DE10148967A1

DE10148967A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes

Info

Publication number: DE10148967A1
Application number: DE10148967A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Abe; Norio Yoshida; Yoshikazu Higashi; Hirohiko Togeyama; Isao Fuwa; Shushi Uenaga; Seizo Machida
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP3446733B2; HK1046383A1; KR20020027259A; DE10148967B4; KR100436121B1; CN1283413C; JP2002115004A; CN1347783A

Abstract

Zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes wird zuerst ein Lichtstrahl (L) auf einen vorbestimmten Bereich einer Pulverschicht (10) ausgegeben, um eine gesinterte Schicht (11) zu bilden, die anschließend mit einer neuen Pulverschicht (10) bedeckt wird. Der Lichtstrahl (L) wird erneut auf einen vorbestimmten Bereich der neuen Pulverschicht (10) ausgegeben, um eine weitere gesinterte Schicht (11) zu bilden, die mit der darunterliegenden gesinterten Schicht (11) verbunden ist. Diese Vorgänge werden wiederholt ausgeführt, um mehrere miteinander verbundene gesinterte Schichten (11) zu bilden, deren Größe größer ist als diejenige einer Ziel-Form des dreidimensionalen Gegenstandes. Ein Oberflächenbereich des zu diesem Zeitpunkt geformten Gegenstandes wird dann während der Bildung der mehreren gesinterten Schichten (11) entfernt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes, bei dem bzw. der ein Ziel-Gegenstand durch Sintern und Härten pulverförmigen Materials mittels eines Lichtstrahls erhalten wird.

Das Japanische Patent Nr. 2620353 beschreibt ein zum Herstellen eines drei dimensionalen Gegenstandes vorgesehenes Verfahren, das als Photo-Formung bekannt ist. Gemäß dieser Schrift wird, wie dort in Fig. 21A gezeigt, zunächst ein Lichtstrahl L auf einen vorbestimmten Teil einer als organisches oder anor ganisches Material vorliegenden Schicht pulverförmigen Materials ausgegeben, um eine gesinterte Schicht 11 zu bilden. Die in dieser Weise erhaltene gesin terte Schicht 11 wird dann mit einer neuen Schicht pulverförmigen Materials bedeckt, und der Lichtstrahl L wird auf einen vorbestimmten Teil der neuen Schicht ausgegeben, um eine neue gesinterte Schicht 11 zu bilden, die mit der darunterliegenden Schicht 11 verbunden wird. Diese Vorgänge werden wie derholt ausgeführt, um einen gesinterten Artikel oder dreidimensionalen Ge genstand zu bilden, bei dem mehrere gesinterte Schichten 11 fest aufeinander laminiert sind. Gemäß diesem Verfahren wird das Ausgeben des Lichtstrahls L auf der Basis für jede der Schichten vorgesehener Schnittformdaten durchge führt, die erzeugt werden, indem ein Modell von Design-Daten (CAD-Daten) des dreidimensionalen Gegenstandes in einer gewünschten Dicke scheibenwei se zerteilt wird. Aus diesem Grund kann dieses Verfahren ohne eine CAM- Vorrichtung verwendet werden, um einen dreidimensionalen Gegenstand be liebiger Form herzustellen und um einen beliebigen geformten Gegenstand mit gewünschter Form im Vergleich mit einem Verfahren, bei dem ein Schneidvor gang vorgesehen ist, relativ schnell herzustellen.

Dieses Verfahren wird jedoch dadurch beeinträchtigt, dass aufgrund von Wär me, die von den gesinterten und gehärteten Teilen übertragen wird, über schüssiges Pulver 15 an diesen Teilen anhaftet, so dass an dem geformten Gegenstand eine Oberflächenschicht 16 niedriger Dichte ausgebildet wird.

Die (ungeprüfte) Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2000-73108 beschreibt das Entfernen abgestufter äußerer Teile gemäß Fig. 21B, die aus der Laminie rung der gesinterten Schichten 11 resultieren. Auch wenn gemäß Fig. 21C die abgestuften äußeren Bereiche entfernt worden sind, verbleibt jedoch die Ober flächenschicht 16 niedriger Dichte, so dass keine glatte Außenfläche erzeugt werden kann.

Zudem wird, falls die gesinterten Schichten nicht während des Sinterns mit einer hinreichenden Dichte (z. B. einer Porosität von weniger als 5%) versehen werden, durch das Entfernen der abgestuften äußeren Teile keine glatte Au ßenfläche erzielt, da auch nach dem Entfernungsvorgang Poren an der Ober fläche der gesinterten Schichten erscheinen.

Wenn nach dem Formen der geformte Gegenstand einer Oberflächen- Endbearbeitung zwecks Entfernens der Oberflächenschicht niedriger Dichte unterzogen wird, unterliegen die zur Oberflächen-Endbearbeitung verwende ten Werkzeuge je nach der Gestalt des geformten Gegenstandes verschiede nen Beschränkungen. Beispielsweise ist es gelegentlich unmöglich, relativ tiefe und schmale Nuten zu schneiden, da die im Durchmesser kleinen Werkzeuge hinsichtlich ihrer Länge beschränkt sind. In diesem Fall ist eine zusätzliche Funkenerosionsbearbeitung erforderlich, was Zeit- und Kostenprobleme verur sacht.

Ferner ist, da der gesamte dreidimensionale Gegenstand durch das Pulver- Sinter-Verfahren hergestellt wird oder jede Pulverschicht durch Ausgabe eines Laserstrahls auf die Schicht gesintert wird, dieses Verfahren je nach der Form des herzustellenden dreidimensionalen Gegenstandes sehr zeitaufwendig.

Die Erfindung soll die oben aufgeführten Nachteile beseitigen.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine ver besserte Vorrichtung zu konzipieren, mittels derer ein dreidimensionaler Ge genstand in einer kurzen Zeit hergestellt werden kann.

Als weitere Aufgabe der Erfindung sollen dieses Verfahren und diese Vorrich tung dazu geeignet sein, die Oberfläche des Gegenstandes unabhängig von deren Form in kostengünstiger Weise einer glättenden Endbearbeitung zu un terziehen.

Zur Lösung dieser und weiterer Aufgaben wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.

Da bei diesem Verfahren der Schritt (e) während des Schritts (d) ausgeführt wird, wird es möglich, die Oberfläche des Gegenstandes ohne Beschränkungen aufgrund der Bemessung der Endbearbeitungsmaschine, z. B. der Länge eines Bohrstücks oder dgl., einer Endbearbeitung zu unterziehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die in Anspruch 2 angegebenen Schritte enthalten.

Dabei wird durch die Verwendung der Basis ermöglicht, dass die Ausbildung und das Sintern einer bestimmten Anzahl von Pulverschichten, die der Dicke der Basis entsprechen, entfallen kann und somit der Zeitaufwand zum Her stellen eines dreidimensionalen Gegenstandes, der bisher durch eine Anzahl von Sintervorgängen hergestellt wurde, reduziert werden kann. Durch das Vorhandensein der Basis besteht ferner die Möglichkeit, einen dreidimensiona len Gegenstand herzustellen, der enge Nuten mit einem hohen Seitenverhält nis aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die in Anspruch 3 angegebenen Schritte enthalten.

Dabei kann, falls die Basis eine Vertiefung, in der einige der gesinterten Schichten ausgebildet werden, oder eine gleichförmige Oberfläche aufweist, auf der die unterste gesinterte Schicht ausgebildet wird, die Verbondungsstär ke zwischen der Basis und den gesinterten Schichten erhöht werden.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren ferner durch die Merkmale gemäß Anspruch 4 gekennzeichnet. Dadurch kann die Gegenstands-Oberfläche durch die Endbearbeitung sehr glatt ausgebildet werden.

Durch das in Anspruch 5 angegebene Verfahrensmerkmal erhält die exponierte Oberfläche eine hohe Dichte und ist somit glatt.

Wenn gemäß Anspruch 6 das Entfernen des Oberflächenbereiches durch Schneiden erfolgt, wird vorzugsweise gemäß Anspruch 7 vor dem Schritt (e) ein Lichtstrahl auf einen zu entfernenden Teil ausgegeben, um diesen Teil weichzumachen. Durch das Ausgeben des Lichtstrahls wird es möglich, den Zeitaufwand für das Schneiden zu verkürzen, so dass sich die Betriebslebens dauer des Schneidwerkzeugs verlängert.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Ansprüchen 7, 8 und 9 angegeben.

Durch den in Anspruch 10 angegebenen Verfahrensschritt wird eine nach die sem Schritt ausgebildete neue Pulverschicht nicht durch Schleifspäne beein trächtigt.

Durch den Verfahrensschritt gemäß Anspruch 11 kann, da sich keine Schleif späne mit dem ungesinterten Pulver vermischen, das ungesinterte Pulver neu verwendet werden.

Bei dem Verfahrensschritt gemäß Anspruch 12 kann durch die Verwendung von Harz oder Wachs die Menge an Pulver reduziert werden, wenn anschlie ßend eine neue Pulverschicht gebildet wird.

Durch den Verfahrensschritt gemäß Anspruch 13 entfällt die Notwendigkeit eines Nachfüllens pulverförmigen Materials, und es wird ermöglicht, ohne Schwierigkeiten nur die Schleifspäne zu entfernen.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimen sionalen Gegenstandes nach Anspruch 16.

Die Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 16 trägt zu einer Verbes serung der Qualität der Oberfläche des Gegenstandes bei.

Durch die gemäß Anspruch 17 vorgesehene Ausgestaltung der Entladeeinheit wird verhindert, dass die neue Pulverschicht durch die Schleifspäne beein trächtigt wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Anspruch 18 aufgeführt.

Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen deutlicher ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des erzeugten dreidimensionalen Gegenstandes;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Datenstroms zur Veranschauli chung der Weise der Herstellung des dreidimensionalen Gegenstan des;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Modells mit einem hochdichten Oberflächenbereich;

Fig. 5A eine vertikale Schnittansicht mehrerer gesinterter Schichten;

Fig. 5B eine vertikale Schnittansicht mehrerer gesinterter Schichten nach dem Entfernen eines Oberflächenbereiches dieser Schichten;

Fig. 6A eine schematische vertikale Schnittansicht eines geformten Gegen standes mit gleichförmiger überschüssiger Dicke;

Fig. 6B eine Fig. 6A ähnliche Ansicht eines weiteren geformten Gegenstan des mit variierender überschüssiger Dicke;

Fig. 7 eine Fig. 6A ähnliche Ansicht der vertikalen Schnittaufteilung im Fal le eines Ziel-Gegenstandes mit einer leichten Neigung;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines geformten Gegenstandes in einer Situation, in der ein unmittelbar vor einem Schneidwerkzeug ange ordneter Bereich des Gegenstandes mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird;

Fig. 9 eine Fig. 8 ähnliche Ansicht in einer Situation, in der der Lichtstrahl auf einen Bereich ausgegeben wird, unmittelbar nachdem das Schneidwerkzeug diesen Bereich durchlaufen hat;

Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht einer Modifikation der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 11 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Modifikati on der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 12A eine schematische Seitenansicht einer über dem geformten Gegen stand angeordneten Saugdüse;

Fig. 12B eine schematische Seitenansicht einer über dem geformten Gegen stand angeordneten weiteren Saugdüse;

Fig. 13A eine schematische Ansicht einer Saugdüse, die mit einem Pulvertank in Verbindung steht;

Fig. 13B eine Fig. 13A ähnliche Ansicht in dem Fall, in dem die Saugdüse mit einem Schleifspäne-Tank in Verbindung steht;

Fig. 14A eine schematische vertikale Schnittansicht des geformten Gegen standes in dem Zustand, in dem ein Raum, aus dem ungesintertes Pulver entfernt worden ist, mit Harz oder Wachs gefüllt wird;

Fig. 14B eine Fig. 14A ähnliche Ansicht in der Situation, in der eine neue Pul verschicht auf dem geformten Gegenstand gemäß Fig. 14A ausge bildet wird;

Fig. 14C eine Fig. 14A ähnliche Ansicht, in der jedoch der Fall gezeigt ist, in dem ungesintertes Pulver gefriergehärtet wird;

Fig. 15 eine schematische Seitenansicht der Saugdüse bei Befestigung an einer Antriebseinheit zum Antreiben eines Ausstreichmessers;

Fig. 16A eine perspektivische Ansicht der Saugdüse bei Befestigung an einer XY-Antriebseinheit zwecks ausschließlicher Verwendung der Saugdü se;

Fig. 16B eine Fig. 16A ähnliche Ansicht der Saugdüse bei Befestigung an ei ner XY-Antriebseinheit einer Oberflächenabtrageinheit;

Fig. 17 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 18A bis 18D schematische Seitenansichten zur Darstellung der Weise, in der mehrere gesinterte Schichten auf einer Basis ausgebildet werden;

Fig. 19 eine Draufsicht auf die Basis in der Situation, in der die Position, die mit dem Lichtstrahl bestrahlt werden soll, mit der Position ausge richtet wird, die tatsächlich mit dem Lichtstrahl bestrahlt wird;

Fig. 20 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels des dreidimensiona len Gegenstandes;

Fig. 21A eine vertikale Schnittansicht mehrerer gesinterter Schichten in dem Zustand, in dem überschüssiges Pulver an diesen anhaftet;

Fig. 21B eine vertikale Schnittansicht mehrerer gesinterter Schichten mit ab gestuften Außenbereichen; und

Fig. 21C eine vertikale Schnittansicht der mehreren gesinterten Schichten nach dem Entfernen der abgestuften Außenbereiche.

Diese Anmeldung basiert auf den Japanischen Anmeldungen Nr. 2000-306546 und 2001-192121, deren Inhalt hiermit durch Verweis in die vorliegende An meldung einbezogen wird.

Fig. 1 zeigt eine gemäß einer ersten Ausführungsform ausgebildete Vorrich tung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes. Die Vorrichtung weist eine Pulverschicht-Bildungseinheit 2 zum Bilder einer Pulverschicht 10, eine (im folgenden als Sinterschicht-Bildungseinheit bezeichneten) Einheit 3 zum Bilden einer gesinterten Schicht 11 und eine Oberflächenschicht-Entfer nungseinheit 4 zum Entfernen einer Oberflächenschicht niedriger Dichte auf. Die Pulverschicht-Bildungseinheit 2 bildet die Pulverschicht 10 gewünschter Dicke Δt1 durch Zuführen organischen oder anorganischen pulverförmigen Ma terials auf einen Sinter-Tisch 20, der sich vertikal innerhalb eines von einem Zylinder umgebenen Raums bewegt, und durch Ebnen bzw. Ausstreichen des pulverförmigen Materials mittels eines Ausstreich- oder Ebnungsmessers 21. Der Sinter-Tisch 20 wird mittels einer Antriebseinheit zur Auf- und Abbewe gung angetrieben. Die Sinterschicht-Bildungseinheit 3 bildet die gesinterte Schicht 11, indem sie die Pulverschicht 10 über ein optisches Abtastsystem, das einen Deflektor und dgl. aufweist, mit einem aus einem Laserstrahl generator 30 ausgegebenen Laser bestrahlt. Die Oberflächenschicht-Entfer nungseinheit 4 weist eine XY-Antriebseinheit 40, die an einer Basis der Einheit 4 befestigt ist, und eine Endbearbeitungsmaschine 41 auf, die an der XY- Antriebseinheit 40 befestigt ist. Vorzugsweise wird die XY-Antriebseinheit 40 von einem Linearmotor mit hoher Geschwindigkeit angetrieben. Als Deflektor 31 wird vorzugsweise ein Galvanometerspiegel verwendet. Bei der Endbearbeitungsmaschine 41 handelt es sich vorzugsweise um eine Schneidmaschine wie z. B. eine End-Fräsmaschine oder eine Bohrmaschine, wie z. B. eine End-Fräsmaschine oder eine Bohrmaschine, eine Laserstrahlap paratur oder eine Strahlbeaufschlagungsapparatur zum Ausführen einer plasti schen Bearbeitung eines Gegenstandes durch Blasen gesinterten Pulvers ge gen den Gegenstand. Anstelle der XY-Antriebseinheit kann eine Polarkoordina ten-Antriebseinheit verwendet werden.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie unter Verwendung der oben beschriebenen Vor richtung der dreidimensionale Gegenstand hergestellt wird. Gemäß Fig. 2 wird zuerst das organische oder anorganische Pulver auf einer Basis 22 plaziert, die an dem Sinter-Tisch 20 befestigt ist, welcher als Abstandsregulator zum Regeln des Abstandes zwischen der Sinterschicht-Bildungseinheit 3 und einer gesinterten Schicht verwendet wird. Das auf die Basis 22 aufgebrachte pulver förmige Material wird dann mittels des Ausstreichmessers 21 geebnet, um eine erste Pulverschicht 10 zu bilden, und ein Lichtstrahl (Laserstrahl) L wird auf einen gewünschten Teil der Pulverschicht 10 ausgegeben, um ihn zu sintern und dadurch eine mit der Basis 22 verbundene gesinterte Schicht 11 zu bilden.

Anschließend wird der Sinter-Tisch um eine vorbestimmte Strecke abgesenkt, und es wird eine zweite Pulverschicht 10 gebildet, indem erneut pulverförmi ges Material zugeführt wird und mit dem Ausstreichmesser 21 geebnet wird. Wiederum wird der Lichtstrahl L auf einen gewünschten Teil der zweiten Pul verschicht ausgegeben, um diesen zu sintern, so dass eine weitere gesinterte Schicht 11 gebildet wird, die mit der darunterliegenden gesinterten Schicht 11 verbunden ist.

Der Vorgang des Bildens einer neuen Pulverschicht 10 nach dem Absenken des Sinter-Tischs und der Vorgang des Ausgebens der Lichtstrahls L auf einen ge wünschten Teil der neuen Pulverschicht 10 zur Bildung einer neuen gesinterten Schicht 11 werden wiederholt ausgeführt, um in dieser Weise den dreidimen sionalen Gegenstand zu bilden. Generell werden als Pulvermaterial sphärische Eisenpulver-Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 20 µm verwendet, und als Lichtstrahl wird vorzugsweise ein CO₂-Laser ver wendet. Die bevorzugte Dicke Δt1 jeder Pulverschicht 10 beträgt ungefähr 0,05 mm.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für den Datenfluss bei der Vorrichtung bzw. dem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes. Mittels dieses Datenflusses können einem gewünschten dreidimensionales CAD-Modell zwei Arten von Daten zugeordnet werden, und zwar Daten, die einen Laserbestrahlungsweg angeben, und Daten, die einen Schnitt-Weg an geben. Diese Wege werden auf der Basis dreidimensionaler CAD-Daten er stellt, die im voraus konzipiert werden, um die gewünschte Form anzugeben.

Der Weg der Laserbestrahlung ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige bei dem herkömmlichen Formungsverfahren, bei dem die Ziel-Form durch Kontur-Daten für jeden Abschnitt bestimmt wird, der gebildet worden ist, in dem auf der Basis des dreidimensionalen CAD-Modells erzeugte STL-Daten mit gleichen Teilungen (0,05 mm bei dieser Ausführungsform) scheibenweise zer legt werden. Aus den Kontur-Daten werden durch Einbeziehung von Laser bestrahlungs-Bedingungen (der Abtastgeschwindigkeit, des Punkt-Durchmes sers, der Energie und dgl.) neue Daten gebildet, die ihrerseits beim Endbear beitungsvorgang verwendet werden.

Bei dem Schnitt-Weg handelt es sich um einen Weg, der unter Berücksichti gung des Durchmessers, des Typs, der Zuführrate, der Drehgeschwindigkeit etc. des bei dem dreidimensionalen CAM zu verwendenden Endbearbeitungs- Werkzeugs berechnet wird. Die diesen Weg angebenden Daten werden eben falls in den Endbearbeitungsvorgang einbezogen.

Die den Laserbestrahlungsweg angebenden Daten werden in einem Laser- Sintervorgang verwendet, während die den Schnitt-Weg angebenden Daten in einem Hochgeschwindigkeits-Schneidvorgang verwendet werden. Diese beiden Vorgänge werden wiederholt ausgeführt, um den Ziel-Gegenstand fertigzustel len.

Vorzugsweise wird die Einwirkung des Lichtstrahls derart gesteuert, dass min destens der Oberflächenbereich des dreidimensionalen Gegenstandes beim Sintern eine hohe Dichte erhält (z. B. eine Porosität von weniger als 5%). Dies ist notwendig, weil selbst nach dem Entfernen der Oberflächenschicht mittels der Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 und selbst im Fall einer niedrigen Dichte des Oberflächenbereichs die nach dem Oberflächenentfernungsvorgang verbleibende Oberfläche immer noch porös ist. Deshalb werden gemäß Fig. 4 die Modell-Daten in diejenigen für den Oberflächenbereich S und diejenigen für den inneren Bereich N unterteilt, und der Lichtstrahl wird unter den Bedingun gen ausgegeben, unter denen der innere Bereich porös wird und der Oberflä chenbereich S beim Schmelzen des Großteils des darin enthaltenen Pulverma terials eine hohe Dichte erhält.

In Fig. 5A ist mit 12 ein Bereich hoher Dichte bezeichnet, und mit 16 ist eine Oberflächenschicht niedriger Dichte bezeichnet, die, wie oben erläutert, durch Anhaften des pulverförmigen Materials gebildet worden ist. Der innerhalb des Bereichs 12 hoher Dichte gelegene Innenbereich hat eine niedrigere Dichte als der Bereich 12 hoher Dichte, jedoch eine höhere Dichte als die Oberflächen schicht 16 niedriger Dichte.

Wenn während des Ausbildens mehrerer gesinterter Schichten 11 deren Ge samt-Dicke einen spezifischen Wert erreicht, der z. B. auf der Basis der Werk zeug-Länge eines Fräskopfs 41 bestimmt worden ist, wird die Oberflächen schicht-Entfernungseinheit 4 aktiviert, um die Oberfläche des dreidimensiona len Gegenstandes zu schneiden, der zu diesem Zeitpunkt geformt worden ist. Beispielsweise kann mit einem Werkzeug (Kugelkopf-Fräser) des Fräskopfs 41, das einen Durchmesser von 1 mm und eine effektive Messer-Länge von 3 mm hat, ein Schneiden bis zu einer Tiefe von 3 mm erzielt werden. Somit wird, falls die Pulverschicht 10 eine Dicke Δt1 von 0,05 mm hat, die Oberflächen schicht-Entfernungseinheit 4 aktiviert, wenn sechzig gesinterte Schichten 11 gebildet worden sind.

Gemäß Fig. 5A kann jede Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 die durch das Anhaften des Pulvers an der Oberfläche des geformten Gegenstandes ge bildete Oberflächenschicht 16 niedriger Dichte entfernen und kann gleichzeitig einen Teil des Bereichs 12 hoher Dichte herausschneiden, so dass gemäß Fig. 5B der Bereich 12 hoher Dichte auf der gesamten Fläche des geformten Ge genstands freigelegt wird. Zu diesem Zweck wird die Form der gesinterten Schichten 11 mit einer Größe ausgebildet, die etwas über der Größe der ge wünschten Form M liegt.

Wenn z. B. der optische Laser L unter den nachstehend aufgeführten Bedin gungen entlang einer gewünschten Konturlinie ausgegeben wird, wird die hori zontale Bemessung (Breite) jeder gesinterten Schicht 11 ungefähr 0,03 mm größer als diejenige der gewünschten Form M.
Laser-Leistung: 200 W
Laserpunkt-Durchmesser: 0,6 mm
Tastgeschwindigkeit: 50 mm/s

Die überschüssige Dicke in der horizontalen Richtung kann derjenigen in der horizontalen Richtung gleich sein oder sich von ihr unterscheiden. Die vertikale Größe der Form der gesinterten Schichten 11 wird durch Modifizieren der Ori ginal-Daten erhalten, die die vertikale Größe der gewünschten Form M ange ben.

Fig. 6A zeigt den Fall, in dem die überschüssige Dicke in der horizontalen Rich tung im wesentliche die gleiche ist wie diejenige in der vertikalen Richtung, während Fig. 6B den Fall zeigt, in dem sich die überschüssige Dicke in der ho rizontalen Richtung von derjenigen in der vertikalen Richtung unterscheidet. In Fig. 6A und 6B zeigt die unterbrochene Linie die Form der gesinterten Schich ten 11 an, während die gewünschte Form M in einer durchgezogenen Linie ge zeigt ist.

Wie bereits beschrieben wird der Schnitt-Weg sowie der Laserbestrahlungs- Weg auf der Basis der dreidimensionalen CAD-Daten erstellt. Obwohl der Schnitt-Weg basierend auf dem sogenannten Konturlinien-Verarbeitungs vorgang bestimmt wird, braucht die vertikale Teilung des Schnitt-Wegs nicht immer die gleiche zu sein wie die Laminierungs-Teilung während des Sinterns. Falls der Ziel-Gegenstand gemäß Fig. 7 eine leichte Schrägung aufweist, kann eine glatte Oberfläche hergestellt werden, indem der vertikale Weg reduziert wird.

Falls das Schneiden unter Verwendung einer Kugelkopf-Fräsers mit einem Durchmesser von 1 mm ausgeführt wird, werden vorzugsweise die Schneid- Tiefe, die Zufuhrrate und die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs auf 0,1-0,5 mm bzw. 5-50 m/min. bzw. 20.000-100.000 u/min. eingestellt.

Das Schneiden kann auf die in Fig. 8 gezeigte Weise durchgeführt werden. Insbesondere wird der unmittelbar vor einem Werkzeug 44 befindliche Teil des Gegenstandes mittels eines Lichtstrahls (Laserstrahl) L kleiner Energiedichte bestrahlt und erwärmt, so dass der Gegenstand durch den Strahl erweicht werden kann. Indem der Gegenstand im erweichten Zustand mit dem Werk zeug 44 geschnitten wird, wird die erforderliche Schneidkraft reduziert, so dass Schnittzeit verkürzt und die Betriebslebensdauer des Werkzeugs 44 ver längert wird.

Ferner kann gemäß Fig. 9 der Lichtstrahl L auf den Teil unmittelbar nach dem Durchlauf des Werkzeugs 44 gerichtet werden. Dadurch wird dieser Teil ge schmolzen und gehärtet oder wärmebehandelt, so dass ihm eine höhere Dich te verliehen wird.

Fig. 10 zeigt eine Modifikation der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung gemäß Fig. 10 weist einen Bestrahlungskopf 35 auf, der an der XY- Antriebseinheit 40 der Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 befestigt ist und dazu dient, einen über eine optische Faser 36 aus dem Laserstrahlgenera tor 30 der Sinterschicht-Bildungseinheit 3 empfangenen Lichtstrahl auszu geben. Durch diese Ausgestaltung wird die Anzahl der Gerätekomponenten reduziert.

Fig. 11 zeigt eine weitere Modifikation der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Die Vor richtung gemäß Fig. 11 weist eine in der Nähe der Endbearbeitungsmaschine 41 angeordnete Saugdüse 51 und eine mit der Saugdüse 51 verbundene Luft pumpe 50 auf. Die Saugdüse wirkt als Abführeinrichtung zum Abführen unge sinterten Pulvers oder Schleifabriebs gleichzeitig mit dem Schneiden. Die Saugdüse hat einen vorteilhaften Effekt, da nicht nur ungesintertes Pulver oder Schleifspäne die von der Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 durch geführte Abtragarbeit behindern, sondern zudem gelegentlich Schleifspäne von dem Ausstreichmesser 21 erfasst werden und das Messer daran hindern, eine flache Pulverschicht zu bilden. Falls sich Schleifspäne zwischen dem Aus streichmesser 21 und dem geformten Gegenstand festsetzen, wird das Aus streichmesser 21 gelegentlich sogar zum Stillstand gebracht.

Fig. 12A zeigt den Fall, in dem die mit der Luftpumpe 50 verbundene Saugdü se 51 seitlich neben dem Fräskopf 41 angeordnet ist, während Fig. 12B den Fall zeigt, in dem der Fräskopf 41 konzentrisch innerhalb der Saugdüse 51 an geordnet ist. Somit ist in beiden Fällen die Saugdüse 51 in enger Nähe zu dem Fräskopf 41 gehalten.

Gemäß Fig. 13A und 13B kann die Saugdüse 51 derart ausgestaltet sein, dass sie wahlweise mit einem Pulver-Tank 52 oder einem Schleifspäne-Tank 53 verbunden werden kann. In diesem Fall wird vor dem Schneiden die Saug düse 51 mit dem Pulver-Tank 52 verbunden, um ungesintertes Pulver in die Düse einzuführen, und gleichzeitig mit dem Schneiden wird die Saugdüse 51 mit dem Schleifspäne-Tank 52 verbunden, um die Schleifspäne in den Tank einzuführen. Auf diese Weise können sich keine Schleifspäne mit dem ungesin terten Pulver vermischen, so dass das ungesinterte Pulver neu verwendet wer den kann.

Wenn ungesintertes Pulver mittels der Saugdüse 51 angezogen und entfernt wird, ist eine große Menge an Pulver zur Bildung einer neuen Pulverschicht 10 auf der gesinterten Schicht bzw. den Schichten 11 erforderlich, nachdem das ungesinterte Pulver entfernt worden ist. Dementsprechend wird es im Falle eines mehrmaligen Wiederholens des Vorgangs des Entfernen ungesinterten Pulvers erforderlich, vor jedem Sintern Pulver in den gesamten Raum einzufül len, aus dem das ungesinterte Pulver entfernt worden ist, was einen hohen Zeitverlust verursacht.

Zur Lösung dieses Problems kann dieser Raum mit Harz oder Wachs gefüllt werden, das seinerseits gehärtet wird, um einen gehärteten Bereich zu bilden, wie Fig. 14A zeigt. In diesem Fall wird gemäß Fig. 14B die nächste Pulver schicht 10 auf der obersten gesinteren Schicht 11 und dem gehärteten Bereich 18 ausgebildet, so dass die erforderliche Menge von Pulver reduziert werden kann und ein Vermischen von Schleifspänen mit dem ungesinterten Pulver verhindert werden kann.

Alternativ kann das ungesinterte Pulver gefriergehärtet werden, z. B. indem gemäß Fig. 14C flüssiger Stickstoff aus einer Düse 54 in das Pulver geblasen wird. Bei Bedarf kann zusammen mit dem flüssigen Stickstoff ein Feuchtigkeit enthaltendes Gas verwendet werden.

Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform in der Oberflächen schicht-Entfernungseinheit 4 ein Schneidwerkzeug verwendet wird, kann in dieser Einheit auch ein Hochleistungs-Laser verwendet werden. Beispielsweise kann ein Q-geschalteter YAG-Laser mit einer Peak-Ausgangsleistung von mehr als 10 kW die Oberflächenschicht 16 niedriger Dichte schnell entfernen, indem er die Schicht schnell verdunsten lässt. Ferner ist der zu entfernende Bereich nicht auf die Oberflächenschicht 16 niedriger Dichte beschränkt. Selbst falls je nach der Form des Ziel-Gegenstandes ein Teil erzeugt wird, der ursprünglich unnötig ist, kann dieser auch wieder entfernt werden.

Vorzugsweise ist gemäß Fig. 15 die Saugdüse 51 an einer Antriebseinheit zum Antreiben des Ausstreichmessers 21 in der Pulverschicht-Bildungseinheit 2 be festigt. Mit dieser Anordnung entfällt die Notwendigkeit eines ausschließlich für die Saugdüse vorgesehenen Antriebsmechanismus, so dass die Struktur der Vorrichtung vereinfacht wird.

Alternativ kann gemäß Fig. 16A die Saugdüse 51 an einer ausschließlich für diese vorgesehenen XY-Antriebseinheit 55 befestigt sein, oder gemäß Fig. 16B kann die Düse an der XY-Antriebseinheit 40 der Oberflächenschicht-Entfer nungseinheit 4 befestigt sein. Die XY-Antriebseinheit 40 oder 55 ist derart ausgelegt, dass sie die Saugdüse 51 vor der Endbearbeitungsmaschine 41 her bewegt, und arbeitet derart, dass sie die Saugdüse 51 entlang der Konturlinie jeder zu formenden Ebene bewegt, so das ungesintertes Pulver um die gesin terte(n) Schicht(en) 11 durch die Saugdüse 51 entfernt werden kann. Mit die ser Ausgestaltung wird verhindert, dass sich ungesintertes Pulver an der Ober flächenschicht-Entfernungseinheit 4 verfängt, so dass eine hochpräzise Ober fläche gebildet werden kann.

Fig. 17 zeigt eine gemäß einer zweiten Ausführungsform ausgebildete Vorrich tung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes. Diese Vorrichtung weist eine Pulverschicht-Bildungseinheit 2 zum Bilden einer Pulverschicht 10, eine Sinterschicht-Bildungseinheit 3 zum Bilden einer gesinterten Schicht 11 und eine Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 zum Entfernen einer Ober flächenschicht niedriger Dichte auf. Die Pulverschicht-Bildungseinheit 2 bildet die Pulverschicht 10 gewünschter Dicke Δt1 durch Zuführen organischen oder anorganischen pulverförmigen Materials auf einen Sinter-Tisch 20, der sich vertikal in einem von einem Zylinder umgebenen Raum bewegt, und durch Ebnen bzw. Ausstreichen des pulverförmigen Materials mittels eines Aus streichmessers 21. Der Sinter-Tisch 20 ist mittels einer Antriebseinheit auf- und abbewegbar. Die Sinterschicht-Bildungseinheit 3 bildet die gesinterte Schicht 11, indem sie die Pulverschicht 10 über ein optisches Abtastsystem, das einen Deflektor und dgl. aufweist, mit einem Laser aus einem Laserstrahl generator 30 bestrahlt. Die Oberflächenschicht-Entfernungseinheit 4 weist eine XY-Antriebseinheit 40, die an einer Basis der Einheit 4 befestigt ist, und eine Endbearbeitungsmaschine 41 auf, die an der XY-Antriebseinheit 40 befestigt ist. Die Vorrichtung gemäß Fig. 17 weist ferner eine Steuereinrichtung 60 zum Steuern des Betriebs der oben beschriebenen Einheiten und Vorrichtungen, und eine Ausrichteinheit 62 mit einer Kamera 64 zum Erhalt von Bilddaten zu dem Sinter-Tisch 20 und mit einem von der Steuereinrichtung 60 auszufüh renden Ausrichtprogramm auf.

Zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes gewünschter Form mit tels der oben beschriebenen Vorrichtung wird zuerst eine Basis 22 gebildet, deren Form derjenigen einer gesamten unteren Struktur des dreidimensiona len Gegenstandes oder derjenigen eines Teils des Gegenstandes entspricht. Die Basis 22 kann aus jedem beliebigen Material bestehen, das mit einer auf ihr gebildeten gesinterten Schicht verbunden werden kann.

Gemäß Fig. 18A wird die Basis 22 auf dem Sinter-Tisch 20 plaziert und mittels der Endbearbeitungsmaschine 41 einem gewünschten maschinellen Bearbei tungsvorgang unterzogen. Das maschinelle Bearbeiten erfolgt auf der Basis von Daten, die die Form nach dem Bearbeiten angeben; diese Daten sind er stellt worden, indem im voraus die vorbestimmten Bedingungen den CAD- Daten des dreidimensionalen Gegenstandes auferlegt wurden.

Nach dem maschinellen Bearbeiten wird gemäß Fig. 18B die Kamera 64 einge schaltet, um die Position der Basis 22 auf dem Sinter-Tisch 20 durch Erfassen von Bilddaten hiervon zu verifizieren, und um die Konturlinie der Basis 22 in Draufsicht zu detektieren, so dass die Laserauftreffposition mit der Position auf der Oberfläche der Basis 22 in Übereinstimmung gebracht werden kann, wenn mit dem Sintern begonnen werden soll. Anschließend wird die Oberfläche der Basis 22 mit einem Lichtstrahl L niedriger Energiedichte markiert, und die Bilddaten der markierten Position werden mit der Kamera 64 erfasst. Zu die sem Zeitpunkt wird gemäß Fig. 19, falls die Position A, an der der Lichtstrahl L in Bezug auf die Basis 22 auftreffen soll, von der Position B des tatsächlichen Auftreffens der Lichtstrahls L abweicht, mittels der Steuereinrichtung 60 die Abweichung zwischen den Koordinaten der Basis 22 und denjenigen des Licht strahlausgabesystems detektiert, um die Abweichung zu korrigieren.

Nach dem Abschluss dieses Ausrichtvorgangs wird gemäß Fig. 18C dem Sin ter-Tisch 20 Pulvermaterial zugeführt, das seinerseits von dem Ausstreichmes ser 21 geglättet wird, um eine Pulverschicht 10 mit einer Dicke Δt1 zu bilden. Die Pulverschicht 10 wird dann mit dem Lichtstrahl L bestrahlt, um einen ge wünschten Bereich der Schicht zu sintern. Nachdem das Formen der Pulver schicht 10 und das Sintern der Schicht durch den Lichtstrahl L wiederholt aus geführt worden sind, erhält man den dreidimensionalen Gegenstand, der eine aus der Basis 22 gebildete untere Struktur und eine aus mehreren aufeinander laminierten gesinterten Schichten 11 gebildete obere Struktur aufweist, wie Fig. 18D zeigt.

Durch die Basis 22 entfällt der zeitintensive Arbeitsaufwand, der zum Laminie ren und Sintern einer bestimmten Anzahl von Pulverschichten 10, die in ihrer Gesamtheit der Dicke der Basis 22 entsprächen, verursacht würde.

Falls die zum maschinellen Bearbeiten der Basis 22 erforderliche Zeit länger ist als die Zeit, die zum Bilden mehrerer gesinterter Schichten 11 mit gleicher Form wie die Basis 22 erforderlich ist, führt die Verwendung der Basis 22 zu einem Anstieg der zur Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes erfor derlichen Zeit. Deshalb werden der Vorgang zum maschinellen Bearbeiten der Basis 22 und der Vorgang zum Sintern der gesinterten Schichten 11 im voraus simuliert, und falls die für den erstgenannten Vorgang erforderliche Zeit kürzer ist als die die Zeit für den letzteren Vorgang, wird die Basis 22 verwendet.

Im folgenden wird die Verwendung der Basis anhand einer Struktur gemäß Fig. 20 weiter erläutert.

Nur falls die erforderliche Zeit zum maschinellen Erzeugen eines Teils C der Struktur kürzer ist als erforderliche Zeit zum Erzeugen des Teil C durch Lami nieren mehrerer gesinterter Schichten 11, wird die Struktur gemäß Fig. 20 als Basis 22 verwendet. Falls hingegen die erforderliche Zeit zum maschinellen Erzeugen des Teils C der Struktur kürzer ist als erforderliche Zeit zum Erzeu gen des Teils C durch Laminieren der gesinterten Schichten 11, wird an der Struktur ein maschineller Bearbeitungsvorgang in Bezug auf einen Teil D vor genommen, um eine Basis 22 ohne den Teil C zu bilden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes, mit den folgenden Schritten:

a) Ausgeben eines Lichtstrahls (L) auf einen vorbestimmten Teil einer Pulverschicht (10) zum Bilden einer gesinterten Schicht (11);
b) Bedecken der gesinterten Schicht (11) mit einer neuen Pulverschicht (10);
c) Ausgeben des Lichtstrahls (L) auf einen vorbestimmten Teil der neu en Pulverschicht (10) zum Bilden einer weiteren gesinterten Schicht (11), die mit der darunterliegenden gesinterten Schicht (11) verbunden wird;
d) Wiederholen der Schritte (b) und (c) zum Bilden mehrerer miteinan der verbundener gesinterter Schichten (11), deren Größe größer ist als die Größe der Ziel-Form des dreidimensionalen Gegenstandes; und
e) Entfernen eines Oberflächenbereichs eines bis dahin während des Schritts (d) gebildeten geformten Gegenstandes.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte vor dem Schritt (a):

1. Plazieren einer Basis (22), die eine untere Struktur des dreidimen sionalen Gegenstandes bildet, auf einem Sinter-Tisch (20);
2. maschinelles Bearbeiten der Basis (22); und
3. Ausrichten der Basis (22) mit einer Lichtstrahl-Auftreffposition.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte vor dem Schritt (a1):
Vergleichen der zum maschinellen Bearbeiten der Basis (22) erforderli chen Zeit mit der Zeit, die zum Bilden mehrerer gesinterter Schichten (11) mit der gleichen Form wie derjenigen der Basis (22) erforderlich ist; und
Herstellen der Basis (22), falls die zum maschinellen Bearbeiten der Basis (22) erforderliche Zeit kürzer ist als die zum Bilden der mehreren gesin terten Schichten (11) erforderliche Zeit.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des entfernten Oberflächenbereichs größer ist als die Di cke einer durch Anhaften von Pulvermaterial an den gesinterten Schich ten (11) gebildeten Oberflächenschicht, wobei die Dichte der Oberflä chenschicht niedriger ist als diejenige der gesinterten Schichten (11).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gesinterten Schichten (11) durch das Entfernen des Oberflä chenbereichs freigelegt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Oberflächenbereichs durch Schneiden durchge führt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen des Oberflächenbereichs durch einen Laser durchge führt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (e) ein Lichtstrahl (L) auf einen zu entfernenden Be reich ausgegeben wird, um diesen Bereich zu erweichen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (e) ein Lichtstrahl (L) auf einen Teil des geformten Gegenstandes, von dem der Oberflächenbereich entfernt worden ist, aus gegeben wird, um die Dichte dieses Bereiches zu erhöhen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass um die gesinterten Schichten (11) herum befindliches ungesintertes Pulver oder durch das Entfernen des Oberflächenbereiches erzeugte Schleifspäne während des Schritts (e) entfernt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (e) um die gesinterten Schichten (11) herum be findliches ungesintertes Pulver entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (e) Harz oder Wachse in einen Bereich gefüllt werden, aus dem das ungesinterte Pulver oder die Schleifspäne entfernt worden sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt (e) das ungesinterte Pulver verfestigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ungesin terte Pulver durch Frieren verfestigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ungesin terte Pulver durch mittels Harz oder Wachse verfestigt wird.

16. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Gegenstandes, mit:
einer Pulverschicht-Bildungseinheit (2) zum Bilden einer Pulverschicht (10);
einer Sinterschicht-Bildungseinheit (3) zum Bilden einer gesinterten Schicht durch Ausgeben eines Lichtstrahls (L) auf einen vorbestimmten Bereich der Pulverschicht (10);
einem Abstandsregulator (20) zum Regeln des Abstandes zwischen der Sinterschicht-Bildungseinheit (3) und der gesinterten Schicht (11); und
einer Oberflächenschicht-Entfernungseinheit (4) zum Entfernen einer Oberflächenschicht, deren Dichte niedriger ist als diejenige der gesinter ten Schicht (11).

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine in enger Nähe zu der Pulverschicht-Bildungseinheit (2) gehaltene Abführeinheit (51) zum Abführen von ungesintertem Pulver oder Schleifspänen, die durch die Oberflächenschicht-Entfernungseinheit (4) erzeugt wurden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Ab führeinheit (51) zum Abführen von durch die Oberflächenschicht-Entfer nungseinheit (4) erzeugten ungesintertem Pulver oder Schleifspänen, wobei die Abführeinheit (51) mit einer Antriebseinheit (40, 55) versehen ist, mit der die Abführeinheit (51) entlang einer Konturlinie jeder zu for menden Ebene bewegt wird.