DE102004022387B4

DE102004022387B4 - Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern sowie Verwendung von Verdichtungseinrichtungen

Info

Publication number: DE102004022387B4
Application number: DE102004022387A
Authority: DE
Inventors: Robby Ebert; Horst Prof. Exner; Lars Hartwig; Sascha KLÖTZER; Peter Dr. Regenfuß
Original assignee: LASERINSTITUT MITTELSACHSEN E; LASERINSTITUT MITTELSACHSEN EV
Current assignee: Lim Laserinstitut Mittelsachsen 09648 Mi De GmbH
Priority date: 2004-05-01
Filing date: 2004-05-01
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-05-02
Also published as: DE102004022387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur schnellen Herstellung von Körpern mit jeweils wenigstens einem Bauraum mit einem Träger für Körper, einem Vorratsraum für Partikel, einer Transportvorrichtung für Partikel vom Vorratsraum zum Bauraum und einem Laser, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes führbar sind und beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht sowohl Partikel miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht gesinterter und/oder verschmolzener Partikel sintern und/oder verschmelzen, und Verwendungen derartiger Vorrichtungen.
Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Körper sowohl mit einer hohen Festigkeit als auch schnell hergestellt werden können.
Vorteilhafterweise ist die Transportvorrichtung als Rakel gleichzeitig ein Verdichter für die Partikel während des Transports der Partikel zum Bauraum. Dazu befinden sich Kugeln in der Transportvorrichtung als Ringrakel, die durch das Abrollen ein Verdichten der Partikelschicht in vertikaler Richtung bewirken. Dadurch entstehen besonders glatte und dichte Pulverschichten auf der zu sinternden Oberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur schnellen Herstellung von Körpern mit jeweils wenigstens einem Bauraum mit einem Träger für Körper, einem Vorratsraum für Partikel, einer Transportvorrichtung für Partikel vom Vorratsraum zum Bauraum und einem Laser, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes führbar sind und beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht sowohl Partikel miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht gesinterter und/oder verschmolzener Partikel sintern und/oder verschmelzen und Verwendungen derartiger Vorrichtungen.
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Körpern aus nacheinander aufgebrachten Schichten aus Partikeln und dem Bestrahlen dieser Schichten mit Laserstrahlen eines Lasers, wobei Partikel miteinander und mit der darunter angeordneten Schicht sintern und/oder verschmelzen, sind durch Veröffentlichungen bekannt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Körpern aus schichtweise aufgebrachtem Pulver und einem selektiven Sintern der jeweilig aufgebrachten Schicht sind aus der US 4863538 (Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Körpern durch selektives Sintern) bekannt. Dabei wird durch energiereiche Strahlung das Pulver der jeweiligen Schicht partiell versintert. Über das Auftreffen einer Strahlung auf die Pulverschicht wird dabei der Körper realisiert. Zur Erzeugung des jeweiligen Körpervolumens wird die energiereiche Strahlung gescannt. Zum Einsatz kommen vorwiegend CO₂- oder Nd:YAG-Laser mit Scanner, mit einer Leistung von 50 W bis 200 W und einem Fokus von 100 μm bis 300 μm. Das Ergebnis ist ein gesinterter Körper. Dieser zeichnet sich allerdings dadurch aus, dass eine Verbindung, ohne dass eine Schmelze wie beim Schweißen gebildet wird, entsteht. Damit ergeben sich Körper, die nur bedingt z.B. als Druckgusswerkzeuge einsetzbar sind. Durch eine nachträgliche Infiltration kann die Dichte des Sinterkörpers gesteigert werden. Ein wesentlicher Nachteil besteht weiterhin in der sehr langen Sinterzeit insbesondere bei größeren Körpern, die je nach Bauteilgröße bis zu 100 h beträgt. Ein weiterer Nachteil ist die relativ große Oberflächenrauhheit des gesinterten Körpers. Die Einrichtung dieser Lösung besteht in einem durch einen Mikrorechner gesteuerten Verfahrensablauf. Weitere derartige Veröffentlichungen sind die US 5314003 und US 5393613 , bei denen die Körper aus einem vorher bereiteten Pulvergemisch verschiedener Metalle hergestellt werden. Eines der Metalle weist dabei einen geringen Schmelzpunkt auf, so dass bei einer partiellen Erwärmung diese Pulverteile versintern. Durch die DE 43 09 524 C2 (Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts) ist ein Verfahren bekannt, wobei die Strahlungseinwirkung im Kernbereich eines Objektes zu einer minimalen Verformung und im Hüllbereich zu einer möglichst glatten und genauen Oberfläche führen. Die Ermittlung des Hüllbereichs erfolgt durch Subtraktion in dreidimensionaler Weise von Einzelbereichen des Kernbereichs von dem Gesamtkörper. Die Bestrahlung erfolgt in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem ob es sich um einen Einzelbereich im Kernbereich oder einen solchen im Hüllbereich handelt. Neben der Ermittlung der Hüllbereiche sind unterschiedliche Bestrahlungstechnologien zur Realisierung des Objektes notwendig. In der DE 195 38 257 C2 (Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes) wird das herzustellende Objekt mit einer dreidimensionalen Stützkonstruktion aus einem inneren Kernbereich und einem äußeren Hüllbereich versehen. Der Kernbereich wird dabei vorzugsweise doppelt belichtet, so dass eine starke Verfestigung erreicht wird, während der Hüllbereich nur einmal belichtet wird. Der Hüllbereich befindet sich dabei vollflächig zwischen dem Objekt und der Stützkonstruktion. Der Hüllbereich ist weich, so dass mit geringstem Kraft- und Werkzeugaufwand eine Trennung des Objektes von der Stützkonstruktion erfolgen soll. Gleichzeitig ist die Dicke des Hüllbereichs zur Gewährleistung der Funktion als Stützkonstruktion sehr gering. Schwierigkeiten ergeben sich aber bei der Trennung sehr kleiner oder mikrostrukturierter Objekte von der Stützkonstruktion, die bei der Trennung sehr leicht zerstört werden können. Gleichzeitig müssen Angriffsflächen für die Werkzeuge vorhanden sein. Bei mehreren Objekten auf einem Träger ist eine derartige Trennung ohne Zerstörung nur schwer realisierbar, so dass derartige Stützkonstruktionen zur Herstellung mehrerer Miniaturkörper oder mikrostrukturierter Körper auf einem Träger nicht geeignet sind. Durch die DE 199 52 998 C2 (Vorrichtung zur direkten Herstellung von Körpern im Schichtaufbau aus pulverförmigen Stoffen) sind Vorrichtungen mit einer evakuierbaren Bearbeitungskammer bekannt, in die wenigstens zwei Teilkammern integriert sind. Eine der Teilkammern ist der Bauraum und die andere der Vorratsbehälter für das Pulver. Dadurch ist keine reaktive Atmosphäre vorhanden, durch das Zusammenfügen der Pulverteilchen entstehen sowohl dichte als auch porenfreie Schichten und es findet keine Wärmeleitung statt. Durch die Druckschrift DE 199 53 000 C2 (Verfahren und Einrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern) sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, wobei vorteilhafterweise Körper maßgenau, konturscharf schnell und mit hoher Dichte hergestellt werden können. Formkorrigierende Nachbehandlungen werden weitestgehend vermieden, so dass sehr ökonomisch derartige Körper herstellbar sind. Das wird durch die Verwendung zweier Strahlungsquellen beim Sintern oder Verschweißen erreicht, wobei die Erste der Erzeugung der Kontur und die Zweite zur schnellen Realisierung des Innenraumes des zu erzeugenden Körpers dient. Bei der ersten Strahlungsquelle handelt es sich vorwiegend um einen Laser guter Strahlqualität, da ein kleiner Fokus erzielt werden soll. Als zweite Strahlungsquelle wird vorteilhaft ein Hochleistungsdiodenlaser mit Linienfokus eingesetzt. Eine Verdichtung des aufgetragenen Pulvers ist nicht vorgesehen, so dass bei Zusammenballungen von Partikeln als Partikelagglomerate Fehlstellen im Körper auftreten.

Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 694 20 283 T2 (Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Phototransformation von Stoff eine Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern bekannt. Die Vorrichtung verfügt über einen Bauraum mit einem Träger für die Körper sowie einen Vorratsraum für Partikel. Eine Rakel besitzt eine Dosier- und Egalisierfunktion und ist gleichzeitig Transportvorrichtung für die Partikel. Ein Laser dient zum selektiven Sintern der Partikel. In dem Bauraum werden Verkleidungsstrukturen gebildet, die den herzustellenden Körper umgeben. Diese Verkleidungsstrukturen wirken als Elemente von unteren Scherstrukturen, die mit der Rakel als oberen Teil einer Schereinrichtung zusammenwirken, wenn die Rakel über den aufzubauenden Körper hinwegbewegt wird. Dadurch werden Partikel und insbesondere sich bildende Agglomerate von Partikeln während des Auftrags geschert.

Der in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Körper aus nacheinander schichtweise aufgebrachten und miteinander verbundenen Partikeln schnell herzustellen.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 6 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Vorrichtungen zur Herstellung von Körpern mit jeweils wenigstens einem Bauraum mit einem Träger für Körper, einem Vorratsraum für Partikel, einer Transportvorrichtung für Partikel vom Vorratsraum zum Bauraum und mit wenigstens einem Laser, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes führbar sind und beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht sowohl Partikel miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht gesinterter und/oder verschmolzener Partikel sintern und/oder verschmelzen, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Körper sowohl mit einer hohen Festigkeit als auch schnell hergestellt werden können.

Vorteilhafterweise ist die Transportvorrichtung als Rakel gleichzeitig ein Verdichter für die Partikel während des Transports der Partikel zum Bauraum.

Dazu befinden sich Kugeln in der Transportvorrichtung als Ringrakel, die durch das Abrollen ein Verdichten der Partikelschicht in vertikaler Richtung bewirken. Dadurch entstehen besonders glatte und dichte Pulverschichten auf der zu sinternden Oberfläche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Vorteilhafterweise sind die Kugeln nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 in dem Gitter der Ringrakel geführt, so dass über die Fläche eine gleichmäßige Verteilung der Kugeln gewährleistet ist.

Eine hohe Dichte der Kugeln nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 bewirkt eine hohe Gewichtskraft und damit eine effektive Verdichtung der Pulverschicht.

Eine Antihaftbeschichtung der Kugeln nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 verhindert, dass Partikel des Pulvers an den Kugeln haften und damit die aufgetragenen Schichten deformieren.

Günstige Abmessungen für die Kugeln sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 Kugeln mit einem Durchmesser größer/gleich 0,1 mm und kleiner/gleich 10 mm.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeweils prinzipiell in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern und
2 eine Ringrakel mit einem Gitter und Kugeln.
Eine Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern 1 insbesondere als ein Keramikbauteil mit Pulver niedriger Dichte besteht im wesentlichen sowohl aus einer Einrichtung mit einem Bauraum 2 für die Körper 1, einem Vorratsraum für Partikel 3 in Pulverform und einer Transportvorrichtung für Partikel 3 vom Vorratsraum zum Bauraum 2 als auch einem Laser 4, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes 2 führbar sind.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern 1.
Im Bauraum 2 befindet sich ein Träger 5 für den Körper 1 als Keramikbauteil. Beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht mit niedriger Pulverdichte sintern und/oder verschmelzen sowohl Partikel 3 miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht, so dass der Körper 1 als Keramikbauteil erzeugt wird.
Der Träger 5 und der Boden des Vorratsraums sind jeweils über einen Antrieb vertikal bewegbar angeordnet. Der Träger 5 kann über wenigstens eine leicht lösbare lagedefinierte Klemmfederverbindung mit dem Antrieb verbunden sein. Das ist insbesondere wenigstens eine gekrümmte Blattfeder, die mit dem bewegten Bestandteil des Antriebs gekoppelt ist.
Die Transportvorrichtung ist eine Ringrakel 6 mit einer in sich geschlossenen Klinge. Mit der Ringrakel 6 werden Partikel 3 als Pulver als Schicht zum und in den Bauraum 2 transportiert. Die Ringrakel 6 als segmentierte Ringrakel besitzt eine Gitterkonstruktion 10. In der Gitterkonstruktion 10 in der Ringrakel 6 befinden sich Kugeln 11 zwischen den durch die Gitterkonstruktion 10 vorhandenen Gitterstäben (Darstellung in der 2). Die Gitterstäbe sind gleichzeitig Führungen für diese Kugeln 8. Die Kugeln weisen einen Durchmesser jeweils einschließlich von 0,1 bis 10 mm auf.
Die Gittervorrichtung besteht vorteilhafterweise aus drahtförmigen Elementen.

Claims

Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern mit jeweils wenigstens einem Bauraum mit einem Träger für Körper, einem Vorratsraum für Partikel, einer Transportvorrichtung für Partikel vom Vorratsraum zum Bauraum, einer Verdichtungseinrichtung für Partikel und einem Laser, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes führbar sind und beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht sowohl Partikel miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht gesinterter und/oder verschmolzener Partikel sintern und/oder verschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung als Ringrakel (6) ausgebildet ist und dass sich Kugeln (8) als Verdichtungseinrichtung für Partikel (3) in der Ringrakel (6) befinden.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich über den Kugeln (8) in der Ringrakel (6) eine Gitterkonstruktion (7) befindet oder dass die Kugeln (8) in einer Gitterkonstruktion (7) innerhalb der Ringrakel (6) geführt sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (8) aus einem Material hoher Dichte bestehen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (8) eine Antihaftbeschichtung besitzen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (8) einen Durchmesser größer/gleich 0,1 mm und kleiner/gleich 10 mm besitzen.
Verwendung von Verdichtungseinrichtungen zur schnellen Herstellung von Körpern mit Vorrichtungen mit jeweils wenigstens einem Bauraum mit einem Träger für Körper, einem Vorratsraum für Partikel, einer Transportvorrichtung für Partikel vom Vorratsraum zum Bauraum, einer Verdichtungseinrichtung für Partikel und einem Laser, wobei Laserstrahlen über die Querschnittsfläche des Bauraumes führbar sind und beim Auftreffen von Laserstrahlen auf eine Partikelschicht sowohl Partikel miteinander als auch mit mindestens einer darunter angeordneten Schicht gesinterter und/oder verschmolzener Partikel sintern und/oder verschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine segmentierte Ringrakel (6) mit Kugeln (8) jeweils als Verdichtungseinrichtung für aufgetragene Partikel (3) verwendet wird.