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Die Erfindung betrifft eine additive Herstellvorrichtung, ein zugeordnetes additives Herstellverfahren und einen mittels derselben hergestellten Formkörper
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Additive Herstellvorrichtungen und zugehörige Verfahren (auch als „Additive Manufacturing“ bezeichnet) sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung (z.B. Lasersintern oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen) herbeigeführt werden. Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird der Auftreffbereich eines Laserstrahls auf eine Schicht des Aufbaumaterials über jene Stellen der Schicht bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechen.
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Wenn als Aufbaumaterial ein Kunststoffpulver (Polymerpulver) gewählt wird, so wird üblicherweise eine Verfestigung des Aufbaumaterials mittels Bestrahlung mit einem CO2-Laser bewirkt. Letzterer emittiert Strahlung einer Wellenlänge von 10,6 µm und wird insbesondere deshalb verwendet, weil die meisten Polymermaterialien Strahlung einer Wellenlänge von 10,6 µm gut absorbieren.
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Da die Fokusgröße der Strahlung auf dem Aufbaumaterial von der Wellenlänge abhängig ist, lässt sich bei den hergestellten Objekten eine umso größere Detailauflösung erzielen, je geringer die Wellenlänge der zum Verfestigen verwendeten Strahlung ist. Wegen der schlechten Absorption kürzerer Wellenlängen als 10,6 µm durch Polymermaterialien, schlägt
DE 199 18 981 A1 vor, das Aufbaumaterial mit einem Absorber zu vermischen, der Laserstrahlung einer Wellenlänge von 500 bis 1500 nm absorbiert, sodass auch ein in diesem Wellenlängenbereich emittierender Laser, beispielsweise ein Nd-YAG- oder ein Nd-YLF-Laser zum Einsatz kommen kann und eine bessere Detailauflösung erreicht werden kann.
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Der Einsatz von Absorberadditiven bringt allerdings eine Anzahl von Nachteilen mit sich. Zum einen erhöhen sich die Prozesskosten infolge der Materialkosten der Absorberadditive und des Erfordernisses der homogenen Vermischung der Absorberadditive mit dem Aufbaumaterial bzw. des Aufbringen der Absorberadditive auf eine Schicht des Aufbaumaterials. Desweiteren schrumpft das Prozessfenster, also der zur Verfügung stehende Temperaturbereich für eine stabile Prozessführung. Ferner ist die Prozessregelung schwieriger, weil Inhomogenitäten in der Absorbermenge zu Inhomogenitäten im hergestellten Objekt bzw. dessen Oberfläche führen können. Schließlich ist es schwieriger, Objekte mit einer gewünschten Farbe zu erhalten: Ein dunkler Absorber, wie z.B. Ruß, führt zu dunklen Objekten, die sich nur unter erhöhtem Aufwand umfärben lassen, wenn z.B. helle Objekte gewünscht sind, bei denen nicht die dunkle Farbe durchschimmert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer laserbasierten additiven Herstellvorrichtung und eines zugehörigen additiven Herstellverfahrens, mittels derer Objekte mit höherer Detailauflösung ohne zusätzliche Nachteile auf additive Weise hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 1, ein additives Herstellverfahren nach Anspruch 8 und einen Formkörper nach Anspruch 14. Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Insbesondere kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch untenstehende bzw. in den abhängigen Ansprüchen ausgeführte Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren weitergebildet sein und umgekehrt. Ferner können die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschriebenen Merkmale auch zur Weiterbildung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt werden, selbst wenn dies nicht explizit angegeben wird.
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Eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts weist auf:
- eine Schichtauftragsvorrichtung zum Auftragen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht,
- eine Energieeintragseinrichtung, welche
- einen Kohlenmonoxidlaser, und
- eine Strahlungszufuhreinrichtung zum Zuführen von Laserstrahlung des Kohlenmonoxidlasers zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, aufweist, und
- eine Laserleistungsmodifikationsvorrichtung (27), welche geeignet ist, bei einer Erhöhung der Laserleistung einen Anstieg der auf das Aufbaumaterial auftreffenden Leistung pro Flächeneinheit innerhalb eines Zeitraums zu bewirken, der geringer als 300 µs und/oder größer als 50 ns ist, und/oder bei einer Reduzierung der Laserleistung einen Abfall der auf das Aufbaumaterial auftreffenden Leistung pro Flächeneinheit innerhalb eines Zeitraums zu bewirken, der geringer als 100 µs und/oder größer als 100 ns ist.
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Bei additiven Herstellvorrichtungen und -verfahren, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird Energie in Form von Laserstrahlung selektiv einer Schicht des Aufbaumaterials zugeführt. Die Strahlung trifft dabei in einer Arbeitsebene auf das Aufbaumaterial, die in der Regel eine Ebene ist, in der die der Energieeintragseinrichtung zugewandte Oberseite der Schicht liegt. Infolge der zugeführten Energie erwärmt sich das Material, wodurch das Aufbaumaterial versintert oder aufgeschmolzen wird.
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Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass mittels einer additiven Herstellvorrichtung nicht nur ein Objekt, sondern auch mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Herstellung eines Objekts die Rede ist, dann versteht es sich, dass die jeweilige Beschreibung in gleicher Weise auch auf additive Herstellverfahren und -vorrichtungen anwendbar ist, bei denen mehrere Objekte gleichzeitig hergestellt werden.
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Hinsichtlich der Ausgestaltung der Schichtauftragsvorrichtung in der erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung bestehen keinerlei Beschränkungen. Jede im Bereich der additiven Fertigung bekannte Schichtauftragsvorrichtung, die in der Lage ist, ein Aufbaumaterial schichtweise, d.h. Schicht auf Schicht, aufzutragen, kann Bestandteil der additiven Herstellvorrichtung sein. Die Schichtauftragsvorrichtung muss lediglich geeignet sein, ein formloses Aufbaumaterial, insbesondere ein Pulver, aufzutragen, wobei oftmals mittels einer Abstreifvorrichtung für eine ebene Oberfläche einer aufgetragenen Schicht und damit für einen konstanten Abstand zwischen Energieeintragseinrichtung und Aufbaumaterial gesorgt wird.
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Insbesondere ist die Schichtauftragsvorrichtung in der Lage, ein polymerhaltiges Aufbaumaterial zu handhaben, also insbesondere ein Kunststoffpulver bzw. ein Pulver, das einen Kunststoffanteil aufweist, der durch die Energiezufuhr aufgeschmolzen werden soll.
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Bei dem Kohlenmonoxidlaser kann es sich um einen kommerziell erhältlichen Laser handeln. Üblicherweise liegt die von einem Kohlenmonoxidlaser emittierte Strahlung im Bereich zwischen 4 und 8 µm, beispielsweise zwischen 5 und 6 µm. Die verwendbaren Strahlungszufuhreinrichtungen können in ihrem prinzipiellen Aufbau die gleichen sein, die im Bereich des Additive Manufacturing bei der Verwendung von CO2-Lasern zum Einsatz kommen. In der Regel enthält eine Strahlungszufuhreinrichtung eine Strahlablenkeinrichtung, mittels welcher die Laserstrahlung auf eine Schicht des Aufbaumaterials gelenkt wird.
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Die erfindungsgemäß vorhandene Laserleistungsmodifikationsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie bei entsprechender Ansteuerung in der Lage ist, innerhalb eines kurzen Zeitraums die dem Aufbaumaterial zugeführte Laserleistung, also insbesondere die pro Flächeneinheit auf das Aufbaumaterial auftreffende Leistung, abzuändern. Dabei bezieht sich die für eine Leistungserhöhung spezifizierte Zeit auf die Differenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die vorhandene Laserleistung um 10 % bzw. 90 % des Leistungsdifferenzbetrags erhöht ist. Hierbei bezieht sich der Leistungsdifferenzbetrag auf den Unterschied zwischen der nach der Leistungserhöhung dem Aufbaumaterial zugeführten Laserleistung pro Flächeneinheit und der vor der Leistungserhöhung dem Aufbaumaterial zugeführten Laserleistung pro Flächeneinheit. In gleicher Weise bezieht sich die für eine Leistungsreduzierung spezifizierte Zeit auf die Differenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen die vorhandene Laserleistung um 10 % bzw. 90 % des Leistungsdifferenzbetrags reduziert ist. Hierbei bezieht sich der Leistungsdifferenzbetrag auf den Unterschied zwischen der nach der Leistungsreduzierung dem Aufbaumaterial zugeführten Laserleistung pro Flächeneinheit und der vor der Leistungsreduzierung dem Aufbaumaterial zugeführten Laserleistung pro Flächeneinheit.
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Es sei betont, dass die Laserleistungsmodifikationsvorrichtung im Strahlengang hinter dem Kohlenmonoxidlaser angeordnet ist, mit anderen Worten, die Laserleistungsmodifikationsvorrichtung ist nicht Bestandteil des Kohlenmonoxidlasers, sondern modifiziert die Leistung der Laserstrahlung erst nachdem diese den Kohlenmonoxidlaser verlassen hat. Unter einer Laserleistungsmodifikationsvorrichtung wird also ausdrücklich nicht eine Steuervorrichtung des Kohlenmonoxidlasers verstanden.
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Es wurde festgestellt, dass die von einem Kohlenmonoxidlaser emittierte Strahlung von Polymermaterialien, beispielsweise Polyamid, sehr gut absorbiert wird, sodass auf den Einsatz von Absorbermaterialien verzichtet werden kann. Gleichzeitig kann aufgrund der im Vergleich zum Kohlendioxidlaser verringerten Wellenlängen eine bessere Detailauflösung erzielt werden. Infolge des verringerten Strahlfokus ist es desweiteren möglich, zu besseren Oberflächen der hergestellten Objekte, insbesondere einer geringeren Oberflächenrauigkeit, zu gelangen.
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Kohlenmonoxidlaser lassen sich normalerweise nicht so schnell an- und abschalten wie Kohlendioxidlaser. Infolge der erfindungsgemäß vorhandenen Laserleistungsmodifikationsvorrichtung kann jedoch der Kohlenmonoxidlaser mit gleicher Geschwindigkeit oder sogar deutlich höherer Geschwindigkeit als ein Kohlendioxidlaser geschaltet werden. Da während des selektiven Verfestigens einer Aufbaumaterialschicht der Laserstrahl in der Regel sehr oft an- und ausgeschaltet werden muss, ist es daher für eine schnelle Fertigung von Objekten mittels additiver Herstellung von Belang, wenn erfindungsgemäß keine Geschwindigkeitseinbußen beim Herstellvorgang in Kauf genommen werden müssen und trotzdem die Vorteile der Verwendung einer kurzwelligeren Strahlung ausgenutzt werden können.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Laserleistungsmodifikationsvorrichtung um einen akustooptischen oder elektrooptischen Modulator.
Die genannten Modulatoren sind besonders geeignet, schnelle Schaltvorgänge, insbesondere ein schnelles Schalten bzw. Abändern der dem Aufbaumaterial zugeführten Laserstrahlung zu bewirken.
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Weiter bevorzugt wird die die Laserleistungsmodifikationsvorrichtung in nullter Ordnung durchdringende Laserstrahlung den Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, zur Verfestigung des Aufbaumaterials zugeführt.
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Bei dieser Betriebsweise des akustooptischen oder elektrooptischen Modulators kommt es nicht zu einer Strahlablenkung des den Modulator durchdringenden Laserlichts, welches dem Aufbaumaterial zugeführt werden soll. Dies schließt Fehler aus, die durch Änderungen des Ablenkwinkels hervorgerufen werden können und vereinfacht die Justierung. Beim Abschalten der Strahlungszufuhr wird im Wesentlichen Energie von der nullten Ordnung in die höheren Ordnungen abgezogen.
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Weiter bevorzugt weist bei der additiven Herstellvorrichtung die Strahlungszufuhreinrichtung eine Ablenkeinrichtung auf, die geeignet ist, Laserstrahlung des Kohlenmonoxidlasers zu Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, zu lenken und/oder
eine Fokussiereinrichtung, die geeignet ist, Laserstrahlung des Kohlenmonoxidlasers auf die Oberfläche einer Aufbaumaterialschicht zu fokussieren. Dabei ist eine charakteristische Abmessung, insbesondere eine Aperturgröße, der Ablenk- und/oder Fokussiereinrichtung, geringer oder gleich etwa 50 mm, vorzugsweise geringer oder gleich etwa 20 mm, besonders bevorzugt geringer oder gleich etwa 10 mm, und/oder größer oder gleich 5 mm.
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Infolge der gegenüber dem CO2-Laser verringerten Wellenlänge kann wie bereits erwähnt ein geringerer Fokusdurchmesser erzielt werden. Dies bedingt, dass auch eine Aperturgröße der Strahlungszufuhreinrichtung geringer gewählt werden kann. Dies wiederum bedingt, dass die Abmessungen der optischen Elemente, beispielsweise der Drehspiegel in einer Strahlablenkvorrichtung, kleiner sein können. Für eine Strahlablenkvorrichtung bedeutet dies konkret, dass in Folge der geringeren Abmessung der Drehspiegel auch deren träge Masse geringer ist, woraus eine höhere Beschleunigung bei Drehbewegungen resultiert. Bei Bewegungsänderungen bei der Bewegung eines zum Verfestigen verwendeten Laserstrahls über das Aufbaumaterial bedingt die in der Realität infolge der trägen Masse der Drehspiegel vorhandene endliche Beschleunigungszeit einen als Schleppverzug (manchmal auch Schleppfehler) bezeichneten Versatz zwischen der aktuellen Position des Strahls auf dem Baumaterial und der intendierten Position. Insbesondere kommt dieses Verhalten am Beginn und am Ende von Abtastlinien bzw. Hatchlinien zum Tragen. Durch die höhere Beschleunigung der Drehspiegel bei Drehbewegungen infolge der geringeren trägen Masse kann der Schleppverzug in vorteilhafter Weise geringer gehalten werden. Da darüber hinaus auch Schaltvorgänge für die Laserstrahlung rasch vonstatten gehen können, kann ebenfalls die Anpassung der einzutragenden Laserleistung pro Flächeneinheit an den Schleppverzug auf präzisere Weise stattfinden. Insbesondere erhöht sich die Abbildungsgenauigkeit (Gestalttreue) für eine vorgegebene Abtastgeschwindigkeit.
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Vorzugsweise weist die additive Herstellvorrichtung eine Fokussiereinrichtung auf, welche geeignet ist, einen Fokusdurchmesser von kleiner oder gleich 500 µm, bevorzugter kleiner oder gleich 300 µm, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 250 µm und/oder größer oder gleich 80 µm, bevorzugter größer oder gleich 100 µm, noch bevorzugter größer oder gleich als 150 µm auf der Oberfläche einer Aufbaumaterialschicht zu erzeugen.
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Bei einem additiven Herstellverfahren unter Verwendung solch einer additiven Herstellvorrichtung wird infolge des kleinen Fokusdurchmessers eine hohe Auflösung von geometrischen Details der hergestellten Objekte erzielt. Bei Verwendung einer Ablenk- und/oder Fokussiereinrichtung mit geringer Aperturgröße wird insbesondere trotz auftretendem Schleppverzug eine hohe Detailgenauigkeit erreicht. Geht man von einem gaussförmigen Strahlprofil aus, so kann ein Fokusdurchmesser als mittlerer oder maximaler Durchmesser jenes Bereichs definiert werden, innerhalb dessen die Strahlleistung oberhalb dem Strahlleistungsmaximum dividiert durch e2 liegt, wobei e die Eulersche Zahl ist.
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Weiter bevorzugt ist bei der additiven Herstellvorrichtung die Ablenkeinrichtung geeignet, den Laserstrahlfokus mit einer Geschwindigkeit über die Oberfläche des Aufbaumaterials zu bewegen, die größer oder gleich 2 m/s und/oder kleiner oder gleich 50 m/s, bevorzugt größer oder gleich 5 m/s und/oder kleiner oder gleich 30 m/s, noch bevorzugter größer oder gleich 8 m/s und/oder kleiner oder gleich 25 m/s ist.
Bei einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren unter Verwendung solch einer additiven Herstellvorrichtung wird infolge einer kleinen Aperturgröße bzw. charakteristischen Abmessung der Ablenk- und/oder Fokussiereinrichtung der Auftreffbereich der Laserstrahlung auf dem Aufbaumaterial mit im Vergleich zum Stand der Technik hoher Geschwindigkeit bewegt. Dennoch wird infolge der Wellenlänge der Strahlung hinreichend Energie eingetragen, um eine Verfestigung des Aufbaumaterials bewirken zu können. Damit werden Objekte innerhalb eines im Vergleich zum Stand der Technik kürzeren Zeitraums hergestellt, ohne Einbußen bei der Qualität, insbesondere der Detailauflösung in Kauf nehmen zu müssen. Bei den spezifizierten Werten für die Geschwindigkeit wurde angenommen, dass der Abstand zwischen der Ablenkeinrichtung bzw. dem Drehspiegel und der Oberfläche der selektiv zu verfestigenden Aufbaumaterialschicht ca. 50 cm beträgt.
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Vorzugsweise kann bei der additiven Herstellvorrichtung der Laserstrahlfokus in zueinander parallelen Hatchlinien mit einem gegenseitigen Abstand von weniger als 0,18 mm, bevorzugt weniger als 0,16 mm, noch bevorzugter weniger als 0,14 mm und/oder mehr als 0,05 mm über die Oberfläche des Aufbaumaterials bewegt werden und/oder ein beam offset von weniger als 0,18 mm, bevorzugt weniger als 0,16 mm, noch bevorzugter weniger als 0,14 mm eingestellt werden.
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Bei einem additiven Herstellverfahren unter Verwendung solch einer additiven Herstellvorrichtung wird infolge der Verwendung von Laserstrahlung mit einer geringeren Wellenlänge es im Vergleich zur Verwendung eines CO2-Lasers ein kleinerer Durchmesser des Auftreffbereichs der Laserstrahlung auf der Aufbaumaterialschicht erzielt. Infolgedessen werden auch beim Abtasten des Aufbaumaterials mittels Bewegens des Laserstrahls entlang von zueinander parallelen Abtastlinien (Hatchlinien) die gegenseitigen Abstände der Hatchlinien geringer gewählt. Hierdurch findet eine homogenere Verfestigung statt, so dass Bauteile höherer Qualität erhalten werden. Der Begriff „beam offset“ ist ein auf dem Gebiet der additiven Fertigung üblicher englischsprachiger Begriff, der den eingestellten Strahlversatz an der Kontur eines Objektquerschnitts angibt. Mittels dieses Strahlversatzes, in der Regel senkrecht zur Kontur, wird erreicht, dass beim Abtasten der Kontur trotz eines endlichen Durchmessers des Strahlungsauftreffbereichs auf dem Aufbaumaterial die in den Modelldaten des herzustellenden Objekts spezifizierte Außenabmessung so exakt wie möglich am hergestellten Objekt realisiert wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts wird ein Baumaterial Schicht auf Schicht aufgetragen wird und mittels einer Energieeintragseinrichtung, die einen Kohlenmonoxidlaser und eine Strahlungszufuhreinrichtung aufweist, Laserstrahlung des Kohlenmonoxidlasers mittels der Strahlungszufuhreinrichtung Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, zugeführt. Weiterhin wird mittels einer Laserleistungsmodifikationsvorrichtung bei einer Erhöhung der Laserleistung ein Anstieg der auf das Aufbaumaterial auftreffenden Leistung pro Flächeneinheit innerhalb eines Zeitraums, der geringer als 300 µs und/oder größer als 50 ns ist, bewirkt und/oder bei einer Reduzierung der Laserleistung ein Abfall der auf das Aufbaumaterial auftreffenden Leistung pro Flächeneinheit innerhalb eines Zeitraums, der geringer als 300 µs und/oder größer als 50 ns ist, bewirkt.
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Durch das erfindungsgemäße additive Herstellverfahren werden die gleichen Vorteile erzielt, die sich durch Verwenden der erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung ergeben.
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Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren das Aufbaumaterial im Wesentlichen absorberfrei. Der Begriff „absorberfrei“ drückt dabei aus, dass im Wesentlichen keine zur Erhöhung der Absorption der Laserstrahlung geeigneten Materialien dem Aufbaumaterial hinzugefügt sind. Insbesondere wird auf die gezielte Verwendung von Hilfsstoffen zur Erhöhung der Absorption der Laserstrahlung komplett verzichtet. Dies bezieht sich zum einen darauf, dass das Aufbaumaterial nicht mit Absorberadditiven vermischt wird, zum anderen wird auch kein Absorber auf eine Aufbaumaterialschicht vor deren Verfestigung aufgetragen. Wie bereits erwähnt, ist ein additiver Herstellvorgang einfacher, wenn auf den Einsatz von Absorber-Hilfsstoffen verzichtet wird. Zudem unterliegt man weniger Beschränkungen bei der Farbe der Objekte, da insbesondere helle Objekte problemlos erhältlich sind.
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Bevorzugt enthält das Aufbaumaterial ein Polymer, vorzugsweise in Form eines Polymerpulvers, und/oder ummantelten Sand und/oder einen keramischen Werkstoff, vorzugsweise in Form eines Keramikpulvers. Das erfindungsgemäße additive Herstellverfahrens und die erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung bringen bei allen additiven Herstellvorgängen Vorteile, bei denen ein Aufbaumaterial verwendet wird, welches die Strahlung des Kohlenmonoxidlasers gut absorbiert.
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Weiter bevorzugt umfasst das Aufbaumaterial ein polymerhaltiges Material und enthält insbesondere ein Polyamid, Polypropylen (PP), Polyetherimid, Polycarbonat, Polyphenylsulfon, Polyphenyloxid, Polyethersulfon, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat, Polyacrylat, Polyester, Polyurethane, Polyimid, Polyamidimid, Polyolefin, Polystyrol, Polyphenylsulfid, Polyvinylidenfluorid, Polyamidelastomer, Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyaryletherketon (PAEK).
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Das pulverförmige Aufbaumaterial kann beispielsweise mindestens eines der Polymere, das aus der aus folgenden Polymeren gebildeten Gruppe ausgewählt ist, enthalten: Polyetherimide, Polycarbonate, Polyphenylsulfone, Polyphenyloxide, Polyethersulfone, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisate, Polyacrylate, Polyester, Polyamide, Polyaryletherketone, Polyether, Polyurethane, Polyimide, Polyamidimide, Polyolefine, Polystyrole, Polyphenylsulfide, Polyvinylidenfluoride, Polyamidelastomere wie Polyetherblockamide sowie Copolymere, welche mindestens zwei verschiedene Monomereinheiten der vorgenannten Polymere enthalten. Geeignete Polyesterpolymere oder Copolymere können aus der aus Polyalkylenterephtholaten (z.B. PET, PBT) und deren Copolymeren bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Geeignete Polyolefinpolymere oder Copolymere können aus der aus Polyethylen und Polypropylen bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Geeignete Polystyrolpolymere oder Copolymere können aus der aus syndiotaktischen und isotaktischen Polystyrolen bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Das pulverförmige Aufbaumaterial kann zusätzlich oder alternativ mindestens ein Polyblend auf der Basis von mindestens zwei der vorgenannten Polymere und Copolymere enthalten. Dabei können mit dem Kunststoff als Matrix auch noch Zusatzstoffe, z.B. Rieselhilfen, Füllstoffe, Pigmente, etc. vorhanden sein, bevorzugt aber keine Absorberadditive.
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Weiter bevorzugt weist ein im Auftreffbereich der Laserstrahlung auf die Aufbaumaterialschicht verfestigter Bereich eine Abmessung in der Schichtebene von weniger als etwa 300 µm, vorzugsweise weniger als etwa 250 µm, besonders bevorzugt weniger als etwa 200 µm, auf.
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Infolge der Verwendung von Laserstrahlung mit einer geringeren Wellenlänge ist es im Vergleich zur Verwendung eines CO2-Lasers bei gleicher Aperturgröße möglich, einen kleineren Durchmesser des Auftreffbereichs der Laserstrahlung auf der Aufbaumaterialschicht zu erzielen. Als Folge hiervon können Details mit kleineren Abmessungen mittels additiver Fertigung realisiert werden als es bei Verwendung eines CO2-Lasers der Fall wäre.
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Vorzugsweise werden die Schichten des Aufbaumaterials mit einer Dicke von weniger als 80 µm, bevorzugt weniger als 60 µm, noch bevorzugter weniger als 50 µm und/oder einer Dicke von 10 µm oder mehr, bevorzugter 25 µm oder mehr, aufgetragen.
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Als Folge der Verwendung von Laserstrahlung mit einer geringeren Wellenlänge kann bei der Ablenk- und/oder Fokussiereinrichtung eine kleinere Aperturgröße bzw. charakteristische Abmessung als beim Stand der Technik verwendet werden. Insbesondere infolge der geringeren Größe und daraus resultierend Masse von als Ablenkeinrichtung verwendeten Galvanometerspiegeln lässt sich daher der Auftreffbereich der Laserstrahlung auf dem Aufbaumaterial mit im Vergleich zum Stand der Technik höherer Geschwindigkeit bewegen. Damit können Objekte innerhalb eines im Vergleich zum Stand der Technik kürzeren Zeitraums hergestellt werden. Dies macht man sich zunutze, um Objekte mit einer besseren Auflösung von Details senkrecht zu den Aufbaumaterialschichten zu erhalten. Hierzu werden Aufbaumaterialschichten einer geringeren Dicke aufgetragen bzw. verfestigt. Obwohl sich dadurch die Gesamtzahl der zur Herstellung des Objekts aufzutragenden und zu verfestigenden Aufbaumaterialschichten erhöht, bleibt die Herstelldauer infolge der höheren Verfahrgeschwindigkeit des Strahlungsauftreffbereichs im Rahmen.
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Ein Formkörper, der durch ein erfindungsgemäßes additives Herstellverfahren aus einem Aufbaumaterial, das im Wesentlichen absorberfrei, insbesondere rußfrei, ist, hergestellt wurde, weist mindestens eine Detailabmessung, insbesondere eine Wanddicke, auf, die kleiner oder gleich 150 µm ist und/oder größer oder gleich 50 µm, bevorzugt größer oder gleich 100 µm ist.
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Ein nach einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren hergestellter Formkörper kann Details einer geringen Abmessung aufweisen, obwohl für die Herstellung auf den Einsatz von Absorberadditiven verzichtet wurde.
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Vorzugsweise weist der Formkörper, insbesondere aus Polyamid, Polypropylen (PP), Polyetherimid, Polycarbonat, Polyphenylsulfon, Polyphenyloxid, Polyethersulfon, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat, Polyacrylat, Polyester, Polyurethane, Polyimid, Polyamidimid, Polyolefin, Polystyrol, Polyphenylsulfid, Polyvinylidenfluorid, Polyamidelastomer, Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyaryletherketon (PAEK), weniger als 0,01 Gew.-% Absorbermaterial auf.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren insbesondere Formkörper aus einem kunststoffhaltigen Material erzielen. Der Verzicht auf Absorberadditive ist auch an den hergestellten Formkörpern selbst erkennbar, welche beispielsweise frei von Ruß sind und daher ohne Aufwand für nachträgliche Einfärbung in hellerer Farbe erhalten werden können.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
- 1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß der Erfindung.
- 2 dient der schematischen Veranschaulichung der Verwendungsweise eines als Laserleistungsmodifikationsvorrichtung eingesetzten akustooptischen Modulators im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
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Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält eine als Beispiel einer additiven Herstellvorrichtung gezeigte Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 eine Prozesskammer oder Baukammer 3 mit einer Kammerwandung 4. In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Baubehälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
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In dem Baubehälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 ausgebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
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Die Lasersinter- oder -schmelzvorrichtung 1 enthält weiterhin einen Vorratsbehälter 14 für ein Aufbaumaterial 15, in diesem Beispiel ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares Pulver, und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 als Materialauftragsvorrichtung zum schichtweisen Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Optional kann in der Prozesskammer 3 eine Heizvorrichtung, z.B. eine Strahlungsheizung 17, angeordnet sein, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
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Die beispielhafte additive Herstellvorrichtung 1 enthält ferner eine Energieeintragseinrichtung 20 mit einem Kohlenmonoxidlaser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, welcher über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt wird und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird. Als Kohlenmonoxidlaser kann beispielsweise der von der Fa. Coherent unter der Bezeichnung „DIAMOND J-3-5 CO Laser“ vertriebene Laser verwendet werden.
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Die Umlenkvorrichtung 23 besteht im Wesentlichen aus jeweils einem Galvanometerspiegel für die Ablenkung in X-Richtung und die Ablenkung in Y-Richtung, wobei angenommen wird, dass sich die Arbeitsebene 7 in X- und Y-Richtung ausdehnt. Insbesondere befindet sich im Strahlengang zwischen dem Kohlenmonoxidlaser 21 und der Umlenkvorrichtung 23 eine Laserleistungsmodifikationsvorrichtung 27 die im vorliegenden Beispiel ein akustooptischer Modulator ist. Solche Modulatoren werden beispielsweise von der Firma Gooch & Housego PLC in Ilminster UK vertrieben, beispielsweise das Modell I-MOXX-XC11B76-P5-GH105 lässt sich mit bis zu 60MHz ansteuern.
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2 zeigt im Detail die Verwendungsweise des akustooptischen Modulators im vorliegenden Beispiel. Der vom Kohlenmonoxidlaser 21 emittierte Laserstrahl 22 wird im akustooptischen Modulator 27 in einen der Umlenkvorrichtung 23 zugeführten Strahl 22a und einen Strahl 22b aufgespalten. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Strahl 22a um die nullte Ordnung des Beugungsmusters und beim Strahl 22b um die erste Ordnung des Beugungsmusters. Natürlich treten auch höhere Ordnungen auf, diese sind jedoch aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht gezeigt. Man erkennt, dass im vorliegenden Beispiel die Laserleistungsmodifikationsvorrichtung 27 der Abschwächung des von dem Kohlenmonoxidlaser 21 emittierten Strahls 22 dient, um somit dessen Leistung zu modulieren. Der der Umlenkvorrichtung 23 zugeführte Strahl 22a verläuft dabei in der gleichen Richtung wie der Strahl 22, der vom Kohlenmonoxidlaser 21 emittiert wird. Selbst wenn Schwankungen der Umgebungsbedingungen also zu Schwankungen im Verhalten des akustooptischen Modulators führen, hat dies keine Auswirkungen auf die Richtung des der Umlenkvorrichtung 23 zugeführten Strahls. Mittels der gezeigten Anordnung wird zur Strahlabschaltung die Leistung im Strahl 22 im Wesentlichen in die höheren Ordnungen gelenkt, um in der nullten Ordnung so wenig wie möglich Leistung zu erzielen. Durch eine Ansteuerung des akustooptischen Modulators 27 wird somit im Wesentlichen der der Umlenkvorrichtung 23 zugeführte Strahl abgeschaltet und angeschaltet. Die bei einer Abschaltung in der nullten Ordnung noch vorhandene Restleistung liegt im Bereich von wenigen Prozent und ist tolerierbar, da sie im Regelfall keine unbeabsichtigte Verfestigung von Aufbaumaterial bewirken kann. Das Vorhandensein von Restlicht der zur Verfestigung verwendeten Strahlungsquelle ist im Stand der Technik bekannt und wird dort als „bleeding“ bezeichnet.
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Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung auch teilweise oder ganz außerhalb der additiven Herstellvorrichtung angebracht sein. Die Steuereinrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es (z.B. über ein Netzwerk) in die additive Herstellvorrichtung, insbesondere in die Steuereinrichtung, geladen werden kann.
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Im Betrieb wird durch die Steuereinrichtung 29 der Träger 10 Schicht für Schicht abgesenkt, der Beschichter 16 zum Auftrag einer neuen Pulverschicht angesteuert und die Laserleistungsmodifikationsvorrichtung 27, die Umlenkvorrichtung 23 und gegebenenfalls auch der Laser 21 und/oder die Fokussiervorrichtung 24 angesteuert zum Verfestigen der jeweiligen Schicht an den dem jeweiligen Objekt entsprechenden Stellen mittels des Lasers durch Abtasten dieser Stellen mit dem Laser.
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In der soeben beispielhaft beschriebenen additiven Herstellvorrichtung geht ein Herstellvorgang so vonstatten, dass die Steuereinheit 29 einen Steuerdatensatz abarbeitet.
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Durch den Steuerdatensatz wird einer Energieeintragseinrichtung, im Falle der obigen Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung speziell der Umlenkvorrichtung 23, für jeden Zeitpunkt während des Verfestigungsvorgangs vorgegeben, auf welche Stelle der Arbeitsebene 7 Strahlung zu richten ist.
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Wie weiter oben erwähnt, kann anstelle des akustooptischen Modulators auch eine andere optische Vorrichtung als Laserleistungsmodifikationsvorrichtung verwendet werden, sofern sie in der Lage ist, innerhalb eines kurzen Zeitraums die dem Aufbaumaterial zugeführte Laserleistung, also insbesondere die pro Flächeneinheit auf das Aufbaumaterial auftreffende Leistung, abzuändern. Beispielsweise könnten auch ein entsprechend rasch ansteuerbarer photoelastischer Modulator (PEM) oder eine adäquate Verzögerungsplatte (z.B. λ/2-Plättchen) zusammen mit einem Polarisator verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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