 durch Verfestigen bzw. Sintern des entsprechenden
Aufbaumaterials mittels Wärmeeinwirkung in einem Ofen herge
stellt.
In einem nächsten Schritt wird der Objektträger 2 aus dem Behäl
ter 1 in Richtung des offenen Endes des Behälters soweit bis zu
einem Anschlag herausbewegt, daß die vorgesinterte Platte 13
leicht an dem Objektträger 2 zu befestigen ist. Dann wird die
Platte 13 an dem Objektträger 2 durch Verschrauben befestigt.
In einem nächsten Schritt wird der Objektträger soweit nach unten
gefahren, bis die Oberseite der vorgesinterten Platte 13 um eine
Schichtdicke unterhalb der Behälterkante 1a liegt. Dann wird mit
tels der Aufbringvorrichtung 10 eine erste Schicht des Materiales
11 auf die Platte 13 aufgebracht und mit dem Wischer geglättet.
Daraufhin steuert die Steuereinheit 14 die Ablenkeinrichtung 6
über deren Steuerung derart, daß der abgelenkte Lichtstrahl 7 an
solchen Stellen der Schicht des Materiales 11 auftrifft, die ent
sprechend von in der Steuereinheit 14 gespeicherten Koordinaten
des Objektes 50 verfestigt werden sollen. Dadurch wird an diesen
Stellen das Material verfestigt bzw. gesintert. Bevorzugt wird
die Belichtung der ersten Pulverschicht danach noch ein zweites
Mal durchgeführt, damit eine feste Verbindung zwischen der vor
gesinterten Platte 13 und der ersten Schicht des Objektes 50 er
zeugt wird. Da die Platte 13 aus demselben Material wie das zu
bildende Objekt 50 besteht, ergibt sich bei der Verfestigung der
ersten Schicht des Objektes eine optimal haftende Verbindung mit
der Platte 13.
In einem nächsten Schritt wird der Objektträger 2 um die Dicke
der nächsten Schicht abgesenkt und erneut mittels der Aufbring
vorrichtung 10 eine zweite Materialschicht aufgetragen und ge
glättet und erneut verfestigt.
Die Verfahrensschritte Materialschicht aufbringen, glätten und
verfestigen werden nun so oft durchgeführt, bis das herzustellen
de Objekt 50 vervollständigt ist. Da insbesondere beim Sintern
von Metallpulver die erforderliche Laserleistung zwischen 100 und
200 Watt beträgt, findet eine erhebliche Erwärmung des Objektes
50 statt. Spitzentemperaturen von 900°C am Sinterpunkt und
durchschnittliche Temperaturen des Objektes um 200°C sind mög
lich. Dies kann zur Oxidation des Aufbaumaterials führen. Deshalb
wird während des gesamten Bauprozesses der Objektträger 2 ge
kühlt. Da das verwendete Aufbaumaterial im allgemeinen eine gute
Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann somit das Objekt 50 bzw. der
gesamte Behälter 1 mit dem darin befindlichen Material 11 immer
auf konstanter Temperatur gehalten werden.
Nach der Beendigung des Bauprozesses wird der Objektträger 2 nach
oben aus dem Behälter herausgefahren und die vorgesinterte Platte
13 zusammen mit dem darauf gebildeten Objekt 50 abgeschraubt. An
schließend wird das Objekt 50 mit einer Säge von der Platte 13
abgetrennt und nachbearbeitet.
Die Vorteile der Verwendung der vorgesinterten Platte 13 aus ges
intertem Aufbaumaterial bestehen neben der Bauzeitverkürzung dar
in, daß eine stabile Basis für die ersten Objektschichten gegeben
ist. Dies bedeutet, daß der Verzug bzw. die Verformung des Objek
tes reduziert wird.
Abwandlungen des beschriebenen Verfahrens sind möglich. Typi
scherweise wird die beschriebene Metallsintervorrichtung zum Auf
bau von Formeinsätzen verwendet. Falls der Formeinsatz eine ebene
Grundfläche aufweist, wird die vorgesinterte Platte 13 zu einem
Bestandteil des gesinterten Objektes. Die Platte 13 wird durch
Nachbearbeitungsschritte an das jeweiligen Objekt angepaßt. Dies
geschieht beispielsweise mit einer Stichsäge, wobei die Platte 13
auf das richtige Maß zurechtgesägt wird. In diesem Falle ist die
vorgesinterte Platte für einen neuen Bauprozeß verloren.
Falls der herzustellende Formeinsatz keine ebene Grundfläche auf
weist, wird auf der vorgesinterten Platte 13 zuerst eine Stütz
konstruktion und anschließend daran das Objekt aufgebaut. Nach
erfolgtem Bauprozeß wird an der Stützkonstruktion das Objekt von
der vorgesinterten Platte abgetrennt. Durch geeignete Wahl von
Sollbruchstellen in der Stützkonstruktion kann das Trennen er
leichtert werden. In diesem Falle ist die vorgesinterte Platte
nach einer Vorbehandlung, die beispielsweise im Abfeilen der
Oberfläche besteht, wieder für einen neuen Bauvorgang verwendbar.
Claims (21)
1. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pul
verförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchen
strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (11) an dem jeweiligen
Querschnitt des Objektes (50) entsprechenden Stellen, mit:
einer Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes (50) mit einem höhenverstellbaren Träger (2) mit einer dem Objekt (50) zugewand ten Oberseite (2a),
einer Aufbringvorrichtung (10) zum Aufbringen von Schichten des Materials (11) auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht, und
einer Bestrahlungseinrichtung (4) zum Bestrahlen von Schichten des Materials (11) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (50) entsprechenden Stellen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Oberseite (2a) des Trä gers (2) lösbar befestigte vorgefertigte Unterlage (13) vorgesehen ist, die aus ei nem Material gebildet ist, an dem das Aufbaumaterial (11) bei der Verfestigung anhaftet.
einer Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes (50) mit einem höhenverstellbaren Träger (2) mit einer dem Objekt (50) zugewand ten Oberseite (2a),
einer Aufbringvorrichtung (10) zum Aufbringen von Schichten des Materials (11) auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht, und
einer Bestrahlungseinrichtung (4) zum Bestrahlen von Schichten des Materials (11) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (50) entsprechenden Stellen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Oberseite (2a) des Trä gers (2) lösbar befestigte vorgefertigte Unterlage (13) vorgesehen ist, die aus ei nem Material gebildet ist, an dem das Aufbaumaterial (11) bei der Verfestigung anhaftet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Unterlage (13) aus verfestigtem Aufbaumaterial (11) gebildet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Unterlage (13) als Platte ausgebildet ist, deren Querschnitt
dem des Trägers (2) entspricht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß
der Träger (2) als Platte ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß
der Träger (2) eine Kühlvorrichtung zum Abführen der bei dem Her
stellungsprozeß im Objekt (50) und in der Unterlage (13) auftre
tenden Wärme aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (2) an seiner dem Objekt abgewandten Seite (2b) Kühl
kanäle (20) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß
die Unterlage (13) über Befestigungsmittel, insbesondere Schrau
ben (14) mit dem Träger (2) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß
die Bestrahlungseinrichtung (4) einen Laser umfaßt.
9. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
(50), durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines
pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teil
chenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (11) an dem jeweili
gen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (50) auf einer auf einem
Objektträger (2) lösbar befestigten vorgefertigten Unterlage (13) aufgebaut wird, wobei
die Unterlage (13) aus einem Material gebildet ist, an dem das
Aufbaumaterial (11) bei der Verfestigung anhaftet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unterlage (13) durch Verfestigen von dem zur Herstellung des Ob
jektes (50) verwendeten Aufbaumaterial (11) hergestellt wird und
danach auf dem Objektträger befestigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
Aufbaumaterial (11) zum Bilden der Unterlage (13) mittels Wärmee
inwirkung in einem Ofen verfestigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterlage (13) vor der Herstellung des Objektes (50)
durch Verschrauben mit dem Objektträger (2) verbunden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Objektträger (2) zum Abführen der bei der
Herstellung des Objektes (50) auftretenden Wärme gekühlt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Unterlage (13) zusammen mit dem Objekt (50)
nach der Vervollständigung des Objektes von dem Objektträger (2)
entfernt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Unterlage (13) einen Bestandteil des Objek
tes (50) bildet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unterlage (13) nach der Herstellung des Objektes (50) mechanisch
nachbearbeitet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Unterlage (13) nach der Herstellung des
Objektes (50) von dem Objekt abgetrennt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß auf der Unterlage (13) eine Stützkonstruktion
zum Stützen des Objektes (50) gebildet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unterlage (13) nach dem Herstellen des Objektes (50) von der
Stützkonstruktion abgetrennt und wiederverwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß die erste auf die Unterlage (13) aufgebrachte
Schicht zum Erzeugen einer guten Haftung an der Unterlage an den
dem entsprechenden Objektquerschnitt entsprechenden Stellen zwei
mal betrahlt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch ge
kennzeichnet, daß
als Aufbaumaterial (11) Metallpulver, Keramikpulver, kunststoff
ummanteltes Metall- oder Keramikpulver oder kunstharzummantelten
Sand verwendet wird.
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