DE102017115940A1

DE102017115940A1 - 3D-Druck-Verfahren und 3D-Druck-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017115940A1
Application number: DE102017115940.1A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Lissotschenko
Original assignee: LILAS GmbH
Current assignee: LILAS GmbH
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17
Also published as: WO2019011532A1

Abstract

3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts (1) mit folgenden Verfahrensschritten: Eine Mehrzahl von Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) für die Aufnahme eines Ausgangsmaterials für den 3D-Druck wird hergestellt, das Ausgangsmaterial wird in die Mehrzahl von Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) eingebracht, das in den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) befindliche Ausgangsmaterial wird mit Energie beaufschlagt und dadurch jeweils in ein der Form (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) entsprechendes Bauteil (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) überführt, die auf diese Weise erstellten Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) werden den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) entnommen und miteinander verbunden, so dass die miteinander verbundenen Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) das herzustellende räumlich ausgedehnte Produkt (1) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts sowie eine 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts.
Bei herkömmlichen 3D-Druck-Vorrichtungen wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls punktförmig ein pulverförmig zugeführtes Ausgangsmaterial mit einer derartigen Energiemenge beaufschlagt, dass ein Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an dem beaufschlagen Ort initiiert wird, wobei dieser Prozess zu einer Verbindung der Körner des Ausgangsmaterials führt. Durch rasterartiges Scannen des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls über den Arbeitsbereich wird dadurch schichtweise das herzustellende Produkt erzeugt. Ein Beispiel für die Verwendung eines Elektronenstrahls findet sich in der WO 2014/173662 A1 .
Als nachteilig bei bekannten 3D-Druck-Vorrichtungen und 3D-Druck-Verfahren ist die in der Regel schlechte Qualität des erzeugten Produkts anzusehen, weil dieses aufgrund der verwendeten Korngröße des Ausgangsmaterials von beispielsweise 50 µm nur mit einer entsprechend geringen Auflösung gefertigt werden kann. Weiterhin sind die Teilchen des Ausgangsmaterials in der Regel nicht homogen miteinander verbunden, so dass ein vergleichsweise poröses Material entsteht, das für manche Anwendungen nicht einsetzbar ist.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Angabe eines 3D-Druck-Verfahrens beziehungsweise die Schaffung einer 3D-Druck-Vorrichtung, mit denen ein qualitativ hochwertiges Produkt hergestellt werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein 3D-Druck-Verfahren gemäß dem Anspruch 1 sowie durch eine 3D-Druck-Vorrichtung gemäß dem Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

- Eine Mehrzahl von Formen für die Aufnahme eines Ausgangsmaterials für den 3D-Druck wird hergestellt,
- das Ausgangsmaterial wird in die Mehrzahl von Formen eingebracht,
- das in den Formen befindliche Ausgangsmaterial wird mit Energie beaufschlagt und dadurch jeweils in ein der Form entsprechendes Bauteil überführt,
- die auf diese Weise erstellten Bauteile werden den Formen entnommen,
- die Bauteile werden miteinander verbunden, so dass die miteinander verbundenen Bauteile das herzustellende räumlich ausgedehnte Produkt bilden.

Durch das Fertigen einzelner Bauteile in separaten Formen können diese Bauteile und damit auch das letztlich aus Ihnen zusammengefügte Endprodukt eine sehr gute Qualität aufweisen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das in der Form befindliche Ausgangsmaterial in den einzelnen Formen jeweils aufgeschmolzen wird, so dass ein hochwertiger Materialverbund entsteht.
Es kann vorgesehen sein, dass das in die Formen einzubringende Ausgangsmaterial pulverförmig ist. Dabei müssen keine hohen Anforderungen an die Qualität oder Korngröße des Ausgangsmaterials gestellt werden, weil durch die Energiebeaufschlagung das Ausgangsmaterial insbesondere durch Aufschmelzen miteinander verbunden wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das in den Formen befindliche Ausgangsmaterial mit Elektronenstrahlung oder Laserstrahlung beaufschlagt wird. Die Beaufschlagung mit einem Elektronenstrahl, insbesondere mit einem Elektronenstrahl mit linienförmigem Strahlquerschnitt erweist sich dabei als besonders effektiv.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindung der aus den Formen entnommenen Bauteile durch Beaufschlagung mit Elektronenstrahlung oder Laserstrahlung erreicht wird. Auch hier erweist sich die Beaufschlagung mit einem Elektronenstrahl, insbesondere mit einem Elektronenstrahl mit linienförmigem Strahlquerschnitt, als besonders effektiv. Der Elektronenstrahl kann insbesondere von unten durch das unterste Bauteil eine Verbindung zwischen dem untersten und dem darüber angeordneten Bauteil herstellen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Formen durch Fräsen gefertigt werden. Durch Fräsen, insbesondere durch Fräsen mit einer 5-Achsen-Fräsmaschine, lassen sich sehr schnell und sehr genau die gewünschten Strukturen erzeugen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Entnahme der Bauteile aus den Formen durch Magnetkraft oder durch eine zumindest provisorische Verbindung über Ultraschallschweißen oder durch eine provisorische Verbindung über Schweißen mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl erreicht wird. Beispielsweise kann im Bereich der Formen oder an die Bauteile aus den Formen hebenden Haltemitteln eine Sonotrode vorgesehen sein, um eine zumindest provisorische Verbindung über Ultraschallschweißen zwischen einem noch in der Form befindlichen Bauteil und einem bereits von den Haltemitteln gehaltenen Bauteil zu erzielen. Alternativ kann beispielsweise von der Seite vermittels einer Elektronen- oder Laserstrahlung eine Verbindung zwischen dem zu entnehmenden Bauteil und beispielsweise den Haltemitteln hergestellt werden.
Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, dass mit der 3D-Druck-Vorrichtung ein erfindungsgemäßes 3D-Druck-Verfahren durchgeführt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl der Formen, insbesondere sämtliche Formen, an einer Platte ausgebildet sind, die vorzugweise eine plane Oberfläche aufweist, in die sich die Formen hineinerstrecken. Durch das Vorsehen mehrerer Formen an einer Platte können mit einem Arbeitsschritt mehrere, insbesondere sämtliche, Formen mit dem Ausgangsmaterial gefüllt werden. Weiterhin kann in einem nächsten Arbeitsschritt durch Beaufschlagung der Platte beispielsweise mit einem Elektronenstrahl, der einen linienförmigen Querschnitt aufweist, das in sämtlichen der Formen befindliche Ausgangsmaterial mit Energie beaufschlagt und insbesondere aufgeschmolzen werden, so dass die den jeweiligen Formen entsprechenden Bauteile entstehen.
Es können eine Mehrzahl von derartigen Platten bevorratet werden, um für eine Anzahl unterschiedlicher herzustellender 3D-Produkte die entsprechenden Formen bei Bedarf verwenden zu können.
Mit dem erfindungsgemäßen 3D-Druck-Verfahren und mit der erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrrichtung können insbesondere Produkte aus Metall, wie beispielsweise Titan, Gold oder Nickel, oder auch Produkte aus Glas, wie beispielsweise Quarzglas, hergestellt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines mit einem erfindungsgemäßen 3D-Druck-Verfahren hergestellten Produkts;
2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung.

In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in 1 schematische dargestellte Produkt 1 ist beispielsweise als Hohlhalbkugel ausgebildet. Das Produkt 1 ist aus fünf als Vorprodukt dienenden Bauteilen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e zusammengesetzt. Jedes dieser Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e ist ringförmig und weist eine Form auf, die nach dem Zusammensetzen beziehungsweise dem Verbinden der Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e die Form des Produkts 1 ergibt.
Die Bauteile können sehr dünn sein, insbesondere in der in 1 vertikalen Richtung etwa 50 µm dünn sein.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, mehr, insbesondere deutlich mehr, als fünf Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e zu einem Produkt zusammenzusetzen.
Die in 2 abgebildete Vorrichtung umfasst eine Platte 2, in der eine Mehrzahl von als Ausnehmung ausgebildeten Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e angeordnet sind. Die Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e sind jeweils als ringförmige Ausnehmungen ausgebildet. Die Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e sind die Negativformen zu den zu erzeugenden als Vorprodukt dienenden Bauteilen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e.
Anstelle einer Mehrzahl von Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e in einer Platte 2 kann auch jeweils nur eine Form in einer Platte vorgesehen werden. Dann können die der Mehrzahl von Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e zugeordneten Platten beispielsweise übereinander gestapelt sein. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Platten des Stapels einzeln in vertikaler Richtung bewegt werden können, so dass sie nacheinander in eine Bearbeitungsebene gebracht werden können.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin Pulverauftragsmittel 4, mit denen ein pulverförmiges Ausgangsmaterial (nicht abgebildet) für den 3D-Druck auf die Platte 2 aufgebracht werden kann. Das auf die Platte 2 aufgebrachte Ausgangsmaterial wird dabei insbesondere in die als Ausnehmung ausgebildeten Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e eingebracht und füllt diese. Überschüssiges Ausgangsmaterial, dass nach dem Auffüllen der Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e noch auf der die Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e umgebenden Oberfläche der Platte 2 liegt, kann von einem schematisch dargestellten Schieber 10 von der Platte 2 geschoben werden.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin Mittel zur Energiebeaufschlagung, die insbesondere als Elektronenstrahlquelle 5 ausgebildet sein können. Anstelle einer Elektronenstrahlquelle 5 kann auch eine Laserlichtquelle verwendet werden. Die Elektronenstrahlquelle 5 kann einen Elektronenstrahl 6 mit einem linienförmigen Querschnitt erzeugen. Es besteht auch die Möglichkeit einen andere Querschnitt vorzusehen wie beispielsweise einen achssymmetrischen Querschnitt.
Nach dem Einbringen des pulverförmigen Ausgangsmaterials in die Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e verfährt die Elektronenstrahlquelle 5 über die Platte 2 und führt dem in den Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e befindlichen Ausgangsmaterial so viel Energie zu, dass das Ausgangsmaterial aufschmilzt und sich in einer jeden der Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e zu einem der als Vorprodukt dienenden Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e verbindet.
Die Platte mit einer oder mehreren der Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e kann vorgeheizt werden beziehungsweise Vorheizmittel umfassen, um ein Aufheizen beziehungsweise Aufschmelzen des Ausgangsmaterials zu erleichtern.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin Haltemittel 7, mit denen die Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e nacheinander aus den Formen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e entnommen werden können. Auch die Haltemittel 7 können vorgeheizt werden beziehungsweise Vorheizmittel umfassen, um das im Nachfolgenden noch detaillierter beschriebene Verbinden der Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e zu erleichtern.
Dazu wird beispielsweise zuerst das Bauteil 1e, das den größten Durchmesser aufweist, mit einem an der Unterseite der Haltemittel 7 angeordneten Sockel 8 zumindest provisorisch verbunden. Dieses Verbinden kann über Magnetkraft oder durch Ultraschallschweißen erreicht werden. Beispielsweise kann im Bereich der Platte 2 oder an dem Haltemittel eine Sonotrode vorgesehen sein, um eine zumindest provisorische Verbindung über Ultraschallschweißen zu erreichen.
Anstelle der Verbindung durch Magnetkraft oder Ultraschall kommen auch andere Verbindungsmethoden in Betracht. Beispielsweise kann von der Seite beziehungsweise in horizontaler Richtung in 2 vermittels einer Elektronen- oder Laserstrahlung eine Verbindung zwischen dem Sockel 8 und dem ersten Bauteil 1e hergestellt werden. Alternativ kann auch an mehreren, insbesondere an drei Stellen über den Umfang des Bauteils 1e verteilt, von unten durch die Platte eine Verbindung vermittels einer Elektronen- oder Laserstrahlung hergestellt werden.
Nach dem Herausnehmen des ersten Bauteils 1e wird das nächste Bauteil 1d auf eine der genannten Weisen mit dem bereits von den Haltemitteln 7 gehaltenen Bauteil 1e zumindest provisorisch verbunden. In späteren Verfahrensschritten werden auch die übrigen Bauteile 1c, 1b, 1a provisorisch mit dem jeweils darüber angeordneten Bauteil 1d, 1c, 1b verbunden und aus ihren Formen 3c, 3b, 3a entnommen.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin Verbindungs- und/oder Poliermittel 9, die beispielsweise ebenfalls als Elektronenstrahlquelle oder als Laserlichtquelle ausgebildet sein können. Mit diesen beispielsweise als Elektronenstrahlquelle ausgebildeten Verbindungs- und/oder Poliermitteln 9 können die einzelnen Bauteile 1a, 1b, 1c, 1d, 1e endgültig und fest miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann dabei der Elektronenstrahl direkt nach der Entnahme beispielsweise des zweiten Bauteils 1d aus der zugeordneten Form 3d von unten durch das gerade entnommene Bauteil 1d hindurch eine Schweißverbindung mit dem darüber befindlichen ersten Bauteil 1e bewirken.
Nach der Herstellung der Verbindungen kann beispielsweise auch die als Verbindungs- und/oder Poliermittel 9 dienende Elektronenstrahlquelle zum Polieren des Produkts 1 verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/173662 A1 [0002]

Claims

3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Eine Mehrzahl von Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) für die Aufnahme eines Ausgangsmaterials für den 3D-Druck wird hergestellt, - das Ausgangsmaterial wird in die Mehrzahl von Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) eingebracht, - das in den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) befindliche Ausgangsmaterial wird mit Energie beaufschlagt und dadurch jeweils in ein der Form (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) entsprechendes Bauteil (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) überführt, - die auf diese Weise erstellten Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) werden den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) entnommen, - die Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) werden miteinander verbunden, so dass die miteinander verbundenen Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) das herzustellende räumlich ausgedehnte Produkt (1) bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) einzubringende Ausgangsmaterial pulverförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) befindliche Ausgangsmaterial mit Elektronenstrahlung (6) oder Laserstrahlung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) befindliche Ausgangsmaterial durch die Beaufschlagung mit Energie aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der aus den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) entnommenen Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) durch Beaufschlagung mit Elektronenstrahlung oder Laserstrahlung erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Formen durch Fräsen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) gefertigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme der Bauteile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) aus den Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) durch Magnetkraft oder durch eine zumindest provisorische Verbindung über Ultraschallschweißen oder durch eine provisorische Verbindung über Schweißen mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl erreicht wird.
3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts (1), dadurch gekennzeichnet, dass mit der 3D-Druck-Vorrichtung ein 3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt werden kann.
3D-Druck-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckvorrichtung eine Strahlungsquelle umfasst, insbesondere eine Laserlichtquelle oder eine Elektronenstrahlquelle (5), die eine Strahlung (6) erzeugen kann, wobei die Strahlung (6) insbesondere einen linienförmigen Strahlquerschnitt aufweisen kann.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckvorrichtung Fräsmittel, insbesondere eine Fräsmaschine, für das Fräsen der Formen aufweist.
3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e), insbesondere sämtliche Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e), an einer Platte (2) ausgebildet sind, die vorzugweise eine plane Oberfläche aufweist, in die sich die Formen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) hineinerstrecken.