BRPI0702904A2 - dispositivo e método para fabricar um objeto tridimensional - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO E MéTODO PARA FABRICAR UM OBJETO TRIDIMENSIONAL. A invenção descreve um método no qual um objeto tridimensional é produzido compactando sucessivamente camadas componente em pó nos pontos correspondentes à seção transversal do objeto na camada respectiva sob o efeito de um laser ou outra fonte de energia. O componente em pó usado no dito método é um material contendo pó velho deixado como pó não compactado a partir da produção de um ou vários objetos criados anteriormente como também algum pó novo nunca usado antes durante um processo de produção. O método inventivo é caracterizado pelo fato de que o componente em pó é compactado mecanicamente quando uma camada é aplicada.

Description

"DISPOSITIVO E MÉTODO PARA FABRICAR UM OBJETOTRIDIMENSIONAL"

A invenção se refere a um dispositivo e um método parafabricação em camada de um objeto tridimensional a partir de um material emforma de pó. Em particular, a invenção é referente a um método parasinterização de laser seletivo, a seguir, brevemente chamado de método desinterização de laser, e a um dispositivo de sinterização de laser.

Um método de sinterização a laser e um dispositivo desinterização a laser de acordo com o preâmbulo das reivindicações 1 e 5,respectivamente, são por exemplo, conhecidos a partir DE 101 05 404 Al. Nométodo, é usado particularmente, um pó plástico tal como poliamida.

No método conhecido para cada processo de construção éusada uma quantidade de pó velho especificado, i.e., pó, o que permanece apartir de um ou vários processos de construção prévios. Entretanto, o pó velhoestá sujeito a um processo de envelhecimento.

Por exemplo, o pó velho é termicamente e/ou termooxidantemente danificado e, portanto, tem outras propriedades de material epor esta razão também outros parâmetros de procedimentos diferentes do pónovo. Então ele pode ser adicionado ao novo pó apenas em proporçõesdefinidas a fim de não colocar em risco o processo de construção e aqualidade da parte. A chamada taxa de regeneração é o valor do percentual depó novo na mistura quantidade / percentual do pó velho na quantidademisturada (e.g. 50/50) que é usada para um processo de construção. Esta taxade regeneração será tão pequena quanto possível, porque assim os custos como novo pó podem ser economizados.

Na DE 101 05 504 Al é proposto pré processar o pó velho oua mistura do pó velho e do pó novo antes da solidificação, por exemplo,fluidificando, a fim de reduzir o efeito de mudanças na redução de qualidadereferente ao envelhecimento, tal que mais pó velho pode ser adicionado.Entretanto, por tal pré-tratamento, geralmente, nem todas asmudanças na redução de qualidade referente ao envelhecimento do pó podemser eliminadas. Em particular, uma proporção alta demais de pó velho dáorigem a uma qualidade de superfície insatisfatória das paredes externas daparte devido a posições de imersão, as quais também são chamadas "marcasde pia" ou "casca de laranja".

A partir do WO 2005/097475 um método de sinterização alaser e um pó de sinterização a laser para tal método é conhecido, em que étentado resolver o problema das posições de imersão usando algum materialque tem uma estabilidade aumentada no processo de sinterização de laserportanto tem menos danos relativos ao envelhecimento, quando é usado comopó velho. Entretanto, neste caso o usuário é dependente do uso deste póespecífico o qual em troca tem propriedades deferentes do pó familiar usadoaté agora e que possivelmente não supriu todas as demandas.

Além do mais, a partir da US 4 938 816 é conhecidocompactar pó em sinterização a laser gerando um campo eletromagnéticodurante ou antes da solidificação com o laser.

A partir de EP 1 058 675 Bl é conhecido compactar umacamada de pó aplicada por meio de um rolo na camada de sinterização de umpó de cerâmicas. Assim, o tempo será reduzido, o que é exigido nasinterização na fase sólida do pó de cerâmicas.

A partir de DE 195 14 740 Cl um dispositivo para sinterizaçãoa laser, em particular de pó de metal, é conhecido, no qual o pó é aplicado pormeio de uma lâmina de aplicação. A lâmina tem na borda de aplicação umaborda chanfrada tendo um ângulo entre 30° e 90°. Uma face chanfrada, a qualtem um ângulo entre Io e 60° é provida também na borda lisa oposta. A bordalisa alisa uma camada já solidificada.

E objetivo da invenção, prover um método e um dispositivopara produzir um objeto tridimensional, em particular um método desinterização a laser e um dispositivo de sinterização a laser, pelos quais, a taxade regeneração pode ser reduzida e pelos quais os custos do processo podemser reduzidos.

O objetivo é alcançado por um dispositivo de acordo comreivindicação 1 e um método de acordo com reivindicações 7,8 ou 13.Desenvolvimentos adicionais da invenção são descritos nas reivindicaçõesdependentes.

O método tem a vantagem de que pó convencional parasinterização a laser tal como poliamida ou outras famílias, em particular,poliarileteretercetona (PEEK), em cada caso, com e sem adições comopartículas de vidro, fibras reforçadas, adições metálicas como e.g. poliamidacarregada com alumínio e outros, podem ser usados, as propriedades dosquais são suficientemente conhecidas. Além do mais, pelo método edispositivo, a taxa de regeneração pode ser reduzida até 0% de pó novo(0/100).

Características e utilidades adicionais da invenção surgem dadescrição das configurações baseadas nas figuras, nas quais:

Fig. 1 mostra uma representação esquemática de umdispositivo de sinterização a laser; e

Fig. 2 mostra uma visão lateral de perspectiva esquemática daaplicação do pó por meio de um dispositivo de aplicação no dispositivo desinterização a laser;

Fig. 3 mostra uma representação esquemática da seçãotransversal da lâmina de aplicação do dispositivo de aplicação; e

Fig. 4 mostra uma visão em perspectiva seccional transversalparcial esquemática de como o dispositivo de aplicação aplica pó na camadajá sinterizada.

O dispositivo de sinterização a laser mostrado na Fig. 1 incluium recipiente 1, o qual é aberto para o topo e tem aí um suporte 2 que podeser movido em uma direção vertical, apóia o objeto 3 a ser formado e define ocampo de construção. O suporte 2 é ajustado na direção vertical tal que arespectiva camada do objeto, cuja camada deve ser solidificada, se estende emum plano de trabalho 4. Adicionalmente, é provido um dispositivo deaplicação 5 para aplicar o material de construção em forma de pó, o qual deveser solidificado por meio de radiação magnética. O feixe de laser 7 que temsido gerado pelo laser 6 é direcionado sobre uma janela acoplada 9 por meiode um dispositivo de deflexão 8, o qual deixa o feixe de laser 7 passar nacâmara de processo IOe foca o feixe para um determinado ponto no plano detrabalho 4.

Além do mais, uma unidade de controle 11 é provida atravésda qual os componentes do dispositivo são controlados em uma maneiracoordenada a fim de executar o processo de construção.

Como é visto na Fig. 2, o dispositivo de aplicação inclui duasgarras 51, 52 que são colocadas a uma distância uma da outra e a umadistância acima do plano de trabalho, em que o suprimento de pó 20 estálocalizado entre essas duas garras 51, 52. As garras 51, 52 se estendematravés de toda a largura do campo de trabalho. Nos lados interiores dasgarras, as quais estão defronte uma da outra, lâminas 60, 61 são providas, asquais também se estendem através de toda a largura do campo de construção eas quais se salientam na garra para baixo em direção ao plano de trabalho. Olado do fundo da lâmina tem uma distância d a partir de superfície de suporteou a camada que foi solidificada por último, em que a distância d correspondeà espessura da camada da camada desejada. Na Fig. 2 a presente direção domovimento do dispositivo de aplicação 5, o qual é mostrado, é indicado por B.

Como pode ser visto na Fig. 3, a lâmina tem uma espessura Dna direção do movimento B e tem duas superfícies 60a, 60b, que sãoestendidas substancialmente perpendiculares ao plano de trabalho 4 e sãoalinhadas substancialmente em paralelo uma à outra, as quais se estendemtransversalmente através do campo de construção. No seu lado do fundodefronte do plano de trabalho a lâmina tem uma superfície que se inclina 60c,em que a lâmina é posicionada no dispositivo de aplicação tal que a superfícieque se inclina 60c ascende na direção da aplicação Β. A superfície que seinclina forma uma superfície de aplicação. Juntamente com uma superfície Eque está em paralelo ao plano de trabalho 4 e a superfície de suporte,respectivamente, inclui um ângulo agudo, o qual se estende entre um valormaior do que O0 e aproximadamente 5o, preferivelmente em aproximadamente2o. A borda mais baixa 60d entre a superfície perpendicular 60b e a superfíciede lâmina inclinada 60c está em uma altura χ referente ao plano E. Quando alâmina tem uma espessura D de aproximadamente 6 mm, a altura χ é maiordo que 0,03 e menor do que aproximadamente 0,5 mm. A espessura da lâminapode ser entre 1 mm e 20 mm. Assim o dispositivo de aplicação tem apenasum ângulo de incidência da superfície c na direção de aplicação B.

A segunda lâmina de aplicação 61 é colocada no lado interiorda segunda garra 52 e é formado tal que é espelho-simétrico da primeiralâmina de aplicação 61. Assim, a superfície chanfrada 61c da segunda lâminade aplicação 61 tem um ângulo de incidência oposto à direção de aplicação B,na qual a primeira lâmina de aplicação 60 executa a operação de aplicação.

Assim, é possível aplicar uma nova camada de pó por meio do dispositivo deaplicação durante o movimento para frente e do movimento para trás,respectivamente, e para respectivamente tomar ao longo do suprimento de póe caso necessário suplementá-lo.

Na operação preferivelmente um pó plástico, por exemplo, umpó de polímero tal como poliamida, em particular poliamida 12, ou um pó deoutra família tal como PEEK, em cada caso com ou sem adições, é usadocomo pó. Antes da operação de aplicação do pó velho, o qual permanececomo pó não sintetizado, a partir de um ou vários processos de construçãoprévios, é misturado com pó novo. Por exemplo, para poliamida nãocarregada, a taxa de regeneração é 50%-30% de pó novo (taxa de regeneração50/50 para 30/70) e para poliamida carregada a taxa de regeneração é 100%-70% de pó novo (taxa de regeneração (100/0 a 70/30). O termo "pó novo"descreve um pó que não foi usado em nenhuma etapa de fabricação prévia. Otermo "pó velho" descreve um pó consistindo de aproximadamente 90% depó, o qual é co-inserido no bolo de pó e é armazenado sob uma altatemperatura por toda a duração do processo de construção, eaproximadamente 10% de pó, o qual tem sido trocado em recipientes detransbordamento durante a aplicação de camada.

A mistura pode acontecer fora ou dentro do dispositivo desinterização. Antes de cada operação de aplicação o pó é adicionado aodispositivo de aplicação 5 em uma quantidade que seja suficiente para aplicaruma camada de pó.

Em seguida o dispositivo de aplicação 5 se move através docampo de construção, em que a lâmina de aplicação 60 aplica uma camada 21tendo a espessura pré-determinada d. Como a superfície 60c é inclinada emrelação à direção da aplicação B, uma força atua no pó a ser expandido, cujopó é posicionado na coluna localizada em frente à coluna da lâmina deaplicação 60, em que a força é direcionada para o plano de trabalho. Assim, opó 20 é comprimido durante a aplicação da camada.

Em seguida a seção transversal do objeto 3 no respectivo laseré irradiado com o feixe de laser e assim o pó é solidificado. Depois odispositivo de aplicação 5 é cheio outra vez com pó e movido em uma direçãooposta à direção B mostrada nas Figs. 2 e 3. Assim a segunda lâmina deaplicação 62, a qual é formada simetricamente-espelho à primeira lâmina deaplicação 60, atua como dispositivo de aplicação e aplica uma nova camadana última camada solidificada e no pó rodeando a região solidificada,respectivamente.Fig. 4 explica esquematicamente a operação da lâmina deacordo com a invenção. O objeto 3 inclui uma pluralidade de camadas jásolidificadas 21 e pó não sinterizado 22 rodeando essas camadas. A últimacamada aplicada e solidificada inclui uma porção já solidificada 23 a e pó nãosinterizado 23b. Como a densidade aumenta durante a solidificação, a regiãojá solidificada 23a é levemente abaixada em relação ao nível do pó nãosolidificado 23b. Assim, bordas 24 são formadas entre a porção já solidificada23 a e a região não solidificada 23 b.

Quando a lâmina 60 de acordo com a invenção é usada, foiobservado com surpresa que uma pressão de compressão atua nas partículasna camada e há posições marginais ou nenhuma posição de imersão na partecompleta.

Aumentando a densidade de leito de pó, não é possível apenasreduzir a taxa de regeneração, mas também usar um pó, o qual até agora nãoera ou era apenas adequado para uma extensão limitada no processo desinterização a laser.

A densidade de leito de pó é medida como se segue: uma partesinterizada a laser moldada em bloco cercado-fino- oco- fechado é exposto talque o volume contido durante a exposição tem um valor de 100 mm χ 10 mmχ 15 mm nas direções xyz. O volume que rodeia a parte tem que serdimensionado correspondentemente. Sobras de pó aderentes são removidas dolado de fora da parte então fabricada e a parte assim fabricada é pesada.Depois disso a parte é cortada aberta e o pó dentro é drenado e a parte vazia épesada novamente. A diferença entre as massas corresponde à massa dovolume de pó anexado. Como o volume de pó é conhecido, a densidade deleito de pó pode ser calculada a partir disso.

A tabela seguinte mostra um resultado do dispositivo deacordo com a invenção e o método comparado com a técnica anterior.

Poliamida 12 a qual pode ser obtida sob o nome de mercado PA 2200 ( pósinterizador do requerente para a máquina EOSINT P) foi usada como pósinterizador a laser. A densidade da camada aplicada foi de 0,15mm:

<table>table see original document page 9</column></row><table>

A viscosidade da solução do pó foi determinada de acordocom ISO 307, a densidade de leito de pó foi determinada de acordo com ométodo descrito acima.

Pelo método e pelo dispositivo, respectivamente, a proporçãoexigida do pó novo pode ser reduzida. Em um caso excepcional é mesmopossível trabalhar com quantidade perto de 100% de pó velho. Além do mais,a tabela mostra que a viscosidade da solução, a qual é medida para aviscosidade de massa fundida de material, aumenta com a proporção do póvelho. Portanto, pelo método de acordo com a invenção é também possívelsinterizar também materiais em pó que tenham uma viscosidade de massafundida alta correspondentemente e que não possam ser processados pelosmétodos e dispositivos existentes até então. Poliamida (PA), em particular PA12, é vantajosamente adequada para o dispositivo e o método, porque ela podeser fabricada por um processo de precipitação e, portanto, tem uma superfícieparticularmente lisa comparada a um pó moído. Portanto, processos desedimentação podem vantajosamente ter lugar durante a aplicação.

A geometria do dispositivo de aplicação não é limitada àconfiguração especificamente mostrada. Por exemplo, as superfícies 60 a, 60b precisam não estar em paralelo e superfícies moldadas também não estãoexcluídas.

A inclinação ascendente da superfície da aplicação precisa nãoser constante, mas pode também ascender de forma diferente, e. g. pode serescalada ou ter uma forma diferente.

Ao invés de um laser, também uma fonte de energia diferente,a qual seja adequada para a solidificação de um material em forma de pó talcomo uma fonte de feixe de elétron pode ser usada. Outras formas de umaentrada de energia também são possíveis, tal como sinterizar com máscara,sinterizando com inibição ou uma entrada de energia moldada em linha ouuma entrada de energia via uma ordem.

Claims (17)

1. Dispositivo para fabricar um objeto tridimensional por umasolidificação subseqüente de camadas de um material de construção em formade pó naquelas posições nas respectivas camadas correspondendo às seçõestransversais do objeto por uma ação de um laser ou outra fonte de energiatendoum suporte (2), no qual o objeto é construído,um dispositivo de aplicação (5) para aplicar camadas de ummaterial em pó no suporte ou uma camada solidificada previamente, em que odispositivo de aplicação é móvel em pelo menos uma direção de aplicação (B)através do suporte ou da camada previamente solidificada,um dispositivo de solidificação (6) para solidificar o materialem pó naquelas posições na camada respectiva que corresponde ao objeto,caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aplicação (5)inclui uma lâmina (60, 61) com uma superfície de aplicação (60c, 61c), que selevanta em direção da aplicação, em que a superfície de aplicação é providano lado do fundo da lâmina voltada para o suporte (2) e se levanta sob umângulo, o qual é maior do que 0,2° e menor do que aproximadamente 5o,preferivelmente entre aproximadamente 0,5° e aproximadamente 3o,adicionalmente preferível entre aproximadamente 0,7° e aproximadamente-2,8° na direção do movimento (B) do dispositivo de aplicação.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a inclinação ascendente da superfície está entreaproximadamente 0,01 e aproximadamente 0,06.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que a largura da superfície de aplicação na direçãodo movimento se estende entre aproximadamente 1 mm e aproximadamentemm, preferivelmente em aproximadamente 6 mm.

4. Dispositivo de acordo com reivindicação 1 a 3,caracterizado pelo fato de que a altura da superfície de aplicação é maior doque aproximadamente 0,03 mm e menor do que aproximadamente 0,5 mm,preferivelmente maior do que 0,08 mm e menor que aproximadamente 5 mm.

5. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4,caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aplicação (5) tem duas lâminascolocadas em uma distância uma da outra e são formadas espelho-simetricamente a um plano que é perpendicular à direção do movimento (B)do dispositivo de aplicação.

6. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5,caracterizado pelo fato de que a lâmina é formada simetricamente e tem duassuperfícies de aplicação.

7. Método para fabricar um objeto tridimensional,caracterizado pelo fato de ser por uma subseqüente solidificação de camadasde um material de construção em forma de pó naquelas posições na respectivacamada que corresponde à seção transversal do objeto pela ação de um laserou uma fonte de energia diferente, em que um pó é usado tendo umaviscosidade de solução que é maior do que 2,1 η rei e em que o pó émecanicamente consolidado durante a aplicação de uma camada.

8. Método para fabricar um objeto tridimensional,caracterizado pelo fato de ser por uma subseqüente consolidação de camadasde um material de construção em forma de pó nas posições da respectivacamada que corresponde à seção transversal do objeto pela ação de um laserou uma fonte de energia diferente, em que um pó é usado, o qual tem umaviscosidade de massa fundida que corresponde a uma viscosidade de soluçãopara PA 2200 que é maior que 2,1 η rei e em que o pó é mecanicamenteconsolidado durante a aplicação de um laser.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizadopelo fato de que, pela consolidação, é produzida uma densidade de leito de pó,a qual é maior do que 0,38 g/cm .

10. Método de acordo com uma das reivindicações 7 a 9,caracterizado pelo fato de que uma densidade de leito de pó é produzida aqual é maior que 0,4 g/cm e preferivelmente maior do que 0,41 g/cm ,adicionalmente preferível maior do que 0,42.

11. Método de acordo com uma das reivindicações 7 a 10,caracterizado pelo fato de que a viscosidade de solução é maior do queaproximadamente 2,1, preferivelmente maior que aproximadamente 2,3 eadicionalmente preferível maior que 2,6 η rei.

12. Método de acordo com uma das reivindicações de 7 a 11,caracterizado pelo fato de que, como um material de construção em forma depó, um material é usado que inclui pó velho que permaneceu como pó nãosolidificado na fabricação de um ou vários objetos previamente formados e pónovo que não foi usado antes em nenhum processo de fabricação.

13. Método para fabricar um objeto tridimensional por umasubseqüente solidificação de camadas de um material de construção em formade pó nas posições na respectiva camada que corresponde à seção transversaldo objeto pela ação de um laser ou uma fonte de energia diferente,em que, como material de construção em forma de pó, ummaterial é usado, o qual contém o pó velho que permaneceu como pó nãosolidificado na fabricação de um ou vários objetos formados anteriormente euma proporção do pó novo que não foi usado antes em nenhuma etapa deconstrução, caracterizado pelo fato de que,o material de construção em forma de pó é mecanicamenteconsolidado ao aplicar uma camada e a proporção do pó novo é menor que-50% da quantidade total de pó usado no processo de construção.

14. Método de acordo com uma das reivindicações de 7 a 13,caracterizado pelo fato de que um pó plástico é usado como material.

15. Método de acordo com reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o material contém um pó de poliamida, preferivelmentepoliamida 12.

16. Método de acordo com uma das reivindicações de 7 a 15,caracterizado pelo fato de que o método é executado com um dispositivocomo definido em uma das reivindicações de 1 a 6.

17. Método de acordo com uma das reivindicações de 7 a 16,caracterizado pelo fato de que o objeto fabricado pelo método não temnenhuma posição de imersão.