DE112011100572T5

DE112011100572T5 - Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen formgegenstands und dreidimensionaler formgegenstand

Info

Publication number: DE112011100572T5
Application number: DE112011100572T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Abe; Norio Yoshida; Isao Fuwa; Masataka Takenami; Isamu Matumoto; Yoshikazu Higashi
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US20120308781A1; US10022797B2; WO2011102382A1; CN102762323B; CN102762323A; JP5519766B2; JPWO2011102382A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands zur Verfügung gestellt, bei dem in geeigneter Weise auf die Verwerfung der Grundplatte eingegangen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (I) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines festgelegten Bereiches einer Pulverschicht auf einer Grundplatte mit einem Lichtstrahl, wodurch das Pulver in dem festgelegten Bereich gesintert oder geschmolzen und anschließend verfestigt werden kann; und (II) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht und anschließendes Bestrahlen eines anderen festgelegten Bereiches der neuen Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wobei die Schritte (I) und (II) wiederholt durchgeführt werden und vor oder bei der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands (a) die Grundplatte einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch eine Verwerfung der Grundplatte hervorgerufen wird, und (b) zumindest die Unterseite der verworfenen Grundplatte geglättet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands, und sie betrifft außerdem einen dadurch erhaltenen dreidimensionalen Formgegenstand. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Vielzahl von in einem Stück aufeinander geschichteten verfestigten Schichten dadurch, dass ein Schritt des Ausbildens einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines festgelegten Bereiches einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl wiederholt wird, und sie betrifft außerdem den dreidimensionalen Formgegenstand, der mit diesem Herstellungsverfahren erhalten wird.
Hintergrund der Erfindung
Bisher ist das Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands durch Bestrahlen eines Pulvers mit einem Lichtstrahl bekannt (dieses Verfahren kann im Allgemeinen als „selektives Lasersintern” bezeichnet werden). Mit diesem Verfahren kann ein dreidimensionaler Formgegenstand mit einer Vielzahl von in einem Stück aufeinander geschichteten verfestigten Schichten dadurch hergestellt werden, dass die folgenden Schritte wiederholt werden: ein Schritt (I) des Ausbildens einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines festgelegten Bereiches einer Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wodurch der festgelegte Bereich des Pulvers gesintert oder geschmolzen und anschließend verfestigt werden kann, und ein Schritt (II) des Ausbildens einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht mit anschließendem Bestrahlen der Pulverschicht mit dem Lichtstrahl in ähnlicher Weise [siehe JP T 01-502890 (1989) oder JP A 2000-73108 ]. Der so erhaltene dreidimensionale Formgegenstand kann als eine metallische Form in dem Fall verwendet werden, dass anorganische Pulvermaterialien, wie etwa ein Metallpulver und ein Keramikpulver, als das Pulvermaterial zum Einsatz kommen. Im Gegensatz dazu kann bei Verwendung von organischen Pulvermaterialien, wie etwa eines Harzpulvers und eines Kunststoffpulvers, als das Pulvermaterial der dreidimensionale Formgegenstand als ein Modell oder eine Kopie dienen. Mit einer Technologie dieser Art kann ein dreidimensionaler Formgegenstand mit einer komplizierten Konturform innerhalb kurzer Zeit hergestellt werden.
Beim selektiven Lasersintern erfolgt die Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands meistens in einer inerten Atmosphäre in einer Kammer, um eine Oxidation des Formgegenstands zu vermeiden. In der Kammer wird auf einem Formtisch eine Grundplatte angeordnet, die mittels Schrauben an dem Tisch befestigt wird. Anschließend wird der dreidimensionale Formgegenstand auf der verschraubten Grundplatte hergestellt. In dem Fall, dass ein Metallpulver als das Pulvermaterial verwendet wird und der resultierende dreidimensionale Formgegenstand als die metallische Form zum Einsatz kommt, wie es in 1 gezeigt ist, wird zunächst eine Pulverschicht 22 mit einer festgelegten Dicke t₁ auf der Grundplatte 21 ausgebildet [siehe 1(a)], und dann wird ein festgelegter Bereich der Pulverschicht 22 mit einem Lichtstrahl bestrahlt, um eine verfestigte Schicht 24 auf der Grundplatte 21 herzustellen. Anschließend wird auf der so hergestellten verfestigten Schicht 24 erneut eine Pulverschicht 22 hergestellt und auch wieder mit einem Lichtstrahl bestrahlt, um eine weitere verfestigte Schicht herzustellen. Auf diese Weise wird wiederholt eine verfestigte Schicht ausgebildet, was zur Herstellung eines dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Vielzahl von in einem Stück aufeinander geschichteten verfestigten Schichten 24 führt [siehe 1(b)]. Die verfestigte Schicht, die der unteren Schicht entspricht, kann an der Oberfläche der Grundplatte anhaftend ausgebildet werden. Daher bilden der dreidimensionale Formgegenstand und die Grundplatte gemeinsam eine Einheit. Der dreidimensionale Formgegenstand und die Grundplatte, die eine Einheit bilden, können unverändert als eine metallische Form verwendet werden.
Patentdokumente (Patentdokumente des Standes der Technik)

Patentdokument 1: JP T 01-502890 (1989)
Patentdokument 2: JP A 2000-73108

Beschreibung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Dadurch, dass der dreidimensionale Formgegenstand durch Bestrahlung mit einem Lichtstrahl hergestellt wird, wird nicht nur der dreidimensionale Formgegenstand, sondern auch die Grundplatte, die dazu dient, ihn zu tragen, durch die Hitze des Lichtstrahls mehr oder weniger beeinträchtigt. Insbesondere wird der bestrahlte Bereich der Pulverschicht einmal geschmolzen, und anschließend wird das geschmolzene Pulver verfestigt, um die verfestigte Schicht herzustellen. Bei dieser Herstellung der verfestigten Schicht kann es zu einer Schrumpfungserscheinung kommen [siehe 2(a)]. Es soll zwar nicht durch die Theorie beschränkt werden, aber die Schrumpfungserscheinung kann dazu führen, dass beim Verfestigen des geschmolzenen Pulvers durch Abkühlen Spannungen entstehen. Andererseits ist die Grundplatte, die mit dem verfestigten Pulver (d. h., dem dreidimensionalen Formgegenstand) eine Einheit bilden soll, ein starrer Körper, der zum Beispiel aus einem Stahlmaterial besteht. Die Grundplatte kann bei der Herstellung der verfestigten Schicht nicht ausreichend schrumpfen, da sie ein starrer Körper ist und außerdem an dem Tisch befestigt ist. Dadurch können die Spannungen nach der Herstellung der verfestigten Schicht in der Grundplatte verbleiben. Wenn nun die Befestigung der Grundplatte durch Entfernen der Schrauben gelöst wird, kommt es durch die Restspannungen zu einer Verwerfung der Grundplatte und somit zu einer Verwerfung des Formgegenstands.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um das vorstehende Problem anzugehen. Das heißt, Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formgegenstands zur Verfügung zu stellen, das die Verwerfung der Grundplatte in geeigneter Weise bewältigt.
Mittel zur Lösung des Problems
Um das vorgenannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands mit den folgenden Schritten zur Verfügung:

(I) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines festgelegten Bereiches einer Pulverschicht auf einer Grundplatte mit einem Lichtstrahl, wodurch das Pulver in dem festgelegten Bereich gesintert oder geschmolzen und anschließend verfestigt werden kann; und
(II) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht und anschließendes Bestrahlen eines anderen festgelegten Bereiches der neuen Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wobei die Schritte (I) und (II) wiederholt durchgeführt werden,

Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass eine „Platte, bei der ein Bereich, der durch eine Wärmebehandlung verformt wurde, geglättet worden ist”, als die Grundplatte für den Formgegenstand verwendet wird. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die „Grundplatte mit darin verbliebenen Restspannungen, die auf die Wärmebehandlung zurückzuführen sind”, tatsächlich trotz dieser Restspannungen verwendet wird.
Die Bedeutung des Begriffs „Wärmebehandlung”, der in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, umfasst nicht nur eine direkte Wärmebehandlung, bei der die Grundplatte direkt erwärmt wird, sondern auch eine indirekte Wärmebehandlung, bei der die Grundplatte indirekt erwärmt wird (zum Beispiel wird eine Pulverschicht erwärmt, die auf der Grundplatte ausgebildet ist). Bei dem ersteren Fall (d. h. bei der „direkten” Wärmebehandlung) wird eine Verwerfungsverformung der Grundplatte in hohem Maße durch „thermische Spannungen” verursacht. Hingegen wird bei dem letzteren Fall (d. h. bei der „indirekten” Wärmebehandlung) die Verwerfungsverformung der Grundplatte nicht nur durch „thermische Spannungen”, sondern auch durch „Zugspannungen, die bei der Ausbildung der verfestigten Schicht entstehen”, oder dergleichen verursacht.
Der Begriff „Grundplatte”, der in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, bedeutet im Wesentlichen ein Element, das als eine Plattform für den herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand dient. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bedeutet der Begriff „Grundplatte” ein plattenförmiges Element, das auf einem Formtisch angeordnet ist. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „Unterseite” der Grundplatte, der ebenfalls in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, im Wesentlichen eine Fläche, die einer „Oberseite” gegenüberliegt, wenn eine Fläche, die in Kontakt mit dem Formgegenstand ist, die „Oberseite” ist.
Der Begriff „Verwerfung”, der in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, bedeutet im Wesentlichen eine „Verformung der Grundplatte”, die einer Wärmebehandlung der Grundplatte zugeschrieben werden kann. Daher umfasst die Bedeutung des Begriffs „Verwerfung” nicht nur eine typische Verformung, bei der sich ein äußerer Rand der Grundplatte in hohem Maße verformt, wie es in 2(b) gezeigt ist, sondern auch verschiedene andere Verformungen insbesondere hinsichtlich der Gestalt der Grundplatte.
Der Begriff „Glätten”, der in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, bedeutet im Wesentlichen, dass der dreidimensionale Formgegenstand maschinell bearbeitet wird, wobei ein Bereich seiner Oberfläche teilweise entfernt wird, um eine ebene Fläche herzustellen.
Nur zur Bestätigung sei erwähnt, dass der Begriff „Pulverschicht”, der in der vorliegenden Beschreibung und den vorliegenden Ansprüchen verwendet wird, zum Beispiel eine „Metallpulverschicht, die aus einem Metallpulver besteht”, oder eine „Harzpulverschicht, die aus einem Harzpulver besteht”, bedeutet. Außerdem bezeichnet der Begriff „festgelegter Bereich einer Pulverschicht” im Wesentlichen einen Bereich eines herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstands. Daher wird ein Pulver, das in dem festgelegten Bereich vorhanden ist, mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wodurch das Pulver gesintert oder geschmolzen und anschließend verfestigt wird, um die Gestalt des dreidimensionalen Formgegenstands auszubilden. Darüber hinaus bezeichnet der Begriff „verfestigte Schicht” im Wesentlichen eine „gesinterte Schicht” in dem Fall, dass die Pulverschicht eine Metallpulverschicht ist, während er im Wesentlichen eine „gehärtete Schicht” in dem Fall bezeichnet, dass die Pulverschicht eine Harzpulverschicht ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird eine Strahlungsquelle für den Lichtstrahl in den Schritten (I) und (II) als eine Wärmequelle für die Verwerfungsverformung der Grundplatte verwendet. Alternativ können auch andere geeignete Wärmequellen zum Einsatz kommen, die von der Strahlungsquelle für das selektive Lasersintern verschieden sind. In diesem Zusammenhang kann zum Beispiel eine Bogenentladungsquelle oder eine Thermosprayquelle verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden eine oder mehrere Pulverschichten und/oder verfestigte Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine Verwerfung der Grundplatte zu bewirken. Das heißt, dass die Verwerfung der Grundplatte während der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands bewirkt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Grundplatte so wärmebehandelt, dass die Oberseite der Grundplatte (insbesondere die gesamte Oberseite der Grundplatte) erwärmt wird. Dadurch kann bewirkt werden, dass eventuelle Restspannungen so weit wie möglich im Voraus entstehen. Dadurch kann eine weitere Verwerfungsverformung der Grundplatte, die bei der anschließenden Ausbildung der verfestigten Schicht entstehen kann, in geeigneter Weise vermieden werden. Der Erwärmungsbereich der Grundplatte kann entsprechend dem herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand begrenzt werden. Zum Beispiel kann der Erwärmungsbereich der Grundplatte oder der Erwärmungsbereich einer oder mehrerer Pulverschichten und/oder verfestigten Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, entsprechend der Masse, dem Volumen, der Position und/oder der Form und/oder dem Bereich des Kontakts zwischen dem dreidimensionalen Formgegenstand und der Grundplatte festgelegt werden. In diesem Fall wird die Wärmebehandlung für diesen begrenzten Bereich der Grundplatte oder der Schicht durchgeführt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Glätten durchgeführt, nachdem 50 bis 100 verfestigte Schichten (in einigen Fällen 10 bis 200 verfestigte Schichten) auf der Grundplatte ausgebildet worden sind. Dadurch kann eine zu starke Verwerfungsverformung nach dem Glätten vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen dreidimensionalen Formgegenstand zur Verfügung, der mit dem vorstehenden Herstellungsverfahren erhalten wird. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Bodenseite dieses dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Grundplatte versehen, wobei die Bodenseite des Formgegenstands und die Grundplatte miteinander verbunden sind und eine Unterseite der Grundplatte eine geglättete Fläche ist.
Wirkungen der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird eine Grundplatte verwendet, die geglättet worden ist, nachdem ihre Verwerfung bewirkt wurde (insbesondere wird eine Grundplatte verwendet, die dadurch erhalten wird, dass ihr verworfener Bereich geglättet wird, der auf thermische Spannungen oder Zugspannungen zurückzuführen ist). Durch die Verwendung der verworfenen und nachfolgend geglätteten Grundplatte wird es möglich, ein Ansammeln von weiteren Spannungen nach dem Zeitpunkt des Glättens während des Herstellungsprozesses für den Formgegenstand zu verringern. Mit anderen Worten, gemäß der vorliegenden Erfindung werden eventuelle Spannungen, die bei der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands auftreten können, bereits im Voraus in der Grundplatte hervorgerufen, und die resultierende Verformung der Grundplatte durch diese Spannungen wird schon im Voraus beseitigt, und dadurch kann wirksam erreicht werden, dass im Anschluss daran eine weitere Verwerfung der Grundplatte unterdrückt wird.
Durch die Unterdrückung der Verwerfung der Grundplatte kann die Formgenauigkeit des dreidimensionalen Formgegenstands erhöht werden. In diesem Zusammenhang war es beim Stand der Technik unbedingt erforderlich, die Konstruktion auf der Grundlage des mutmaßlichen Umfangs der Verwerfung durchzuführen, um eine Formgenauigkeit des dreidimensionalen Formgegenstands zu erzielen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, die Formgenauigkeit schon im Voraus dadurch zu erreichen, dass die Grundplatte zum Tagen des Formgegenstands wärmebehandelt und anschließend geglättet wird. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung ist insofern sehr zweckmäßig, als hier die Schwierigkeit dieses nicht vorhersehbaren Umfangs der Verwerfung der Platte dadurch behoben werden kann, dass einfache Schritte (d. h. Erwärmen und Glätten) in die Herstellung des Formgegenstands eingeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1(a) und 1(b) sind Schnittansichten, die die Operationen einer Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine schematisch darstellen.
Die 2(a) und 2(b) sind Schnittansichten, die eine Verwerfungsverformung einer Grundplatte für den Formgegenstand schematisch darstellen.
Die 3(a) und 3(b) sind perspektivische Darstellungen, die eine Vorrichtung zum Durchführen des Lasersinterns (d. h., des selektiven Lasersinterns) schematisch darstellen, wobei 3(a) insbesondere eine Hybridvorrichtung mit einem Bearbeitungsmechanismus zeigt und 3(b) insbesondere eine Vorrichtung ohne einen Bearbeitungsmechanismus zeigt.
4 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Ausführungsform schematisch zeigt, bei der das selektive Lasersintern durchgeführt wird.
5 ist eine perspektivische Darstellung, die den Aufbau einer Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine schematisch zeigt, mit der das selektive Lasersintern durchgeführt wird.
6 ist ein Ablaufdiagramm der Operationen einer Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridverfahren in der zeitlichen Reihenfolge zeigt.
Die 8(a) und 8(b) sind schematische Darstellungen, die eine allgemeine Vorstellung von der vorliegenden Erfindung vermitteln.
9 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform einer Grundplatte zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die 10(a) bis 10(d) sind Schnittansichten, die verschiedene Ausführungsformen des Glättens der verworfenen Grundplatte schematisch darstellen.
Die 11(a) bis 11(d) sind Schnittansichten, die einen typischen Prozess des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung in der zeitlichen Reihenfolge zeigen.
12 ist eine perspektivische Darstellung, die das Ablenken eines Lichtstrahls bei der Wärmebehandlung der Grundplatte schematisch zeigt.
13 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Beispiel für eine Wärmebehandlung einer Pulverschicht und/oder einer verfestigten Schicht schematisch zeigt.
14 ist eine grafische Darstellung, die Restspannungen zeigt, die sich in der Grundplatte und/oder dem Formgegenstand ansammeln können.
15 ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Anzahl von aufeinander geschichteten Schichten und der Verwerfung der Grundplatte zeigt.
16 stellt die Konturform und die Position der Bodenfläche des Formgegenstands in einem Oberflächenbereich der Grundplatte schematisch dar.
Bezugszeichenliste
Umlenkspiegel

32: Sammellinse
40: Fräskopf
41: XY-Aktuator
41a: X-Achsen-Aktuator
41b: Y-Achsen-Aktuator
42: Werkzeugmagazin
50: Kammer
52: Fenster für Lichtdurchlass
L: Lichtstrahl

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Verfahren des selektiven Lasersinterns
Zunächst wird das Verfahren des selektiven Lasersinterns beschrieben, auf dem das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung beruht. Aus praktischen Gründen ist das hier beschriebene Verfahren des selektiven Lasersinterns ein Verfahren, bei dem ein Pulvermaterial aus einem Vorratsbehälter für das Pulvermaterial bereitgestellt wird und dieses anschließend mittels einer Quetschrakel geglättet wird, um daraus eine Pulverschicht auszubilden. Darüber hinaus wird ein Verfahren des selektiven Lasersinterns, bei dem zusätzlich ein Bearbeitungsprozess an dem Formgegenstand durchgeführt wird [d. h., die Prozess-Ausführungsform, die in 3(a), nicht in 3(b), gezeigt ist], anhand eines Beispiels beschrieben.
Die 1, 4 und 5 zeigen Funktionen und Konfigurationen, die die Durchführung des Verfahrens des selektiven Lasersinterns mit einer Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine ermöglichen. Die Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine 1 weist hauptsächlich Folgendes auf: Pulverschicht-Ausbildungsmittel 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht durch Bereitstellen eines Pulvers, wie etwa eines Metallpulvers oder eines Harzpulvers, in einer festgelegten Dicke; einen Formtisch 20, der sich mit einem Zylinderantrieb in einem Formbehälter 29, dessen Außenperipherie von einer Wand 27 umgeben ist, vertikal anheben und absenken lässt; eine Grundplatte 21, die auf dem Formtisch 20 angeordnet ist und als eine Plattform für den Formgegenstand dient; Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 zum Bestrahlen einer gewünschten Position mit einem emittierten Lichtstrahl L; und Bearbeitungsmittel 4 zum Fräsen der Peripherie des Formgegenstands. Wie in 1 gezeigt ist, bestehen die Pulverschicht-Ausbildungsmittel 2 hauptsächlich aus einem Pulvertisch 25, der sich mit einem Zylinderantrieb in einem Vorratsbehälter 28 für Pulvermaterial, dessen Außenperipherie von einer Wand 26 umgeben ist, vertikal anheben und absenken lässt; und einer Quetschrakel 23 zum Ausbilden einer Pulverschicht 22 auf der Grundplatte. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, bestehen die Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 hauptsächlich aus einem Lichtstrahlgenerator 30 zum Emittieren eines Lichtstrahls L und einem Galvanometerspiegel 31 (optisches Ablenksystem) zum Ablenken des Lichtstrahls L auf die Pulverschicht 22. Optional sind die Lichtstrahl-Bestrahlungsmittel 3 mit Strahlform-Korrekturmitteln zum Einstellen der Form eines Lichtstrahlflecks (z. B. Mittel, die aus einem Paar aus einer Zylinderlinse und einem Drehantriebsmechanismus zum Drehen der Linse um die Achslinie des Lichtstrahls) und einer fθ-Linse versehen. Die Bearbeitungsmittel 4 bestehen hauptsächlich aus einem Fräskopf 40 zum Fräsen der Peripherie des Formgegenstands und einem XY-Aktuator 41 (41a, 41b) zum Ansteuern des Fräskopfes 40 so, dass er sich zu der zu fräsenden Stelle bewegt (siehe 4 und 5).
Die Operationen der Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine 1 werden nachstehend unter Bezugnahme die 1, 6 und 7 näher beschrieben. 6 zeigt den allgemeinen Arbeitsablauf der Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine. 7 zeigt schematisch und vereinfacht ein Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridverfahren.
Die Operationen der Lasersinter-/Bearbeitungs-Hybridmaschine umfassen hauptsächlich einen Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) zum Ausbilden der Pulverschicht 22; einen Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt (S2) zum Bestrahlen der Pulverschicht 22 mit dem Lichtstrahl L, um eine verfestigte Schicht 24 auszubilden; und einen Bearbeitungsschritt (S3) zum Fräsen der Oberfläche des Formgegenstands. In dem Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) wird zunächst der Formtisch 20 um Δt1 abgesenkt (S11). Dann wird der Pulvertisch 25 um Δt1 angehoben, und anschließend wird die Quetschrakel 23 so angesteuert, dass sie sich in der Richtung des Pfeils A bewegt, wie es in 1(a) gezeigt ist. Dadurch wird ein Pulver (z. B. ein Eisenpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 5 μm bis 100 μm), das sich auf dem Pulvertisch 25 befindet, so verteilt, dass die Pulverschicht 22 in einer festgelegten Dicke Δt1 ausgebildet wird (S13), während sie auf die Grundplatte 21 aufgebracht wird (S12). Nach diesem Schritt wird der Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt (S2) ausgeführt. In dem Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt wird der Lichtstrahl L [z. B. ein Kohlendioxidgas-Laser (500 W), ein Nd:YAG-Laser (500 W), ein faseroptischer Laser (500 W) oder ultraviolettes Licht] von dem Lichtstrahlgenerator 30 emittiert (S21) und dann wird der Lichtstrahl L mittels des Galvanometerspiegels 31 auf eine gewünschte Position auf der Pulverschicht 22 abgelenkt (S22). Der abgelenkte Lichtstrahl kann bewirken, dass das Pulver geschmolzen und verfestigt wird, was zur Ausbildung der verfestigten Schicht 24 führt, die eine Einheit mit der Grundplatte 21 bildet (S23). Der Lichtstrahl wird nicht nur von der Luft durchgelassen, und daher kann er auch durch eine optische Faser oder dergleichen durchgeleitet werden.
Der Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) und der Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt (S2) werden mehrfach ausgeführt, bis die Dicke der verfestigten Schicht 24 einen festgelegten Wert erreicht, der auf Grund der Werkzeuglänge des Fräskopfes 40 ermittelt wird [siehe 1(b)]. Beim Sintern des Pulvers oder beim Schmelzen und anschließenden Verfestigen des Pulvers bildet die neu aufgeschichtete verfestigte Schicht eine Einheit mit der unteren verfestigten Schicht, die bereits ausgebildet worden ist.
Wenn die Dicke der aufgeschichteten verfestigten Schichten 24 den festgelegten Wert erreicht, wird der Bearbeitungsschritt (S3) initiiert. Bei den Ausführungsformen, die in 1 und 7 gezeigt sind, wird der Fräskopf 40 in Betrieb gesetzt, um die Ausführung des Bearbeitungsschritts zu initiieren (S31). Wenn zum Beispiel das Werkzeug (Fräser mit runder Stirn) des Fräskopfes 40 einen Durchmesser von 1 mm und eine effektive Fräslänge von 3 mm hat, kann das Fräsen mit einer Tiefe von 3 mm erfolgen. Daher wird in dem Fall, dass Δt1 0,05 mm beträgt, der Fräskopf 40 in Betrieb gesetzt, wenn 60 verfestigte Schichten ausgebildet worden sind. Der Fräskopf 40 wird mittels des XY-Aktuators 41 (41a, 41b) in der X- und Y-Richtung bewegt, und die Oberfläche des Formgegenstands, der aus den verfestigten Schichten 24 besteht, wird maschinell bearbeitet (S32). Wenn noch nicht der gesamte dreidimensionale Formgegenstand hergestellt worden ist, geht der Prozess wieder zu dem Pulverschicht-Ausbildungsschritt (S1) zurück. Anschließend werden die Schritte S1 bis S3 mehrfach ausgeführt, um verfestigte Schichten 24 weiter aufeinander zu schichten, und dadurch kann schließlich der gewünschte dreidimensionale Formgegenstand hergestellt werden (siehe 7).
Der Strahlengang des Lichtstrahls L in dem Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt (S2) und die Frässtrecke in dem Bearbeitungsschritt (S3) werden im Voraus unter Verwendung von 3D-CAD-Daten bestimmt. In diesem Fall wird die Bearbeitungsstrecke durch Konturlinienverarbeitung ermittelt. In dem Verfestigte-Schicht-Ausbildungsschritt (S2) werden zum Beispiel die Konturformdaten eines jeden von in Scheiben geschnittenen Teilen verwendet, die in regelmäßigen Abständen (z. B. einem Abstand von 0,05 mm, wenn Δt1 0,05 mm beträgt) angeordnete in Scheiben geschnittene Teile von STL-Daten sind, die anhand eines 3D-CAD-Modells erzeugt worden sind.
Erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren
Bei dem Verfahren des selektiven Lasersinterns berücksichtigt die vorliegende Erfindung besonders die Spannungen, die in der Grundplatte auftreten können. Wie es insbesondere in 8 gezeigt ist, (a) wird die Grundplatte einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch Spannungen in der Grundplatte entstehen, und (b) wird die durch diese Spannungen verworfene Grundplatte geglättet.
In der nachstehenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung anhand einer Ausführungsform beschrieben, bei der ein Metallpulver als das Pulver verwendet wird. Die „Ausführungsform, bei der ein Metallpulver verwendet wird”, entspricht einer „Ausführungsform, bei der eine Metallpulverschicht als eine Pulverschicht verwendet wird”. In diesem Zusammenhang kann das Metallpulver, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Pulver sein, das ein Pulver auf Eisenbasis als einen Hauptbestandteil enthält, und es kann ein Pulver sein, das in einigen Fällen weiterhin mindestens eine Pulverart enthält, die aus der Gruppe Nickelpulver, Legierungspulver auf Nickelbasis, Kupferpulver, Legierungspulver auf Kupferbasis und Grafitpulver gewählt ist. Beispiele für das Metallpulver sind ein Metallpulver, bei dem der Anteil eines Pulvers auf Eisenbasis, das einen mittleren Teilchendurchmesser von etwa 20 μm hat, 60 bis 90 Masse-% beträgt, der Anteil eines Nickelpulvers und/oder eines Legierungspulvers auf Nickelbasis 5 bis 35 Masse-% beträgt, der Anteil eines Kupferpulvers und/oder eines Legierungspulvers auf Kupferbasis 5 bis 15 Masse-% beträgt und der Anteil eines Grafitpulvers 0,2 bis 0,8 Masse-% beträgt.
Die in der vorliegenden Erfindung durchgeführte Wärmebehandlung kann jede beliebige Wärmebehandlung sein, solange sie eine Verwerfungsverformung der Grundplatte bewirkt. Mit anderen Worten, bei dem Herstellungsverfahren für den dreidimensionalen Formgegenstand kann jede beliebige Wärmebehandlung durchgeführt werden, solange durch die Wärmebehandlung Verwerfungsspannungen in der Grundplatte entstehen. Daher sind Beispiele für die Wärmebehandlung die direkte Erwärmung der Grundplatte sowie die indirekte Erwärmung der Grundplatte, bei der eine Pulverschicht und/oder eine verfestigte Schicht, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, erwärmt werden.
Für die Durchführung der Wärmebehandlung kann die Grundplatte mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, der zum Beispiel bei dem Verfahren des selektiven Lasersinterns verwendet wird. Alternativ kann die Grundplatte auch mit einem anderen Lichtstrahl als bei dem Verfahren des selektiven Lasersinterns bestrahlt werden. Der hier verwendete Begriff „Lichtstrahl” bezeichnet einen Richtenergiestrahl, wie zum Beispiel einen Laserstrahl. Mit anderen Worten, es kann eine Strahlungsquelle für den Lichtstrahl zum Lasersintern oder eine andere Strahlungsquelle, die von dieser verschieden ist, als eine Wärmequelle für die Verwerfungsverformung der Grundplatte verwendet werden. Die erstgenannte Strahlungsquelle hat Vorteile nicht nur in Bezug auf günstigere Vorrichtungskosten, da die Lasersintervorrichtung (d. h., die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens des selektiven Lasersinterns) auch für die Wärmebehandlung der Grundplatte verwendet werden kann, sondern auch in Bezug auf einen insgesamt vereinfachten Herstellungsprozess, da ein und dieselbe Vorrichtung in allen Prozessen zum Einsatz kommt. Hingegen hat die letztgenannte Strahlungsquelle den Vorteil, dass eine Vielzahl von Operationen parallel ausgeführt werden kann, wenn eine Vielzahl von Formgegenständen hergestellt wird. Insbesondere ermöglicht im Falle der Herstellung einer Vielzahl von Formgegenständen diese Strahlungsquelle die parallele Durchführung des Lasersinterns und der Verwerfungsverformung der Grundplatte (und ihr nachfolgendes Glätten), was insgesamt zu einer kürzeren Herstellungszeit für die Formgegenstände führt.
Bei der Wärmebehandlung der Grundplatte durch Bestrahlung mit einem Lichtstrahl kann durch Einstellen der Ausgangsenergie des Lichtstrahls die Verwerfungsverformung durch die Wärmebehandlung in geeigneter Weise hervorgerufen werden. Die Strahlungsenergiedichte E des Lichtstrahls sollte zum Beispiel in dem Bereich von etwa 4 J/mm² bis etwa 15 J/mm² liegen. Die Verwerfungsverformung kann außer durch (a) Einstellen der Ausgangsenergie des Lichtstrahls auch durch die folgenden Maßnahmen entsprechend hervorgerufen werden: (b) Einstellen der Ablenkgeschwindigkeit des Lichtstrahls, (c) Einstellen des Ablenkabstands des Lichtstrahls und (d) Einstellen des Kondensordurchmessers für den Lichtstrahl. Die vorstehenden Operationen (a) bis (d) können einzeln oder in Kombination ausgeführt werden. Es ist zu beachten, dass die Energiedichte E = Laser-Ausgangsleistung [W]/(Ablenkgeschwindigkeit [mm/s] × Ablenkabstand [mm]) ist, wobei die folgenden Herstellungsbedingungen erforderlich sind: Dicke der Pulverschicht: 0,05 mm, Laser: CO₂-Laser (Kohlendioxidlaser), Fleckdurchmesser: 0,5 mm.
Außer dem Erwärmen durch Bestrahlung mit einem Lichtstrahl sind Beispiele für die Wärmebehandlung der Grundplatte gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren das Erwärmen unter Verwendung einer Bogenentladung, das Erwärmen mittels eines Gasbrenners und das Erwärmen durch Einbringen der Grundplatte in eine Heizkammer.
Nachstehend wird die Grundplatte näher beschrieben, die bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Form der Grundplatte ist nicht besonders beschränkt, solange die Grundplatte eine Fläche hat, die als eine Plattform für den Formgegenstand dient (d. h., solange die Grundplatte eine Hauptfläche hat, die zum Tragen des Formgegenstands dient). Die Form der Grundplatte 21 ist zum Beispiel nicht auf die Form eines Quaders beschränkt, wie sie in 9 gezeigt ist, sondern sie kann auch die Form einer Scheibe, eines Polygons oder dergleichen haben. Die Grundplatte muss im Allgemeinen eine Hauptfläche (d. h., eine Oberseite oder eine Unterseite) haben, die größer als die der Bodenfläche des dreidimensionalen Formgegenstands ist. Die Hauptfläche der Grundplatte 21 hat zum Beispiel eine Größe von 110% bis 200% der Größe der Bodenfläche des Formgegenstands (siehe 9). Die Dicke der Grundplatte 21 (d. h. „T” in 9) kann zum Beispiel in dem Bereich von etwa 10 mm bis etwa 70 mm liegen und kann sich entsprechend der Größe der Hauptfläche der Grundplatte, dem Material der Grundplatte, dem Material der verfestigten Schicht oder dergleichen ändern.
Das Material der Grundplatte ist nicht besonders beschränkt. Wenn zum Beispiel ein Metallpulver als das Pulver zum Ausbilden einer gesinterten Schicht als die verfestigte Schicht verwendet wird (d. h., eine gesinterte Schicht, die aus einem Material auf Eisenbasis besteht), besteht die Grundplatte vorzugsweise aus mindestens einem Material aus der Gruppe Stahl, Hartmetall (Sintercarbid), Werkzeug-Schnellarbeitsstahl, Werkzeug-Legierungsstahl, nichtrostender Stahl und unlegierter Stahl für den Maschinenbau.
Erfindungsgemäß wird das Glätten der verworfenen Grundplatte durchgeführt, wobei die Verwerfung der Wärmebehandlung zuzuschreiben ist. Hierbei können Glättungsmittel oder Bearbeitungsmittel für das Glätten zum Einsatz kommen. Die Bearbeitungsmittel können alle geeigneten Bearbeitungsmittel sein, solange sie eine maschinelle Bearbeitung der Oberfläche durchführen können. Die Bearbeitungsmittel können zum Beispiel eine NC-Werkzeugmaschine (numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine) oder Maschinen sein, die dieser ähnlich sind. Insbesondere sollten die Bearbeitungsmittel ein Bearbeitungszentrum sein, dessen Fräswerkzeug (Schaftfräser) automatisch gewechselt werden kann. Als der Schaftfräser wird hauptsächlich zum Beispiel ein Fräser mit runder Stirn und zwei Meißeln verwendet, der aus einem superharten Material besteht. In einigen Fällen kann auch ein Fräser mit gerader Stirn, ein Fräser mit halbrunder Stirn oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Wie in 10(a) gezeigt ist, wird das Glätten zumindest der Unterseite der verworfenen Grundplatte durchgeführt. Beispiele für das Glätten zumindest der Unterseite der verworfenen Grundplatte sind:

• Glätten der Oberseite und der Unterseite der verworfenen Grundplatte [siehe 10(b)],
• Glätten der Unterseite und der Seitenflächen der verworfenen Grundplatte [siehe 10(c)] und
• Glätten aller Flächen (d. h., der Oberseite, der Unterseite und der Seitenflächen) der verworfenen Grundplatte [siehe 10(d)].

Durch das erfindungsgemäße Glätten kann die verworfene Fläche der Grundplatte geglättet werden. Durch das Glätten kann bei der Grundplatte eine ebene Oberfläche hergestellt werden. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Glätten so durchgeführt wird, dass die Grundplatte eine ebene Oberfläche hat, deren Oberflächenrauheit Rz vorzugsweise 10 μm oder weniger, besser 5 μm oder weniger, beträgt. Der hier verwendete Begriff „Oberflächenrauheit Rz” bezeichnet im Wesentlichen ein Rauheitsmaß, das durch Addieren der Höhe bis zu der obersten Bergspitze und der Tiefe bis zum Talbereich von einer mittleren Linie in einem Rauheitsprofil (d. h. in einem Querschnittsprofil der Oberfläche der Grundplatte) erhalten wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 11 die zeitliche Reihenfolge des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Größen, die in 11 gezeigt sind, nicht die tatsächlichen Größen widerspiegeln.
Wie in 11(a) gezeigt ist, wird die Grundplatte 21 bereitgestellt, die als eine Plattform für den Formgegenstand dient. Dann wird die Grundplatte 21 an einem geeigneten Ort angeordnet, an dem die Platte einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll. Wenn zum Beispiel eine Laserquelle für das Lasersintern als die Strahlungsquelle verwendet wird (d. h., wenn eine Vorrichtung für das Verfahren des selektiven Lasersinterns verwendet wird), wird die Grundplatte auf einem Tisch zur Ausbildung der Schichten des Formgegenstands angeordnet. Die so angeordnete Grundplatte wird mit Schrauben lose an dem Tisch oder dergleichen befestigt, sodass die Verwerfungsverformung der Grundplatte nicht behindert wird. Die Grundplatte kann zwar auch fest mit den Schrauben an dem Tisch befestigt werden, aber in diesem Fall müssen die Schrauben nach der Wärmebehandlung wieder gelockert werden, damit sich die Grundplatte verwerfen kann. Nach dem Anordnen der Grundplatte wird diese einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine Verwerfungsverformung der Grundplatte hervorzurufen. Wie es in 11(b) gezeigt ist, wird zum Beispiel die Oberseite der Grundplatte 21 mit einem Laser bestrahlt, um Wärmespannungen hervorzurufen und dadurch zu bewirken, dass sich die Grundplatte verwirft. Nach der Verwerfungsverformung der Grundplatte 21 wird die verworfene Grundplatte 21 geglättet. Wie es in 11(c) gezeigt ist, erfolgt das Glätten zum Beispiel der Unterseite der Grundplatte 21 durch Schleifen. Nach dem Glätten der Grundplatte wird diese vollständig an dem Tisch 20 befestigt (zum Beispiel wird die Grundplatte mit Schrauben fest an dem Tisch befestigt), um das Verfahren des selektiven Lasersinterns in geeigneter Weise durchführen zu können [siehe 11(d)]. Während des Lasersinterns, das nach dem Glätten der verworfenen Grundplatte durchgeführt wird, sammeln sich weitere Spannungen nicht übermäßig in der Grundplatte an. Dadurch wird eine weitere Verwerfung der Grundplatte wirksam vermieden, was dazu führt, dass eine Verwerfung des erhaltenen dreidimensionalen Formgegenstands verhindert wird.
Der dreidimensionale Formgegenstand wird so erhalten, dass der Formgegenstand eine Einheit mit der Grundplatte bildet. Der so hergestellte dreidimensionale Formgegenstand kann als eine metallische Form verwendet werden. In diesem Fall kann der geglättete Bereich als ein später zu bearbeitender Referenzbereich verwendet werden. Der hier benutzte Begriff „später zu bearbeitender Referenzbereich” gibt im Wesentlichen einen Hinweis auf eine weitere spätere Bearbeitung. Insbesondere unter Berücksichtigung des Falls, dass der dreidimensionale Formgegenstand und die mit diesem eine Einheit bildende Grundplatte entsprechend einem beabsichtigten Endzweck später maschinell bearbeitet werden, kann ein Teil, der dies anzeigt, dem später zu bearbeitenden Referenzbereich entsprechen.
Es gibt verschiedene Ausführungsformen für das kennzeichnende Merkmal „die Grundplatte wird einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch eine Verwerfung der Grundplatte hervorgerufen wird, und dann wird die Unterseite der verworfenen Grundplatte geglättet”. Dies wird nachstehend näher erläutert.
Wärmezufuhr über die gesamte Oberfläche der Grundplatte
Unter Berücksichtigung des Ziels, dass die Verwerfungsverformung der Grundplatte ausreichend hervorgerufen wird, sollten die gesamte Oberseite und/oder die gesamte Unterseite der Grundplatte erwärmt werden. Wenn die Grundplatte zum Beispiel durch Bestrahlung mit einem Lichtstrahl erwärmt wird, können die gesamte Oberseite und/oder die gesamte Unterseite der Grundplatte durch Ablenken des Lichtstrahls erwärmt werden, wie es in 12 gezeigt ist.
Beim Lasersintern entstehen oft Spannungen, die sich in einem Grenzbereich zwischen der Grundplatte und dem Formgegenstand ansammeln (dies wird später unter Bezugnahme 14 näher erläutert). Daher sollte der Kontaktbereich zwischen der Grundplatte und dem Formgegenstand wärmebehandelt werden, wobei sich der Kontaktbereich an der Oberseite der Grundplatte befindet.
Wärmebehandlung der Pulverschicht und/oder der verfestigten Schicht
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann bei der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands durchgeführt werden. Insbesondere können eine oder mehrere Pulverschichten und/oder verfestigte Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um eine Verwerfung der Grundplatte hervorzurufen. Wie in 13 gezeigt ist, kann zum Beispiel eine erste Pulverschicht, die auf der Grundplatte ausgebildet ist, mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, und dadurch wird bei der Ausbildung der verfestigten Schicht das Auftreten von Verwerfungsspannungen in der Grundplatte hervorgerufen (d. h., es wird eine Verwerfungsverformung der Grundplatte bewirkt). Bei der zweiten Schicht kann die neue Pulverschicht, die auf der ersten verfestigten Schicht ausgebildet ist, mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, um zu bewirken, dass weitere Verwerfungsspannungen in der Grundplatte auftreten. Die nachfolgenden Schichten (d. h., die Schichten, die auf die zweite Schicht folgen) können genauso wie die zweite Schicht erwärmt werden.
Nachstehend wird die Wärmebehandlung der Pulverschicht und/oder der verfestigten Schicht näher beschrieben. Die Restspannungen, die in der Grundplatte auftreten können, sammeln sich meistens hauptsächlich in einem Grenzbereich zwischen der Grundplatte und der verfestigten Schicht (d. h. der gesinterten Schicht) sowie der obersten Fläche der aufeinander geschichteten Schichten an (d. h., in der Nähe der letzten Schicht, die zum Schluss geschmolzen und anschließend verfestigt worden ist). Das heißt, dass sich die Restspannungen meistens kaum in dem mittleren Teil der aufeinander geschichteten Schichten ansammeln (siehe 14). Dies ist hauptsächlich durch eine Entspannung bedingt, aber das soll nicht durch irgendeine Theorie beschränkt werden. Insbesondere können Schrumpfspannungen auftreten und sich an der n-ten Schicht ansammeln, die dem mittleren Teil der aufeinander geschichteten Schichten entspricht, wenn die n-te Schicht geschmolzen und anschließend verfestigt (d. h. gesintert) wird. Beim Wiederholen des Schmelzens und des anschließenden Verfestigend (d. h. Sinterns), das heißt, bei der wiederholten Ausbildung der Schicht n + 1, der Schicht n + 2, ..., kann jedoch die n-te Schicht durch die Wärme von der nacheinander wiederholten Ausbildung beeinflusst werden, sodass die angesammelten Spannungen in der n-ten Schicht abgeschwächt werden.
Bei dem Ergebnis, das in 14 gezeigt ist, ist besonders zu beachten, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Wärmespannungen in dem Grenzbereich zwischen dem Formgegenstand und der Grundplatte abgeschwächt werden, und dadurch die Spannungen dazu neigen, sich in diesem Grenzbereich anzusammeln. Das ist daran zu erkennen, dass in der grafischen Darstellung von 14 die Restspannungen größer als der Bereich A sind. Wenn dieses Ergebnis von 14 in geeigneter Weise für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren verwendet wird, kann die Grundplatte geglättet werden, nachdem der Ausbildungsprozess für den Formgegenstand fast einen Punkt a erreicht hat, an dem sich die Restspannungen verringert haben. Das heißt, dass das Aufeinanderschichten der verfestigten Schichten so lange wiederholt wird, bis die aufeinander geschichteten Schichten mindestens eine Höhe erreicht haben, die dem Punkt a entspricht, und anschließend das Glätten der Grundplatte durchgeführt wird. Daher ist es nach dem Glätten unwahrscheinlich, dass sich während des nachfolgenden Ausbildens der verfestigten Schichten weitere Spannungen in der Grundplatte ansammeln, was zu einer Vermeidung der Verwerfung des zum Schluss erhaltenen dreidimensionalen Formgegenstands führt (insbesondere wird eine Verwerfung des Formgegenstands vermieden, der eine Einheit mit der Grundplatte bildet). Mit anderen Worten, die Verwerfungsverformung beim Aufeinanderschichten der Schichten kann wirksam vermieden werden, wenn eine geglättete Platte als die Grundplatte verwendet wird, bei der die Spannungen an der Grenze, d. h. in dem Grenzbereich zwischen dem Formgegenstand und der Grundplatte, schon vorher hervorgerufen worden sind und die Platte anschließend geglättet worden ist. In Anbetracht des Ergebnisses von 15, das in einer zielgerichteten Untersuchung der Erfinder der vorliegenden Erfindung erhalten wurde (d. h., in Anbetracht der Beziehung zwischen der Verwerfung und der Anzahl der aufeinander geschichteten Schichten), ist herausgefunden worden, dass der Grad der Verwerfung nach dem Aufeinanderschichten von etwa 50 bis 100 verfestigten Schichten wenig Änderung zeigt. Daher ist es unwahrscheinlich, dass sich während des Lasersinterns nach dem Aufeinanderschichten von etwa 50 bis 100 verfestigten Schichten weiterhin Restspannungen ansammeln, was zu einer effektiven Vermeidung der Verwerfung des zum Schluss erhaltenen dreidimensionalen Formgegenstands führt.
Grafische Darstellung von Fig. 15
Die grafische Darstellung von 15 beruht auf den folgenden Bedingungen:
Pulver: Mischpulver auf Eisenbasis mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 50 μm;
Schichtdicke: etwa 0,05 mm;
Strahlungsenergiedichte E des Lichtstrahls: etwa 5 J/mm² bis etwa 15 J/mm²;
Material der Grundplatte: unlegierter Stahl (S50C);
Größe der Grundplatte: 125 mm (Breite) × 125 mm (Länge) × 8 mm (Tiefe).
Wärmebehandlung entsprechend dem Formgegenstand
Die Wärmebehandlung der Grundplatte kann zweckmäßigerweise entsprechend dem herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand durchgeführt werden. Insbesondere kann zum Beispiel der Bereich der Wärmezufuhr oder die Menge der Wärmezufuhr für die Grundplatte entsprechend mindestens einem der folgenden Parameter ermittelt werden:

• Masse des herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstands;
• Volumen des herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstands; Lage des herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstands;
• Gestalt des Kontaktbereichs zwischen dem herzustellenden Formgegenstand und der Grundplatte und
• Fläche des Kontaktbereichs zwischen dem herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand und der Grundplatte.

Der hier verwendete Begriff „Wärmezufuhrbereich” entspricht dem Erwärmungsbereich der Grundplatte in dem Fall, dass die Grundplatte vor der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands erwärmt wird, während er in dem Fall, dass die Grundplatte bei der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands erwärmt wird, dem Erwärmungsbereich der einen oder mehreren Pulverschichten und/oder verfestigten Schichten entspricht, die auf der Grundplatte ausgebildet sind. Wie in 16 gezeigt ist, kann ein Beispiel für die Wärmebehandlung entsprechend dem Formgegenstand die Erwärmung nur eines begrenzten Bereiches sein, der der Bodenfläche des Formgegenstands entspricht.
Dreidimensionaler Formgegenstand der vorliegenden Erfindung
Nachstehend wird der dreidimensionale Formgegenstand der vorliegenden Erfindung beschrieben, der gemäß dem vorstehenden Herstellungsverfahren erhalten werden kann. Der erfindungsgemäße dreidimensionale Formgegenstand hat eine Grundplatte, wobei die Bodenfläche des dreidimensionalen Formgegenstands mit der Grundplatte verbunden ist. Hierbei ist der erfindungsgemäße dreidimensionale Formgegenstand so konfiguriert, dass er eine Grundplatte hat, deren Unterseite eine Fläche ist, die mittels des vorstehenden Herstellungsverfahrens geglättet worden ist. Die Oberflächenrauheit Rz der geglätteten Fläche sollte vorzugsweise 10 μm oder weniger (Rz = 0 bis 10 μm) und besser 5 μm oder weniger (Rz = 0 bis 5 μm) betragen. Da die anderen Konfigurationen des dreidimensionalen Formgegenstands bereits in dem vorstehenden Abschnitt „Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung” beschrieben worden sind, entfällt hier deren Beschreibung, um eine nochmalige Erläuterung zu vermeiden.
Vorstehend sind zwar einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Fachleute dürften sofort erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus wird nachstehend die Erfindung der JP 2007-270227 kurz erläutert, obwohl deren technischer Grundgedanke erheblich von dem der vorliegenden Erfindung abweicht. Die ungeprüfte japanische Veröffentlichung JP 2007-270227 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines optisch gestalteten Gegenstands. Bei dem dort beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Restspannungen durch Wärmebehandlung der gesinterten Schicht beseitigt. Insbesondere ist das in der JP 2007-270227 offenbarte Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Beseitigung der Restspannungen insbesondere durch Heißglühen erfolgt. Weder beschreibt also die JP 2007-270227 den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, bei der tatsächlich die Grundplatte mit den darin verbliebenen Spannungen verwendet wird, noch lässt sie darauf schließen.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung, die vorstehend beschrieben worden ist, die folgenden Aspekte hat:
Der erste Aspekt: Ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formgegenstands mit den folgenden Schritten:

Der zweite Aspekt: Das Verfahren nach dem ersten Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Grundplatte der Wärmebehandlung bei (a) unterzogen wird.
Der dritte Aspekt: Das Verfahren nach dem zweiten Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte der Wärmebehandlung so unterzogen wird, dass die Oberseite der Grundplatte vollständig erwärmt wird.
Der vierte Aspekt: Das Verfahren nach dem ersten Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass bei (a) eine oder mehrere Pulverschichten und/oder verfestigte Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, der Wärmebehandlung unterzogen werden, um eine Verwerfung der Grundplatte hervorzurufen.
Der fünfte Aspekt: Das Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Erwärmungsbereich der Grundplatte oder ein Erwärmungsbereich der einen oder mehreren Pulverschichten und/oder verfestigten Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, entsprechend dem herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand festgelegt wird, und
der festgelegte Erwärmungsbereich der Wärmebehandlung bei (a) unterzogen wird.
Der sechste Aspekt: Das Verfahren nach dem fünften Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass das Glätten bei (b) durchgeführt wird, nachdem 50 bis 100 verfestigte Schichten auf der Grundplatte ausgebildet worden sind.
Der siebente Aspekt: Das Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle für den Lichtstrahl in den Schritten (I) und (II) als eine Wärmequelle für die Wärmebehandlung bei (a) verwendet wird.
Der achte Aspekt: Ein dreidimensionaler Formgegenstand, der mit dem Verfahren nach einem der Aspekte 1 bis 7 erhalten wird, wobei
eine Bodenfläche des dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Grundplatte versehen ist, wobei die Bodenfläche des Formgegenstands mit der Grundplatte verbunden ist, und
eine Unterseite der Grundplatte eine geglättete Fläche ist.
Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formgegenstands können verschiedene Arten von Gegenständen hergestellt werden. Wenn die Pulverschicht zum Beispiel eine Metallpulverschicht (d. h. eine anorganische Pulverschicht) ist und somit die verfestigte Schicht einer gesinterten Schicht entspricht, kann der hergestellte dreidimensionale Formgegenstand als eine metallische Form zum Spritzgießen von Kunststoffen, zum Pressformen, Druckgießen, Gießen oder Schmieden verwendet werden. Wenn hingegen die Pulverschicht eine Harzpulverschicht (d. h. eine organische Pulverschicht) ist und somit die verfestigte Schicht einer gehärteten Schicht entspricht, kann der hergestellte dreidimensionale Formgegenstand als ein Harzformteil verwendet werden.
Querverweis auf eine verwandte Patentanmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht das Prioritätsrecht der japanischen Patentanmeldung Nr. 2010-32684 [eingereicht am 17. Februar 2010; Titel der Erfindung: „Method for manufacturing a three-dimensional shaped object and a three-dimensional shaped object” („Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formgegenstands und dreidimensionaler Formgegenstand”)], deren Inhalt hiermit im Rahmen dieser Anmeldung vollumfänglich als geoffenbart gilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 01-502890 [0002, 0004]
JP 2000-73108 A [0002, 0004]
JP 2007-270227 [0069, 0069, 0069, 0069]
JP 2010-32684 [0079]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands mit den folgenden Schritten: (I) Ausbilden einer verfestigten Schicht durch Bestrahlen eines festgelegten Bereiches einer Pulverschicht auf einer Grundplatte mit einem Lichtstrahl, wodurch das Pulver in dem festgelegten Bereich gesintert oder geschmolzen und anschließend verfestigt werden kann; und (II) Ausbilden einer weiteren verfestigten Schicht durch erneutes Ausbilden einer Pulverschicht auf der resultierenden verfestigten Schicht und anschließendes Bestrahlen eines anderen festgelegten Bereiches der neuen Pulverschicht mit einem Lichtstrahl, wobei die Schritte (I) und (II) wiederholt durchgeführt werden, wobei vor oder bei der Herstellung des dreidimensionalen Formgegenstands (a) die Grundplatte einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch eine Verwerfung der Grundplatte hervorgerufen wird, und (b) zumindest die Unterseite der verworfenen Grundplatte geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Grundplatte der Wärmebehandlung bei (a) unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberseite der Grundplatte erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei (a) eine oder mehrere Pulverschichten und/oder verfestigte Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, der Wärmebehandlung unterzogen werden, um eine Verwerfung der Grundplatte hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erwärmungsbereich der Grundplatte oder ein Erwärmungsbereich der einen oder mehreren Pulverschichten und/oder verfestigten Schichten, die auf der Grundplatte ausgebildet sind, entsprechend dem herzustellenden dreidimensionalen Formgegenstand festgelegt wird, und der festgelegte Erwärmungsbereich der Wärmebehandlung bei (a) unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glätten bei (b) durchgeführt wird, nachdem 50 bis 100 verfestigte Schichten auf der Grundplatte ausgebildet worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle für den Lichtstrahl in den Schritten (I) und (II) als eine Wärmequelle für die Wärmebehandlung bei (a) verwendet wird.
Dreidimensionaler Formgegenstand, der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 erhalten wird, wobei eine Bodenfläche des dreidimensionalen Formgegenstands mit einer Grundplatte versehen ist, wobei die Bodenfläche des Formgegenstands mit der Grundplatte verbunden ist, und eine Unterseite der Grundplatte eine geglättete Fläche ist.