DE4410046C1 - Verfahren und Material zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Sintern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Pulvermaterial zur Verwendung in einem derartigen Verfahren nach Anspruch 7.

Ein Verfahren der genannten Art ist beispielsweise aus der US-A-4 863 538 bekannt. Hier wird eine vorbestimmte Menge eines pulverförmigen Kunststoffmaterials auf eine Unterlage bzw. eine vorher erzeugte Schicht eines Objekts aufgebracht, dort verteilt und mittels eines Laserstrahls an den dem Objekt entsprechenden Stellen bestrahlt, so daß das Material dort zusammensintert (sogenanntes Lasersintern).

Daneben ist es bekannt, ein Feinguß-Urmodell zunächst aus Wachs herzustellen und anschließend durch eine Tauchbeschichtung mit einer wenige Millimeter dicken Keramikschicht zu umhüllen. Durch Erhitzung wird die Keramikschicht zur fertigen Form gehärtet und gleichzeitig das Wachsmodell darin durch Ausschmelzen entfernt. Nachteil des Wachses ist jedoch dessen geringe mechanische Stabilität bzw. Sprödigkeit und thermische Beständigkeit. Ferner läßt sich Wachs nur schlecht maschinell bearbeiten.

Mit einem Verfahren nach der US-A-4 863 538 wäre es möglich, die Herstellung des Wachmodells zu erleichtern. Allerdings ist die Verwendung von Wachspulver im Lasersinterprozeß wegen der Überhitzungsgefahr des Pulverbettes schwierig und erfordert zusätzliche Maßnahmen wie Kühlung. Aus diesem Grund wurde bereits die Verwendung von Polycarbonat als Material in Betracht gezogen. Dieses Material verlangt aber bei der Sinterung eine sehr genaue Temperaturregelung der obersten Pulverschicht von etwa 2 bis 5°C unterhalb des Schmelzpunktes des Materials. Auch erlaubt die gegenüber dem Wachs erheblich höhere Schmelztemperatur kein einfaches übernehmen des üblichen Ausschmelzprozesses. Schließlich ist die Viskosität der Polycarbonat-Schmelze erheblich höher als die von geschmolzenem Wachs, so daß die Keramikhülle nicht durch einfaches Ausfließen der Schmelze entleert werden kann, sondern die Schmelze regelrecht ausgebrannt werden muß.

Aus der DE-OS 41 33 923 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Feinguß-Urmodells mittels Stereolithographie bekannt, bei der jeweils eine Schicht eines flüssigen, UV-aushärtbaren Materials aufge­ bracht und durch Einwirkung eines Laserstrahls an den der Form entsprechenden Stellen verfestigt wird. Die Feingußmodelle werden zweckmäßig aus zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelz­ punkten angefertigt, um Formschäden durch Schalensprengung beim Ausschmelzen der Modelle zu verhindern.

Aus der Druckschrift "konstruieren + gießen" 17, (1992), Nr. 4, Seiten 13 bis 19 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 bekannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein dafür geeignetes Material zu schaffen, mit dem die genannten Probleme vermieden werden. Insbesondere soll die Herstellung des Modells in einfacher Weise und vorzugsweise bei Raumtemperatur und das Ausschmel­ zen ohne die Gefahr der Zerstörung der Überzugsschicht möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Material mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also auf dem aus der obengenannten US-A-4 863 538 bekannten Lasersinterverfahren, auf das hierinit zur weiteren Erläuterung verwiesen wird. Im Unterschied zum bekannten Verfahren wird jedoch bei der Erfindung kein einheitliches Pulvermaterial, sondern eine Mischung aus mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichem Schmelzpunkt verwendet. Eine erste Komponente besteht im wesentlichen aus einem Pulvermaterial mit hohem Schmelzpunkt, vorzugsweise über 150°C, und eine zweite Komponente weist ein Pulvermaterial mit demgegenüber niedrigerem Schmelzpunkt von beispielsweise 60 bis 130, vorzugsweise etwa 90°C auf. Die Verwendung der niedrig­ schmelzenden zweiten Komponente hat dabei auch den Vorteil, daß die Lasersinterung etwa bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann, wodurch der Aufbau der Sintermaschine erheblich einfacher gehalten werden kann.

Als erste Komponente wird entweder ein Kunststoffpulver wie Polyamid oder ein Metall- oder Keramikpulver verwendet. Als zweite Komponente kommt insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff wie Copolyamid oder Copolyester in Frage. Die Korngröße der beiden Komponenten liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 µm.

Der Anteil der ersten bzw. zweiten Komponente an der Gesamtmenge des Materials kann entsprechend den gewünschten mechanischen Eigenschaften des fertigen Objekts eingestellt werden; beispielsweise führt ein hoher Anteil der niedrigschmelzenden Komponente, also von Copolyester oder Copolyamid, zu flexiblen Objekten, während bei einem niedrigeren Anteil eine erhöhte Härte und Steifigkeit erreicht wird. Auch wird von dem Mischungsverhältnis ebenso wie durch die Auswahl der beiden Komponenten die für das Ausschmelzen erforderliche Temperatur bestimmt. Günstige Mischungsverhältnisse liegen etwa im Bereich von 50 bis 90 Vol.-% und vorzugsweise 75 bis 85 Vol.-% der ersten Komponente und dem entsprechenden Rest der zweiten Komponente.

Nach der schichtweisen Verfestigung des Objekts durch Lasersinterung und gegebenenfalls einer Nachbehandlung wird das Objekt durch eine Tauchbeschichtung mit einer wenige Millimeter dicken Keramikschicht umhüllt. In einem weiteren Verarbeitungsschritt wird das Objekt zusammen mit der Keramikschicht auf eine Temperatur erhitzt, die über der Schmelztemperatur der zweiten Komponente, aber unter der Schmelztemperatur der ersten Komponente liegt. Diese Temperatur liegt je nach verwendetem Material bei etwa 60 bis 130°C. Es schmilzt also nur die niedrigschmelzende zweite Komponente, wodurch aber das Gefüge des in gewissem Umfang porösen Sintermaterials des Objekts, das im Vergleich zum Vollmaterial nur eine Dichte von 50 bis 75% aufweist, in sich zusammenbricht und die Viskosität des Gesamtmaterials auf Werte vergleichbar derjenigen von ausschmelzendem Wachs absinkt, so daß das Material aus der Keramikhülle durch entsprechende geeignete Löcher ausfließen kann. Wegen des Aufschmelzens lediglich der niedrigschmelzenden zweiten Komponente treten beim Schmelzen nur geringe innere Spannungen und damit geringe Verzugserscheinungen auf, so daß die Gefahr, daß die Keramikhülle, die gleichzeitig bei der Erhitzungstemperatur gehärtet wird, beschädigt oder zerstört wird, durch das erfindungsgemäße Verfahren reduziert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Feinguß-Urmodells durch Lasersintern, dem jeweils eine Schicht eines pulverförmigen Materials aufgebracht und durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung an den dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Material eine Mischung von zwei Komponenten mit verschiedenem Schmelzpunkt verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt nach der Verfestigung und nach Beschichtung mit einer Überzugsschicht auf eine vorzugsweise zwischen den Schmelzpunkten der beiden Komponenten liegende Temperatur erhitzt wird und dadurch eine Komponente ausgeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Komponente ein Kunststoff mit einem Schmelzpunkt von mindestens 150°C, beispielsweise Polyamid, und als zweite Komponente ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Komponente ein Metall- oder Keramikpulver und als zweite Komponente ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine im Bereich von 60°C bis 130°C liegende Temperatur erhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung durch Bestrahlung der Schicht des Materials mittels eines La­ serstrahls und vorzugsweise bei Raumtemperatur erfolgt.

7. Pulvermaterial zur Verwendung bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Lasersintern, bestehend aus einer ersten Komponente mit einem Schmelzpunkt von mindestens 150°C und einer zweiten Komponente mit einem niedrigeren Schmelzpunkt.

8. Pulvermaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente ein niedrigschmelzendes, vorzugsweise thermoplastisches Kunststoffpulver wie z. B. Copolyamid oder Copolyester ist.

9. Pulvermaterial nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente ein hochschmelzendes Kunststoffpulver, z. B. Polyamid, ein Metall- oder Keramikpulver ist.

10. Pulvermaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Pulvers zwischen 50 µm und 100 µm beträgt.

11. Pulvermaterial nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt der zweiten Komponente bei etwa 60 bis 130°C, vorzugsweise bei etwa 90°C bis 100°C liegt.