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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, die aus integral aufgebauten,
gesinterten Schichten bestehen.
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Zur
Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, die aus integral aufgebauten,
gesinterten Schichten bestehen, beschreiben die japanischen Offenlegungsschriften
Nr. 2002-115004 und 2003-159755 ein Rapid Prototyping-Verfahren
(Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen), das die Schritte
umfasst: Bilden einer Pulverschicht aus einem anorganischen oder
organischen Material auf einem Sintertisch; Sintern eines vorgegebenen
Abschnitts der Pulverschicht durch Bestrahlen mit einem Lichtstrahl
zur Bildung einer gesinterten Schicht; Bedecken der gesinterten
Schicht mit einer neuen Pulverschicht und Wiederholen der vorstehend
genannten Schritte zur Bildung einer Mehrzahl von miteinander vereinigten
gesinterten Schichten.
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen Rapid Prototyping-Verfahren, bei dem eine Pulverschicht
gebildet und dann ein Lichtstrahl auf einen vorgegebenen Abschnitt
der Pulverschicht gestrahlt wird, haftet aufgrund der Wärme, die
von deren Umfang übertragen
worden ist, nicht benötigtes
Pulver an den gesinterten und gehärteten Abschnitten. In diesem
Fall bildet das anhaftende Pulver eine Oberflächenschicht mit niedriger Dichte,
so dass der resultierende dreidimensionale Gegenstand gegebenenfalls
keine glatte und präzise äußere Oberfläche aufweisen
kann.
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Diesbezüglich beschreibt
die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-159755 ein Verfahren,
das einen Schritt des Entfernens der Oberflächenschicht mit niedriger Dichte
mit einem Schneidwerkzeug oder dergleichen jedes Mal dann, wenn
ein vorgegebener Abschnitt der Pulverschicht durch Bestrahlen mit
einem Lichtstrahl zur Bildung einer weiteren gesinterten Schicht
gesintert wird, umfasst. Gemäß diesem
Verfahren ist es jedoch erforderlich, die Oberflächenschicht jedes Mal, wenn
eine gesinterte Schicht gebildet wird, zu entfernen. Dies erfordert
verglichen mit einem Verfahren ohne einen solchen Entfernungsschritt
eine zusätzliche Verarbeitungszeit
und verursacht Kosten für
den Entfernungsschrit.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands
mit einer glatten äußeren Oberfläche ohne
jedwede zusätzliche
Schritte des Entfernens einer Oberflächenschicht jedes Mal, wenn
eine gesinterte Schicht gebildet wird, bereitzustellen, so dass
ein dreidimensionaler Gegenstand hergestellt wird, der aus integral
aufgebauten, gesinterten Schichten besteht.
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Gemäß eines
Aspekts der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zur Herstellung
eines dreidimensionalen Gegenstands, der aus einer Mehrzahl von
integral aufgebauten, gesinterten Schichten besteht, die Schritte
umfassen: (i) Zuführen
von Pulverteilchen auf eine sich bewegende Fläche, während die Pulverteilchen mit
Wärme,
die von einer Wärmequelle
mit hoher Energiedichte abgestrahlt wird, erhitzt werden, so dass
eine gesinterte Schicht gebildet wird, und (ii) Zuführen von
Pulverteilchen auf eine sich bewegende Fläche auf der gesinterten Schicht,
während
die Pulverteilchen mit Wärme,
die von der Wärmequelle
mit hoher Energiedichte abgestrahlt wird, erhitzt werden, so dass
auf der vorher gesinterten Schicht integral eine weitere gesinterte
Schicht gebildet wird, wobei der Schritt (ii) mit einer vorgegebenen
Anzahl wiederholt wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung eines
dreidimensionalen Gegenstands mit einer komplexen und präzisen Form
in einer kurzen Zeit und mit gesenkten Kosten. Der mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellte dreidimensionale Gegenstand
kann z.B. auf ein Formwerkzeug für
den Spritzguss mit einer komplexen inneren Struktur oder auf ein
Bauteil oder dessen Prototyp mit einer komplexen dreidimensionalen
Form angewandt werden.
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Das
Verfahren kann die weiteren Merkmale umfassen, dass die Pulverteilchen
derart auf die sich bewegende Fläche
zugeführt
werden, dass der Oberflächenbereich
des dreidimensionalen Gegenstands eine höhere Dichte aufweist als dessen
innerer Bereich, dass die Pulverteilchen zur Bildung des inneren
Bereichs des dreidimensionalen Gegenstands einen größeren Teilchendurchmesser
aufweisen als die Pulverteilchen zur Bildung von dessen Oberflächenbereich,
dass die Pulverteilchen zur Bildung des inneren Bereichs des dreidimensionalen
Gegenstands durch Granulieren der Pulverteilchen zur Bildung von
dessen Oberflächenbereich
erhalten werden, dass die Pulverteilchen zur Bildung des inneren
Bereichs des dreidimensionalen Gegenstands Metallteilchen sind,
während
die Pulverteilchen zur Bildung von dessen Oberflächenbereich Metallteilchen
sind, die mit einem organischen Bindemittel gemischt sind, dass
die Zuführungsgeschwindigkeit
für die
Pulverteilchen zur Bildung des inneren Bereichs des dreidimensionalen
Gegenstands größer ist
als die Zuführungsgeschwindigkeit
für die
Pulverteilchen zur Bildung von dessen Oberflächenbereich, dass die Wärmequelle
mit hoher Energiedichte ein Laser ist, dass die Zuführungsgeschwindigkeit
der Pulverteilchen einstellbar ist, und dass die Pulverteilchen
aus einer Gruppe von zwei oder mehr verschiedenen Arten von Pulverteilchen auswählbar sind.
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Der
Begriff „Pulverteilchen" bezieht sich hier
auf Pulvermaterialien oder -teilchen, die durch Erhitzen gesintert
werden. Der Begriff „Sintern" bezieht sich darauf,
dass mindestens ein Teil von Pulverteilchen durch Erhitzen derart
erweichen oder schmelzen gelassen wird, dass sie integral an den
umgebenden Pulverteilchen auf dem erweichten oder geschmolzenen
Teil haften. „Sintern" kann entweder Flüssigphasensintern
sein, bei dem ein Teil der Pulverteilchen schmelzen gelassen wird,
so dass sie integral an den umgebenden Pulverteilchen haften, oder
Festphasensintern, bei dem Pulverteilchen durch In-Kontakt-Bringen
der Pulverteilchen ohne Schmelzen integral anhaften gelassen werden.
Vorzugsweise können
die Pulverteilchen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, durch ein Festphasensintern integral aneinander haften,
was es ermöglicht,
dass ein dreidimensionaler Gegenstand, der gebildet werden soll,
eine glattere äußere Oberfläche und
eine präzisere
Form aufweist als durch ein Flüssigphasensintern.
Das Festphasensintern ermöglicht
auch die Bildung eines dreidimensionalen Gegenstands in einer kürzeren Zeit,
da es ein weniger starkes Erhitzen erfordert.
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Die „Pulverteilchen", die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, können
unter anderem Metallpulverteilchen aus Stahl oder Edelstahl, wie
z.B. SUS420 oder SUS410L, und Keramikpulverteilchen umfassen. Es
ist auch möglich,
ein Gemisch aus den vorstehend genannten Pulverteilchen zu verwenden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung solcher Pulverteilchen kann unter anderem
ein Zerstäubungsverfahren und
ein mechanisches Verfahren, wie z.B. Zerkleinern, Pulverisieren
und Mahlen umfassen. Vorzugsweise können Pulverteilchen, die in
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, so hergestellt werden,
dass sie kugelförmig
und bezüglich
der Teilchendurchmesserverteilung so einheitlich wie möglich sind.
Beispielsweise sind in der vorliegenden Erfindung Pulverteilchen
bevorzugt, die mit einem Zerstäubungsverfahren
zu feinen kugelförmigen
Teilchen pulverisiert werden. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser
kann unter anderem einen Bereich von im Allgemeinen zwischen 1 μm und 100 μm und vorzugsweise
zwischen 10 μm
und 50 μm umfassen.
Es sollte beachtet werden, dass sich der „durchschnittliche Teilchendurchmesser" auf einen repräsentativen
Teilchendurchmesser bezieht, der einem Siebrückstands-Gewichtsprozentsatz
von 50 % entspricht, der aus einer Kurve des Siebrückstands-Gewichtsprozentsatzes
gegen den Teilchendurchmesser abgeschätzt wird.
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Die „Wärmequelle
mit hoher Energiedichte",
die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf
eine Wärmequelle
zum lokalen Erhitzen einer Fläche
mit zugeführtem
Pulver. Beispielsweise kann als Wärmequelle mit hoher Energiedichte
ein Plasma-übertragener
Lichtbogen, ein nicht-übertragener
Plasmalichtbogen, ein Laser oder eine Mischung aus diesen Wärmequellen
mit hoher Energiedichte verwendet werden. Insbesondere kann der
Laser einen Kohlendioxidlaser und einen YAG-Laser umfassen. Eine
solche Wärmequelle
kann gemäß Faktoren,
wie z.B. der Art, dem Volumen und den Teilchendurchmessern der Pulverteilchen
sowie den Genauigkeitsanforderungen zur Bildung der Oberfläche des
dreidimensionalen Gegen stands zweckmäßig ausgewählt werden. Unter Verwendung
einer solchen Wärmequelle
zum lokalen Erhitzen können die
gewünschten
Pulverteilchen, die auf eine vorgegebene Fläche zugeführt werden, intensiv erhitzt
und gesintert werden. Es ist auch möglich, verschiedene Defekte,
wie z.B. eine geringere Bildungsgenauigkeit und Abscheidung der
Pulverteilchen auf den Oberflächenabschnitten
zu verhindern, die ansonsten durch Wärme verursacht werden, die
auf Flächen übertragen
wird, die von der gewünschten
Sinterfläche
verschieden sind.
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Insbesondere
kann die Wärmequelle
mit hoher Energiedichte Pulverteilchen, die auf eine vorgegebene
Fläche
zugeführt
werden, entweder gleichzeitig mit oder nach der Zuführung der
Pulverteilchen erhitzen. Folglich ist es möglich, die gewünschten
Pulverteilchen, die auf eine vorgegebene Fläche zugeführt worden sind, intensiv zu
erhitzen, was dazu führt,
dass eine Übertragung
von Wärme
auf einen Abschnitt, der den zu sinternden und zu härtenden
Zielabschnitt umgibt, verhindert wird. Da ferner keine zusätzlichen
Pulverteilchen vorliegen, die den zu sinternden und zu härtenden
Zielabschnitt umgeben, ist es möglich,
unnötige
Pulverteilchenabscheidungen, die durch übertragene Wärme verursacht
werden, auf dem zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstand zu verhindern.
Als Folge davon kann ein dreidimensionaler Gegenstand mit einer
glatten und präzisen äußeren Oberfläche hergestellt
werden, ohne dass die Oberflächenschicht
mit niedriger Dichte durch ein Schneidwerkzeug oder dergleichen
jedes Mal, wenn eine gesinterte Schicht gebildet wird, entfernt wird.
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Gemäß eines
anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands, der aus einer
Mehrzahl von integral aufgebauten, gesinterten Schichten besteht,
bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfassen kann: eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zum Zuführen
von Pulverteilchen mit einer einstellbaren Zuführungsgeschwindigkeit, eine
Wärmequelle
mit hoher Energiedichte zum Erhitzen der Pulverteilchen, die von
der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zugeführt
worden sind, und eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen einer Fläche, auf
die Pulverteilchen von der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung zugeführt werden.
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Zusätzliche
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind
nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen
mit den Ansprüchen
und den beigefügten
Zeichnungen offensichtlich, wobei
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1 eine
schematische Ansicht ist, die eine repräsentative Ausführungsform
eines Verfahrens zur Bildung einer gesinterten Schicht zeigt,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen dreidimensionalen Gegenstands
ist, der auf einem Arbeitstisch ausgebildet ist, und
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3 eine
Querschnittsansicht des dreidimensionalen Gegenstands entlang der
Linie III-III ist, die in der 2 gezeigt
ist.
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Jedes
der zusätzlichen
Merkmale und jede der zusätzlichen
Lehren, die vorstehend und nachstehend beschrieben sind, können separat
oder im Zusammenhang mit anderen Merkmalen und Lehren verwendet werden,
um ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur
Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands bereitzustellen.
Repräsentative
Beispiele der vorliegenden Erfindung, wobei die Beispiele viele
dieser zusätzlichen
Merkmale und Lehren sowohl separat als auch im Zusammenhang miteinander
nutzen, werden nachstehend detailliert beschrieben. Diese detaillierte
Beschreibung soll einem Fachmann lediglich weitere Details zur praktischen
Durchführung
bevorzugter Aspekte der vorliegenden Lehren nahebringen und den
Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Nur
die Ansprüche
definieren den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung. Daher
können
Kombinationen von Merkmalen und Schritten, die in der folgenden
detaillierten Beschreibung beschrieben sind, nicht erforderlich
sein, um die Erfindung im weitesten Sinn durchzuführen, und
werden stattdessen lediglich zur speziellen Beschreibung repräsentativer
Beispiele der Erfindung gelehrt. Darüber hinaus können verschiedene
Merkmale der repräsentativen
Beispiele und der abhängigen
Ansprüche
in Ausführungsformen
kombiniert werden, die nicht speziell aufgezählt sind, um zusätzliche
nützliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
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Wie
es in der 1 gezeigt ist, werden die Pulverteilchen 10 erhitzt
und zu gesinterten Schichten 16 und 18 gesintert.
Es sollte beachtet werden, dass die Grenzlinien zwischen den gesinterten
Schichten 16 und 18 in der 1 für eine einfache
Erläuterung
gezeigt sind, obwohl die gesinterten Schichten 16 und 18 tatsächlich integral
aufgebaut sind, wie es in den 2 und 3 gezeigt
ist. Insbesondere werden die Pulverteilchen 10 von einer
Pulverzuführungsdüse 12 auf
einen Arbeitstisch 14 zugeführt. Die Düse 10 wird in einer vorgegebenen
Richtung bewegt, so dass die Fläche
mit dem zugeführten
Pulver bewegt wird. Folglich werden, während die Fläche, auf
welche die Pulverteilchen 10 zugeführt werden, bewegt wird, die
Pulverteilchen 10, die auf die Fläche zugeführt worden sind, mit einem
Laserstrahl 20 erhitzt, der von einem Laser als Wärmequelle
mit hoher Energiedichte abgestrahlt wird. Demgemäß werden die Pulverteilchen 10 durch
Erhitzen gesintert, so dass sie als gesinterte Schicht 16 ausgebildet
werden. Vorzugsweise kann die Dicke der gesinterten Schicht 16 z.B.
innerhalb des Bereichs zwischen 0,01 mm und 0,5 mm konfiguriert
werden.
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Zur
Bildung einer neuen gesinterten Schicht 18 werden die Pulverteilchen 10 von
der Pulverzuführungsdüse 12 auf
die gesinterte Schicht 16 zugeführt, die vorher auf dem Arbeitstisch 14 gebildet
worden ist. Folglich werden, während
die Fläche,
auf welche die Pulverteilchen 10 zu geführt werden, mit der Düse 12 bewegt
wird, die Pulverteilchen 10, die auf die Fläche zugeführt werden,
durch den Laserstrahl 20 erhitzt, der von dem Laser abgestrahlt
wird. Folglich wird die neue gesinterte Schicht 18 integral
auf der vorher gesinterten Schicht 16 ausgebildet. Die
Dicke der neuen gesinterten Schicht 18 kann vorzugsweise
z.B. innerhalb des Bereichs zwischen 0,01 mm und 0,5 mm konfiguriert
werden.
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Durch
Wiederholen des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einer vorgegebenen
Anzahl, wobei eine neue gesinterte Schicht 18 Schicht für Schicht
auf der vorher gesinterten Schicht 16 ausgebildet wird,
ist es möglich,
einen dreidimensionalen Gegenstand herzustellen, der aus einer Mehrzahl
von integral aufgebauten, gesinterten Schichten besteht.
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Ferner
kann durch Steuern der zweidimensionalen Form jeder gesinterten
Schicht ein dreidimensionaler Gegenstand in einer gewünschten
Form hergestellt werden. Insbesondere ist es erforderlich, die Trajektorie
der sich bewegenden Fläche
zu steuern, auf welche die Pulverteilchen 10 zugeführt werden.
Dies wird z.B. durch Steuern der physischen Beziehung zwischen der
Düse 12 und
dem Tisch 14 erreicht. In diesem Fall kann entweder die
Düse 12 oder
der Tisch 14 bewegt werden, um die physische Beziehung
zwischen diesen zu steuern. Es ist selbstverständlich klar, dass die Düse 12 und
der Tisch 14 bewegt werden können. Um die Düse 12 und/oder
den Tisch 14 zu bewegen, kann ein herkömmlicher Vorschubmechanismus
oder eine XY-Antriebseinheit, die durch Linearmotoren angetrieben
wird, und dergleichen verwendet werden.
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Die
Trajektorie der Fläche,
auf welche die Pulverteilchen 10 zugeführt werden, kann durch dreidimensionale
CAD-Daten oder dergleichen des zu erzeugenden dreidimensionalen
Gegenstands definiert werden. Beispielsweise kann die Trajektorie
durch Konturdaten definiert werden, die jedem Querschnitt des zu
erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands entsprechen. Ferner wird
dann, wenn z.B. ein Prototyp eines Bauteils hergestellt werden soll,
ein Sensor für
die geometrische Form, wie z.B. ein optischer Sensor, zur Messung
der geometrischen Form der Oberfläche des gewünschten Bauteils verwendet.
Auf der Basis der gemessenen Daten der geometrischen Form kann die
Trajektorie der Fläche
definiert werden, auf welche die Pulverteilchen 10 zugeführt werden.
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Vorzugsweise
kann die Trajektorie der Fläche,
auf welche die Pulverteilchen 10 zugeführt werden, z.B. durch Einsetzen
einer Kompensationsberechnung, während
der Sensor jede Form einer gesinterten Schicht erfasst, die gerade
gebildet wird, in geeigneter Weise kompensiert werden. Eine solche
Kompensationstechnik ist besonders geeignet, wenn eine mit Pulverteilchen 10 zu
bildende Schicht während
des Erhitzens und Sinterns entweder eine Kontraktions- oder eine Expansionseigenschaft
aufweist. Wenn Pulverteilchen 10 verwendet werden, die
dazu führen
können,
dass eine Schicht während
des Erhitzens und Sinterns kontrahiert wird, wird die Trajektorie
durch die Bewegung der Düse 12 vorzugsweise
so gesteuert, dass sie einer Konturform folgt, die geringfügig größer ist
als die tatsächliche
Konturform, die dem gewünschten
Querschnitt des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands entspricht.
Wenn andererseits Pulverteilchen 10 verwendet werden, die
dazu führen
können,
dass eine Schicht während
des Erhitzens und Sinterns expandiert wird, wird die Trajektorie
durch die Bewegung der Düse 12 vorzugsweise
so gesteuert, dass sie einer Konturform folgt, die geringfügig kleiner
ist als die tatsächliche
Konturform, die dem gewünschten
Querschnitt des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands entspricht.
Es sollte beachtet werden, dass die Trajektorie der Fläche, auf welche
die Pulverteilchen 10 durch die Düse 12 zugeführt werden,
z.B. durch eine numerische Steuervorrichtung gesteuert werden kann.
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Wenn
ein Prototyp eines Bauteils mit einer bestimmten dreidimensionalen
Form hergestellt wird, muss der Prototyp präzise in der ursprünglichen
Form des gewünschten
Bauteils reproduziert werden. In diesem Fall muss der innere Bereich
des Prototyps gegebenenfalls nicht mit einer hohen Dichte hergestellt
werden, so lange die Reproduzierbarkeit der äußeren Erscheinung des gewünschten
Bauteils beibehalten wird. Insbesondere erhält die äußere Erscheinung des gewünschten
Bauteils, die mit einer hohen Dichte hergestellt wird, die höchste Priorität, während die
Dichte im Inneren des gewünschten
Bauteils nicht mit der äußeren Dichte übereinstimmen
muss.
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Folglich
ist es bevorzugt, Pulverteilchen 10 so zuzuführen, dass
der Oberflächenbereich
des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands eine höhere Dichte
aufweist als dessen innerer Bereich. Der vorstehend beschriebene, „zu erzeugende
dreidimensionale Gegenstand" bezieht
sich auf einen dreidimensionalen Gegenstand, der mit einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
hergestellt wird. Der „Oberflächenbereich" des zu erzeugenden
dreidimensionalen Gegenstands bezieht sich auf einen Abschnitt in
der Nähe
der äußeren Oberfläche des
dreidimensionalen Gegenstands oder auf einen Abschnitt insbesondere
von der äußeren Oberfläche bis
zu einer vorgegebenen Tiefe, wie z.B. einer Tiefe von im Allgemeinen
im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm.
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Der „innere
Bereich" des zu
erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands bezieht sich auf einen
Abschnitt im Inneren des „Oberflächenbereichs" oder in Richtung
der Mitte des dreidimensionalen Gegenstands. Der Satz „der Oberflächenbereich
des zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands weist eine höhere Dichte
auf als dessen innerer Bereich" bezieht
sich auf eine Dichtebeziehung zwischen dem Oberflächenbereich
und dem inneren Bereich, während
die Grenze dazwischen nicht speziell ausgestaltet sein muss. Die Grenze
kann in einer Weise aus gebildet sein, dass die Dichte des dreidimensionalen
Gegenstands von dem Oberflächenbereich
zum inneren Bereich nach und nach abnimmt.
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Als
Beispiel zeigen die 2 und 3 einen
dreidimensionalen Gegenstand 30, der erfindungsgemäß hergestellt
worden ist. Ein Oberflächenbereich 32 ist
mit gesinterten Schichten mit einer höheren Dichte hergestellt, während ein
innerer Bereich 34 mit gesinterten Schichten mit einer
niedrigeren Dichte hergestellt ist. Da der Oberflächenbereich 32 mit
gesinterten Schichten mit hoher Dichte ausgebildet ist, kann die
präzise Reproduzierbarkeit
des ursprünglichen
Bauteils selbst dann aufrechterhalten werden, wenn der dreidimensionale
Gegenstand 30 mit einer komplexen Form ausgebildet wird.
Folglich ist es möglich,
einen Prototypen herzustellen, der im Allgemeinen die gleiche Form
wie die dreidimensionale Form des ursprünglichen Bauteils aufweist.
Es sollte beachtet werden, dass der in der 2 gezeigte
Oberflächenbereich 32 nicht
auf den oberen und unteren Oberflächen, sondern um die Seitenflächen des
inneren Bereichs 34 ausgebildet ist.
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Da
ferner der Oberflächenbereich 32 aus
gesinterten Schichten mit hoher Dichte ausgebildet ist, kann die
Verzerrung, die allgemein in dem dreidimensionalen Gegenstand 30 durch
eine Wärmekontraktion
und dergleichen verursacht wird, minimiert werden. Folglich kann
selbst dann, wenn der zu erzeugende dreidimensionale Gegenstand 30 größer ist
als herkömmliche
Gegenstände,
die präzise
Reproduzierbarkeit der dreidimensionalen Form sichergestellt werden.
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Da
ferner der Oberflächenbereich 32 mit
einer hohen Dichte ausgebildet ist, ist es möglich, den dreidimensionalen
Gegenstand 30 so auszubilden, dass der Oberflächenbereich 32 eine
ausreichende Festigkeit aufweist.
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Es
sollte beachtet werden, dass die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Prototypenerzeugung
verglichen mit dem Fall, bei dem der dreidimensionale Gegenstand 30 vollständig mit
einer einheitlich hohen Dichte hergestellt wird, mit gesenkten Kosten
und einer erhöhten
Geschwindigkeit erreicht werden kann, da es die vorliegende Erfindung
ermöglicht,
dass der innere Bereich 34 mit einer niedrigeren Dichte
ausgebildet wird, so dass die Menge der Pulverteilchen eingespart
wird, die ansonsten verbraucht werden würde.
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Zusammenfassend
kann zur Bildung des Oberflächenbereichs 32 mit
einer höheren
Dichte, während der
innere Bereich 34 mit einer niedrigeren Dichte hergestellt
wird, mindestens eines der folgenden Verfahren durchgeführt werden:
- (a) Zuführen
von weniger Pulverteilchen zur Bildung des Oberflächenbereichs 32 als
zur Bildung des inneren Bereichs 34;
- (b) Zuführen
von Pulverteilchen mit einer niedrigeren Zuführungsgeschwindigkeit zur Bildung
des Oberflächenbereichs 32 als
zur Bildung des inneren Bereichs 34, wobei sich die „Zuführungsgeschwindigkeit" auf die Zuführungsmenge
der Pulverteilchen pro Zeiteinheit bezieht;
- (c) Zuführen
von Pulverteilchen 10 mit einem kleineren Teilchendurchmesser
zur Bildung des Oberflächenbereichs 32,
während
Pulverteilchen 10' mit
einem größeren Teilchendurchmesser
zur Bildung des inneren Bereichs 34 zugeführt werden,
wobei sich die Begriffe „kleiner" und „größer" auf die Beziehung
von Teilchendurchmessern zwischen den Pulverteilchen 10 zur
Bildung des Oberflächenbereichs 32 und
den Pulverteilchen 10' zur
Bildung des inneren Bereichs 34 beziehen;
- (d) Zuführen
von Pulverteilchen 10 zur Bildung des Oberflächenbereichs 32,
während
granulierte Pulverteilchen 10', die durch Granulieren der Pulverteilchen 10 der
gleichen Art, wie sie zur Bildung des Oberflächenbereichs 32 zugeführt worden
sind, hergestellt werden, zugeführt
werden, wobei der Teilchendurchmesser der granulierten Pulverteilchen 10' aufgrund der
Granulierung größer ist
als der Teilchendurchmesser der Pulverteilchen 10; und
- (e) Zuführen
von Metallpulverteilchen 10 zur Bildung des Oberflächenbereichs 32,
während
Metallpulverteilchen 10',
die mit einem organischen Bindemittel gemischt sind, zur Bildung
des inneren Bereichs 34 zugeführt werden.
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Durch
die Durchführung
mindestens eines der Verfahren (a) bis (e) können die Pulverteilchen 10, 10' so zugeführt werden,
dass der Oberflächenbereich 32 des
zu erzeugenden dreidimensionalen Gegenstands 30 mit einer
höheren
Dichte ausgebildet wird, während
dessen innerer Bereich 34 mit einer niedrigeren Dichte ausgebildet
wird. Folglich ist es möglich,
den dreidimensionalen Gegenstand 30 mit einem Oberflächenbereich 32 auszubilden,
der mit einer hohen Dichte und einer hohen Festigkeit ausgebildet
ist, während
der innere Bereich 34, der nicht sichtbar ist, mit einer
niedrigen Dichte ausgebildet wird.
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In
dem Verfahren (c) werden größere Pulverteilchen 10' zur Bildung
des inneren Bereichs 34 zugeführt, so dass zum Erhitzen und
Sintern der Pulverteilchen 10' weniger Wärmeenergie erforderlich ist.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass
größere Pulverteilchen 10', die weniger
Kontaktflächen
mit anderen Pulverteilchen 10' aufweisen als kleinere Pulverteilchen 10,
im Allgemeinen weniger Wärmeenergie
zum Erweichen oder Schmelzen der Kontaktflächen erfordern. Dies kann auch
zu gesenkten Kosten und einer erhöhten Geschwindigkeit bei der
Herstellung des dreidimensionalen Gegenstands 30 beitragen.
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In
dem Verfahren (d) werden die granulierten Pulverteilchen 10' zur Bildung
des inneren Bereichs 34 durch Granulieren der kleineren
Pulverteilchen 10, die zur Bildung des Oberflächenbereichs 32 zugeführt werden,
hergestellt. Folglich wird der dreidimensionale Gegenstand 30 so
hergestellt, dass der Oberflächenbereich 32 mit
einer höheren
Dichte ausgebildet wird, während der
innere Bereich 34 mit den größeren granulierten Pulverteilchen 10' ausgebildet
wird. Da sowohl der Oberflächenbereich 32 als
auch der innere Bereich 34 mit der gleichen Art von Pulverteilchen
gesintert wird, kann die Bindungsaffinität zwischen dem Oberflächenbereich 32 und
dem inneren Bereich 34 erhöht werden, so dass die Bindungsfestigkeit
zwischen diesen verstärkt
werden kann. Als Ergebnis ist es möglich, Defekte wie z.B. eine
Trennung zwischen dem Oberflächenbereich 32 und
dem inneren Bereich 34 zu verhindern.
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In
dem Verfahren (e) können
die Metallpulverteilchen 10',
die mit einem organischen Bindemittel gemischt sind, als granulierte
Pulverteilchen hergestellt werden, die mit dem folgenden Verfahren
erhalten werden können:
Mischen von Metallpulverteilchen mit einem Kunstharzbindemittel;
Erhitzen der mit dem Bindemittel gemischten Teilchen zu einer Aufschlämmungsform
mit dem geschmolzenen Bindemittel; Zerstäuben der Aufschlämmung zu
Tröpfchen
mit einem Sprühtrockner
und Verfestigen der Tröpfchen
zu granulierten Pulverteilchen. In diesem Fall kann der durchschnittliche
Teilchendurchmesser der granulierten Pulverteilchen unter anderem
den Bereich von im Allgemeinen zwischen 50 μm und 1000 μm und vorzugsweise zwischen
100 μm und
500 μm umfassen.
Ferner kann das organische Bindemittel unter anderem ein Polyesterharz
umfassen. In der vorliegenden Erfindung kann das organische Bindemittel,
das die Pulverteilchen 10' integral
umgibt, aufgrund der Wärme
während
des Sinterns entfernt werden. Dies macht es einfacher, den inneren
Bereich 34 mit einer geringeren Dichte auszubilden.
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Um
die Pulverteilchen 10, 10' auf eine vorgegebene Fläche zuzuführen, ist
eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
vorzugsweise bezüglich
der Zuführungsgeschwindigkeit
der Pulverteilchen 10, 10' einstellbar oder sie kann zwischen
den Arten von Pulverteilchen 10, 10' auswählen.
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Zur
Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands 30, der
aus einer Mehrzahl von integral aufgebauten gesinterten Schichten
besteht, können
folglich die folgenden Vorrichtungen verwendet werden:
- (f) Vorrichtungen, die eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zum Zuführen
von Pulverteilchen mit einer einstellbaren Zuführungsgeschwindigkeit; eine
Wärmequelle
mit hoher Energiedichte zum Erhitzen der Pulverteilchen, die von
der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zugeführt
werden; und eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen einer Fläche, auf
welche die Pulverteilchen von der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zugeführt
werden, umfassen; und
- (g) Vorrichtungen, die eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zum Zuführen
von Pulverteilchen, die aus einer Gruppe von zwei oder mehr verschiedenen
Arten von Pulverteilchen auswählbar
sind; eine Wärmequelle
mit hoher Energiedichte zum Erhitzen der Pulverteilchen, die von
der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zugeführt
werden; und eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen einer Fläche, auf
welche die Pulverteilchen von der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zugeführt
werden, umfassen.
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Bezüglich der
Vorrichtung (f) ist ein Beispiel für die Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
mit einer einstellbaren Zuführungsgeschwindigkeit
von Pulverteilchen 10 in der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. 2003-302281 des Anmelders der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Vorrichtung umfasst eine Ultraschallschwingungspulverzuführungsvorrichtung.
Eine solche Vorrichtung ermöglicht
die genaue Steuerung der Zuführungsgeschwindigkeit
der Pulverteilchen 10. Wenn die Pulverteilchen 10, 10' zur Bildung
einer gesinterten Schicht zugeführt
werden, kann die Zuführungsgeschwindigkeit
zwischen einer höheren
Zuführungsgeschwindigkeit
der Pulverteilchen 10 für
den Oberflächenbereich 32 und
einer niedrigeren Zuführungsgeschwindigkeit
der Pulverteilchen 10' für den inneren
Bereich 34 umgeschaltet werden. Die Verwendung einer solchen
Vorrichtung kann das Erfordernis einer Mehrzahl von Zuführungsvorrichtungen,
die mit verschiedenen Zuführungsgeschwindigkeiten
konfiguriert sind, ausschließen.
Folglich ist es möglich,
den dreidimensionalen Gegenstand 30 mit gesenkten Kosten
und einer erhöhten
Geschwindigkeit herzustellen.
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Bezüglich der
Vorrichtung (g) ist ein Beispiel für die Pulverteilchenzuführungsvorrichtung,
bei der die Art der Pulverteilchen 10, 10' ausgewählt werden
kann, in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2002-273201 des
Anmelders der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Vorrichtung
umfasst eine Mehrzahl von Zuführungstrichtern,
die gegebenenfalls eine Auswahl der Art der Pulverteilchen 10, 10' aus zwei oder mehr
verschiedenen Arten von Pulverteilchen ermöglicht. In der vorstehend genannten
Weise kann eine Mehrzahl verschiedener Arten von Pulverteilchen 10, 10' in einer Vorrichtung
hergestellt werden, so dass Pulverteilchen 10 mit einem
kleineren durchschnittlichen Teilchendurchmesser zum Zuführen zur
Bildung des Oberflächenbereichs 32 ausgewählt werden,
während
Pulverteilchen 10' mit
einem größeren durchschnittlichen Teilchendurchmesser
zum Zuführen
zur Bildung des inneren Bereichs 34 ausgewählt werden.
Daher ist keine Mehrzahl von Zuführungsvorrichtungen
gemäß den verschiedenen
Arten von zuzuführenden
Pulverteilchen 10, 10' erforderlich. Folglich ist es
möglich,
eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands 30 mit
gesenkten Kosten und erhöhter
Geschwindigkeit zu verwenden.
-
Darüber hinaus
kann der Oberflächenbereich 32 mit
einer Wärmequelle
mit hoher Energiedichte, wie z.B. einem Laser, ausgebildet werden,
während
der innere Bereich 34 durch einen nicht-übertragenen
Plasmalichtbogen oder eine Kaltspritztechnik ausgebildet wird. Die
Kaltspritztechnik ist eine Spritztechnik, bei der die Pulverteilchen
mit einem Hochgeschwindigkeitsgasstrahl von einer Hochdruckgasversorgung
zugeführt werden.
-
Die
Antriebsvorrichtung in den Vorrichtungen (f) und (g) kann entweder
die Pulverzuführungsdüse 12, die
in der Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
bereitgestellt ist, oder den Arbeitstisch 14 bewegen, auf
dem die gesinterten Schichten ausgebildet werden. Es ist selbstverständlich klar,
dass sowohl die Düse 12 als
auch der Tisch 14 bewegt werden kann. Zur Bewegung der
Düse 12 und/oder
des Tischs 14 kann ein herkömmlicher Vorschubmechanismus
oder eine XY-Antriebseinheit,
die durch Linearmotoren angetrieben wird, und dergleichen verwendet
werden.
-
Beispielsweise
kann ein Herstellungssystem so konstruiert werden, dass die Wärmequelle
mit hoher Energiedichte, wie z.B. ein Laser, für den Oberflächenbereich 32 bezüglich einer
Hochdruckgasstrahlvorrichtung wie z.B. für ein Kaltspritzen für den inneren
Bereich 34 ausgerichtet ist, wobei eine Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
und ein Werkstückbewegungstisch
einbezogen sind.
-
Wie
es vorstehend beschrieben worden ist, werden erfindungsgemäß ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands
mit einer glatten äußeren Oberfläche ohne
jegliche zusätzliche
Schritte des Entfernens einer Oberflächenschicht jedes Mal, wenn
eine gesinterte Schicht gebildet wird, bereitgestellt, so dass ein
dreidimensionaler Gegenstand hergestellt wird, der aus integral
aufgebauten, gesinterten Schichten besteht. Ein solches Herstellungsverfahren
oder eine solche Herstellungsvorrichtung erfordert weniger Wärmeenergie
zum Erhitzen und Sintern der Pulverteilchen, so dass bei der Herstellung
des dreidimensionalen Gegenstands zu einer Senkung der Kosten und
einer Erhöhung
der Geschwindigkeit beigetragen wird. Dies hat auch den Effekt der
Einsparung einer Menge der Pulverteilchen, die ansonsten verbraucht
werden würde.
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Nachstehend
wird eine spezifischere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dieser repräsentativen
Ausführungsform
wurde als Pulverteilchenzuführungsvorrichtung
eine Pulverzuführungsvorrichtung
des Scheibentyps, Modell PF-01, die von Nihon Welding Rod Co., Ltd.,
Japan, erhältlich
ist, verwendet. Als Wärmequelle
mit hoher Energiedichte wurde ein CO
2-Laser mit einem 50C-Oszillator,
einer Nennleistung von 5 kW und Argonschutzgas, Modell 2012H, der
von Mitsubishi Electric Corporation, Japan, erhältlich ist, verwendet. Ferner
wurden in dieser repräsentativen
Ausführungsform
zwei Arten von Pulverteilchen, die in der Tabelle 1 gezeigt sind,
als Pulverteilchen verwendet. Tabelle
1 Details
der Pulverteilchen
-
Wie
es in der 2 gezeigt ist, wurde unter Verwendung
der vorstehend genannten Vorrichtungen ein dreidimensionaler Gegenstand 30 mit
Außenabmessungen
von 100 mm × 100
mm × 100
mm hergestellt. Gemäß der Tabelle
1 wurden bezüglich
des Oberflächenbereichs 32 die
Pulverteilchen Nr. 1 verwendet. Die Herstellungsparameter für den Oberflächenbereich 32 waren:
Eine Laserleistung von 2,8 kW, ein Laserfleckdurchmesser von 1,0
mm und eine Geschwindigkeit zum Bewegen der Fläche mit den zugeführten Pulverteilchen von
1000 mm/min. Bezüglich
des inneren Bereichs 34 wurden die Pulverteilchen Nr. 2,
die in der Tabelle 1 gezeigt sind, verwendet. Die Herstellungsparameter
für den
inneren Bereich 34 waren: Eine Laserleistung von 2,0 kW,
ein Laserfleckdurchmesser von 3,0 mm und eine Geschwindigkeit zum
Bewegen der Fläche
mit den zugeführten
Pulverteilchen von 4000 mm/min. Es sollte beachtet werden, dass
der Laserfleckdurchmesser für den
inneren Bereich 34 größer war
als derjenige des Oberflächenbereichs.
Auch die Bewegungsgeschwindigkeit für den inneren Bereich 34 war
größer als
diejenige für
den Oberflächenbereich 32.
Diese Parametereinstellungen trugen zu einer Herstellung mit höherer Geschwindigkeit
bei.
-
Der
in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene dreidimensionale
Gegenstand 30 wurde mit einer äußeren Erscheinung mit hoher
Dichte ausgebildet. Die Erscheinung war im Allgemeinen mit derjenigen eines
dreidimensionalen Gegenstands vergleichbar, der vollständig mit
kugelförmigen
Pulverteilchen hergestellt worden ist. Die Zeit für die Herstellung
betrug 2,0 Stunden für
den Oberflächenbereich 32,
4,8 Stunden für
den inneren Bereich 34 und insgesamt 6,8 Stunden, was etwa
ein Drittel so lang war wie die Herstellungszeit durch ein herkömmliches
Schichtaufbau-Prototypenerzeugungsverfahren. Folglich wurde gefunden,
dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
eine Prototypenerzeugung mit signifikant hoher Geschwindigkeit erreichen
kann.
-
- 10,
10'
- Pulverteilchen
- 12
- Pulverzuführungsdüse
- 14
- Arbeitstisch
- 16,
18
- Gesinterte
Schicht
- 20
- Laserstrahl
(Wärme,
die von einer Wärmequelle
mit hoher Energiedichte abge
-
- strahlt
wird)
- 30
- Dreidimensionaler
Gegenstand
- 32
- Oberflächenbereich
- 34
- Innerer
Bereich
