DE102007057450A1 - Producing three-dimensional articles e.g. injection mold, comprises applying and pressing solidifyable fluid or powdered material layer on target surface, and illuminating selected part of the layer with energy beam or material beam - Google Patents

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Abstract

The method for producing three-dimensional articles e.g. an injection mold, comprises applying and pressing solidifyable fluid or powdered material layer on a target surface, illuminating a selected part of the layer with an energy beam or a material beam corresponding to a cross section of the article, so that the material layer solidifies itself in the selected part, where the radiated part and its environment are heated, and repeating the application step and the illumination step for several layers, which form layer cakes, so that the solidified part connects itself to form the article. The method for producing three-dimensional articles e.g. an injection mold, comprises applying and pressing solidifyable fluid or powdered material layer on a target surface, illuminating a selected part of the layer with an energy beam or a material beam corresponding to a cross section of the article, so that the material layer solidifies itself in the selected part, where the radiated part and its environment are heated, and repeating the application step and the illumination step for several layers, which form layer cakes, so that the solidified part of the adjacent layers connects itself to form the article. The produced article is actively cooled, where the cooling is variably carried out at different positions within a construction chamber. A control or regulation of the cooling is variably carried out at the different positions. An independent claim is included for a device for producing three-dimensional articles from solidifyable fluid or powdered material.

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 10108612 C1 oder der DE 10 2005 041 559 bekannt. Dabei kann das verfestigbare Material pulverförmig sein wie z. B. in der DE 10108612 C1 oder fluid wie in der DE 10 2005 041 559 .The invention relates to a method and an apparatus for producing a three-dimensional object from a solidifiable material. Such methods and devices are for. B. from the DE 10108612 C1 or the DE 10 2005 041 559 known. In this case, the solidifiable material may be powdery such. B. in the DE 10108612 C1 or fluid as in the DE 10 2005 041 559 ,

Die DE 10108612 C1 betrifft das sogenannte Selektive Lasersintern (SLS, Selektive 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.The DE 10108612 C1 relates to so-called Selective Laser Sintering (SLS). SLS is a rapid technology process in which a platform that can be lowered into a construction space (construction space floor) carries a powder layer that is heated by a laser beam in selected areas, so that the powder particles merge to form a first layer. Subsequently, the platform is lowered by about 20 to 200 μm (depending on the particle size and type) down into the construction space and a new powder layer is applied. The laser beam again draws its path and melts the powder particles of the second layer together and the second with the first layer and in it a solidified three-dimensional object, for example an injection mold. Occasionally, the installation space as a whole or superficially preheated to reduce the necessary additional energy input for sintering.

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 3D2 möglich um beispielsweise die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.In similar Way contributes to the rapid technology process 3d printing (3DP, 3 dimensional printing) a platform which can be lowered into a construction space (Construction space floor) a powder layer, which by a liquid jet is irradiated in selected areas, reducing the powder particles (an) dissolved or a chemical reaction with each other be excited, so that the powder particles become a first Connect layer. It can also be due to the reaction Warming occurs. A targeted warm-up is also possible with the 3D2 for example the reaction speed to increase.

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.Likewise, in stereolithography, radiation-sensitive fluid layers are solidified by irradiation. The irradiation is usually carried out by means of UV radiation but also by means of IR radiation or liquid jets, z. B. according to the DE 10 2005 044 920 A1 , This can also occur warming.

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.Instead of with space-limited energy or liquid jets is sometimes irradiated over a large area by masks, z. B. in selective masks sintering (SMS) according to the EP 1015214 B1 , This can also occur warming.

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 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. Grundsätzlich liegen die erreichbaren Bauteil- und dessen Materialeigenschaften von SMS- oder SLS-Bauteilen deutlich unter denen von spritzgegossenen Bauteilen desselben Basismaterials, z. B. PA12.Within of the space experience certain areas - depending of the geometry of the component to be manufactured - for a longer or shorter period the above called heating by the irradiation during other areas are not heated thereby. Furthermore If only the uppermost material layer is heated by the irradiation, the lower layers give the absorbed heat to their Environment and cool off. The result is inhomogeneous temperature distributions and thermal stresses within the layer cake leading to component distortion being able to lead. When sms can be dependent of used material, a preheating of the whole Installation space be necessary. This is z. For example, in PA12 the case. Especially in the middle of the construction space heat accumulation can occur so that the powder cake becomes hard overall. in principle are the achievable component and its material properties of SMS or SLS components significantly below those of injection molded components Components of the same base material, eg. B. PA12.

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 Temperierung der einzelnen Schichten und damit ein geringerer Bauteilverzug resultieren.In the EP 556 291 B1 In order to minimize this problem, it has already been proposed to set a uniform base temperature of the respective surface layer by means of an annular radiant heater mounted in parallel above it. This should result in a more uniform tempering of the individual layers and thus a lower component distortion.

In der DE 10108612 C1 wird 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 die Temperierung der einzelnen Schichten weiter vergleichmäßigt.In the DE 10108612 C1 It is proposed to heat the jacket of the installation space in such a way that a temperature distribution in the enclosure is established which decreases starting from the areas of the jacket adjoining the last sintered surface of the layer cake in the direction of the installation space floor. As a result, the temperature of the individual layers is further uniformed.

Messungen zeigen, dass der Bauteilverzug durch die genannten Maßnahmen weitgehend eingeschränkt werden kann. Dennoch weisen SMS- oder SLS-Bauteile Materialeigenschaften auf, die deutlich unter denen von spritzgegossenen Bauteilen desselben Basismaterials liegen.measurements show that the component delay by the measures mentioned can be largely restricted. Nevertheless, SMS or SLS components have material properties that are well below those of injection molded components of the same base material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein generatives Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren Material anzugeben, bei welchen die Materialeigenschaften des fertig gestellten Gegenstandes geringere Unterschiede zu de nen eines vergleichbaren spritzgegossenen Gegenstandes aus demselben Basismaterial aufweisen.Of the Invention is based on the object, a generative process and an apparatus for generatively producing a three-dimensional object specify from a solidifiable material in which the material properties of the finished object smaller differences to de nen a comparable injection-molded article from the same Base material have.

Darüber hinaus wird angestrebt, dass die Materialeigenschaften des fertig gestellten Gegenstandes in verschiedenen Jobs und auch innerhalb eines Jobs überall im Bauraum reproduzierbar sind. Außerdem sollen durch gezielte Einstellung der Gefügebildung und Optimierung der Spannungszustände die Materialeigenschaften des gefertigten Gegenstandes geringere Unterschiede zu denen eines vergleichbaren spritzgegossenen Gegenstandes aus demselben Basismaterial aufweisen.In addition, it is sought that the Material properties of the finished object in different jobs and even within a job anywhere in the space are reproducible. In addition, by targeted adjustment of the structure formation and optimization of the stress states, the material properties of the manufactured article should have smaller differences from those of a comparable injection-molded article made from the same base material.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 wiedergegeben. Durch die Merkmale der weiteren Patentansprüche werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen beider angegeben.The Invention is in relation to the process to be created and to creating device by the features of the claims 1 and 5 reproduced. By the features of the further claims Advantageous embodiments and developments of both are given.

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

  • – Auftragen und Glätten einer verfestigbaren fluiden oder 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 nach der Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes derselbe aktiv gekühlt wird.With regard to the method to be produced for producing a three-dimensional object, the object is achieved according to the invention by the following steps:
  • Applying and smoothing a solidifiable fluid or powdery material layer onto a target surface,
  • Irradiating a selected part of the layer with an energy or material beam, corresponding to a cross-section of the object, so that the material layer solidifies in this selected part, whereby the irradiated parts and their surroundings heat up,
  • Repeating the steps of applying and irradiating for a plurality of layers forming a layer cake,
such that the solidified parts of the adjacent layers combine to form the article,
characterized,
that after the production of the three-dimensional object, the same is actively cooled.

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 im Falle der Verwendung von pulverförmigen Material die Partikeln im Bestrahlungsbereich nicht vollständig aufschmelzen. Ein Anschmelzen oder eine energetische Initiierung einer chemischen Reaktion können ggf. ebenfalls ausreichen.Of the Energy beam can be of any kind, z. B. an electron beam or IR beam, preferably a laser beam as long as the energy input in the material layer is only sufficiently high to a local To cause solidification of the material layer. To do this in the case of using powdery material the Particles in the irradiation area do not completely melt. A melting or energetic initiation of a chemical Reaction may also be sufficient.

Bei Verwendung eines Materialstrahls kann sowohl festes (Partikelstrahl) als auch flüssiges Material (Flüssigkeit, Suspension, Emulsion, Auftragschweißen, etc.) auf die Materialschicht der Zielfläche gestrahlt werden.at Use of a material beam can be both solid (particle beam) as well as liquid material (liquid, suspension, Emulsion, build-up welding, etc.) on the material layer the target surface are blasted.

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.at Using a liquid jet, it is advantageous if in the liquid at least a part of the material layer is soluble or due to the interaction with the liquid a reaction is triggered, which is a local solidification of the Material layer in the impingement of the liquid causes. The term fluid jet does not just include one continuous jet, but in particular individual drops.

Unter Schichtkuchen wird der schichtweise aufgetragene Pulverzylinder innerhalb des Bauraums verstanden, der verfestigte und nicht verfestigte Bereiche enthält.Under Layer cake is the layer-wise applied powder cylinder within the construction space, the solidified and not solidified Contains areas.

Die erfindungsgemäß durchgeführte aktive Kühlung nach der Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes (d. h. eine zusätzliche Maßnahme neben der Abkühlung in normaler Raumluft) bewirkt, dass die Materialeigenschaften des fertig gestellten Gegenstandes geringere Unterschiede zu denen eines vergleichbaren spritzgegossenen Gegenstandes aus demselben Basismaterial aufweisen. Dies wird auf eine verbesserte Gefügebildung des Materials sowie eine verminderte thermische Degradation des Basismaterials aufgrund der verkürzten Einwirkung hoher Temperaturen zurückgeführt.The according to the invention carried out active cooling after the production of the three-dimensional object (i.e. additional measure in addition to the cooling in normal room air) causes the material properties of the finished object smaller differences to those of a comparable injection-molded article of the same base material exhibit. This is due to an improved structure formation of the material as well as a reduced thermal degradation of the base material due to the shortened action of high temperatures returned.

Vorzugsweise erfolgt die aktive Kühlung innerhalb des Schichtkuchens. Die Kühlung innerhalb des Schichtkuchens homogenisiert die Temperaturverteilung während der beschleunigten Abkühlung des Gegenstandes und reduziert thermische Degradation des Basismaterials.Preferably the active cooling takes place within the layer cake. The cooling homogenized within the layer cake the temperature distribution during the accelerated cooling of the Object and reduces thermal degradation of the base material.

Diese Homogenisierung der Temperaturverteilung innerhalb einer Schicht und der Temperaturabnahme wird erzielt, indem man mittels der zusätzlichen Kühlung innerhalb des Schichtkuchens eine zusätzliche Temperaturverteilung mit in Bauraumbodenrichtung absinkender Temperatur zu einer von außen einwirkenden Temperaturverteilung überlagert.These Homogenization of the temperature distribution within a layer and the temperature decrease is achieved by using the additional Cooling within the cake layer an additional Temperature distribution with decreasing temperature in the installation space bottom direction superimposed on an externally acting temperature distribution.

Vorteilhaft erfolgt die Kühlung an mehreren, vorzugsweise variablen, Positionen in mindestens einer Ebene des Bauraums. Diese Positionen können z. B. alle in einer Schichtebene des Schichtkuchens liegen, für andere Anwendungsfälle mögen alle Positionen in einer zur Schichtung senkrechten Ebene vorteilhaft sein und in wieder anderen Anwendungsfällen kann auch eine dreidimensional verteilte Anordnung der Kühlpositionen vorteilhaft sein. Wenn die Anordnungsmöglichkeiten der Kühlpositionen variabel ausgestaltet sind, können alle diese An wendungsfälle in derselben Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden.Advantageous cooling takes place at several, preferably variable, Positions in at least one level of the installation space. These positions can z. B. all lie in a layer plane of the layer cake, for other applications all like Positions in a plane perpendicular to the stratification advantageous and in still other applications can also be a three-dimensionally distributed arrangement of the cooling positions be beneficial. If the arrangement possibilities of the Cooling positions are designed variable, can All of these applications in the same device advantageous be executed.

Die Kühlung kann an allen Positionen oder auch nur allen Positionen einer Ebene gleichmäßig erfolgen, d. h. jeweils eine einheitliche Temperatur an das umgebende Schichtmaterial vermittelt werden. Noch vorteilhafter kann es aber sein, wenn an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Bauraums eine unterschiedliche Kühlung erfolgt. Beispielsweise kann die Kühlung in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Kühlposition zur Kontur des verfestigten Gegenstandes innerhalb des Schichtkuchens erfolgen, z. B. bedingt eine stärkere Kühlung in geringerem Abstand zum vergleichsweise warmen Gegenstand durch die Überlagerung der jeweiligen Temperaturverteilungen insgesamt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung.The cooling can be even at all positions or even all positions of a plane evenly take place, ie in each case a uniform temperature to the surrounding layer material are taught. However, it may be even more advantageous if different cooling takes place at different positions within the construction space. For example, the cooling can be done depending on the distance of the respective cooling position to the contour of the solidified article within the layer cake, z. B. requires a greater cooling at a shorter distance to the comparatively warm object by the superposition of the respective temperature distributions overall a more uniform temperature distribution.

In Hinsicht auf eine solche gleichmäßigere Temperaturverteilung ist auch eine Steuerung oder Regelung der Kühlung vorteilhaft, welche vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Bauraums unterschiedlich erfolgt.In Regard to such a more uniform temperature distribution is also a control or regulation of the cooling advantageous which preferably at different positions within the installation space done differently.

Zur Ermittlung geeigneter Steuerparameter kann z. B. eine Simulation des Abkühlprozesses des generativ hergestellten Gegenstandes 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 und deren Abkühlverhalten innerhalb des Pulverkuchens können mit bekannten Verfahren, z. B. durch Lösen der Wärme leitungsgleichung, ebenfalls ermittelt werden und ebenso die Beeinflussung dieser Temperaturverteilung durch Überlagerung einer zusätzlichen aktiven Kühlung, z. B. innerhalb des Bauraums. Optimierungsverfahren sind dem Fachmann ebenfalls bekannt. Einzelne Schritte der Simulation können experimentell verifiziert oder ersetzt werden.To determine suitable control parameters z. B. a simulation of the cooling process of the generatively manufactured object can be performed. It is particularly advantageous for controlling any, z. B. also specify non-linear and temporally variable temperature distribution, which has been optimized by means of a simulation of the laser sintering process with respect to a reduction of the component distortion. A corresponding simulation of the energy input of a laser into the powder layers of the layer cake has already been proposed, for example in the German patent application DE 100 50 280 A1 , The resulting temperature distributions and their cooling behavior within the powder cake can with known methods, eg. B. by dissolving the heat line equation, also be determined and also the influence of this temperature distribution by superimposing an additional active cooling, z. B. within the space. Optimization methods are also known to the person skilled in the art. Individual steps of the simulation can be experimentally verified or replaced.

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.to Determining suitable control parameters can be the actual Temperature distribution on the material layer surface or also determined within the layer cake by known measuring methods and to control a more uniform temperature distribution be used.

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren fluiden oder 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 Kühleinrichtung umfasst, welche innerhalb des Bauraums angeordnet ist.The object is achieved with respect to the device to be created for producing a three-dimensional object from a solidifiable fluid or powdery material by means of the following means:
  • A device for applying a layer of the material to a target surface in a construction space,
  • A device for smoothing the material layer,
  • A device for irradiating a selected part of the material layer with an energy or material beam,
  • A device for lowering the target area within the construction space,
wherein the device comprises at least one cooling device, which is arranged within the installation space.

Dabei ist die Zielfläche zu Beginn der Herstellung der Bauraumboden und während der Herstellung die jeweils oberste Materialschicht des sich aufbauenden Schichtkuchens.there is the target area at the beginning of the production of the construction space floor and during production, the uppermost material layer of the building up layer cake.

Das erfindungsgemäße Kühleinrichtung innerhalb des Bauraums ist vorzugsweise innerhalb des Schichtkuchens angeordnet und vermindert die thermische Degradation des Basismaterial, da die Temperaturverteilung innerhalb einer Schicht des Schichtkuchens so besser homogenisiert werden kann und ausgehend von den bestrahlten Bereichen der Schichtkuchenoberfläche bis zum Boden des Bauraums gleichmäßiger und schneller absinken kann.The Cooling device according to the invention within of the installation space is preferably arranged within the layer cake and reduces the thermal degradation of the base material, since the temperature distribution Homogenized within a layer of the layer cake so better can be and starting from the irradiated areas of the layer cake surface even and faster to the bottom of the installation space can fall.

Die Kühleinrichtung kann z. B. Stab-, Rohr-, Gitter- oder Plattenförmig ausgestaltet werden. Sie kann z. B. als Verdampfungskühler ausgestaltet sein oder auch als fluide Temperaturableitung (z. B. Wasser- oder Öl-Kühlung) oder auch thermoelektrisch arbeiten.The Cooling device can, for. B. rod, tube, grid or plate-shaped be designed. You can z. B. as evaporative cooler be designed or as a fluid temperature derivative (eg. Water or oil cooling) or thermoelectric work.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die mindestens eine Kühleinrichtung im Bauraum ortsfest angeordnet. (Im Gegensatz zur absenkbaren Zielfläche). Dazu ist die Temperiereinrichtung z. B. stabförmig ausgebildet und durchdringt den Bauraumboden formschlüssig durch eine geeignete Bohrung. Wird der Bauraumboden zum Absenken der Zielfläche gesenkt, so kann die Kühleinrichtung ortsfest verbleiben. Besonders vorteilhaft sind die Vorrichtung und ggf. der Bauraumboden zur variablen Aufnahme der mindestens einen Kühleinrichtung ausgestaltet. Dazu können z. B. eine Vielzahl von geeigneten Aufnahmen in vorgegebener Verteilung und Anordnung (z. B. regelmäßige 2·2-Matrix) vorgesehen sein, in welche eine oder mehrere Kühleinrichtungen je nach jeweiligem Bedarf in wechselnder Anzahl und Anordnung angebracht werden. Die jeweils nicht benötigten Aufnahmen sind durch geeignete Maßnahmen (z. B. Verschlußkappe) zu schließen, damit das Schichtmaterial nicht durch sie aus dem Bauraum entweichen kann.In advantageous embodiment, the at least one cooling device fixed in space. (In contrast to the lowerable target area). To is the tempering z. B. rod-shaped and penetrates the space floor by a positive fit suitable hole. Is the space floor for lowering the target area lowered, the cooling device may remain stationary. Particularly advantageous are the device and possibly the space floor for variably receiving the at least one cooling device designed. These can z. B. a variety of suitable Recordings in predefined distribution and arrangement (eg regular 2 x 2 matrix) into which one or more Cooling devices depending on the respective needs in changing Number and arrangement are attached. The respectively not needed Images are taken by suitable measures (eg cap) close so that the layer material does not pass through them can escape from the installation space.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die mindestens eine Kühleinrichtung unterschiedlich kühlbare Sektoren auf. Z. B. ein in mehrere einzeln ansteuerbare Kühlkammern (=Sektoren) unterteilter Kühlstab.In a further advantageous embodiment, the at least one cooling device on different coolable sectors. For example, a divided into several individually controllable cooling chambers (= sectors) Ice Stick.

Ebenfalls vorteilhaft weist die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Kühleinrichtungen. 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.Also Advantageously, the device has at least one control or regulating device on for separate control or regulation of different cooling devices. This can be z. B. an inhomogeneous temperature distribution specify in the installation space, their superposition with the inhomogeneous temperature distribution as a result of the irradiation of the layer cake a total of a homogeneous Temperature distribution of the layer cake causes.

Alternativ oder additiv kann diese Homogenisierung noch verbessert werden, wenn die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Sektoren mindestens einer Kühleinrichtung. Die Regeleinrichtung umfasst dabei ggf. eine geeignete Messeinrichtung zur Erfassung der Ist-Temperaturverteilung oder ist mit einer solchen Messeinrichtung verbunden.alternative or additively, this homogenization can be improved even further, if the device has at least one control or regulating device for separate control or regulation of different sectors at least one cooling device. The control device If necessary, this includes a suitable measuring device for detection the actual temperature distribution or is with such a measuring device connected.

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 fluiden oder 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.
The device according to the invention and the method according to the invention will be explained in more detail on the basis of an exemplary embodiment.
The exemplary apparatus for producing a three-dimensional article from a solidifiable fluid or powdery material is a commercially available laser sintering apparatus comprising:
  • A device for applying a layer of the material to a target surface in the installation space,
  • A device for smoothing the material layer,
  • A device for irradiating a selected part of the material layer with a laser beam,
  • - A device for lowering the target area within the space.

Die handelsübliche Lasersinteranlage weist zusätzlich eine Anzahl von Kühleinrichtungen auf, welche innerhalb des Bauraums angeordnet sind, sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Kühleinrichtungen.The Commercially available laser sintering machine has additionally a number of cooling devices which within the installation space are arranged, and a device for control the cooling equipment.

Die Kühleinrichtungen sind stabförmig ausgebildet und weisen mehrere einzeln ansteuerbare Kühlkammern (=Sektoren) auf.The Cooling devices are rod-shaped and have several individually controllable cooling chambers (= sectors) on.

Unterhalb des in üblicher Weise absenkbaren Bauraumbodens befindet sich ein weiterer feststehender Boden mit einer in Form einer regelmäßigen 2·2-Matrix angeordneten Vielzahl von Aufnahmen für die Kühleinrichtungen. Der absenkbare Bauraumboden weist zu diesen Aufnahmen deckungsgleich angeordnete Bohrungen auf, durch welche die stabförmigen Kühleinrichtungen ortsfest in den Bauraum hineinragen. Beim Absenken des Bauraumbodens scheinen die Kühleinrichtungen aus dem Bauraumboden herauszuwachsen und werden in den einzelnen Verfahrensschritten jeweils von einer oder auch mehreren Materialschichten bedeckt. Die korrespondierenden Bohrungen für im jeweiligen Anwendungsfall nicht benötigte Kühleinrichtungen sind durch geeignete Verschlusskappen abgedeckt.Below located in the usual way lowerable space floor another fixed ground with one in the form of a regular 2 x 2 matrix arranged variety of recordings for the cooling equipment. The lowerable space floor has on these recordings congruent arranged holes through which fixed the rod-shaped cooling devices protrude into the space. When lowering the space floor seem to grow the cooling equipment out of the construction space floor and are in each of the steps of each of a or covered by several layers of material. The corresponding ones Holes for not required in each application Cooling devices are by suitable caps covered.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt auch die Herstellung des Gegenstandes in üblicher Weise mittels des bekannten Verfahrens des selektiven Lasersinterns, wobei nach der Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes derselbe aktiv gekühlt wird.According to this Embodiment also takes place the production of the article in the usual way by means of the known method of selective laser sintering, wherein after the production of the three-dimensional The same object is actively cooled.

Für diese aktive Kühlung werden zunächst geeignete Steuerparameter für die Kühleinrichtungen ermittelt. Dafür wird zunächst eine Simulation des üblichen Bestrahlungsprozesses durchgeführt und die sich dabei ergebende Temperaturverteilung sowie deren Abkühlprozess berechnet. Anschließend erfolgt eine entsprechende Simulation zur rechnerischen Opti mierung einer zu überlagernden zusätzlichen Kühlung im Inneren des Bauraums in Hinsicht auf die Optimierung der Materialeigenschaften.For This active cooling will initially be appropriate Control parameters for the cooling devices determined. First, a simulation of the usual Irradiation process performed and the resulting Temperature distribution and their cooling process calculated. Subsequently, a corresponding simulation for mathematical optimization of an additional to be overlaid Cooling inside the installation space in terms of optimization the material properties.

Mit den derartig ermittelten Steuerparametern werden die Kühleinrichtungen nach Ablauf des ansonsten in üblicher Weise verlaufenden Lasersinterverfahrens angesteuert.With The control parameters determined in this way become the cooling devices after expiry of the otherwise usual way Laser sintering method controlled.

Die zusätzliche Kühlung (neben der Kühlung durch normale Wärmeabgabe an die Umgebung) innerhalb des Schichtkuchens bewirkt, dass die Materialeigenschaften des fertig gestellten Gegenstandes geringere Unterschiede zu denen eines vergleichbaren spritzgegossenen Gegenstandes aus demselben Basismaterial aufweisen. Dies wird auf eine verminderte thermische Degradation des Basismaterials aufgrund der verkürzten Einwirkung hoher Temperaturen zurückgeführt.The additional cooling (in addition to cooling by normal heat release to the environment) within the cake causes the material properties of the finished article lower Differences from those of a comparable injection-molded article from the same base material. This is going to be diminished Thermal degradation of the base material due to the shortened Influence of high temperatures attributed.

Die Kühlung erfolgt an mehreren Positionen in mehreren Ebenen des Bauraums. die Kühlung erfolgt in Abhängigkeit vom Abstand der jeweiligen Kühlposition zur Kontur des verfestigten Gegenstandes innerhalb des Schichtkuchens, z. B. bedingt eine stärkere Kühlung in geringerem Abstand zum vergleichsweise warmen Gegenstand durch die Überlagerung der jeweiligen Temperaturverteilungen insgesamt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung.The Cooling takes place at several positions in several levels of the installation space. the cooling is dependent from the distance of the respective cooling position to the contour of solidified object within the layer cake, z. B. conditioned a stronger cooling at a closer distance to the comparatively warm object due to the overlay the overall temperature distributions a more even Temperature distribution.

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.The Inventive device and the invention Methods are found in the embodiments of the above described example as particularly suitable for Rapid Manufacturing applications in the automotive industry.

Insbesondere kann so eine deutliche Verbesserung der Bauteilqualität hinsichtlich der thermischen Degradation des Basismaterials erreicht werden.In particular, such a significant improvement in component quality in terms of thermi degradation of the base material.

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 thermische Degradation des Basismaterials bedingt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die thermische Degradation bei mehreren Bauteilen minimiert werden durch geeignete Kühlung innerhalb des Bauraums, insbesondere zwischen benachbarten Bauteilgrenzen. Dies erlaubt auch, den Bauraum auf bisher nicht nutzbare Maßstäbe zu vergrößern.Furthermore The invention can increase productivity be used because it allows multiple components simultaneously produce in a large space. So far have the overlapping temperature distributions of several Components intolerable thermal degradation of the base material conditionally. By means of the device according to the invention and the method according to the invention, the thermal Degradation be minimized for several components by appropriate Cooling within the construction space, in particular between adjacent Component boundaries. This also allows the space on not yet to increase usable standards.

Mittels numerischer Optimierungsverfahren (z. B. FEM-Simulation) kann sowohl das sog. „Packaging", d. h. die Verteilung mehrerer Bauteile in einem Baureim, als auch die Verteilung mehrerer Temperiereinrichtungen innerhalb des Bauraums optimiert werden. Dadurch kann eine maximale Anzahl von Bauteilen gleichzeitig unter optimalen Temperaturbedingungen in einem Bauraum hergestellt werden und nach der Fertigstellung gezielt und beschleunigt abgekühlt werden.through numerical optimization methods (eg FEM simulation) can both the so-called "packaging", ie the distribution of several components in a Baureim, as well as the distribution of several tempering be optimized within the installation space. This can be a maximum Number of components at the same time under optimal temperature conditions be made in a space and after completion be cooled specifically and accelerated.

Aus Platzgründen kann es auch vorteilhaft sein, den Bauraumkörper aus der Vorrichtung entnehmbar auszugestalten und eine gesonderte, mit dem Bauraumkörper kompatible Kühleinrichtung außerhalb der Vorrichtung zur Herstellung des Gegenstandes vorzuhalten. In diesem Fall wird der Bauraumkörper nach Fertigstellung des Gegenstandes aus der Vorrichtung entnommen und mit der Kühleinrichtung verbunden. Die Kühleinrichtung ist dabei z. B. gemäß dem Ausführungsbeispiel ausgestaltet, d. h. der Bauraumboden weist eine Vielzahl von Bohrungen auf, durch welche die stabförmigen Kühleinrichtungen ortsfest in den Bauraum hineinfahren können.Out Space reasons, it may also be advantageous to the space body to design removable from the device and a separate, with the space body compatible cooling device outside the device for producing the article reproach. In this case, the space body is after Completion of the object taken from the device and connected to the cooling device. The cooling device is z. B. according to the embodiment designed, d. H. the space floor has a variety of holes through which the rod-shaped cooling devices can travel stationary in the space.

Alternativ kann die aktive Kühlung auch derart erfolgen, dass nach dem generativen Bauprozess das lose Pulver von dem fertig gestellten Gegenstand getrennt und aus dem Bauraum entnommen wird sowie der Gegenstand danach zur Abkühlung mit gasförmigen (z. B. CO2, N2 oder Luft) und/oder flüssigem Kühlmittel umspült wird. Ggf. muss der Gegenstand nach dem Einsatz von Flüssigkeit konditioniert, insbesondere getrocknet werden.Alternatively, the active cooling can also take place in such a way that after the generative building process the loose powder is separated from the finished object and removed from the construction space and the article is subsequently cooled with gaseous (eg CO 2 , N 2 or air). and / or liquid coolant is lapped. Possibly. the article must be conditioned after use of liquid, in particular dried.

Additiv kann (unabhängig von der Kühlung nach Fertigstellung des Gegenstandes) auch bereits während der Herstellung des Gegenstandes eine Kühlung auf die vorstehend beschriebene Art und Weise erfolgen. Damit lässt sich eine weitere Verbesserung der Bauteilqualität hinsichtlich der thermischen Degradation des Basismaterials erreichen.additive can (regardless of the cooling after completion the object) even during production the article is cooled to the above-described Way done. This is another improvement component quality with regard to thermal degradation of the base material.

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Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aufweisend folgende Schritte: – Auftragen und Glätten einer verfestigbaren fluiden oder 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 nach der Herstellung des dreidimensionalen Gegenstandes derselbe aktiv gekühlt wird.A method of producing a three-dimensional object comprising the following steps: applying and smoothing a solidifiable fluid or powdery material layer onto a target surface, irradiating a selected part of the layer with an energy or material beam corresponding to a cross-section of the object such that the material layer is in solidifying this selected part, thereby heating the irradiated parts and their surroundings, - repeating the steps of applying and irradiating for a plurality of layers forming a layer cake so that the solidified parts of the adjacent layers combine to adhere the object form, characterized in that after the production of the three-dimensional object, the same is actively cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung an mehreren, vorzugsweise variablen, Positionen in mindestens einer Ebene des Bauraums erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that the cooling at several, preferably variable, positions takes place in at least one level of the installation space. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Bauraums unterschiedlich erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the cooling at different positions within the space is different. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung der Kühlung erfolgt, vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Bauraums unterschiedlich erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a control or regulation of the cooling takes place, preferably at different positions within the Installation space is different. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem verfestigbaren fluiden oder 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 Kühleinrichtung umfasst, welche innerhalb des Bauraums angeordnet ist.Device for producing a three-dimensional Object of a solidifiable fluid or powdery Comprising material - a device for application a layer of the material on a target surface in one space, - a device for smoothing the Material layer, - a device for irradiation a selected part of the material layer with a Energy or material beam, - a facility for Lowering the target area within the installation space, thereby in that the device has at least one cooling device includes, which is arranged within the space. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühleinrichtung im Bauraum ortsfest angeordnet ist.Device according to claim 5, characterized in that that the at least one cooling device is stationary in the installation space is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraumboden zur – vorzugsweise variablen – Aufnahme der mindestens einen Kühleinrichtung ausgestaltet ist.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the space floor for - preferably variable - recording the at least one cooling device is configured. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme als 2-dimensionale Aufnahme-Matrix ausgestaltet ist.Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the recording as 2-dimensional Recording matrix is designed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühleinrichtung unterschiedlich kühlbare Sektoren aufweist.Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the at least one cooling device having different coolable sectors. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Kühleinrichtungen.Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the device at least one Control or regulating device for separate control or Control of different cooling devices. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zur separaten Steuerung oder Regelung unterschiedlicher Sektoren mindestens einer Kühleinrichtung.Device according to one of claims 5 to 10, characterized in that the device at least a control or regulating device for separate control or regulation of different sectors of at least one cooling device.
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