DE3751818T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gesinterten Formkörpern durch Teilsinterung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gesinterten Formkörpern durch Teilsinterung

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verteilen von ausgebrachtem Pulver. Das Verfahren und die Vorrichtung finden bei einer Vorrichtung Anwendung, welche einen gerichteten Energiestrahl einsetzt, um selektiv ein Pulver zu sintern, um ein Teil zu erzeugen, beispielsweise eine computerunterstützte Laservorrichtung, die sequentiell eine Vielzahl von Pulverschichten sintert, um das gewünschte Teil "Schicht um Schicht" aufzubauen. Eine derartige Vorrichtung ist in der EP-A-287 657 beschrieben. Das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung sind nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt.
  • In einer derartigen Vorrichtung ist es erforderlich, das ausgebrachte Pulver zu einer einheitlichen Schicht zu verteilen. Eine bekannte Verteilvorrichtung verwendet einen drehbaren Rotter und ist in der DE-B-1 146 652 beschrieben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verteilen von ausgebrachtem Pulver als Pulverschicht über einen Bereich geschaffen, welche umfaßt:
  • eine Walzeneinrichtung und eine Einrichtung zum Drehen der Walzeneinrichtung,
  • dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zum Bewegen der Walze von einem Ende des Bereichs zu einem anderen Ende des Bereichs mit einem gewünschten Zwischenraum zwischen dem Bereich und der Walze umfaßt, und
  • daß die Einrichtung derart angeordnet ist, daß die Walze entgegen der Bewegungsrichtung der Walze von dem einen Ende zum anderen Ende dreht,
  • und wobei die Walzeneinrichtung betreibbar ist, wenn sie in Gegenrichtung gedreht und von dem einen Ende zum anderen Ende bewegt wird, um das ausgebrachte Pulver derart zu kontaktieren, daß die mechanische Betätigung der Walze auf dem Pulver das Pulver in der Bewegungsrichtung auswirft, um eine Pulverschicht über dem Bereich mit einer Stärke von ungefähr dem gewünschten Zwischenraum zurückzulassen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Pulverschicht über einen Bereich einer Oberfläche eines Artikels geschaffen, der vom Pulver schichtweise erzeugt wird, welches die Schritte umfaßt:
  • Zuführen von Pulver zu einer Stelle, welche dem Bereich nahe liegt,
  • Bewegen einer Walze durch den Bereich, Drehen der Walze entgegen der Bewegungsrichtung der Walze über den Bereich, und
  • Kontaktieren des Pulvers mit der gegendrehenden Walze, wenn sie sich über den Bereich bewegt, so daß eine Pulverschicht über dem Bereich nach dem Bewegungsschritt bleibt, wobei der Bewegungsschritt durchgeführt wird, ohne daß wesentlichen Scherspannungen auf vorher aufgebrachte Schichten übertragen werden und ohne daß der in derartigen vorher aufgebrachten Schichten erzeugte Artikel gestört wird.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verteileinrichtung eine Walze, einen Mechanismus zum Bewegen der Walze über den Bereich, und einen Mechanismus zum Gegendrehen der Walze, wenn sie quer über den Bereich bewegt wird. Der Walzenbewegungsmechanismus hält die Walze vorzugsweise mit einem gewünschten Abstand oberhalb des Bereichs, um eine Pulverschicht mit einer gewünschten Stärke zu erhalten. Die Walze ist betätigbar, wenn sie in Gegenrichtung gedreht und über den Bereich bewegt wird, um Pulver in Bewegungsrichtung nach vorne zu werfen, wobei eine Pulverschicht zurückgelassen wird, welche die gewünschte Stärke hat.
  • Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen:
  • Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Vor-richtung, in welcher das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung verwendet werden können,
  • Figur 2 : eine schematische vertikale Schnittdar-stellung der Pulververteileinrichtung gemäß der vorliegenden
  • Erfindung, wobei das Pulver in einer Schicht auf den herzustellenden Teil verteilt wird, und
  • Figur 3 : eine schematische perspektivische Darstellung der Pulververteileinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Figur 1 zeigt allgemein eine Vorrichtung 10, in welcher die erfindungsgemäße Pulververteileinrichtung verwendet werden kann. Allgemein gesprochen, weist die Vorrichtung 10 einen Laser 12 auf, eine Pulververteileinrichtung 14 und eine Lasersteuervorrichtung 16. Detaillierter umfaßt die Pulververteileinrichtung 14 einen Trichter 20 zur Aufnahme des Pulvers 22 und eine Austrittsöffnung 24. Die Austrittsöffnung 24 ist so ausgerichtet, daß das Pulver auf eine Zielfläche 26 ausgegeben wird, die in Figur 1 im allgemeinen durch die Begrenzung der Konstruktion 28 definiert wird. Natürlich gibt es viele Alternativen für das Ausbringen des Pulvers 22.
  • Die Bauteile des Lasers 12 sind etwa schematisch in Figur 1 gezeigt und umfassen einen Laserkopf 30, einen Sicherheitsverschluß 32 und eine vordere Spiegelbaugruppe 34. Die Art des eingesetzten Lasers ist von vielen Faktoren abhängig und insbesondere von der Art des Pulvers 22, das gesintert werden soll. In der Ausführungsform von Figur 1 wurde ein Nd:YAG-Laser (Lasermetrics 9500Q) eingesetzt, der in kontinuierlicher oder impulsgesteuerter Betriebsart mit einer maximalen Ausgangsleistung von 100 W in der kontinuierlichen Betriebsart arbeiten kann. Der Laserstrahlausgang des Lasers 12 hat eine Wellenlänge von ungefähr 1060 nM, was ein nahes Infrarot ist. Der in Figur 1 dargestellte Laser 12 umfaßt einen internen Impulsfrequenzgenerator mit einem wählbaren Bereich von etwa 1 kHz bis 40 kHz und einer Impulsdauer von etwa 6 Nanosekunden. Bei der impulsgesteuerten oder der kontinuierlichen Betriebsart kann der Laser 12 so gesteuert werden, daß er ein- oder ausgeschaltet wird, um selektiv einen Laserstrahl zu erzeugen, der sich im allgemeinen längs des Weges bewegt, der in Figur 1 durch die Pfeile gezeigt wird.
  • Um den Laserstrahl zu fokussieren, werden eine Zerstreuungslinse 36 und eine Sammellinse 38 längs des Weges der Bewegung des Laserstrahls angeordnet, wie in Figur 1 gezeigt. Durch Benutzung der Sammellinse 38 wird die Stelle des wirklichen Brennpunktes nicht leicht dadurch gesteuert, daß der Abstand zwischen der Sammellinse 38 und dem Laser 12 verändert wird. Die Zerstreuungslinse 36, die zwischen dem Laser 12 und der Sammellinse 38 angeordnet ist, erzeugt einen virtuellen Brennpunkt zwischen der Zerstreuungslinse 36 und dem Laser 12. Eine Veränderung des Abstandes zwischen der Sammellinse 38 und dem virtuellen Brennpunkt gestattet die Steuerung des wirklichen Brennpunktes längs des Bewegungspfades des Laserstrahis auf der Seite der Sammellinse 38, die vom Laser 12 abgelegen ist. In den letzten Jahren gab es viele Fortschritte auf dem Gebiet der Optik, und es wird erkannt, daß viele Alternativen zur Verfügung stehen, um den Laserstrahl an einer bekannten Stelle wirksam zu fokussieren.
  • Detaillierter gesagt, umfaßt die Lasersteuervorrichtung 16 einen Computer 40 und ein Abtastsystem 42. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Computer 40 einen Mikroprozessor für die Steuerung des Lasers 12 und ein CAD/CAM-System für die Erzeugung der Daten. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird ein Personalcomputer (Commodore 64) eingesetzt, dessen primäre Merkmale ein zugängliches Interface-Tor und eine Markierungsleitung umfassen, die eine nichtmaskierbare Unterbrechung erzeugt.
  • Wie in Figur 1 gezeigt, umfaßt das Abtastsystem 42 ein Prisma 44 für die Umkehrung des Bewegungspfads des Laserstrahis. Natürlich ist die physikalische Anordnung der Vorrichtung 10 die hauptsächliche Betrachtung bei der Ermittlung dessen, ob ein Prisma 44 oder eine Vielzahl von Prismen 44 benötigt werden, um den Bewegungspfad des Laserstrahis zu manipulieren. Das Abtastsystem 42 umfaßt ebenfalls ein Paar Spiegel 46, 47, die durch die entsprechenden Galvanometer 48, 49 angetrieben werden. Die Galvanometer 48, 49 sind mit ihren entsprechenden Spiegeln 46, 47 gekoppelt, um selektiv die Spiegel 46, 47 auszurichten. Die Galvanometer 46, 47 sind senkrecht zueinander so montiert, daß die Spiegel 46, 47 nominell unter rechtem Winkel zueinander angeordnet sind. Ein Funktionsgeneratortreiber 50 steuert die Bewegung des Galvanometers 48 (das Galvanometer 49 ist mit der Bewegung des Galvanometers 48 gekoppelt), so daß das Ziel des Laserstrahls (in Figur 1 durch die Pfeile dargestellt) in der Zielfläche 26 gesteuert werden kann. Der Treiber 50 ist wirkungsmäßig mit dem Computer 40 gekoppelt, wie in Figur 1 gezeigt. Es sind alternative Abtastverfahren zum Einsatz als Abtastsystem 42 verfügbar, einschließlich der akustisch-optischen Abtaster, der sich drehenden Polygonspiegel und der Resonanzspiegelabtaster. Eine detailliertere Beschreibung ist der EP-A-287 657 zu entnehmen.
  • In den Figuren 2 und 3 ist eine Pulververteileinrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Allgemein gesprochen, begrenzt eine Auflage eine Zielfläche 102, wohin das Ziel des Strahles 64 gerichtet ist (siehe Figur 1). Ein Trichter 104 dosiert das Pulver 106 durch eine Öffnung 108 auf die Zielfläche 102. Eine (nicht gezeigte) Dosierwalze wird in der Öffnung 108 angeordnet, so daß, wenn die Dosierwalze gedreht wird, eine dosierte Aufschüttung des Pulvers in einer Linie am Ende 110 der Zielfläche 102 abgelegt wird.
  • Ein Einebnungsmechanismus 114 breitet die Aufschüttung des Pulvers 106 vom Ende 110 zum anderen Ende 112 der Zielfläche aus. Der Einebnungsmechanismus 117 umfaßt eine zylindrische Walze 110, die eine äußere gerändelte Oberfläche besitzt. Ein Motor 118, der an einer Schiene 120 montiert ist, ist mit der Walze 116 über die Riemenscheider 122 und einen Riemen 124 verbunden, um die Walze zu drehen.
  • Der Einebnungsmechanismus 114 umfaßt ebenfalls einen Mechanismus 126 zum Bewegen der Walze 116 und zwischen dem Ende 110 und dem
  • Ende 112 der Zielfläche Der Mechanismus 126 weist einen X/Y- Tisch für die Bewegung der Schiene 120 in horizontaler und vertikaler Richtung auf. Das heißt, der Tisch 128 ist stationär, während die Platte 130 selektiv relativ zum Tisch 128 beweglich ist.
  • Der Verteilmechnismus 114 liefert eine Pulverschicht mit einer gesteuerten Höhe in der Zielfläche 102, ohne daß das herzustellende Teil gestört wird. Eine dosierte Menge des Pulvers 106 wird am Ende 110 der Aufnahmefläche 102 aufgebracht. Die Walze 116 ist im Abstand vom Ende 110 angeordnet, wenn das Pulver 106 abgegeben wird. Bei dem in Figur 3 gezeigten System werden die Platte 130 und die Schiene 120 (und die angebrachten Mechanismen) vertikal angehoben, nachdem das Pulver als Aufschüttung dosiert aufgebracht wurde. Die Bewegung der Platte 130 in Richtung des Trichters 104 bringt die Walze 116 in eine Position, die an die Aufschüttung des Pulvers angrenzt und längs des Endes 110 ausgerichtet ist. Die Walze 116 wird abgesenkt, um mit der Auf schüttung des Pulvers in Kontakt zu kommen, und wird horizontal über die Zielfläche 102 gebracht, um die Aufschüttung des Pulvers zu einer gleichmäßigen glatten Schicht auszubreiten. Natürlich kann die genaue Stellung der Platte 130 relativ zum Tisch 128 gesteuert werden, so daß der Abstand zwischen der Walze 116 und der Zielfläche 102 genau gesteuert werden kann, um die gewünschte Stärke der Pulverschicht zu erhalten. Vorzugsweise ist der Abstand zwichen der Walze 116 und der Zielfläche 102 konstant, um eine parallele Bewegung zu erhalten, aber andere Abstandsoptionen stehen zur Verfügung.
  • Wenn die Walze 116 horizontal über die Zielfläche 102 vom Ende 110 zum Ende 112 bewegt wird, wird der Motor 118 in Betrieb genommen, um die Walze 116 gegenläufig zu drehen. Wie in Figur 2 gezeigt, bedeutet die "gegenläufige Drehung", daß die Walze 116 in Richtung R entgegengesetzt der Richtung der Bewegung M der Walze 116 horizontal über die Zielfläche 102 gedreht wird.
  • Detaillierter ausgeführt (Figur 2), wird die Walze 116 mit hoher Drehzahl gegenläufig gedreht, um mit der Aufschüttung des Pulvers 106 längs des hinteren Randes 116 in Berührung zu kommen. Die mechanische Wirkung der Walze auf das Pulver verdrängt das Pulver in Richtung der Bewegung M, so daß die verdrängten Teilchen in den Bereich des vorderen Randes 162 des Pulvers fallen. Wie in Figur 2 dargestellt, wird hinter der Walze 116 (zwichen der Walze 116 und dem Ende 110) eine gleichmäßige, ebene Schicht des Pulvers zurückgelassen, wie bei 164 dargestellt ist.
  • Figur 2 zeigt ebenfalls schematisch, daß das Pulver 106 über die Zielfläche verteilt werden kann, ohne daß das vorangehend gesinterte Pulver 166 oder das nicht gesinterte Pulver 168 gestört werden. Das heißt, die Walze 116 wird über die Zielfläche 102 bewegt, ohne daß eine Scher- spannung auf die vorangehend aufgebauten Schichten übertragen wird, und ohne daß der Artikel gestört wird, während er hergestellt wird. Das Nichtvorhandensein einer derartigen Scherspannung gestattet, daß eine gleichmäßige Schicht des Pulvers 106 auf einem zerbrechlichen Substrat in der Zielfläche verteilt werden kann, das sowohl die gesinterten Teilchen 166 als auch die nicht gesinterten Teilchen 168 einschließt.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Verteilen von ausgebrachtem Pulver (106) als Schicht (164) des Pulvers über einen Bereich (102), welche aufweist:
eine Walzeneinrichtung (116) und eine Einrichtung (118, 122) zum Drehen der Walzeneinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung (130) zum Bewegen der Walze (116) von einem Ende (110) des Bereichs (102) zu einem anderen Ende (112) des Bereichs mit einem gewünschten Zwischenraum zwischen dem Bereich und der Walze umfaßt, und
daß die Einrichtung (118, 122) derart angeordnet ist, daß sie die Walze (116) entgegen der Bewegungsrichtung der Walze (116) von dem einen Ende (110) zum anderen Ende (112) dreht,
und wobei die Walzeneinrichtung (116) betreibbar ist, wenn sie in Gegenrichtung gedreht und von dem einen Ende (110) zu dem anderen Ende (112) bewegt wird, um das ausgebrachte Pulver (106) derart zu kontaktieren, daß die mechanische Betätigung der Walze (116) auf das Pulver das Pulver in der Bewegungsrichtung auswirft, um eine Schicht (164) des Pulvers über den Bereich (102) mit einer Stärke von ungefähr dem gewünschten Zwischenraum zurückzulassen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der gewünschte Zwischenraum konstant ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bereich (102) eben und der gewünschte Zwischenraum konstant ist, wobei die Walzeneinrichtung (116) parallel zum Bereich (102) bewegt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Walzeneinrichtung einen Zylinder (116) mit einem im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Zylinder (116) eine gerändelte äußere Oberfläche hat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Einrichtung (104) zum Ablegen eines Volumens (106) des Pulvers in der Nähe des einen Endes umfaßt.
7. Verfahren zum Aufbringen einer Schicht (164) von Pulver über einem Bereich (102) einer Oberfläche eines Artikels (166), der vom Pulver schichtweise erzeugt wird, welches die Schritte umfaßt:
Zuführen von Pulver (106) zu einer Stelle, die in der Nähe des Bereichs liegt,
Bewegen einer Walze (116) über den Bereich (102), Drehen der Walze (116) entgegen der Bewegungsrichtung der Walze (116) über den Bereich (102), und
Kontaktieren des Pulvers (106) mit der in Gegenrichtung drehenden Walze (116), wenn sie sich über den Bereich (102) bewegt, so daß eine Schicht (164) des Pulvers über dem Bereich (102) nach dem Bewegungsschritt übrigbleibt, wobei der Bewegungsschritt ausgeführt wird, ohne daß eine wesentliche Scherspannung auf vorher aufgebrachte Schichten (166, 168) übertragen wird, und ohne daß der Artikel (166) gestört wird, der in derartigen vorher aufgebrachten Schichten erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Bewegungsschritt den Unterschritt enthält, daß die Walze (116) mit einem gewünschten Abstand vom Bereich (102) gehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der gewünschte Abstand ein konstanter Abstand vom Bereich (102) ist, und der Bereich (102) eben ist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche der Walze (116) eine rauhe Textur hat.
11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Oberfläche der Walze (116) gerändelt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Zuführungsschritt umfaßt: Ablegen einer Aufschüttung (106) von Pulver an der Stelle, welche dem Bereich (102) nahe ist.
13. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Pulver sinterbar ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Bereich der Oberfläche das Pulver mit einem Teil (166) in einem gesinterten Zustand und mit einem Teil (168) in einem nicht gesinterten Zustand enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Pulver in der Bewegungsrichtung infolge des Kontaktes zwischen der Walze (116) und dem Pulver im Kontaktierungs- und Bewegungsschritt ausgestoßen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stelle, von welcher aus die Walze (116) im Bewegungsschritt bewegt wird, außerhalb des Bereichs (102) ist.
17. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Zuführungsschritt ein dosiertes Volumen (106) an Pulver zu der Stelle in der Nähe des Bereichs (102) liefert.
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