DE112015003337T5

DE112015003337T5 - Additive herstellung mittels laser und gasfluss

Info

Publication number: DE112015003337T5
Application number: DE112015003337.8T
Authority: DE
Inventors: Kartik Ramaswamy; Kasiraman Krishnan; Jennifer Y. Sun; Thomas B. Brezoczky; Swaminathan Srinivasan; Ellie Y. Yieh; Hou T. NG; Anantha K. Subramani; Christopher A. Rowland; Srinivas D. Nemani; Simon Yavelberg
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-05-18
Also published as: WO2016011294A2; US20170182556A1; TW201609431A; WO2016011294A3; CN106536093A; TWI704059B; SG11201610937PA; JP2017529239A

Abstract

Ein additives Herstellungssystem umfasst eine Platte, eine Abgabevorrichtung für Zuführmaterial, konfiguriert um ein Zuführmaterial auf die Platte zu befördern, eine Laserquelle, konfiguriert um einen Laserstrahl während der Verwendung des additiven Herstellungssystems zu erzeugen, eine Steuereinrichtung, konfiguriert um den Laserstrahl an Stellen auf der Platte zu richten, die durch ein CAD-Programm (computer-aided design) spezifiziert sind, um das Zuführmaterial zu verschmelzen, eine Gasquelle, konfiguriert um Gas zu liefern, und eine Düse, konfiguriert um das Gas zu beschleunigen und auf im Wesentlichen dieselbe Stelle der Platte zu richten wie den Laserstrahl.

Description

PRIORITÄTSANSPRÜCHE
Diese Anmeldung beansprucht Priorität unter 35 USC §119(e) der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/026,545, eingereicht am 18. Juli 2014.
TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft die Additivherstellung, auch als 3D-Druck bekannt.
HINTERGRUND
Additivherstellung (AM), auch als feste Freiformherstellung oder 3D-Druck bezeichnet, bezieht sich auf ein beliebiges Herstellungsverfahren, bei dem dreidimensionale Objekte aus Rohmaterial (im allgemeinen Pulver, Flüssigkeiten, Suspensionen oder geschmolzene Feststoffe) in einer Serie von zweidimensionalen Schichten oder Querschnitten aufgebaut werden. Im Gegensatz dazu umfassen herkömmliche Bearbeitungsverfahren subtraktive Prozesse und erzeugen Objekte, die aus einem Ausgangsmaterial geschnitten werden, wie beispielsweise einem Block Holz, Kunststoff oder Metall.
Eine Vielzahl additiver Verfahren kann in der Additivherstellung verwendet werden. Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich in der Art und Weise, in der die Schichten abgelagert werden, um die fertigen Objekte herzustellen, und in den Materialien, die für die Verwendung in jedem Verfahren kompatibel sind. Einige Verfahren schmelzen oder erweichen Material, um Schichten zu erzeugen, z.B. selektives Laserschmelzen (SLM) oder direktes Metall-Lasersintern (DMLS), selektives Lasersintern (SLS), Schmelzschichtung (FDM), während andere flüssige Materialien unter Verwendung verschiedener Technologien härten, z.B. Stereolithographie (SLA).
Sintern ist ein Verfahren zum Verschmelzen kleiner Körner (z.B. Pulver), um Objekte zu erzeugen. Beim Sintern wird üblicherweise ein Pulver erhitzt. Wenn ein pulverförmiges Material in einem Sinterprozess auf eine ausreichende Temperatur erhitzt wird, diffundieren die Atome in den Pulverteilchen über die Grenzen der Teilchen, wobei die Teilchen zu einem festen Stück verschmolzen werden. Im Gegensatz zum Schmelzen braucht das beim Sintern verwendete Pulver keine flüssige Phase zu erreichen. Da die Sintertemperatur nicht den Schmelzpunkt des Materials erreichen muss, wird Sintern häufig für Materialien mit hohen Schmelzpunkten (wie Wolfram oder Molybdän) verwendet.
Sowohl Sintern als auch Schmelzen können in der Additivherstellung verwendet werden. Das verwendete Material bestimmt, welches Verfahren angewendet wird. Ein amorpher Feststoff wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist in Wahrheit eine unterkühlte viskose Flüssigkeit und schmilzt nicht tatsächlich, da Schmelzen einen Phasenübergang von einem festen in einen flüssigen Zustand beinhaltet. Somit ist selektives Lasersintern (SLS) das relevante Verfahren für ABS, während selektives Laserschmelzen (SLM) für kristalline und teilkristalline Materialien wie Nylon und Metalle verwendet wird, die eine diskrete Schmelz- bzw. Gefriertemperatur besitzen und während des SLM-Verfahrens einem Schmelzen unterzogen werden.
Herkömmliche Systeme, die einen Laserstrahl als Energiequelle zum Sintern oder Schmelzen eines pulverförmigen Materials verwenden, richten den Laserstrahl typischerweise auf einen ausgewählten Punkt in einer Schicht des pulverförmigen Materials und bewegen den Laserstrahl selektiv im Rasterverfahren zu Positionen quer über die Schicht. Sobald alle ausgewählten Positionen auf der ersten Schicht gesintert oder geschmolzen sind, wird eine neue Schicht aus pulverförmigem Material auf die fertige Schicht aufgebracht und das Verfahren Schicht für Schicht wiederholt bis das gewünschte Objekt erzeugt ist.
Ein Elektronenstrahl kann ebenfalls als Energiequelle verwendet werden, um ein Sintern oder Schmelzen eines Materials zu bewirken. Auch hier wird wieder der Elektronenstrahl über die Schicht rastergescannt, um die Verarbeitung einer bestimmten Schicht abzuschließen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt umfasst ein additives Herstellungssystem eine Platte, eine Abgabevorrichtung für Zuführmaterial, die konfiguriert ist, um eine Schicht Zuführmaterial über die Platte zu befördern, eine Laserquelle, die konfiguriert ist, um einen Laserstrahl zu erzeugen, eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, den Laserstrahl zu lenken, um das Zuführmaterial an Stellen zu verschmelzen, die durch Daten auf einem computerlesbaren Medium spezifiziert sind, eine Gasquelle, die konfiguriert ist, Gas zu liefern, und eine Düse, die konfiguriert ist, das Gas zu beschleunigen und auf im Wesentlichen dieselbe Stelle der Platte zu richten wie den Laserstrahl.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Die Düse kann konfiguriert sein, das Gas auf Überschallgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Die Düse kann eine Lavaldüse sein. Der Laserstrahl und das Gas können entlang einer gemeinsamen Achse austreten, um das Zuführmaterial auf der Platte zu treffen. Eine Elektrode und eine Gegenelektrode können konfiguriert sein, das Gas zu ionisieren und ein Plasma zu bilden. Ein Kanal kann ein erstes Ende näher zum Laser und ein zweites Ende näher zur Platte aufweisen und der Laser kann durch den Kanal gelenkt werden. Die Düse kann am zweiten Ende des Kanals positioniert sein. Die Gasquelle kann konfiguriert sein, um das Gas in das erste Ende des Kanals einzuleiten.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren der Additivherstellung das Verteilen einer Schicht aus Zuführmaterial über eine Platte, das Lenken eines Laserstrahls, um das Zuführmaterial an Stellen zu erhitzen, die durch Daten spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind, und das Lenken eines gasförmigen Materials auf im Wesentlichen dieselbe Stelle auf der Platte wie der Laserstrahl.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Das gasförmige Material kann Ionen enthalten. Das gasförmige Material kann eine chemische Reaktion an der Stelle auf der Platte erzeugen. Das gasförmige Material kann durch eine Düse, positioniert im Pfad des gasförmigen Materials, beschleunigt werden. Das gasförmige Material kann konfiguriert sein, eine Oberflächenbeschaffenheit des Zuführmaterials zu ändern. Die Oberflächenbeschaffenheit des Zuführmaterials kann rauer oder glatter werden. Das gasförmige Material kann ein Ätzmittel enthalten, welches konfiguriert ist, Zuführmaterial zu entfernen. Ein zweites gasförmiges Material kann fließen, um eine andere chemische Reaktion an einer zweiten Stelle auf dem Zuführmaterial zu erzeugen. Das gasförmige Material kann auf einen Bereich der Schicht aus Zuführmaterial gerichtet sein, welcher einer Oberfläche des herzustellenden Objektes entspricht, um eine Beschichtung mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf dem Objekt zu bilden.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren der Additivherstellung das Verteilen einer ersten Schicht aus Zuführmaterial über eine Platte, das Erhitzen der ersten Schicht aus Zuführmaterial an ersten Stellen auf der Platte, die durch Daten spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um Teile der ersten Schicht aus Zuführmaterial zu verschmelzen, das Ätzen eines Teils des verschmolzenen Zuführmaterials, während das verschmolzene Zuführmaterial auf der Platte bleibt, das Verteilen einer zweiten Schicht aus Zuführmaterial über dem geätzten und verschmolzenen Zuführmaterial auf der Platte, und das Erhitzen der zweiten Schicht aus Zuführmaterial an zweiten Stellen, die durch Daten spezifiziert sind, die auf dem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um zweite Teile der zweiten Schicht aus Zuführmaterial zu verschmelzen.
In einem anderen Aspekt umfasst ein additives Herstellungssystem eine Platte, eine Abgabevorrichtung für Zuführmaterial, konfiguriert um eine Schicht Zuführmaterial über die Platte zu befördern, einen Laser, konfiguriert um einen Laserstrahl zu erzeugen, eine Steuereinrichtung, konfiguriert um zu bewirken, dass der Laserstrahl das Zuführmaterial an Stellen verschmilzt, die durch in einem computerlesbaren Medium gespeicherte Daten spezifiziert sind, und eine Plasmaquelle, konfiguriert um ein Plasma zu erzeugen, welches sich im Wesentlichen über die gesamte Schicht des Zuführmaterials erstreckt und Ionen produziert, die auf das Zuführmaterial gelenkt werden.
Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Die Plasmaquelle kann so konfiguriert sein, dass sie das Plasma erzeugt, während der Laserstrahl das Zuführmaterial verschmilzt. Die Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass auf Schicht-für-Schicht-Basis die Fließrate eines Gases zu einer Kammer gesteuert wird, in welcher das Plasma durch die Plasmaquelle erzeugt wird. Die Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass auf Schicht-für-Schicht-Basis die Zusammensetzung eines Gases gesteuert wird, welches zu einer Kammer geleitet wird, in welcher das Plasma durch die Plasmaquelle erzeugt wird.
Ausführungsformen können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten. Die chemische Zusammensetzung für alle Voxel in einem additiv gefertigten Objekt kann selektiv gesteuert werden (xyz-Steuerung). Die Oberflächenbeschaffenheit kann gleichzeitig mit dem Verschmelzen des Zuführmaterials verbessert oder modifiziert werden, um das fertige Teil zu erhalten. Additive und subtraktive Herstellung können sequentiell mit derselben Vorrichtung durchgeführt werden.
Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
zeigt eine schematische Darstellung eines additiven Herstellungssystems.
zeigt eine schematische Darstellung eines additiven Herstellungssystems.
zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit Düse.
zeigt eine schematische Darstellung eines Punktverteilers.
zeigt eine schematische Darstellung eines Zeilenverteilers.
zeigt eine schematische Darstellung eines Feldverteilers.
zeigt eine schematische Darstellung einer Silizium-Durchkontaktierung in zwei verschiedenen Betriebsarten.
zeigt ein anderes verschmolzenes Zuführmaterial mit Merkmalen variierender Auflösung.
zeigt eine schematische Darstellung einer Schicht eines Zuführmaterials.
zeigt eine schematische Darstellung eines additiven Herstellungssystems.
Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bedeuten gleiche Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wäre wünschenswert, ein Teil durch 3D-Druck herzustellen, bei dem die Materialzusammensetzung räumlich durch das Teil variiert, z.B. innerhalb einer einzelnen abgelagerten Schicht. Konzeptionell können unterschiedliche Zuführmaterialien in verschiedenen Abschnitten des Teils abgelagert werden. Für einige Herstellungssituationen kann dies jedoch unpraktisch sein, oder es können zusätzliche Freiheitsgrade in der Variation der Materialzusammensetzung erwünscht sein. Die hierin offengelegten Verfahren und Vorrichtungen erlauben die chemische Modifizierung und/oder Anpassung der Oberflächenbeschaffenheit für jede Schicht des abgelagerten Zuführmaterials während eines oder mehrerer Schritte des additiven Herstellungsverfahrens. Im Gegensatz dazu führen herkömmliche Systeme, die ihre Energie beispielsweise aus Laserquellen beziehen, dazu, dass das Zuführmaterial ohne jegliche chemischen Reaktionen verschmilzt, zum Beispiel durch Änderung einer Phase oder durch Schmelzen und Wiederverfestigen des Zuführmaterials.
zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften additiven Herstellungssystems 100. Das System 100 enthält und ist von einem Gehäuse 102 umschlossen. Das Gehäuse 102 kann beispielsweise ermöglichen, dass eine Vakuumumgebung in einer Kammer 103 innerhalb des Gehäuses aufrechterhalten wird, alternativ kann das Innere der Kammer 103 auch ein im Wesentlichen reines Gas oder ein Gasgemisch sein, z.B. ein Gas oder ein Gasgemisch, filtriert um Partikel zu entfernen, oder die Kammer kann an die Umgebungsluft entlüftet werden. Die Vakuumumgebung oder das gefilterte Gas können Fehler bei der Herstellung eines Teils reduzieren. Für einige Ausführungsformen kann die Kammer 103 auf einem positiven Druck gehalten werden, d.h. über Atmosphärendruck. Dies kann dazu beitragen, dass die äußere Umgebungsluft nicht in die Kammer 103 eindringt.
Das additive Herstellungssystem 100 umfasst einen Verteiler, um eine Pulverschicht über eine Platte 105 zu befördern, z.B. auf die Platte oder auf eine darunterliegende Schicht auf der Platte.
Eine vertikale Position der Platte 105 kann durch einen Kolben 107 gesteuert werden. Nachdem jede Schicht aus Pulver verteilt und verschmolzen worden ist, kann der Kolben 107 die Platte 120 und jedwede Pulverschichten darauf um die Dicke einer Schicht senken, so dass die Anordnung bereit ist, eine neue Pulverschicht aufzunehmen.
Die Platte 105 kann ausreichend groß sein, um die Herstellung von großformatigen Industrieteilen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Platte 105 mindestens 500 mm über quer sein, z.B. 500 mm × 500 mm. Beispielsweise kann die Platte mindestens 1 m über quer sein, z.B. 1 m im Quadrat.
In einigen Ausführungsformen kann der Verteiler eine Anordnung zur Materialverteilung 104 umfassen, die oberhalb der Platte 105 positionierbar ist. Die Verteileranordnung 104 kann eine Öffnung enthalten, durch die Zuführmaterial beispielsweise mittels Schwerkraft über die Platte 105 befördert wird. Beispielsweise kann die Verteileranordnung 104 einen Vorratsbehälter 108 enthalten, um Zuführmaterial 114 zu halten. Die Abgabe des Zuführmaterials 114 wird durch einen Verschluss 112 gesteuert. Elektronische Steuersignale werden an den Verschluss 112 gesendet, um das Zuführmaterial zu verteilen, wenn der Verteiler an eine Position verschoben ist, die durch die CAD-kompatible Datei spezifiziert ist.
Der Verschluss 112 der Verteileranordnung 104 kann durch einen piezoelektrischen Druckkopf und/oder ein oder mehrere Pneumatikventile, mikroelektromechanische Systeme(MEMS)-Ventile, Elektromagnetventile oder Magnetventile gebildet werden, um die Freisetzung von Zuführmaterial aus der Verteileranordnung 104 zu steuern. Je höher die räumliche Auflösung der Voxel, desto kleiner das Volumen der Voxel und damit die pro Voxel abzugebende Menge an Zuführmaterial.
Alternativ kann der Verteiler einen Vorratsbehälter aufweisen, der angrenzend an die Platte 105 positioniert ist, und eine Rolle, die horizontal (parallel zur Oberfläche der Platte) bewegt wird, um das Zuführmaterial aus dem Vorratsbehälter und über die Platte 105 zu schieben.
Eine Steuereinrichtung 130 steuert ein (nicht gezeigtes) Antriebssystem, z.B. einen Linearaktuator, der mit der Verteileranordnung 104 oder der Rolle verbunden ist. Das Antriebssystem ist so konfiguriert, dass während des Betriebs die Verteileranordnung oder Rolle parallel zur Oberseite der Platte 105 (entlang der durch Pfeil 106 angezeigten Richtung) hin und her bewegt werden kann. Zum Beispiel kann die Verteileranordnung 104 oder die Rolle von einer Schiene getragen werden, die sich über die Kammer 103 erstreckt. Alternativ kann die Verteileranordnung 104 oder die Rolle in einer festen Position gehalten werden, während die Platte 105 durch das Antriebssystem bewegt wird.
Im Fall einer Verteileranordnung 104, die eine Öffnung aufweist, durch welche Zuführmaterial abgegeben wird, während die Verteileranordnung 104 über die Platte scannt, kann die Verteileranordnung 104 an einer bestimmten Stelle auf der Platte 105 Material gemäß einem Druckmuster abgeben, welches auf einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium gespeichert werden kann. Beispielsweise kann das Druckmuster als Datei gespeichert werden, z.B. als CAD-kompatible Datei (computer-aided design), welche dann von einem Prozessor gelesen wird, der mit der Steuereinrichtung 130 assoziiert ist. Elektronische Steuersignale werden an den Verschluss 112 gesendet, um das Zuführmaterial zu verteilen, wenn der Verteiler an eine Position verschoben ist, die durch die CAD-kompatible Datei spezifiziert ist.
In einigen Ausführungsformen enthält die Verteileranordnung 104 eine Vielzahl von Öffnungen, durch die das Zuführmaterial abgegeben werden kann. Jede Öffnung kann einen unabhängig steuerbaren Verschluss aufweisen, so dass die Zufuhr des Zuführmaterials durch jede Öffnung unabhängig voneinander gesteuert werden kann.
In einigen Ausführungsformen erstrecken sich die mehreren Öffnungen über die Breite der Platte, z.B. in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung 106 der Verteileranordnung 104. In diesem Fall kann die Verteileranordnung 104 im Betrieb in einem einzigen Durchlauf in Richtung 106 über die Platte 105 scannen. In einigen Ausführungsformen kann die Verteileranordnung 104 für abwechselnde Schichten in wechselnden Richtungen über die Platte 105 scannen, z.B. einen ersten Durchlauf in Richtung 106 und einen zweiten Durchlauf in die entgegengesetzte Richtung.
Alternativ, z.B. wenn sich die mehreren Öffnungen nicht über die Breite der Platte erstrecken, kann die Verteileranordnung 104 so konfiguriert sein, dass sich die Verteileranordnung 104 in zwei Richtungen bewegt, um über die Platte 105 zu scannen, z.B. einen Rasterscan über die Platte 105, um das Material für eine Schicht zu befördern.
Alternativ kann die Verteileranordnung 104 einfach eine gleichmäßige Schicht aus Zuführmaterial über die Platte ablagern. In diesem Fall ist weder eine unabhängige Steuerung einzelner Öffnungen noch ein Druckmuster, gespeichert auf einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium, erforderlich.
Optional kann mehr als ein Zuführmaterial durch die Verteileranordnung 104 bereitgestellt werden. In einem derartigen Fall kann jedes Zuführmaterial in einem separaten Vorratsbehälter gespeichert werden, welcher einen eigenen Verschluss aufweist und individuell gesteuert werden kann, um das jeweilige Zuführmaterial an Stellen auf der Platte 105 freizusetzen, wie durch die CAD-Datei spezifiziert. Auf diese Weise können zwei oder mehr unterschiedliche chemische Substanzen verwendet werden, um ein additiv hergestelltes Teil herzustellen.
Das Zuführmaterial kann trockenes Pulver aus metallischen oder keramischen Teilchen, metallische oder keramische Pulver in flüssiger Suspension oder eine Aufschlämmungssuspension eines Materials sein. Beispielsweise wäre das Zuführmaterial bei einem Verteiler, der einen piezoelektrischen Druckkopf verwendet, typischerweise Teilchen in flüssiger Suspension. Beispielsweise kann die Verteileranordnung 104 Pulver in einem Trägerfluid befördern, z.B. einem Hochdampfdruckträger, z.B. Isopropylalkohol (IPA), Ethanol oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), um die Schichten des Pulvermaterials zu bilden. Das Trägerfluid kann vor dem Sinterschritt für die Schicht verdampfen. Alternativ kann ein Trockenausgabemechanismus, z.B. eine Anordnung von Düsen, unterstützt durch Ultraschallanregung und unter Druck stehendem Inertgas, verwendet werden, um die ersten Teilchen abzugeben.
Beispiele für metallische Teilchen umfassen Metalle, Legierungen und intermetallische Legierungen. Materialbeispiele für die metallischen Teilchen umfassen Titan, rostfreien Stahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Vanadium und verschiedene Legierungen oder intermetallische Legierungen dieser Metalle. Beispiele für keramische Materialien umfassen Metalloxide wie Ceroxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder eine Kombination dieser Materialien.
Optional kann das System 100 einen Verdichtungs- und/oder Nivellierungsmechanismus zum Verdichten und/oder Glätten der Schicht aus Zuführmaterialien umfassen, welche über der Platte 105 abgelagert werden. Beispielsweise kann das System eine Rolle oder eine Klinge umfassen, welche mittels Antriebssystem, z.B. ein Linearaktuator, parallel zur Plattenoberfläche beweglich ist. Die Höhe der Rolle oder der Klinge relativ zur Platte 105 ist so eingestellt, dass sie die äußerste Schicht des Zuführmaterials verdichtet und/oder glättet. Die Rolle kann sich drehen, während sie über die Platte läuft.
Während der Herstellung werden Schichten von Zuführmaterialien schrittweise abgelagert und gesintert oder geschmolzen. Beispielsweise wird das Zuführmaterial 114 von der Verteileranordnung 104 abgegeben, um eine Schicht 116 zu bilden, die die Platte 105 kontaktiert. Anschließend abgelagerte Schichten von Zuführmaterial können zusätzliche Schichten bilden, von denen jede auf eine darunter liegende Schicht aufbaut.
Nachdem jede Schicht abgelagert worden ist, wird die äußerste Schicht behandelt, um zumindest einen Teil der Schicht zu verschmelzen, z.B. durch Sintern oder durch Schmelzen und Wiederverfestigen. Bereiche mit Zuführmaterial in einer Schicht, die nicht verschmolzen sind, können dazu dienen, Abschnitte einer darüber liegenden Schicht zu stützen.
Das System 100 enthält eine Wärmequelle, die konfiguriert ist, um der Schicht des Zuführmaterials ausreichend Wärme zuzuführen, um das Pulver zu verschmelzen. Wenn das Zuführmaterial in einem Muster abgegeben wird, kann die Energiequelle die gesamte Schicht gleichzeitig erhitzen, z.B. nach der Behandlung durch Gas oder Ionen, wie unten diskutiert. Beispielsweise kann die Energiequelle eine Lampenanordnung sein, die oberhalb der Platte 105 positioniert ist und die Schicht des Zuführmaterials mittels Bestrahlung heizt. Wenn das Zuführmaterial gleichmäßig auf der Platte 105 abgelagert wird, kann die Energiequelle alternativ so konfiguriert sein, dass sie Stellen erwärmt, die durch ein Druckmuster spezifiziert sind, welches auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, z.B. als CAD-kompatible Datei (computer-aided design), um das Verschmelzen des Pulvers an den betreffenden Stellen zu bewirken.
Beispielsweise kann die Wärmequelle eine Laserquelle 126 sein, um einen Laserstrahl 124 zu erzeugen. Der Laserstrahl 124 einer Laserquelle 126 wird auf Stellen gerichtet, die durch das Druckmuster spezifiziert sind. Beispielsweise wird der Laserstrahl 124 über die Platte 105 rastergescannt, wobei die Laserleistung an jeder Stelle gesteuert wird, um zu bestimmen, ob ein bestimmtes Voxel verschmilzt oder nicht. Der Laserstrahl 124 kann auch über Stellen scannen, die durch die CAD-Datei spezifiziert werden, um das Zuführmaterial an diesen Stellen selektiv zu verschmelzen. Um ein Scanning des Laserstrahls 124 über die Platte 105 zu ermöglichen, kann die Platte 105 stationär bleiben, während der Laserstrahl 124 horizontal abgelenkt wird. Alternativ kann der Laserstrahl 124 stationär bleiben, während die Platte 105 horizontal versetzt ist.
Der Laserstrahl 124 der Laserquelle 126 ist konfiguriert, um die Temperatur des Bereichs an Zuführmaterial zu erhöhen, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird. In einigen Ausführungsformen ist der Bereich des Zuführmaterials direkt unter dem Laserstrahl 124.
Die Platte 105 kann zusätzlich durch eine Heizung auf eine Basistemperatur erwärmt werden, die unterhalb des Schmelzpunkts des Zuführmaterials liegt, z.B. durch eine in die Platte 105 eingebettete Heizung. Auf diese Weise kann der Laserstrahl 124 so konfiguriert werden, dass er eine geringere Temperaturerhöhung erzeugt, um das abgelagerte Zuführmaterial zu verschmelzen. Das Überbrücken einer kleinen Temperaturdifferenz kann es ermöglichen, das Zuführmaterial schneller zu verarbeiten. Beispielsweise kann die Grundtemperatur der Platte 105 etwa 1500 °C betragen und der Laserstrahl 124 kann eine Temperaturerhöhung von etwa 50 °C bewirken.
Der Laserstrahl 124 der Laserquelle 126 kann in eine Laser- und Ionenquelle 131 integriert werden. Die Laser- und Ionenquelle 131 ist so konfiguriert, dass Ionen aus einem Plasma 148 auf im Wesentlichen die gleiche Stelle auf der Platte 105 gerichtet werden wie der Laserstrahl 124.
In einigen Ausführungsformen ist die Laser- und Ionenquelle 131 eine koaxiale Punktlaser- und Plasmaquelle 131a. Das heißt, der Laserstrahl 124 und das Plasma 148 treten aus der Quelle 131a entlang einer gemeinsamen Achse aus. In solchen Ausführungsformen, wenn der Laserstrahl 124 scannt und an Stellen gelenkt wird, die durch ein Druckmuster spezifiziert sind, welches als CAD-kompatible Datei (computer-aided design) gespeichert ist, um das Zuführmaterial zu verschmelzen, kann das Plasma 148 gleichzeitig an die gleiche Stelle auf der Platte gerichtet und befördert werden. In einigen Ausführungsformen können der Laserstrahl 124 und das Plasma 148 in der horizontalen Ebene überlappen.
Die Laser- und Ionenquelle 131 und/oder die Platte 105 können mit einer Aktuator-Anordnung gekoppelt sein, z.B. einem Paar Linearaktuatoren, konfiguriert um eine Bewegung in senkrechten Richtungen auszuüben, um eine Relativbewegung zwischen der Laser- und Ionenquelle 131 und/oder der Platte 105 zu erzeugen. Die Steuereinrichtung 130 kann mit der Aktuator-Anordnung verbunden sein, um den Laserstrahl 124 und das Plasma 148 über die Schicht des Zuführmaterials zu scannen.
Die koaxiale Punktplasmaquelle 131a kann einen Kanal 135 besitzen, z.B. eine Röhre, durch die sich sowohl der Laserstrahl 124 als auch das das Plasma liefernde Gas ausbreiten. Beispielsweise kann die koaxiale Punktplasmaquelle 131a einen hohlen Außenleiter 132 mit einem ersten Durchmesser und einen hohlen Innenleiter 134 mit einem zweiten Durchmesser besitzen, der kleiner als der erste Durchmesser ist. Der hohle Innenleiter ist innerhalb des hohlen Außenleiters angeordnet. In einigen Ausführungsformen reicht der hohle Innenleiter 134 näher an die Platte heran als der hohle Außenleiter 132. In einigen Ausführungsformen verwendet das System jedoch nur eine einzelne Röhre.
Der Laserstrahl 124 kann sich durch den Kanal 135 ausbreiten, z.B. durch das hohle Innere des Innenleiters 134 Richtung einer Oberfläche der Platte 105. Eine Gasquelle 138 versorgt das hohle Innere des Innenleiters 134 über ein Gaszufuhrsystem 136 mit Gas. Das Gaszufuhrsystem 136 enthält Ventile, die durch die Steuereinrichtung 130 zum Freisetzen von Gasen aus der Gasquelle 138 in den Innenleiter 134 gesteuert werden. Beispiele für Gase umfassen Stickstoff, Argon, Helium, Sauerstoff und Titanfluorid (Ti_xF_y).
Das Ende 143 des Kanals 135, z.B. des Innenleiters 134, das weiter von der Platte 105 entfernt ist, wird durch ein Fenster 140 abgeschlossen, welches für eine Wellenlänge des Laserstrahls 124 transparent ist. Das Fenster 140 hilft, das Gas innerhalb des Innenleiters 134 zu halten. Der Laserstrahl 124 kann sich von der Laserquelle 126 durch das Fenster 140 in den Innenleiter 134 ausbreiten. In einigen Ausführungsformen liefert das Gaszufuhrsystem 136 Gas durch einen Einlass im Fenster 140. In einigen Ausführungsformen liefert das Gaszufuhrsystem 136 Gas durch einen Einlass in einer Seite der Röhre.
In einigen Ausführungsformen ist der Innenleiter 134 elektrisch mit dem Außenleiter 132 gekoppelt. Beispielsweise können Leiterplatten 141 den hohlen Außenleiter 132 elektrisch mit dem hohlen Innenleiter 134 verbinden. Die Leiterplatten 141 können an dem Ende 143 des Kanals angeordnet sein, das weiter von der Platte 105 entfernt ist.
Eine Wechselstromquelle 142 (AC) (z.B. Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung) liefert ein elektrisches Feld über elektrische Anschlüsse 144 an den Kanal 135, z.B. den Außenleiter 132 und/oder den Innenleiter 134 und/oder jegliche Elektroden, die sich im Kanal 135 befinden können. Eine elektrische Verbindung zwischen der Wechselstromquelle 142 und dem Kanal 135 kann mit Abstand zum kurzgeschlossenen Ende 143 der koaxialen Punktplasmaquelle 131a vorgesehen werden. zeigt zwei separate Stromquellen 142, die jeweils über elektrische Anschlüsse 144 mit der Elektrode und der Gegenelektrode 133 verbunden sind. zeigt zwei separate Stromquellen 142 und 150, wovon eine erste Stromquelle 142 mit dem Kanal 135 verbunden ist und eine zweite Stromquelle 150 mit der Platte 105 verbunden ist.
Das Ende des Kanals 135, z.B. der Außenleiter 132, das näher an der Platte 105 ist, kann offen sein oder geschlossen, mit Ausnahme einer Öffnung, die es dem Gas und dem Laserstrahl 124 ermöglichen würde, in Richtung Platte 105 zu passieren. In einigen Ausführungsformen ist das dem mit den Leiterplatten 141 kurzgeschlossenen Ende der koaxialen Punktplasmaquelle gegenüberliegende Ende ein offenes Ende 151. Das offene Ende 151 kann ein Endabschnitt des Kanals 135 sein (z.B. hohler Außenleiter 132), der mechanisch nicht mit dem hohlen Innenleiter 134 verbunden ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Plasma 148 im Kanal 135 erzeugt werden (wie unten beschrieben). In einigen Ausführungsformen kann das Plasma am offenen Ende 151 erzeugt werden. In solchen Ausführungsformen kann das elektrische Feld ausreichender Größe an den Außenleiter 132 und den Innenleiter 134 angelegt werden, um ein Plasma aus dem neutralen, durch die Gasquelle 138 gelieferten Gas zu erzeugen.
Ein Plasma ist ein elektrisch neutrales Medium aus positiven und negativen Teilchen (d.h. die Gesamtladung eines Plasmas ist ungefähr Null). Wenn beispielsweise Stickstoff von der Gasquelle 138 zugeführt wird, wird dieser ionisiert, um N₂ ⁺ oder N⁺ zu erzeugen. Diese positiven Ionen und Elektronen, die durch die Ionisation erzeugt werden, bilden das Plasma 148. Das Plasma 148 verlässt die koaxiale Punktplasmaquelle 131a, um auf der Platte 105 abgelagertes Zuführmaterial 114 zu treffen.
Bei der in gezeigten Ausführungsform wird ein Plasmabereich um die Leiter 132 und 134 am offenen Ende erzeugt, wenn ein Strom von einem der beiden auf einem hohen Potential gehaltenen Leitern in das neutrale Gas fließt, welches von der Gasquelle 138 zugeführt wird. In einigen Ausführungsformen wird ein elektrisches Feld zwischen der Platte 105 und dem Ende des Kanals 135 erzeugt und das Plasma 148 wird erzeugt, wenn das Gas aus dem Kanal 135 austritt. Bei derartigen Ausführungen dient wenigstens ein offenes Ende 151 des Kanals 135, z.B. das Ende des Innenleiters 134, näher an der Platte als eine der Elektroden und die Platte 105 dient als Gegenelektrode. Wie oben erwähnt, können der Innenleiter 134 und der Außenleiter 132 elektrisch verbunden sein, so dass sie das gleiche elektrische Potential besitzen. Wenn jedoch der Außenleiter 132 elektrisch nicht mit dem Innenleiter 134 verbunden ist, kann der Außenleiter 132 ein freies Potential besitzen oder geerdet sein. In Ausführungsformen, in denen der Außenleiter 132 elektrisch nicht mit dem Innenleiter 134 verbunden ist und der Innenleiter 134 kürzer als der Außenleiter 132 ist, kann der Außenleiter 132 als Elektrode 133 dienen.
In Ausführungsformen, in denen das Plasma im Kanal 135 erzeugt wird, kann der Kanal 135 eine oder mehrere Elektroden 133 umfassen, um das Gas zu ionisieren, wenn es durch den Kanal strömt oder daraus austritt. In derartigen Ausführungsformen können die Elektroden 133 (z.B. eine Elektrode und eine Gegenelektrode) innerhalb des Kanals 135 positioniert sein (siehe ). In diesem Fall können eine oder beide der Elektroden 133 im Kanal 135 angeordnet sein, jedoch mit Abstand von der Innenfläche des Innenleiters 134 angeordnet.
In einigen Ausführungsformen kann der Kanal 135, anstatt ein Leiter zu sein, aus einem dielektrischen Material gebildet sein. In diesem Fall können eine oder mehrere der Elektroden 133 am offenen Ende 151 oder an einer Innenfläche des Kanals 135 angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Gasquelle 138 Elektroden enthalten und das Gas ionisieren, bevor es durch das Gaszufuhrsystem 136 in den Innenleiter 134 gespeist wird.
Der Außenleiter 132 und der Innenleiter 134 können aus Metallen bestehen. Die Leiter 132 und 134 können aus dem gleichen Metall oder unterschiedlichen Metallen bestehen. Im Allgemeinen kann durch Anlegen eines RF-Signals mit geeigneter Leistung und Frequenz an den Kanal 135 und/oder die Platte 105 und/oder Elektroden, die innerhalb des Kanals 135 angeordnet sind, ein Plasma 148, basierend auf dem von der Gasquelle 138 gelieferten Gas, erzeugt werden.
Eine höhere Hochfrequenz-Treiberspannung an einer Elektrode kann einen Fluss der Ionen im Plasma steuern, während eine niedrigere Hochfrequenz-Treiberspannung an einer Gegenelektrode eine Energie der Ionen im Plasma steuern kann.
Eine RF-Vorspannung kann an der Platte 105 durch die RF-Quelle 150 angelegt werden, um eine Hülle, die eine Grenzladungsschicht ist, um das Zuführmaterial 114 herum zu bilden. Die Grenzladungsschicht kann entgegengesetzt geladene Ionen aus dem Plasma anziehen. Wenn die Ionen auf das Zuführmaterial auftreffen, können die Ionen chemische Reaktionen auf dem verschmolzenen Zuführmaterial hervorrufen. Die chemische Modifizierung des Zuführmaterials kann gleichzeitig mit dem Verschmelzen des Zuführmaterials durch den Laserstrahl 124 erfolgen.
Beispielsweise kann das Zuführmaterial 114 Titan sein. Titannitrid ist im Allgemeinen ein härteres Material als Titan. Es kann wünschenswert sein, dass bestimmte Bereiche des additiv gefertigten Teils eine harte Oberfläche aufweisen, beispielsweise aus Titannitrid. In diesem Fall kann Stickstoff durch die Gasquelle 138 zugeführt werden, um ein Plasma zu erzeugen, welches neben den Stickstoffionen N₂ ⁺ oder N⁺ zusätzlich Stickstoffradikale beinhalten kann. Diese Stickstoffarten reagieren lokal mit Titan, um Titannitrid bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen (z.B. Raumtemperatur bis 300 ºC) zu bilden.
Die Ionen können auf Teile der Zuführschicht aufgebracht werden, die der Oberfläche des herzustellenden Körpers entsprechen. Dies ermöglicht das Erzeugen einer Beschichtung auf der Körperoberfläche. Beispielsweise würde ein Titanteil mit einer TiN-Beschichtung versehen werden.
Zusätzlich oder alternativ zur Verursachung chemischer Reaktionen im Zuführmaterial können Ätzmittelradikale wie Ti_xF_y verwendet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit des verschmolzenen Zuführmaterials zu verbessern. Die Ätzmittelradikale können aus einer zweiten Gasquelle gewonnen werden, welche an die koaxiale Punktlaser- und Plasmaquelle über einen zweiten Gaseinlass angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 130 ist mit einem Ventil für jede Gasquelle gekoppelt, um zu steuern, welches Gas in Reaktion auf Anweisungen aus dem CAD-Programm in den Kanal 135 fließt. Beispielsweise können die Ätzmittelradikale die Oberflächenrauigkeit des verschmolzenen Zuführmaterials anpassen. Beispielsweise können die Ätzmittelradikale eine Oberfläche mit einer Oberflächenrauigkeit von 30–100 Mikroinch erzeugen. Die Verwendung von Ätzmittelradikalen hilft, kleine Mengen an verschmolzenem Zuführmaterial zu entfernen, um eine Oberfläche mit geringerer Oberflächenrauigkeit zu erhalten.
Alternativ kann durch Einstellen der Dichte der auf die Oberfläche des verschmolzenen Zuführmaterials auftreffenden Ionen die Oberflächenrauigkeit des verschmolzenen Zuführmaterials erhöht werden, beispielsweise wenn das Ätzmittel zufällig Material entfernt, um eine Oberfläche mit Vertiefungen und somit einer erhöhten Rauigkeit zu hinterlassen. Beispielsweise kann durch Ändern der Frequenz der an den Außenleiter 132, den Innenleiter 134 und/oder die Elektroden 133 angelegten RF-Spannung ein Fluss des Plasmas verringert werden, so dass weniger Ionen auf die Oberfläche des verschmolzenen Zuführmaterials treffen, was weiter voneinander entfernte Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche verursacht, wodurch die Oberflächenrauigkeit erhöht wird. Eine erhöhte Oberflächenrauigkeit des verschmolzenen Zuführmaterials kann die Klebrigkeit oder Adhäsion einer neuen Schicht aus Zuführmaterial verbessern, die auf dem verschmolzenen Zuführmaterial abgelagert wird.
In einigen Ausführungsformen können Ionen im Plasma, die nahe dem offenen Ende 151 gebildet werden, ohne weitere Beschleunigung oder Führung zur Platte 105 gelangen.
In einigen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Vorrichtung vor der Platte implementiert werden, um zu helfen, einen Gasfluss (z.B. Ionen im Plasma) zu beschleunigen, wenn er durch den Innenleiter austritt.
Beispielsweise, wie in gezeigt, ist eine koaxiale Laser- und Gasquelle 201 ähnlich der koaxialen Punktlaser- und Plasmaquelle 131a, mit einer Laserquelle 126 und einer Gasquelle 138, und der Laserstrahl 124 und das Gas treten aus der Quelle 201 entlang einer gemeinsamen Achse aus. Eine Ionisierung des Gases aus der Gasquelle 138 ist optional, kann aber für die koaxiale Laser- und Plasmaquelle 131a auf die gleiche Weise wie oben erwähnt durchgeführt werden.
Die koaxiale Laser- und Gasquelle 201 umfasst auch eine Vorrichtung wie eine Düse 203 an einem offenen Ende 205 des Außenleiters 207 und des Innenleiters 209 näher zur Platte 105. Die Düse 203 ist konfiguriert, um den Gasfluss zu beschleunigen, wenn er durch den Innenleiter 206 austritt. In einigen Ausführungsformen ist die Düse konfiguriert, um einen Gasfluss mit Überschallgeschwindigkeit zu induzieren. Beispielsweise kann die Düse 203 eine Lavaldüse (auch konvergent-divergente Düse, CD-Düse oder Con-di-Düse genannt) sein. In einigen Ausführungsformen kann die Lavaldüse 203 eine in der Mitte gequetschte Röhre sein, um eine sorgfältig ausbalancierte, asymmetrische Sanduhrform zu haben. Die Düse 203 wird verwendet, um einen durch sie hindurchgehenden Teilchenstrahl 220, z.B. aus Ionen, zu beschleunigen, um eine größere axiale Geschwindigkeit zu erhalten. Auf diese Weise verursacht die kinetische Energie des Teilchenstrahls die Entfernung von Material an der Oberfläche, z.B. Polieren der Oberfläche, auf der Schicht des additiv hergestellten Teils während gleichzeitig der Bereich durch den Laserstrahl verschmolzen wird.
Die Auflösung der Laser- und Plasmaquelle 131 und/oder der Laser- und Gasquelle 201 kann Millimeter bis hinunter zu Mikrometer betragen. Mit anderen Worten können chemische Reaktionen des Zuführmaterials auf wenige Millimeter des additiv hergestellten Teils lokalisiert werden, wodurch eine ausgezeichnete räumliche Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des hergestellten Teils gewährleistet wird. Die chemischen Reaktionen des Zuführmaterials können z.B. durch Einstellen der Fließrate oder der Zusammensetzung des Gases oder durch Steuern der angelegten Spannung gesteuert werden, um die kinetische Energie der Ionen zu steuern. Diese Einstellungen können vorgenommen werden, während die kombinierte Laser- und Plasmaquelle 131 über die Platte 105 scannt, wodurch eine Kontrolle über die Chemie des Zuführmaterials innerhalb der Schicht erreicht wird. Da außerdem die Laserquelle 126 unabhängig vom Gas und/oder dem Plasma gesteuert werden kann, müssen nicht alle durch den Laser 124 verschmolzenen Bereiche durch das Gas oder die Ionen behandelt werden, und Gas oder Ionen können auf Bereiche angewendet werden, die nicht durch den Laser 124 verschmolzen sind.
Wie oben diskutiert, kann eine RF-Vorspannung an die Platte angelegt werden, um geladene Ionen auf das verschmolzene Materialteil zu beschleunigen. Auf diese Weise können Ionen in das verschmolzene Materialteil eindringen, um eine durch thermisches Ausheilen des Zuführmaterials (verursacht durch den Laserstrahl 124) erzeugte Spannung hervorzurufen oder zu entlasten. Im Allgemeinen können neutrale Moleküle wie Argon oder Helium zum Polieren der Oberfläche verwendet werden, ohne eine chemische Veränderung der Oberfläche zu bewirken. Werden solche neutralen Moleküle verwendet, können die RF-Energiequellen 142 abgeschaltet werden und die neutralen Moleküle aus der Gaszufuhr 138 können einfach durch die Lavaldüse 203 beschleunigen, bevor sie auf eine Oberfläche des verschmolzenen Zuführmaterials treffen. Werden neutrale Moleküle verwendet, kann eine Diffusion dieser (oder anderer) Moleküle in die Schicht aus Zuführmaterial, die gerade verschmolzen wird, auftreten, sogar ohne dass eine Vorspannung an die Platte angelegt wird. Beispielsweise können die Moleküle direkt in die Schicht aus heißem, verschmolzenem Zuführmaterial diffundieren, welche durch Laserschmelzen/Sintern hergestellt wird.
Die oben beschriebenen Fähigkeiten eignen sich besonders zum Einsatz bei der Modifizierung einer chemischen Zusammensetzung und/oder einer Oberflächenbeschaffenheit einer Innenfläche einer additiv hergestellten Röhre. zeigt beispielsweise die Draufsicht auf eine Schicht 280 Zuführmaterial, die eine Schicht einer additiv gefertigten Röhre bildet. Die Röhre hat eine Innenwand 282. Die Innenwand 282 kann aus einem Material 284 bestehen, welches durch chemische Modifizierung des ursprünglichen Zuführmaterials 114 erhalten wird. Die Leichtigkeit, mit der die Innenwand 322 während des additiven Herstellungsverfahrens chemisch modifiziert werden kann, ist ein Vorteil der oben beschriebenen Verfahren.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 130 verwendet werden, um das Gaszufuhrsystem 136 zu steuern, um eine Fließrate oder Zusammensetzung des Gases einzustellen, welches in einen Gaseinlass des Kanals 135 eintritt. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 130 verwendet werden, um die an den Elektroden 133 und/oder der Platte 105 angelegte Spannung einzustellen. Die Einstellungen können in Verbindung mit einer Position (xy-Position) des Laserstrahls auf einer bestimmten Schicht (z-Position) des Zuführmaterials vorgenommen werden. Auf diese Weise kann die gewünschte chemische Zusammensetzung des hergestellten Teils als Funktion der lateralen (xy) Position innerhalb einer bestimmten Zuführschicht variieren.
Beispielsweise kann die Laser- und Plasmaquelle 131 zusätzliche Gaseinlässe umfassen, die mit entsprechenden zusätzlichen Gasquellen verbunden sind, um mehr als eine Art von Gas an die Laser- und Plasmaquelle 131 zu liefern. Auf diese Weise kann beispielsweise eine bestimmte xy-Position des Zuführmaterials oxidiert werden, wenn ein Sauerstoffstrom durch die Laser- und Plasmaquelle 131 an diese Stelle in der Schicht des Zuführmaterials befördert wird.
Wenn beispielsweise das Zuführmaterial Titan ist, können bestimmte Stellen auf der Schicht aus Zuführmaterial mit dem Sauerstoff reagieren, um Titanoxid zu bilden. Der Sauerstofffluss kann gestoppt und ein Stickstoffstrom initiiert werden, um Titannitrid an einer anderen Stelle auf der Schicht aus Zuführmaterial zu erzeugen.
Zusätzlich zur chemischen Modifizierung der Oberfläche oder dem Ändern einer Oberflächenrauigkeit des additiv hergestellten Teils kann die Punktplasmaquelle auch zur subtraktiven Herstellung verwendet werden, indem Stellen eines hergestellten Teils entfernt werden. Auf diese Weise kann das subtraktive Verfahren verwendet werden, um die Auflösung des hergestellten Teils zu verbessern. Wie in gezeigt, wird beispielsweise die Auflösung zweier benachbarter „Pixel“ 250 aus verschmolzenem Zuführmaterial mit einem Pfeil 252 bezeichnet. Wie in gezeigt, kann eine subtraktive Bearbeitung verwendet werden, um ein neues Oberflächenprofil 256 zu erzeugen, in welchem die Auflösung des benachbarten „Pixels“ 258 nun höher ist. Die subtraktive Bearbeitung kann chemisch unter Verwendung eines Ätzmittels wie Ti_xF_y und/oder unter Verwendung von Laserleistung durchgeführt werden, die ausreichend hoch ist, um das verschmolzene Zuführmaterial abzutragen. Die subtraktive Bearbeitung einer Schicht kann durchgeführt werden, nachdem die additive Bearbeitung abgeschlossen ist. Somit können additive und subtraktive Herstellung aufeinanderfolgend auf derselben Schicht unter Verwendung derselben Vorrichtung durchgeführt werden.
Auf diese Weise ermöglichen die Verfahren und die Vorrichtung eine vollständige dreidimensionale (x, y, z) Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und der Oberflächenrauigkeit aller Punkte innerhalb des additiv hergestellten Teils.
Im Betrieb wird, nachdem jede Schicht abgelagert und wärmebehandelt worden ist, die Platte 105 um einen Betrag gesenkt, der im Wesentlichen gleich der Dicke der Schicht ist. Danach scannt die Verteileranordnung 104, die sich nicht in vertikale Richtung bewegen muss, horizontal über die Platte, um eine neue Schicht abzulagern, die die zuvor abgelagerte Schicht überlagert, woraufhin die neue Schicht dann wärmebehandelt werden kann, um das Zuführmaterial zu verschmelzen. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, bis das komplette dreidimensionale Objekt hergestellt ist. Das durch Wärmebehandlung des Zuführmaterials entstandene verschmolzene Zuführmaterial bildet das additiv hergestellte Objekt.
Wie in gezeigt, kann ein Verteiler 204, welcher für die Verteileranordnung 104 verwendet werden kann, ein Einzelpunktverteiler sein, und der Verteiler würde in x- und y-Richtung über die Platte 105 verschoben werden, um eine vollständige Schicht aus Zuführmaterial 206 auf der Platte 105 abzulagern.
Alternativ kann, wie in gezeigt, ein Verteiler 214, welcher für die Verteileranordnung 104 verwendet werden kann, ein Zeilenverteiler sein, der sich über die Breite der Platte erstreckt. Beispielsweise kann der Verteiler 214 eine lineare Anordnung individuell steuerbarer Öffnungen, z.B. Düsen, umfassen. Der Verteiler 214 kann nur entlang einer Richtung verschoben werden, z.B. im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse des Verteilers, um eine vollständige Schicht aus Zuführmaterial auf der Platte abzulegen.
Alternativ kann, wie in – gezeigt, ein Verteiler 224, welcher für die Verteileranordnung 104 verwendet werden kann, eine zweidimensionale Anordnung individuell steuerbarer Öffnungen, z.B. Düsen, beinhalten. Beispielsweise kann der Verteiler 224 ein großflächiger Voxeldüsen-Druck (LAVoN) sein. LAVoN 224 ermöglicht die gleichzeitige Ablagerung einer kompletten zweidimensionalen Zuführschicht. LAVoN 224 kann ein dichtes Netz aus Silizium-Durchkontaktierungen (through-silicon via, TSV) 228 sein, geformt in einer Siliziummasse 226. Jede TSV 228 kann durch einen piezoelektrischen Verschluss 230 gesteuert werden, der eine Austrittsöffnung einer bestimmten TSV 228 schließt, wenn eine entsprechende Spannung angelegt wird, so dass das Zuführmaterial 206 innerhalb der TSV gehalten wird. Wenn eine andere Spannung an die TSV 228 angelegt wird, kann der piezoelektrische Verschluss 230 eine Austrittsöffnung einer bestimmten TSV 228 öffnen, so dass das Zuführmaterial auf einer Platte abgelagert werden kann. Jede der TSV 228 im LAVoN 224 wird individuell durch Steuersignale einer Steuereinrichtung angesteuert, die auf Grundlage einer CAD-Datei erzeugt werden, welche das Herstellungsobjekt definiert. LAVoN 224 kann verwendet werden, um nur ein einziges Zuführmaterial abzulagern. In solch einem Fall wird kein Zuführmaterial in Bereichen eines Hohlraums im Herstellungsobjekt oder in Bereichen außerhalb des Herstellungsobjekts abgelagert. Die in – gezeigten Ausführungsformen würden den Prozess der Ablagerung von Zuführmaterial auf der Platte beschleunigen.
Anstelle der in den und gezeigten Punktplasmaquelle kann auch ein großflächiges Hintergrundplasma, wie gezeigt, verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung entlang einer Dicken-Richtung (z) des Herstellungsteils zu steuern. „Großflächig“ meint, dass das Plasma im Wesentlichen die gesamte Schicht des Zuführmaterials bedecken kann.
Wie in gezeigt, ist ein additives Herstellungssystem 300 ähnlich dem additiven Herstellungssystem 100 aus , enthält jedoch ein System zur Erzeugung eines großflächigen Hintergrundplasmas 302. Das additive Herstellungssystem 300 enthält Kammerwände 304, die die Kammer 103 definieren.
Ein großflächiges Hintergrundplasma kann durch das Plasmaerzeugungssystem 302 erzeugt werden. Das Plasmaerzeugungssystem 302 enthält eine Elektrode 310, d.h. eine erste Elektrode. Die Elektrode 310 kann eine leitfähige Schicht auf oder in der Platte 120 sein. Dies erlaubt ein vertikales verschieben der Elektrode 310, ähnlich dem Kolben 107 in . Die Elektrode 310 kann als Kathode dienen.
Das additive Herstellungssystem 300 enthält auch eine Gegenelektrode 330, d.h. eine zweite Elektrode. Die Gegenelektrode 330 kann als Anode dienen. Obwohl die Gegenelektrode 330 als eine in der Kammer 103 aufgehängte Platte zeigt, kann die Gegenelektrode 330 andere Formen aufweisen oder durch Abschnitte der Kammerwände 304 gebildet werden.
Mindestens eine Elektrode 310 und/oder Gegenelektrode 330 ist mit einer HF-Stromversorgung verbunden, z.B. einer RF-Spannungsquelle. Beispielsweise kann die Elektrode 310 mit einer RF-Stromversorgung 312 verbunden sein und die Gegenelektrode mit einer RF-Stromversorgung 332. In einigen Ausführungsformen ist eine Elektrode 310 oder Gegenelektrode 330 mit einer HF-Stromversorgung verbunden und die andere Elektrode 310 oder Gegenelektrode 330 ist geerdet oder mit einem leistungsangepassten Netz verbunden.
Durch Anlegen eines RF-Signals geeigneter Leistung und Frequenz, bildet sich ein Plasma 340 im Entladungsraum 342 zwischen der Kathode 310 und der Anode 330. Ein Plasma ist ein elektrisch neutrales Medium aus positiven und negativen Teilchen (d.h. die Gesamtladung eines Plasmas ist ungefähr Null). Das Plasma 340 ist nur zu illustrativen Zwecken elliptisch dargestellt. Mit Ausnahme einer „Totzone“ nahe der Anodenoberfläche füllt das Plasma im Allgemeinen den Bereich zwischen der Elektrode 310 und der Gegenelektrode 330.
Optional kann das System 300 eine Magnetanordnung 350 umfassen, welche ein Magnetfeld von beispielsweise 50 Gauß bis 400 Gauß erzeugen kann. Die Magnetanordnung 350 kann einen Permanentmagneten in der Platte 120 umfassen, der sich beispielsweise in der Nähe einer Oberseite 316 der Platte 120 befindet. Alternativ kann die Magnetanordnung einen Elektromagneten umfassen, z.B. eine Antennenspule, die um die äußere Oberfläche eines dielektrischen Abschnitts (z.B. Quarz) der Wände 304 der Kammer 103 gewickelt ist. Ein HF-Strom wird durch die Antennenspule geleitet. Bei Betrieb im Resonanzmodus mit der angelegten HF-Leistung erzeugt die Antennenspule ein axiales Magnetfeld innerhalb der Kammer 103. Das Magnetfeld kann geladene Teilchen, z.B. negative Teilchen wie Elektronen, auf eine schraubenförmige Bewegung beschränken.
Die Kammer 103, die durch die Kammerwände 304 definiert ist, kann im Gehäuse 102 eingeschlossen sein. Die Kammerwände 304 können beispielsweise eine Vakuumumgebung in einer Kammer 103 innerhalb des Gehäuses 102 aufrechterhalten. Eine Vakuumpumpe im Gehäuse 102 kann mit der Kammer 103 durch eine Vakuumentlüftung 306 verbunden sein, um Gase aus der Kammer 103 abzuführen. Prozessgase, beispielsweise nichtreaktive Gase wie Argon oder Helium oder reaktive Gase wie Sauerstoff, können über einen Gaseinlass 308 in die Kammer 103 geleitet werden. Abhängig vom Verfahren können unterschiedliche Gase in die Kammer 103 eingebracht werden.
Das Betreiben des Systems 300 unter Vakuumbedingungen kann eine Qualitätssteuerung für das durch im System 300 auftretende Prozesse gebildete Material bieten. Trotzdem kann das Plasma 340 auch unter atmosphärischem Druck gebildet werden.
Eine Verteileranordnung 104 ähnlich der in gezeigten, oder in alternativen Formen wie die aus den und , kann verwendet werden, um Zuführmaterial 314 auf der Platte 105 abzulagern. Die Steuereinrichtung 130 steuert in ähnlicher Weise ein (nicht gezeigtes) Antriebssystem, z.B. einen Linearaktuator, der mit der Verteileranordnung 104 verbunden ist. Das Antriebssystem ist so konfiguriert, dass während des Betriebs die Verteileranordnung parallel zur Oberseite der Platte 120 hin und her bewegt werden kann.
Eine hochfrequente Treiberspannung (z.B. mehr als 50 MHz) kann an eine der Elektroden (entweder die Kathode oder die Anode) angelegt werden, während eine niederfrequente Vorspannung (z.B. weniger als 20 MHz) an die andere Elektrode angelegt werden kann. Im Allgemeinen erzeugt das hochfrequente Signal den Fluss des Plasmas. Eine hochfrequente HF-Treiberspannung erzeugt einen höheren Fluss (d.h. mehr Ionen und Elektronen im Plasma). Die niederfrequente RF-Vorspannung steuert die Energie der Ionen im Plasma. Bei hinreichend niedrigen Frequenzen (z.B. 2 MHz) kann das Vorspannungssignal bewirken, dass die Ionen im Plasma genügend Energie haben, um ein Zuführmaterial (z.B. Aluminiumpulver), welches auf einem Substrat (z.B. Siliziumwafer) abgelagert wird, zu verdampfen. Im Gegensatz dazu kann bei einem Vorspannungssignal höherer Frequenz (z.B. 13 MHz) ein Schmelzen des Zuführmaterials auftreten. Ein Ändern der RF-Frequenz und des Anwendungspunktes würde eine unterschiedliche Schmelzleistung des Zuführmaterials verursachen. Die Schmelzleistung kann die Rekristallisation des Zuführmaterials bestimmen, was zu unterschiedlichen Spannungen im Metall und unterschiedlichem Relaxationsverhalten führen kann.
Das System 300 kann eine Laserquelle 126 umfassen, um einen Laserstrahl 124 zu erzeugen, um eine Schicht aus Zuführmaterial 314 abzuscannen, wie oben für beschrieben. Die Laserquelle 126 kann sich relativ zur Platte 105 bewegen, oder der Laser kann abgelenkt werden, z.B. durch ein Spiegelgalvanometer. Der Laserstrahl 124 kann ausreichend Wärme erzeugen, um das Zuführmaterial 314 zu verschmelzen. Die Kombination aus Laserquelle 126 und großflächigem Hintergrundplasmasystem 302 ermöglicht eine gleichzeitige chemische Modifizierung, z.B. Dotierung oder Oxidation, der gesamten Schicht aus Zuführmaterial, während die Kontrolle darüber behalten wird, welche Voxel verschmolzen werden, z.B. als Reaktion auf ein Druckmuster, welches auf einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium gespeichert ist.
Die Verwendung von Plasma erlaubt es, die Eigenschaften des verschmolzenen Zuführmaterials leicht zu steuern. Beispielsweise kann die Schicht aus Zuführmaterial durch selektives Implantieren von Ionen aus dem Plasma dotiert werden. Die Dotierungskonzentration kann schichtweise variiert werden, z.B. durch das System 100 oder 300, oder innerhalb einer Schicht des Zuführmaterials, z.B. durch das System 100. Das Implantieren von Ionen kann dazu beitragen, eine Punktspannung in der Schicht des Zuführmaterials zu lösen oder zu induzieren. Beispiele für Dotierstoffe umfassen Phosphor.
Das Plasma kann so vorgespannt werden, dass Spalten zwischen den Pulverteilchen des Zuführmaterials und der Elektrode dazu führen, dass eine ausreichend große Spannung auf dem Pulver entsteht, was zu Elektronen- oder Ionenbeschuss des Zuführmaterials führt. Die bei der Bombardierung verwendeten Elektronen oder Ionen können aus dem Plasma kommen und auf das Zuführmaterial beschleunigt werden, wenn entweder eine Gleichstrom- oder eine Wechselstromvorspannung am Zuführmaterial angelegt wird. Die Bombardierung kann verwendet werden, um eine Schicht zu behandeln, Material zu ätzen, um Zuführmaterial chemisch zu verändern (z.B. mittels reaktivem Ionenätzen), um Zuführmaterial zu dotieren (z.B. um eine Nitridschicht hinzuzufügen) oder zur Oberflächenbehandlung.
Die Systeme 100 und 300 können zum Verschmelzen von Silizium-, Siliziumoxid- oder Siliziumnitridpulvern verwendet werden, gefolgt vom Ätzen der Silizium-, Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht.
Bezugnehmend auf die oder ist die Steuereinrichtung 130 des Systems 100 oder 300 mit den verschiedenen Komponenten des Systems, z.B. Aktuatoren, Ventile und Spannungsquellen, verbunden, um Signale für diese Komponenten zu erzeugen und den Betrieb zu koordinieren und das System zu veranlassen, die verschiedenen oben beschriebenen funktionellen Operationen oder Schrittfolgen durchzuführen. Der Controller kann in digitaler elektronischer Schaltung, oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware implementiert werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung einen Prozessor umfassen, um ein Computerprogramm auszuführen, welches auf einem Computerprogrammprodukt gespeichert ist, z.B. auf einem nichtflüchtigen, maschinenlesbaren Speichermedium. Ein derartiges Computerprogramm (auch bekannt als Programm, Software, Softwareanwendung oder Code) kann in einer beliebigen Art von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, und es kann in jeglicher Form bereitgestellt werden, einschließlich als eigenständiges Programm oder als ein Modul, Komponente, Unterroutine oder eine andere Einheit, die für die Verwendung in einer Computerumgebung geeignet ist.
Wie oben erwähnt, kann die Steuereinrichtung 130 ein nichtflüchtiges, computerlesbares Medium enthalten, um ein Datenobjekt zu speichern, z.B. eine CAD-kompatible Datei (computer-aided design), welche das Muster beschreibt, in welchem das Zuführmaterial pro Schicht abgelagert werden soll. Beispielsweise kann das Datenobjekt eine STL-formatierte Datei, eine 3MF-Datei (3D Manufacturing Format) oder eine AMF-Datei (Additive Manufacturing File Format) sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung das Datenobjekt von einem entfernten Computer empfangen. Ein Prozessor in der Steuereinrichtung 130, der z.B. durch Firmware oder Software gesteuert wird, kann das vom Computer empfangene Datenobjekt interpretieren, um die zur Steuerung der Komponenten des Systems erforderlichen Signaldaten zu erzeugen, um das spezifizierte Muster für jede Schicht zu drucken.
Die Verarbeitungsbedingungen für die additive Herstellung von Metallen und Keramiken unterscheiden sich deutlich von denen für Kunststoffe. Beispielsweise erfordern Metalle und Keramiken im Allgemeinen wesentlich höhere Verarbeitungstemperaturen. Beispielsweise müssen Metalle bei einer Temperatur in der Größenordnung von 400 °C oder höher verarbeitet werden, z.B. 700 °C für Aluminium. Zusätzlich sollte die Verarbeitung von Metall in einer Vakuumumgebung stattfinden, um z.B. eine Oxidation zu verhindern. Somit können 3D-Drucktechniken für Kunststoff nicht für die Verarbeitung von Metall oder Keramik verwendet werden, und die Ausrüstung kann nicht gleich sein. Darüber hinaus können die Herstellungsbedingungen für großformatige Industrieteile wesentlich strenger sein.
Jedoch können einige hierin beschriebene Techniken auch auf Kunststoffpulver anwendbar sein. Beispiele für Kunststoffpulver sind Nylon, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyurethan, Acrylat, Epoxid, Polyetherimid, Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Polystyrol oder Polyamide.
Bestimmte Merkmale, die im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform implementiert werden, und umgekehrt können auch verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben sind, ohne die anderen Merkmale dieser Ausführungsform einzeln ausgeführt werden.
Obwohl beispielsweise das Herstellen eines Teils, in welchem die Materialzusammensetzung räumlich variiert, ein potentieller Vorteil ist, hat das System noch andere Vorteile, wenn es zur Erzeugung von Teilen mit gleichmäßiger Materialzusammensetzung verwendet wird, z.B. die Kombination aus der Bildung von Materialien unter Verwendung von Plasma und/oder Gas in Verbindung mit einem Laser zu ermöglichen.
Eine gewisse Anzahl an Ausführungsformen wurde beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden können. Dementsprechend liegen andere Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Ein additives Herstellungssystem, mit: einer Platte; einer Abgabevorrichtung für Zuführmaterial, die konfiguriert ist, eine Schicht aus Zuführmaterial über die Platte zu befördern; einer Laserquelle, die konfiguriert ist, einen Laserstrahl zu erzeugen; einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, den Laserstrahl zu lenken, um das Zuführmaterial an Stellen zu verschmelzen, die durch Daten spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind; einer Gasquelle, die konfiguriert ist, Gas zu liefern; und einer Düse, die konfiguriert ist, das Gas zu beschleunigen und auf im Wesentlichen dieselbe Stelle der Platte zu richten wie den Laserstrahl.
System nach Anspruch 1, wobei die Düse konfiguriert ist, das Gas auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen.
System nach Anspruch 2, wobei die Düse eine Lavaldüse umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der Laserstrahl und das Gas entlang einer gemeinsamen Achse austreten, um das Zuführmaterial auf der Platte zu treffen.
System nach Anspruch 1, wobei es einen Kanal mit einem ersten Ende näher zum Laser und einem zweiten Ende näher zur Platte umfasst und der Laser durch den Kanal gelenkt wird, die Düse am zweiten Ende des Kanals positioniert ist und die Gasquelle konfiguriert ist, um das Gas in das erste Ende des Kanals einzuleiten.
Ein additives Herstellungsverfahren, mit: dem Verteilen einer Schicht aus Zuführmaterial über einer Platte; dem Lenken eines Laserstrahls, um Zuführmaterial an Stellen zu erhitzen, die durch Daten spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind; und dem Lenken von einem gasförmigen Material auf im Wesentlichen dieselbe Stelle auf der Platte wie der Laserstrahl.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das gasförmige Material eine chemische Reaktion an der Stelle auf der Platte erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das gasförmige Material durch eine Düse beschleunigt wird, welche im Pfad des gasförmigen Materials positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das gasförmige Material konfiguriert ist, um eine Oberflächenbeschaffenheit des Zuführmaterials zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das gasförmige Material ein Ätzmittel enthält, konfiguriert um Zuführmaterial zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das gasförmige Material auf einen Bereich der Schicht aus Zuführmaterial gerichtet ist, welcher einer Oberfläche des herzustellenden Objektes entspricht, um eine Beschichtung mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf dem Objekt zu bilden.
Ein additives Herstellungsverfahren, mit: dem Verteilen einer ersten Schicht aus Zuführmaterial über einer Platte; dem Erhitzen der ersten Schicht aus Zuführmaterial an ersten Stellen auf der Platte, die durch Daten auf einem computerlesbaren Medium spezifiziert sind, um Teile der ersten Schicht aus Zuführmaterial zu verschmelzen; dem Ätzen eines Teils des verschmolzenen Zuführmaterials, während das verschmolzene Zuführmaterial auf der Platte bleibt; dem Verteilen einer zweiten Schicht aus Zuführmaterial über dem geätzten und verschmolzenen Zuführmaterial auf der Platte; und dem Erhitzen der zweiten Schicht aus Zuführmaterial an zweiten Stellen auf der Platte, die durch Daten spezifiziert sind, die auf dem computerlesbaren Medium gespeichert sind, um zweite Teile der zweiten Schicht aus Zuführmaterial zu verschmelzen.
Ein additives Herstellungssystem, mit: einer Platte; einer Abgabevorrichtung für Zuführmaterial, die konfiguriert ist, eine Schicht aus Zuführmaterial über die Platte zu befördern; ein Laser, der konfiguriert ist, einen Laserstrahl zu erzeugen; einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, den Laserstrahl zu veranlassen, das Zuführmaterial an Stellen zu verschmelzen, die durch Daten spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind; und einer Plasmaquelle, die konfiguriert ist, ein Plasma zu erzeugen, welches sich im Wesentlichen über die gesamte Schicht des Zuführmaterials erstreckt und Ionen produziert, die auf das Zuführmaterial gelenkt werden.
System nach Anspruch 13, wobei die Plasmaquelle so konfiguriert ist, dass sie das Plasma erzeugt, während der Laserstrahl das Zuführmaterial verschmilzt.
System nach Anspruch 13, wobei die Steuereinrichtung so konfiguriert ist, dass sie auf Schicht-für-Schicht-Basis die Fließrate oder die Zusammensetzung eines Gases steuert, welches zu einer Kammer geleitet wird, in welcher das Plasma durch die Plasmaquelle erzeugt wird.