DE10239369A1 - Selektives Lasersintern von Glas und Glaskeramiken - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sinterkörper (1) auf einem auf einer Arbeitsfläche (2) mit einer definierten Schichtdicke aufgetragenem pulverförmigen Werkstoff (3) beschrieben, welcher in einem vorgebbaren Bereich (10) mittels einer Wärmequelle (4) selektiv versintert wird, wobei der vorgebbare Bereich (10) einer Querschnittsfläche des Sinterkörpers (1) entspricht, und bei dem abwechselnd weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs (3) mit einer definierten Schichtdicke auf der ersten Schicht aufgetragen und in einem vorgebbaren Bereich (10) selektiv gesintert werden. DOLLAR A In der Praxis hat sich bei den bekannten Sinterkörpern (1) gezeigt, dass bei einer Vielzahl von Anwendungen ein Sinterkörper (1) aus einem reinen Glaswerkstoff ohne Zusatz weiterer Komponenten wünschenswert wäre. DOLLAR A Aus diesem Grund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sinterkörper (1) aus einem Glaswerkstoff ohne Zugabe weiterer Komponenten herzustellen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der pulverförmige Werkstoff (1) aus einem Borosilikatglas, einer Glaskeramik oder einem Glaslot besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Sinterkörper aus einem auf einer Arbeitsfläche mit einer definierten Schichtdicke aufgetragenem pulverförmigen Werkstoff, welcher in einem vorgebbaren Bereich mittels einer Wärmequelle selektiv vessintert wird, wobei der vorgebbare Bereich einer Querschnittsfläche des Sinterkörpers entspricht, und bei dem abwechselnd weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs mit einer definierten Schichtdicke auf der ersten Schicht aufgetragen und in einem vorgebbaren Bereich selektiv gesintert werden.
• Das dabei zum Einsatz kommende Verfahren ist seit langem etabliert und umfasst zunächst das Aufbringen des zu verarbeitenden pulverförmigen Werkstoffs auf der Arbeitsfläche mit Hilfe eines Rakels in einer definierten Schichtdicke. Die Wärmequelle, hierzu kann beispielsweise ein Laser dienen, wird nunmehr über dem pulverförmigen Werkstoff verfahren und sintert dabei bei ausreichend hoher Energiedichte die einzelnen Pulverkörner zusammen. Durch das Verfahren der Wärmequelle entsprechend der vorgebbaren Bereiche oder durch Ein- und Ausschalten des Lasers wird eine Ebene mit einer Dicke z, die ungefähr mit der Schichtdicke des pulverförmigen Werkstoffs übereinstimmt, generiert. Anschließend wird die Arbeitsfläche um die entsprechende Dicke z abgesenkt und erneut pulverförmiger Werkstoff mit dem Rakel verteilt. Nach mehrfachen Wiederholungen dieses Vorganges entsteht somit ein Körper, welcher sukzessiv Ebene für Ebene aufgebaut wird.
• Ein derartiges selektives Sintern wird üblicherweise für die Herstellung von Prototypen angewendet, wobei als zu versinternder pulverförmiger Werkstoff überwiegend Metall, Keramik und Kunststoff bekannt und auf dem Markt erhältlich ist.
• Eine Vielzahl unterschiedlicher Mischungen eines pulverförmigen Werkstoffs werden in der DE 100 39 144 C1 offenbart. Die bekannten Pulvermischungen sollen stets als Hauptbestandteil Eisenpulver und zusätzlich weitere Pulverlegierungselemente enthalten, wie beispielsweise Kunststoff, Silizium, Kupfer und weitere Metalle.
• Einen gattungsbildenden Stand der Technik stellt die US 5,156,697 dar, in welcher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern beschrieben ist. Dabei soll ein pulverförmiger aus zwei Komponenten gebildeter Werkstoff Verwendung finden und dieser derart erwärmt werden, dass zwischen der ersten und der zweiten Komponente eine chemische Bindung entsteht. Dieses wird beispielsweise durch eine Wahl der Erhitzungstemperatur des pulverförmigen Werkstoffs zwischen den jeweiligen Schmelzpunkten der ersten und der zweiten Komponente möglich. Voraussetzung für die Durchführbarkeit des Verfahrens ist jedoch ein zwei Komponenten umfassender pulverförmiger Werkstoff.
• In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass bei einer Vielzahl von Anwendungen ein Sinterkörper aus einem reinen Glaswerkstoff ohne Zusatz weiterer Komponenten wünschenswert wäre.
• Aus diesem Grund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sinterkörper aus einem Glaswerkstoff ohne Zugabe weitere Komponenten herzustellen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der pulverförmige Werkstoff aus einem Borosilikatglas besteht. Alternativ zu dem Borosilikatglas kann der pulverförmige Werkstoff aus einer Glaskeramik oder aus einem Glaslot bestehen.
• Die vorstehend genannten erfindungsgemäßen Werkstoffe zeichnen sich gegenüber anderen Glassorten durch vergleichsweise geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten aus, so dass die im Sinterkörper auftretenden Temperaturspannungen verhältnismäßig gering bleiben und nicht zum Bruch des Sinterkörpers führen.
• Durch die Bereitstellung eines aus einem Glaswerkstoff gefertigten Sinterkörpers ist es möglich, Filterelemente und offenporige Bauteile herzustellen, die die Vorteile des Werkstoffs Glas aufweisen.
• Durch den Aufbau des Sinterkörpers aus einem vorstehend näher bezeichneten pulverförmigen Werkstoff können darüber hinaus höchstreine Sinterkörper hergestellt werden, da keine Zersetzungsprodukte aus weiteren Komponenten vorhanden sind. Dieses ist insbesondere für Filterelemente, die mit aggressiven Medien in Kontakt kommen oder im medizintechnischen Bereich eingesetzt werden, von großem Interesse.
• Gegenüber anderen Sinterverfahren, wie dem abformenden Sintern, bei dem der zu sinternde pulverförmige Werkstoff in eine Form gefüllt und mit Hitze und Druck beaufschlagt wird, weisen die erfindungsgemäßen Sinterkörper Vorteile hinsichtlich geringerer Herstellungskosten bei kleineren Stückzahlen, da der Formenbau entfällt, und eines höheren Reinheitsgrades, da es zu keiner Zersetzung von Bindungsmittelresten kommt, auf.
• In einer besonderen Ausgestaltung des Sinterkörpers weist der pulverförmige Werkstoff eine Korngröße von 1 μm bis 500 μm auf, besonders bevorzugt eine Korngröße von 40 μm bis 80 μm. Die Korngröße beeinflusst maßgeblich die Porosität des Glaskörpers, wobei eine Untergrenze von 1 μm nicht unterschritten werden sollte, da andernfalls der pulverförmige Werkstoff als Staub vorliegt und nur schwierig als definierte Schicht aufgebracht werden kann. Die Obergrenze von 500 μm sollte nicht überschritten werden, da die Aufschmelztiefe der Wärmequelle begrenzt ist und es andernfalls zu Inhomogenitäten innerhalb des Sinterkörpers kommen kann.
• Vorzugsweise beträgt die definierte Schichtdicke des pulverförmigen Werkstoffs 50 μm bis 5 mm. In jedem Fall sollte jedoch die Schichtdicke größer als der Durchmesser der Korngröße sein. Begrenzt wird die Schichtdicke ebenfalls durch die Aufschmelztiefe der Wärmequelle, welche wiederum maßgeblich durch die Leistung der Wärmequelle und den verwendeten pulverförmigen Werkstoff bestimmt ist.
• Anhand der einzigen Zeichnungsfigur wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
• Dabei zeigt die Figur in schematischer Darstellung die Herstellung eines Sinterkörpers 1, welcher durch Beaufschlagung des pulverförmigen Werkstoffs 3 mit einem Laserstrahl 5 entsteht.
• Der Laserstrahl 5 wird von einem Laser 4 erzeugt und über Strahlführungs- und Strahlformungselemente 6 in einen Scanner 7 geleitet, der wiederum von einem Rechner (nicht eingezeichnet) angesteuert wird und den Laserstrahl 5 auf einem vorgebbaren Bereich 10 der Oberfläche 11 des pulverförmigen Werkstoffs 3 entsprechend der gewünschten Form des Sinterkörpers 1 leitet. Dabei bewegt sich der Laserstrahl 5 in einer ersten Richtung x und einer zweiten Richtung y.
• Nach dem selektiven Sintern des aufgetragenen Werkstoffs 3 wird aus dem Vorratsbehälter 8 der als pulverförmiges Borosilikatglas, pulvertörmige Glaskeramik oder pulverförmiges Glaslot vorliegende Werkstoff 3 als weitere Schicht auf den bereits vorhandenen Werkstoff 3 bzw. den Sinterkörper 1 aufgegeben und mit dem in Vertahrrichtung y_R bewegbaren Rakel 9 verteilt. Vor dem Sintern der weiteren Schicht wird die Arbeitsfläche 2 in vertikaler Vertahrrichtung z abgesenkt.

1

Sinterkörper

2

Arbeitsfläche

3

pulverförmiger Werkstoff

4

Wärmequelle, Laser

5

Laserstrahl

6

Strahlführungs- und Strahlformungselemente

7

Scanner

8

Vorratsbehälter für Sintermaterial

9

Rakel

10

vorgebbarer Bereich

11

Oberfläche pulverförmige Werkstoff

x

erste Richtung Laserstrahl

y

zweite Richtung Laserstrahl

y_R

Vertahrrichtung Rakel

z

vertikale Verfahrrichtung Arbeitsfläche

Claims (6)

1. Sinterkörper (1) aus einem auf einer Arbeitsfläche (2) mit einer definierten Schichtdicke aufgetragenem pulverförmigen Werkstoff (3), welcher in einem vorgebbaren Bereich (10} mittels einer Wärmequelle (4) selektiv versintert wird, wobei der vorgebbare Bereich (10) einer Querschnittsfläche des Sinterkörpers entspricht, und bei dem abwechselnd weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs (3) mit einer definierten Schichtdicke auf der ersten Schicht aufgetragen und in einem vorgebbaren Bereich (10) selektiv gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (3) aus einem Borosilikatglas besteht.
2. Sinterkörper (1) aus einem auf einer Arbeitsfläche (2) mit einer definierten Schichtdicke aufgetragenem pulverförmigen Werkstoff (3), welcher in einem vorgebbaren Bereich (10) mittels einer Wärmequelle (4) selektiv versintert wird, wobei der vorgebbare Bereich (10) einer Querschnittsfläche des Sinterkörpers (1) entspricht, und bei dem abwechselnd weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs (3) mit einer definierten Schichtdicke auf der ersten Schicht aufgetragen und in einem vorgebbaren Bereich (10) selektiv gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (3) aus einer Glaskeramik besteht.
3. Sinterkörper (1) aus einem auf einer Arbeitsfläche (2) mit einer definierten Schichtdicke aufgetragenem pulverförmigen Werkstoff (3), welcher in einem vorgebbaren Bereich (10) mittels einer Wärmequelle (4) selektiv versintert wird, wobei der vorgebbare Bereich (10) einer Querschnittsfläche des Sinterkörpers (1) entspricht, und bei dem abwechselnd weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs (3) mit einer definierten Schichtdicke auf der ersten Schicht aufgetragen und in einem vorgebbaren Bereich (10) selektiv gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (3) aus einem Glaslot besteht.
4. Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (3) eine Korngröße von 1 μm bis 500 μm aufweist.
5. Sinterkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff (3) eine Korngröße von 40 μm bis 80 μm aufweist
6. Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Schichtdicke des pulverförmigen Werkstoffs (3) 50 μm bis 5 mm beträgt