DE102017006860A1

DE102017006860A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mit Spektrumswandler

Info

Publication number: DE102017006860A1
Application number: DE102017006860.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Günther; Christoph Scheck; Imre Bardos
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24
Also published as: US20240025118A1; US11731361B2; WO2019015707A1; KR20200031105A; US20220168956A1; US11279087B2; CN110944824B; EP3655234A1; CN110944824A; KR102615544B1; JP2020527491A; US20200130263A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei mindestens ein Spektrumswandler verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtaufbautechnik.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z.B. durch Abbürsten befreit werden.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse (auch als schichtweises Aufbauen von Modellen oder als Schichtbautechnik bezeichnete Verfahren), wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff „dreidimensionale Druckverfahren“ oder 3D-Druckverfahren verstanden.
Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und Eintrag flüssiger Binder ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren.
Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, unter anderem auch polymere Werkstoffe, verarbeiten. Der Nachteil besteht hier jedoch darin, dass die Partikelmaterialschüttung eine gewisse Schüttdichte, die üblicherweise 60% der Feststoffdichte beträgt, nicht übersteigen kann. Die Festigkeit der gewünschten Bauteile hängt jedoch maßgeblich von der erreichten Dichte ab. Insofern wäre es hier für eine hohe Festigkeit der Bauteile erforderlich, 40% und mehr des Partikelmaterialvolumens in Form des flüssigen Binders zuzugeben. Dies ist nicht nur aufgrund des Einzeltropfeneintrages ein relativ zeitaufwändiger Prozess, sondern bedingt auch viele Prozessprobleme, die z.B. durch die zwangsläufige Schwindung der Flüssigkeitsmenge beim Verfestigen gegeben sind.
In einer anderen Ausführungsform, der unter dem Begriff „High-Speed-Sintering“ in der Fachwelt bekannt ist, erfolgt die Verfestigung des Partikelmaterials über Eintrag von Infrarotstrahlung. Das Partikelmaterial wird dabei physikalisch über einen Aufschmelzvorgang gebunden. Hierbei wird die vergleichsweise schlechte Aufnahme von Wärmestrahlung bei farblosen Kunststoffen ausgenutzt. Diese lässt sich durch Einbringen eines IR-Akzeptors (Absorber) in den Kunststoff um ein Vielfaches steigern. Die IR-Strahlung kann dabei über verschiedene Möglichkeiten wie z.B. einer stabförmigen IR-Lampe eingebracht werden, die gleichmäßig über das Baufeld bewegt wird. Die Selektivität wird über das gezielte Bedrucken der jeweiligen Schicht mit einem IR-Akzeptor erreicht.
An den Stellen, die bedruckt wurden, koppelt die IR Strahlung dadurch wesentlich besser in das Partikelmaterial ein, als in den unbedruckten Bereichen. Dies führt zu einer selektiven Erwärmung in der Schicht über den Schmelzpunkt hinaus und damit zur selektiven Verfestigung. Dieser Prozess wird z.B. in EP1740367B1 und EP1648686B1 beschrieben und im Folgenden mit der Bezeichnung HSS abgekürzt.
Vom Lasersinterprozess sind verschiedene Materialien bekannt, die auch mit diesem Verfahren verarbeitet werden können. Dabei ist bei weitem das wichtigste Material Polyamid 12 (PA12). Für dieses Material gibt es mehrere Hersteller. Es werden für Schichtbauverfahren ausgezeichnete Festigkeiten erzielt.
Das Material kann als feines Pulver bezogen werden, das direkt in dieser Qualität verarbeitet werden kann. Bedingt durch den Herstellungsprozess fallen aber hohe Kosten an, die die Kosten für Standardpolyamid um den Faktor 20-30 übertreffen können.
Beim High-Speed-Sintering-Prozess nach dem Stand der Technik wird das Pulver, genau wie bei Lasersintern, zur Verarbeitung auf eine Temperatur nahe des Schmelzpunktes des Materials gebracht. Dabei „altert“ das Pulver und kann in Folgeprozessen nur noch bedingt eingesetzt werden. Es ergibt sich eine geringe Recyclingquote, die die Prozesskosten negativ beeinflusst.
Die Genauigkeit der Bauteile wird maßgeblich durch die Prozessführung beeinflusst. Dabei ist die Homogenität der Größen wie Pulverbettdichte und Temperatur im Bauraum entscheidend.
Die bekannten Verfahren des High-Speed-Sintering beinhalten eine Vielzahl von Nachteilen, die zum einen die Recyclingrate und zum anderen die Prozesskosten betreffen und damit die Stückkosten erhöhen und relativ teuer machen. Insbesondere ist die Alterung des Pulvers ein entscheidendes Problem und die damit verbundene geringe Recyclingrate sehr hinderlich bei der Verbreitung dieses Prozesses. Bislang müssen ca. 50 % des unbedruckten Pulvers nach einem Prozess ersetzt werden. Bei Pulverpreisen von ca. 80€/kg und Bauvolumen von mehreren hundert Litern sind hier hohe finanzielle Aufwendungen nötig.
Ein Ansatz zur Lösung der prozessbedingten Probleme und damit eine Kostensenkung ist die Verwendung von günstigeren Pulvern. Diesem Vorgehen sind allerdings enge Grenzen gesetzt, da die meisten Pulver kein ausreichendes „Sinterfenster“ aufweisen, um sicher verarbeitet zu werden. Das bedeutet, dass für die Pulver kaum stabile Prozessgrößen gefunden werden können.
Die Pulveralterung chemisch Einzuschränken ist ein weiterer Ansatz. Dabei sind beispielsweise mit Stickstoff gespülte Maschinen im Lasersintern üblich. Damit kann Pulveroxidation verhindert werden. Ganz einschränken kann man die Alterung aber schon verfahrensbedingt nicht, da ein Teil der Verfestigungsreaktion durch eine Nachreaktion des Polymers geschieht. Diese Nachreaktion einzuschränken, würde wesentliche Festigkeitseinschränkungen bedeuten.
Ein Problem bei bekannten High-Speed-Sintering-Verfahren ist die Einstellung von vorteilhaften Verfahrensbedingungen wie z.B. der Temperaturfenster bezogen auf die verwendeten Partikelmaterialien. Das High-Speed-Sintering-Verfahren vereint sehr viele Prozessparameter und die hierin verwendeten 3D-Druckmaschinen weisen sehr viele konstruktive Merkmale und Bauteile auf, sodass es schwierig ist, die geeigneten Bauteile zusammen zu stellen und einen vorteilhaften oder verbesserten Verfahrensablauf einzustellen, die verbesserte Verfahrensbedingungen erlauben. Oft ist nicht feststellbar, welche konstruktiven Änderungen nötig sind, um annehmbare Verfahrensergebnisse zu erreichen und qualitativ hochwertige 3D-Teile zu erhalten bzw. das Verfahren zu optimieren.
Ein weiteres Problem bei der Einstellung der Verfahrensbedingungen ist die Verfahrensbedingungen so zu kombinieren, dass einerseits ein genügend festes Bauteil mit gewünschten und vorteilhaften Eigenschaften hergestellt wird und gleichzeitig das nicht zu verfestigende Partikelmaterial Verfahrensbedingungen ausgesetzt werden, damit ein leichtes Entpacken möglich bleibt. Ein Problem in dieser Hinsicht ist, dass das Umgebungsmaterial in dem Verfahren zu stark verfestigt wird und sich deshalb schlecht von dem Bauteil oder nur mit erhöhtem Aufwand trennen lässt.
Ein weiteres Problem ist die Strahlungscharakteristik von konventionellen IR-Strahlern, die für ein High-Speed-Sintering-Verfahren 3D-Druckverfahren verbaut werden können.
Die Strahlungscharakteristik von konventionellen IR-Strahlern, die thermisch arbeiten, besteht aus einem breiten kontinuierlichen Spektrum verschiedener Wellenlängen, deren Verteilung weitgehend dem planckschen Strahlungsgesetz entsprechen. Um eine genügend hohe Leistungsdichte, sowie lang Lebensdauer zu erreichen, werden in der Regel kurzwellige Quarzröhren-Infrarotstrahler eingesetzt, deren Heizwendel-Temperatur bei 2400 K liegt und die somit eine Peak-Wellenlänge von ca. 1,2 µm aufweisen.
Zwar ist es mit diesen Strahlern möglich, den Sintervorgang durchzuführen, allerdings führen die im Strahlungsspektrum mitinbegriffenen langwelligen Anteile zu einer im Sinne des Prozesses unkontrollierten Aufheizung des unbedruckten Pulvers, wodurch dieses ebenfalls zu einem gewissen Grad mitgesintert wird. Dies ist nachteilig und unerwünscht, da es das Druckverfahren und die hergestellten Produkte in ihrer Qualität verschlechtert und das Partikelmaterial, das nicht gesintert werden soll, weniger wiederverwendbar macht.
Das Ziel, beide Flächentypen, d.h. den nicht zu verfestigenden Bereich und den zu sinternden Bereich zur Herstellung eines 3D-Formteils bzw. bedruckt und unbedruckt, gezielt beeinflussen zu können, kann nur eingeschränkt erreicht werden.
Folglich muss ein Kompromiss eingegangen werden zwischen schlechten mechanischen Eigenschaften des erzeugten Formkörpers als Folge zu geringen Energieeintrags beim Sintervorgang auf der einen Seite und starken Anhaftungen an den Bauteilen, die deren Geometrie beeinflussen, als Folge zu hohen Energieeintrags auf der anderen. Außerdem lässt sich das Pulver in engen Zwischenräumen der Formkörper dann nicht mehr entfernen.
Die maximal erreichbare Pulver-Recyclingquote sinkt bei hohem Energieeintrag drastisch, sodass hohe Kosten durch die nötige Zugabemenge an Frischpulver entstehen.
Erschwert wird dieser Effekt noch dadurch, dass die hohe Heizwendeltemperatur konventioneller kurzwelliger IR-Strahler zur Aufheizung der Quarzglasröhre führt, die diese umgibt. Dadurch erreicht diese Temperaturen von bis zu 900 K, wodurch sie selbst zum Emitter lang- bis mittelwelliger IR-Strahlung und somit zum, sog. „Sekundärstrahler“ wird.
Eine Lösung des Problems der langwelligen IR-Strahlung mittels monochromatischer Emitter wie z.B. LEDs ist aufgrund der erforderlichen hohen Leistungsdichte sehr kostspielig und aufwendig. Praktisch also nicht realisierbar.
Ebenso stellt der Einsatz spezieller thermischer Nahinfrarot-Strahler mit höherer Wendeltemperatur bzw. kleinerer Peak-Wellenlänge und damit geringerer langwelliger Strahlungsanteile hohe technische Ansprüche, wie z.B. eine ausreichende Kühlung der Strahler-Röhren, insbesondere an den Wendeldurchführungen. Des Weiteren sind beide Lösung am Markt derzeit nicht etabliert und somit nur schwer verfügbar. Die Lebensdauer von Nahinfrarotstrahler ist gegenüber kurzwelligen Strahlern außerdem aufgrund der hohen Drahttemperatur stark verkürzt. Die dadurch entstehenden zusätzlichen Kosten addieren sich zu den hohen Anschaffungskosten der Strahleraggregate. Dies stellt einen weiteren Nachteil bekannter Vorrichtungen für ein High-Speed-Sintering-Verfahren dar.
Der Einsatz von Strahlern mit Wolfram-Halogen-Kreisprozess ist aufgrund des häufigen An- und Abschaltens des Aggregats und der dadurch resultierenden Kurzlebigkeit nicht zielführend.
Das Verdrucken einer Art von Reflektorflüssigkeit auf die nicht zu sinternden Stellen ist zwar nach dem Stand der Technik möglich, aber nicht kostengünstig umsetzbar. Aufgrund der geringen Raumausfüllung additiver Fertigungsverfahren von in der Regel max. 20% bedeutet dies auch einen hohen Verbrauch der Reflektorflüssigkeit zum Benetzen der restlichen Fläche, was sich in hohen Betriebskosten niederschlägt. Außerdem wird die doppelte Anzahl an Druckköpfen benötigt.
Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der Sinterlampe entstehen auf dem Pulverbett Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung. Diese sind dadurch begründet, dass die Sinterlampe keinen idealen unendlichen langen Strahler darstellt. An den Rändern des Baufelds wird somit grundsätzlich weniger Energie bei der Sinterfahrt eingebracht als in der Mitte. Dies führt zu geringerem Schichtverbund des Formkörpers in der Nähe der Baufeldränder. Zwar kann der Effekt mittels einer Vergrößerung der Sinterlampe nahezu behoben werden, dies widerspricht aber der Forderung nach kompaktem Aufbau der Maschine, welcher für die Temperaturführung von Vorteil ist.
Die Regelung der Prozesstemperatur erfolgt nach dem Stand der Technik durch Heizstrahler über dem Baufeld. Diese sind bevorzugt als langwellige bis mittelwellige Infrarot-Strahler ausgelegt, da diese das Partikelmaterial am effektivsten erwärmen und bzgl. der bedruckten Pulverfläche keinerlei Selektivität aufweisen. Da die somit erforderliche langwellige Infrarotstrahlung mit einer geringen Temperatur einhergeht, sind Strahler dieser Wellenlängen und Leistungsdaten nach dem Stand der Technik als thermische Emitter ausgeführt. Hierbei wird eine gut emittierende Fläche meist über Wärmeleitung mittels einer Widerstandsheizung oder eines Drahtes erhitzt.
Aufgrund der Wärmeleitung dieser emittierenden Materialien im Zeitbereich einiger Minuten reagieren diese auf eine Änderung des Stellwerts nur sehr träge.
Der Stand der Technik erlaubt also insgesamt keine vollständig getrennte Steuerung der beiden für den Prozess relevanten Temperaturen. Somit ist eine stabile Prozessführung und damit einhergehende konstante mechanische Eigenschaften der erzeugten 3D-Formkörper innerhalb des gesamten Bauprozesses nahezu unmöglich.
Die mangelnde Kontrolle des gesamten Prozesses erschwert das Verarbeiten anderer, nicht auf PA12 basierten Partikelmaterials, z.B. TPU (thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis) -basierter Materialsysteme. Die schlechte Regelbarkeit der Temperaturführung hat derzeit eine sehr eingeschränkte Entwicklung von neuen Werkstoffen für bekannte High-Speed-Sintering-Verfahren (High-Speed-Sintering 3D-Druckverfahren) und Vorrichtungen zur Folge.
Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder ganz zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zur Verfügung zu stellen bei dem die zwei unterschiedlichen Temperaturen oder Temperaturfenster oder Temperaturbereiche, d.h. Aufwärmtemperaturbereich oder Grundtemperaturbereich bzw. Aufwärmtemperatur oder Grundtemperatur einerseits und Sintertemperaturfenster oder Sintertemperaturbereich bzw. Sintertemperatur andererseits, besser gesteuert werden können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um die Erwärmung der Flächentypen „bedruckt und unbedruckt“ gezielt und kostengünstig vornehmen zu können.
Figurenliste

1: Heizsysteme einer beispielhaften Ausführung
2: Beispielhafte Ausführung einer Sinterlampe mit vorgesetztem Filterelement a), mehreren Filterelementen b), mit Kühlung c) bzw. mit Diffusor d)
3: Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Prozesses
4: a) Schematische Energieaufnahme- und Abgabekurven eines Pulvers wie Polyamid 12, b) Temperaturkurven mit Liquidus- und Soliduslinien des Flächentyps unbedruckte Fläche, c) Temperaturkurven mit Liquidus- und Soliduslinien des Flächentyps bedruckte Fläche
5: Ausführung der Sinterlampe mit zwei verschiedenen Strahlenaufbauten.
6: Overhead-Strahler ausgeführt mittels Kombination aus kurzwelliger Infrarotstrahler und Spektrumswandler im Strahlengang
7: Strahlungsspektren, a) Überlappung langwelliger und kurzwelliger Strahlung mit Absorptionsbereich Pulver (II) und Absorber (I) bei Ausführung Sinteraggregat ohne Filter, b) mit Filter; der schraffierte Bereich stellt die vom Absorber aufgenommene Strahlungsenergie dar.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
„Formkörper“ oder „Bauteil“ im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum“ ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien hindurchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände.
Die „Aufheizphase“ kennzeichnet ein Erwärmen der Vorrichtung zu Beginn des Verfahrens. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, wenn die Solltemperatur der Vorrichtung stationär wird.
Die „Abkühlphase“ ist mindestens solange andauernd, bis die Temperatur so niedrig ist, dass die Bauteile keine merklichen plastischen Deformationen beim Entnehmen aus dem Bauraum erfahren.
Als „Partikelmaterialien“ können alle für den Pulver-basierten 3D Druck bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, Keramiken und Metalle. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver oder eine partikelbeladene Flüssigkeit verwendet werden. In dieser Schrift werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der „Partikelmaterialauftrag“ ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird in dieser Schrift auch „Beschichtung“ oder „Recoaten“ genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag“ kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung“ zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
Der "„Absorber“ ist im Sinne dieser Erfindung ein mit einem Tintenstrahldruckkopf oder mit einer anderen matrixartig arbeitenden Vorrichtung verarbeitbares Medium, das die Absorption von Strahlung zur lokalen Erwärmung des Pulvers fördert.
„Reflektorflüssigkeit“ wird der Antagonist des Absorbers genannt, der nach dem Stand er Technik eingesetzt wird, um Partikelmaterialien am Sintern zu hindern.
Die „Absorption“ bezeichnet die Aufnahme der Wärmeenergie von Strahlung durch das Pulver. Die Absorption ist abhängig vom Pulvertyp und der Wellenlänge der Strahlung.
Der „Träger“ bezeichnet das Medium in dem der eigentliche Absorber vorhanden ist. Es kann sich um ein Öl, ein Lösemittel oder allgemein um eine Flüssigkeit handeln.
„Strahlung“ im Sinne der Erfindung ist z.B. Wärmestrahlung, IR-Strahlung, Mikrowellenstrahlung oder/und Strahlung im sichtbaren Bereich oder UV-Bereich. In einer Ausführungsform wird Wärmestrahlung verwendet z.B. erzeugt durch einen IR-Strahler.
„Strahlungsinduzierte Erwärmung“ bedeutet in dieser Schrift eine Bestrahlung des Baufeldes mit festen oder beweglichen Strahlungsquellen. Der Absorber muss für die Strahlungsart optimiert sein. Dabei soll es zu einer unterschiedlich starken Erwärmung von „aktiviertem“ und nicht „aktiviertem“ Pulver kommen.
„IR-Erwärmung“ bedeutet in dieser Schrift speziell eine Bestrahlung des Baufeldes mit einem IR-Strahler. Dabei kann der Strahler ebenso statisch sein oder mit einer Verfahreinheit über das Baufeld bewegt werden. Durch den Einsatz des Absorbers führt die IR-Erwärmung im Baufeld zu unterschiedlich starken Temperaturanstiegen.
„Strahlungserwärmung“ verallgemeinert den Begriff IR- Erwärmung. Durch die Absorption von Strahlung beliebiger Wellenlänge kann sich ein Festkörper oder eine Flüssigkeit erwärmen.
Mit Flächentyp wird die Differenzierung zwischen mit Absorber unbedruckten und bedruckten Bereichen zum Ausdruck gebracht.
Ein „IR-Strahler“ ist eine Quelle von infraroter Strahlung. Dabei werden meist glühende Drähte in Quarz oder Keramikgehäusen zur Erzeugung der Strahlung benutzt. Je nach eingesetzten Materialien ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung. Die Wellenlänge ist bei diesem Strahlertyp zusätzlich abhängig von der Leistung.
Eine „Strahlungsquelle“ gibt generell Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs ab. Eine Strahlungsquelle mit nahezu monochromatischer Strahlung wird als „monochromatischer Strahler“ bezeichnet. Eine Strahlungsquelle wird auch als „Emitter“ bezeichnet.
Ein „Overheadstrahler“ im Sinne der Erfindung ist eine Strahlungsquelle die über dem Baufeld angebracht ist. Sie ist stationär kann aber in ihrer Strahlungsleistung reguliert werden. Sie sorgt im Wesentlichen für eine flächige nicht selektive Erwärmung.
Der „Sinterstrahler“ ist eine Strahlungsquelle, die das bedruckte Prozesspulver über seine Sintertemperatur erhitzt. Sie kann stationär sein. In bevorzugten Ausführungen wird sie aber über das Baufeld bewegt. Im Sinne dieser Erfindung ist der Sinterstrahler als monochromatischer Strahler ausgeführt.
„Sekundärstrahler“ ist ein Strahler, der durch einen passiven Aufheizvorgang selbst zum aktiven Emitter von Strahlung wird.
„Sintern“ ist der Begriff für das partielle Zusammenwachsen der Partikel im Pulver. Mit dem Sintern verbunden ist bei diesem System der Aufbau von Festigkeit.
Der Begriff „Sinterfenster“ bezeichnet die Differenz der Temperatur des beim ersten Aufheizen des Pulvers auftretenden Schmelzpunktes und dem bei anschließendem Abkühlen auftretenden Erstarrungspunktes.
Die „Sintertemperatur“ ist die Temperatur ab der das Pulver erstmalig aufschmilzt und sich verbindet.
Unterhalb der „Rekristallisationstemperatur“ wird einmal aufgeschmolzenes Pulver wieder fest und schwindet deutlich.
Die „Packungsdichte“ beschreibt die Ausfüllung des geometrischen Raumes durch Feststoff. Sie hängt von der Natur des Partikelmaterials und der Auftragsvorrichtung ab und ist eine wichtige Ausgangsgröße für den Sinterprozess.
Der Begriff „Schwindung“ bezeichnet den Vorgang der geometrischen Verkürzung einer Abmessung eines geometrischen Körpers infolge eines physikalischen Vorganges. Beispielhaft ist das Sintern von nicht ideal gepackten Pulvern ein Vorgang der eine Schwindung relativ auf das Anfangsvolumen mit sich bringt. Einer Schwindung kann eine Richtung zugeordnet werden.
„Deformation“ tritt auf, wenn der Körper bei einem physikalischen Prozess eine ungleichmäßige Schwindung erfährt. Diese Deformation kann reversibel oder irreversibel sein. Die Deformation wird oft auf die globale Geometrie des Bauteils bezogen.
Als „Curling“ wird in dieser Schrift ein Effekt bezeichnet, der vom schichtweisen Vorgehen bei der beschriebenen Erfindung kommt. Dabei sind jeweils kurz nacheinander erzeugte Schichten einer unterschiedlichen Schwindung ausgesetzt. Durch physikalische Effekte deformiert sich der Verbund dann in einer Richtung, die nicht mit der Richtung der Schwindung zusammenfällt.
Der „Grauwert“ bezeichnet die in das Pulver eingedruckte Absorbermenge. Dabei können erfindungsgemäß verschiedene Grauwerte auf das Baufeld aufgedruckt werden, um unterschiedliche Erwärmungsgrade zu erzielen.
„Spektrumswandler“ im Sinne der Erfindung ist ein Mittel, das eine Strahlung aufnimmt, z. B. elektromagnetische Wärmestrahlung, und einen oder mehrere definierte Wellenlängenbereiche abstrahlt oder abgibt; hierbei wird der Spektrumswandler von einem Emitter einer elektromagnetischen Wärmestrahlung (kurzwellige oder langwellige Strahlung), d.h. von einer Lampe oder einem Strahler, z.B. ein Overheadstrahler oder eine Sinteraggregat, angestrahlt und gibt dann eine definierte elektromagnetische Wärmestrahlung ab.
„Filter“ oder „filtern“ im Sinne der Erfindung ist ein Ausblenden von Teilbereichen eines elektromagnetischen Strahlungsspektrums, wobei das gewünschte elektromagnetischen Strahlungsspektrums auf einer Zielfläche, z.B. ein Baufeldoberfläche, auftrifft.
„Temperaturfenster“ oder „Temperaturbereich“ im Sinne der Erfindung ist ein definierter Temperaturbereich, der unterhalb oder im Sinterbereich des verwendeten Partikelmaterials liegt.
Ein „aufgestrahltes Spektrum eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche“ im Sinne der Erfindung ist entspricht dem abgestrahlten Spektrum des Spektrumwandlers.
Ein „Diffusor“ im Sinne der Erfindung ist ein Mittel, das auftreffende elektromagnetische Strahlung streut, z.B. homogen oder/und gleichmäßig oder/und richtungsunabhängig.
„Basistemperatur“ im Sinne der Erfindung bezeichnet die Temperatur, auf die das Partikelmaterial aufgeheizt wird und die geringer ist als die Schmelztemperatur oder/und die Sintertemperatur.
Die Erfindung wird im Weiteren näher ausgeführt, wobei jeder der Aspekte und Merkmale der Erfindung jeweils miteinander kombiniert werden können auch wenn dies nicht explizit bei jedem Merkmal ausgeführt wird.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei partikelförmiges Baumaterial in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen wird, selektiv eine oder mehrere Flüssigkeiten oder Partikelmaterial eines oder mehrerer Absorber aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Strahler erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen , das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen Spektrumswandler verwendet.
Die Erfindung stellt somit ein Verfahren bereit, bei dem vorteilhafterweise die Temperaturfenster der wiederkehrenden Verfahrensschritte präziser eingestellt werden können. Damit sind in der Folge weitere signifikante Verbesserungen der Verfahrensführung, der Produktqualität, der Recyclingquote der Materialien, ökologische Vorteile und Kostenvorteile verbunden.
Des Weiteren ist die Verfahrensführung schonender für die verwendeten Maschinen und darin vorhandenen Bauteile. Die Wärmeentwicklung ist auch teilweise geringer und jedenfalls präziser steuerbar. Weiterhin wird das Verfahren dadurch energieeffizienter.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Spektrumswandler verwendet werden, der mindestens ein Filter ist, der kurzwellige oder langwellige Strahlung filtert.
Weiterhin kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren der gefilterte Strahlungsbereich so ausgewählt werden, dass er mit dem Spektrum des verwendeten Partikelmaterials kompatibel ist. Dabei wird der Filter so ausgewählt, dass vorzugsweise das auf das Partikelmaterial aufgestrahlte Spektrum eine Wellenlänge von 8 - 3,5 mikrometer hat. Hierbei kann der oder die Filter so gewählt werden, dass die Wellenlängen der Strahlung für die Aufheizphase oder/und die Sinterphase optimiert werden und somit verbesserte Temperaturfenster an der Materialschicht selbst auf dem Baufeld erreicht werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedes mit den Verfahrensparametern kompatible Material eingesetzt und verwendet werden. Beispielsweise kann als Pulvermaterial ein Polyamidpulver, ein thermoplastisches Elastomer auf Polyamidbasis oder ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis verwendet werden. Dabei können dann die Filter und Temperaturfenster entsprechend angepasst werden, um eine vorteilhafte Verfahrensführung und Vorteile für u.a. die Produktparameter und Recyclingquote zu erzielen.
Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Pulverschicht durch einen ersten Aufheizschritt auf eine Basistemperatur des Pulvers ohne Absorber, welches sich innerhalb des Sinterfensters des Pulvermaterials befindet, erwärmt wird und ein zweiter Sinterschritt durch Wärmezufuhr zu einer selektiven Verfestigung der mit Absorber bedruckten Bereiche bei einer Sintertemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers führt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber im ersten Schritt stärker erhitzen als die Bereiche ohne Absorber und somit eine Temperaturdifferenz zwischen Bereichen mit und ohne Absorber eingestellt wird.
Des weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung geeignet zum Herstellen von 3D-Formteilen, umfassend alle für ein Pulver-basiertes Druckverfahren nötigen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Spektrumswandler aufweist, der vorzugsweise Kühlschlitze, Kühlvertiefungen, Kühlrillen oder/und Kühlbohrungen aufweist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht vorteilhafter Weise, dass Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren vermindert werden oder im Wesentlichen vermieden werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es möglich die Temperaturfenster in definiertere Bereiche zu verschieben und somit optimalere Temperaturbereiche in Hinblick auf die eingesetzten Materialien zu erreichen. Damit verbunden sind weitere Vorteile in Hinblick auf die Qualität der Zwischenprodukte und Produkte. Weiterhin kann somit die Recyclingrate des Pulvermaterials erhöht werden, womit u.a. eine Kostenreduktion und somit niedrigere Produktionskosten erreicht werden können.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrumswandler mindestens ein Filter ist, der einen ausgewählten Wellenlängenbereich definiert und diesen Wellenlängenbereich filtert.
Es können weiterhin alle für die angestrebten Verfahrensbedingungen geeigneten Spektrumwandler bzw. Filter verwendet werden, bspw. ist der Filter eine Borosilikatscheibe.
In einem Aspekt der Erfindung ist es wichtig, dass der ausgewählte Wellenlängenbereich ausgewählt ist aus langwelliger oder kurzwelliger Infrarotstrahlung, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 8µm - 3,5µm bzw. 3,5µm - 0,5µm.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Spektrumswandler in jeder geeigneten Weise angeordnet werden. Vorteilhaft kann sein, wenn mindestens zwei Spektrumswandler im Wesentlichen übereinander angeordnet sind, vorzugsweise sich ein Hohlraum zwischen den mindestens zwei Spektrumswandlern befindet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist alle für ein High-Speed-Sintering-Verfahren notwendigen und bekannten Bauteile, die deshalb hier nicht ausführlich beschrieben werden müssen. Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Bauteile sind Komponenten ausgewählt aus Bauplattform, Seitenwände, Jobbox, Beschichter (Recoater), Druckkopf, Keramikfolie, Energieeintragsmittel, vorzugsweise mindestens ein Strahler, vorzugsweise ein Overheadstrahler oder/und ein Sinterstrahleraggregat.
Wie oben ausgeführt ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung die Wellenlängenbereiche bzw. die Temperaturfenster des Verfahrens zu steuern und das Druckverfahren in definierten Bereichen durchzuführen.
Vorteilhaft ist es deshalb, dass der Overheadstrahler einen Wellenlängenberich von 8-3,5µm oder/und das Sinterstrahleraggregat, vorzugsweise einschließlich Filter, einen Wellenlängenberich von 3,5-0,5µm abstrahlt, der auf das Partikelmaterial und/oder die Baufläche aufgestrahlt wird.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung weiter aufweist eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend einen fluidgekühlten Radiator, einen Ventilator, eine Isolierung des Baubehälters, eine Isolierung der Bauplattform, eine Widerstandsheizung, einen Heizwendel, eine Widerstandsheizung des Beschichters, ein Pyrometer, einen Diffusor und einen Infrarot-Strahler.
Weitere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden ausgeführt.
Im Allgemeinen wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Strahlungsquellen als Sinterstrahler eingesetzt werden, die herkömmlichen, kostengünstigen IR- bzw. Trocknungsstrahlern entsprechen, deren Anteil am langwelligen IR-Spektrum jedoch mittels eines im Strahlengang eingebrachten Filters von der Pulveroberfläche fern gehalten wird. Diese Filter können spezielle Gläser sein, die eine geeignete Absorptionscharakteristik aufweisen. Auch eine Filterung mittels nicht-solider Stoffe wie z.B. eine Flüssigkeits- oder Gasschicht ist möglich.
Die absorbierte, nicht transmittierte Strahlungsenergie kann ohne großen Aufwand weggekühlt werden, da ein Luftstrom auf die Pulveroberfläche verhindert wird, der diese auskühlen und den Sintervorgang unterbrechen würde. Die größere Fläche im Vergleich zur Röhre eines Nahinfrarot-Strahlers begünstigt die Effektivität einer Luftkühlung, die aufgrund dessen technisch sehr einfach und kostengünstig ausgeführt werden kann. Bei kleineren Ausführungen reicht ein Ausnutzen der konvektiven Luftbewegungen aus, sodass diese gänzlich ohne elektrisch betriebenem Aggregat, wie z.B. einem Motor-Lüfter auskommen.
Ebenso ist der Einsatz zweier oder mehrerer hinter einander positionierter Filter möglich. Dadurch lässt sich die effektive Kühlfläche weiter erhöhen. Eine dadurch ebenso erreichbare Verbesserung der Filtercharakteristik ermöglicht eine sparsame Ausführung.
Filter auf Basis eines nicht-soliden Stoffes können gleichermaßen Filter- und Kühlmedium entsprechen.
Die Entfernung der langwelligen Infrarotstrahlung zieht zahlreiche weitere Vorteile nach sich. So erhöht sich weiterhin die Auswahl an für die Strahlung transparenter Materialien. Dies schließt marktübliche Materialien mit ein, die als Diffusor eingesetzt werden können, um damit die Strahlungsgleichmäßigkeit zu maximieren. Eine Verkleinerung der Sinterlampe und damit der Prozesskammer ist dadurch möglich, was einer einfacheren Temperaturführung des Prozesses zu Gute kommt.
Die Beleuchtung mit höherer Strahlungsintensität ist dadurch zugänglich, was den Verbund der einzelnen im Schichtaufbauverfahren teilgeschmolzenen Flächen steigert. Dies kommt der Festigkeit der herzustellenden Formen zu Gute. Der Einsatz beschriebener Strahlungsquellen ermöglicht nicht nur die Reduzierung des Strahlerabstandes zur Fläche, sondern auch der Strahlergröße, wodurch sich kompaktere Maschinengeometrien realisieren lassen und sich die Energieeffizienz in erheblichen Maße steigern lässt.
Da die einsetzbare Strahlerleistung von der Emission langwelliger Strahlung entkoppelt ist, kann die Leistung der Vorrichtung problemlos gesteigert werden. Der Prozess an sich bleibt davon nahezu unberührt. Eine Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit ist dadurch erreichbar.
Umgekehrt kann eine Entkopplung von Wellenlänge und Heizstrahlertemperatur bei den Overhead-Aggregaten zum Einsatz kommen.
Mittels kurzwelliger Strahler kann eine in den Strahlengang eingebrachter Körper flächig erhitzt werden, sodass dieser selbst dazu angeregt wird, Strahlung im langwelligen Bereich anzugeben.
Wird der flächige Körper genügend dünn ausgeführt, und somit die absolute Wärmekapazität gering gehalten, kann auf abrupte Änderungen des Energieinhalts des Pulverkuchens, z.B. beim Drucken großflächiger Formkörper, in ausreichender Geschwindigkeit reagiert werden, um somit den Erstellvorgang des dreidimensionalen Formkörpers in einer wirtschaftlich sinnvollen Zeitspanne von einigen Stunden zu erzeugen, da pro gedruckter Schicht nicht pausiert werden muss, um den Emittern Zeit für die Temperierung der Pulveroberfläche durch Anpassung der Leistung geben zu können.
Beispiele
Kurze Beschreibung der verwendeten Mittel und ihre Wirkungen
Die zentrale Aufgabenstellung die jeweiligen Flächentypen gezielt zu erwärmen wird über den Einsatz kurzwelliger IR-Strahler mit Strahlungsfilter erreicht.
Das Verfahren nach dem Stand der Technik besteht aus den Schritten Schichterzeugen, Bedrucken, Belichten mit Strahlung und Absenken. Der erste Schritt ist analog zur Schichtbildung beim bekannten pulverbasierten-3D-Drucken. Pulver wird vor eine Klinge gebracht, auf eine Bauplattform aufgebracht und mit der Klinge glattgestrichen. Die Positionen der Bauplattform bei zwei aufeinanderfolgenden Beschichtungsvorgängen bestimmt dabei die Schichtstärke.
Im Anschluss wird die Schicht bedruckt. Beim hier genannten Verfahren werden Flüssigkeiten mit einem Tintenstrahldruckkopf aufgebracht. Ein Teil der Flüssigkeit ist ein Absorber, der bei Einwirkung einer Strahlung lokal eine Erwärmung des Pulvers verursacht.
Die so bedruckte Schicht wird jetzt mit einer Strahlungsquelle überstrichen und damit selektiv erwärmt. Bei Einsatz einer thermischen Strahlungsquelle ohne Filter wird das komplette Pulver stark erhitzt. Besonders aber in aktivierten Bereichen steigt die Temperatur derart an, dass die Partikel zu sintern beginnen. Bei Verwendung von Strahlern mit Filter kann dieser Prozess besser gesteuert werden und gezielt auf die jeweiligen Flächentypen eingewirkt werden.
Nach diesem Schritt wird das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt. Dann werden alle oben genannten Schritte wiederholt bis das gewünschte Bauteil entstanden ist.
Das Baufeld oder die unbedruckten Flächen werden auf einer Temperatur nahe der Sintertemperatur gehalten. Zum einen ist dann die Zusatzenergie zur Sinterung des Pulvers gering und kann durch sanft wirkende Mittel eingebracht werden. Zum anderen ist die das Bauteil umgebende Temperatur so hoch, dass während des fortschreitenden Bauprozesses auch in den Randbereichen des Bauteils die Temperatur nicht unter die Rekristallisationstemperatur fällt und somit die Schichtbildung stört.
Zusätzlich zur Strahlungsquelle die das Baufeld überstreicht, kann optional eine zusätzliche stationäre Strahlungsquelle oberhalb des Baufeldes vorhanden sein. Sie wirkt jeweils, wenn das Baufeld nicht durch ein Aggregat, wie dem Beschichter oder dem Druckkopf, abgedeckt wird. Dieser sogenannte Overheadstrahler wird bevorzugt geregelt, sodass sich eine konstante Temperatur auf dem Baufeld einstellt. Beispielsweise kann ein Pyrometersensor verwendet werden, um den Temperatur-Istwert zu bestimmen. Der Overheadstrahler stellt in einer solchen Anordnung die zentrale Temperaturregelungskomponente dar.
Die Funktion des Overheadstrahlers ist die Regelung der Prozesstemperatur. Diese Regelung kann aber auch durch den Sinterstrahler realisiert werden. Dabei müssen für die Erwärmung von unbedruckten Flächen angepasste Strahler verwendet werden und deren Leistung gemäß der Erfordernisse des Prozesses geregelt werden. Ebenso müssen die bedruckten Bereiche mit einer Strahlung erwärmt werden, die für das Sintern und schwundarme Bauen notwendig sind.
Fällt die Regelung über den Overheadstrahler weg, können die Vorgänge Drucken und Beschichten nahezu ohne Zeitverzögerung aneinander gereiht werden.
Durch dieses Verfahren können ebenso statische Strahlungspanele realisiert werden, die die Funktion des Overhead- und des Sinterstrahlers vereinigen. Ist eine geometrische Bewegung der Strahlungsintensität geometrisch sinnvoll, können diese aus schaltbaren Blöcken zusammengesetzt werden. Beispielsweise können feldweise Strahler abgeschaltet werden um z.B. empfindliche Komponenten wie den Druckkopf bei dessen Fahrt zu schonen.
Die Abschirmung von langwelliger Infrarot-Strahlung und die durch den nun kostengünstig ermöglichten Bau geschlossener Aggregate verbesserte Kühlung führen zu niedrigeren Temperaturen in der Vorrichtung. Dies ist von Vorteil um empfindliche Komponenten zu schonen.
Weitere beispielhafte Ausführungen der Erfindung
Allgemeine, detaillierte Beschreibung zur Vorrichtung
Die zur Ausführung der Erfindung notwendige Vorrichtung ist eng an einen 3D-Drucker für das pulverbasierte Drucken angelehnt. Zusätzlich werden weitere Prozesseinheiten für das Temperieren und das Eindrucken der Prozessflüssigkeiten eingesetzt.
Zu Beginn des Verfahrens wird die gesamte Vorrichtung aufgeheizt. Dazu werden alle Heizelemente zur Steigerung der Temperatur benutzt. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, wenn die Temperatur an allen Messstellen des Systems konstant bleibt.
Die einzelnen Heizsysteme einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden gemäß 1 im Folgenden aufgeführt:
Die Bauplattform (102), auf der das Partikelmaterial im Prozess abgelegt wird und mit deren Hilfe die Schichtstärke der Schichten (107) eingestellt wird, kann über verschiedene Systeme beheizt werden. In einer bevorzugten Ausführung kommt eine elektrische Widerstandsheizung (104) zum Einsatz. Diese wird ebenso bevorzugt, auf Grund von Überlegungen zur Homogenität der Heizwirkung als flächige Heizfolie ausgeführt. Die Wirkung dieser Heizung wird über einen Sensor erfasst und geregelt. Der Sensor ist direkt mit der Bauplattform verbunden. Diese selbst ist zielführend aus Metall, vorzugsweise Aluminium, hergestellt. Eine Isolierung (106) deckt die Bauplattform (102) nach unten ab.
Ebenso kann die Bauplattform durch ein Fluid erhitzt werden. Dazu sind unterhalb der bevorzugt metallischen Bauplattform Heizwendel (104) verbaut. Wiederum unterhalb befindet sich eine Isolierung (106) zur Homogenisierung der Heizwirkung.
Die Heizwendel werden beispielsweise von einem Temperieröl durchströmt. Die Vorwahl der Öltemperatur ermöglicht eine exakte Einstellung der Temperatur. Ist der Durchfluss hoch genug und die Leistung angepasst, können auf diese Wiese sehr hohe Regelgüten der Temperatur erzielt werden.
Die Bauplattform (102) wird im sogenannten Baubehälter (110) bewegt. Dieser ist je nach Ausführung der Vorrichtung aus der Vorrichtung entnehmbar. Dadurch kann ein hoher zeitlicher Maschinennutzungsgrad erzielt werden, da während des Entpackens der Bauteile ein zweiter Baubehälter in der Vorrichtung verwendet werden kann.
Der Baubehälter (110) wird ebenso erhitzt. Es können die gleichen Techniken für die Bauplattform verwendet werden. Der Behälter selbst ist bevorzugt wieder aus Metall ausgeführt. Für eine gute Wärmeleitung bevorzugt Aluminium. Die eigentlich aktive Heizung (104) ist wieder mit einer Isolierung (105) hinterlegt. Damit kann die Wirkung gesteigert werden und die Homogenität erhöht werden.
Zwischen der Vorrichtung und dem Baubehälter gibt es zur Leistungsanbindung bevorzugt ein Stecksystem. Dies kann eine elektrische Verbindung beinhalten oder Steckverbinder für Flüssigkeiten.
Das nächste wesentliche Heizsystem einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Overheadstrahler (108). Sie ist erfindungsgemäß bevorzugt oberhalb des Baufeldes angebracht und strahlt senkrecht auf das Baufeld. Ebenso bevorzugt sind seitlich angebrachte Strahler, die in einem gewissen Winkel auf das Baufeld strahlen. Eine solche Konstruktion wird bevorzugt um die Abschattung durch den Beschichter oder den Druckkopf zu minimieren.
Der Overheadstrahler (108) kann erfindungsgemäß mit thermischen Strahlern ausgestattet sein. Diese sollten eine möglichst geringe Selektivität aufweisen. Beispielweise können Keramikstrahler mit extrem großer Wellenlänge verwendet werden. Auch der Einsatz von sog. mittelwelligen Quarz-Wolfram-Strahlern ist denkbar. Die gezielte Erwärmung der unterschiedlichen Flächentypen erfolgt dann durch den Sinterstrahler (109).
Verfahrensbedingt günstig ist es den Overheadstrahler (108) geregelt zu betreiben. Dazu kann bevorzugt ein Pyrometer (112) als Sensor verwendet werden. Das Pyrometer wird auf einen - durch die Steuerung sichergestellt nicht mit Absorber bedruckten Randbereich - des Baufeldes gerichtet.
Das eigentliche Sintern wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung durch eine mit dem Beschichter mitgeführten Sinterstrahler (109) ausgeführt. Dieser erwärmt das Baufeld während des Überfahrens. Er kann verwendet werden, um das frisch bedruckte Pulver oder eine bereits überdeckte Pulverschicht zu erwärmen. Hier wird erfindungsgemäß nach 2a eine kurzwellige Strahlungsquelle (201) mit vorgesetztem Filter (202) verwendet, die, erfindungsgemäß optional, auch mehrere Filter aufweisen kann. Eine Verschachtelte Bauweise mehrerer Filter (202) mit Abstand zueinander (205) ist zu bevorzugen, um die Kühlung der Filter sicher zu stellen, wie in 2b dargestellt.
Das Pulver wird in einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung vor dem Aufbringen auf die schon bestehende Pulveroberfläche vorgewärmt, damit die Schicht nicht zu stark abgekühlt wird. Für diese Pulvervorwärmung eignet sich ebenso eine elektrische Widerstandsheizung (111) im Beschichter (101).
Grundsätzlich können alle Aggregate, die über Kontaktheizungen erwärmt werden, auch indirekt über Infrarotstrahlung erwärmt werden. Besonders vorteilhaft kann es sein den Beschichter mit Strahlung zu erwärmen, wenn in der Vorrichtung starke Vibrationen aufgrund des verwendeten Pulver erforderlich sind.
Bevorzugt wird mit der Vorrichtung nach der Aufheizphase folgende Reihenfolge von Verfahrensschritten realisiert: Auf der Bauplattform wird eine Pulverschicht vom Beschichter (101) erzeugt (3a). Optional kann die neue Schicht je nach Bauform der Maschine dabei zusätzlich mit dem Sinterstrahler (109) erhitzt werden. Im Anschluss wird diese Schicht von einem (100) oder mehreren Tintenstrahldruckköpfen (100) (3b) bedruckt. Nun wird die bedruckte Schicht mit der Sinterlampe (109) aufgewärmt und anschließend wieder mit Pulver abgedeckt (3c).. Dann wird die Bauplattform (102) abgesenkt (3d).
Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Bauteile (103) im Baubehälter (110) fertiggestellt sind. Im Anschluss folgt die Abkühlphase.
Diese findet bevorzugt im Baubehälter statt, der dann außerhalb der Vorrichtung mit Energie versorgt wird.
4 gibt Temperaturdiagramme wieder. Dabei zeigt 4a schematisch den Verlauf der vom Pulver abgegebenen Energie, wenn es in einem Zyklus erhitzt und wieder abkühlt wird. Bei der Aufheizung zeigt sich bei einer gewissen Temperatur eine starke Aufnahme von Energie. Hier schmilzt oder sintert das Material (Sintertemperatur). Für lasersintergeeignetes Polyamid 12 liegt diese Temperatur bei ca. 185°C. Bei der Abkühlung gibt es ebenfalls eine signifikante Stelle wesentlich unterhalb der Sintertemperatur (Rekristallisationstemperatur). Hier erstarrt das geschmolzene Material.
Den Verlauf von den Temperaturen während eines Prozesslaufes nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik geben die 4b und 4c wieder. 4b zeigt dabei den Verlauf der Temperatur auf der unbedruckten Fläche. Durch den Einsatz der Sinterstrahlungsquelle entstehen im eigentlich konstanten Verlauf Aufheiz- und Abkühlphasen. Im unbedruckten Bereich erreicht die Temperatur niemals die Sintertemperatur.
4c zeigt den Verlauf im bedruckten Bereich. Hier sind die Schwankungen stärker. Der Prozess wird mindestens so geführt, dass kurzzeitig die Sintertemperatur überschritten wird und so ein Teil des Pulvers aufgeschmolzen wird und aufgeschmolzen bleibt. Wird zu stark erhitzt, schmilzt sämtliches Pulver in diesem Bereich und es kommt zu massiven Verzug. Eine zu starke Abkühlung des bedruckten Bereiches muss ebenfalls vermieden werden, da sonst die Rekristallisation einsetzt und dann sämtliche Schwindungen auf Grund der jetzt möglichen Kraftübertragung zu einem geometrischen Verzug (Warping bzw. Curling) führen, der unter Umständen den weiteren Prozess unmöglich macht.
Die genaue Einhaltung dieses „Prozessfensters“ zwischen der Schmelztemperatur und der Rekristallisationstemperatur ist für die Güte der Bauteile maßgeblich. Dabei gelten für die bedruckten und die unbedruckten Bereich verschiedene Randbedingungen. Der Einsatz gefilterter kurzwelliger IR-Strahlungsquellen erleichtert die Temperaturführung zwischen den beiden Temperaturen erheblich.
Insbesondere in den Ausführungsbespielen wird beschrieben, wie die Vorteile dieser Strahlungsquellen bei beschriebenem Prozess genutzt werden können.
Weitere Ausführungsbeispiele
Beispiel1: Vorrichtung mit einer Sinterlampe, die kurzwellige IR-Strahler mit Strahlungsfilter enthält, und eine thermische Overheadlampe aufweist
Gemäß 3a) beginnt der Bauprozess oder Prozesszyklus mit dem Beschichten der Bauplattform mit einer Pulverlage einer Schichtdicke von beispielsweises 100µm. Schon während des Beschichtens durch den Beschichter (101) wird das Pulver durch den Overheadstrahler (108), sofern von Beschichter (101) oder Druckkopf (100) optisch nicht abgedeckt, erwärmt. Bei Verwendung von PA12, hier PA2200 des Herstellers EOS, auf 168°C. Der Sinterstrahler (109), der nur die Strahlung liefert, die gut die bedruckte Fläche heizt, ist in diesem Schritt nicht eingeschaltet.
Der Overheadstrahler (108) enthält zur Regelung der Oberflächentemperatur des Baufeldes eine Messeinrichtung. Idealerweise ist die Messeinrichtung als Miniatur-Pyrometer (112) ausgeführt, das die Temperatur berührungsfrei ermitteln kann. Die Regelung muss berücksichtigen, dass die Messeinrichtung immer wieder durch den Druckkopf (100) und den Beschichter (101) abgeschattet wird. Dies kann durch Abschalten der Messwertgewinnung oder durch unempfindliche Regelkreisparameter erfolgen.
In einem zweiten Schritt wird der Absorber, beispielhaft Carbon Black, durch den Druckkopf (100) aufgebracht, der genau auf die Wellenlänge der Strahlungsquelle abgestimmt ist. Das Bild, das vom Druckkopf (100) auf das Partikelmaterial aufgebracht wird, entspricht dem aktuellen Formkörperquerschnitt.
Der dritte Schritt ist die Sinterfahrt. Hierbei wird die Strahlungsquelle des Sinterstrahleraggregats (109) eingeschaltet und über das Baufeld geführt. Die Leistung der Strahlungsquelle und die Geschwindigkeit bestimmen die Bestrahlungsleistung auf dem Baufeld. Im Gegensatz zum Stand der Technik erwärmt der Sinterstrahler (109) mit Strahlungsfilter aus beispielhaft Borosilikatglas einer Dicke von 2 mm des Hersteller GVB GmbH während dieser Fahrt unbedruckte Flächen nicht. Die Temperatur der bedruckten Bereiche steigt also an, während unbedruckte Bereiche nicht beeinflusst werden. Dabei wird der langwellige Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung, die sich an die Wellenlängenverteilung eines schwarzen Strahlers annähert und eine Peakwellenlänge von 1,2 µm aufweist, ab einer Wellenlänge von 3 µm durch den Strahlungsfilter absorbiert.
Der vierte Schritt ist das Absenken der Bauplattform (102) um die Stärke einer Pulverschicht (107). Während dieses Vorganges ist das Baufeld zum Overheadstrahler (108) frei und die Temperatur kann nachgeregelt werden. Danach beginnt der Prozesszyklus wieder von vorne mit dem Beschichtungsprozess.
1 beschreibt eine Vorrichtung die den im Beispiel genannten Prozess realisieren kann. Der Overheadstrahler (108) ist als lang- bis mittelwelliger thermischer Strahlungsquelle ausgeführt. Der Baubehälterboden und die Bauplattform werden über Widerstandheizungen (104) temperiert. Bei der beispielhaften Vorrichtung sind der Beschichter (101) und das Sinterstrahleraggregat (109) verbunden. Diese Einheit und der Druckkopf (100) können, müssen aber nicht separat über das Baufeld bewegt werden.
Der Sinterstrahler (109) ist wie 2a entnehmbar mit einem kurzwelligen Strahler (201) und vorgesetzem Filter (202) ausgestattet. Die vom kurzwelligen Strahler erzeugten langwelligen Anteile (203) werden vom Filter absorbiert, sodass nur noch kurzwellige Anteile die Pulveroberfläche (204) erreichen können.
Beispiel 2: Vorrichtung einer Sinterlampe, ausgestattet mit Kühlungsfunktion
Dargestellt in 2b und 2c ist eine Ausführung der Sinterlampe mit integrierter Kühlung. Die Strahlungsfilter sind hierbei beispielhaft in zweifacher Ausführung skizziert (202a, 202b). Dabei befinden sich beide Elemente nicht im Kontakt, sondern weisen einen gewissen Abstand (205) zueinander auf. In diesem Aufbau wird der Großteil der erzeugten langwelligen Infrarot-Strahlung vom Filter (202a) absorbiert, welcher dem kurzwelligen Strahler (201) am nächsten ist. Durch die langwellige Infrarot-Strahlung wird dieser aufgeheizt, lässt jedoch die kurzwellige Strahlung passieren. Somit wird der zweite Filter (202b), welcher der Partikeloberfläche gemäß 1 zugewandt ist, nicht durch diese langwellige Wärmestrahlung erwärmt. Auch der zweite Filter lässt die kurzwellige Strahlung unbeeinflusst, sodass diese dazu verwendet werden kann die mit dem Druckkopf (100) benetze Fläche des Partikelmaterials über dessen Schmelztemperatur zu erhitzen. Durch die nun weitaus geringeren Temperaturen des zweiten Filters wird verhindert, dass durch den Beschichtungsvorgang (3a) aufgewirbeltes Partikelmaterial an dessen Oberfläche festschmilzt und verklebt, wodurch der Strahlungsfluss blockiert würde.
Die Kühlung des ersten Filters (202a), kann dabei konvektiv (2b) mittels Öffnungen im Gehäuse des Aggregats (206) oder mittels Kühlaggregat (2c) erfolgen. Eine Ausführung mittels Kühlaggregat bietet sich bei größeren Ausführungen der Sinterlampe an. Hierbei bezeichnet (207) einen mittels eines Kühlfluids, bevorzugt Wasser, durchströmten Kühlkörper. Für Konvektion im Aggregat sorgt ein Ventilator (208), welcher sich auf dem Kühlkörper befindet. Bei dieser Ausführung schließt der erste Filter (202a) mit der Gehäusewand des Aggregats ab.
Beispiel 3: Vorrichtung einer Sinterlampe, ausgestattet mit Kühlungsfunktion und Diffusor
Wie in 2d angedeutet eine Ausführung des in Beispiel 2 beschriebenen Filters (202b) als Diffusor sinnvoll (202c), um die gesamte Oberfläche des auf der Bauplattform befindlichen Partikelmaterials bei Überfahrt mit der Sinterlampe gleichmäßig zu bestrahlen (204b). Somit ist sichergestellt, dass auch an den Randbereichen der Bauplattform eine genügend hohe Festigkeit des zu erstellenden Formkörpers erreicht werden kann. Als Diffusor eignet sich in diesem Beispiel Kryolithglas, weißes Opalglas des Herstellers Edmund Optics.
Beispiel 4: Vorrichtung einer Sinterlampe, ausgestattet mit zwei kurzwelligen Strahlern, jeweils mit und ohne Strahlungsfilter
Gemäß 5 beginnt der Bauprozess oder Prozesszyklus mit dem Beschichten der Bauplattform (102) mit einer Pulverlage. Der Sinterstrahler ohne Filter (501) des Aggregats (109), der auch die Strahlung liefert, die gut die unbedruckte Fläche heizt, ist in diesem Schritt eingeschaltet und erwärmt das Pulver auf eine Grundtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur aber Oberhalb der Rekristallisationstemperatur. Die Energiezufuhr wird dabei über die Leistung und die Verfahrgeschwindigkeit gesteuert. Günstiger weise wird die erzeugte Temperatur erfasst und auch eingeregelt.
In einem zweiten Schritt wird der Absorber aufgebracht, der genau auf durch den Filter hindurchgelassenen Wellenlängen der Strahlungsquelle (502) für die bedruckten Bereiche abgestimmt ist. Das Bild, das vom Druckkopf (100) auf das Pulver aufgebracht, wird entspricht dem aktuellen Formkörperquerschnitt.
Der dritte Schritt ist die Sinterfahrt. Hierbei wird das Sinteraggregat (109) eingeschaltet und über das Baufeld geführt. Die Leistung der Strahlungsquelle und die Geschwindigkeit bestimmen die Bestrahlungsleistung auf dem Pulverbett. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann das Aggregat mit zwei Spektren (501,502) während dieser Fahrt unbedruckte und bedruckte Flächen gezielt beeinflussen. Die Temperatur der bedruckten Bereiche steigt also an, während in unbedruckten Bereichen der Energieverlust durch Strahlung ausgeglichen werden kann.
Der vierte Schritt ist das Absenken der Bauplattform (102) um eine Schichtstärke und wird bei diesem beispielhaften Prozess extrem kurz gehalten. Hier wird nicht geregelt und jede Verzögerung führt zu Energieverlust durch Wärmestrahlung. In der Darstellung wird dieser Schritt deshalb nicht aufgeführt.
Bei einer genügend schnellen Ausführung des Prozesszyklus kann auf einen Overheadstrahler verzichtet werden.
Beispiel 5: Vorrichtung einer Overheadlampe, ausgestattet mit kurzwelligen Strahlern und Absorberfläche
Gemäß 6 wird die Overheadlampe (108) mittels kurzwelliger Strahler mit Peakwellenlänge im Bereich von 1,2µm (601) ausgeführt, welche einen im Strahlengang (602) zwischen IR-Emitter und Pulveroberfläche befindlichen Absorber (603) flächig erhitzen. Dieser sendet dadurch selbst wiederum Infrarot-Strahlung (604) aus, allerdings im wesentlich längerwelligen Spektrum, bevorzugt mit Peakwellenlängen um 4 µm. Die Ausführung des Absorbers erfolgt in möglichst geringer Dicke von einigen Millimetern, um die Wärmekapazität des Materials klein zu halten und somit die Reaktionszeit der ausgesandten langwelligen Strahlung zu minimieren. Als Material eignet sich bevorzugt Alunit, eine Nichtoxidkeramik aus Aluminiumnitrid des Herstellers Ceramtec, da dieses eine hohe Wärmeleitfähigkeit von ca. 200 W/mK aufweist und damit im Aufbau eine schnelle Reaktionszeit erlaubt.
Bezugszeichenliste

100: Druckkopf
101: Beschichter
102: Bauplattform
103: Bauteile
107: Schichten
108: Overheadstrahler
109: Sinterstrahleraggregat
110: Baubehälter
105: Isolierung Baubehälter
104: Widerstandsheizung bzw. Heizwendel
106: Isolierung Bauplattform nach unten
111: Widerstandsheizung Beschichter
112: Pyrometer
201: Kurzwelliger IR-Strahler
202: Filter
202a: Filter, dem kurzwelligen Infrarotstrahler am nächsten
202b: Filter, der Bauoberfläche am nächsten
202c: Diffusor
203: Infrarot-Strahlung mit langwelligen Anteilen
204: Infrarot-Strahlung ohne langwellige Anteile
204b: Infrarot-Strahlung ohne langwellige Anteile, nicht gerichtet
205: Hohlraum zwischen zwei Strahlungsfiltern
206: Kühlschlitze
207: Fluidgekühlter Radiator
208: Ventilator
501: Sinterstrahler ohne Strahlungsfilter
502: Sinterstrahler ausgeführt mit Strahlungsfilter
601: kurzwelliger Infrarotstrahler
602: breitbandige Infrarotstrahlung
603: Absorber
604: vom Absorber emittierte langwellige Infrarotstrahlung
701: Typisches Strahlungsspektrum herkömmlicher Strahler mit Sekundärpeak
702: Spektrum herkömmlicher Strahler bei geringerer Leistung
703: Absorptionsspektrum Borosilikatglasscheibe
704: Emittiertes Spektrum herkömmlicher Strahler bei hoher Leistung
705: Transmittiertes Spektrum
706: Blockierter Wellenlängenbereich

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

EP 0431924 B1 [0002]
EP 1740367 B1 [0009]
EP 1648686 B1 [0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei partikelförmiges Baumaterial in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen wird, selektiv eine oder mehrere Flüssigkeiten oder Partikelmaterial eines oder mehrerer Absorber aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Strahler erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen Spektrumswandler verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrumswandler mindestens ein Filter ist, der kurzwellige oder langwellige Strahlung filtert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gefilterte Strahlungsbereich so ausgewählt wird, dass er mit dem Spektrum des verwendeten Partikelmaterials kompatibel ist, vorzugsweise das auf das Partikelmaterial aufgestrahlte Spektrum eine Wellenlänge von 8 - 3,5 µm hat, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass als Pulvermaterial ein Polyamidpulver, ein thermoplastisches Elastomer auf Polyamidbasis oder ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Pulverschicht durch einen ersten Aufheizschritt auf eine Basistemperatur des Pulvers ohne Absorber, welche sich innerhalb des Sinterfensters des Pulvermaterials befindet, erwärmt wird und ein zweiter Sinterschritt durch Wärmezufuhr zu einer selektiven Verfestigung der mit Absorber bedruckten Bereiche bei einer Sintertemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers führt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber im ersten Schritt stärker erhitzen als die Bereiche ohne Absorber und somit eine Temperaturdifferenz zwischen Bereichen mit und ohne Absorber eingestellt wird.
Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen, umfassend alle für ein Pulver-basiertes Druckverfahren nötigen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Spektrumswandler aufweisen, der vorzugsweise Kühlschlitze, Kühlvertiefungen, Kühlrillen oder/und Kühlbohrungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrumswandler mindestens ein Filter ist, der einen ausgewählten Wellenlängenbereich definiert und diesen Wellenlängenbereich filtert, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass der Filter eine Borosilikatscheibe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewählte Wellenlängenbereich ausgewählt ist aus langwelliger oder kurzwelliger Infrarotstrahlung, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 8µm - 3,5µm bzw. 3,5µm - 0,5µm, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Spektrumswandler im Wesentlichen übereinander angeordnet sind, vorzugsweise sich ein Hohlraum zwischen den mindestens zwei Spektrumswandlern befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten ausgewählt sind aus Bauplattform, Seitenwände, Jobbox, Beschichter (Recoater), Druckkopf, Keramikfolie, Energieeintragsmittel, vorzugsweise mindestens ein Strahler, vorzugsweise ein Overheadstrahler oder/und ein Sinterstrahleraggregat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Overheadstrahler einen Wellenlängenbereich von 8-3,5µm oder/und das Sinterstrahleraggregat, vorzugsweise einschließlich Filter, einen Wellenlängenbereich von 3,5-0,5µm abstrahlt, der auf das Partikelmaterial und/oder die Baufläche aufgestrahlt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter aufweist eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend einen fluidgekühlten Radiator, einen Ventilator, eine Isolierung des Baubehälters, eine Isolierung der Bauplattform, eine Widerstandsheizung, einen Heizwendel, eine Widerstandsheizung des Beschichters, ein Pyrometer, einen Diffusor und einen Infrarot-Strahler.