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DE102005048314A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Lasersintern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Lasersintern Download PDF

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DE102005048314A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Lasersintern einer aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 mum mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers und Verwendungen von wenigstens zwei Lasern zum selektiven Lasersintern derartiger Schichten. DOLLAR A Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass mit der Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge, für die das Pulver teiltransparent ist, eine dicke aufgebrachte keramische Schicht gesintert werden kann. Dazu wird wenigstens der zu beaufschlagende und damit zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht so beeinflusst, dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer normalen Bewegungsenergie in Form der Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. DOLLAR A Zum Sintern wird dieser Bereich mit Laserstrahlen eines Lasers mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 mum bestrahlt. Die Temperatur und/oder der Aktivierungs-/Anregungszustand der beeinflussten Schicht in ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen, so dass eine einfache und optimale Steuerung des Verfahrens erfolgen kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Lasersintern einer aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers und Verwendungen von wenigstens zwei Lasern zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen von wenigstens zwei Lasern.
  • Ein Verfahren zur Herstellung von Körpern durch Lasersintern ist unter anderem durch die Druckschrift DE 103 20 085 A1 (Verfahren zum Herstellen von Produkten durch Freiform-Lasersintern oder -schmelzen) bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren zum Herstellen metallischer oder nicht-metallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern bzw. -schmelzen. Dabei wird in Abhängigkeit des Vorganges dessen Randbedingungen automatisch geändert. Die Energiedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite als Randbedingungen müssen zur Änderung erfasst werden. Das ist insbesondere bei schnellen Herstellungstechnologien und/oder Produkten mit geringen Abmessungen nicht einfach zu realisieren.
  • Durch die Druckschrift DE 695 11 881 T2 (Verfahren zur Herstellung massgenauer Formkörper durch Lasersintern) ist ein Verfahren zum Lasersintern bekannt, wobei das Lasersintern in einer Gasathmosphäre ausgeführt wird. Diese beinhaltet mindestens ein Metall der Eisengruppe, welches abgeschieden und zu einem gegebenen Zeitpunkt gesintert wird. Dadurch wird ein Körper, der maßgenau und weitestgehend porenfrei sein soll, nur aus einer Metalllegierung bestehend erhalten.
  • Die Druckschrift DE 699 11 178 T2 (Verfahren zur schnellen Herstellung eines Prototypes durch Lasersinterung und Vorrichtung dafür) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei Pulver oder Pulvergemisch in einer Hochtemperaturzelle auf eine Temperatur in der Umgebung deren Sintertemperatur erhitzt und die Schicht auf dieser Temperatur gehalten wird. Danach werden Schichtbereiche durch das Einwirken von Laserstrahlen gesintert. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 300°C bis 900°C, wobei diese Temperatur gehalten wird. Die Dichte der Schicht kann mechanisch vorverdichtet werden. Ein mechanisches Verdichten sehr kleiner Partikel mit einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm ist kaum möglich.
    •
  • Der in den Patentansprüchen 1, 10 und 13 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selektiv eine auf einen Gegenstand aufgebrachte Schicht zu sintern.
  • Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 10 und 13 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Lasersintern einer aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass mit der Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge, für die das Pulver teiltransparent ist, eine dicke aufgebrachte keramische Schicht gesintert werden kann. Dazu wird wenigstens der zu beaufschlagende und damit zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht so beeinflusst, dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer normalen Bewegungsenergie in Form der Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. Die dadurch eingebrachte Energie ist Voraussetzung zur hinreichenden Absorption der für das Pulver teiltransparenten Laserstrahlung. Sie bewirkt eine Verkleinerung der Bandlücke des dielektrischen Materials, wodurch auch Photonen mit niedriger Energie absorbiert werden können.
  • Zum Sintern wird dieser Bereich mit Laserstrahlen eines Lasers mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 μm (NIR-Strahlung – Nahe InfraRot-Strahlung) bestrahlt, wobei die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht zum Beispiel gleich dem Fokusdurchmesser des Lasers ist. Die Temperatur und/der der Aktivierungs-/Anregungszustand der beeinflussten Schicht ist ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen, so dass eine einfache und optimale Steuerung des Verfahrens erfolgen kann.
  • Durch die Verwendung von Laserstrahlen mit einer Wellenlänge kleiner/gleich 2500 nm kann ein kleiner Fokus erzielt werden. Die Verwendung dieser Wellenlängen führt ebenfalls dazu, dass die Laserstrahlen tiefer in die Schicht des aufgebrachten Pulvers eindringen können, da das Pulver teiltransparent für diese Laserwellenlängen ist. Über die Temperatur und/oder den Aktivierungs-/Anregungszustand der vorbehandelten Schicht als Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen kann damit diese vorteilhafterweise über eine Steuerung so eingestellt werden, dass in der aufgebrachten Schicht die Laserstrahlen zum überwiegenden Anteil absorbiert werden.
  • Weiterhin ist vorteilhafterweise ein gutes Aspektverhältnis des gesinterten Bereiches erzielbar. Üblicherweise sollte der Fokus beim selektiven Lasersintern mindestens drei mal größer als die Schichtdicke sein, um eine Erwärmung der gesamten Schichtdicke durch Wärmeleitung und Streuung zu erreichen. Mit dem Einsatz von für die Keramikschicht teiltransparenter Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner/gleich 2500 nm kann auch zum Beispiel ein Verhältnis von eins zu eins erreicht werden, da die Strahlung tiefer in das Pulverbett eindringen kann. Das führt dazu, dass bedingt durch die relativ dickeren Schichten bei gleicher Auflösung eine schnellere Generierung der Körper realisierbar ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 9, 11 und 12 angegeben.
  • Wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge entweder kleiner 1100 nm oder größer 2,5 μm im cw-Betrieb oder gepulsten Betrieb zum Vorheizen oder Aktivieren beaufschlagt, so dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. Dadurch erfolgt neben dem selektiven Sintern auch ein selektives Vorbehandeln der Schicht.
  • Zur Anregung und/oder Aktivierung des keramischen Pulvers und einer daraus resultierenden höheren Absorption der Laserstrahlen zum Sintern wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht mit Laserstrahlen mit Pulslängen kleiner/gleich 10 ns eines weiteren Lasers beaufschlagt.
  • Wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 mit inkohärenten Lichtstrahlen zum Vorheizen oder Aktivieren/Anregen beaufschlagt, so dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungsenergie erhalten. Dabei wird über den Ultravioletten (UV)-Anteil die aufgebrachte Schicht angeregt und/oder aktiviert und durch den längerwelligen Anteil aufgeheizt.
  • Zum Vorheizen der aufgebrachten Schicht ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 der Träger für diese Schicht entweder ein Heizer oder der Träger mit einem Heizer gekoppelt. Dadurch ist eine einfache Realisierung der Vorheizung gegeben.
  • Zur Erhöhung der Auflösung und zur Verringerung des Glasanteils der sinternden Keramik wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 die aufgebrachte Schicht mit gepulsten Laserstrahlen beaufschlagt. Die Pulslängen sind dabei vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 gleich/größer 10 ns und kleiner/gleich 10000 ns.
  • Eine günstige Möglichkeit einer Steuerung der Eindringtiefe der gepulsten Laserstrahlen zum Sintern ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 durch einen zeitlichen Versatz zwischen den Pulsen zum Vorheizen, Aktivieren oder Anregen und den Laserpulsen zum Sintern gegeben.
  • Die Quelle der inkohärenten Lichtstrahlen ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mindestens eine Kryptonbogen- oder Halogenlampe. Dadurch ist ein ökonomisches Vorheizen und/oder Aktivieren/Anregen gegeben.
  • Ein für den Prozess und eine Realisierung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens günstiger Temperaturbereich ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein Temperaturbereich gleich/größer 250°C und gleich/kleiner 450°C.
  • Günstige Laser sind nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 11 und 12 ein Nd:YAG-Laser mit einem Fokusdurchmesser von 30 μm als erster Laser und ein kurzgepulster Laser mit einer Pulszeit kleiner 10 ps und einem Fokusdurchmesser von 20 μm oder ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung und einem Fokusdurchmesser von 20 μm als zweiter Laser.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
  • Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern einer aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers zusammen näher erläutert.
  • Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Träger für den Gegenstand, einem Vorratsbehälter für das keramische Pulver, einer Transportvorrichtung für das keramische Pulver vom Vorratsbehälter zum Gegenstand, einem ersten Laser zum Sintern, einem zweiten Laser zur Beeinflussung, so dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungsenergie erhalten, jeweils einschließlich die Laserstrahlen führenden Einrichtungen und einer Steuerung. Im Falle der Realisierung eines Gegenstandes ist für die erste Schicht des Gegenstandes der Träger der Gegenstand.
  • Die Transportvorrichtung ist vorteilhafterweise eine Rakel, so dass keramische Partikel schichtweise auf den Gegenstand transportiert werden können. Die Partikel sind ein Pulvergemisch aus Al2O3/SiO2 im Volumenverhältnis von 65:35 mit einer Pulverkorngröße kleiner 10 μm. Die auf den Gegenstand aufgebrachte Schichtdicke beträgt 30 μm.
  • Die die Laserstrahlen führenden Einrichtungen sind so angeordnet, dass die Laserstrahlen der Laser auf die aufgebrachte Schicht des keramischen Pulvers gelangen. Vorteilhafterweise sind das schwenkbare und/oder bewegbare Spiegel über dem Gegenstand, so dass die gesamte Oberfläche des Gegenstandes mit den Laserstrahlen der Laser beaufschlagt werden kann.
  • Der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht wird mit den Laserstrahlen des zweiten Lasers so beeinflusst, dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. Dadurch erfolgt ein Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren, so dass eine bessere Absorption der Laserstrahlen des ersten Lasers als NIR(Nahes InfraRot)-Strahlung zum Sintern erfolgt. Das Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren erfolgt über den zweiten Laser im cw- oder gepulsten Betrieb. Für den zweiten Laser wird vorteilhafterweise
    • – ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung mit einer Pulsdauer von 30 ns und einer Frequenz von 30 kHz mit einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 2 W oder
    • – ein Pikosekunden(ps)-Laser mit einer Pulsdauer von kleiner/gleich 10 ps und einer Frequenz von 30 kHz bei einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 1 W oder
    • – ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung im cw-Betrieb mit einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 5 W oder
    • – ein Diodenlaser im cw-Betrieb mit einem Fokusdurchmesser von 600 μm und einer Leistung von 50 W eingesetzt.
  • In Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels kann zum Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren der Keramikschicht eine Kryptonbogen- oder Halogenlampe eingesetzt werden. In weiteren Ausführungsformen kann der Träger entweder selbst eine Heizung oder mit einer Heizung gekoppelt sein.
  • Die Temperatur der Keramikschicht von beispielsweise 400°C ist ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen.
  • Der durch den zweiten Laser beeinflusste Bereich der aufgebrachten Schicht wird zum Sintern mit Laserstrahlen des ersten Lasers mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 μm bestrahlt, wobei die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht ungefähr gleich dem Fokusdurchmesser des ersten Lasers ist. Der erste Laser ist vorteilhafterweise ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser mit einer Pulsdauer von 150 ns, einer Frequenz von 30 kHz, einer Leistung von 30 W und einem Fokusdurchmesser von 30 μm.
  • Die Pulse des zweiten Lasers zum Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren sind zu den Pulsen des ersten Lasers zum Sintern über die Steuerung durch eine Zeitverzögerung phasenmäßig anpassbar. Durch die Phasenverschiebung wird die Absorption der NIR-Strahlung des ersten Lasers gesteuert.
  • Die Temperatur und/oder Aktivierungs-/Anregungszustand der beeinflussten Schicht ist ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen zum Sintern. Diese wird so eingestellt, dass in der aufgebrachten Schicht die Laserstrahlen zum Sintern nahezu vollständig absorbiert werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zum selektiven Lasersintern einer aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der zu beaufschlagende und damit zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht erwärmt und/oder dass wenigstens der zu beaufschlagende und damit zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht so beeinflusst wird, dass Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten, dass der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht zum Sintern mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 μm bestrahlt wird, wobei die Temperatur und/oder der Anregungs-/Aktivierungszustand der beeinflussten Schicht ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen zum Sintern ist, und dass die Eindringtiefe so eingestellt wird, dass in der aufgebrachten Schicht die Laserstrahlen zum Sintern zum überwiegenden Anteil absorbiert werden.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht mit Laserstrahlen mit einer Wellenlänge entweder kleiner 1100 nm oder größer 2,5 μm im cw-Betrieb oder gepulstem Betrieb zum Vorheizen und/oder Aktivieren/Anregen beaufschlagt wird, so dass die Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht mit Laserstrahlen mit Pulslängen kleiner/gleich 10 ns zum Anregen oder Aktivieren beaufschlagt wird, so dass Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten.
  4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht mit inkohärenten Lichtstrahlen zum Vorheizen und/oder Aktivieren beaufschlagt wird, so dass die Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten.
  5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorheizen der aufgebrachten Schicht der Träger für diese Schicht entweder ein Heizer ist oder mit einem Heizer gekoppelt ist, so dass die Partikel erwärmt werden.
  6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Auflösung und zur Verringerung des Glasanteils der gesinterten Keramik die aufgebrachte Schicht mit gepulsten Laserstrahlen mit Pulslängen gleich/größer 10 ns und kleiner/gleich 10000 ns beaufschlagt wird.
  7. Verfahren nach Patentanspruch 1 und wenigstens einem der Patentansprüche 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse zum Vorheizen, Aktivieren oder Anregen zeitlich versetzt zu den gepulsten Laserstrahlen zum Sintern sind und dass über die Größe Versatzes die Eindringtiefe der Laserstrahlung zum Sintern gesteuert wird.
  8. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle der inkohärenten Lichtstrahlen mindestens eine Kryptonbogen- oder Halogenlampe ist.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger auf eine Temperatur von größer/gleich 250°C bis gleich/kleiner 450°C geheizt wird.
  10. Vorrichtung zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen von wenigstens zwei Lasern, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser zum Sintern Pulslängen von 10 ns bis einschließlich 100000 ns aufweist und eine Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm besitzt, dass der zweite Laser zur Beeinflussung des zu sinternden Bereiches der aufgebrachten Schicht eine Wellenlänge kleiner 1100 nm und/oder Pulslängen kleiner 10 ns aufweist, wobei Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten, dass die Laser und die Führungen der Laserstrahlen des ersten Lasers und des zweiten Lasers so angeordnet sind, dass die Laserstrahlen der Laser in einem gemeinsamen Strahlfleck auf die Schicht gelangen, und dass die Laser mit einer Steuerung so verbunden sind, dass eine Phasenverschiebung zwischen den Pulsen des ersten Laserstrahles und des zweiten Laserstrahles einstellbar ist.
  11. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laser ein Nd:YAG-Laser mit einem Fokusdurchmesser von 30 μm ist.
  12. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laser entweder ein kurzgepulster Laser mit einer Pulszeit kleiner 10 ps und einem Fokusdurchmesser von 20 μm oder ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung und einem Fokusdurchmesser von 20 μm ist.
  13. Verwendung von wenigstens zwei Lasern zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen von wenigstens zwei Lasern, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sintern einer aufgebrachten Schicht ein erster Laser mit einer Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm und dass zur Beeinflussung des zu sinternden Bereiches der aufgebrachten Schicht ein zweiter Laser mit einer Wellenlänge entweder kleiner/gleich 1100 nm oder größer/gleich 2,5 μm und/oder mit kurzen Pulsen der Länge kleiner 10 ns verwendet werden, wobei Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten.
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