DE102010040261A1

DE102010040261A1 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit einer internen Struktur

Info

Publication number: DE102010040261A1
Application number: DE102010040261A
Authority: DE
Inventors: Monika Gessler; Michael Jan Galba; Johann Oberhofer
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-08
Also published as: JP2013536774A; CN103118858A; CN103770331B; US20130171019A1; CN103770331A; BR112013004655A2; WO2012028747A1; EP2440387A1; US10259041B2; EP2440387B2; BR112013004655B1; EP2440387B1; JP6021159B2

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Aufbaumaterial durch ein additives Schichtbauverfahren, bei dem ausgehend von Materialkennwerten des Aufbaumaterials und von vorgegebenen Eigenschaften des herzustellenden Objekts eine interne Struktur des Objekts mit einer Gitterstruktur berechnet wird und das dreidimensionale Objekt mit dieser internen Struktur durch das additive Schichtbauverfahren hergestellt wird, so dass es die vorgegebenen Eigenschaften aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit einer internen Struktur zum Erzeugen einer vorgegebenen Eigenschaft des Objekts. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung eines zumindest bereichsweise flexiblen dreidimensionalen Objekts aus einem pulverförmigen Material mittels Lasersintern, Maskensintern oder einem anderen Schichtbauverfahren.
Es existieren Elastomer-Pulver für das Lasersintern, mit denen ein flexibles Teil mit gummiartigen Eigenschaften hergestellt werden kann. Der Einsatzbereich eines derartigen Sinterpulvers ist jedoch beschränkt.
Ferner ist es aus der DE 10 2005 023 473 A1 bekannt, Schuhsohlen mit teilweise nachgiebigen Bereichen mittels Rapid-Prototyping, z. B. mittels Lasersintern, herzustellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, bei dem aus einem vorgegebenen Aufbaumaterial dreidimensionale Objekte mit unterschiedlichen Bauteileigenschaften erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass mit einem Ausgangsmaterial mit relativ hohem Elastizitätsmodul allein durch die Bauweise, basierend auf der inneren Struktur, flexible Objekte hergestellt werden können. Damit sind die Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu der Verwendung von Elastomerpulvern vergrößert.
Das Verfahren hat ferner den Vorteil, dass mit ein und demselben Werkstoff innerhalb eines Bauprozesses Objekte mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, beispielsweise mit verschiedenen Steifigkeiten, hergestellt werden können. Auch kann ein Objekt innerhalb eines Bauprozesses mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. lokal unterschiedlichen Steifigkeiten, aus ein und demselben Material erzeugt werden.
Damit lassen sich eine große Vielzahl von Objekten herstellen, insbesondere können Objekte aus einem gewünschten Material mit vorgegebenen Eigenschaften „on demand” hergestellt werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.
Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Lasersintermaschine;
2a) und 2b) eine schematische zweidimensionale Darstellung eines Quaders mit einer Gitterstruktur ohne und mit Einwirkung einer auf die Oberfläche wirkenden Kraft F;
3a) und 3b) eine schematische zweidimensionale Darstellung eines Quaders wie von 2a) und 2b) mit einer im vergleich zu 2a) und 2b) engeren Gitterstruktur ohne und mit Einwirkung derselben auf die Oberfläche wirkenden Kraft F;
4a eine schematische zweidimensionale Ansicht eines Quaders mit unterschiedlichen Gitterstrukturen innerhalb des Körpers;
4b eine schematische zweidimensionale Ansicht des Quaders von 4a unter Einwirkung einer Kraft f;
5 eine Darstellung zweier durch eine Trennscheibe separierter lasergesinterter Körper mit unterschiedlicher interner Gitterstruktur ohne Krafteinwirkung.
6 eine Darstellung der durch eine Trennscheibe separierten lasergesinterten Körper von 5 mit unterschiedlicher Gitterstruktur, die aufgrund einer Krafteinwirkung unterschiedlich starke Verformung zeigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden mit Bezug auf ein Lasersinterverfahren und eine beispielhafte Lasersintervorrichtung gem. 1 beschrieben.
Die Vorrichtung weist einen Baubehälter 1 auf, in dem ein Träger 2 zum Tragen eines zu bildenden Objekts 3 vorgesehen ist. Der Träger 2 ist über eine Höheneinstelleinrichtung 4 in vertikaler Richtung in dem Baubehälter verfahrbar. Die Ebene, in der aufgetragenes pulverförmiges Aufbaumaterial verfestigt wird, definiert eine Arbeitsebene 5. Zum Verfestigen des pulverförmigen Materials in der Arbeitsebene 5 ist ein Laser 6 vorgesehen, der einen Laserstrahl 7 erzeugt, welcher über eine Ablenkeinrichtung 8 und gegebenenfalls eine Fokussiereinheit 9 auf die Arbeitebene 5 fokussiert wird. Es ist eine Steuerung 10 vorgesehen, die die Ablenkeinrichtung 8 und gegebenenfalls die Fokussiereinheit 9 derart ansteuert, dass der Laserstrahl 7 auf jede beliebige Stelle der Arbeitsebene 5 gelenkt werden kann. Die Steuerung 10 wird über Daten, die die Struktur des herzustellenden Objekts beinhalten, angesteuert. Die Daten enthalten Daten des Objekts in jeder zu verfestigenden Schicht.
Ferner ist eine Zuführvorrichtung 11 vorgesehen, mit der pulverförmiges Aufbaumaterial für eine folgende Schicht zugeführt werden kann. Mittels eines Beschichters 12 wird das Aufbaumaterial in die Arbeitsebene 5 aufgebracht und geglättet.
Im Betrieb wird der Träger 2 Schicht für Schicht abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und mittels des Laserstrahls 7 an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen der jeweiligen Schicht in der Arbeitsebene 5 verfestigt.
Als pulverförmiges Aufbaumaterial können alle für das Lasersinterverfahren geeigneten Pulver bzw. Pulvermischungen verwendet werden. Solche Pulver umfassen z. B. Kunststoffpulver wie Polyamid oder Polystyrol, PAEK (Polyaryl Ether Amide), Elastomere, wie PEBA (Polyether Block Amide), Metallpulver, z. B. Edelstahlpulver oder andere, dem jeweiligen Zweck angepasst Metallpulver, insbesondere Legierungen, kunststoffbeschichteter Sand oder Keramikpulver.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von Materialkennwerten des verwendeten Aufbaumaterials und von vorgegebenen Eigenschaften des herzustellenden Objekts eine interne Struktur des Objekts berechnet, und das dreidimensionale Objekt mit dieser internen Struktur Schicht für Schicht hergestellt, so dass es nach der Herstellung die vorgegebenen Eigenschaften aufweist. Als Materialkennwert des Aufbaumaterials ist wenigstens der Elastizitätsmodul zu verstehen. Es können jedoch auch weitere Materialkennwerte, wie z. B. Zugfestigkeit, Härte, Dichte, Bruchdehnung, Querkontraktionszahl (Poissonzahl) ect. als Werte in die Berechnung eingehen. In dem Ausführungsbeispiel wird als Aufbaumaterial ein Pulver mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul von etwa 50 MPa verwendet.
Als nächstes wird eine mechanische Eigenschaft des herzustellenden Objekts, im Ausführungsbeispiel die Steifigkeit, des herzustellenden Objekts unter Einwirkung einer vordefinierten Druckkraft in vorgegebener Richtung festgelegt. Weitere mechanische Eigenschaften, wie z. B. Steifigkeiten in verschiedenen Richtungen, Zugfestigkeit, Bruchdehnung bei Zugbeanspruchung, Querkontraktionszahl, Torsionsverhalten, Ermüdungsverhalten etc. können festgelegt werden.
Ausgehend von dem Elastizitätsmodul des Aufbaumaterials und der wenigstens einen vorgegebenen Eigenschaft des herzustellenden Objekts wird eine dreidimensionale Gitterstruktur berechnet. Die dreidimensionale Gitterstruktur gibt die Orte vor, an denen das pulverförmige Aufbaumaterial unter Einwirkung des Laserstrahls verfestigt wird. In den dazwischenliegenden Hohlräumen bleibt das Pulver unverfestigt. Das dreidimensionale Objekt wird sodann Schicht für Schicht entsprechend der berechneten Gitterstruktur aufgebaut. Vorzugsweise erstreckt sich das Gitter in die Randbereiche einer jeden Schicht, so dass das hergestellte Objekt vollständig aus der Gitterstruktur ohne eine komplett geschlossene Oberfläche besteht. Dadurch ist es möglich, nach dem Herstellungsprozess nicht verfestigtes Pulvermaterial einfach zu entfernen. Alternativ können auch die gesamte Außenkontur oder Bereiche der Außenkontur jeder Schicht verfestigt werden. In diesem Fall ist die resultierende Außenkontur des Objekts entweder ganz oder teilweise geschlossen. Die eine Hülle bildende Außenkontur kann so gestaltet sein, dass sie Verformungen aufnimmt, beispielsweise kann sie als faltenbalgartige Struktur oder als ineinander greifende, gegeneinander verschiebbare Teile ausgebildet sein. Gegebenenfalls können beim Sintern oder nachträglich Öffnungen vorgesehen werden zum Entfernen des losen Pulvermaterials.
2a zeigt eine schematische zweidimensionale Ansicht eines Quaders 1 mit einer ersten Gitterstruktur. 2b zeigt eine schematische zweidimensionale Ansicht des Quaders von 2a, der unter Einwirkung einer über die gesamte Oberfläche wirkenden Kraft F mit einem vorgegebenen Betrag zusammengedrückt wurde. 3a zeigt eine schematische zweidimensionale Ansicht eines Quaders 2 mit denselben Abmessungen wie in 2a mit einer zweiten Gitterstruktur mit kleineren Gitterabständen. 3b zeigt eine schematische zweidimensionale Ansicht des Quaders von 3a unter Einwirkung einer Kraft F mit demselben Betrag wie der in 2b, die wiederum auf die gesamte Fläche wirkt und somit den Körper zusammendrückt. Die Steifigkeit des Quaders mit der engeren Gitterstruktur gem. 3b) ist größer als die gem. 2b).
Die Gitterstruktur kann beispielsweise ein Diamantgitter sein, es kann aber auch ein beliebiges anderes Gitter verwendet werden. Die Dimensionen der Einheitszelle des Gitters können variieren und liegen typischerweise im Bereich von wenigen Millimetern für eine Seitenlänge der Einheitszelle. Die Dicke der Gitterstäbe liegt etwa im Bereich von etwa 0,1 bis 2 mm. In besonderen Fällen, z. B. bei sehr großen Teilen oder bei rechteckigen oder ähnlichen Gitterquerschnitten, die in einer Richtung wesentlich größere Dimensionen haben als in einer anderen Richtung, können die Dicken der Gitterstäbe auch im cm-Bereich liegen. Durch die Variation der Größe der Einheitszelle und der Dicke der einzelnen Gitterstäbe kann die gewünschte Steifigkeit des herzustellenden Objekts stufenlos variiert werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Gitter innerhalb des herzustellenden Objekts variiert werden, so dass richtungs- und belastungsabhängig unterschiedliche Eigenschaften des herzustellenden Objekts erzeugbar sind. Wie beispielsweise aus 4a und 4b ersichtlich ist, kann ein Körper 10 Abschnitte 11, 12 mit einer Gitterstruktur aufweisen, die verschieden ist von einem zentralen Abschnitt 13 derart, dass der zentrale Abschnitt 13 unter Einwirkung einer Druckkraft f wie in 4b gezeigt ist, nachgiebiger ist, als die Abschnitte 11, 12. Die in den 4a und 4b gezeigten Gitterstrukturen 11, 13, 12 gehen gleitend ineinander über.
Die 5 und 6 zeigen jeweils zwei durch eine Trennscheibe separierte lasergesinterte Körper aus PEBA (Polyether Block Amide) mit unterschiedlicher interner Gitterstruktur. 5 zeigt die Körper ohne Krafteinwirkung, und 6 zeigt die Körper mit Krafteinwirkung. Aufgrund der unterschiedlichen internen Gitterstruktur erfolgt eine unterschiedlich starke Verformung. Der untere Körper wird stärker verformt als der obere Körper.
In einer Weiterbildung kann das herzustellende Objekt auch im Hinblick auf seine Steifigkeit nicht nur ein lineares Verhalten zeigen, sondern auch nichtlinear ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise durch den Einbau von Anschlägen erfolgen, wobei ein Anschlag durch einen steifen Abschnitt im Objekt gebildet wird. Ein steifer Abschnitt kann beispielsweise durch einen teilweise oder gänzlich flächig gesinterten Bereich erzeugt werden.
In einer Weiterbildung kann zusätzlich der Verfestigungsgrad der Gitterstruktur variieren.
In einer Weiterbildung können durch die Variierung der Gitterstruktur innerhalb eines Körpers Sollbruchstellen erzeugt werden.
Mit dem Verfahren können alle Arten von flexiblen Objekten, z. B. Dämpfer, Einlegesohlen, Schutzpolster etc. hergestellt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das Lasersintern beschränkt. Sie kann für alle generativen Verfahren verwendet werden, bei denen ein Körper schichtweise aus einem Aufbaumaterial hergestellt wird, beispielsweise die Stereolithographie, die anstelle eines pulverförmigen Materials ein flüssiges lichtaushärtbares Harz verwendet, das dreidimensionale Drucken, bei dem das pulverförmige Aufbaumaterial durch einen Binder verfestigt wird, der beispielsweise in Form von Tröpfchen auf die Pulverschicht aufgetragen wird, oder auch das selektive Maskensintern, bei dem anstelle eines Laserstrahls eine Maske und eine ausgedehnte Lichtquelle verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005023473 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Aufbaumaterial durch ein additives Schichtbauverfahren, bei dem ausgehend von Materialkennwerten des Aufbaumaterials und von vorgegebenen Eigenschaften des herzustellenden Objekts eine interne Struktur des Objekts, die eine Gitterstruktur beinhaltet, berechnet wird und das dreidimensionale Objekt mit dieser internen Struktur durch das additive Schichtbauverfahren hergestellt wird, so dass es die vorgegebenen Eigenschaften aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialkennwert des Aufbaumaterials der Elastizitätsmodul, und/oder die Zugfestigkeit, und/oder die Härte, und/oder die Dichte, und/oder die Bruchdehnung, und/oder die Querkontraktionszahl und weitere Materialkennwerte und als Eigenschaft des Objekts die Steifigkeit, und/oder die Zugfestigkeit, und/oder die Bruchdehnung bei Zugbeanspruchung, und/oder die Querkontraktionszahl, und/oder das Torsionsverhalten, und/oder das Ermüdungsverhalten und/oder weitere Eigenschaften des Objekts unter Einwirkung einer vorgegebenen Kraft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkonturen der Gitterstruktur entweder offen bleiben oder ganz oder teilweise durch eine Hülle abgeschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenkontur der Gitterstruktur Öffnungen zur Restmaterialentfernung vorhanden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mechanische Eigenschaft des herzustellenden Objekts durch Variation des Gittertyps und/oder der Größe der Einheitszelle und/oder der Dicke der Gitterstäbe und/oder des Verfestigungsgrades eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur innerhalb des Objekts so variiert wird, dass richtungs- und/oder belastungsabhängig unterschiedliche Eigenschaften erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur so berechnet wird, dass aus einem Aufbaumaterial mit einem Elastizitätsmodul E1 ein flexibles Objekt mit einem Elastizitätsmodul E2 bzw. ein Objekt mit n flexiblen Abschnitten mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen E2 bis En, wobei E1 > E2, En ist, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus ein und demselben Ausgangsmaterial Objekte mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objekt mit mehreren Bereichen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaft erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche kontinuierlich ineinander übergehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die interne Struktur ein linear flexibles Objekt erzeugt wird oder dass die interne Struktur Anschläge aufweist, wodurch das Objekt eine nichtlineare Flexibilität erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Aufbaumaterial pulverförmiges Aufbaumaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Schichtbauverfahren ein Lasersinterverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Schichtbauverfahren ein Maskensinterverfahren ist.