DE102007009273A1

DE102007009273A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material

Info

Publication number: DE102007009273A1
Application number: DE102007009273A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.-Ing. Niebling
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: DE102007009273C5; US20100320649A1; DE102007009273B4; WO2008104213A1; EP2125338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung der Rapid-Technologie zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material, wobei innerhalb des Bauraums eine zusätzliche Temperierung mittels Durchströmung des Pulvers mit einem temperierten Fluid erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind z.B. aus der DE 101 08 612 C1 oder der DE 10 2005 041 559 bekannt. Dabei kann das verfestigbare Material pulverförmig sein wie z.B. in der DE 101 08 612 C1 oder fluid wie in der DE 10 2005 041 559 .

Die DE 101 08 612 C1 betrifft das sogenannte Selektive Lasersintern (SLS, Selective Laser Sintering). SLS ist ein Rapid-Technologie-Verfahren, bei dem eine in einen Bauraum absenkbare Plattform (Bauraumboden) eine Pulverschicht trägt, die durch einen Laserstrahl in ausgewählten Bereichen erhitzt wird, so dass die Pulverpartikel zu einer ersten Schicht verschmelzen. Anschließend wird die Plattform um etwa 20 bis 200 um (je nach Partikelgröße und -art) nach unten in den Bauraum gesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht. Der Laserstrahl zeichnet wieder seine Bahn und verschmilzt die Pulverpartikel der zweiten Schicht miteinander sowie die zweite mit der ersten Schicht und in ihm ein verfestigter dreidimensionaler Gegenstand, zum Beispiel eine Spritzgussform. Mitunter wird auch der Bauraum als Ganzes oder oberflächlich vorgewärmt, um den notwendigen zusätzlichen Energieeintrag für das Versintern zu reduzieren.

In ähnlicher Weise trägt bei dem Rapid-Technologie-Verfahren 3d-Drucken (3DP, 3 dimensional printing) eine in einen Bauraum absenkbare Plattform (Bauraumboden) eine Pulverschicht, die durch einen Flüssigkeitsstrahl in ausgewählten Bereichen bestrahlt wird, wodurch die Pulverpartikel (an)gelöst oder zu einer chemischen Reaktion miteinander angeregt werden, so dass die Pulverpartikel sich zu einer ersten Schicht verbinden. Dabei können infolge der Reaktion ebenfalls Erwärmungen auftreten. Eine gezielte Vorwärmung ist auch beim 3DP möglich um beispielsweise die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Ebenfalls in ähnlicher Weise werden bei der Stereolithographie strahlungssensitive Fluidschichten durch Bestrahlung verfestigt. Dabei erfolgt die Bestrahlung üblicherweise mittels UV-Strahlung aber auch mittels IR-Strahlung oder Flüssigkeitsstrahlen, z.B. gemäß der DE 10 2005 044 920 A1 . Dabei können ebenfalls Erwärmungen auftreten.

Anstatt mit flächenmäßig eng begrenzten Energie- oder Flüssigkeitsstrahlen wird mitunter auch großflächig durch Masken bestrahlt, z.B. beim Selektiven Masken Sintern (SMS) gemäß der EP 1015214 B1 . Dabei können ebenfalls Erwärmungen auftreten.

Innerhalb des Bauraums erfahren bestimmte Bereiche – abhängig von der Geometrie des herzustellenden Bauteils – für einen längeren oder kürzeren Zeitraum die vorstehend genannte Erwärmung durch die Bestrahlung während andere Bereiche dadurch nicht erwärmt werden. Außerdem wird nur die jeweils oberste Materialschicht durch die Bestrahlung erwärmt, die unteren Schichten geben die aufgenommene Wärme an ihre Umgebung und kühlen ab. Die Folge sind inhomogene Temperaturverteilungen und thermische Spannungen innerhalb des Schichtkuchens, die zu Bauteilverzug führen können. Beim SMS kann abhängig von dem eingesetzten Material eine Vorwärmung des gesamten Bauraums notwendig sein. Dies ist z.B. bei PA12 der Fall. Vor allem in der Bauraummitte kann es dabei zum Wärmestau kommen, so dass der Pulverkuchen insgesamt hart wird.

In der EP 556 291 B1 wurde zur Minimierung dieses Problems bereits vorgeschlagen, eine einheitliche Basistemperatur der jeweiligen Oberflächenschicht mittels eines parallel über ihr angebrachten ringförmigen Heizstrahlers einzustellen. Daraus solle eine gleichmäßigere Abkühlung der einzelnen Schichten und damit ein geringerer Bauteilverzug resultieren.

Eigene Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass weiterhin Temperaturgradienten innerhalb und zwischen den einzelnen Schichten auftreten, wobei insbesondere die erstgenannten zu Bauteilverzug führen, der zumindest bei qualitativ hochwertigen Bauteilen nicht tolerierbar ist. Deshalb wird in der DE 101 08 612 C1 vorgeschlagen, die Ummantelung des Bauraums derart zu beheizen, dass sich eine Temperaturverteilung in der Ummantelung einstellt, die ausgehend von den an die zuletzt gesinterte Oberfläche des Schichtkuchens angrenzenden Bereichen der Ummantelung in Richtung auf den Bauraumboden hin abnimmt.

Dadurch wird der Bauteilverzug weitgehend eingeschränkt. Für besondere Anwendungen besteht jedoch weiterhin Verbesserungsbedarf.

Neben dem Bauteilverzug spielen mit zunehmender Anzahl der generativ hergestellten Bauteile auch die Materialkosten eine immer größere Rolle. Deshalb wird das nicht verbundene Pulvermaterial nach der Bauteilgenerierung soweit als möglich wiederverwendet. Einer solchen Wiederverwendung steht bei vielen Werkstoffen, insbesondere bei polymeren Werkstoffen, eine thermische Degradation entgegen, die mit der Dauer der Temperaturbelastung ansteigt. Deshalb wird eine möglichst schnelle aber gleichmäßige Abkühlung des Schichtkuchens angestrebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material anzugeben, bei welchen der Bauteilverzug infolge von Temperaturgradienten sowie die thermische Degradation des Pulvermaterials weitgehend eingeschränkt werden.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 wiedergegeben. Durch die Merkmale der weiteren Patentansprüche werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen beider angegeben.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes erfindungsgemäß durch folgende Schritte gelöst:

– Auftragen und Glätten einer verfestigbaren pulverförmigen Materialschicht auf eine Zielfläche,
– Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht mit einem Energie- oder Materialstrahl, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, so dass die Materialschicht sich in diesem ausgewählten Teil verfestigt, wobei sich die bestrahlten Teile und deren Umgebung erwärmen,
– Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, welche einen Schichtkuchen bilden, so dass die verfestigten Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkuchen zumindest teilweise von einem Fluid durchströmt wird.

Der Energiestrahl kann beliebiger Art sein, z.B. einen Elektronenstrahl oder IR-Strahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, solange der Energieeintag in die Materialschicht nur ausreichend hoch ist, um eine lokale Verfestigung der Materialschicht zu bewirken. Dazu müssen die Partikeln des pulverförmigen Materials im Bestrahlungsbereich nicht vollständig aufschmelzen. Ein Anschmelzen oder eine energetische Initiierung einer chemischen Reaktion können ggf. ebenfalls ausreichen. Der Strahl kann die jeweilige Schichtoberfläche punktuell oder auch großflächig bestrahlen.

Bei Verwendung eines Materialstrahls kann sowohl festes (Partikelstrahl) als auch flüssiges Material (Flüssigkeit, Suspension, Emulsion, Auftragschweißen, etc.) auf die Materialschicht der Zielfläche gestrahlt werden.

Bei Verwendung eines Flüssigkeitsstrahls, ist es vorteilhaft, wenn in der Flüssigkeit zumindest ein Bestandteil der Materialschicht löslich ist oder infolge der Wechselwirkung mit der Flüssigkeit eine Reaktion ausgelöst wird, die eine lokale Verfestigung der Materialschicht im Auftreffbereich der Flüssigkeit bewirkt. Die Bezeichnung Flüssigkeitsstrahl umfasst nicht nur einen kontinuierlichen Strahl, sondern insbesondere auch einzelne Tropfen.

Unter Schichtkuchen wird der schichtweise aufgetragene Pulverzylinder innerhalb des Bauraums verstanden, der verfestigte und nicht verfestigte Bereiche enthält.

Durch die erfindungsgemäß durchgeführte (zumindest teilweise) Durchströmung des Schichtkuchens mit einem Fluid wird die ansonsten geringe Wärmeleitfähigkeit der Pulverschüttung des Schichtkuchens deutlich erhöht, indem die Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln zum Wärmetransport mitgenutzt werden. Dies erfolgt, indem Wärme mit dem durchströmenden Fluid abgeführt (oder eingebracht) wird. Eine derartige Wärmeströmung ist bereits allein effektiver als eine Wärmeleitung über die Pulverschüttung und erst recht zusätzlich zu dieser. Im Ergebnis wird die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens wesentlich homogenisiert.

Diese Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens wird erzielt, indem man die von dem durchströmenden Fluid erzeugte Temperaturverteilung zu der von der Bestrahlung und ggf. der von einem ringförmigen Heizstrahler und/oder einer Mantelheizung erzeugten Temperaturverteilung überlagert. Diese zusätzliche Temperaturverteilung darf natürlich keine Temperaturen erreichen, die ein eigenständiges Verfestigen der Materialschichten bewirken würden. Sie gibt vielmehr eine im Wesentlichen einheitliche Basistemperatur der einzelnen Materialschichten vor, so dass die Wärmeabgabe der bestrahlten Bereiche innerhalb einer Schicht minimiert wird und die Wärmeleitung von den bestrahlten Bereichen in die Tiefe, also senkrecht zu den Materialschichten, gefördert wird.

Vorzugsweise erfolgt die Durchströmung nach Abschluss des generativen Verfahrens. Dadurch werden Wechselwirkungen mit der Bauteilgenerierung weitestgehend ausgeschlossen. Die Durchströmung kann jedoch auch während der Generierung erfolgen. Dann muss der Durchfluss jedoch vergleichsweise gering sein, um Einflüsse auf die Bauteilgenerierung zu minimieren.

Das Fluid kann gasförmig oder flüssig sein. Eine Flüssigkeit besitzt in der Regel eine höhere Wärmekapazität und kann somit die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens stärker beeinflussen als ein Gas. Anderseits erfordert die Verwendung einer Flüssigkeit einen nachfolgenden Trocknungsschritt für das Pulver. Dieser kann aber leicht in eine ohnehin häufig angeschlossene Pulveraufbereitung integriert werden. Die Verwendung eines Gases als durchströmendes Fluid beeinflusst den Schichtkuchen weniger und stellt somit ein schonenderes, aber langsameres Verfahren dar. Außerdem entfällt der ansonsten erforderliche Trocknungsschritt.

Hilfreich ist auch eine Förderung der Durchströmung durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Strömungsauslassseite des Schichtkuchens bzw. Bauraums.

Vorteilhaft wird das Fluid temperiert, vorzugsweise gekühlt. Dies erfolgt vor Eindringen in den Schichtkuchen, vorzugsweise vor Eintritt in den Bauraum. Vorzugsweise wird die Temperatur des Fluids an die Temperatur des Schichtkuchens angepasst. Dazu kann die Temperatur des Schichtkuchens an einer oder mehreren vorgegebenen Positionen in Echtzeit gemessen werden oder aus empirisch bestimmten oder per Simulation berechneten Werten abgeleitet werden. Die Anpassung erfolgt derart, dass ein Grenzwert des Temperaturunterschiedes zwischen Fluid und Schichtkuchen nicht überschritten wird, um z.B. Einflüsse aufgrund thermischer Spannungen innerhalb des Schichtkuchens zu minimieren. Dieser Grenzwert kann materialspezifisch variiert werden.

Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Fluids zeitlich variiert. Dadurch kann z.B. die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Schichtkuchen während der Abkühlung des Schichtku chens konstant gehalten werden. Denkbar ist aber auch, die Temperaturdifferenz langsam abzusenken, um die Abkühlung besonders empfindlicher Materialien zu verzögern.

Das Fluid dringt vorzugsweise durch zumindest eine Wandung des Bauraums (z.B. Bauraumboden) mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid ein, vorzugsweise derart, dass bedarfsabhängig Öffnungen einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden. Eine solche Wandung kann z.B. ganz oder abschnittsweise siebartig ausgestaltet sein.

Vorteilhaft erfolgt die Temperierung unterschiedlich in mehreren, vorzugsweise variablen, Bereichen innerhalb des Bauraums. Dies kann mit unterschiedlich temperierten Fluidströmen erfolgen, die durch verschiedene der o. g. Verschlusseinrichtungen in den Schichtkuchen eingeleitet werden. Die Bereiche können z.B. alle in einer Schichtebene des Schichtkuchens liegen, für andere Anwendungsfälle mögen alle Bereiche in einer zur Schichtung senkrechten Ebene vorteilhaft sein und in wieder anderen Anwendungsfällen kann auch eine dreidimensional verteilte Anordnung der Temperierbereiche vorteilhaft sein. Wenn die Anordnungsmöglichkeiten der Temperierbereiche variabel ausgestaltet sind, können alle diese Anwendungsfälle in derselben Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden.

Die Temperierung kann in allen Bereichen oder auch nur allen Bereichen einer Ebene gleichmäßig erfolgen, d.h. jeweils eine einheitliche Temperatur an das umgebende Schichtmaterial vermittelt werden. Noch vorteilhafter kann es aber sein, wenn in unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Bauraums eine unterschiedliche Temperierung erfolgt. Beispielsweise kann die Temperierung in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Tem perierbereichs zur Kontur des verfestigten Gegenstandes innerhalb des Schichtkuchens erfolgen, z.B. bedingt eine höhere Temperierung in größerem Abstand zum vergleichsweise warmen Gegenstand durch die Überlagerung der jeweiligen Temperaturverteilungen insgesamt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung.

In Hinsicht auf eine solche gleichmäßigere Temperaturverteilung ist auch eine Steuerung oder Regelung der Temperierung vorteilhaft, welche vorzugsweise in unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Bauraums unterschiedlich erfolgt.

Zur Ermittlung geeigneter Steuerparameter kann z.B. eine Simulation des Bestrahlungsprozesses in Hinsicht auf eine Reduzierung des Bauteilverzuges durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es zur Steuerung eine beliebige, z.B. auch nicht lineare und zeitlich veränderliche Temperaturverteilung vorzugeben, die mittels einer Simulation des Lasersinterprozesses in Hinsicht auf eine Reduzierung des Bauteilverzuges optimiert wurde. Eine entsprechende Simulation des Energieeintrages eines Lasers in die Pulverschichten des Schichtkuchen wurde bereits vorgeschlagen, beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 100 50 280 A1 . Die sich dadurch ergebenden Temperaturverteilungen innerhalb des Pulverkuchens können mit bekannten Verfahren, z.B. durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung, ebenfalls ermittelt werden und ebenso die Beeinflussung dieser Temperaturverteilung durch Überlagerung einer zusätzlichen Temperierung innerhalb des Bauraums. Optimierungsverfahren sind dem Fachmann ebenfalls bekannt. Einzelne Schritte der Simulation können experimentell verifiziert oder ersetzt werden.

Zur Ermittlung geeigneter Regelungsparameter kann die tatsächliche Temperaturverteilung auf der Materialschichtoberfläche oder auch innerhalb des Schichtkuchens durch bekannte Messverfahren ermittelt und zur Regelung einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung verwendet werden.

Vorteilhaft wird zumindest eine Wandung des Bauraums nach der Temperierung zur Vereinfachung der Entpackung des Gegenstandes entfernt.

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material mittels folgender Einrichtungen gelöst:

– eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche in einem Bauraum,
– eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht,
– eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Energie- oder Materialstrahl,
– eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums,

wobei die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem Fluid umfasst.

Dabei ist die Zielfläche zu Beginn der Herstellung der Bauraumboden und während der Herstellung die jeweils oberste Materialschicht des sich aufbauenden Schichtkuchens.

Eine geeignete Einrichtung zur Durchflutung beinhaltet z.B. eine Pumpe oder einen Kompressor.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchflutung ermöglicht eine Temperierung innerhalb des Schichtkuchens und damit eine Verminderung von Bauteilverzug, da die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens so besser homogenisiert werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Temperierung des Fluids, vorzugsweise zu dessen Kühlung. Eine temperiertes Fluid, insbesondere ein gekühltes Fluid, kann die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens deutlich effektiver beeinflussen als ein nicht temperiertes Fluid. Dabei kann es sich um ein gasförmiges oder um ein flüssiges Fluid handeln.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Bauraum zumindest eine Wandung mit zumindest einer Einlass- oder Auslassöffnung für das Fluid aufweist. Diese Öffnungen sollten für das Fluid, nicht aber für das Pulver des Schichtkuchens durchlässig sein.

Vorzugsweise weist der Bauraum zumindest eine Wandung mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid auf, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können. Eine derartige Wandung kann z.B. siebartig ausgestaltet sein.

Besonders vorteilhaft weist die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.

Ebenfalls vorteilhaft ist zumindest eine Wandung mit Öffnungen austauschbar im Bauraum angeordnet, vorzugsweise derart, dass unterschiedliche Wandungen einsetzbar sind, welche unterschiedliche Größen, Größenverteilungen und/oder Anordnungen der Öffnungen aufweisen.

Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes umfasst, da damit, die Durchströmung des Schichtkuchens gefördert werden kann.

Ebenfalls vorteilhaft weist die Vorrichtung mehrer Temperiereinrichtungen für unterschiedliche Fluidströme sowie mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf zur separaten Steuerung oder Regelung der unterschiedlichen Temperiereinrichtungen. Damit lässt sich z.B. eine inhomogene Temperaturverteilung im Bauraum vorgeben, deren Überlagerung mit der inhomogenen Temperaturverteilung infolge der Bestrahlung des Schichtkuchens insgesamt eine homogenere Temperaturverteilung des Schichtkuchens bewirkt.

Alternativ oder additiv kann diese Homogenisierung noch verbessert werden, wenn die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung der unterschiedlichen oben genannten Ein- und/oder Auslassöffnungen sowie der jeweiligen Volumenströme der Fluide. Die Regeleinrichtung umfasst dabei ggf. eine geeignete Messeinrichtung zur Erfassung der Ist-Temperaturverteilung im Schichtkuchen oder ist mit einer solchen Messeinrichtung verbunden.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
Die beispielhafte Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material ist eine handelsübliche Lasersinteranlage mit folgenden Einrichtungen:

– eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche im Bauraum,
– eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht,
– eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Laserstrahl,
– eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums.

Die handelsübliche Lasersinteranlage weist zusätzlich eine Einrichtung zur Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem Fluid auf, welche außerhalb des Bauraums angeordnet ist, sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Einrichtung zur Durchflutung.
Die Einrichtung zur Durchflutung umfasst einen Gasspeicher, eine Temperiereinrichtung für das Gas sowie eine Pumpe zur Förderung eines Gasstroms. Die Einrichtung zur Durchflutung ist mit mehreren Einlassöffnungen im siebartig ausgestalteten Bauraumboden gasdicht verbunden.
Unterhalb des in üblicher Weise absenkbaren Bauraumbodens befindet sich eine Vielzahl von Einlassöffnungen für das Fluid, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können. Das Öfnen oder Schließen der Verschlusseinrichtungen wird bedarfsabhängig über die Einrichtung zur Steuerung gesteuert, z.B. über einen handelsüblichen PC.
Die Oberseite des Bauraums ist gasdicht verschlossen und mit einer Absaugeinrichtung verbunden, welche einen leichten Unterdruck erzeugt und so die Durchströmung des Schichtkuchens fördert. Das abgesaugte Gas wird in den Gasspeicher zurück geführt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt auch die Herstellung des Gegenstandes in üblicher Weise mittels des bekannten Verfahrens des selektiven Lasersinterns, wobei innerhalb des Schichtkuchens eine Temperierung erfolgt.
Für diese Temperierung werden zunächst geeignete Steuerparameter für die Temperiereinrichtung ermittelt. Dafür wird zunächst eine Simulation des üblichen Bestrahlungsprozesses durchgeführt und die sich dabei ergebende Temperaturverteilung berechnet. Anschließend erfolgt eine entsprechende Simulation zur rechnerischen Optimierung einer zu überlagernden zusätzlichen Temperierung infolge einer temperierten Durchströmung des Inneren des Bauraums in Hinsicht auf die Minimierung des Bauteilverzuges.
Mit den derartig ermittelten Steuerparametern werden die Temperiereinrichtung für das durchströmemde Gas, dessen Volumenstrom sowie die einzelnen Verschlußöffnungen während des ansonsten in üblicher Weise verlaufenden Lasersinterverfahrens angesteuert.
Die zusätzliche Temperierung (neben der Temperierung infolge der Bestrahlung) innerhalb des Schichtkuchens vermindert Bauteilverzug, da die Temperaturverteilung innerhalb des Schichtkuchens, insbesondere innerhalb einer Schicht des Schichtkuchens so besser homogenisiert werden kann und ausgehend von den bestrahlten Bereichen der Oberfläche bis zum Boden des Bauraums gleichmäßiger absinken kann.
Die Temperierung des Fluids erfolgt zeitlich variabel, indem sie regelmäßig an die Temperatur des Schichtkuchens angepasst wird. Dazu wird die Temperatur des Schichtkuchens an einer vorgegebenen Position in Echtzeit gemessen. Die Anpassung erfolgt derart, dass ein Grenzwert des Temperaturunterschiedes zwischen Fluid und Schichtkuchen nicht überschritten wird, um z.B. Einflüsse aufgrund thermischer Spannungen innerhalb des Schichtkuchens zu minimieren. Durch die Regelung der Temperierung des Fluids wird die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Schichtkuchen während der Abkühlung des Schichtkuchens konstant gehalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für Rapid Manufacturing-Anwendungen in der Automobilindustrie.
Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der der Bauteilqualität hinsichtlich des temperaturbedingten Verzuges erreicht werden.
Außerdem kann die Erfindung zur Erhöhung der Produktivität genutzt werden, da sie es ermöglicht, mehrere Bauteile gleichzeitig in einem großen Bauraum herzustellen. Bisher haben die sich überlagernden Temperaturverteilungen mehrerer Bauteile nicht tolerierbare Bauteilverzüge bedingt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Bauteilverzug bei mehreren Bauteilen minimiert werden durch geeignete Temperierung innerhalb des Bauraums, insbesondere zwischen benachbarten Bauteilgrenzen. Dies erlaubt auch, den Bauraum auf bisher nicht nutzbare Maßstäbe zu vergrößern.
Mittels numerischer Optimierungsverfahren (z.B. FEM-Simulation) kann das sog. „Packaging", d.h. die Verteilung mehrerer Bauteile in einem Bauraum optimiert werden. Dadurch kann eine maximale Anzahl von Bauteilen gleichzeitig unter optimalen Temperaturbedingungen in einem Bauraum hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend folgende Schritte: – Auftragen und Glätten einer verfestigbaren pulverförmigen Materialschicht auf eine Zielfläche, – Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Schicht mit einem Energie- oder Materialstrahl, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, so dass die Materialschicht sich in diesem ausgewählten Teil verfestigt, wobei sich die bestrahlten Teile und deren Umgebung erwärmen, – Wiederhohlen der Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahl von Schichten, welche einen Schichtkuchen bilden, so dass die verfestigten Teile der benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkuchen zumindest teilweise von einem Fluid durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid temperiert, vorzugsweise gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch zumindest eine Wandung des Bauraums mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid eindringt, vorzugsweise derart, dass bedarfsabhängig Öffnungen einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung der Temperierung mittels des lokal durchströmenden Fluids erfolgt durch ganz oder teilweises Öffnen oder Verschließen unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen der Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wandung des Bauraums nach der Temperierung zur Vereinfachung der Entpackung des Gegenstandes entfernt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren pulverförmigen Material umfassend – eine Einrichtung zum Auftragen einer Schicht des Materials auf einer Zielfläche in einem Bauraum, – eine Einrichtung zum Glätten der Materialschicht, – eine Einrichtung zum Bestrahlen eines ausgewählten Teils der Materialschicht mit einem Energie- oder Materialstrahl, – eine Einrichtung zum Absenken der Zielfläche innerhalb des Bauraums, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Durchflutung von zumindest Teilen des Bauraums mit einem Fluid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Temperierung, vorzugsweise Kühlung, des Fluids umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum zumindest eine Wandung mit zumindest einer Einlass- oder Auslassöffnung für das Fluid aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum zumindest eine Wandung mit einer Vielzahl von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid aufweist, welche bedarfsabhängig einzeln und/oder in Gruppen mittels Verschlusseinrichtungen verschlossen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Verschlusseinrichtungen von Einlass- oder Auslassöffnungen für das Fluid.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wandung mit Öffnungen austauschbar im Bauraum angeordnet ist, vorzugsweise derart dass unterschiedliche Wandungen einsetzbar sind, welche unterschiedliche Größen, Größenverteilungen und/oder Anordnungen der Öffnungen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdruckes umfasst.