DE102019004955A1

DE102019004955A1 - Verfahren zur Herstellung von 3D-Formteilen mit variablen Zieleigenschaften der gedruckten Bildpunkte

Info

Publication number: DE102019004955A1
Application number: DE102019004955.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Scheck; Lisa Brüller; Wolfgang Mühlbauer
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-01-21
Also published as: US20220258412A1; WO2021008641A1; CN114390968A; EP3999312A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle 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 die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mit variablen Zieleigenschaften 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“ (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.
Die erzielten mechanischen Kennwerte der somit erzeugten Formkörper sind nicht nur vom verwendeten zugrunde liegenden Partikelmaterialtyp, sondern auch von der beim Schmelzen eingebrachten Energie und damit der erreichten Schmelztemperatur abhängig. Beim High Speed Sintering-Verfahren ist es ähnlich wie beim Lasersinterprozess deshalb zunächst von Vorteil, Schwankungen in der Erwärmung, welche zu unerwünschten Änderungen in den Bauteileigenschaften der erzeugten Formkörper führen, zu minimieren bzw. auszugleichen. Somit kann nicht nur Prozessstabilität gewährleistet, sondern auch gleichbleibende Qualität wiederholgenau isotrop reproduziert werden.
Der Zusammenhang der Änderung der mechanischen Kennwerte mit der beim Sintern eingebrachten Energiemenge wurde vielfach untersucht und ist Bestandteil zahlreicher wissenschaftlicher Veröffentlichungen, siehe z.B. Dissertation von Andreas Wegner „Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten", 2015.
Als einer der Gründe für die Variationen in den mechanischen Kennwerten der erzeugten Formkörper wird dort die Abhängigkeit der Restporosität von der eingebrachten Energiemenge diskutiert. In Bezug auf das in den additiven Fertigungsverfahren nach dem Sinterprozess etablierte Polyamid 12 ist eine geringe Restporosität für möglichst hohe mechanische Kennwerte erwünscht.
Jedoch ist dies nicht bei allen Materialtypen der Fall. So ist die Nachfrage nach weicheren thermoplastischen Elastomeren nicht zu vernachlässigen. Dabei kann ein gewisser Grad an Restporosität erwünscht sein, um dem erzeugten Körper Raum für die Änderung seiner Form unter Ausübung einer äußeren Krafteinwirkung zu überlassen.
Es ist demnach von Vorteil, die beim Sintervorgang eingebrachte Energiemenge nicht nur zur Erlangung gleichbleibender Materialqualität zu variieren, sondern mithilfe dieser gezielt die Materialeigenschaften des im Prozess erzeugten Formkörpers einzustellen.
Die selektiv in eine Schicht eingebrachte Energie kann über verschiedene Größen beeinflusst werden. Bei der Einkopplung der Sinter-Energie punktuell nach einem vorhandenen Schnittbild mittels eines Laser-Spiegelsystems wie es beim Verfahren des Lasersinter-Prozesses üblich ist, ist die sog. Andrew-Zahl A_Z eine etablierte Größe um diese Energie in Joule pro mm² abzuschätzen [Selective Laser Sintering Part Strength as a Function of Andrew Number, Scan Rate and Spot Size, John Williams, David Miller and Carl Deckard, 1996]: $A_{Z} = \frac{p_{L S}}{ν_{L S} \cdot d_{L S}} [\frac{J}{m m^{2}}]$
A_Z: Andrew-Zahl
Dabei bezeichnet d_LS den Laserspurabstand, p_LS die Laserleistung, v_LS die Spurgeschwindigkeit.
Für den Prozess nach dem HIGH SPEED SINTERING-Verfahren kann eine ähnliche Abschätzung erfolgen, z.B. nach dem einfachen Schema $A_{Z} = \frac{p_{s i n} \cdot G L}{ν_{s i n} \cdot d_{D o t}} [\frac{J}{m m^{2}}]$
A_Z: Andrew-Zahl bei HIGH SPEED SINTERING
Analog zum Lasersinterprozess stellt die Bewegung des Sinterstrahlers v_sin über das Baufeld ein Pendant zur Spurgeschwindigkeit des Laser v_LS dar, die effektive Strahlungsleistung des Sinteraggregats p_sin entspricht der Laserleistung p_LS. Statt des Spuranstands d_LS, welcher beim Laser reziprok zur Energiemenge beiträgt, kann beim HIGH SPEED SINTERING-Prozess die der Druckauflösung entsprechenden Punktdichte d_dot und der Absorptionsgrad GL der bedruckten Stellen als proportionaler Beitrag zu einer Kopplungskonstanten angenommen werden. Liegen die Spuren, welche der Laser bei der Erzeugung einer Schicht des zu erstellenden Formkörpers in das Partikelmaterial zeichnet näher beieinander, so führt dies zu einer Erhöhung der eingekoppelten Energiedichte. In gleicher Weise verhält es sich bei der Erhöhung des Benetzungsgrades der Pulveroberfläche mit IR-Akzeptor. Durch Erhöhung der Absorbermenge GL pro Fläche, verbessert sich der Absorptionsgrad der IR-Strahlung und führt somit zur Effizienzsteigerung der Energieeinkopplung beim Sintervorgang.
Mittels Variation dieser kann nun ebenso wie durch die anderen Größen die Schmelztemperatur direkt beeinflusst werden.
Die bekannte Verfahren nach dem High Speed Sintering Verfahren machen sich die Variation der aufgebrachten Absorbermenge zur Stabilisierung des Druckprozesses zu Nutze, siehe z.B. WO2016169615A1 .
Da die Aufbringung des IR-Akzeptors im HIGH SPEED SINTERING-Verfahren mittels Inkjet-Druckmodulen erfolgt, kann eine Anpassung der Dichte des Absorbers pro Fläche mittels Variation der Punktdichte erfolgen. Dies ist möglich, da die Ansteuerung der Inkjet-Technik handelsüblich via sog. Bitmap-Muster erfolgt, die nach einem zweidimensionalen Rasterbildverfahren aufgebaut sind. Bezüglich der Berechnung der Punktdichte bieten sich verschiedene etablierte Berechnungs-Methoden an. Der Einfachheit halber soll im Weiteren der Begriff Halbtonverfahren bzw. Dithering zur Erwähnung dieser Verfahren verwendet werden. Eine Illustration ist 2 zu entnehmen.
Diese Art der Steuerung der Absorberdichte bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich, u.a.:

1) Reduktion der erreichten Genauigkeit in der Form der erstellen Körper Um sowohl Raum für Energieerhöhung als auch Energieerniedrigung zur Verfügung zu stellen, sollte in einem Absorberdichtebereich gearbeitet werden, welcher zwischen Maximaldosierung und Minimaldosierung anzusiedeln ist. Da eine Reduktion der Fluiddichte nur durch Weglassen von zu druckenden Bildpunkten zu erreichen ist, entsteht ein schachbrettartiges Muster, welches zu Ungenauigkeiten v.a. an Randbereichen zwischen Formkörper und losem Partikelmaterial führt. Diese haben nicht nur eine Reduktion der Kantenschärfe zur Folge, sondern führen auch zu Temperaturgradienten an den Kanten des Körpers. Dies führt zur Anhaftung von losem Partikelmaterial an den erstellen Formkörper und somit zu Verschlechterungen bei der Maßhaltigkeit.
2) Begrenzt einstellbarer Bereich Weitere Reduzierung der Punktedichte führt dazu, dass mit Absorber benetzte Bereiche derart weit auseinander liegen, dass ein sintern dieser keine zusammenhänge Fläche mehr ergibt, siehe Gegenüberstellung in 2.
3) Geringe Oberflächenqualität Die Rasterung tritt an den Oberflächen der erstellten Formkörper hervor und erzeugt ein für das Auge störendes Muster welches den Gesamteindruck unabhängig von den sonstigen Eigenschaften Bauteils negativ beeinflusst.
4) Zweites Druckfluid wird benötigt Denkbar ist nach dem Stand der Technik eine punktweise Variation der effektiven Energiedichte ebenfalls durch die Verwendung eines zweiten Druckfluids, welches die Funktion besitzt, überschüssige Energie abzuführen, wie z.B. in WO2016171724 , „DETAILING AGENT FOR THREE-DIMENSIONAL (3D) PRINTING“ ausführlich dargelegt. Auch dieses führt zu oben genannten Phänomenen und v.a. die verringerte Oberflächenqualität ist bereits in der Fachbranche bekannt.
5) Geschwindigkeitsnachteil Zwar sind mehrfache Benetzungsschritte mit jeweiligem direkt angeschlossenem Belichten einer einzelnen Fläche und somit eine Variation der Verteilung des Absorbers innerhalb eines aufzutragenden Punktes ohne Dithering, und somit das Erreichen der Einbringung unterschiedlicher Energiemengen ohne Detailverlust denkbar, jedoch reduziert das mit jeder zusätzlichen Graustufe die Druckgeschwindigkeit erheblich und führt zu stark steigenden Kosten im kommerziellen Betrieb einer solchen Vorrichtung.

Es war deshalb eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise vermindert oder im Wesentlichen oder ganz vermeidet.
Es war eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen mit der eine verbesserte Kantenschärfe erreicht werden kann.
Es war eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen, wobei eine differenzierte Auswahl und Einstellung der Absorbermenge pro Bildpunkt und von verschiedenen Absorbermengen in verschiedenen Bildpunkten innerhalb einer Druckschicht möglich wird und/oder die Absorbermenge und die Bildpunkte in verschiedenen Parametern, wie z.B. Fläche der Bildpunkte, Volumen der Bildpunkte, Absorberkonzentration in den Bildpunkten, variiert werden können und auch in verschiedenen Bildpunkten in einer Druckschicht diese Parameter unterschiedlich sein können und individuell in jedem Parameter eingestellt werden können.
Die verschiedenen Aspekte der Offenbarung sind geeignet die verschiedenen oder alle oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder ganz zu vermeiden.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle 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 die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein mit einem 3D-Verfahren hergestelltes Bauteil mit vorteilhaften Eigenschaften der Randbereiche und der Formschärfe.
Figurenliste

1: Exemplarisch ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Verfahren des High Speed Sintering mit elementaren Komponenten skizziert.
2: Gegenüberstellung zweier Verfahren variabler Fluiddosierung pro Fläche, 201 zeigt das Ditheringverfahren nach dem Stand der Technik gegenüber dem Anpassen des Absorbervolumens pro Bildpunkt. Beim Verfahren nach dem Stand der Technik entstehen Lücken in der Benetzung 203, im Gegensatz zu 204, was zur Minderung der Bauteilqualität führen kann. Auch bei geringen Absorbermengen pro Fläche entsteht ein geschlossener Bereich 206 ohne störendes Muster mit Fehlstellen 205.
3: Detailansicht der zu benetzenden Oberfläche in Gegenüberstellung herkömmlicher 303 und neuer Dosiertechnik 304 (Ansicht X-Y-Ebene). Deutlich zu erkennen ist die Reduktion der Kantenschärfe beim Verfahren nach dem Stand der Technik in der linken Bildhälfte bei 305. Grund hierfür sind sog. Aliasing-Effekte, die auftreten, wenn der zu benetzende Bereich in der Software-Repräsentation nicht genau dem physischen Aufbau des Fluiddosierers entspricht. Im neuen Verfahren kann dem durch Variation des Fluidvolumens an den Randbereichen Rechnung getragen werden 306, was die Kantenschärfe des zu erstellenden Formkörpers deutlich erhöht.
4: Seitliche Detailansicht einer Ecke des zu erstellenden Formkörpers 402 in Gegenüberstellungen beider Dosierverfahren 403 und 404 in einem Verfahren additiver Fertigungstechnik nach dem Prinzip des pulverbasierten Schichtaufbaus (Ansicht X-Z-Ebene). Wie in in der Fläche bereits zu erkennen, führt das Verfahren in allen drei Raumdimensionen zu einer verbessert Oberflächenqualität des zu erstellenden Objektes, was an der lückenlosen Struktur 406 im Gegensatz zu 405 erkennbar wird.
5: Herkömmliches Verfahren nach dem Stand der Technik führt zu störenden Mustern 503 an den seitlichen Flächen 502 des erstellten Formkörpers 501. Diese können durch aufwendige Algorithmen wie sie in bereits veröffentlichten Patentschriften beschrieben werden minimiert, jedoch nicht eliminiert werden. In der additiven Fertigung wirken sich aufgrund des schichtweisen Aufbauens eines Formkörpers Aliasing-Effekt besonders drastisch auf die Oberflächenqualität aus: Durch einen prinzipbedingt benötigten Versatz der Dosiereinheit in Y-Richtung entstehen an den Seiten des Formkörpers Rilleneffekt, die eine erheblich gröbere Oberfläche zur Folge haben: Ein weiterer in der Fachwelt bekannter Nachteil der Schichtaufbautechnik. Ähnlich wie in 3 illustriert kann auch dem mittels Variabler Fluiddosierung entgegen gewirkt werden, was zu glatten Oberflächen führt und dem Formkörper eine isotrope Geometrie- und Oberflächenwiedergabe verleiht.
6: Die variable Tropfendosierung kann dazu verwendet werden, Regime innerhalb eines zusammenhängenden Formkörpers in drei Dimensionen zu definieren, welche dann spezifische Materialeigenschaften des erstellten Formkörpers zur Folge haben. Als Beispiel ist hier die Variation der Steifigkeit in Richtung des Schichtauftrags (X-Richtung) dargestellt 603. In diesem Spezialfall führt eine Erhöhung der Absorbermenge in Regime (I) in 601 zu einer erhöhten Steifigkeit an der korrespondierenden Stelle im Formkörper 602. Zwischenstufen sind möglich (III). Regime (II) würde in dieser Illustration eine geringere Steifigkeit aufweisen, da dort aufgrund der geringeren Absorberdichte pro Fläche bei der Belichtung mittels des Sinteraggregats, siehe 1, weniger Energie absorbiert wird, was geringere Temperaturen und damit einen geringeren Schmelzgrad des Pulvergranulats zur Folge hat. Ein geringerer Schmelzgrad bedeutet in diesem Beispiel geringere Festigkeit und eine geringere Härte des Bereichs, da sich Elemente des Pulvermaterials in einem höheren Ausmaß gegeneinander verschieben lassen, im Gegensatz zu stärker geschmolzenen Bereichen. Mittels variabler Dosierung pro Bildpunkt ist dies in einem feiner abgestuften Ausmaß möglich als beim Stand der Technik, was eine erweiterte Material- und Festigkeitspalette zur Folge hat. Des Weiteren führt auch hier die Variation in den mechanischen Eigenschaften nicht zu einer Reduktion der Auflösung durch Lücken im Druckbild, vgl. 2
7: Mittels geeigneter Software können innerhalb eines zusammenhängenden virtuellen Formkörpers 701, Regime unterschiedliche Eigenschaften definiert werden 704, 705 und 706, die sich mit Hilfe von Graustufenrepräsentationen in den Schichtdaten 702 und der dementsprechenden Interpretation in Variationen der Tropfenvolumen 708 der vom Druckkopf 707 dosierten Flüssigkeit 709 im erstellten Formkörper manifestieren. Beispielhaft wird gezeigt, wie aus einer virtuellen dreidimensionalen Repräsentation mit integrierter Festigkeitsdefinition, in der Figur dargestellt durch Variationen in der Schattierung mittels einer weiteren Dimension, in einem „Slicing“ genannten Verfahren über einen Softwareschritt, Ansteuerungsdaten für den sog. Graustufendruck der Fluid-Dosiereinheit erfolgen kann.
8: Als eine Schicht aufgetragen wird eine Mischung zweier Materialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturbereichen 804 und 805, sodass ein weicheres Polymer 804 geschmolzen wird bei Erreichen von Temperatur T1 und Polymer 803, welches einen höheren Härtegrad aufweist, und 802 bei Überschreiten von Temperatur T2, erreicht durch Variation der Absorbermenge pro Bildpunkt 806. Eine höhere Absorbermenge führt zu einer besseren Energieeinkopplung und dadurch zu einer höheren Temperatur in diesem Bereich 807 und umgekehrt 808. Bei Verwendung von Materialgemischen, können somit in drei Dimensionen Regionen unterschiedlicher Eigenschaften definiert werden, z.B. ein Bereich größerer 811 und geringerer Härte 810. Die beiden Pulver können in einem breiten Verhältnis zueinander gemischt werden, z.B. 10% zu 90%. Auch hierbei zieht die Variationen der Fluidmenge pro Bildpunkt keine Qualitätsnachteile oder -probleme nach sich. Die Fluidmenge kann dabei in einem kontinuierlichen Verlauf innerhalb des Formkörpers in allen drei Raumdimensionen aufgetragen werden, was in einen kontinuierlichen Härtegradienten entlang dieses Verlaufs resultieren würde. Somit ist es möglich den Härtegrad kontinuierlich in allen Raumdimensionen anzupassen.
9: Ein zweiter Temperatursensor (913), z.B. ein Pyrometer, misst die Temperatur auf den gesinterten Flächen 903 und steuert in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Masse der durch den Druckkopf (900) eingebrachten Absorberfluidtropfen in der nächsten aufzubringenden Schicht. Eine geringere Tropfenmasse erzielt dabei eine geringere Temperatur und umgekehrt. Dadurch wird eine Verbesserung der Prozessstabilität ohne Reduktion der Qualität und/oder unwillentlicher Erzeugung von störenden Mustern auf den Formkörpern erreicht, was ein bekannter Nachteil des Stands der Technik ist.
10: Bei bidirektionalem Druck , d.h. beim Drucken in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung kann die Anzahl sowie die absolute Menge der zur Verwendung kommenden Tropfenmenge pro Bildpunkt verdoppelt werden. Mit der Erhöhung Anzahl der Abstufung der möglichen Absorptionsfaktoren wird somit z.B. eine feinere Abstufung von Temperaturniveaus beim Sintern erreicht. Während im Normalfall z.B. 7 Graustufen abgebildet werden können, lässt sich die Anzahl an Graustufen somit Verdoppeln, wobei wahlweise auch die Menge des dosierten Fluids verdoppelt werden kann.

Die verschiedenen Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden näher beschrieben, ohne dass diese als einschränkend verstanden werden sollen.
In einem Aspekt wird die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle 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 die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass statt oder zusätzlich zum Verfahren des erwähnten Ditherings die Masse bzw. Tropfengröße des aufgebrachten Absorberfluids eines jeden einzubringenden Bildpunkts variiert wird.
Somit entsteht eine zusammenhängende Fläche von Bereichen unterschiedlicher Absorptionskonstanten und demnach auch resultierender variierter mechanischer Kenndaten. (6)
In einem Aspekt der Offenbarung wird vorteilhafter Weise erreicht, dass eine bessere und homogenere Verteilung des Absorbers auch bei geringen Dichten ohne Reduktion der Auflösung erreicht werden kann, wodurch die Verwendung einer Reflektorflüssigkeit entfallen kann. Da das Aufbringen eines zweiten Fluids nicht nur die Kosten für das Drucksystem verdoppelt, sondern sich auch hinsichtlich des Platzbedarfs und der Verbrauchsmaterialien ein sehr komplexes Verfahren darstellt, ergeben sich allein unter Betrachtung der Prozessteuerung hierbei bereits Vorteile, die sich bis auf die Betriebskosten für den Endkunden erstrecken. So müssen einerseits Verbrauchsmaterialien ebenso weniger oft nachgeführt werden, sowie Verschleißteile an der Vorrichtung weniger häufig ausgetauscht werden, insbesondere die relativ kostspielige Drucktechnik erreicht eine längere Lebensdauer und damit eine signifikante Kostenverminderung.
Weiterhin kann eine Erhöhung der Genauigkeit der Temperaturverteilung innerhalb einer Schicht erreicht werden und diese erlaubt somit eine wesentlich feinere Steuerung des Prozesses und damit den Zugang zu einer größeren Vielfalt an verarbeitbaren Partikelmaterialien, d.h. die Verwendung von Baumaterialien, die bisher nur schlecht oder schwierig verarbeitbar waren.
Aufgrund der feinen und/oder variablen Variationsstufen der Tropfendosierung ist es außerdem möglich übergangslose Variationen in den mechanischen Kennwerten der Formkörper zu erhalten. Z.B. kann eine verbesserte Oberflächenqualität erzielt werden und z.B. eine Verminderung der Rauheit und glattere Oberflächen erzielt werden.
Mit geringer Dosiereinstellung lassen sich gezielt Anhaftungen weißen Pulvers an die erstellten Formkörper steuern, sodass diese sich nach der Erstellung effektiver einfärben lassen.
Auch ist die Verwendung eines Materialgemischs als zugrunde liegendes Partikelmaterial denkbar, bestehend aus Materialien mit z.B. verschiedenen Schmelztemperaturen. Die Materialien können dabei derart modifiziert werden, dass jedem Absorbergrad genau eine Schmelztemperatur eines Partikelmaterials im Gemisch zugeordnet werden kann.
Somit lassen sich Multimaterial-Formkörper erstellen, ohne gleichzeitig Qualitäts- oder Geschwindigkeitseinbußen beim Herstellungsverfahren hinnehmen zu müssen. Auch die Verwendung eines oder mehrerer weiteren Materialauftragssysteme entfällt.
Mit dem Verfahren gemäß der Offenbarung wird es möglich, die Prozesssteuerung des Druckverfahrens zu verbessern, wie z.B. eine verbesserte Steuerung des Energieeintrags zu erzielen und dadurch den Bereichs der für derartige 3D-Druckverfahren zugänglichen Materialien zu erweitern, z.B. thermoplastisches Polyurethan (TPU) zu verwenden.
Weiterhin eröffnet ein Verfahren gemäß der Offenbarung den Bau von Multimaterialsystemen. Es können somit verschiedene Materialien, wie z.B. eine Mischung verschiedener TPU-Typen unterschiedlicher Shore-Härte, in einem Bauteil verdruckt werden und so u.U. die Materialeigenschaften innerhalb eines Bauteils variiert werden. Vorteilhafter Weise ist somit erfordert ein Wechsel des Partikelmaterials keinen Wechsel des verdruckten Binders. Es kann auch vorteilhafter Weise die Kontrolle über die Formkörper-Festigkeit in drei Dimensionen differenziert gestaltet werden.
Weiterhin kann eine Stabilisierung des Druckprozesses ohne Qualitätsverlust erzielt werden. Auch wird es mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung möglich eine gezielte Steuerung des Temperatureintrags zu erreichen und ein Verdrucken von Materialgemischen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur kann durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann ein verbessertes Skin-Core sein, wodurch z.B. die Entkernbarkeit verbessert wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
„Formkörper“ oder „Bauteil“ oder „Formteil“ oder 3D-Formkörper‟ oder 3D-Bauteil‟ oder 3D-Formteil 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.
Eine „Bauebene“ oder Bauplattform im Sinne der Offenbarung ist der Bereich einer Vorrichtung geeignet für 3D-Druckverfahren, auf der wiederholt Schichten aus Partikelmaterial (Fluid) aufgetragen werden, die durch selektive Verfestigung zum Aufbau eines Formkörpers führt.
Die „Aufheizphase“ kennzeichnet ein Erwärmen der Vorrichtung zu Beginn des Verfahrens. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, wenn die Solltemperatur der Vorrichtung stationär wird.
Die „Abkühlphase“ im Sinne der Offenbarung 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“ oder „Fluide“ im Sinne der Offenbarung können alle für Pulver-basierten 3D-Druckverfahren 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“ im Sinne der Offenbarung 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 Verfahrens im Sinne der Offenbarung 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 der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung wird der Antagonist des Absorbers genannt, der nach dem Stand er Technik eingesetzt wird, um Partikelmaterialien am Sintern zu hindern.
Die „Absorption“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Aufnahme der Wärmeenergie von Strahlung durch das Pulver. Die Absorption ist abhängig vom Pulvertyp und der Wellenlänge der Strahlung.
Der „Träger“ im Sinne der Offenbarung 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 Offenbarung 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 im Sinne der Offenbarung 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 im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung verallgemeinert den Begriff IR-Erwärmung. Durch die Absorption von Strahlung beliebiger Wellenlänge kann sich ein Festkörper oder eine Flüssigkeit erwärmen.
Mit „Flächentyp“ im Sinne der Offenbarung wird die Differenzierung zwischen mit Absorber unbedruckten und bedruckten Bereichen zum Ausdruck gebracht.
Ein „IR-Strahler“ im Sinne der Offenbarung 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““ im Sinne der Offenbarung 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 Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung ist ein Strahler, der durch einen passiven Aufheizvorgang selbst zum aktiven Emitter von Strahlung wird.
„Sintern“ im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Differenz der Temperatur des beim ersten Aufheizen des Pulvers auftretenden Schmelzpunktes und dem bei anschließendem Abkühlen auftretenden Erstarrungspunktes.
Die „Sintertemperatur“ im Sinne der Offenbarung ist die Temperatur ab der das Pulver erstmalig aufschmilzt und sich verbindet.
Unterhalb der „Rekristallisationstemperatur“ im Sinne der Offenbarung wird einmal aufgeschmolzenes Pulver wieder fest und schwindet deutlich.
Die „Packungsdichte“ im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung 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“ im Sinne der Offenbarung 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“, „Graustufe“ oder „Greylevel“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die pro Flächenelement in das Pulver eingebrachte Menge eines Absorbers. Dabei können erfindungsgemäß innerhalb eines Benetzungsschrittes verschiedene Grauwerte auf der Partikelmaterialoberfläche erzeugt werden, um bei der Strahlungserwärmung mittels des Sinterstrahlers aufgrund der geänderten Energieeinkopplung Bereiche unterschiedlicher Temperaturen zu erzielen. Je „Graustufe“ kann eine definierte Tropfen-Dosiermenge aus der zur Verfügung stehenden Gesamtauswahl in das Partikelmaterial eingedruckt werden.
„Gedruckter Bildpunkt“ im Sinne der Offenbarung ist der mittels Druckkopf oder vergleichbar verwendbarem Mittel aufgedrucker Punkt in das Partikelmaterial. Der „gedruckte Bildpunkt“ kann in verschiedenen Parametern variieren. Z.B. kann ein „gedruckter Bildpunkt“ auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt wird, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden. Dies steht im Gegensatz zu einer Treppenstufenfunktion wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist; dabei werden lediglich die Pixelpunkte/Anzahl Bildpunkte pro Fläche variiert. Der gedruckte Bildpunkt als solcher wird im Wesentlichen in seinen Eigenschaften nicht modifiziert. Auch kann jeder „gedruckten Bildpunkt“ in seinem Durchmesser in der X- und Y- Achse eingestellt werden oder in seinem Volumen in der X-, Y- und Z-Richtung. Auch kann in jedem „gedruckten Bildpunkt“ ein Schwarzbereich auf zwischen 1% und 100% in Bezug auf den Anteil des Absorbers pro Fläche oder pro Volumen eingestellt werden.
Ein „Schwarzbereich“ im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen als die Menge des Partikelmaterials pro Flächeneinheit oder pro Volumeneinheit; der „Schwarzbereich“ gibt somit einen Wert oder Maßstab für die Menge an Absorber an.
Ein „Randbereich“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Bereich eines 3D-gedruckten Bau- oder Formteiles, der u.a. die Oberfläche bildet. Damit ist der Aufbau des „Randbereiches“ auch verantwortlich dafür wie glatt oder uneben die Oberfläche des 3D-Formteils ist. Im Stand der Technik bestimmt sich der Grad der Glattheit der Oberfläche nach der Pixelgröße und wie die Pixel an einer Oberfläche, d.h. im Randbereich, angeordnet sind und inwiefern sie in einem Krümmungsbereich Stufen bilden und wie diese Stufen ausgeprägt sind. Ein „Randbereich“ im Sinne der Offenbarung kann so mittels gedruckter Bildpunkte gestaltet werden, dass im Wesentlichen keine Stufen vorhanden sind oder Stufen nur minimal ausgeprägt sind. Dadurch kann positiver Weise eine sehr glatte Oberfläche und ein sehr glatter Randbereich erzielt werden.
Ein „Post-Prozessierungsschritt“ oder „Post-Processing-Schritt“ im Sinne der Offenbarung ist die weitere Behandlung des im 3D-Druckverfahren erhaltenen 3D-Formteils, z.B. mittels Anti-aliasing oder in einer Finishingkabine.
„Anti-aliasing“ im Sinne der Offenbarung ist ein aus dem Bereich der Computergrafik entlehnter Begriff und beschreibt im Wesentlichen dort synonym eine Kantenglättung. Durch die Rasterung einer Grafik hervortretende Treppeneffekte in der resultierenden Grafik werden eliminiert, indem durch einen speziellen Algorithmus Zwischenwerte zwischen zwei benachbarten Pixeln berechnet werden.
Eine „Finishingkabine“ im Sinne der Offenbarung ist eine Apparatur, welche im Prozessschritt nach Erstellung des Formkörpers auf diesen angewandt wird, um von Restmaterial und Anhaftungen zu befreien. Nach dem Stand der Technik wird dabei häufig ein Strahlmittel, z.B. aus feinen Glaskugeln eingesetzt, welche mittels Druckluft auf das Objekt gerichtet werden. Dieser Schritt kann manuell oder automatisiert mit vorgegebenen Parametern erfolgen.
„Filter“ oder „filtern“ im Sinne der Offenbarung 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 Offenbarung ist ein definierter Temperaturbereich, der unterhalb oder im Sinterbereich des verwendeten Partikelmaterials liegt.
„Basistemperatur“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Temperatur, auf die das Partikelmaterial aufgeheizt wird und die geringer ist als die Schmelztemperatur oder/und die Sintertemperatur.
„Dithering“ bezeichnet im Sinne der Offenbarung einen möglichen Algorithmustyp, eingesetzt bei bildgebenden Verfahren zur Rasterung mit verringerter Farbtiefe. Durch gezielte Anordnung von Bildpunkten wird auf Kosten des Detailgrades eine höhere Farbtiefe nachgebildet. Dithering wird in der Erfindungsbeschreibung und der Beschreibung zum Stand der Technik synonym für Rasterung mittels Halbtonverfahren eingesetzt.
„Absorberdichte“ im Sinne der Offenbarung ist ein definierter Benetzungsgrad der Oberfläche des Partikelmaterials mit Absorber.
„Absorberdichte“ bezeichnet im Sinne der Offenbarung die auf das Partikelmaterial aufgebrachte Absorbermenge pro Fläche.
„Absorberdichtebereich“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Spanne minimalen und maximalen Oberflächenbenetzungsgrades durch einen Absorber in X- und Y-Achse.
„Absorbermenge“ im Sinne der Offenbarung bedeutet die durch die Dosiervorrichtung abgesetzte Menge an Absorber pro gedrucktem Bildpunkt.
„Energieeinkopplung“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Effektivität der prozentual aufgenommenen elektromagnetischen Strahlung im Verhältnis zur reflektierten Strahlung.
Im Folgenden werden weitere Details der Offenbarung beschrieben.
In einem Aspekt wird die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle 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 die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.
Ein Verfahren gemäß der Offenbarung erzielt vielschichtige Vorteile gegenüber bekannten Verfahren des Standes der Technik. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren können je gedrucktem Bildpunkt verschiedene Parameter variiert werden und so die Qualität des erzeugten Formteils einerseits verbessert werden. Andererseits ermöglicht das Verfahren gemäß der Offenbarung eine Anwendung des Verfahrens in Bereichen, die bisher nicht möglich waren. Es wird z.B. die Abbildungsschärfe der hergestellten Bauteile verbessert, indem die Randbereiche genauer bzgl. der Daten abgebildet werden können und die Rand-oder Kantenschärfe erhöht werden kann. Andererseits können in einem Bauteil nunmehr verschiedene Materialeigenschaften an verschiedenen Punkten oder Bereichen im Bauteil hinsichtlich z.B. Elastizität variiert werden, was nach Stand der Technik nicht möglich war. Weiterhin können nunmehr Materialkombinationen zum Einsatz kommen, die bisher so nicht kombiniert werden konnten.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren wie oben beschrieben, wobei das Volumen von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Konzentration von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Größe der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmten Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.
Somit kann der Absorber sehr spezifisch pro gedrucktem Bildpunkt an die jeweiligen Druckbedürfnisse und die erwünschten Materialeigenschaften im gedruckten Bauteil angepasst werden und sehr differentiell eingestellt werden. Insbesondere kann in einem Verfahren wie hierin beschrieben die Menge an eingedrucktem Absorber pro Flächenelement der gedruckten Bildpunkte oder/und pro Volumenelement der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, vorzugsweise wobei das Flächenelement aufweist 0,0001 bis 0,08 mm² oder 1-5 mm² bis 4000 cm² oder 50 mm² bis 40 cm², oder/und wobei das Volumenelement aufweist 0,000001 bis 0,04 mm³ oder 5 mm³ bis 10 cm³ oder das Flächenelement oder/und Volumenelement entspricht dem 3D Formteil, z.B. im Schnittbild, und/oder die Menge an eingedrucktem Absorber pro gedrucktem Bildpunkt beträgt zwischen 1 ng und 2 g, vorzugsweise 3 ng bis 500 ng, mehr bevorzugt 5 ng bis 300 ng.
Damit wird es in vorteilhafter Weise möglich, die Graustufe in einem gedruckten Bildpunkt zu variieren und damit auch über das gesamte Bauteil in verschiedenen Bereichen oder verschiedenen gedruckten Bildpunkten zu variieren. Dabei wird jeder gedruckte Bildpunkt auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden.
Damit kann auch der Schwarzbereich bei dem offenbarten Verfahren unterschiedlich je gedrucktem Bildpunkt eingestellt werden und gleichermaßen eine Steuerung in dem zu druckenden Bauteil hinsichtlich der zu erzielenden Eigenschaften im Bauteil in dreidimensionaler Weise bestimmt werden. Man kann z.B. den Schwarzbereich in jedem gedruckten Bildpunkt auf einen Schwarzbereich zwischen 1% und 100% einstellen.
Es können die verschiedenen Parameter, die man mit dem hier offenbarten Verfahren differenziert einstellen kann in Bezug zu unterschiedliche Bezugsgrößen setzen. Z.B. können in dem offenbarten Verfahren die gedruckten Bildpunkte in einem Flächenelement oder/und Volumenelement oder bezogen auf das gedruckte 3D-Formteil bezogen werden und einen Anteil von 10% bis 95% aufweisen.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung können vorteilhafte Ergebnisse insbesondere in den Randbereichen der Bauteile erzielt werden. Dazu kann das Verfahren so eingestellt werden, dass die gedruckten Bildpunkte im Randbereich des herzustellenden 3D-Formteils im Vergleich zu den übrigen gedruckten Bildpunkten einen kleineren Durchmesser oder/und ein kleineres Volumen aufweisen, vorzugsweise zusätzlich ein anti-aliasing durchgeführt wird oder/und zusätzlich ein Post-Processing-Schritt, vorzugsweise in einer Finishingkabine, besonders bevorzugt in einer automatisierten Finishingkabine, durchgeführt wird. Dadurch werden besonders vorteilhafte Ergebnisse hinsichtlich der Formschärfe im Bauteil erzielt.
Weiterhin kann mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche oder Flächeneinheit erhöht oder vermindert werden oder die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche oder Flächeneinheit während des Verfahrens nicht geändert werden.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann ein Druckkopf verwendet werden, bei dem das Austrittsvolumen auf einen vorbestimmten wechselbaren Wert eingestellt wird. Es kann hierbei jeder mit den anderen Verfahrensparametern und Verfahrenskomponenten kompatibler Druckkopf zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann als Druckkopf ein piezoelektrischer Druckkopf verwendet werden.
Es ist die Verwendung jedweder Partikelmaterialien denkbar, die auch mit den anderen Verfahrenskomponenten und Materialien kompatibel sind. In dem Verfahren gemäß der Offenbarung können als Partikelmaterialien beispielsweise Polyamide, vorzugsweise PA12, PA11, PA613, PA6.6, Polyetherblockamide, Polypropylene, thermoplastische Polyurethane, Polyethylene, Polycarbonate, Polyaryletherketone, Polyoxymethylene oder Polymethylmethacrylate, eine Mischung zweier Partikelmaterialien unterschiedlicher Schmelztemperaturen bzw. Schmelztemperaturbereiche z.B. zwischen 90°C und 350°C, mehr bevorzugt 110°C bis 220°C, eine Mischung thermoplastischer Polyurethane mit unterschiedlicher Härte, z.B. zwischen Shore A 60 und Shore D 90, Polybutylenterephthalate, Mischungen von Polybutylenterephthalaten z.B. mit einer Biegefestigkeit zwischen 40 - 250 MPa, oder Mischungen aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien verwendet werden.
In dem Verfahren gemäß der Offenbarung werden übliche und dem Fachmann bekannte Absorber verwendet, wobei als Absorber Karbonpartikel verwendet werden können. Beispielhaft seien die Produkte Black Oil-based Ink IK82104 des Herstellers Xaar plc bzw. HiRes Oil Black LMOPI11AKK des Herstellers Nazdar Ltd. erwähnt.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann jegliche Energie- oder Strahlungsquelle zum Verfestigen zum Einsatz kommen, die entsprechend den weiteren Verfahrensparametern eingestellt und angepasst wird. Als Energiequelle kann ein Strahler z.B. ein Emitter elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich, z.B. im nahen Infrarotbereich, oder im sichtbaren Bereich verwendet werden.
Die Schichtstärke des aufgetragenen Partikelmaterials kann konstant oder variabel gewählt werden und die Schichtstärke kann auf 5 bis 500 Mikrometer eingestellt werden. Ein Schichtstärke von 10 bis 300 oder 5 bis 30 Mikrometer liegt im Bereich der üblichen und vorteilhaften Schichtstärke.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass in einem Verfahren gemäß der Offenbarung die gedruckten Bildpunkte in ihren Charakteristika variiert werden können und so gewünschte oder/und vorteilhafte Eigenschaften in den gedruckten Bauteilen erzielt werden können. Es kann ein aufgedruckter Bildpunkt z.B. auf einen Durchmesser von zwischen 10 und 140 Mikrometern eingestellt werden oder eine Auflösung von 90 bzw. 1200 dpi gewählt werden.
Ein gedruckter Bildpunkt und die gedruckten Bildpunkte nebeneinander und diejenigen, die einen Randbereich bilden, kann auch in seinem Volumen auf einen vorbestimmten Volumenwert in einem Verfahren gemäß der Offenbarung eingestellt werden. Z.B. kann in einem Verfahren gemäß der Offenbarung ein gedruckter Bildpunkt auf ein Volumen von zwischen 1,5 und 100 Picoliter eingestellt werden.
Gleichermaßen kann die Absorberkonzentration in einem gedruckten Bildpunkt wie gewünscht gewählt werden. In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann die Absorberkonzentration auf zwischen 1% und 20% eingestellt werden.
Weiterhin kann der zeitliche Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander einen Einfluss auf die Charakteristika des Bereichs der verfestigten gedruckten Bildpunkte haben. Der zeitliche Abstand zwischen verschiedenen gedruckten Bildpunkten zueinander kann auch die Charakteristika des Bereichs beeinflussen, in dem sich verschiedene oder/und mehrere gedruckte Bildpunkte befinden. In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann der zeitliche Abstand zwischen Aufdrucken eines Bildpunktes und Energieeintrag eingestellt werden auf zwischen 10 und 1000 Millisekunden.
Die oben beschriebenen Parameter 2- oder 3-dimensionale Maße wie Durchmesser etc. von gedrucktem Bildpunkt, Volumeneintrag in einen gedruckten Bildpunkt, Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander, der Abstand der gedruckten Bildpunkte in Z- und/oder X-Achse oder/und in Y-Achse, zeitlicher Abstand des Druckens von gedruckten Bildpunkten können individuell miteinander kombiniert werden. So können die Charakteristika des gedruckten Bauteils an sich sowie in jedem gewünschten Bereich des Bauteils hinsichtlich Elastizität, Formfestigkeit, Shore-Härte, Materialzusammensetzung, Kanteneigenschaften, Eigenschaften im Randbereich des Bauteils gewählt werden.
Weitere Aspekte der Offenbarung sind im Folgenden dargestellt.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gemäß der Offenbarung auch in verschiedenen Aspekten gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv eine oder mehrere Flüssigkeiten oder ein oder mehrere Partikelmaterialien 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 die Absorberdichte innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt mittels des dosierten Volumens an Bilderflüssigkeit oder/und Absorber, der dosierten Konzentration an Absorber, der gedruckten Bildpunkte pro Flächen- oder Volumeneinheit, dem Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander variiert.
Die Offenbarung stellt ein Verfahren bereit, bei dem vorteilhafterweise auch 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 in einem Verfahren gemäß der Offenbarung schonender für die verwendeten Maschinen und die darin vorhandenen Bauteile. Die Wärmeentwicklung kann auch teilweise geringer sein und sie wird u.U. auch präziser steuerbar. Weiterhin wird das Verfahren dadurch energieeffizienter.
Außerdem wird in einem Verfahren gemäß der Offenbarung eine Lösung zur Verfügung gestellt, Materialeigenschaften des erzeugten Formkörpers in drei Dimensionen gezielt zu beeinflussen. Der Herstellung der Formkörper wird in einem Verfahren gemäß der Offenbarung somit nicht nur ihre dreidimensionale Form gegeben, es werden dieser auch dreidimensional Eigenschaften mechanischer Natur hinzugefügt. Dabei kann es sich um die mechanische Festigkeit und/oder Elastizität, sowie Materialdichte und damit Gewicht und/oder Schwerpunkt handeln. Diese von außen weder in Erscheinungsbild und/oder Oberfläche noch Form des Körpers ersichtlichen Eigenschaften, können gezielt zur Gewichtsreduktion eingesetzt werden, oder für die Erstellung von Schwungmassen mit verschobenem Massenschwerpunkt.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung können ein oder mehrere Druckköpfe verwendet werden, die nach dem Stand der Technik graustufenfähig sind und bei denen sich somit die dosierten Tropfen im Volumen steuern lassen.
Weiterhin können in einem Verfahren gemäß der Offenbarung die Änderungen in den Tropfenvolumen gezielt dazu verwendet werden, dass die Energieaufnahme 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 einem Verfahren gemäß der Offenbarung 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. Ebenso möglich sind Materialien auf polypropylen- und Polyethylenbasis, sowie Polymere mit Esterfunktionen. Dabei kann der Bereich der dosierten Absorbermenge und Temperaturfenster entsprechend angepasst werden, um eine vorteilhafte Verfahrensführung und Vorteile für u.a. die Produktparameter und Recyclingquote zu erzielen.
Des Weiteren kann jedes mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung kompatibles Absorberfluid benutzt werden. Dies schließt nicht nur ölsondern auch z.B. wasser- und lösungsmittelbasierte Fluidsysteme, sowie verschiedene darin enthaltene Farbpigmente mit ein. Insbesondere können Einfärbungen des Fluides zur Anwendung kommen, welche abgestimmte Absorptionsmaxima im infraroten und/oder im sichtbaren bzw. ultravioletten Bereich aufweisen.
Beispielsweise ist ein Verfahren gemäß der Offenbarung 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 der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gemäß der Offenbarung 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 Druckkopf aufweist, der im Stande ist, das dosierte Materialvolumen innerhalb einer Überfahrt pro Bildpunkt zu variieren.
Eine Vorrichtung, die geeignet ist für ein Verfahren gemäß der Offenbarung, erreicht vorteilhafter Weise, dass Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren vermindert werden oder im Wesentlichen vermieden werden können.
Mit einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung 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.
Außerdem können sowohl Kantenschärfe als auch Oberflächengüte der mittels des Verfahrens oder der Vorrichtung gemäß der Offenbarung erzeugten Formkörper erheblich verbessert werden.
Beispielsweise kann ein Druckkopf zur Tropfendosierung eines Absorbers verwendet werden, welcher im Stande ist, das Fluidvolumen pro einzelne Dosierung zu variieren.
Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung ist z.B. dadurch gekennzeichnet, dass ein graustufenfähiger Druckkopf mindestens ein Druckmodul aufweist, welches im Stande ist, Tropfenvolumen variabler Größe pro Bildpunkt abzusetzen.
Es können weiterhin alle Dosiervorrichtungen verwendet werden, welche geeignet sind, die Fluid-Dosierung pro abgesetztem Bildpunkt beliebig zu variieren. Beispielsweise ist der Druckkopf graustufenfähig.
In einem Aspekt der Offenbarung ist es möglich, dass der ausgewählte Tropfenvolumenbereich zwischen 6 und 30 Picolitern pro gedrucktem Bildpunkt bei einer Punktdichte von 360 dpi beträgt.
In einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung kann eine oder mehrere Fluid-Dosiervorrichtungen in jeder geeigneten Weise angeordnet werden. Vorteilhaft kann sein, wenn mindestens zwei graustufenfähige Druckmodule im Wesentlichen gestaffelt angeordnet sind, vorzugsweise sich eine Überlappung zwischen den Modulen ergibt. Dadurch lassen sich die Tropfenvolumen pro gedrucktem Bildpunkt gezielter steuern. Dies erlaubt die handelsübliche siebenfache Abstufung nahezu zu verdoppeln.
Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung weist alle für ein High-Speed-Sintering-Verfahren notwendigen und bekannten Bauteile auf, die deshalb hier nicht ausführlich beschrieben werden müssen. Für ein Verfahren gemäß der Offenbarung geeignete Bauteile sind Komponenten ausgewählt aus Bauplattform, Seitenwände, Jobbox, Beschichter (Recoater), Druckkopf, Keramikfolie, Energieeintragsmittel, vorzugsweise mindestens ein Strahler, vorzugsweise ein Overheadstrahler oder/und ein Sinterstrahieraggregat.
Wie oben ausgeführt ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Offenbarung die Absorbermenge bzw. die Temperaturfenster des Verfahrens zu steuern und das Verfahren gemäß der Offenbarung in definierten Bereichen durchzuführen. Ziel kann weiterhin sein, Bauteileigenschaften mittels Absorberdosierung punktgenau je gedrucktem Bildpunkt zu steuern. Unterschiede und Variationen in dreidimensionalen Festigkeitszonen lassen sich somit im Wesentlichen ohne Qualitätsverlust darstellen.
Vorteilhaft ist es deshalb einen piezoelektrischen Druckkopf einzusetzen, bei welchem das Absorberfluid-Volumen pro gedrucktem Bildpunkt über den Grauwert einer digital vorliegenden Bitmap gesteuert wird. Helle Bildbereiche korrespondieren mit der Dosierung z.B. geringer Tropfenvolumen, dunkle Bildbereiche mit einer höheren Tropfenvolumina.
Ein Beispiel marktverfügbarer Produkte stellt der Druckkopf Xaar 1003 GS6 dar, welcher bei maximal 7 Graustufen einen Tropfenmassebereich von 6 - 42 pl pro gedrucktem Bildpunkt bei einer Druckdichte von 360 dpi abdecken kann. Eine weitere Möglichkeit stellt das Produkt RC1536-M bzw. RC1536-L des Herstellers Seiko Instruments GmbH dar, welcher bei sonst gleicher Spezifikation eine Tropfenmasse von 13 - 100 pl bei einer Abstufung von bis zu 14 Graustufen erreichen kann.
Vorteilhaft kann es weiterhin sein, die variable Tropfendosierung mit einer Rasterung z.B. einem Dithering zu verknüpfen. Somit lässt sich der Absorptionsgrad, die Energieeinkopplung und somit die effektive Temperatur des zu verfestigenden Partikelmaterials noch feiner justieren.
Des Weiteren lässt sich somit ein größerer Bereich von Tropfenvolumen abdecken. So kann z.B. ein schachbrettartiges Muster von gedruckten Bildpunkten der geringst möglichen Intensität erzeugt werden, wodurch die effektive Absorberdichte im Mittel über die Fläche weiter erniedrigt werden kann. So kann es z.B. bei Partikelmaterialien bestehend aus teilkristallinen, unpolaren Polyolefinen von Vorteil sein, die Absorberdichte auf 3 Picoliter pro Punkt abzusenken, da somit das Erreichen höherer mechanischer Kennwerte der erzeugten Formkörper ermöglicht werden kann.
Weiterhin kann in einem Verfahren gemäß der Offenbarung auch das Verhältnis von mit gedruckten Bildpunkten bedruckter zu unbedruckter Fläche oder Volumen eingestellt werden bezogen auf eine Fläche oder ein Volumen. Es wird also der mit gedruckten Bildpunkten bedruckte Bereich oder Volumen zu nichtbedruckte Bereich oder Volumen in ein Verhältnis gesetzt. Dadurch können die Materialeigenschaften im hergestellten Formteil sehr genau eingestellt werden.
Eine Einstellung der Parameter in den gedruckten Bildpunkten erlaubt nicht nur innerhalb eines Formteils eine Auswahl bestimmter Parameter im gefertigten Bauteil, sondern es kann mit dem Verfahren gemäß der Offenbarung der Abstand und z.B. die Trennschärfe zwischen den Bauteilen vorteilhaft eingestellt werden.
Um die Materialeigenschaften eines jeden im HIGH SPEED SINTERING-Druckprozess verarbeitbaren Materials zu maximieren, ist eine Optimierung des Absorptionsgrades der zu sinternden Oberfläche anzupassen. Dies geschieht über die Variation der Tropfenmasse der auf die Pulveroberfläche aufgetragene Menge des Absorberfluids. Nach dem Stand der Technik erfordert ein Wechsel des Druckmaterials in einer High Speed Sintering - Maschine deshalb Anpassungen an der Hardware. Mittels der Möglichkeit der direkten Manipulation der Absorbermenge via des Setzens von GreyLevel-Informationen, ist dies nun über Software, z.B. über Jobdateninformationen beim Prozess-Programmaufruf möglich.
Beispiele solcher Anpassungen sind das softwareseitige Einstellen von 24 pl pro gedrucktem Bildpunkt bei Polyamid12-Materialien, 6 pl bei Polypropylen, oder 3 pl bei thermoplastischem Polyurethan.
Die verschiedenen Merkmale der verschiedenen oben beschriebenen Aspekte können jeweils miteinander kombiniert werden auch wenn dies nicht explizit bei jedem Merkmal ausgeführt wurde.
Bezugszeichenliste

100: Druckkopf
101: Beschichter mit Pulverreservoir
102: Boden des Baubehältnisses
103: Formkörper
104: Heizung an den Wänden und Boden des Bau-Behältnisses
105: Seitliche Isolierung des Baubehältnisses
106: Isolierung des Bodens des Baubehältnisses
107: Partikelmaterialkuchen
108: Emitter elektromagnetischer Strahlung gerichtet auf die Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
109: Emitter elektromagnetischer Strahlung eines von 108 verschiedenen Wellenlängenensembles gerichtet auf die Baufeldoberfläche, bewegbar über die Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
110: Bauplattform zur Erstellung des Formkörpers
111: Pulverreservoir am Beschichter
112: Pyrometer auf unbedrucktes Pulver
113: Pyrometer auf versintertes Pulver
201: Variation der aufgebrachten Fluidmenge pro Fläche nach dem Verfahren der Rasterung bzw. Dithering
202: Variation der aufgebrachten Fluidmenge pro Fläche nach dem Verfahren der echten Graustufen: Variation des Volumens eines jeden einzelnen Tropfens
203: Lückenmuster durch ausblenden von Bildpunkten, um geringeres Absorbervolumen gemittelt auf die Fläche zu erreichen
204: Kein Lückenmuster bei Verringerung des Aborbervolumens pro Fläche, da direkte Anpassung der Tropfenvolumen. Darstellung
205: symbolisch. Geringe Absorbervolumen pro Fläche führen nach dem herkömmlichen Verfahren zu großen Lücken zwischen Flächen mit Absorber und Flächen ohne.
206: Auch bei geringen Absorbermengen pro Fläche entstehen keine großen Lücken.
301: Aufsicht auf Schicht von Partikelmaterial
302: Mit Absorberfluid benetzter Bereich
303: Übergang benetzte zu unbenetzter Fläche in Vergrößerung in Darstellung des Verfahrens der Rasterung
304: Im Vergleich vergrößerte Darstellung bei Anwendung des Verfahrens der Variation der Dosierung einzelner Tropfenvolumen
305: Durch Rasterung verursachte Lücke an einer Ecke benetzter zu unbenetzter Fläche
306: Bei Variation der Dosierung bleibt Trennschärfe benetzter zu unbenetzter Fläche an Ecke erhalten
401: Exemplarische Vorrichtung zur Erstellung des Formkörpers
402: Bereits erstellter Formkörper, eingebettet in losem Partikelmaterial
403: Detailansicht Ecke des Formkörpers, erstellt mittels Dosierung nach herkömmlichen Verfahren der Rasterung
404: Detailansicht Ecke des Formkörpers, erstellt mittels Dosierung nach Verfahren der Anpassung des Volumens jedes einzelnen Tropfens
405: Lücken in den Kanten des Formkörpers
406: Lückenlose, gerade Struktur
501: Erstellter Formkörper nach Vorrichtung in 1
502: Seitliche Detailansicht des erstellten Formkörpers
503: Durch herkömmliches Verfahren hervorgerufenes störendes Muster an einer Seite des Formkörpers
601: Definition verschiedener Regime innerhalb eines zusammenhängenden Formkörpers in den Eingabedaten die der Vorrichtung zur Verfügung gestellten Schichtdaten.
602: Durch Regime definierte Regionen unterschiedlicher Dosiermengen bei Benetzung der Oberflächen des Partikelmaterials beim Schichtweisen Erstellen des Formkörpers.
603: Durch Verfestigung beim Sintern Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Elastizität als Folge der Änderung des Absorptionsvermögens der Partikelmaterialoberfläche beim Schichtweisen Erstellen des Formkörpers
701: Virtuelle Repräsentation des Formkörpers. Es können in drei Dimensionen verschiedene Regime mit jeweils voneinander unterschiedlichen virtuellen Eigenschaften definiert werden.
702: Mittels geeignetem Image Processor werden dementsprechend der zugewiesenen virtuellen Eigenschaften Schichtdaten des virtuellen Formkörpers erstellt, wobei die Schnittebenen durch Regime unterschiedlicher Eigenschaften mit einer Variation in den Graustufen der Schichtdaten korrespondieren.
703: Die verschiedenen Graustufen der einzelnen Schichtdaten des zu erstellenden Formkörpers werden in der Druckkopfsteuertechnik als Variationen in den durch den Druckkopf abgesetzten Tropfenvolumina interpretiert.
704: Virtuelle Repräsentation des zu erstellenden Formkörpers
705: Beispielhafte Definition eines beliebigen Regimes innerhalb des Formkörpers
706: Beispielhafte Definition eines zweiten beliebigen Regimes innerhalb des ersten des Formkörpers
707: Druckkopf
708: Dosierung einer Menge von Flüssigkeit pro Bildpunkt
709: Variation in der Dosiermenge korrespondierend zu definiertem Regime in 706
801: Schematische Darstellung der Schmelzkurven zweier unterschiedlicher Polymere
802: Schmelzkurve des ersten Polymeres
803: Schmelzkurve des zweiten Polymeres
804: Schmelzpeak des zweiten Polymers, beendet mit Temperatur T1
805: Schmelzpeak des ersten Polymers, beendet mit Temperatur T2
806: Bereich unterschiedlichen Absorbereintrags im Partikelmaterial
807: Erhöhte Absorbermenge
808: Geringere Absorbermenge
809: Variation in der Absorbermenge pro Bildpunkt führt bei Durchführung des Verfestigungsprozesses zu unterschiedlichen Temperaturen. Dabei korrespondieren Bereiche der Temperatur T2 mit der höheren Absorberdichte und die mit T1 mit der niedrigeren.
810: Bereich in dem nur Polymer 2 geschmolzen wurde ist weicher
811: Bereich in dem beide Polymere geschmolzen wurde ist härter
900: Druckkopf
903: Formkörper mit versinterter Oberfläche
908: Emitter elektromagnetischer Strahlung gerichtet auf die Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
912: Pyrometer auf unbedrucktes Pulver
913: Pyrometer auf versintertes Pulver
1000: Druckkopf
1003: Oberfläche des zu erstellenden Formkörpers
1020: Oberfläche des Partikelmaterials
1021: In erstem Schritt aufgebrachter Tropfen mit variabler Masse pro Bildpunkt
1022: In zweitem, dem ersten in entgegen gesetzter Richtung verlaufenden Schritt mit wiederum variabler Masse der Tropfen pro Bildpunkt
1023: Resultat an Überlappungen: Doppelte Tropfenmasse pro Bildpunkt möglich in Kombinationen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]
EP 1740367 B1 [0009]
EP 1648686 B1 [0009]
WO 2016169615 A1 [0020]
WO 2016171724 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Andreas Wegner „Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten“, 2015 [0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle 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 die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Volumen von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Konzentration von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Größe der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Menge an eingedrucktem Absorber oder/und die Menge an eingedrucktem Absorber pro Flächenelement der gedruckten Bildpunkte oder/und pro Volumenelement der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, vorzugsweise wobei das Flächenelement aufweist 0,0001 bis 0,08 mm2 oder 1-5 mm2 bis 4000 cm2 oder 50 mm2 bis 40 cm2, oder/und wobei das Volumenelement aufweist 0,000001 bis 0,04 mm3 oder 5 mm3 bis 10 cm3 oder das Flächenelement oder/und Volumenelement entspricht dem 3D Formteil, z.B. im Schnittbild und/oder die Menge an eingedrucktem Absorber pro gedrucktem Bildpunkt beträgt zwischen 1 ng und 2 g, vorzugsweise 3 ng bis 500 ng, mehr bevorzugt 5 ng bis 300 ng.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei jeder gedruckte Bildpunkt auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt wird, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden, vorzugsweise wobei jeder gedruckte Bildpunkt auf einen Schwarzbereich zwischen 1% und 100% eingestellt wird oder/und wobei die gedruckten Bildpunkte in einem Flächenelement oder/und Volumenelement oder bezogen auf das gedruckte 3D-Formteil einen Anteil von 10% bis 95% aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 wobei die gedruckten Bildpunkte im Randbereich des herzustellenden 3D-Formteils im Vergleich zu den übrigen gedruckten Bildpunkten einen kleineren Durchmesser oder/und ein kleineres Volumen aufweisen, vorzugsweise zusätzlich ein anti-aliasing durchgeführt wird oder/und zusätzlich ein Post-Processing-Schritt, vorzugsweise in einer Finishingkabine, besonders bevorzugt in einer automatisierten Finishingkabine, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche erhöht oder vermindert wird oder wobei die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche während des Verfahrens nicht geändert wird oder/und wobei ein Druckkopf verwendet wird, bei dem das Austrittsvolumen auf einen vorbestimmten wechselbaren Wert eingestellt wird, vorzugsweise wobei als Druckkopf ein piezoelektrischer Druckkopf verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 wobei als Partikelmaterial Polyamide, vorzugsweise PA12, PA11, PA613, PA6.6, Polyetherblockamid, Polypropylen, thermoplastisches Polyurethan, eine Mischung zweier Partikelmaterialien unterschiedlicher Schmelztemperaturen bzw. Schmelztemperaturbereiche vorzugsweise zwischen 90°C und 350°C, mehr bevorzugt 110°C bis 220°C, eine Mischung thermoplastischer Polyurethane mit unterschiedlicher Härte, vorzugsweise zwischen Shore A 60 und Shore D 90, Polybutylenterephthalat, Mischung von Polybutylenterephthalaten mit einer Biegefestigkeit zwischen 40 - 250 MPa, Polyethylene oder Polycarbonate oder Polyaryletherketone oder Polyoxymethylene oder Polymethylmethacrylate oder Mischungen aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei als Absorber Karbonpartikel verwendet werden oder/und wobei als Energiequelle ein Strahler, vorzugsweise elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich oder sichtbaren Bereich, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schichtstärke auf 10 bis 300 Mikrometer eingestellt wird oder/und wobei ein aufgedruckter Bildpunkt auf einen Durchmesser von zwischen 10 und 140 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein gedruckter Bildpunkt auf ein Volumen von zwischen 1,5 und 100 Picoliter eingestellt wird oder/und wobei die Absorberkonzentration auf zwischen 1% und 20% eingestellt wird oder/und wobei der zeitliche Abstand zwischen Aufdrucken eines Bildpunktes und Energieeintrag eingestellt wird auf zwischen 10 und 1000 Millisekunden.