DE102004017769A1

DE102004017769A1 - Sintern unter Verwendung von Thermobild-Rückkopplung

Info

Publication number: DE102004017769A1
Application number: DE102004017769A
Authority: DE
Inventors: Mark Castaic Chung; Andre-Luc Valencia Allanic
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: DE102004017769B4; EP1466718A3; JP2004306612A; US20040200816A1; US6815636B2; EP1466718A2; EP1466718B1; JP4146385B2

Abstract

Ein Verfahren oder ein Gerät zum Bilden eines dreidimensionalen Objektes durch Lasersintern, welches ein Thermovisionssystem für ein weites Gebiet verwendet, wie beispielsweise eine Infrarotkamera, welche mehrere Temperaturen über das Zielgebiet messen kann, und das die Temperaturdaten als Feedback für ein Steuersystem verwendet, welches sowohl ein in Zonen eingeteiltes Heizstrahlersystem steuert, als auch die Scanngeschwindigkeit und Laserstärke einstellt, um die Temperaturen über dem Zielgebiet zu steuern.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung liegt in dem Gebiet der Freiformfertigung und ist auf die Fertigung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern gerichtet. Genauer gesagt bezieht sie sich auf die Temperatursteuerung in der Prozesskammer eines Lasersintersystems.
2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Das Gebiet der Freiformfertigung von Baueilen hat in den letzten Jahren signifikante Verbesserungen erzielt, in der Bereitstellung von hochfesten, hochdichten Bauteilen zur Verwendung beim Design und der Pilotproduktion von vielen nützlichen Gegenständen. Freiformfertigung bezieht sich im allgemeinen auf die Herstellung von Gegenständen direkt aus Computer Aided Design (CAD) Datenbanken in einer automatisierten Art und Weise, anstelle der konventionellen spannenden Fertigung von Prototypengegenständen anhand von Fertigungszeichnungen. Als ein Ergebnis hat sich die Zeit, welche benötigt wird, um Prototypenteile aus Konstruktionsentwürfen zu fertigen, von mehreren Wochen zu einer Angelegenheit von ein paar Stunden verringert. Zur Darstellung des Hintergrundes, ist ein Beispiel der Freiformfertigungstechnologie der selektive Lasersintervorgang, welcher in Systemen verwendet wird, welche von 3D Systems, Inc. erhältlich sind, in denen Gegenständen aus einem laserschmelzbarem Pulver in schichtweiser Art und Weise hergestellt werden. Gemäß diesem Vorgang wird eine dünne Pulverlage verteilt und dann miteinander verbunden, geschmolzen oder gesintert durch Laserenergie, welche auf diese Bereiche des Pulvers gerichtet wird, die einem Querschnitt des Gegenstandes entsprechen. Konventionelle Lasersintersysteme, wie das Vanguard System, welches von 3D Systems, Inc. erhältlich ist, positionieren den Laserstrahl mittels Galvanometer-angetriebenen Spiegeln, welche den Laserstrahl ablenken. Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombination mit der Modulation des Lasers selbst gesteuert, um die Laserenergie zu diesen Orten der schmelzbaren Pulverlage zu richten, die in dieser Lage den Querschnitt des zu bildenden Bauteils entsprechen. Das computergestützte Steuerungssystem ist mit Informationen programmiert, die für die gewünschten Grenzen einer Mehrzahl von Querschnitten des zu erzeugenden Bauteils beschreibend ist. Der Laser kann rasterweise über das Pulver gescannt werden, wobei die Modulation des Lasers in Kombination damit beeinflusst wird, oder der Laser kann vektorweise ausgerichtet werden. In einigen Anwendungen werden die Querschnitte von Gegenständen in einer Pulverlage gebildet, indem das Pulver entlang des Umrisses des Querschnittes vektorweise geschmolzen wird, entweder vor oder nach einem Rasterscann, welcher das Gebiet innerhalb des vectorgezogenen Umrisses „füllt". In jedem Fall wird nach dem selektiven Schmelzens des Pulvers in einer gegebenen Lage dann eine zusätzliche Pulverlage aufgebracht und der Vorgang wiederholt, wobei geschmolzene Bereiche von späteren Lagen mit verschmolzenen Bereichen von früheren Lagen verschmelzen (wie es für den Gegenstand geeignet ist), bis der Gegenstand fertig gestellt ist.
Eine detaillierte Beschreibung der selektiven Lasersintertechnologie kann in dem U.S. Patent mit der Nr. 4,863,538, U.S. Patent mit der Nr. 5,132,143 und dem U.S. Patent mit der Nr. 4,944,817 gefunden werden, welche alle dem Verwaltungsrat der Universität von Texas System zugeordnet sind und in dem U.S. Patent mit der Nr. 4,247,508, Housholder, welche alle hierin durch Referenz aufgenommen werden.
Die Lasersintertechnologie hat die direkte Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen mit einer hohen Auflösung und dreidimensionalen Genauigkeit aus einer Vielzahl von Materialien ermöglicht, umfassend Polystyrol, einigen Nylons, andere Kunststoffmaterialien und Verbundwerkstoffe, wie beispielsweise poly merbeschichtete Metalle und Keramiken. Polystyrolteile können bei der Erzeugung von Werkzeugen verwendet werden durch das wohlbekannte „Wachs-Ausschmelz-Verfahren". Zusätzlich kann das selektive Lasersintern verwendet werden zur direkten Fertigung von Formen aus einer CAD-Datenbankdarstellung des Objekts, welches in den hergestellten Formen geformt werden soll. In diesem Fall werden computergestützte Vorgänge die CAD-Datenbankdarstellung des zu formenden Objekts „umkehren" um direkt die negativen Formen aus dem Pulver zu bilden.
Aktuelle kommerzielle Lasersintersysteme, wie diese, welche durch 3D Systems, Inc., aus Valencia, Kalifornien vertrieben werden, verwenden Doppelkolbenkartuschenzuführsysteme mit einer gegenrotierenden Walze und einem Infrarotsensor und Pyrometer, um die thermischen Zustände in der Prozesskammer und in dem Pulverbett zu messen.
Obwohl Lasersysteme sich als sehr effektiv bei der Lieferung von sowohl Pulver als auch thermischer Energie in einer präzisen und effizienten Weise erwiesen haben, weist die Verwendung eines einzelnen Infrarotsensors, welcher auf einem Punkt der Zieloberfläche fokussiert ist, einige bekannte Beschränkungen auf. Die Zieloberfläche hat normalerweise keine gleichförmige Temperatur über die gesamte Oberfläche. Temperaturgradienten sind von vorne nach hinten der Prozesskammer und des Pulverbetts möglich, aufgrund des Vorhandenseins eines Observationsfensters an der Vorderseite des Systems. Von Seite zu Seite sind Gradienten möglich aufgrund des Vorhandenseins von niedrigeren Temperaturen an jeder Seite des Teilbetts. Zusätzlich sind die zuletzt verschmolzenen Teile in dem System heißer als das umgebende Pulver. Indem sie das erkannten, haben andere Forscher andere Ansätze zur Temperatursteuerung beim Lasersintern vorgeschlagen.
Die U.S. Patente mit den Nr. 5,427,733, 5,530,221, 5,393,482 und 5,508,489 alle von Benda et. al. und an United Technologies zugeordnet, gehen dieses Thema mit Ansätzen an, die auf optischen und Scannsystemen basieren, welche die Tem peratur des Pulvers an einem Detektionspunkt nahe des Sinterortes detektieren und welche die Information dazu verwenden, um die Laserstärke zu modifizieren und/oder die Temperatur des umgebenden Pulvers zu modifizieren, unter Verwendung eines sich bewegenden defokussierten Laserstrahls. In diesem Ansatz und in anderen Ansätzen, welche ähnlich zu diesem sind, wird die Steuerung erzielt durch die Steuerung der Laserstrahlstärke und nicht durch die Steuerung eines Heizstrahlers. Dieser Ansatz ist nicht weit verbreitet kommerziell umgesetzt worden, möglicherweise aufgrund der benötigten Komplexität und Kostenaufwandes von optischen Systemen, genauso wie Fragen bezüglich der Qualität des Signals der abgestrahlten Temperatur des Pulvers, wenn unterschiedliche Pulver verwendet werden.
Ein unterschiedlicher Ansatz wurde von Gibson und Ming in einem Aufsatz vorgeschlagen, welcher auf dem Solid Free Form Fabrication Symposium 1997 präsentiert wurde und den Titel „Low-Cost Machine Vision Monitoring of the SLS process" trägt. In diesem Ansatz war das beschriebene Konzept ein Maschinenvisionssystem (eine CCD Kamera) zu verwenden, welche auf die Zieloberfläche eines Lasersintervorganges gerichtet ist, um die Graustufen-Farbvariation der Oberfläche zu messen, um die Temperatur zu berechnen und die Laserstärke zu modifizieren, um eine gleichbleibende Bauteilqualität beizubehalten. Dieser Ansatz resultierte in niedrigeren Kosten, einer einfacheren Umsetzung, aber er basierte immer noch auf einem Durchschnittstemperaturwert, der durch das Kamerasystem gemessen wurde.
Daher existiert ein Bedarf für ein kompletteres Steuerungsschema für das Lasersintern, eines das Temperaturen über die gesamte Zieloberfläche misst und welche sowohl globale (Heizstrahler) und lokale (Laser) Einstellungen für den Heizeintrag vornimmt, um gleichbleibende Temperaturen aufrecht zu erhalten.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zur Herstellung von Objekten mit selektivem Lasersintern bereit zu stellen, wobei eine gleichmäßigere Temperatur über das gesamte Zieloberflächengebiet in der Prozesskammer beibehalten wird.
Es ist weiterhin ein Aspekt der vorliegenden Erfindung solch ein Verfahren bereitzustellen das zuverlässig ist und mit akzeptablen Kosten arbeitet.
Es ist ein Merkmal des Verfahrens und des Gerätes der vorliegenden Erfindung, das ein Lasersintersystem ein Thermovisionssystem für ein weites Gebiet verwendet, wie beispielsweise eine Infrarotkamera, um verschiedene Temperaturen über das Zielgebiet zu messen und das die Temperaturdaten als Feedback für ein Steuersystem verwendet.
Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Steuersystem sowohl ein in Zonen eingeteiltes Heizstrahlersystem, als auch die Scanngeschwindigkeit und/oder die Laserstärke einstellt, um die Temperaturen über das Zielgebiet zu steuern.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ideale Pulverlagentemperaturen abgeschätzt werden können und dazu verwendet werden, um dreidimensionale Objekte mit reduzierter Verzerrung und Kräuselung zu produzieren.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Gesamttemperatursteuerung in den oberen Lagen des Pulvers in dem Pulverbett verbessert wird.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Bauteils durch Lasersintern aufweisend die Schritte von: Verteilen einer ersten oberen Pulverlage auf einem Zielgebiet; Verändern der Temperatur der ersten oberen Pulverlage auf einen vorbestimmten Zielwert; Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet wobei bewirkt wird, dass die erste obere Pulverlage an ausgewählten Stellen zusammengeschmolzenes Pulver wird, um eine zusammenhängende Lage zu bilden, Verteilen einer zweiten oberen Pulverlage über das zusammengeschmolzene und nicht zusammengeschmolzene Pulver der ersten oberen Lage; Einstellen der Temperatur der zweiten oberen Pulverlage auf einen vorbestimmten Zielwert; Richten des Energiestrahls über das Zielgebiet, wobei bewirkt wird, dass die zweite Pulverlage eine zweite zusammenhängende Lage bildet, welche an der ersten zusammenhängenden Lage anhaftet; Wiederholen der Schritte (a) bis (f) um zusätzliche Lagen zu bilden, welche zusammenhängend an benachbarten Lagen anhaften, um einen dreidimensionalen Artikel zu bilden, wobei der Temperatureinstellschritt umfasst: Verwenden eines Maschinensichtsystems, um verschiedene Temperaturen der gegenwärtigen oberen Pulverlage abzubilden und diese Temperaturen einzustellen, indem die Strahlungswärmeabgabe eines in Zonen eingeteilten Heizstrahlers eingestellt wird, der oberhalb des Zielgebietes angeordnet ist.
Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Bauteils durch Lasersintern, aufweisend die Schritte von: Verteilen einer ersten oberen Pulverlage auf einem Zielgebiet; Einstellen der Temperatur der ersten oberen Pulverlage auf einen vorbestimmten Zielwert; Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet, wobei bewirkt wird, dass die erste obere Pulverlage an ausgewählten Stellen zusammengeschmolzen wird, um eine zusammenhängende Lage zu bilden; Verteilen einer zweiten oberen Pulverlage über das zusammengeschmolzene und nicht zusammengeschmolzene Pulver der ersten oberen Lage; Einstellen der Temperatur der zweiten oberen Pulverlage auf einen vorbestimmten Zielwert; Richten des Energiestrahls über das Zielgebiet, wodurch bewirkt wird, dass die zweite Pulverlage eine zweite zusammenhängende Lage bildet, welche an der ersten zusammenhängenden Lage anhaftet; Wiederholen der Schritte (a) bis (f), um zusätzliche Lagen zu bilden, die zusammenhängend an benachbarten Lagen anhaften, um einen dreidimensionalen Artikel zu bilden, wobei die Richtschritte die Unterschritte umfassen: Schätzen der gewünschten Temperaturen in dem Bereich des zu erzeugenden Bauteils durch bekannte mathematische Modelle, dann Lesen der aktuellen Temperaturen in dem Gebiet des zu produzierenden Teils von der digitalen Ausgabe eines maschinellen Sichtsystems, und dann Einstellen der Energiestrahlleistung und/oder der Scanngeschwindigkeit, während des Richtschritts, basierend auf Differenzen zwischen den gewünschten und tatsächlichen Temperaturen, um gewünschte Temperaturen über dem Zielgebiet zu erzielen.
Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Gerät zum Produzieren von Bauteilen aus Pulver, aufweisend: Eine Prozesskammer, welche ein Zielgebiet aufweist, an dem ein additiver Prozess durchgeführt wird; ein Mittel zum Ablagern und Ausgleichen einer Pulverlage auf dem Zielgebiet; ein Mittel zum Zusammenschmelzen ausgewählter Bereiche einer Pulverlage an dem Zielgebiet; ein Maschinensichtsystem, zum Messen von Temperaturen über den X-Y-Koordinaten des Zielgebiets und ein Heizstrahler zum Heizen des Zielgebiets, um Temperaturen des zusammengeschmolzenen und nicht zusammengeschmolzenen Pulvers an der oberen Oberfläche des Zielgebietes zu steuern.
Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung beachtet wird, speziell wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird:
1 ist eine Ansicht einer selektiven Lasersintermaschine des Standes der Technik;
2 ist eine Vorderansicht einer konventionellen selektiven Lasersintennaschine, welche einige der verwendeten Mechanismen zeigt; und
3 ist eine erste Ansicht des Systems der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung eines Maschinensichtsystems zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 illustriert als Hintergrundinformation eine Darstellung eines konventionellen selektiven Lasersintersystems, das im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 100 bezeichnet wird, und das gegenwärtig durch 3D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien vertrieben wird. 1 ist eine Darstellung die zur Verdeutlichung ohne Türen dargestellt ist. Ein Kohlendioxidlaser 108 und sein zugehöriges Scannsystem 114 ist in einer Einheit oberhalb der Prozesskammer 102 befestigt dargestellt, welche ein Pulverbett 132, zwei Pulverkartuschenzuführsysteme, welche im Allgemeinen durch die Bezugszeichen 124 und 126 bezeichnet sind, und eine gegenläufig rotierende Ausgleichswalze 130 umfasst. Die Prozesskammer 102 hält die geeignete Temperatur und atmosphärische Zusammensetzung (typischerweise eine inerte Atmosphäre wie beispielsweise Stickstoff) zur Herstellung des Gegenstandes bei.
Der Betrieb dieses konventionellen selektiven Lasersintersystems ist in 2 in einer Vorderansicht des Verfahrens, zur Verdeutlichung ohne Türen, dargestellt. Ein Laserstrahl 104 wird durch einen Laser 108 erzeugt und auf ein Zielgebiet gerichtet, das im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 110 bezeichnet ist, mittels eines Scannsystems 114, das im Allgemeinen Laseroptiken und Galvanometer angetriebene Spiegel aufweist, die den Laserstrahl ablenken. Die Laser und Galvanometersysteme sind von der Wärme der Prozesshitzekammer 102 durch ein Laserfenster 116 isoliert. Das Laserfenster 116 ist innerhalb von Heizstrahlerelementen 120 angeordnet, welche das Zielgebiet 110 des Pulverbetts 132 darunter aufheizen. Diese Heizelemente 120 können ringförmige (rechteckige oder kreisförmige) Paneele oder Heizstrahlerstäbe sein, die das Laserfenster umgeben. Ein Infrarotsensor oder Pyrometer 118 ist im hinteren Teil der Kammer angeordnet und auf einen kleinen Bereich der Zieloberfläche fokussiert, um die Oberflächentemperatur abzulesen und aufzuzeichnen. Der Messwert dieses Sensors wird in ein Steuerungsschema eingegeben, das die Leistung für die Heizstrahlerelemente 120 steuert, um eine konstante Temperatur der Zieloberfläche 110 des Pulverbettes 132 beizubehalten.
Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombination mit der Modulation des Lasers 108 selbst gesteuert, um die Laserenergie auf diese Stellen der schmelzbaren Pulverlage in dem Zielgebiet 110 des Pulverbettes 132 zu richten, die in dieser Lage den Querschnitten des zu bildenden Bauteils entspricht. Das Laserscannsystem 114 kann den Laserstrahl über das Pulver in einer Rasterscann-weise oder vektorweise scannen.
Die zwei Pulverkartuschenzuführsysteme (124, 126) führen dem System 100 mittels eines nach oben drückenden Kolbensystems Pulver zu. Ein Pulverbett 132 empfängt das Pulver an seinem horizontalen Teilbett 131, welches am besten in 1 im Umriss zu sehen ist, von zwei Zuführkolben 125 und 127, wie es unten beschrieben wird. Das Zuführsystem 126 drückt zunächst eine abgemessene Menge Pulver von Pulver 123 im System 126 nach oben, durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 127 und eine gegenläufig rotierende Walze 130 nimmt das Pulver auf und verteilt dieses über das Pulverbett 132 in gleichförmiger Art und Weise. Die gegenläufig rotierende Walze 130 bewegt sich komplett über das Zielgebiet 110 und das Pulverbett 132 und lässt dann jegliches verbleibendes Pulver in einen Überlaufbehälter 136 fallen. In der Nähe des Deckels der Prozesskammer 100 sind Heizstrahlerelemente 122 angeordnet, welche das zugeführte Pulver vorheizen, und ein ringförmiges oder rechteckig geformtes Heizstrahlerelement 120 zum Heizen der Oberfläche des Pulverbettes 132 in dem Zielgebiet 110. Dieses Heizelement 120 hat eine zentrale Öffnung, die es dem Laserstrahl 104 ermöglicht, durch das optische Element 116 hindurchzutreten. Nach einem Durchlauf der gegenläufig rotierenden Walze 130 über das Pulverbett 132 verschmelzt der Laser selektiv die eben abgegebene Lage.
Dann kehrt die Walze 130 von dem Gebiet der Überlaufrutsche 136 zurück, der Zuführkolben 125 drückt eine vorgeschriebene Menge von Pulver 129 nach oben in das Pulverkartuschenzuführsystem 124 und die Walze 130 gibt Pulver über das Pulverbett 132 und das Zielgebiet 110 in der entgegengerichteten Richtung zu der vorher bewegten Richtung ab und bewegt sich weiter zu der Überlaufrutsche 138, um überschüssiges Pulver fallen zu lassen. Bevor die Walze 130 jede Überquerung des Pulverbettes 132 beginnt, senkt der Zentralbereichsbettkolben 128 den Bereich des Pulverbettes 132, der sein Unterstützungsbereichsbett 131 überlagert, um die gewünschte Schichtdicke in die Aufbaukammer 106 hinein, um Raum zu schaffen für zusätzliches Pulver, das für die nächste Schicht des Artikelquerschnitts, der geformt werden soll, benötigt wird.
Die Pulverkartuschenzuführsysteme 124 und 126 umfassen Zuführkolben 125 und 127, die durch Motoren (nicht dargestellt) gesteuert werden, um sich nach oben zu bewegen und (wenn indiziert) um ein vorbestimmtes Volumen des Pulvers in die Prozesskammer 102 hinein zu heben. Der Teilbettkolben 128 wird durch einen Motor (nicht dargestellt) gesteuert, um das Teilbett 131 nach unten in die Aufbaukammer 106 unter den Boden der Kammer 102 hinein zu bewegen, um einen kleinen Wert, beispielsweise 0,125 mm, um die Dicke jeder zu verarbeitenden Pulverlage zu definieren. Die Walze 130 ist eine gegenläufig rotierende Walze, die Pulver von den Pulverkartuschenzuführsystemen 124 und 126 über die Zuführkolben 125 und 127 auf das Zielgebiet 110 überträgt. Wenn sich die Walze in jeder Richtung bewegt, wird jegliches überschüssiges Pulver, das nicht in dem Zielgebiet 110 und dem Pulverbett 132 abgelagert wurde, in Überlaufbehältern (136, 138) an jedem Ende der Prozesskammer 102 befördert. Das Zielgebiet 110 bezieht sich für die Zwecke der Beschreibung in dieser Offenbarung auf die obere Oberfläche des wärmeverschmelzbaren Pulvers (umfassend Bereiche die vorher gesintert wurden, wenn diese vorhanden sind), die über dem Teilebett 131 von 1 angeordnet ist, und sie umfasst verschmolzenes und nicht verschmolzenes Pulver, das an dem Teilebett 131 angeordnet ist, auf das hierin mit Bezug auf 3 als Teilepulverbett 132 Bezug genommen wird. Das System 100 von 2 benötigt Heizstrahler 122 über dem Zuführkolben, um das Pulver vorzuheizen, um jeglichen thermischen Schock zu. minimieren, wenn frisches Pulver auf dem gerade gesinterten und heißen Zielgebiet 110 verteilt wird. Diese Art des doppelten Hochdrückkolbenzuführsystems mit Heizelementen für sowohl die Zuführ- und die Teilebetten wird kommerziel in den selektiven Lasersystem Vanguard eingesetzt, das von 3D Systems, Inc., aus Valencia, Kalifornien vertrieben wird. Ein alternatives Pulverliefersystem (nicht dargestellt), welches Überkopftrichter verwendet, kann verwendet werden, um Pulver von oben und jeder Seite des Pulverbettes 132 vor ein Liefergerät, wie Beispielsweise einen Wischer oder Abstreifer, zuzuführen.
Ein Gerät zum Durchführen der vorliegenden Erfindung ist diagrammartig in 3 dargestellt und wird im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet. Zur deutlicheren Darstellung wurde die umgebende Prozesskammer und die Maschine weggelassen und nur die relevanten Mechanismen dargestellt. Ein Mittel zum selektiven verschmelzen ausgewählter Bereiche einer Pulverlage wird durch einen Laser 154 bereitgestellt, der Energie für das selektive verschmelzen von Pulvern bereit stellt, wobei der Strahl des Lasers 154 durch ein Scannersystem 158 gerichtet wird. Ein bevorzugter Laser ist ein Kohlendioxidgaslaser, welcher typischerweise zwischen 10 und 200 Watt Leistung aufweist. Andere Laser, die die benötigten Energien bei geeigneten Wellenlängen bereitstellen, können verwendet werden.
Das Scannsystem basiert typischerweise auf Galvanometern, aber es könnten andere Ansätze verwendet werden. Ein Teilpulverbett 162 wird durch ein in Zonen eingeteiltes Heizstrahlersystem 170 aufgeheizt. Das in Zonen eingeteilte Heizstrahlersystem 170 kann von jeglicher Form sein, aber hat im Allgemeinen eine Form, die mit der Geometrie des Teilebetts 162 übereinstimmt, und es hat einen mittigen offenen Bereich, durch den der Laserstrahl und jegliche Sichtlinien von Temperatursensoren hindurchgehen. In dem Fall, welcher in 3 dargestellt ist, weist das rechteckige Teilebett eine rechteckige Anordnung des Heizstrahlers auf. Diese Heizstrahler können von einer beliebigen Art sein, umfassend beispielsweise Quarzstäbe oder flache Paneele. Das in Zonen eingeteilte Heizstrahlersystem 170 kann so konfiguriert sein, dass der Wärmeintrag zu unterschiedlichen Teilen des Heizstrahlers in entweder einer radialen oder umfänglichen Richtung variiert werden kann. Ein Maschinensichtsystem 174 ist angeordnet, um das Teilepulverbett 162 abzubilden. Dieses Maschinensichtsystem 174 ist vorzugsweise eine Infrarotkamera, wie diese die kommerziell als IRI 1002 von Irisys, aus Towcester, UK erhältlich ist oder das FLIR A20M Modell von FLIR aus North Billerica, MA. Jedoch können auch andere Systeme, wie beispielsweise eine gewöhnliche CCD Kamera verwendet werden, welche Graustufenunterschiede misst. Diese Kamera bildet das gesamte Teilepulverbett 162 ab, umfassend das Gebiet 178, das die oberste verbundene oder geschmolzene Schicht des Bauteils oder der Bauteile, die hergestellt werden, beinhaltet und stellt eine digitale Ausgabe der gegenwärtigen Temperaturen in dem Bereich des dreidimensionalen Bauteiles, das aufgebaut wird, oder anderen gewünschten Bereichen des Teilepulverbetts 162 bereit.
Nicht dargestellt ist das Mittel zum Ablagern und Ausgleichen einer Pulverlage in dem Zielgebiet. Eine Anzahl von unterschiedlichen Ansätzen ist hier möglich. Ein potentielles System ist in dem U.S. Patent mit der Nr. 5,252,264 beschrieben und in kommerziellen Systemen verwendet, wie dem oben genannten Lasersintersystem Vanguard. Dieses System führt Pulver von jeder Seite des Zielgebietes mittels Nach-Oben-Drück-Pulverzuführsystemen zu und gleicht diese Pulver mit einem gegenläufig rotierenden Walzensystem aus.
Ein weiterer alternativer Ansatz liegt darin, Pulver aus Überkopf-Pulverbehältern zuzuführen und mit Abziehklingen auszugleichen.
Während des Betriebs wird das Bild von dem Gerät 174 digitalisiert und das Teilebett in eine Teilebettmatrix aufgeteilt, welche im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 175 bezeichnet wird, mit einer Durchschnittstemperatur für jede Zelle 176 der Matrix 175. Diese Temperaturen werden mit einer gewünschten Einstellpunkttemperatur verglichen und Steuersignale werden dann an die Steuerung 168 gesendet, um die in Zonen eingeteilten Heizstrahler einzustellen, um die Betttemperaturen auf minimale Abweichungen von den Einstellpunkttemperaturen einzustellen. Jede Anzahl von objektiven Funktionen könnte verwendet werden, wie beispielsweise der Ansatz der kleinsten Quadrate – der die Summe der Quadrate von jeder Zellentemperaturabweichung vom Einstellpunkt minimiert.
Zur gleichen Zeit würden Zeitsteuerungssignale zu der Steuerung 166 gesendet, um die Laserstärke, basierend auf den Temperaturabweichungen, von einer gewünschten Einstellpunktemperatur für die Zellen 176 einzustellen, die den zusammengeschmolzenen oder geschmolzenen Bereichen 178 zugeordnet sind.
Dieser Ansatz kann verwendet werden, um die Gesamttemperatur der oberen Pulverlage zu steuern, bevor der Laser selektiv die nächste Pulverlage verschmilzt. Ein verbessertes Steuerungsniveau kann dann während des gegenwärtigen Laserbetriebes wie folgt implementiert werden: Eine historische Aufzeichnung von Aufbaudaten, umfassend Parameter, wie beispielsweise die Strahlertemperatur und die Laserstärke und die Scanngeschwindigkeit, wird für die exakten oder ähnlichen dreidimensionalen Teilen aufgezeichnet. Von diesen Daten wird ein mathematisches Modell unter Verwendung von angepassten oder kommerziellen Softwarepaketen für die Finite-Element-Thermoanalyse von jeder Zelle in dem Teilpulverbett erzeugt.
Geeignete kommerzielle Softwarepakete, die für die Verwendung zur Echtzeit-Maschinensteuerung umgeschrieben werden können, umfassen NE Nastran von Noran Engineering, Inc. aus Los Alamitos, CA. und RadTherm von ThermoAnlaytics, Inc. aus Calumet, MI. Als nächstes wird eine IR Kamera in dem gegenwärtigen Aufbau verwendet, um die aktuellen Temperaturen der oberen Pulverlage zu ermitteln, um diese mit der Ausgabe der Finite-Element-Thermoanalyse zu vergleichen. Dann wird ein iteratives Annäherungsverfahren verwendet, um die gewünschten thermischen Eigenschaften von zukünftigen Variationen des Aufbauprozesses aus den aktuellen Temperaturaufzeichnungen der IR Kamera mit dem mathematischen Modell zu vergleichen, bis die gewünschten thermischen Eigenschaften und die Variationen in dem Aufbauprozess übereinstimmen. Dann werden diese Daten verwendet um das in Zonen eingeteilte Heizstrahlersystem, die Energiestrahlstärke und/oder die Scanngeschwindigkeit des Lasers während des Laserausrichtungsschrittes einzustellen, um die idealen oder gewünschten Temperaturen in der obersten Pulverlage zu erhalten, welche von den mathematischen Modellen geschätzt wurde. Die Gesamttemperaturkontrolle dieses zweistufigen Steuerungsprozesses führt zu einer dramatischen Verbesserung der historischen Steuerung. Die Temperatursteuerung wird in dem Schichtablagerungs- und ausgleichsschritt implementiert, genauso wie während des Laserrichtungsschrittes. In diesem Ansatz wird das mathematische Modell so verstanden, dass es den Vorgang des Sammelns aller Daten und des Definierens von zukünftigen Variationen des Aufbauprozesses aus den gegenwärtigen Temperaturaufzeichnungen der IR Kamera umfasst.
Dieser Designansatz verbessert die Gesamttemperatursteuerung in den oberen Lagen des Teilebetts und bewirkt die Verringerung der Temperaturdifferenzen zwischen dem gerade zusammengeschmolzenen Pulver und dem umgebenden nicht zusammengeschmolzenen Pulver, wobei unerwünschte Schrumpfungen verringert werden, welche zu Kräuselung und einer Verzerrung der hergestellten Bauteile führen können.
Zusätzlich, wenn das Pulverbett mehrere dreidimensionale Objekte aufweist, welche in dem gleichen Aufbau hergestellt werden, und dort eine Ungleichheit in der Pulverbetttemperatur besteht, gestattet das vorliegende System die Möglichkeit, die Energieleistung des Laserstrahls einzustellen, genauso wie die Laserscanngeschwindigkeit, in unterschiedlichen Gebieten des Pulverbettes, um eine Temperatursteuerung über das gesamte Pulverbett und über Querschnitte von mehren herzustellenden Bauteilen zu erreichen, um erfolgreiche Aufbauvorgänge für alle Teile zu erhalten, die mit reduzierten und unerwünschten Schrumpfungen und geringerer resultierender Kräuselung und Verzerrung hergestellt werden.
Nachdem nun die Prinzipien unserer Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform davon illustriert und beschrieben wurde, sollte es nun für Fachleute sofort ersichtlich sein, dass die Erfindung in ihrer Anordnung und im Detail modifiziert werden kann, ohne von solchen Prinzipien abzuweichen, während die Erfindung in einem Lasersintersystem verwendet wird. Beispielsweise sollte es ersichtlich sein, dass das in Zonen eingeteilte Heizstrahlersystem so bestimmt ist, dass es mehrere Heizstrahler, Mehrzonenheizstrahler und Heizstrahler von unterschiedlichen geometrischen Formen und Konfigurationen, wie beispielsweise kreisringförmige, rechteckige Konfigurationen, Stäbe oder Paneele umfasst.
Alle Patente und Patentanmeldungen die hierin bezeichnet wurden, werden hiermit durch Referenz in den entsprechenden Teil mitaufgenommen. Alle Modifikationen, die mit dem Geist und dem Umfang der begleitenden Ansprüche einhergehen, sind mitumfasst.

Claims

Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Gegenstandes durch Lasersintern aufweisend die Schritte: (a) Ablagern einer ersten oberen Pulverlage auf ein Zielgebiet; (b) Einstellen der Temperatur der ersten oberen Pulverlage auf eine vorbestimmte Temperatur; (c) Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet, um zu bewirken, dass die erste obere Pulverlage an ausgewählten Stellen zusammengeschmolzenes Pulver wird, um eine zusammenhängende Lage zu bilden; (d) Aufbringen einer zweiten oberen Pulverlage über das zusammengeschmolzene und nicht zusammengeschmolzene Pulver der ersten oberen Lage; (e) Einstellen der Temperatur der zweiten oberen Pulverlage auf eine zweite vorbestimmte Temperatur; (f) Richten des Energiestrahls über das Zielgebiet, um zu bewirken, dass die zweite obere Pulverlage eine zweite zusammenhängende Schicht bildet, die an der ersten zusammenhängenden Schicht anhaftet; (g) Wiederholen der Schritte (a) bis (f), um zusätzliche Lagen zu bilden, die zusammenhängend an benachbarten Lagen anhaften, um einen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden, wobei die Temperatureinstellungsschritte aufweisen: Verwenden eines Maschinensichtsystems, um mehrere Tempe raturen der gegenwärtigen oberen Pulverlage abzubilden und Einstellen dieser Temperaturen durch Einstellen der Strahlungswärmeabgabe von einem in Zonen eingeteilten Heizstrahler, welcher sich oberhalb des Zielgebietes befindet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Maschinensichtsystem eine Infrarotkamera ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Energiestrahl ein Kohlendioxidlaser ist.
Ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Gegenstandes durch Lasersintern, aufweisend die Schritte: (a) Aufbringen einer ersten oberen Pulverlage auf ein Zielgebiet; (b) Einstellen der Temperatur der ersten oberen Pulverlage auf eine vorbestimmte Temperatur; (c) Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet, um zu bewirken, dass die erste obere Pulverlage an ausgewählten Stellen zu zusammengeschmolzenem Pulver wird, um eine zusammenhängende Lage zu bilden; (d) Aufbringen einer zweiten oberen Pulverlage über das zusammengeschmolzene und nicht zusammengeschmolzene Pulver der ersten oberen Lage; (e) Einstellen der Temperatur der zweiten oberen Pulverlage auf eine zweite vorbestimmte Temperatur; (f) Richten des Energiestrahls über das Zielgebiet, um zu bewirken, dass die zweite Pulverlage eine zweite zusammenhängende Lage bildet, welche an der ersten zusammenhängenden Lage anhaftet; (g) Wiederholen der Schritte (a) bis (f), um zusätzliche Lagen zu bilden, die integral an benachbarten Lagen anhaften, um einen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden, wobei die Richtungsschritte die Unterschritte aufweisen: i. Schätzen, aus bekannten mathematischen Modellen, der benötigten Temperaturen in dem Bereich des zu produzierenden Gegenstandes; ii. Lesen der aktuellen Temperatur in dem Bereich des zu produzierenden Gegenstandes aus der digitalen Ausgabe des Maschinensichtsystems; iii. Einstellen der Energiestrahlleistung und Scanngeschwindigkeit während des Richtungsschrittes, basierend auf Unterschieden zwischen den gewünschten und aktuellen Temperaturen, um gewünschte Temperaturen über dem Zielgebiet zu erzielen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Maschinensichtsystem eine Infrarotkamera ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Energiestrahl ein Kohlendioxidlaser ist.
Ein Gerät zum Erzeugen von Gegenständen aus einem Pulver, wobei das Gerät aufweist: (a) Eine Kammer mit einem Zielgebiet an dem ein additiver Prozess durchgeführt wird; (b) Mittel zum Ablagern und Ausgleichen einer Pulverlage auf dem Zielgebiet; (c) Mittel zum Verschmelzen ausgewählter Bereiche einer Pulverlage an dem Zielgebiet; (d) Maschinensichtsystem zum Messen von Temperaturen über die X-Y-Koordinaten des Zielgebiets; (e) Heizstrahler zum Aufheizen des Zielgebiets, um die Temperaturen des verschmolzenen und nicht verschmolzenen Pulvers an der oberen Oberfläche des Zielgebietes zu steuern.
Das Gerät gemäß Anspruch 7, wobei das Maschinensichtsystem eine Infrarotkamera ist.
Das Gerät gemäß Anspruch 8, wobei der Heizstrahler ein in Zonen eingeteilter Heizstrahler ist, der unterschiedliche Zonen aufweist, um unterschiedliche Energieniveaus an unterschiedliche Teile des Zielgebietes zu liefern.
Das Gerät gemäß Anspruch 9, wobei die Leistungsabgabe des in Zonen eingeteilten Heizstrahlers entlang des Umfangs des in Zonen eingeteilten Heizstrahlers variiert werden kann.
Das Gerät gemäß Anspruch 10, wobei die Leistungsabgabe des in Zonen eingeteilten Heizstrahlers in radialer Richtung, vom Zentrum des Zielgebietes aus, variiert werden kann.
Ein Gerät zum Erzeugen von Teilen aus einem Pulver, wobei das Gerät aufweist: (a) Eine Kammer mit einem Zielgebiet an dem ein additiver Prozess durchgeführt wird; (b) Mittel zum Ablagern und Ausgleichen einer Pulverlage an dem Zielgebiet; (c) Ein Energiestrahl zum Verschmelzen ausgewählter Bereiche einer Pulverlage an dem Zielgebiet; (d) Maschinensichtsystem zum Messen von Temperaturen über die X-Y-Koordinaten des Zielgebietes; (e) Steuermittel zum Einstellen der Scanngeschwindigkeit des Energiestrahls und der Leistung des Energiestrahls in Antwort auf die gemessenen Temperaturen und auf gewünschte Temperaturen, die mittels mathematischer Modelle geschätzt wurden.
Das Gerät gemäß Anspruch 12, wobei das Maschinensichtsystem eine Infrarotkamera ist.