DE102007023591A1

DE102007023591A1 - Optisches Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102007023591A1
Application number: DE102007023591A
Authority: DE
Inventors: Norio Takinami; Toshio Maeda
Original assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Current assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: US20080099936A1; US7941241B2; JP2008111151A; DE102007023591B4; JP3923511B1

Abstract

Das optische Herstellungsverfahren ist in der Lage, Härte und Dichte einzustellen, die für jeden optischen Herstellungsbereich bei der Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstands durch Sinterung mit einem Lichtstrahl benötigt wird, und hat einen hervorragenden Arbeitswirkungsgrad. Bei dem optischen Herstellungsverfahren wird eine vorgegebene Anzahl von Malen eine Pulverschicht mit einer vorgegebenen Dicke ausgebildet und anschließend die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl gesintert. Dann wird an den Pulverschichten eine Peripherie geschnitten. Der Sinterungsgrad wird dadurch geändert, dass die Strahlungsstärke pro Einheitsfläche einer von dem Lichtstrahl gesinterten Oberfläche entsprechend einer kürzesten Distanz von einer Umfangsfläche jeder Pulverschicht geändert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches bzw. mit optischen Mitteln ausgeführtes Herstellungsverfahren, bei welchem eine Pulverschicht mit einer vorgegebenen Dicke ausgebildet und dann die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl eine vorgegebene Anzahl von Malen gesintert wird, wonach der Umfang bzw. die Peripherie der Pulverschichten durch Schneiden hergestellt wird.
In dem Bereich der Technik zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen durch Sintern von Metall oder nichtmetallischem Pulver mit einem Lichtstrahl, wie einem Laserstrahl, sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Bei jedem der Verfahren werden folgende Schritte ausgeführt:

(1) Ein Dispersions- und Planarisierungsschritt zum Dispergieren von nach unten fallendem Pulver und zum Glätten der oberen Fläche des dispergierten Pulvers oder in der Nähe der oberen Fläche,
(2) ein Schritt zur Bestrahlung einer Herstellungsfläche mit einem Lichtstrahl, wie einem Laserstrahl, um die bestrahlte Fläche zu sintern, und
(3) ein Schritt zur Bildung der Peripherie einer einzigen Schicht oder einer Vielzahl von Schichten, die dem Sinterschritt (2) unterworfen worden sind, wobei der Umfangsrandabschnitt bzw. die Umfangsrandabschnitte von ihr bzw. von ihnen mit einem Stirnfräser bearbeitet und die Schritte (1), (2) und (3) zur Bildung der abschließend erforderlichen dreidimensionalen Formen wiederholt werden.

Bei den bekannten Verfahren, wie sie in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung (Übersetzung der PCT- Anmeldung) Hei 8-502703 und 2003-502500 offenbart sind, wird bei dem Sinterschritt (2) der Bestrahlungsgrad in der Herstellungsfläche einer Be strahlungsoberfläche, wie in 1 gezeigt ist, annähernd konstant gehalten und wird nicht speziell in der Fläche eingestellt.
Es ist bekannt, dass die Härte und Dichte eines herzustellenden Gegenstandes sich natürlich mit dem Sintergrad ändern. Dennoch muss der herzustellende Gegenstand nicht notwendigerweise eine konstante Härte und Dichte über der gesamten Fläche haben.
Es gibt viele Fälle, bei denen am Umfangsabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands eine höhere Härte und eine größere Dichte erforderlich sind, während dies für den zentralen Abschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands nicht immer erforderlich ist.
Es ist auch der umgekehrte, jedoch seltenerer Fall möglich, dass am Umfangsabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands eine niedrige Härte und eine geringe Dichte erforderlich sind, während eine hohe Härte und eine hohe Dichte am Mittelabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands verlangt werden.
In diesem Fall bedeutet das Bestrahlen der gesamten Herstellungsfläche mit einem Lichtstrahl etwa gleicher Stärke über der gesamten Herstellungsfläche, wie es bei den herkömmlichen Verfahren gemacht wird, eine Bestrahlung mit einem verschwenderischen Lichtstrahl, was hinsichtlich Herstellungsgeschwindigkeit und Herstellungskosten unangemessen ist.
Wenn herzustellende Gegenstände, die so gesintert sind, dass sie in etwa eine gleichförmige Härte und Dichte haben, als einzelne Bauelemente miteinander verbunden werden, wie dies bei den herkömmlichen Verfahren getan wird, obwohl Harte und die Dichte sequentiell geändert werden müssen, ergeben sich schnelle Änderungen in Härte und Dichte an den Verbindungsgrenzabschnitten. Dies führt zu vielen Defekten, wie einer Separierung und einem Reißen.
Dies führt zu grundsätzlichen Nachteilen, wie eine Leckage von Flüssigkeit, beispielsweise einem Wasserdurchlass, und zur Reduzierung der erforderlichen mechanischen Festigkeit in einem Rohraufbau, durch den ein Fluid hindurchströmen muss.
Während das japanische Patent Nr. 3446733 die Hochdichtigkeitssinterung der Oberfläche eines Pulversinterabschnitts offenbart, geht die hier offenbarte Erfindung nicht von der Annahme einer sequentiellen Einstellung von Härte und Dichte über der gesamten Sinterfläche aus.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein optisches Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei dem Härte und Dichte eingestellt werden können, die für jede optische Herstellungsfläche bei der Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands durch Sintern mit einem Lichtstrahl benötigt werden, ein hervorragender Arbeitswirkungsgrad erreicht werden soll.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
Bei dem optischen Herstellungsverfahren nach der Erfindung wird eine Pulverschicht mit vorgegebener Dicke ausgebildet und anschließend die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl eine vorgegebene Anzahl von Malen gesintert. An den Pulverschichten wird eine Peripherie durch Schneiden hergestellt. Der Sintergrad wird dadurch geändert, dass eine Bestrahlungsstärke pro Flächeneinheit einer durch einen Lichtstrahl gesinterten Oberfläche entsprechend einer kürzesten Distanz von einer Umfangsfläche einer jeden Pulverschicht aus geändert wird.
Der Grund, warum der Lichtstrahl-Bestrahlungsgrad entsprechend der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche eines herzustellenden Gegenstandes eingestellt wird, wie es bei dem vorstehenden Grundaufbau der Fall ist, besteht darin, dass bei den meisten herzustellenden Gegenständen sich die erforderliche Härte und Dichte entsprechend der Entfernung von der Fläche unterscheidet.
Im Falle der meisten mechanischen Teile, wie beispielsweise Formen, ist es wahrscheinlich, dass die erforderliche Härte und Dichte verglichen mit denen an der Umfangsfläche und in deren Nähe zu der Flächenmitte hin geringer werden.
Auf einem speziellen Gebiet, wie dem der Medizin, wo mit einem Material, wie künstlichen Knochen in einem menschlichen Körper gearbeitet wird, besteht der Ausnahmefall, dass die erforderliche Härte und Dicke an der Oberfläche und in ihrer Nähe niedrig sein können, jedoch zu ihrer Mitte hin größer werden müssen.
Die Härte und die Dichte hängen von der Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche der Oberfläche ab, die mit einem Lichtstrahl gesintert wird. Die Bestrahlungsmenge pro Einheitsfläche wird dadurch eingestellt, dass beispielsweise die Spotgröße einer Bestrahlungsfläche oder die Lichtstrahlstärke in der Bestrahlungsfläche, wie die Lichtstrahlabgabeleistung oder die Überstreichungsgeschwindigkeit, entsprechen der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche geändert wird.
Für die Ausführung der Erfindung ist wesentlich, die Strahlungsstärke pro Einheitsfläche in Übereinstimmung mit der kürzesten Distanz zu ändern, während tatsächlich die Fläche mit einem Lichtstrahl überstrichen wird.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
1A und 1B zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine Sinterfläche, wobei in beiden Figuren gezeigt wird, dass eine spezifische ebene Fläche zu einem zu sinternden Gegenstand zu dem Zeitpunkt der sequentiellen Ausbildung von herzustellenden Gegenständen wird.
2 zeigt in einem Blockschaltbild ein CAD/CAM-System.
3A ist eine Draufsicht auf eine typische Ausgestaltung der Erfindung und zeigt eine ganze planare Fläche, die mit einem Lichtstrahl längs Equipotentiallinien überstrichen wird.
3B ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht der Ausführungsform und zeigt die Einstellung der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede Bestrahlungseinheitsfläche.
Bei dem optischen Herstellungsverfahren werden der Schritt (1) der Pulverdispersion und -planarisierung, der Sinterschritt (2) und der Formungsschritt (3) durch ein System 3 verwirklicht, wie es in 2 gezeigt ist.
Das System 3 hat ein rechnergestütztes Entwurfsystem bzw. ein CAD-System 31, das eine Gegenstandsform einstellt und oder mittels eines computergestützten Bewegungssystems bzw. CAM-Systems 32 Daten setzt, die für die Bearbeitung des Gegenstands erforderlich sind. Das CAM-System 32 erzeugt einen Prozess, der zur Steuerung der Schritte (1), (2) und (3) erforderlich ist, wonach eine NC-(numerisch gesteuerte)Einrichtung 4 die Schritte (1), (2) und (3) steuert.
Im Folgenden werden zwei typische Ausführungsformen (a) und (b) der vorliegenden Erfindung beschrieben, die auf der Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 beruhen.
Bei dem optischen Herstellungsverfahren (a) ist eine Form einer Umfangsfläche einer jeden gesinterten Einheit mit einem CAD-System 31 eingestellt.
Es wird ferner eine Vielzahl von Equipotentiallinien 2 auf jeder gesinterten Oberfläche 11 mit Teilungen eingestellt, die gleich oder kleiner als eine Spotbreite in einer Bestrahlungsfläche einer Lichtstrahlfläche sind. Die Equipotentiallinie 2 wird dadurch erhalten, dass eine Vielzahl von Punkten mit gleicher kürzester Distanz von der Umfangsfläche verbunden werden. Der Lichtstrahl überstreicht jede gesinterte Fläche 11 längs der Equipotentiallinien 2 mit einer annähernd gleichen Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche unter Verwendung des CAD-Systems 31 oder des CAM-Systems 32. Die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche wird für jede Equipotentiallinie 2 geändert.
Bei dem optischen Herstellungsverfahren nach (b) wird durch das CAD-System 31 die Form einer jeden gesinterten Einheit eingestellt. Ferner wird eine Vielzahl von Equipotentiallinie 2 auf der gesinterten Fläche eingestellt. Jede Equipotentiallinie 2 wird dadurch erhalten, dass eine Vielzahl von Punkten mit gleicher kürzester Entfernung von einer Umfangsfläche einer jeden gesinterten Fläche 11 verbunden wird. Die Bestrahlungseinheitsflächen werden dadurch eingestellt, dass jede gesinterte Fläche 11 in einer Breite, die gleich oder kleiner ist als eine Bestrahlungsbreite eine Lichtstrahls in Vertikal- und Horizontalrichtung, durch Verwendung des CAD-Systems 31 oder des CAM-Systems 32 in gleiche Segmente unterteilt wird. Ferner wird die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede der Bestrahlungseinheitsflächen in Zuordnung zu den Equipotentiallinien 2, die durch jede Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, unter Verwendung einer Software eingestellt, die das CAM-System 32 erzeugt.
Schließlich wird eine Bestrahlungsstärke als Instruktion einer Lichtstrahlbestrahlungsvorrichtung 5 (2) zugeführt, die jede Bestrahlungseinheitsfläche in Vertikalrichtung oder Horizontalrichtung mittels der NC-Steuereinrichtung 4 überstreicht.
Bei der Ausgestaltung nach (a), bei der ein Lichtstrahl längs de Equipotentiallinien 2 bewegt wird, ergibt sich ein sehr effizientes Arbeiten, indem wenigstens die Bestrahlungsstärke oder die Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls für jede Equipotentiallinie 2 durch das CAD/CAM-System 3 eingestellt wird, während die Bestrahlungsstärke und die Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls, der sich längs der Equipotentiallinien 2 bewegt, beibehalten werden.
Bei der Ausführung nach (a) muss für ein Bewegen des Lichtstrahls von einer spezifischen Equipotentiallinie 2 zur nächsten angrenzenden Equipotentiallinie 2 das CAM-System 32 ein Programm vorwählen, das in der Lage ist, einzeln zu erkennen, dass der Lichtstrahl längs einer Equipotentiallinie 2 einmal herumläuft, d. h. dass der Lichtstrahl zur gleichen Position wie der Ausgangsposition der Equipotentiallinie 2 zurückkehrt und eine Bewegung des Lichtstrahls zu einer benachbarten Equipotentiallinie 2 basierend auf dem Erkennungsergebnis für die NC-Steuereinrichtung 4 befiehlt.
In der Ausgestaltung nach (b), wo jede Bestrahlungseinheitsfläche eingestellt wird, wird die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede Bestrahlungseinheitsfläche so eingestellt, dass eine Anpassung an ein Verfahren zur Einstellung der Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls nicht oder nur sehr schwer möglich ist. Das Verfahren nach (b) kann jedoch dem herkömmlichen Verfahren folgen, einen Lichtstrahl linear zu bewegen.
Bei der Ausgestaltung nach (b) braucht eine einzelne Equipotentiallinie 2 nicht durch jede Segmentfläche 12 hindurchgehen, was von der Beziehung zwischen den Breiten der Equipotentiallinien 2 und den Breiten der Segmentflächen 12 abhängt, es kann jedoch der Fall eintreten, dass eine Vielzahl von Equipotentiallinien 2 durch jede Segmentfläche 12 hindurchgeht.
Wenn die Equipotentiallinien 2 durch eine spezielle Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, wird die spezielle Bestrahlungseinheitsfläche weiter in Segmentflächen für jede der Equipotentiallinien 2 unterteilt und die jeder der Equipotentiallinien 2 entsprechende Bestrahlungsstärke wird in jeder der Segmentflächen durch Verwendung der Software eingestellt, die durch das CAM-System 32 festgestellt wird.
Wenn die Equipotentiallinien 2 durch eine spezielle Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, wird der Mittelwert der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke in den Bestrahlungseinheitsflächen an in Vertikalrichtung oder Horizontalrichtung und auf beiden Seiten nächstgelegenen Positionen, wo die Equipotentiallinien 2 hindurchgehen, eingestellt oder es wird die Bestrahlungsstärke, die von der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke aus in arithmetischer oder geometrischer Weise sequentiell geändert wird, für jede Bestrahlungseinheitsfläche durch Verwendung der Software eingestellt, die von dem CAM-System 32 bereitgestellt wird.
Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben.
Wenn ein steuerungsbezogenes Programm zur Zeit der Herstellung eines nächsten Gegenstandes, nachdem die Herstellung eines speziellen Gegenstandes abgeschlossen ist, unter Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 erzeugt wird, kann eine die NC-Steuereinrichtung 4 nutzende Steuerung basierend auf diesem Programm während der Programmerzeugungszeit nicht ausgeführt werden.
Bei dem Beispiel, das die Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 voraussetzt, erzeugt das CAM-System 32 ein Programm, das sich auf die Steuerung eines als nächsten herzustellenden Gegenstandes 1 bezieht, während der Lichtstrahl-Bestrahlungsgrad für einen speziellen herzustellenden Gegenstand 1 als Instruktion gegeben wird.
Die Verwendung der Struktur des Beispiels kann die Zeit, die zum Erzeugen des Programms in dem CAM-System 32 erforderlich ist, im Wesentlichen auf Null bringen, wodurch ein äußerst wirksames fortlaufendes Arbeiten möglich wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Grundaufbau kann mit der Erfindung eine Sinterung erreicht werden, die für die gewünschte Härte und Dichte für jeden Herstellungsbereich mit der kürzesten Distanz von der den Bezug bildenden Umfangsfläche aus erforderlich ist. Ferner können die Herstellungsgeschwindigkeit und die Herstellungskosten verglichen mit dem Fall verbessert werden, bei welchem der gleiche Sintergrad über der gesamten Fläche bewirkt wird.
Die Erfindung kann in allen Bereichen der optische Mittel benutzenden Fertigung eingesetzt werden, bei der eine Pulverschicht mit einem Lichtstrahl gesintert wird.

Claims

Optisches Herstellungsverfahren, bei welchem – ein Schritt ausgeführt wird, eine vorgegebene Anzahl von Malen eine Pulverschicht mit einer vorgegebenen Dicke zu bilden und dann die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl zu sintern, – eine Peripherie der Pulverschichten geschnitten wird und – der Grad der Sinterung dadurch geändert wird, dass die Strahlungsstärke pro Flächeneinheit einer mit Lichtstrahlen gesinterten Oberfläche entsprechend einer kürzesten Distanz von einer Umfangsfläche einer jeden Pulverschicht geändert wird.
Optisches Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Grad der Sinterung dadurch geändert wird, dass die Stärke des Lichtstrahls in seiner Bestrahlungsfläche entsprechend der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche geändert wird.
Optisches Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Grad der Sinterung dadurch geändert wird, dass eine Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahl in einer Bestrahlungsfläche gemäß der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche geändert wird.
Optisches Herstellungsverfahren, bei welchem – eine Form einer Umfangsfläche einer jeden gesinterten Einheit mit einem CAD-System eingestellt wird, – eine Vielzahl von Equipoteniallinien auf jeder gesinterten Fläche mit Teilungen, die gleich oder kleiner sind als eine Spotbreite in einer Bestrahlungsfläche einer Lichtstrahlfläche eingestellt wird, wobei jede Equipotentiallinie dadurch erhalten wird, dass eine Vielzahl von Punkten mit einer gleichen kürzesten Distanz von der Umfangsfläche verbunden werden, – jede gesinterte Fläche längs der Equipotentiallinien mit dem Lichtstrahl mit annähernd gleicher Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche durch Verwendung des CAD-Systems oder eines CAM-Systems überstrichen wird, und – die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche für jede Equipotentiallinie geändert wird.
Optisches Herstellungsverfahren, bei welchem – eine Form einer jeden gesinterten Einheit mit einem CAD-System eingestellt wird, – eine Vielzahl von Equipotentiallinien auf jeder gesinterten Fläche eingestellt wird, wobei jede Equipotentiallinie dadurch erhalten wird, dass eine Vielzahl von Punkten mit gleicher kürzester Distanz von einer Umfangsfläche einer jeden gesinterten Fläche verbunden wird, – unter Verwendung des CAD-Systems oder eines CAM-Systems Bestrahlungseinheitsflächen dadurch eingestellt werden, dass die jeweilige gesinterte Oberfläche mit einer Breite gleich segmentiert wird, die gleich oder kleiner ist als eine Lichtstrahl-Bestrahlungsbreite in Vertikalrichtung und Horizontalrichtung, – eine Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede der Bestrahlungseinheitsflächen in Zuordnung zu den Equipotentiallinien, die die jeweilige Bestrahlungseinheitsfläche passieren, unter Verwendung einer Software eingestellt wird, die von dem CAM-System geschaffen wird, und – eine Bestrahlungsstärke einer Lichtstrahlbestrahlungsvorrichtung als Instruktion übermittelt wird, die jede Bestrahlungseinheitsfläche in Vertikalrichtung oder in Horizontalrichtung über eine NC-Steuereinrichtung überstreicht.
Optisches Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, bei welchem, wenn die Equipotentiallinien eine spezielle Bestrahlungseinheitsfläche passieren, die spezielle Bestrahlungseinheitsfläche weiter in Segmentflächen für jede der Equipotentiallinien unterteilt wird und die jeder der Equipotentiallinien entsprechende Bestrahlungsstärke in jeder der Segmentflächen durch Verwendung der von dem CAM-System geschaffenen Software eingestellt wird.
Optisches Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, bei welchem, wenn die Equipotentiallinien nicht durch eine spezifische Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, ein Mittelwert der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke in Bestrahlungseinheitsflächen an in Vertikalrichtung oder Horizontalrichtung oder auf beiden Seiten nächst gelegenen Po sitionen, wo die Equipotentiallinien hindurchgehen, oder eine Bestrahlungsstärke, die sequentiell von einer Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke aus auf arithmetische oder geometrische Weise geändert wird, für jede Bestrahlungseinheitsfläche durch Verwendung der von dem CAM-System geschaffenen Software eingestellt wird.
Optisches Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das CAM-System Instruktionen für einen Lichtstrahl-Bestrahlungsgrad für ein herzustellendes spezielles Objekt gibt, während es ein Programm erzeugt, das einer Steuerung für ein herzustellendes Fabrikationsobjekt zugeordnet ist.