DE10320085A1

DE10320085A1 - Verfahren zum Herstellen von Produkten durch Freiform-Lasersintern oder -schmelzen (Unterlagen in P: 103 20 281,1)

Info

Publication number: DE10320085A1
Application number: DE10320085A
Authority: DE
Inventors: Frank Hagemeister; Ingo Uckelmann
Original assignee: Bego Medical GmbH
Current assignee: Bego Medical GmbH
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2003-05-05
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen metallischer oder nicht-metallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern bzw. -schmelzen, bei dem die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus pulverförmigen Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise aufgebaut werden, folgt eine Anpassung des Energieeintrags an den Bedarf der jeweiligen Schicht dadurch, dass in Abhängigkeit vom Ablauf des Sinter- bzw. Schmelzvorganges dessen Randbedingungen, nämlich die Energiedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite (senkrecht zur Spurrichtung) automatisch geändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen metallischer oder nichtmetallischer (aus Keramik oder Kunststoff bestehender) Produkte durch Freiform-Lasersintern oder -schmelzen, bei dem die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus pulverförmigem Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise senkrecht aufgebaut werden.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 4,863,538 bekannt. Bei der Anwendung dieses Verfahrens auf die Herstellung von Produkten kleiner Abmessungen, wie sie beispielsweise in der Dentaltechnik in Form von Zahnersatz oder dentalen Hilfsteilen benötigt werden, ergeben sich Schwierigkeiten aus dem Umstand, dass diese kleinteiligen Produkte erheblich unterschiedliche Flächenkonfigurationen in aufeinanderfolgenden Schichten aufweisen können. Beispielsweise kann sich die Flächengröße über die Höhe des Produkts stark ändern, oder bei Hohlformen sind teils dünne, teils dicke Wandungen vorgesehen.
Dadurch kann es bei gleichmäßigem (gleichbleibendem) Energieeintrag zur Überhitzung oder zu unzureichendem Anschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs kommen.
sDie Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass in Abhängigkeit vom Ablauf des Sinter- bzw. Schmelzvorganges dessen Randbedingungen, nämlich die Energiedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite (senkrecht zur Spurrichtung) automatisch geändert werden. Dadurch passt sich der Energieeintrag jederzeit selbsttätig dem Bedarf an Schmelzwärme an, welcher zur Erzielung der gewünschten Dichte des fertigen Produkts vorbestimmt werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Änderung in Abhängigkeit vom Quermaß und der Temperatur der Oberfläche des Schmelzbades. Dabei kann das Quermaß durch eine CCD-Kamera und die Temperatur durch ein Pyrometer ermittelt werden. Deren Daten werden einem Rechner zugeführt, der bei Änderung der ermittelten Werte mindestens einen der vorgenanten Laserstrahl-Paramter ändert.
Alternativ kann auch die Änderung in Abhängigkeit vom jeweiligen Verhältnis der Fläche zur Randlänge einer Sinter- bzw. Schmelzschicht erfolgen. Dann sorgen die Konfigurationen des Produkts selbst bestimmenden Daten für die automatische Anpassung mindestens eines jener Laserstrahl-Parameter, wenn sich am genannten Verhältnis etwas ändert.
Im allgemeinen wird zur Änderung der Energiedichte vorrangig die Strahlleistung und nachrangig der Strahldurchmesser geändert.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Laserstrahlführung bei einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 ein einzelnes, durch Lasersintern bzw. -schmelzen hergestelltes Dentalprodukt in perspektivischer und schematischer partiell aufgeschnittener Darstellung;
2 eine stark vergrößerte schematische Darstellung der flächigen Laserstrahl-Führung; und
3 eine Schema-Darstellung des Strahlenganges des Laserstrahls und des Messstrahls.
Das in 1 dargestellte napfförmige Dentalprodukt 1 ist mit Hilfe des bekannten Lasersinter- oder -schmelz-Verfahrens auf einer Substratplatte der jenes Verfahren ausführenden Vorrichtung schichtweise aus pulverförmigem Werkstoff, insbesondere Metallpulver meist unterschiedlicher Korngröße aufgebaut worden. Es ist mit Hilfe der intraoral oder extraoral gescannten Daten der Patienten-Zähne oder -Zahnstümpfe, für die sie bestimmt sind, individuell geformt. Die Stütze 2 dient der besseren Ablösung des fertigen Produkts von der Substratplatte.
1 zeigt deutlich die Napfform des Dentalprodukts 1. In der schematischen Darstellung ist die Dicke d der konisch-ringförmigen Seitenwand 3 über ihre gesamte Höhe einheitlich und gleich der Dicke des Bodens 4 dargestellt; in der Praxis ist das nicht der Fall. Insbesondere läuft der Randbereich 5 der Seitenwand 3 auf eine Wanddicke von 50 – 200 μm aus, jedoch kann innenseitig durch Änderung der Produktdaten gegenüber den gescannten Daten im inneren Randbereich eine Verdickung vorgenommen werden, um dem Zahntechniker oder Zahnarzt Material zum genauen Anpassen des im Beispiel hergestellten Käppchens zu geben. Dort erfolgt ferner mit Hilfe des Laserstrahls eine Oberflächenglättung durch oberflächiges Anschmelzen, die eine Politur der inneren Randfläche bedeutet.
2 zeigt schematisch die Anlage der Ablenkung des Laserstrahls 10 im Falle der Bearbeitung ausreichend großer Flächen der jeweiligen Pulverlage, wie etwa der Querschnittsfläche des Bodens 4 des Produkts 1 (1). Jedoch wird auch dort der (hier kreisförmige) Rand durch einen entsprechend kreisförmig geführten Laserstrahl erhitzt, und Gleiches gilt für den Querschnitt dünner Wandungen. Je nach erforderlichem Energieeintrag wird bei flächiger Erwärmung der Spurabstand 12 oder die Streifenbreite 13 verändert, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit vom jeweiligen Verhältnis der Fläche – etwa der Fläche des Bodens 4 eines Produkts 1 – zur Randlänge der zu behandelnden Pulverschicht – etwa der Länge des Randes des Bodens 4. Auch kann der Energieeintrag durch Änderung der Energiedichte des Laserstrahls 10 oder dessen Ablenkgeschwindigkeit geändert werden, und zwar insbesondere automatisch unter entsprechender Auswertung der für die jeweils zu sinternde Pulverschicht maßgebenden Daten. Weitere Einflussgrößen des Energieeintrags sind der Durchmesser und die Leistung des Laserstrahls 10. Im Falle der flächenabhängigen Änderung wird zunächst die Strahlleistung und ggf. der Strahldurchmesser geändert.
3 veranschaulicht schematisch eine Laserstrahlführung in Abhängigkeit von anderen Prozessgrößen, nämlich vom Quermaß und/oder der Temperatur der Oberfläche des Schmelzbades. Beide Parameter können während des Vorganges laufend ermittelt werden, das Quermaß optisch durch eine Kamera – vornehmlich eine CCD-Kamera -, die Temperatur mittels eines Pyrometers. Das Werkstück ist im Beispiel ein Hohlzylinderabschnitt, wie er etwa Bestandteil des in 1 dargestellten Dentalprodukts sein kann. Der vom Laser ausgehende Strahl wird nach Ablenkung durch einen dichroitischen Spiegel mit Hilfe eines x- y Scanners mit F-Theta Optik im Sinne der Darstellung in 2 über die jeweilige Pulverschicht geführt und erzeugt dort ein Schmelzbad, dessen Quermaß und Oberflächentemperatur von den Parametern des Laserstrahls abhängig ist. Diese Parameter des Schmelzbades werden einzeln oder gemeinsam ermittelt, indem das vom Schmelzbad ausgehende Bild parallel zum Laserstrahl umgelenkt und mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels sowohl auf eine Kamera als auch auf ein Pyrometer gegeben wird. Mit der Kamera kann die Größe des Schmelzbad-Quermaßes, mit dem Pyrometer die Oberflächentemperatur des Schmelzbades ermittelt werden.
Eine weitere Steuerungsabhängigkeit der Laserstrahl-Parameter ergibt sich für den Fall, dass aufeinanderfolgende Schichten des Produktaufbaus nicht kongruent sind, sondern eine folgende Schicht in Randbereichen durch Sintern bzw. Schmelzen verdichtet werden soll, die in der darunter liegenden Schicht keine Entsprechung hat, wo vielmehr das Schichtmaterial pulvrig geblieben ist und wegen dessen geringerer Wärmeableitung für jene überkragenden Bereiche der folgenden Schicht eine Verringerung der dort eingebrachten Strahlleistung indiziert. Im Überdeckungsbereich hingegen ist die Wärmeableitung größer, so dass dort die „normale" spezifische Energiedichte benötigt wird.
Soweit großflächige Pulverschichten durch Sintern bzw. Schmelzen verdichtet werden müssen, kann eine Ökonomisierung des Vorganges dadurch erfolgen, dass nur in einem geschlossenen Randbereich jede Schicht verdichtet wird, während der zunächst pulvrig gebliebene innere Kernbereich nach mehreren Schichten für diese Schichten insgesamt – mit entsprechend höherer Strahlleistung – gesintert bzw. aufgeschmolzen und so verdichtet wird. Von den Gegebenheiten des Einzelfalles hängt es ab, wie groß die Zahl n der Schichten ist, für die der Kernbereich im Rahmen eines Sinter- bzw. Schmelzvorganges insgesamt verdichtet wird.
Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren und seiner im Einzelnen dargestellten Varianten an einem Dentalprodukt erläutert wurde, kann es in gleicher Weise auch auf andere – große – Bauteile angewendet werden, auch solche, deren Oberfläche mechanisch bearbeitet werden muss, wie dies insbesondere bei Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen im Allgemeinen der Fall ist. Bei solch großen Bauteilen wird auch die Unterteilung und unterschiedliche Behandlung von Kern- und Randbereichen besonders vorteilhaft sein. Bei derartigen Bauteilen wird man auch keine biokompatiblen Legierungen als Pulvermatenal einsetzen, die beim Aufbau individueller medizinischer Implantate oder dentaler Restaurationen in der Regel notwendig sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen metallischer oder nicht-metallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern bzw. -schmelzen, bei dem die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus pulverförmigem Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise aufgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Ablauf des Sinter- bzw. Schmelzvorganges dessen Randbedingungen, nämlich die Energiedichte des Laserstrahls und/oder dessen Ablenkgeschwindigkeit und/oder der Spurabstand und/oder die Streifenbreite (senkrecht zur Spurrichtung) automatisch geändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung in Abhängigkeit vom Quermaß und/oder der Temperatur der Oberfläche des Schmelzbades erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Quermaß durch eine Kamera und die Temperatur durch ein Pyrometer ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung in Abhängigkeit vom jeweiligen Verhältnis der Fläche zur Randlänge einer Sinter- bzw. Schmelzschicht erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung in Abhängigkeit von der Überdeckung aufeinaderfolgender Sinter- bzw. Schmelzschichten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung der Energiedichte vorrangig die Strahlleistung und nachrangig der Strahldurchmesser geändert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom jeweiligen Verhältnis der Fläche zur Randlänge aufeinanderfolgender Sinter- bzw. Schmelzschichten diese in einen Kern- und einen Randbereich unterteilt werden und im Kernbereich nur nach jeder n-ten Schicht n Schichten gesintert bzw. geschmolzen werden.
Verfahren insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des fertigen Produkts mit Hilfe des Laserstrahls in geringer Tiefe angeschmolzen und so geglättet („poliert") wird.