DE4300478C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen ObjektsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung zur Durchfüh
rung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der
US 4 863 538 bekannt. Hier wird als Material ein pulver
förmiges Feststoffmaterial verwendet, das auf die Ober
seite eines absenkbaren Kolbens schichtweise aufgetra
gen und mittels eines Lasers an den dem Objekt ent
sprechenden Stellen gesintert wird. Der Kolben wird
zur Bildung der aufeinanderfolgenden Schichten schritt
weise in einem Zylinder abgesenkt, der das pulverförmi
ge Material umschließt. Eine Heizung hält das Material
auf einer für die Sinterung erforderlichen Betriebstem
peratur von etwa 150°C.
Bei diesem bekannten Verfahren treten die Nachteile
auf, daß zusammen mit dem Material auch der Zylinder
auf die Betriebstemperatur geheizt werden muß, was
eine Vorwärmzeit von 2 bis 3 Stunden bedingt. Ferner
muß vor der Entnahme des Objekts aus dem Zylinder
eine langsame Abkühlung auf unter 100°C durchgeführt
werden, um eine Staubexplosionsgefahr zu vermeiden.
Während dieser Abkühlzeit muß das Objekt im Zylinder
verbleiben. Allgemein ergeben sich damit bei dem be
kannten Verfahren lange Auf- und Abrüstzeiten und
damit lange Herstellungszeiten. Dieser Nachteil soll mit
der Erfindung beseitigt werden.
Erfindungsgemäß soll diese Aufgabe durch die Merk
male des Anspruchs 1 bzw. die Merkmale des An
spruchs 9 gelöst werden. Da erfindungsgemäß die dem
herkömmlichen Zylinder entsprechende Behälterwand
zusammen mit dem Objekt erzeugt wird, entfällt ein
Vorheizen des Zylinders und damit die lange Aufrüst
zeit. Nach der Fertigstellung des Objekts kann die Be
hälterwand, die kein Teil der Vorrichtung ist, zusammen
mit dem Objekt zur gezielten Abkühlung aus der Vor
richtung entnommen werden, so daß auch die lange Ab
kühlzeit in der Vorrichtung und damit die Abrüstzeit
entfällt.
Die Erfindung soll im weiteren anhand eines Ausfüh
rungsbeispiels unter Bezug auf die Figur beschrieben
werden. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt.
Die Vorrichtung weist einen im wesentlichen hori
zontal angeordneten Arbeitstisch 1 mit einem Loch in
Form eines Ausschnittes 2 auf. Der Ausschnitt 2 ist vor
zugsweise kreisförmig mit einem Querschnitt, der grö
ßer ist als die größte Querschnittsfläche des herzustel
lenden Objekts 3. Der Ausschnitt 2 kann jedoch auch
jede andere geeignete Form aufweisen. Oberhalb des
Arbeitstisches 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung 4, bei
spielsweise ein Laser, angeordnet, die einen gerichteten
Lichtstrahl 5 abgibt. Dieser wird über eine Ablenkein
richtung 6, beispielsweise einen Drehspiegel, als abge
lenkter Strahl 7 auf die Ebene des Arbeitstisches 1 abge
lenkt. Eine Steuerung 8 steuert die Ablenkeinrichtung
derart, daß der abgelenkte Strahl 7 auf jede gewünschte
Stelle innerhalb des vom Ausschnitt 2 definierten Ar
beitsbereiches auftrifft.
Unterhalb des Ausschnittes 2 ist eine ebenfalls im
wesentlichen horizontal angeordnete Unterlage 9 in
Form einer Plattform vorgesehen, die als seitlich geführ
ter Tisch mit einer dem Ausschnitt 2 entsprechenden
Form ausgebildet ist und mittels einer ebenfalls seitlich
angeordneten Höheneinstellvorrichtung 10 in Richtung
des Pfeils 11 zwischen einer höchsten Stellung, in der die
Oberfläche der Unterlage innerhalb des Ausschnittes 2
und im wesentlichen in derselben Höhe wie die Oberflä
che des Arbeitstisches 1 liegt, und einer in der Figur
gestrichelt angedeuteten tiefsten Stellung, in der die Un
terlage 9 soweit abgesenkt ist, daß ihre Oberfläche in
einer Ebene mit einer angrenzenden Aufnahmeplatte 12
liegt, verschiebbar ist. Der Abstand zwischen der Auf
nahmeplatte und dem Arbeitstische, also der Höhenver
stellbereich der Unterlage, ist dabei größer als die maxi
male Höhe des Objekts 3.
Angrenzend an die Aufnahmeplatte 12 weist die Vor
richtung eine Öffnung 13 auf, die mittels einer Tür 14
dicht verschließbar ist. Es ist ein Entnahmebehälter 15
vorgesehen, der auf der der Aufnahmeplatte 12 gegen
überliegenden Seite der Öffnung 13 an die Öffnung
dicht anschließbar bzw. andockbar ist. Der Entnahme
behälter 15 weist ebenfalls eine Tür 16 zum dichten
Verschließen des Behälters 15 auf und ist mit einer Zu
fuhrvorrichtung 17 für Inertgas, beispielsweise Stick
stoff, sowie mit einer Heizung 18 versehen.
Eine Ausgabe- bzw. Ausschubvorrichtung 19 bei
spielsweise in Form eines seitlich angebrachten Schie
bers oder dgl. ist so ausgebildet und angeordnet, daß sie
in der tiefsten Stellung der Unterlage 9 das auf dieser
ruhende Objekt von der Unterlage 9 auf die Aufnahme
platte 12 und durch die (geöffneten) Türen 14, 16 in den
Entnahmebehälter 15 verschieben kann.
Eine Vorrichtung 20 zum Aufbringen einer Schicht
eines pulverförmigen Materials 21 ist in an sich bekann
ter Weise als Walze ausgebildet, die horizontal über den
Arbeitstisch 1 von einer Stellung, in der das Material 21
von einem Vorrat 22 auf die Oberfläche der Walze auf
gebracht wird, über den Ausschnitt 2 bewegbar ist. Als
Material 21 kommt insbesondere niedrigschmelzendes
Kunststoffmaterial wie beispielsweise Nylon mit Korn
größen von ca. 10 µm und geringer, aber auch Metall
pulver oder Hybride, d. h. kunststoffüberzogene Metall-
oder Keramikpulver, in Frage. Ferner ist oberhalb des
Ausschnitts 2 eine auf den Arbeitsbereich gerichtete
Strahlungsheizung 23 angeordnet.
Die Steuerung 8, die Höheneinstellvorrichtung 10 und
die Ausgabevorrichtung 19 sind jeweils mit einer zen
tralen Steuereinheit 24 zur koordinierten Steuerung
dieser Vorrichtungen in der nachfolgend beschriebenen
Weise verbunden.
Im Betrieb wird zunächst die Unterlage 9 mittels der
Höheneinstellvorrichtung 10 in die höchste Stellung ge
fahren, in der die Oberfläche der Unterlage 9 in einer
Ebene mit der Oberfläche des Arbeitstisches 1 liegt, und
anschließend um den Betrag der vorgesehenen Dicke
der ersten Materialschicht abgesenkt, so daß innerhalb
des Ausschnitts 2 ein abgesenkter Bereich gebildet ist,
der seitlich von den Wänden des Ausschnitts 2 und un
ten von der Oberfläche der Unterlage 9 begrenzt ist.
Mittels der Walze 20 wird sodann eine erste Schicht des
Materials 21 mit der vorgesehenen Schichtdicke in den
vom Ausschnitt 2 und der Unterlage 9 gebildeten Hohl
raum bzw. den abgesenkten Bereich eingebracht und
von der Heizung 23 auf eine geeignete Arbeitstempera
tur, beispielsweise 140°C bis 160°C, erwärmt. Daraufhin
steuert die Steuereinheit 24 die Ablenkeinrichtung 6
über deren Steuerung 8 derart, daß der abgelenkte
Lichtstrahl 7 nacheinander an allen Stellen der Schicht
auftrifft und dort das Material 21 durch Sintern verfe
stigt. Auf diese Weise wird zunächst eine feste Boden
schicht 25 gebildet.
In einem zweiten Schritt wird die Unterlage 9 mittels
der Höheneinstellvorrichtung 10 von der Steuereinheit
24 um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und
mittels der Walze 20 in den damit entstehenden abge
senkten Bereich innerhalb des Ausschnittes 2 eine zwei
te Materialschicht eingebracht und wiederum von der
Heizung 23 erwärmt. Die Ablenkeinrichtung 6 wird
diesmal von der Steuereinheit 24 derart gesteuert, daß
der abgelenkte Lichtstrahl 7 nur auf dem an die Innen
fläche des Ausschnittes 2 angrenzenden Bereich der
Materialschicht auftrifft und dort die Materialschicht
durch Sintern verfestigt, wodurch eine erste ringförmi
ge Wandschicht mit einer Wandstärke von etwa 2 bis
10 mm entsteht, die das verbleibende pulverförmige
Material der Schicht vollständig umgibt.
Nach Absenken der Unterlage 9 um den Betrag der
Schichtdicke der nächsten Schicht, Aufbringen des Ma
terials 21 und Aufheizen in der gleichen Weise wie oben
kann nun die Herstellung des Objekts 3 selbst beginnen.
Hierzu steuert die Steuereinheit 24 die Ablenkeinrich
tung 6 derart, daß der abgelenkte Lichtstrahl 7 an sol
chen Stellen der Schicht auftrifft, die entsprechend den
in der Steuereinheit 24 gespeicherten Koordinaten des
Objekts 3 verfestigt werden sollen. Nach oder vor der
Herstellung dieser Objektschicht wird auf der ersten
ringförmiges Wandschicht in gleicher Weise wie oben
beschrieben eine zweite ringförmige Wandschicht der
selben Wandstärke aufgesintert.
Bei den weiteren Schichten wird analog vorgegangen.
Dadurch, daß bei der Herstellung jeder Objektschicht
eine ringförmige Wandschicht auf die darunterliegende
ringförmige Wandschicht aufgesintert wird, entsteht ein
ringförmiger Wandbereich 26 in Form einer Behälter
wand, die das Objekt 3 zusammen mit dem verbleiben
den, nicht gesinterten Material 21 umschließt und so
beim Absenken der Unterlage 9 unter den Arbeitstisch
1 ein Austreten des Materials 21 verhindert.
Nach Fertigstellung der letzten Objektschicht wird
wiederum entsprechend dem oben beschriebenen zwei
ten Schritt nur eine ringförmige Wandschicht verfestigt
und danach in derselben Weise wie bei der Herstellung
der Bodenschicht 25 eine Deckelschicht 27 verfestigt,
die zusammen mit der Bodenschicht 25 und dem Wand
bereich 26 einen das Objekt 3 und das verbleibende
ungesinterte Material dicht einschließenden Behälter 28
bildet.
Danach wird die Unterlage mittels der Höheneinstell
vorrichtung 10 in der in der Figur gestrichelt angedeute
ten Weise auf die Höhe der Aufnahmeplatte 12 abge
senkt und ein vorher unter Stickstoffatmosphäre auf
eine Temperatur von ebenfalls etwa 140-160°C aufge
heizter Entnahmebehälter 15 wird an die Ausgabeöff
nung 13 angeschlossen. Nach Öffnen der Türen 14, 16
wird die Ausgabevorrichtung so betätigt, daß sie den
Behälter 28 durch die Öffnung 13 in den Entnahmebe
hälter 15 schiebt. Nach Schließen der Türen 14 und 16
kann der Entnahmebehälter 15 entfernt und ohne weite
re Wartezeit ein neues Objekt hergestellt werden. Die
erforderliche langsame Abkühlung des Objekts 3 er
folgt in dem Entnahmebehälter 15 durch entsprechende
Steuerung der Heizung 18 unabhängig von der Herstel
lung des nächsten Objekts.
Während der Herstellung des Objekts 3 wird eben
falls im Arbeitsbereich über an sich bekannte (nicht ge
zeigte) Mittel eine Inertgasatmosphäre, vorzugsweise
eine Stickstoffatmosphäre, erzeugt. Aufgrund der
schleusenartigen Ausbildung der Türen 14, 16 wird ein
Entweichen dieser Atmosphäre bei Ausgabe des ferti
gen Objekts 3 und damit eine Unterbrechung des Her
stellungsbetriebs vermieden.
Modifikationen der Erfindung sind möglich. So kann
die Herstellung der Bodenschicht 25 entfallen; auch die
Deckelschicht 27 ist dann nicht erforderlich, wenn eine
sichere Abkühlung auch des dann freiliegenden Restpul
vers im Entnahmebehälter 15 unter Schutzgas möglich
ist; andererseits kann bei Herstellung beider Schichten
25, 27 und damit des dichten Behälters 28 eventuell die
Abkühlung auch ohne Entnahmebehälter 15 bzw. ohne
Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden; die Auf
bringvorrichtung 20 kann außer als Walze auch als
Streu- oder Streichvorrichtung, als Schieber, Besen, Wi
scher oder in jeder zum Aufbringen einer gleichmäßi
gen Schicht aus pulverförmigem Material geeigneten
Weise ausgebildet sein; die Heizungen 18, 23 können als
Strahlungs- und/oder Umluftheizungen ausgebildet sein
und für die Bestrahlungseinrichtung kann jede andere
Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die
einen gerichteten Strahl mit zur Sinterung ausreichen
der Energie abgibt, wie beispielsweise eine Lichtquelle
oder auch eine Elektronenstrahlquelle verwendet wer
den. Ferner kann anstelle von pulverförmigem Material
auch flüssiges Material verwendet werden. Schließlich
muß die die Behälterwand bildende verfestigte Wand
schicht nicht kreisringförmig sein, sondern kann jede
beliebige Form einer im wesentlichen geschlossenen
Kurve aufweisen. Vorzugsweise entspricht diese Form
jedoch der Form des Ausschnitts 2.
Claims (17)
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensiona
len Objekts, bei dem das Objekt schichtweise da
durch erzeugt wird, daß jeweils eine Schicht aus
durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strah
lung verfestigbarem Material aufgetragen und an
schließend an den dem Objekt entsprechenden
Stellen durch Bestrahlen verfestigt wird, wobei
zur Erzeugung einer Behäl
terwand für das Material in jeder Schicht ein das
Objekt umschließender Bereich des Materials be
strahlt und damit verfestigt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß in einen Ausschnitt in einem Ar
beitstisch eine Materialschicht definierter Dicke
eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Material ein pulverförmiges Fest
stoffmaterial verwendet wird und die Bestrahlung
derart durchgeführt wird, daß das Feststoffmaterial
an den bestrahlten Stellen zusammensintert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß in jeder Schicht ein entsprechen
der ringförmiger Bereich verfestigt wird, so daß
eine zylindrische Behälterwand erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet daß die Behälterwand durch
Bestrahlen des an die Innenwand des Ausschnittes
angrenzenden Materialbereichs erzeugt wird, so
daß die Materialschicht von der Behälterwand um
schlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Materialschicht auf eine Unterla
ge aufgebracht wird, die in ihrer höchsten Stellung
zumindest teilweise innerhalb des Ausschnitts an
geordnet ist und zur Bildung jeder Schicht um ei
nen der Dicke dieser Schicht entsprechenden Be
trag nach unten abgesenkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor und
oder nach Erzeugung der Behälterwand und des
Objekts eine Materialschicht über die ganze vom
Bereich der Behälterwand umschlossene Fläche
verfestigt wird, so daß ein geschlossener Boden
bzw. ein geschlossener Deckel für den Behälter er
zeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter
wand mit dem davon umschlossenen Objekt nach
Fertigstellung in einen Entnahmebehälter gebracht
und dort unter kontrollierten Bedingungen abge
kühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeu
gung des Objekts in einer Inertgasatmosphäre er
folgt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1, mit einer höheneinstellbaren Un
terlage (9), einer Vorrichtung (20) zum Aufbringen
einer Schicht eines durch Einwirkung elektroma
gnetischer Strahlung verfestigbaren Materials (21)
auf die Unterlage (9), einer Bestrahlungseinrich
tung (4) und einer Steuerung (8, 24) für die Bestrah
lungseinrichtung (4) zum Bestrahlen von dem Ob
jekt (3) entsprechenden Stellen der Schicht, wobei
die Vorrichtung kei
ne die Schicht beim Absenken der Unterlage (9)
seitlich begrenzende Wandung aufweist, und
die Steuerung (8, 24) derart ausgebildet ist, daß sie
in jeder Schicht einen das Objekt (3) umschließen
den Bereich (26) des Materials (21) bestrahlt,
dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Arbeitstisch (1) mit einem dem
umschließenden Bereich (26) entsprechenden Aus
schnitt (2) vorgesehen ist, und daß die Unterlage, in
eine Position anhebbar ist, so daß innerhalb
des Ausschnitts (2) ein abgesenkter
Bereich gebildet ist, der seitlich von
Wänden des Ausschnitts (2) und unten
von einer Oberfläche der Unterlage (9)
begrenzt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die Unterlage in
eine Position anhebbar ist, in der ihre Oberfläche
innerhalb des Ausschnittes (2) im wesentlichen in
einer Ebene mit der Oberfläche des Arbeitstisches
(1) liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Unterlage (9) als seitlich
oder von unten gefüllter Tisch mit einer seitlich
davon angeordneten Höhenverstellvorrichtung
(10) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Unterlage (9) in eine Posi
tion absenkbar ist, in der sie in einer Ebene mit
einer seitlich anschließenden Aufnahmeplatte (12)
liegt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet
durch eine an der Behälterwand (26) angreifenden
Ausgabevorrichtung (19) zum Verschieben des das
Objekt umschließenden Behälters (28) von der Un
terlage (9) auf die Aufnahmeplatte (12).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekenn
zeichnet durch eine verschließbare Öffnung (13)
zur Ausgabe des das Objekt (3) umschließenden
Behälters (28).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Entnahmebehälter (15) vor
gesehen ist, der an die verschließbare Öffnung (13)
dicht anschließbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Entnahmebehälter (15) eine
Schutzgaszufuhr, vorzugsweise eine Stickstoffzu
fuhr (17), sowie eine regelbare Heizung (18) auf
weist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16,
gekennzeichnet durch eine auf die Materialschicht
gerichtete Strahlungsheizung (23).
Priority Applications (7)
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