DE102004061836C5

DE102004061836C5 - Schichtweiser Aufbau von Festkörpern durch zweistufigen Materialtransport über eine rotierende Scheibe

Info

Publication number: DE102004061836C5
Application number: DE102004061836A
Authority: DE
Inventors: Gangolf Jobb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: DE102004061836B4; WO2006066939A1; DE102004061836A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Festkörpers, umfassend:
Bereitstellen eines Vorrats an Rohmaterial,
Bereitstellen eines in einer Ebene sich erstreckenden und gleichmäßig sich in der Ebene bewegenden Transportkörpers,
Richten eines Laserstrahls auf einen auswählbaren Ort des Vorrats, um dort Rohmaterial von dem Materialvorrat auf den sich gleichmäßig bewegenden Transportkörper zu übertragen,
Bewegen des Transportkörpers in der Ebene, bis das auf den Transportkörper übertragene Material an einen Bestimmungsort gelangt,
Übertragen des auf den Transportkörper übertragenen Materials an dem Bestimmungsort von dem sich gleichmäßig bewegenden Transportkörper auf den Festkörper.

Description

Stand der Technik
Es sind mehrere Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Festkörpern bekannt. Mit ihnen werden auf der Basis von Geometriedaten greifbare Objekte generiert. Sie dienen der schnellen und preiswerten Herstellung von Prototypen (rapid prototyping), Werkzeugen (rapid tooling) und sogar Werkstücken in Produktionsqualität (rapid manufacturing). Schichtweiser Aufbau ist für kleine Serien und komplexe Geometrien oft der beste Herstellungsprozess (layered manufacturing). Der Hauptnachteil der schichtweisen Herstellungsverfahren ist die bislang geringe Materialvielfalt und die damit verbundenen begrenzten Materialeigenschaften.
Das derzeit wichtigste Verfahren ist die Stereolithographie. Sie erzeugt dreidimensionale Modelle aus photosensitiven Polymeren, die bei Belichtung mit ultraviolettem Licht aushärten. Ein UV-Laser zeichnet die Schnittformen des Modells auf die Oberfläche des flüssigen Kunststoffs. Nach dem Aushärten wird jedes Mal das Modell um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schnittform gezeichnet. Schließlich wird das feste Modell aus dem Bad genommen und gereinigt.
Ähnlich ist das selektive Laser-Sintern (selective laser sintering). Anstelle flüssigen Kunststoffs verwendet man hier pulverförmige Substanzen, deren Partikel unter dem Einfluss des Laserstrahls miteinander verkleben. Neben Kunststoffen wie Nylon kommen auch Metallpulver zum Einsatz.
Es gibt Laminier-Verfahren, welche das Modell aus übereinander geklebten Folien nachbilden. Die Folien bestehen zumeist aus Kunststoff oder Papier und sind einseitig mit einem durch Wärme aktivierbaren Klebstoff beschichtet.
Beim Fused Deposition Modeling wird mittels einer Extrusionsvorrichtung ein dickflüssiger, geschmolzener Kunststoff auf das Modell aufgetragen, wo er wieder erstarrt. Das Rohmaterial wird in Form eines Drahtes zugeführt. Verwandt ist der 3D-Tintenstrahl-Druck. Hier wird anstelle der Tinte geschmolzener Kunststoff auf das Modell gespritzt.
Aus DE 100 45 065 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer superleitfähigen Schicht bekannt, bei welchem von einem Materialvorrat durch Laserstrahlung Material herausgelöst und direkt auf einem Festkörper abgeschieden wird.
Erfindung
Ziel der Erfindung ist die vereinfachte Herstellung von Objekten mit komplizierter Geometrie und innerer Struktur, bestehend aus einer großen Bandbreite von Materialien und deren Mischungen.
Das Herstellen einer Materialschicht unterteilt sich immer in zwei Arbeitsschritte, die meist nacheinander ausgeführt werden: Zuerst wird Rohmaterial aus einem Vorratsbehälter an die Aufbaustelle des Werkstücks transportiert, anschließend wird das heran gebrachte Material mit dem Werkstück verbunden. Der Transport erweist sich dabei als das schwierigere Problem. Material muss mit hoher Präzision und gleichzeitig schnell in dünnen Schichten aufgetragen werden. Dadurch darf die nachfolgende, selektive Verfestigung der Schicht nicht behindert werden.
Die Geschwindigkeit des Materialtransports ist oft dadurch begrenzt, dass das Material unter Einwirkung der Schwerkraft in seine endgültige Position fließen oder fallen muss. Dies trifft zu bei der Stereolithographie und beim der selektiven Laser-Sintern. In anderen Fällen müssen zähe Flüssigkeiten durch enge Röhren fließen wie beim Fused Deposition Modeling oder beim 3D-Tintenstrahl-Druck. Oft müssen auch relativ schwere Teile beschleunigt und wieder abgebremst werden, die dabei auftretenden Erschütterungen dürfen den Aufbauprozess nicht beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird ein schneller und gleichzeitig präziser Materialtransport dadurch erreicht, dass dieser auf einer gleichmäßig rotierenden Scheibe erfolgt. Die Übertragung von Material erfolgt in zwei Stufen durch geeignete physikalische oder chemische Prozesse. In der ersten Stufe wird Rohmaterial aus dem Vorrat abgetragen und auf die Scheibe gebracht. Mit dieser bewegt er sich an seinen Bestimmungsort. Dort angekommen, gelangt das Material schließlich in einem zweiten Übertragungsprozess von der Transportscheibe auf das Werkstück. Beide Übertragungsprozesse können parallel ablaufen, so dass durch die Aufteilung kein Zeitverlust entsteht.
Die Bearbeitungsebene des Werkstücks, also dort wo die aktuelle Schicht entsteht, liegt dicht unter der Transportscheibe. Der Übertragungsweg ist sehr kurz. Das selbe gilt für die Abtragungsebene des Materialvorrats, der im Zuge des Verfahrens Schicht für Schicht abgebaut wird. Werkstück wie Materialvorrat werden durch Positioniervorrichtungen nachgeführt. Abtrageort und Auftrageort eines Materialteilchens haben von der Rotationsachse den selben Abstand, liegen also auf der selben Spur.
Wesentlich ist, dass sich der Materialtransport praktisch in einer Ebene abspielt, für jedes einzelne Stoffteilchen sogar innerhalb der selben Spur. Die Bahn eines Teilchens ist damit durch dessen Verweildauer auf der Transportscheibe bestimmt, was sich technisch sehr leicht und präzise steuern lässt.
1 zeigt schematisch ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Stoffübertragung durch Laserstrahlen erfolgt. Die Drehscheibe besteht aus Glas und ist für Laserstrahlen durchlässig.
Ein abtragender Laserstrahl kann rechnergesteuert und durch die Glasscheibe hindurch jeden Oberflächenpunkt des Materialvorrats erreichen und beispielsweise verdampfen. Der Materialdampf kondensiert an der kalten Drehscheibe und gelangt mit dieser als dünner Film zum Werkstück. Über der Auftragungsstelle wird der Film durch einen weiteren Laserstrahl verdampft und kondensiert diesmal auf dem Werkstück. Die Stoffübertragung erfolgt entweder im Vakuum oder unter Schutzgas.
Das Verfahren erlaubt die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Materialien und sogar deren Mischung. Dabei sitzt jeder Materialvorrat auf einer eigenen Positioniervorrichtung. Die Art der verwendbaren Materialien ist wenig eingeschränkt. Durch Mischen lässt sich eine große Bandbreite von Materialeigenschaften erzielen. Es können dicht nebeneinander unterschiedlichste Legierungen hergestellt werden, und Objekte mit innerer Struktur. Ebenso sind Stützstrukturen aus leicht entfernbaren Materialien möglich.
Neben der Verdampfung sind auch andere durch Laser vermittelte Übertragungsprozesse denkbar. Material könnte erst oberflächlich aufgeschmolzen und anschließend durch einen kurzen Laserpuls verspritzt werden. Die Tröpfchen würden an der Glasplatte haftend erstarren. An der Auftragungsstelle könnte man die Tröpfchen wieder schmelzen. Durch kurzes, oberflächliches Verdampfen würden die Reste der Tröpfchen durch den dabei entstehenden Rückstoß in Richtung des Werkstücks beschleunigt. Die Entwicklung effizienter Übertragungstechniken ist im wesentlichen eine Frage der Laserprogrammierung.
Zur Regulierung des Schichtaufbaus muss laufend dessen Fortschritt gemessen werden. Durch die Glasplatte hindurch könnte man dazu interferomerisch und punktweise den Abstand zwischen der Glasplatte und dem Werkstück bestimmen.
Neben der Stoffübertragung können die Laser auch zur subtraktiven und hochgenauen Nachbearbeitung der aufgetragenen Schicht eingesetzt werden, die ebenfalls durch die Glasplatte hindurch erfolgt. Außerdem ermöglichen die Laser das Reinigen der Transportscheibe von Materialresten.
2 illustriert eine elektrochemische Variante des Verfahrens. Die Stoffübertragung erfolgt hier galvanisch und beschränkt sich auf bestimmte Metalle. Dazu sind einzeln ansteuerbare Transportelektroden in eine rotierende Isolatorscheibe eingelassen. Bei Anlegen einer Spannung zwischen der Vorratselektrode und einer Transportelektrode wandern Metallionen durch einen dünnen Elektrolytfilm auf die Drehscheibe und entladen sich dort. Als feine Metallschicht gelangen sie mit dieser zum Werkstück. Nach Anlegen einer umgekehrten Spannung zwischen Transportelektrode und Werkstück durchwandert das Material erneut den Elektrolyten und scheidet sich schließlich auf dem Werkstück ab.
Die Transportelektroden können sehr kleine Durchmesser haben und entsprechend feine Strukturen herstellen. Das Erreichen beliebiger Oberflächenpunkte von Werkstück und Rohmaterial wird durch radiale Beweglichkeit der Positioniervorrichtungen erleichtert. Die zur Regelung des Schichtaufbaus benötigte Abstandsinformation zwischen Drehscheibe und Werkstück kann aus den elektrischen Widerständen zwischen Transportelektroden und Werkstück ermittelt werden.
Galvanischer Stofftransport gelingt üblicherweise nur mit einer einzelnen Metallsorte. Befinden sich verschiedene Metallionen in einer Lösung, so werden diese entsprechend ihres Abscheidungspotentials nacheinander entladen. Ein Wechsel der Metallsorte hätte erst dann einen Effekt, wenn dem Elektrolyten zuvor alle leichter abscheidbaren Ionen entzogen würden. Bei der hier vorliegenden, sehr dünnen Elektrolytschicht würde diese allerdings schon nach kürzester Zeit lokal an Restionen verarmen, so dass auch in diesem Fall eine Mischung von Materialien erreicht werden könnte.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Festkörpers, umfassend: Bereitstellen eines Vorrats an Rohmaterial, Bereitstellen eines in einer Ebene sich erstreckenden und gleichmäßig sich in der Ebene bewegenden Transportkörpers, Richten eines Laserstrahls auf einen auswählbaren Ort des Vorrats, um dort Rohmaterial von dem Materialvorrat auf den sich gleichmäßig bewegenden Transportkörper zu übertragen, Bewegen des Transportkörpers in der Ebene, bis das auf den Transportkörper übertragene Material an einen Bestimmungsort gelangt, Übertragen des auf den Transportkörper übertragenen Materials an dem Bestimmungsort von dem sich gleichmäßig bewegenden Transportkörper auf den Festkörper.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übertragen des Materials von dem Transportkörper auf den Festkörper mit Hilfe von Laserstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transportkörper eine rotierende Scheibe, ein Band und einen Draht umfasst.
Vorrichtung zum Herstellen eines Festkörpers, umfassend: eine Halterung für einen Rohmaterialvorrat, eine Halterung für den herzustellenden Festkörper, einen sich in einer Ebene erstreckenden Transportkörper, einen Antrieb für den Transportkörper, um diesen gleichmäßig in der Ebene zu bewegen und um diesen in der Ebene von einem dem Rohmaterialvorrat gegenüberliegenden Ort zu einem dem herzustellenden Festkörper gegenüberliegenden Bestimmungsort zu transportieren, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, mit einem auf einen auswählbaren Ort des Materialvorrats richtbaren Laser Rohmaterial an einen dem auswählbaren Ort des Rohmaterialvorrat gegenüberliegenden Ort des sich gleichmäßig bewegenden Transportkörpers zu übertragen, und das auf den sich weiterhin gleichmäßig bewegenden Transportkörper übertragene Material an dem Bestimmungsort auf den Festkörper zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Übertragen des Materials von dem Transportkörper auf den Festkörper mit Hilfe von Laserstrahlen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Transportkörper eine rotierende Scheibe, ein Band und einen Draht umfasst.