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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches bzw. mit optischen Mitteln ausgeführtes Herstellungsverfahren, bei welchem eine Pulverschicht mit einer vorgegebenen Dicke ausgebildet und dann die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl eine vorgegebene Anzahl von Malen gesintert wird, wonach der Umfang bzw. die Peripherie der Pulverschichten durch Schneiden hergestellt wird.
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In dem Bereich der Technik zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen durch Sintern von Metall oder nichtmetallischem Pulver mit einem Lichtstrahl, wie einem Laserstrahl, sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Bei jedem der Verfahren werden folgende Schritte ausgeführt:
- (1) Ein Dispersions- und Planarisierungsschritt zum Dispergieren von nach unten fallendem Pulver und zum Glätten der oberen Fläche des dispergierten Pulvers oder in der Nähe der oberen Fläche,
- (2) ein Schritt zur Bestrahlung einer Herstellungsfläche mit einem Lichtstrahl, wie einem Laserstrahl, um die bestrahlte Fläche zu sintern, und
- (3) ein Schritt zur Bildung der Peripherie einer einzigen Schicht oder einer Vielzahl von Schichten, die dem Sinterschritt (2) unterworfen worden sind, wobei der Umfangsrandabschnitt bzw. die Umfangsrandabschnitte von ihr bzw. von ihnen mit einem Stirnfräser bearbeitet und die Schritte (1), (2) und (3) zur Bildung der abschließend erforderlichen dreidimensionalen Formen wiederholt werden.
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Bei den bekannten Verfahren, wie sie in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung (Übersetzung der PCT- Anmeldung)
JP H08-502 703 A und
JP 2003-502 500 A offenbart sind, wird bei dem Sinterschritt (2) der Bestrahlungsgrad in der Herstellungsfläche einer Bestrahlungsoberfläche, wie in
1 gezeigt ist, annähernd konstant gehalten und wird nicht speziell in der Fläche eingestellt.
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Es ist bekannt, dass die Härte und Dichte eines herzustellenden Gegenstandes sich natürlich mit dem Sintergrad ändern. Dennoch muss der herzustellende Gegenstand nicht notwendigerweise eine konstante Härte und Dichte über der gesamten Fläche haben.
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Es gibt viele Fälle, bei denen am Umfangsabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands eine höhere Härte und eine größere Dichte erforderlich sind, während dies für den zentralen Abschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands nicht immer erforderlich ist.
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Es ist auch der umgekehrte, jedoch seltenere Fall möglich, dass am Umfangsabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands eine niedrige Härte und eine geringe Dichte erforderlich sind, während eine hohe Härte und eine hohe Dichte am Mittelabschnitt der Oberfläche des herzustellenden Gegenstands verlangt werden.
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In diesem Fall bedeutet das Bestrahlen der gesamten Herstellungsfläche mit einem Lichtstrahl etwa gleicher Stärke über der gesamten Herstellungsfläche, wie es bei den herkömmlichen Verfahren gemacht wird, eine Bestrahlung mit einem verschwenderischen Lichtstrahl, was hinsichtlich Herstellungsgeschwindigkeit und Herstellungskosten unangemessen ist.
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Wenn herzustellende Gegenstände, die so gesintert sind, dass sie in etwa eine gleichförmige Härte und Dichte haben, als einzelne Bauelemente miteinander verbunden werden, wie dies bei den herkömmlichen Verfahren getan wird, obwohl Härte und die Dichte sequentiell geändert werden müssen, ergeben sich schnelle Änderungen in Härte und Dichte an den Verbindungsgrenzabschnitten. Dies führt zu vielen Defekten, wie einer Separierung und einem Reißen.
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Dies führt zu grundsätzlichen Nachteilen, wie eine Leckage von Flüssigkeit, beispielsweise einem Wasserdurchlass, und zur Reduzierung der erforderlichen mechanischen Festigkeit in einem Rohraufbau, durch den ein Fluid hindurchströmen muss.
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Während die
DE 10 148 967 A1 die Hochdichtigkeitssinterung der Oberfläche eines Pulversinterabschnitts offenbart, geht die hier offenbarte Erfindung nicht von der Annahme einer sequentiellen Einstellung von Härte und Dichte über der gesamten Sinterfläche aus.
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Die
DE 101 12 591 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem zur Bildung eines zusammenhängenden Bereichs des Formkörperquerschnittmusters in einer betreffenden Schicht der Strahl in einer Weise abgelenkt oder/und die zu bestrahlende Schicht relativ zu dem Strahl in einer Weise bewegt wird, dass der Strahl beginnend mit einer Startkonturlinie mehrere einander vorzugsweise mit geringer Überlappung benachbarte, insbesondere zwiebelringartig ineinander verschachtelte Konturen auf der Schicht beschreibt.
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In der
DE 100 42 132 A1 wird durch vollständiges Aufschmelzen der Außenperipherie eines Sinterwerkstückes während dessen Herstellung eine Randschicht des Werkstückes erzeugt, die ohne weiteres nachbearbeitbar ist. Innenbereiche des Werkstückes werden dagegen weniger dicht gesintert.
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Selektive Sinterverfahren sind ferner aus der
DE 101 48 967 A1 , sowie der
WO 2004/ 056 509 A1 bekannt. Gemäß der
WO 2004/ 056 509 A1 wird ein zu sinternder Bereich in mehrere Sektionen unterteilt, welche separat voneinander in einer vorgebbaren Reihenfolge gesintert werden. Durch eine geeignete Reihenfolge der Sinterung der einzelnen Bereiche kann der Temperatureintrag in das Sinterbauteil reguliert und somit Innen- und Oberflächenspannungen des Sinterbauteils reduziert werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein optisches Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit dem durch Sintern mit einem Lichtstrahl die Härte und Dichte eingestellt werden können, die für jede optische Herstellungsfläche bei der Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands erforderlich sind, wobei ein hervorragender Arbeitswirkungsgrad erreicht werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands mit den Merkmalen eines des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.
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Bei dem optischen Herstellungsverfahren nach der Erfindung wird eine Pulverschicht mit vorgegebener Dicke ausgebildet und anschließend die Pulverschicht mit einem Lichtstrahl eine vorgegebene Anzahl von Malen gesintert. An den Pulverschichten wird eine Peripherie durch Schneiden hergestellt. Der Sintergrad wird dadurch geändert, dass eine Bestrahlungsstärke pro Flächeneinheit einer durch einen Lichtstrahl zu sinternden Oberfläche entsprechend einer kürzesten Distanz von einer Umfangsfläche einer jeden Pulverschicht aus geändert wird.
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Der Grund, warum der Lichtstrahl-Bestrahlungsgrad entsprechend der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche eines herzustellenden Gegenstandes eingestellt wird, wie es bei dem vorstehenden Grundaufbau der Fall ist, besteht darin, dass bei den meisten herzustellenden Gegenständen sich die erforderliche Härte und Dichte entsprechend der Entfernung von der Fläche unterscheidet.
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Im Falle der meisten mechanischen Teile, wie beispielsweise Formen, ist es wahrscheinlich, dass die erforderliche Härte und Dichte verglichen mit denen an der Umfangsfläche und in deren Nähe zu der Flächenmitte hin geringer werden.
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Auf einem speziellen Gebiet, wie dem der Medizin, wo mit einem Material, wie künstlichen Knochen in einem menschlichen Körper gearbeitet wird, besteht der Ausnahmefall, dass die erforderliche Härte und Dicke an der Oberfläche und in ihrer Nähe niedrig sein können, jedoch zu ihrer Mitte hin größer werden müssen.
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Die Härte und die Dichte hängen von der Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche der Oberfläche ab, die mit einem Lichtstrahl gesintert wird. Die Bestrahlungsmenge pro Einheitsfläche wird dadurch eingestellt, dass beispielsweise die Spotgröße einer Bestrahlungsfläche oder die Lichtstrahlstärke in der Bestrahlungsfläche, wie die Lichtstrahlabgabeleistung oder die Überstreichungsgeschwindigkeit, entsprechen der kürzesten Distanz von der Umfangsfläche geändert wird.
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Für die Ausführung der Erfindung ist wesentlich, die Strahlungsstärke pro Einheitsfläche in Übereinstimmung mit der kürzesten Distanz zu ändern, während tatsächlich die Fläche mit einem Lichtstrahl überstrichen wird.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
- 1A und 1B zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine Sinterfläche, wobei in beiden Figuren gezeigt wird, dass eine spezifische ebene Fläche zu einem zu sinternden Gegenstand zu dem Zeitpunkt der sequentiellen Ausbildung von herzustellenden Gegenständen wird.
- 2 zeigt in einem Blockschaltbild ein CAD/CAM-System.
- 3A ist eine Draufsicht auf eine typische Ausgestaltung der Erfindung und zeigt eine ganze planare Fläche, die mit einem Lichtstrahl längs Äquipotentiallinien überstrichen wird.
- 3B ist eine teilweise vergrößerte Draufsicht der Ausführungsform und zeigt die Einstellung der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede Bestrahlungseinheitsfläche.
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Bei dem optischen Herstellungsverfahren werden der Schritt (1) der Pulverdispersion und - planarisierung, der Sinterschritt (2) und der Formungsschritt (3) durch ein System 3 verwirklicht, wie es in 2 gezeigt ist.
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Das System 3 hat ein rechnergestütztes Entwurfsystem bzw. ein CAD-System 31, das eine Gegenstandsform einstellt und oder mittels eines computergestützten Bewegungssystems bzw. CAM-Systems 32 Daten setzt, die für die Bearbeitung des Gegenstands erforderlich sind. Das CAM-System 32 erzeugt einen Prozess, der zur Steuerung der Schritte (1), (2) und (3) erforderlich ist, wonach eine NC- (numerisch gesteuerte) Einrichtung 4 die Schritte (1), (2) und (3) steuert.
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Im Folgenden werden zwei typische Ausführungsformen (a) und (b) beschrieben, die auf der Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 beruhen.
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Bei dem optischen Herstellungsverfahren (a) ist eine Form einer Umfangsfläche einer jeden zu sinternden Einheit mit einem CAD-System 31 eingestellt.
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Es wird ferner eine Vielzahl von Äquipotentiallinien 2 auf jeder zu sinternden Oberfläche 11 mit Teilungen eingestellt, die gleich oder kleiner als eine Spotbreite in einer Bestrahlungsfläche einer Lichtstrahlfläche sind. Die Äquipotentiallinie 2 wird dadurch erhalten, dass eine Vielzahl von Punkten mit gleicher kürzester Distanz von der Umfangsfläche verbunden werden. Der Lichtstrahl überstreicht jede zu sinternde Fläche 11 längs der Äquipotentiallinien 2 mit einer annähernd gleichen Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche unter Verwendung des CAD-Systems 31 oder des CAM-Systems 32. Die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke pro Einheitsfläche wird für jede Äquipotentiallinie 2 geändert.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Herstellungsverfahren nach (b) wird durch das CAD-System 31 die Form einer jeden zu sinternden Einheit eingestellt. Ferner wird eine Vielzahl von Äquipotentiallinien 2 auf der zu sinternden Fläche eingestellt. Jede Äquipotentiallinie 2 wird dadurch erhalten, dass eine Vielzahl von Punkten mit gleicher kürzester Entfernung von einer Umfangsfläche einer jeden zu sinternden Fläche 11 verbunden wird. Die Bestrahlungseinheitsflächen werden dadurch eingestellt, dass jede zu sinternde Fläche 11 in einer Breite, die gleich oder kleiner ist als eine Bestrahlungsbreite eines Lichtstrahls in Vertikal- und Horizontalrichtung, durch Verwendung des CAD-Systems 31 oder des CAM-Systems 32 in gleiche Segmente unterteilt wird. Ferner wird die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede der Bestrahlungseinheitsflächen in Zuordnung zu den Äquipotentiallinien 2, die durch jede Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, unter Verwendung einer Software eingestellt, die das CAM-System 32 erzeugt. Schließlich wird eine Bestrahlungsstärke als Instruktion einer Lichtstrahlbestrahlungsvorrichtung 5 (2) zugeführt, die jede Bestrahlungseinheitsfläche in Vertikalrichtung oder Horizontalrichtung mittels der NC-Steuereinrichtung 4 überstreicht.
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Bei der Ausgestaltung nach (a), bei der ein Lichtstrahl längs der Äquipotentiallinien 2 bewegt wird, ergibt sich ein sehr effizientes Arbeiten, indem wenigstens die Bestrahlungsstärke oder die Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls für jede Äquipotentiallinie 2 durch das CAD/CAM-System 3 eingestellt wird, während die Bestrahlungsstärke und die Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls, der sich längs der Äquipotentiallinien 2 bewegt, beibehalten werden.
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Bei der Ausführung nach (a) muss für ein Bewegen des Lichtstrahls von einer spezifischen Äquipotentiallinie 2 zur nächsten angrenzenden Äquipotentiallinie 2 das CAM-System 32 ein Programm vorwählen, das in der Lage ist, einzeln zu erkennen, dass der Lichtstrahl längs einer Äquipotentiallinie 2 einmal herumläuft, d. h. dass der Lichtstrahl zur gleichen Position wie der Ausgangsposition der Äquipotentiallinie 2 zurückkehrt und eine Bewegung des Lichtstrahls zu einer benachbarten Äquipotentiallinie 2 basierend auf dem Erkennungsergebnis für die NC-Steuereinrichtung 4 befiehlt.
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In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach (b), wo jede Bestrahlungseinheitsfläche eingestellt wird, wird die Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke für jede Bestrahlungseinheitsfläche so eingestellt, dass eine Anpassung an ein Verfahren zur Einstellung der Überstreichgeschwindigkeit des Lichtstrahls nicht oder nur sehr schwer möglich ist. Das Verfahren nach (b) kann jedoch dem herkömmlichen Verfahren folgen, einen Lichtstrahl linear zu bewegen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach (b) braucht eine einzelne Äquipotentiallinie 2 nicht durch jede Segmentfläche 12 hindurchzugehen was von der Beziehung zwischen den Breiten der Äquipotentiallinien 2 und den Breiten der Segmentflächen 12 abhängt, es kann jedoch der Fall eintreten, dass eine Vielzahl von Äquipotentiallinien 2 durch jede Segmentfläche 12 hindurchgeht.
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Wenn mehrere Äquipotentiallinien 2 durch eine spezielle Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, wird die spezielle Bestrahlungseinheitsfläche weiter in Segmentflächen für jede der Äquipotentiallinien 2 unterteilt und die jeder der Äquipotentiallinien 2 entsprechende Bestrahlungsstärke wird in jeder der Segmentflächen durch Verwendung der Software eingestellt, die durch das CAM-System 32 festgestellt wird.
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Wenn die Äquipotentiallinien 2 durch eine spezielle Bestrahlungseinheitsfläche hindurchgehen, wird der Mittelwert der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke in den Bestrahlungseinheitsflächen an in Vertikalrichtung oder Horizontalrichtung und auf beiden Seiten nächstgelegenen Positionen, wo die Äquipotentiallinien 2 hindurchgehen, eingestellt oder es wird die Bestrahlungsstärke, die von der Lichtstrahl-Bestrahlungsstärke aus in arithmetischer oder geometrischer Weise sequentiell geändert wird, für jede Bestrahlungseinheitsfläche durch Verwendung der Software eingestellt, die von dem CAM-System 32 bereitgestellt wird.
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Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben.
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Wenn ein steuerungsbezogenes Programm zur Zeit der Herstellung eines nächsten Gegenstandes, nachdem die Herstellung eines speziellen Gegenstandes abgeschlossen ist, unter Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 erzeugt wird, kann eine die NC-Steuereinrichtung 4 nutzende Steuerung basierend auf diesem Programm während der Programmerzeugungszeit nicht ausgeführt werden.
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Bei dem Beispiel, das die Verwendung des CAD/CAM-Systems 3 voraussetzt, erzeugt das CAM-System 32 ein Programm, das sich auf die Steuerung eines als nächsten herzustellenden Gegenstandes 1 bezieht, während der Lichtstrahl-Bestrahlungsgrad für einen speziellen herzustellenden Gegenstand 1 als Instruktion gegeben wird.
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Die Verwendung der Struktur des Beispiels kann die Zeit, die zum Erzeugen des Programms in dem CAM-System 32 erforderlich ist, im Wesentlichen auf Null bringen, wodurch ein äußerst wirksames fortlaufendes Arbeiten möglich wird.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Grundaufbau kann mit der Erfindung eine Sinterung erreicht werden, die für die gewünschte Härte und Dichte für jeden Herstellungsbereich mit der kürzesten Distanz von der den Bezug bildenden Umfangsfläche aus erforderlich ist. Ferner können die Herstellungsgeschwindigkeit und die Herstellungskosten verglichen mit dem Fall verbessert werden, bei welchem der gleiche Sintergrad über der gesamten Fläche bewirkt wird.
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Die Erfindung kann in allen Bereichen der optische Mittel benutzenden Fertigung eingesetzt werden, bei der eine Pulverschicht mit einem Lichtstrahl gesintert wird.
