DE102015203873B4

DE102015203873B4 - 3D-Druckverfahren

Info

Publication number: DE102015203873B4
Application number: DE102015203873.4A
Authority: DE
Inventors: c/o Airbus Operations GmbH Ruppert Bernd
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2025-12-18
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: US20160256926A1; US10668531B2; DE102015203873A1

Abstract

3D-Druckverfahren (M3) mit den Schritten:Lokales Injizieren (M31) eines Plasmas an einem Arbeitsbereich einer 3D-Druckvorrichtung (10), wobei das Plasma einenOberflächenbeschichtungsbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist; undLasersintern oder Laserschmelzen (M32) einer Pulvermischung (Ps) in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren in dem Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung (10), wobei die Pulvermischung (Ps) einen Sinterbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum 3D-Drucken, insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit verbesserten Materialeigenschaften im Luft- und Raumfahrtbereich.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Stereolithographie („stereolithography“, SLA), selektives Lasersintern („selective laser sintering“, SLS) und selektives Laserschmelzen („selective laser melting“, SLM) gehören zur Gruppe der generativen Fertigungsverfahren und werden landläufig auch als „3D-Druckverfahren“ bezeichnet. Dabei werden auf der Basis von geometrischen Modellen Datensätze erzeugt, die in einem speziellen generativen Fertigungssystem zur Herstellung von Objekten vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern formneutralem Halbzeugen wie etwa band-, draht- oder bahnförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse genutzt werden. 3D-Druckverfahren verwenden additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.
3D-Druckverfahren sind derzeit weit verbreitet in der Herstellung von Prototypen oder in der schnellen Produktentwicklung („Rapid Product Development“, RPD), in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird. 3D-Druckverfahren finden vielfältige Anwendung im Bauingenieurwesen, in der Architektur, in der Dentaltechnik, im Werkzeugbau, in der Implantologie, im Industriedesign, in der Automobilindustrie sowie auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
3D-Drucker und speziell Lasersintervorrichtungen verwenden ein rechnergestütztes Konstruktionssystem („computer-aided design“, CAD) einerseits und eine Strahlanlage andererseits, welche den generativen Schichtaufbau des zu druckenden Objekts auf der Basis des von dem CAD-System bereitgestellten digitalen Fertigungsmodells durchführt. Ein dreidimensionales CAD-Modell des zu druckenden Objekts wird dabei einer zur Generierung der für die Strahlanlage notwendigen Steuerdaten durchgeführten Aufbereitungsprozedur unterzogen, dem sogenannten „Slicing“. Dabei wird das CAD-Modell in Schichten vorgegebenen gleichmäßiger Dicke mit Schichtnormalen entlang der Aufbaurichtung der Strahlanlage digital zerlegt, welche dann die Basis für die Steuerung des Energiestrahls an der Ausgangsmaterialoberfläche in der Strahlanlage bilden. Ein herkömmlicher Schichtzerlegungsalgorithmus bildet dabei das CAD-Modell auf ein parkettiertes Oberflächenmodell ab, wodurch eine Menge geschlossener Kurven bzw. Oberflächenpolygone entstehen, die die sogenannten „Slices“ zwischen zwei senkrecht durch Aufbaurichtung der Strahlanlage aufeinanderfolgenden Modellschnitte definieren.
Solche Oberflächenmodelle können zum Beispiel im für die Stereolithographie gängigen STL-Format gespeichert werden, welches die Oberflächengeometrie des dreidimensionalen zu druckenden Objekts als Rohdaten unstrukturierter Dreieckstexturen beschreibt. Die Strahlanlage liest die Oberflächenmodelldaten ein und setzt sie in ein entsprechendes Ansteuerungsmuster für den Laserstrahl in einem SLA-, SLS- oder SLM-Fertigungsverfahren um.
Durch 3D-Druckverfahren wie SLA, SLS oder SLM entsteht viel Designfreiraum bei der Fertigung komplexer dreidimensionaler Bauelemente und Komponenten hinsichtlich deren geometrischer Form und Struktur. Ein ähnlicher Freiraum wäre wünschenswert bei der Gestaltung spezifischer Materialeigenschaften der gedruckten Bauelemente und Komponenten.
Verschiedene Ansätze im Stand der Technik versuchen diesen Freiraum zu schaffen: Die Druckschrift CN 103 567 352 A offenbart eine Zusammensetzung für selektives Lasersintern aus vorbeschichten Sandpartikeln, welche Rohsand, Binder, Aushärtemittel und ein Schmiermittel aufweist. Die Druckschrift CN 1 309 514 C offenbart eine Metallpulver-Zusammensetzung für selektives Lasersintern, welche ein Pulvermaterial auf Eisenbasis, ein Nickel- und/oder Nickellegierungs-Pulvermaterial, ein Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Pulvermaterial und ein Graphit-Pulvermaterial aufweist. Die Druckschrift US 5,182,170 A offenbart ein Verfahren zum Lasersintern, bei dem die gesinterten Materialien mit der Umgebungsatmosphäre reagieren. Die Druckschrift US 6,814,926 B2 offenbart eine Pulvermischung für selektives Lasersintern, welche eine Stahllegierung, ein Bindemittel und hochtemperaturresistente Partikel aufweist. Die Druckschrift US 2014/0134334 A1 offenbart einen 3D-Extrusionsprozess, bei dem vor dem Extrusionskopf eine Oberflächenbeschichtung auf die extrudierten Filamente aufgebracht wird.
Die Druckschriften: DE 199 09 882 A1 , DE 10 2010 055 201 A1 , US 2007 / 0 110 608 A1 , US 2007 / 0 290 409 A1 , WO 01/ 56 736 A2 und DE 69 511 881 T2 offenbaren weiteren Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine der Aufgaben der Erfindung besteht daher darin, Lösungen für in generativen Fertigungsverfahren hergestellte Objekte mit verbesserten Materialeigenschaften zu finden, insbesondere unter Zuhilfenahme von selektiven Lasersinterverfahren, selektiven Laserschmelzverfahren oder Stereolithographieverfahren.
Diese und andere Aufgaben werden durch ein 3D-Druckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein erstes 3D-Druckverfahren daher die Schritte des Mischens eines Sinterbestandteils, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist, mit mindestens einem Oberflächenbeschichtungsbestandteil, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist, in einer Pulvermischung, und des Lasersinterns oder Laserschmelzens der Pulvermischung in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein zweites 3D-Druckverfahren die Schritte des Erzeugens einer Schutzgasatmosphäre in einer 3D-Druckvorrichtung, wobei das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist, und des Lasersinterns oder Laserschmelzens einer Pulvermischung in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren. Dabei weist die Pulvermischung einen Sinterbestandteil auf, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.
Das erfindungsgemäße 3D-Druckverfahren umfasst die Schritte des lokalen Injizierens eines Plasmas an einem Arbeitsbereich einer 3D-Druckvorrichtung, wobei das Plasma einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist, und des Lasersinterns oder Laserschmelzens einer Pulvermischung in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren in dem Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung, wobei die Pulvermischung einen Sinterbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.
Gemäß einem Aspekt umfasst eine Pulvermischung zur Verwendung in einem 3D-Druckverfahren einen Sinterbestandteil, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist, und mindestens einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist.
Eine wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, einen herkömmlichen 3D-Druckprozess zu modifizieren, indem die Materialeigenschaften des fertigen gedruckten Objekts verbessernde bzw. verändernde Reaktanten dem Druckprozess in situ zugeführt werden. Dies bewirkt eine lokale Änderung der Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials des 3D-Druckprozesses während des Druckvorgangs.
3D-Druckprozesse sind insbesondere vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielles, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmtes Fertigungswerkzeug zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, Material sparende und Zeit sparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind derartige 3D-Druckverfahren für strukturelle Bauteile im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Ausführungsform des 3D-Druckverfahrens kann das Lasersintern oder Laserschmelzen unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Dabei kann das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre in einer Ausführungsform einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweisen, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist.
Gemäß einer Ausführungsform des 3D-Druckverfahrens kann die Pulvermischung mindestens einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweisen, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahrens können die Sinterbestandteile jeweils aus der Gruppe von Gold, Platin, Palladium, Nickel, Chrom, Eisen, Aluminium, Molybdän, Beryllium, Kupfer, Magnesium, Kobalt, Zinn oder einer Legierung davon ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Pulvermischung kann der Sinterbestandteil dabei aus der Gruppe von Gold, Platin, Palladium, Nickel, Chrom, Eisen, Aluminium, Molybdän, Beryllium, Kupfer, Magnesium, Kobalt, Zinn oder einer Legierung davon ausgewählt werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
KURZE INHALTSANGABE DER FIGUREN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine schematische Illustration einer 3D-Druckvorrichtung,
2 eine schematische Illustration von beispielhaften Details einer 3D-Druckvorrichtung der 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Illustration von beispielhaften Details einer 3D-Druckvorrichtung der 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4 eine schematische Illustration von beispielhaften Details einer 3D-Druckvorrichtung der 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
5 eine schematische Illustration von beispielhaften Details einer 3D-Druckvorrichtung der 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
6 ein Blockdiagramm eines ersten 3D-Druckverfahrens,
7 ein Blockdiagramm eines zweiten 3D-Druckverfahrens, und
8 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahrens.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Richtungsangebende Terminologie wie etwa „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „vorne“, „hinten“ und ähnliche Angaben werden lediglich zu erläuternden Zwecken verwendet und dienen nicht der Beschränkung der Allgemeinheit auf spezifische Ausgestaltungen wie in den Figuren gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern formneutralem Halbzeugen wie etwa band-, draht- oder bahnförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird. 3D-Druckverfahren umfassen dabei insbesondere Stereolithographie („stereolithography“, SLA), selektives Lasersintern („selective laser sintering“, SLS) und selektives Laserschmelzen („selective laser melting“, SLM).
1 zeigt eine schematische Illustration einer 3D-Druckvorrichtung 10. Die 3D-Druckvorrichtung 10 kann beispielsweise eine Anlage zum selektiven Lasersintern, eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen oder eine Stereolithographieanlage sein. Im Folgenden wird die 3D-Druckvorrichtung 10 beispielhaft im Zusammenhang mit SLS erläutert werden.
Eine Energiequelle, beispielsweise ein CO₂-Laser 1, sendet einen Energiestrahl ortsselektiv auf einen bestimmten Teil einer Pulveroberfläche pulverförmigen Materials Ps, welches in einer Arbeitskammer 3 auf einer Werkplattform 3a aufliegt. Dazu kann eine optische Ablenkvorrichtung bzw. Scannermodul 2 wie etwa ein beweglicher bzw. kippbarer Spiegel vorgesehen sein, welcher den Laserstrahl L je nach seiner Kippstellung auf einen bestimmten Teil der Pulveroberfläche des Pulvers Ps ablenkt.
An der Auftreffstelle des Laserstrahls L wird das Pulver Ps erhitzt, so dass die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen werden und bei einem Abkühlen ein Agglomerat bilden. In Abhängigkeit von einem durch ein CAD-System bereitgestellten und gegebenenfalls aufbereiteten digitalen Fertigungsmodell rastert der Laserstrahl L die Pulveroberfläche ab. Nach dem selektiven Schmelzen und lokalen Agglomerieren der Pulverpartikel in der Oberflächenschicht des Pulvers Ps kann überschüssiges, nicht agglomeriertes Pulver Pd in einen Überschussbehälter 5 übertragen werden. Danach wird die Werkplattform 3a abgesenkt und mit Hilfe einer Nivellierwalze 6 oder einer anderen geeigneten Rakel- oder Walzeinrichtung neues Pulver Pr aus einem Pulverreservoir 4 mit einer Reservoirplattform 4a in die Arbeitskammer 3 überführt. Das Pulver Pr aus dem Pulverreservoir 4 kann zur Beschleunigung des Schmelzprozesses durch Infrarotlicht auf eine knapp unter der Schmelztemperatur des Pulvers liegende Arbeitstemperatur vorgewärmt werden.
Auf diese Weise entsteht in einem iterativen generativen Aufbauprozess ein dreidimensionales gesintertes bzw. „gedrucktes“ Objekt B aus agglomeriertem Pulver. Das umliegende Pulver dient dabei der Abstützung des bis dahin aufgebauten Teils des Objekts B, so dass keine externe Stützkonstruktion notwendig ist. Durch die kontinuierliche Abwärtsbewegung der Werkplattform 3a entsteht das Objekt B in schichtweiser Modellerzeugung.
Die gesamte Druckvorrichtung 10 kann in einem Gehäuse 7 untergebracht sein, in welchem durch eine geeignete Zufuhreinrichtung 8 eine dem Lasersinterprozess zuträgliche Atmosphäre erzeugt werden kann. Beispielsweise kann in dem Gehäuse 7 ein Vakuum erzeugt werden. Alternativ dazu kann durch die Zufuhreinrichtung 8 auch eine passivierende Atmosphäre mit einer Inertgasmischung wie etwa aus Argon und/oder Stickstoff generiert werden.
In den 2 bis 5 werden beispielhaft schematische Illustrationen von Details der 3D-Druckvorrichtung 10 aus 1 im Bereich der Arbeitskammer 3 gezeigt. Die in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen spezielle Vorkehrungen, die in selektiven Lasersinterverfahren oder selektiven Laserschmelzverfahren getroffen werden können, um die Materialeigenschaften von in solchen Prozessen hergestellten dreidimensionalen Objekten B zu verbessern. Es sollte dabei klar sein, dass sich Merkmale und Merkmalsgruppen von in einer der 2 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispiele ebenso auf die anderen Ausführungsbeispiele übertragen lassen können.
2 zeigt die Arbeitskammer 3, in der zusätzlich eine Injektionsdüse 9 angeordnet ist. Über die Injektionsdüse 9 kann ein Plasma gezielt in die 3D-Druckvorrichtung 10 injiziert werden, insbesondere an einem Arbeitsbereich in der Arbeitskammer 3 auf der Pulveroberfläche des Pulvers Ps. Das injizierte Plasma kann mit Schmiermitteln, Elektrolyten oder anderen oberflächenwirksamen Bestandteilen angereichert sein, um während des Lasersinterns bzw. Laserschmelzens des Pulvers Ps zur Herstellung des 3D-Objekts B eine Verbesserung der Materialeigenschaften erzielen zu können. Das Plasma kann dabei zumindest einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweisen, welcher die gewünschten Materialverbesserungen über thermische chemische Reaktionen beim Lasersintern bzw. Laserschmelzen erzielen kann. Derartige Oberflächenbeschichtungsbestandteile können aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt werden.
3 zeigt die Arbeitskammer 3, in der über die Zufuhreinrichtung 8 ein Schutzgas mit Oberflächenbeschichtungsbestandteilen in das Gehäuse 7 zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre A in der Umgebung des Lasersinter- bzw. Laserschmelzprozesses in die 3D-Druckvorrichtung 10 eingeleitet werden kann. Ähnlich wie in 2 dient dabei das Schutzgas der Verbesserung der Materialeigenschaften des Pulvers Ps bereits während des 3D-Druckprozesses.
In 4 ist die Arbeitskammer 3 mit einer Pulvermischung P gezeigt, die neben dem Sintermaterial bereits untergemischte Oberflächenbeschichtungsbestandteile zeigt. 5 zeigt die Arbeitskammer 3, in der sowohl über die Pulvermischung P der 4 als auch über die Zufuhreinrichtung 8 der 3 Oberflächenbeschichtungsbestandteile zur Verbesserung der Materialeigenschaften dem 3D-Druckprozess zugeführt werden können.
Die 6, 7 und 8 zeigen jeweils ein Blockdiagramm eines schematischen Ablaufs eines 3D-Druckverfahrens, welches in einer 3D-Druckvorrichtung wie etwa der 3D-Druckvorrichtung in 1 implementiert werden kann. Dabei können die verschiedenen dargestellten 3D-Druckverfahren M1, M2 und M3 jeweils auf entsprechende Überlegungen zurückgreifen, wie sie im Zusammenhang mit den 2 bis 5 erläutert worden sind.
In einem ersten 3D-Druckverfahren M1 erfolgt zunächst ein Schritt M11, in dem ein Sinterbestandteil, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist, mit mindestens einem Oberflächenbeschichtungsbestandteil, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist, in einer Pulvermischung P Diese Pulvermischung P wird dann in einem Schritt M12 einem Lasersintern oder Laserschmelzen in einem selektiven Lasersinterverfahren bzw. selektiven Laserschmelzverfahren unterzogen. Dabei kann das Lasersintern oder Laserschmelzen unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, zum Beispiel einer Schutzgasatmosphäre, in das verwendete Schutzgas ebenfalls einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist.
In einem zweiten 3D-Druckverfahren M2 erfolgt zunächst ein Schritt M21 das Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre in einer 3D-Druckvorrichtung 10. Das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre weist dabei einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil auf, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist. Schließlich kann unter dieser Schutzgasatmosphäre ein Lasersintern oder Laserschmelzen in einem Schritt M22 durchgeführt werden, bei dem eine Pulvermischung Ps einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren unterzogen wird. Die Pulvermischung Ps kann dabei einen Sinterbestandteil aufweisen, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist. Auch hier kann die Pulvermischung Ps zusätzlich zu dem Sinterbestandteil mindestens einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweisen, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist.
In dem erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahren M3 erfolgt schließlich ein einem Schritt M31 das lokale Injizieren eines Plasmas in eine 3D-Druckvorrichtung. Dieses Injizieren kann gezielt an einem Arbeitsbereich einer 3D-Druckvorrichtung 10 auf einer Pulveroberfläche eines pulverförmigen Ausgangsmaterials zum 3D-Drucken eines 3D-Objekts erfolgen. Das Plasma weist hierbei einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil auf, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist. An der Stelle, an der das Plasma lokal in die 3D-Druckvorrichtung 10 injiziert wird, erfolgt in einem Schritt M32 dann ein Lasersintern oder Laserschmelzen einer Pulvermischung Ps in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren. Die Pulvermischung Ps umfasst dabei einen Sinterbestandteil, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.
In allen 3D-Druckverfahren M1, M2, M3 kann der Sinterbestandteil zum Beispiel aus der Gruppe von Gold, Platin, Palladium, Nickel, Chrom, Eisen, Aluminium, Molybdän, Beryllium, Kupfer, Magnesium, Kobalt, Zinn oder einer Legierung davon ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft kann dabei die Auswahl von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Sinterbestandteil sein, da Aluminium in konventionellen 3D-Druckprozessen aufgrund seiner hohen Reaktivität mit der Umgebung sehr leicht zu unerwünschter Oxidation neigt.
Mit den 3D-Druckverfahren M1, M2 bzw. M3 können Materialeigenschaften des Objekts B verbessert werden: Zum Beispiel können die gesinterten Partikel der Pulvermischung während des Lasersinter- bzw. Laserschmelzprozesses mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden, die eine unerwünschte Oxidation verhindern kann. Alternativ oder zusätzlich dazu können die gesinterten Partikel der Pulvermischung gegebenenfalls leichter aufgekohlt oder nitridiert werden, insbesondere bei 3D-Druckprozessen mit Stahl und Stahllegierungen oder Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Des Weiteren können durch den Zusatz der Oberflächenbehandlungsmaterialien während des 3D-Druckprozesses Schmiereigenschaften oder elektrische Leitfähigkeitseigenschaften des gedruckten Objekts B verbessert werden. Dazu können beispielsweise schmierende Partikel wie etwa Graphen, Graphit, Carbide oder Sulfide beitragen. Die elektrische Leitfähigkeit können generell leitfähige Zusatzpartikel verbessern, die insbesondere an der Oberfläche von gedruckten Objekten B deren Kontaktleitfähigkeit entscheidend verbessern können.
Besonders die Herstellung von Einpressbuchsen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren können die Kontaktpunkte an der Außenseite der Einpressbuchsen durch Verwendung von schmierende und/oder die elektrische Leitfähigkeit verbessernden Zusatzstoffen bereits während des 3D-Drucks der Einpressbuchse deutlich zuverlässiger gestaltet werden.
Die beschriebenen Verfahren können in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber auch im Ingenieurs- und Maschinenbauwesen generell eingesetzt werden.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1: Laser
2: Optische Ablenkvorrichtung
3: Arbeitskammer
3a: Werkplattform
4: Pulverreservoir
4a: Reservoirplattform
5: Überschussbehälter
6: Nivellierwalze
7: Gehäuse
8: Zufuhreinrichtung
9: Injektionsdüse
A: Schutzgasatmosphäre
B: Druckobjekt
L: Laserstrahl
M1: Verfahren
M11: Verfahrensschritt
M12: Verfahrensschritt
M2: Verfahren
M21: Verfahrensschritt
M22: Verfahrensschritt
M3: Verfahren
M31: Verfahrensschritt
M32: Verfahrensschritt
P: Pulvermischung
Pd: Überschüssiges Pulver
Pr: Reservoirpulver
Ps: Werkpulver

Claims

3D-Druckverfahren (M3) mit den Schritten: Lokales Injizieren (M31) eines Plasmas an einem Arbeitsbereich einer 3D-Druckvorrichtung (10), wobei das Plasma einen Oberflächenbeschichtungsbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe von Bornitrid, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfid, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Calciumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliciumcarbid und Cerfluorid ausgewählt ist; und Lasersintern oder Laserschmelzen (M32) einer Pulvermischung (Ps) in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren in dem Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung (10), wobei die Pulvermischung (Ps) einen Sinterbestandteil aufweist, welcher aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.
3D-Druckverfahren (M3) gemäß Anspruch 1, wobei der Sinterbestandteil aus der Gruppe von Gold, Platin, Palladium, Nickel, Chrom, Eisen, Aluminium, Molybdän, Beryllium, Kupfer, Magnesium, Kobalt, Zinn oder einer Legierung davon ausgewählt ist.