DE102005048314B4 - Vorrichtung zum selektiven Lasersintern - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen mit
– wenigstens einem Laser zur Beeinflussung des zu sinternden Bereiches der aufgebrachten Schicht mit Pulslängen kleiner 10 ns, wobei Partikel erwärmt werden und Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten,
– wenigstens einem Laser zum Sintern mit Pulslängen von 10 ns bis einschließlich 100000 ns und einer Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm zur Erhöhung der Auflösung sowie zur Verringerung des Glasanteils der gesinterten Keramik, wobei die auf die Schicht auftreffenden Laserstrahlen des Lasers zum Sintern für eine Erwärmung der gesamten Schichtdicke durch Wärmeleitung sowie Streuung einen Fokus kleiner als die dreifache Schichtdicke aufweisen,
– einer Anordnung der Laser und der Führungen der Laserstrahlen, so dass die Laserstrahlen der Laser in einem gemeinsamen Strahlfleck auf die Schicht...

Description

  • Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung von Körpern durch Lasersintern ist unter anderem durch die Druckschrift DE 103 20 085 A1 (Verfahren zum Herstellen von Produkten durch Freiform-Lasersintern oder -schmelzen) bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren zum Herstellen metallischer oder nichtmetallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern bzw. -schmelzen. Dabei wird in Abhängigkeit des Vorganges dessen Gasathmosphäre automatisch geändert. Die Energiedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite als Randbedingungen müssen zur Änderung erfasst werden. Das ist insbesondere bei schnellen Herstellungstechnologien und/oder Produkten mit geringen Abmessungen nicht einfach zu realisieren.
  • Durch die Druckschrift DE 695 11 881 T2 (Verfahren zur Herstellung massgenauer Formkörper durch Lasersintern) ist ein Verfahren zum Lasersintern bekannt, wobei das Lasersintern in einer Gasathmosphäre ausgeführt wird. Diese beinhaltet mindestens ein Metall der Eisengruppe, welches abgeschieden und zu einem gegebenen Zeitpunkt gesintert wird. Dadurch wird ein Körper, der maßgenau und weitestgehend porenfrei sein soll, nur aus einer Metalllegierung bestehend erhalten.
  • Die Druckschrift DE 699 11 178 T2 (Verfahren zur schnellen Herstellung eines Prototypes durch Lasersinterung und Vorrichtung dafür) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei Pulver oder Pulvergemisch in einer Hochtemperaturzelle auf deren Sintertemperatur erhitzt und die Schicht auf dieser Temperatur gehalten wird. Danach werden Schichtbereiche durch das Einwirken von Laserstrahlen gesintert. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 300°C bis 900°C, wobei diese Temperatur gehalten wird. Die Dichte der Schicht kann mechanisch vorverdichtet werden. Ein mechanisches Verdichten sehr kleiner Partikel mit einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm ist kaum möglich.
  • In der Druckschrift DE 195 16 972 C1 (Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes mittels Lasersintern) wird eine Vorrichtung zum Lasersintern eines keramischen Materials beschrieben. Die Druckschrift DE 102 36 697 A1 (Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels Sintern) offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Lasersintern von Schichten eines pulverförmigen Materials, wobei das Material auf eine Arbeitstemperatur unterhalb der Sintertemperatur vorerwärmt und anschließend gesintert wird. Bei den Pulvern kann es sich um Keramikpulver handeln. In der Druckschrift DD 231 522 A1 (Verfahren zur laserinduzierten Modifizierung von Keramikwerkstoffen) wird ein Verfahren zur laserinduzierten Modifizierung von Keramikwerkstoffen, worunter auch Sintern zu verstehen ist, beschrieben. Bei diesem wird der zu modifizierende Oberflächenbereich durch die Einwirkung eines ersten Laserstrahls auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahls auf eine zweite Temperatur erhitzt. Die Korngröße der bei diesen Druckschriften zu sinternden Pulver ist nicht begrenzt.
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selektiv eine auf einen Gegenstand aufgebrachte Schicht zu sintern.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die Vorrichtungen zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass mit der Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge, für die das Pulver teiltransparent ist, eine dicke aufgebrachte keramische Schicht gesintert werden kann. Dazu wird wenigstens der zu beaufschlagende und damit zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht so beeinflusst, dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer normalen Bewegungsenergie in Form der Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. Die dadurch eingebrachte Energie ist Voraussetzung zur hinreichenden Absorption des für die Laserstrahlung teiltransparenten Pulvers. Sie bewirkt eine Verkleinerung der Bandlücke des dielektrischen Materials, wodurch auch Photonen mit niedriger Energie absorbiert werden können.
  • Zum Sintern wird dieser Bereich mit Laserstrahlen eines Lasers mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 μm (NIR-Strahlung-Nahe InfraRot-Strahlung) bestrahlt, wobei die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht zum Beispiel gleich dem Fokusdurchmesser des Lasers ist. Die Temperatur und/oder der Aktivierungs-/Anregungszustand der beeinflussten Schicht ist ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen, so dass eine einfache und optimale Steuerung des Verfahrens erfolgen kann.
  • Durch die Verwendung von Laserstrahlen mit einer Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm kann ein kleiner Fokus erzielt werden. Die Verwendung dieser Wellenlängen führt ebenfalls dazu, dass die Laserstrahlen tiefer in die Schicht des aufgebrachten Pulvers eindringen können, da das Pulver teiltransparent für diese Laserwellenlängen ist. Über die Temperatur und/oder den Aktivierungs-/Anregungszustand der vorbehandelten Schicht als Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen kann damit diese vorteilhafterweise über eine Steuerung so eingestellt werden, dass in der aufgebrachten Schicht die Laserstrahlen zum überwiegenden Anteil absorbiert werden. Weiterhin ist vorteilhafterweise ein gutes Aspektverhältnis des gesinterten Bereiches erzielbar.
  • Üblicherweise sollte der Fokus beim selektiven Lasersintern mindestens drei mal größer als die Schichtdicke sein, um eine Erwärmung der gesamten Schichtdicke durch Wärmeleitung und Streuung zu erreichen. Mit dem Einsatz von für die Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm teiltransparenter Keramikschicht kann auch zum Beispiel ein Verhältnis von eins zu eins erreicht werden, da die Strahlung tiefer in das Pulverbett eindringen kann. Das führt dazu, dass bedingt durch die relativ dickeren Schichten bei gleicher Auflösung eine schnellere Generierung der Körper realisierbar ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.
  • Günstige Laser sind nach den Weiterbildungen der Patentansprüche 2 und 3 ein Nd:YAG-Laser mit einem Fokusdurchmesser von 30 μm als erster Laser und ein kurzgepulster Laser mit einer Pulszeit kleiner 10 ps und einem Fokusdurchmesser von 20 μm oder ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung und einem Fokusdurchmesser von 20 μm als zweiter Laser.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/ gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen besteht im Wesentlichen aus einem Träger für den Gegenstand, einem Vorratsbehälter für das keramische Pulver, einer Transportvorrichtung für das keramische Pulver vom Vorratsbehälter zum Gegenstand, einem ersten Laser zum Sintern, einem zweiten Laser zur Beeinflussung, so dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungsenergie erhalten, jeweils einschließlich die Laserstrahlen führenden Einrichtungen und einer Steuerung. Im Falle der Realisierung eines Gegenstandes ist die erste Schicht des Gegenstandes der Träger.
  • Die Transportvorrichtung ist vorteilhafterweise eine Rakel, so dass keramische Partikel schichtweise auf den Gegenstand transportiert werden können. Die Partikel sind ein Pulvergemisch aus Al2O3/SiO2 im Volumenverhältnis von 65:35 mit einer Pulverkorngröße kleiner 10 μm. Die auf den Gegenstand aufgebrachte Schichtdicke beträgt 30 μm.
  • Die die Laserstrahlen führenden Einrichtungen sind so angeordnet, dass die Laserstrahlen der Laser auf die aufgebrachte Schicht des keramischen Pulvers gelangen. Vorteilhafterweise sind das schwenkbare und/oder bewegbare Spiegel über dem Gegenstand, so dass die gesamte Oberfläche des Gegenstandes mit den Laserstrahlen der Laser beaufschlagt werden kann.
  • Der zu sinternde Bereich der aufgebrachten Schicht wird mit den Laserstrahlen des zweiten Lasers so beeinflusst, dass Partikel erwärmt werden und/oder Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten. Dadurch erfolgt ein Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren, so dass eine bessere Absorption der Laserstrahlen des ersten Lasers als NIR (Nahes InfraRot)-Strahlung zum Sintern erfolgt. Das Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren erfolgt über den zweiten Laser im cw- oder gepulsten Betrieb.
  • Für den zweiten Laser wird vorteilhafterweise
    • – ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung mit einer Pulsdauer von 30 ns und einer Frequenz von 30 kHz mit einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 2 W oder
    • – ein Pikosekunden (ps)-Laser mit einer Pulsdauer von kleiner/gleich 10 ps und einer Frequenz von 30 kHz bei einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 1 W oder
    • – ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung im cw-Betrieb mit einem Fokusdurchmesser von 20 μm und einer Leistung von 5 W
    eingesetzt.
  • Der durch den zweiten Laser beeinflusste Bereich der aufgebrachten Schicht wird zum Sintern mit Laserstrahlen des ersten Lasers mit einer Wellenlänge kleiner 2,5 μm bestrahlt, wobei die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht ungefähr gleich dem Fokusdurchmesser des ersten Lasers ist. Der erste Laser ist vorteilhafterweise ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser mit einer Pulsdauer von 150 ns, einer Frequenz von 30 kHz, einer Leistung von 30 W und einem Fokusdurchmesser von 30 μm.
  • Die Pulse des zweiten Lasers zum Vorheizen und/oder Anregen und/oder Aktivieren sind zu den Pulsen des ersten Lasers zum Sintern über die Steuerung durch eine Zeitverzögerung phasenmäßig anpassbar. Durch die Phasenverschiebung wird die Absorption der NIR-Strahlung des ersten Lasers gesteuert.
  • Die Temperatur und/oder Aktivierungs-/Anregungszustand der beeinflussten Schicht ist ein Maß für die Eindringtiefe der Laserstrahlen zum Sintern. Diese wird so eingestellt, dass in der aufgebrachten Schicht die Laserstrahlen zum Sintern nahezu vollständig absorbiert werden.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zum selektiven Lasersintern einer auf einem Gegenstand aufgebrachten Schicht eines keramischen Pulvers aus Partikeln einer Korngröße kleiner/gleich 10 μm mit über die aufgebrachte Schicht geführten Laserstrahlen mit – wenigstens einem Laser zur Beeinflussung des zu sinternden Bereiches der aufgebrachten Schicht mit Pulslängen kleiner 10 ns, wobei Partikel erwärmt werden und Teilchen in den Partikeln zusätzlich zu ihrer Schwingungsenergie eine Aktivierungs-/Anregungsenergie erhalten, – wenigstens einem Laser zum Sintern mit Pulslängen von 10 ns bis einschließlich 100000 ns und einer Wellenlänge kleiner/gleich 2,5 μm zur Erhöhung der Auflösung sowie zur Verringerung des Glasanteils der gesinterten Keramik, wobei die auf die Schicht auftreffenden Laserstrahlen des Lasers zum Sintern für eine Erwärmung der gesamten Schichtdicke durch Wärmeleitung sowie Streuung einen Fokus kleiner als die dreifache Schichtdicke aufweisen, – einer Anordnung der Laser und der Führungen der Laserstrahlen, so dass die Laserstrahlen der Laser in einem gemeinsamen Strahlfleck auf die Schicht gelangen, und – einer Verbindung der Laser mit einer Steuerung, so dass eine Phasenverschiebung zwischen den Pulsen des ersten Laserstrahles und des zweiten Laserstrahles einstellbar ist, wobei die Pulse zum Vorheizen, Aktivieren oder Anregen zeitlich versetzt zu den gepulsten Laserstrahlen zum Sintern sind und über die Größe des Versatzes die Eindringtiefe der Laserstrahlung zum Sintern gesteuert wird.
  2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser zum Sintern ein Nd:YAG-Laser mit einem Fokusdurchmesser von 30 μm ist.
  3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser zur Beeinflussung des zu sinternden Bereiches der aufgebrachten Schicht ein kurzgepulster Laser mit einer Pulszeit kleiner 10 ps und einem Fokusdurchmesser von 20 μm ist.
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