DE102012012471A1

DE102012012471A1 - Verfahren zur pulverbettbasierten generativen Fertigung eines Körpers

Info

Publication number: DE102012012471A1
Application number: DE201210012471
Authority: DE
Inventors: Thomas Töppel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-22
Also published as: DE102012012471B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulverbettbasierten generativen Fertigung eines Körpers, bei dem eine Pulverzustellmenge unter Berücksichtigung eines schichtbezogenen Pulverzustellfaktors ermittelt und die so dem tatsächlichen Bedarf für die Bildung einer Pulvermaterialschicht entsprechenden Pulverzustellmenge einer Bauteilkammer zur Generierung des Körpers zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulverbettbasierten generativen Fertigung einer Körpers.
In der Fertigung wird großer Wert auf eine schnelle Herstellung der Produkte und gleichzeitig auf geringe Kosten gelegt. Besonders bei Kleinst- und Kleinserien, die oftmals zur Verwendung als Prototypen, Modelle oder Muster hergestellt werden, kommen daher generative Fertigungsverfahren zum Einsatz. Generative Fertigungsverfahren haben in den letzten beiden Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, was die Werkstoffvielfalt, Produktivität, Genauigkeit und Materialeigenschaften betrifft. Aus diesem Grund werden generative Verfahren zunehmend auch für die Serienfertigung komplexer Bauteile eingesetzt.
Bei einem generativen Fertigungsverfahren handelt es sich um ein Urform-Verfahren. Dabei wird aus formlosem oder formneutralem Rohmaterial mittels chemischer oder thermischer Prozesse ein Körper gefertigt. Ein besonderer Vorteil bei einem solchen Verfahren ist, dass dabei keine Form und auch keine verschleißbehafteten Werkzeuge, wie z. B. Wendeschneidplatten beim Drehen, erforderlich sind, und folglich eine schnelle und kostengünstige Herstellung möglich ist. Aufgrund des werkzeuglosen, schichtweisen Aufbaus bieten generative Fertigungsverfahren enorme geometrische Freiheiten und eigenen sich dabei insbesondere für die Herstellung komplexer Bauteile und Komponenten. Bei generativen Fertigungsverfahren werden 3D-CAD-Datenmodelle direkt umgesetzt, um einen Körper herzustellen.
Eine weitverbreitete Ausführungsform der generativen Fertigungsverfahren sind die pulverbettbasierten generativen Fertigungsverfahren. Dies sind Verfahren, bei denn auf Basis von 3D-CAD-Daten aus pulverförmigem Ausgangsmaterial (z. B. Kunststoffe, Keramikmaterial, Metalle) schichtweise ein physischer Körper erzeugt wird, z. B. durch Laser-Sintern, 3-D-Drucken, Masken-Sintern oder Strahlschmelzen.
Aus der WO 2004/050746 ist ein Lasersinterverfahren bekannt, bei dem ein dreidimensionales Objekt aus sinterbarem Kunststoffpulver schichtweise durch Aufschmelzen mittels eines Laserstrahls gebildet wird.
Bei der Herstellung des dreidimensionalen Objekts wird das Pulvermaterial schichtweise auf einen Träger oder eine zuletzt verfestigte Schicht aufgetragen und mit einem Laserstrahl Schicht für Schicht verfestigt. Der Träger wird dabei schichtweise abgesenkt. Vergleichbare Verfahren beschreiben auch die DE 44 10 046 A1 und die WO 92/08566 A1 .
Ein 3D-Druckverfahren, das auch zur Formherstellung genutzt wird, ist von der WO 93/25336 A1 bekannt. Hierbei wird von einem Dispersionskopf in einer Bauteilkammer eine Pulvermaterialschicht deponiert, die in den dem späteren Bauteil entsprechenden Bereiche mit einem verfestigenden Bindermaterial behandelt und durch mehrfache Wiederholung dieses Vorganges ein Produkt generiert wird. Diese kann später noch zusätzlich einer Infiltration mit einem porenfüllenden Medium sowie einer aushärtenden Wärmebehandlung unterworfen werden.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Masken-Sintern sind aus der EP 1 015 214 B1 bekannt. Hierbei wird eine Pulvermaterialschicht (Schicht aus teilchenförmigem Material aus einem schmelzbaren oder sinterbaren Pulver) mit einer Maske entsprechend den Informationen einer CAD-Einheit abgedeckt und ein Strahlungsgenerator wird über der Maskenanordnung vorgesehen, um die Teilchen zu erwärmen, die nicht durch die Maskenanordnung abgedeckt sind und zur Bestrahlung frei liegen, so dass sie durch Schmelzen oder Sintern miteinander zu einer festen Schicht verbunden werden. Das Objekt wird ebenfalls durch mehrfache Wiederholung des Vorgangs gebildet.
Die generative Herstellung eines Körpers durch selektives Laserstrahlschmelzen eines pulverförmigen Werkstoffes ist auch aus der DE 10 2005 025 348 A1 bekannt. Hierbei ist einer Bauplattform zur Festlegung einer Schichtdicke eine Sensoreinrichtung zur taktilen Signalerfassung zugeordnet. Ein Verfahrweg der Bauplattform wird in Abhängigkeit eines Sensorsignales der Sensoreinheit gesteuert.
Der Prozessablauf bei pulverbettbasierten, generativen Fertigungsverfahren kann durch die nachfolgend dargestellten Prozessschritte beschrieben werden:
Die formgebende Verfestigung innerhalb einer Schicht sowie zwischen den einzelnen Schichten kann bei pulverbettbasierten generativen Fertigungsverfahren im Wesentlichen durch folgende beiden Bindungsmechanismen erfolgen:

– thermisch (Sintern, Schmelzen)
– chemisch (Auftrag von Bindermaterial zum partiellen Verkleben des Pulvermaterials)

Dabei ist die thermische Verfestigung des Pulvermaterials Grundlage für die Mehrzahl pulverbettbasierter Fertigungsverfahren.
Neben dem Bindungsmechanismus sind pulverbettbasierte, generative Fertigungsverfahren hinsichtlich Ihres Pulverauftragsmechanismus und der dazugehörigen Pulverbevorratung zu kategorisieren. Dabei ist in folgende zwei Systeme zu unterscheiden:

– Einkammersystem
– Zweikammersystem (bzw. Mehrkammersystem)

Sowohl das Einkammer- als auch das Zweikammersystem (bzw. Mehrkammersystem) verfügen über eine Baukammer, in welcher eine entlang einer vertikalen z-Achse verfahrbare Bauplattform integriert ist. Durch Absenken der Bauplattform (Verfahren in negative z-Richtung) um eine vorgegebene Höhe, wird die Schichtstärke des zu fertigenden Bauteils bestimmt. Der wesentliche Unterschied beider Systeme besteht darin, wie das Pulver in der Maschine bevorratet und zur Baukammer befördert wird.
Das Einkammersystem verfügt über eine Baukammer und die Pulverbevorratung ist unmittelbar mit der Beschichtungseinheit verbunden. Nach Absenkung der Bauplattform um die entsprechende Schichtstärke, trägt dieses System die neue Schicht von links nach rechts oder rechts nach links auf – ja nach aktueller Position der Pulvervorrats-Beschichtungs-Einheit in Relation zur Baukammer.
Ein herkömmliches Zwei- oder Mehrkammersystem, das in 6 schematisch dargestellt ist, verfügt über eine Baukammer 1 und eine Dosierkammer 3, die eine Pulvervorratskammer bildet. Die Baukammer 1 weist eine entlang der z-Achse verfahrbare Bauplattform 2 auf, deren Verfahrweg die Schichtdicke des zu fertigenden Bauteils bestimmt. Der Pulverauftrag erfolgt durch Erhöhung der Dosierkammer um mindestens die neue Schichtdicke I_S, in der die Erhöhung der Dichte des Materials nach Schmelzverfestigung/Sintern berücksichtigt wird, wobei diesbezüglich auf Erfahrungswerte zurückgegriffen wird, auf deren Grundlage ein Pulverzustellfaktor P_ZF (P_ZF > 1) manuell vorgegeben bzw. fest voreingestellt wird. Anschließend erfolgt der Pulvertransport bzw. -auftrag oberhalb der Dosier- und Baukammern mittels einer Beschichtungseinheit 4 (z. B. Rakel, Rolle, Klinge, Lippe, Schieber oder dergleichen).
Pulverbettbasierte generative Fertigungsverfahren mit thermischem Bindungsmechanismus liegt der physikalische Effekt zugrunde, dass das pulverförmige Ausgangsmaterial in Bezug auf eine Volumeneinheit eine wesentlich geringere Dichte (Schüttdichte) aufweist, als das gesinterte bzw. aufgeschmolzene Material. Daraus resultiert, dass der Materialbedarf (Schichtstärke I_S und Pulverzustellfaktor P_ZF mit P_ZF > 1) einer einzelnen Schicht sehr stark von der vorher gesinterten/aufgeschmolzenen Fläche abhängt.
Eine Fix-Voreinstellung des Pulverzustellfaktors mit Pulverüberschuss führt dazu, dass somit dem den tatsächlichen Pulverbedarf nicht gerecht werden kann und somit auch nicht auf die jeweils zu generierende Einzelschicht abgestimmt ist. Manuelle Anpassungen sind während des laufenden Prozesses zwar generell möglich, ändern aber an der fehlenden Bedarfsorientierung der Pulverbereitstellung nichts, zumal pulverbettbasierte generative Fertigungstechnologien mit einem erheblichen Zeitbedarf verbunden sind und überwiegend unbeaufsichtigt ablaufen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich der Genauigkeit der Pulverzuführung zu verbessern und eine Möglichkeit zu schaffen, diese auf die bereits zu fertigende Pulverschicht abzustimmen und damit unnötige Pulverüberschüsse zu vermeiden. Auf diese Weise soll auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und seine Marktakzeptanz verbessert und Fertigungsausschuß vermieden werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfahrungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine intelligente, auf den Materialbedarf der einzelnen, als Nächstes zu generierenden Schicht abgestimmten Pulvermaterialzufuhr, vorzugsweise durch automatische Regelung, vorgesehen, die erhöhten Aufwand der mit Pulverüberschuss ebenso wie einem Pulvermangel resultierenden Fertigungsausschuß bei der pulverbettbasierten Generierung von Bauteilen vermeidet.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Feststellung/Erfassung des Volumens des Materialdefizits der zuletzt aufgeschmolzenen/gesinterten Schicht und der Berücksichtigung dieses Materialdefizits bei der Bemessung einer Pulvermaterialzustellung für die nächste, neu zu bildende Schicht, die die Schichtdicke I_S+1 der neu aufzutragenden Pulverschicht und die Fläche der Bauteilkammer A_PK berücksichtigt.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt eine Bestimmung/Regelung der Pulvermengenzufuhr für eine neu zu bildende Schicht unter Berücksichtigung der Schrumpfungsrate des Pulvermaterials.
Jedes Pulvermaterial ist durch eine entsprechende Schüttdichte (in pulverförmigem Ausgangszustand) sowie durch eine Dichte des Materials nach dessen thermischer Bindung (Schmelzen oder Sintern) bestimmt. Dieses Dichteverhältnis von Schüttdichte ρ_P zu Dichte ρ_thB der generierten Schicht wird als Schrumpfungsrate des Materials, bezogen auf eine Volumeneinheit bezeichnet.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abstimmung des Pulverzustellfaktor P_ZF auf der Grundlage eines Material-Referenzwertes M_Ref, der für jedes Material empirisch auf Basis einer Referenzgeometrie ermittelt wird. Eine solche Referenzgeometrie wird z. B. durch einen einfachen Körper, wie einem Würfel, Quader oder Zylinder gebildet, der in Richtung einer Hochachse (z-Achse, z-Richtung) keine Querschnittänderungen aufweist, aber mit identischen Außenflächen (untere Bodenfläche/obere Deckfläche) versehen ist.
An einem linearen Zusammenhang zwischen Pulverzustellfaktor und Fläche der gesinterten/aufgeschmolzenen, zuletzt generierten Schicht kann für jede beliebige Fläche einer Baukammer schichtbezogen eine bedarfsgerechte Pulverzustellmenge aus einem zugehörigen materialspezifischen Diagramm abgelesen werden.
Beide vorgenannten Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine diagrammatische Darstellung der Bestimmung einer schichtbezogenen Pulverzustellmenge nach einem ersten Ausführungsbeispiel (auf der Basis einer Materialschrumpfungsrate),
2 einen oberen Bereich einer Baukammer zur pulverbettbasierten generativen Fertigung,
3 eine Einzelheit A nach 2
4 eine diagrammatische Darstellung der Bestimmung einer schichtbezogenen Pulverzustellmenge nach einem zweiten Ausführungsbeispiel (auf der Basis eines Materialreferenzwertes),
5 ein Diagramm zur Abstimmung des Pulverzustellfaktors P_ZF auf der Basis eines Materialreferenzwertes (M_Ref), und
6 eine herkömmliche Zweikammer-Laserstrahl-Fertigungsanlage zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von Bauteilen in schematischer Teil-Darstellung.
Im Folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel erläutert, wie es in Verbindung mit einer herkömmlichen Ein- oder Zweikammer-Fertigungsanlage für die auf einem Pulverbett beruhende Erzeugung von Bauteilen mit thermischer Bindung (Schmelzen oder Sintern) des Pulvermateriales zur Präzisierung der schichtbezogenen Bereitstellung der Pulvermaterialmenge verwendet werden kann (s. 6 und obige Erläuterung).
Eine solche, in 6 schematisch in Teildarstellung ihres oberen Bereiches im Längsschnitt dargestellte Zweikammer-Vorrichtung (gem. 6) weist eine Baukammer 1 auf, in der eine vertikal (in Richtung z-Achse) verfahrbare Bauplattform 2 (s. 6) als Trägerplatte eines zu erzeugenden Bauteiles 5 angeordnet ist. Durch Absenken der Bauplattform 2 (Bewegung in negative z-Richtung) um einen vorgebbaren Betrag (der in Abhängigkeit von der Bauteilkonfiguration oder auch der Aufschmelzleistung der Strahlquelle (Laser- oder Elektronenstrahl, UV- oder Infrarotstrahl) variieren kann), wird die Schichtdicke des zu generierenden Bauteiles und damit auch die für jede Schichterzeugung erforderliche Pulverzustellmenge P_ZQ bestimmt.
Neben der Baukammer 1, die in den 2 und 3 ausschnittsweise dargestellt ist, befindet sich eine in den 2 und 3 nicht gezeigte Dosierkammer 3 (Pulvervorratskammer), s. 6. Soll das Bauteil 5 als Composite aus mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen, können auch mehrere Dosierkammern 3 mit Pulvervorräten unterschiedlichen Materials vorgesehen sein.
Gleichermaßen ist die Erfindung auch für ein Einkammersystem vorgesehen.
Für die Pulverbereitstellung von der Dosierkammer 3 zur Baukammer 1 wird eine Pulverträgerplatte 6, auf der ein Pulvervorrat 7 in der Dosierkammer 3 ruht, um zumindest eine Schichtdicke I_S (unter Berücksichtigung eines bisher nur generell fest voreingestellten Pulverzustellfaktor P_ZF, mit P_ZF > 1) angehoben und das Pulver durch eine Beschichtungseinheit 4, wie z. B. Rakel, Rolle, Klinge, Lippe, Schieber od. dgl., oberhalb der Baukammer 1 angeordnet und z. B. durch eine CAD-datengesteuerte Laserstrahlvorrichtung 8 durch einen Laserstrahl 9 (oder auch andere bei pulverbettbasierten generativen Fertigungsverfahren übliche Energiequellen) in Übereinstimmung mit den schichtbezogenen Bauteildaten zur Verfestigung des Pulvers (aus z. B. thermoplastischen Kunststoff oder z. B. einer Aluminium-Legierung) an den vorgesehenen (belichteten) Stellen verfestigt (aufgeschmolzen oder gesintert).
Das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur pulverbettbasierten, generativen Fertigung des Bauteiles 5, das nachfolgend unter Bezugnahme auch auf die 2 und 3 erläutert wird, verbessert die präzise Zumessung des benötigten Pulvermateriales für eine neu zu generierende Schicht 10 (s. 3 ), indem ein zugehöriger Pulverzustellfaktor P_ZF schichtbezogen berechnet und als Regelungsgröße der Bestimmung der Pulverzustellmenge P_ZQ, bezogen auf die jeweilige Schicht 10 des Pulvermateriales 100 zugrundegelegt wird.
Im ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Pulverzustellfaktor P_ZF schichtbezogen auf der Grundlage einerseits der Kammergeometrie der Baukammer 1, andererseits der Berücksichtigung der Fläche des in der vorhergehenden Schicht generierten Bauteiles 5 und einem Volumen eines Materialdefezits V_MD in der vorhergehenden Schicht 11, d. h. unter Einbeziehung der Materialschrumpfungsrate R_S, die sich aus dem Verhältnis der Dichte ρ_P des Pulvermateriales 100 als Schüttgut zur Dichte ρ_thB des thermisch gebundenen, verfestigten Bauteiles 5 in der Baukammer (vorhergehender generativer Aufbau) ergibt.
Aus der Fläche A_thB der zuletzt generierten, thermisch gebundenen Bauteilschicht und die hierzu eingesetzte Pulvermenge, ausgedrückt durch eine Schichthöhe I_S der Pulverschicht, auf die die zuletzt generierte Schicht 11 zurückgeht, kann unter Berücksichtung der Materialschrumpfungsrate R_S (= ρ_P/ρ_thB) das Volumen V_thB der zuletzt thermisch gebundenen Schicht 12 mit V_thB = A_thB·I_S·(ρ_P/ρ_thB) berechnet werden.
Hieraus ergibt sich das „Schrumpfungsvolumen”, d. h. das in der zuletzt gesinterten/aufgeschmolzenen Schicht aufgetretene Volumen des Materialdefizites V_MD zu V_MD = (A_thB·I_S) – V_thB
Andererseits ist das Volumen V_S+1 der neu aufzutragenden Schicht aus der Fläche ABK der Bauteilkammer und der Schichthöhe I_S+1 der neu aufzutragenden Schicht bekannt zu V_S+1 = ABK·I_S+1
Damit lässt sich die schichtbezogene Pulverzustellmenge P_ZQ für die nächste zu generierende Schicht berechnen zu P_ZQ = A_BK·I_S+1·P_ZF
Die Schichthöhe I_S+1 der neu aufzutragenden Schicht 10 ist aus den Baudaten des Bauteiles bekannt und ist in vielen Fällen konstant, kann aber auch von Schicht zu Schicht innerhalb des Bauteiles variieren. Gebräuchlich sind Schichthöhen I_S, I_S+1, ..., I_S+n im Bereich von 10 μm bis 100 μm.
Auf diese Weise kann eine wesentlich präzisere Zumessung des Pulvermateriales im Prozess erfolgen und einerseits Ausschuss durch Pulvermangel ebenso wie unnötiger Materialverbrauch an kostspieligem Pulvermaterial vermieden werden. Für Einkammersysteme kann somit eine bedarfsgerechte Pulvermenge durch die Pulvervorrat-Beschichtungseinheit aufgetragen werden.
Ebenso ist es auf dieser Grundlage bei Zwei- oder Mehrkammersystemen möglich, über die Zustellung der Dosierplattform in positive z-Richtung mit dem geregelten Pulverzustellfaktor P_ZF mal Schichtstärke I_S+1 eine bedarfsgerechte Pulvermenge P_ZQ bereitzustellen und aufzutragen.
Wie das weitere Ausführungsbeispiel nach 4 verdeutlicht, kann der tatsächliche Pulverbedarf P_ZQ aber auch ohne Berechnung der Materialschrumpfungsrate R_S auf der Grundlage eines vorab empirisch ermittelten Zusammenhanges zwischen einem Pulverzustellfaktor P_ZF und der zuletzt gesinterten/aufgeschmolzenen Fläche ermittelt werden, und zwar unter Berücksichtigung eines Materialreferenzwertes (M_Ref) für den Pulverzustellfaktor P_ZF, der empirisch für jedes Material auf der Basis einer Referenzgeometrie eines einfachen geometrischen Vergleichskörpers mit identischen Flächen in z-Richtung ermittelt wird.
Solche einfache geometrische Referenzkörper mit identischen Flächen in z-Richtung sind z. B. Würfel, Quader oder Zylinder.
Das zugehörige Diagramm des linearen Zusammenhanges zwischen dem Flächenanteil A_thB aufgeschmolzener Fläche und dem materialreferenzwert-bezogenen Pulverzustellfaktor P_ZF für die Berechnung P_ZQ = A_BK·I_S+1·P_ZF ist in 4 gezeigt.
Aufgrund des linearen Zusammenhangs kann besonders einfach für jede beliebige Fläche ein schichtbezogener, bedarfsgerechter Pulverzustellfaktor abgelesen und mit diesem die erforderliche Pulverzustellmenge P_ZQ berechnet werden.
Je nach Material gibt es ein anderes Diagramm, in dem die Gerade a für den optimalen Pulverzustellfaktor einen anderen Anstieg „α” aufweist.
Durch die Erfindung kann also einerseits Ausschuss in der Fertigung durch Pulverdefizite ebenso wie unnötiger Pulverüberschuss beim Schichtauftrag vermieden werden, welcher eine größere Bevorratung des teuren Pulvermaterials voraussetzt.
Der Pulverauftrag bei pulverbettbasierten generativen Fertigungsverfahren mit thermischem Bindungsmechanismus ist durch eine Gratwanderung zwischen Pulverdefiziten und Pulverüberschuss gekennzeichnet.
Pulverdefizite führen in vielen Fällen zu Fertigungsausschuss. Dieser Ausschuss kann durch die beschriebene Erfindung vermieden werden. Damit können sowohl die Prozessstabilität als auch Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht und die Marktakzeptanz pulverbettbasierter generativer Fertigungsverfahren verbessert werden.
Pulverüberschüsse hingegen schaden nicht der Qualität der Bauteile, führen jedoch dazu, dass unnötig mehr Mengen an Pulvermaterial für das herzustellende Bauteil bereitgestellt werden müssen. Das hat zur Folge, dass mehr Kapital in Form von Pulvermaterial gebunden ist. Für Baukammergrößen nach heutigem Stand der Technik und Preisen für Pulvermaterialen, welche in mittleren dreistelligen Euro-Bereich pro Kilogramm liegen können, kommen hierbei schnell hohe vierstellige Euro-Beträge an unnötigerweise gebundenem Kapital zusammen (für die Verarbeitung von teueren Edelmetallen, wie Gold oder Platin, liegen die Kosten für gebundenes Kapital um ein Vielfaches höher). Weiterhin führen Pulverüberschüsse zu erhöhten Aufwendungen (und damit Kosten) für das Pulverrecycling, indem die zu siebenden Pulvermenge erhöht wird. Ebenso können durch Pulverüberschüsse zusätzliche Arbeitschritte notwendig werden, wie z. B.:

– Pulvernachfüllen im Prozess (birgt gleichzeitig die Gefahr von Fertigungsausschuss, da Prozessunterbrechung notwendig wird)
– erhöhter Handlingaufwand durch Umlauf größerer Pulvermengen

Mit der beschrieben Erfindung können Pulverüberschüsse vermieden werden. Damit reduziert sich das gebunden Kapital und gleichzeitig können die Kosten durch schnellere Durchlaufzeiten gesenkt werden. Im Ergebnis wird auch damit eine höhere Marktakzeptanz und bessere Wirtschaftlichkeit gegenüber konkurrierenden Fertigungsverfahren erzielt.
Die Erfindung findet Anwendung zur Regelung der Pulverzustellmenge für pulverbettbasierte generative Fertigungsverfahren mit thermischem Bindungsmechanismus. Dazu zählen z. B. die Verfahren Laser-Sintern, Masken-Sintern und Strahlschmelzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/050746 [0005]
DE 4410046 A1 [0006]
WO 92/08566 A1 [0006]
WO 93/25336 A1 [0007]
EP 1015214 B1 [0008]
DE 102005025348 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur pulverbettbasierten generativen Fertigung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulverzustellmenge (P_ZQ) schichtbezogen unter Berücksichtigung eines schichtbezogenen Pulverzustellfaktors (P_ZF) ermittelt und einer Baukammer (1) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) an dem Verhältnis eines Volumens eines Materialdefizits (V_MD) einer zuletzt generierten Bauteilschicht zu dem Volumen (V_S+1) einer neu aufzutragenden Pulerschicht berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) nach der Formel
mit V_MD : Volumen Materialdefizit der zuletzt generierten Schicht basierend auf einer Schichthöhe I_S der zugehörigen Pulverschicht V_S+1: Volumen der neu aufzutragenden Pulverschicht mit einer Schichthöhe I_S+1 bestimmt wird, wobei V_MD= (A_thB·IS) – V_thB, und V_S+1= A_BK·I_S+1 ist, mit A_thB: Fläche der zuletzt generierten (thermisch gebundenen) Schicht, I_S: Schichthöhe der Pulverschicht auf die die zuletzt generierte Schicht zurückgeht, V_thB: Volumen des generierten (thermisch gebundenen) Materials aus der Pulverschicht mit der Schichthöhe I_S auf die die zuletzt generierte Schicht zurückgeht, A_BK: Grundfläche der Baukammer, I_S+1: Schichthöhe der neu aufzutragenden Pulverschicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) aus einem Materialreferenzwert (M_Ref), ermittelt auf der Grundlage einer Referenzgeometrie eines einfachen geometrischen Körpers (5) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) unter Berücksichtigung eines Volumens (V_thB) einer zuletzt generierten Schicht (12) des Körpers bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (V_thB) der zuletzt generierten Schicht (12) des Körpers (5) aus dem Produkt einer Fläche (A_thB) der zuletzt generierten Schicht (12) des Körpers mit einer Schichthöhe (I_S) der zur Bildung dieser Schicht (12) zugeführten Pulvermenge, multipliziert mit einer Materialschrumpfungsrate (ρ_P/ρ_thB) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschrumpfungsrate aus dem Verhältnis einer Materialdichte (ρ_P) des Pulvers im pulverförmigen Zustand zur Materialdichte (ρ_thB) des generierten Körpers bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) unter Berücksichtigung eines Volumens (V_MD) eines Materialdefizits im Bereich der Schichthöhe (I_S) der zur Bildung der zuletzt generierten Schicht zugeführten Pulvermenge, gebildet aus einer Differenz zwischen einem Pulvervolumen der zur Bildung der zuletzt generierten Schicht zugeführten Pulvermenge, bestimmt aus dem Produkt der Fläche (A_thB) der zuletzt generierten Schicht (12) des Körpers und einer Schichthöhe (I_S) der zur Bildung dieser Schicht (12) zugeführten Pulvermenge, und den Volumen (V_thB) der zuletzt generierten Schicht (12) des Körpers (5), bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) an dem Verhältnis von Volumen (V_MB) des Materialdefizits zu Pulvervolumen (V_S+1) der neu aufzutragenden Schicht gebildet und vorzugsweise durch Addition eines normierten Wertes zu P_ZF > 1 bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine schichtbezogene Pulverzustellmenge (P_ZQ) der neu aufzutragenden Schicht aus einem Produkt des Pulvervolumens (V_S+1) der neu aufzutragenden Schicht mit dem Pulverzustellfaktor (P_ZF) gebildet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverzustellfaktor (P_ZF) auf der Grundlage eines materialabhängigen Materialreferenzwertes (M_Ref) aus einem vorbestimmten Wertevorrat entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialreferenzwert (M_Ref) flächenbezogen eine Materialschrumpfungsrate des Pulvermaterials repräsentiert, die separat an einem Modellkörper mit Referenzgeometrie ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulverzustellfaktor (P_ZF) einem Pulverzustellfaktor/generierte Fläche des Körper-Diagramms (P_ZF-A_thB-Diagramm) entnommen wird.