DE602004013028T2

DE602004013028T2 - Verbessertes verfahren und verbesserte vorrichtung zum sintern von anorganischen materialien

Info

Publication number: DE602004013028T2
Application number: DE602004013028T
Authority: DE
Inventors: Paolo Matteazzi; Hinrich Becker
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV; MBN Nanomaterialia SpA
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV; MBN Nanomaterialia SpA
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: US7785529B2; ITTV20030155A1; DE602004013028D1; US20090042050A1; EP1670607B1; WO2005053860A3; EP1670607A2; WO2005053860A2; ES2304640T3; ATE391568T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von dreidimensionalen Festkörpern aus zumindest einem anorganischen Material, wie z. B. Metalle, Legierungen, Keramiken, Karbide, etc., in Pulverform, und auf die entstehenden Gegenstände.
Beschreibung des Stands der Technik
Die sogenannte Lasersintertechnik ist vornehmlich durch die Offenbarung, die durch eine ziemliche Anzahl von Dokumenten, einschließlich der folgenden, gemacht wurde, bekannt.
In dem auf die University of Texas übertragenem US-Patent 4,863,538 wird vorgestellt, einen Gegenstand durch Ablegen eines pulverförmigen Materials in aufeinander folgenden Schichten, die unabhängig bald nach ihrer Ablage auf einem Zielgebiet durch einen Laserstrahl von einem vorbestimmten Querschnitt gesintert werden, aufzubauen. Der Querschnitt eines gewählten Durchmessers eines Laserstrahls wird über jede Schicht bewegt, und der Strahl wird eingeschaltet, um nur das Pulver, das innerhalb des vorbestimmten Querschnitts liegt, unter Kontrolle eines Computermittels, zu sintern. Dieses Her stellungsverfahren ist in Anbetracht eines abwechselnden Betreibens der Pulverablagemittel und des Laserstrahls zeitaufwendig, folglich von einer geringen Wirksamkeit.
In dem auf die EOS GmbH übertragenen US-Patent 5,730,925 wird gezeigt, dass feine, aufeinander folgende Schichten eines pulverförmigen Materials auf einem ebenen Lagerungsmittel unter Verwendung einer Beschichtungsvorrichtung, die zweimal in einer Richtung parallel zu der oberen Oberfläche des Lagerungsmittels vor und zurück bewegt wird, aufzubringen sind. Das Pulver wird anschließend durch einen abstrahlenden Laserstrahl, der auf jede der feinen Schichten gerichtet wird, "verfestigt". Durch die funktionelle Ähnlichkeit mit dem oben behandelten System, ist die Wirksamkeit dieses Verfahrens ebenfalls gering, und die Effektivität der Strahlungsenergie ist, immer wenn der Laserstrahl, der durch einen schwenkbaren Spiegel abgelenkt wird, eine Richtung hat, die anders als rechtwinklig zu der feinen Pulverschicht ist, ebenfalls klein.
In dem US-Patent 5,904,890 , ebenfalls auf die EOS GmbH übertragen und eine Verbesserung des Vorangehenden darstellend, ist es gezeigt, den strahlenden Laserstrahl auf jeder Pulverschicht in einer Form zu bewegen, die eine Vielzahl von parallelen benachbarten Linien von einer unterschiedlichen Länge aufweist, wobei der Strahl eine Bewegungsgeschwindigkeit hat, die mit zunehmender Länge der Linie abnimmt. Selbst wenn dieses System eine höhere Effektivität im Hinblick der Strahlungsenergie hat, bleibt die Wirksamkeit in Anbetracht der abwechselnden Betätigung des Pulverablagemittels und des sich bewegenden Strahls relativ klein.
Andere Dokumente, die von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung handeln, sind:

– US-A-6 391 251 , das ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden von dreidimensionalen Gegenständen durch ein direktes, schichtweises Ablegen eines Materials, gemäß einem in einer CAD-Einheit abgespeicherten Modell, nachdem es geschmolzen und verflüssigt wurde, offenbart;
– WO-A-01 56 736 , das sich auf einen laserunterstützten Ablageprozess, z. B. durch Laserplattieren, bezieht, und WO-A-95 20 458 , das sich auf die Laserplattierungstechnik bezieht;
– US-A-2001 000 8230 , das ein System zur Herstellung von Gegenständen offenbart, in dem ein Energiestrahl ein Schmelzbecken bildet, das eine Flüssigkeit aufweist, in die nach und nach Pulver eintragend zugeführt wird.

Erwähnenswert sind ebenso:

– WO-A-93 00 171 , das eine Düse mit einer Mehrzahl von Pulverführungskanälen für die Dünnschichtlegierung von metallischen Komponenten offenbart, die wahlweise mit einer spiegelfokussierten oder linsenfokussierten Hochenergielasereinrichtung verbunden werden kann;
– die Zeitschrift "The Role of Particle Size on the Laser Sintering of Iron Powder", veröffentlicht in dem "Metallurgical and Material Transactions B", Vol. 35B, Oktober 2004, wo die aktuelle Partikelgröße, die in Betracht gezogen wird, sich in einem Bereich von 10 bis 200 μm bewegt.

Zusammenfassung der Erfindung
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist ein Sintersystem, das effizienter, von einer höheren Produktivität und einfacher ist, als die obenstehend behandelten.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, dreidimensionale Objekte, selbst von einer komplexen Form und von einer Größe von weni ger als 10 mm mit einer räumlichen Auflösung (auch bekannt als Durchlassbereich), die bemerkenswert besser als 50 μm ist, was erheblich unter dem Wert von 100 μm ist, der in der jüngsten Literatur als Grenzwert angesehen wird, zu erhalten.
Immer noch ist ein weiteres Ziel, Partikel zu verwenden, die aus Kristalliten, mit Abmessungen, die ebenfalls beträchtlich kleiner als 100 nm (d. h. 10^–7 m) sind, und z. B. mittels der in dem europäischen Patent 665 770 offenbarten Hochenergie- und Hochkapazitäts-Kugelmühle erhalten werden, bestehen. Die Kristallite bestehen aus zwei oder drei verschiedenen Materialien (d. h. Multiphase) und bilden einen pulverförmigen Strom, der auf eine lokale Erhitzung in dem Laserstrahl gerichtet ist.
Die besagten Ziele, sowie die hier nachstehend behandelten anderen Ziele, werden durch das Verfahren und die Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung gemäß den angehängten Ansprüchen beschreiben, erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die folgende Beschreibung wird die Eigenschaften der Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen von wenigen bevorzugten aber nicht einzigen Ausführungsformen erklären:
1 zeigt eine Gesamtansicht eines Beispiels einer Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Festkörper gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine vordere und teilweise geschnittene Ansicht von Teilen der Vorrichtung einer ersten Ausführungs form, wo die Gegenstände physisch hergestellt werden, in einem vergrößerten Maßstab;
3 zeigt eine vordere und teilweise geschnittene Ansicht der Teile der Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform, wo die Gegenstände physisch hergestellt werden, in einem vergrößerten Maßstab;
4 ist eine Querschnittsansicht der Pulverzuführeinheit, die ein wesentliches Teil der Vorrichtung der Erfindung ist.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Wie bereits in den vorangehenden Absätzen behandelt, bezieht sich die Erfindung auf die Herstellung von dreidimensionalen Festkörpern unter Verwendung eines Pulvers, das aus Partikeln von einem oder mehreren anorganischen Materialien (Phasen), wie Metallen, Legierungen, Keramiken, Kohlenstoff, Karbiden, etc., als ein Rohmaterial besteht. Das Pulver ist mehrphasig, wobei eine Phase 85 Volumen-% nicht überschreitet, während die Summe der anderen Phasen zumindest bei 15 Volumen-% liegt, und eine Schmelztemperatur unterhalb von 80% der Schmelztemperatur in °C der ersten Phase hat.

Viele andere Beispiele von verwendbarem Pulver könnten genannt werden und sind in der metallurgischen Literatur zugänglich, wie z. B.:

Erste Phase		Zweite Phase
Metall oder Legierung	Schmelztemperatur [°C]	Metall oder Legierung	Schmelztemperatur [°C]
Fe	1535	FeP – Legierung (10 Gewichts-% P)	1050
Fe	1535	FeC – Legierung (4,2 Gewichts-% C)	1150
Ti	1670	Sn	230
Cu	1083	Sn	230
Cu	1083	Zn	420
Fe	1535	FeCu Legierung	1083 + 1535⁽⁺⁾
Ti	1670	Ti-Sn Legierung	230 + 1670⁽⁺⁾

Legende: ⁽⁺⁾ = Temperatur in Abhängigkeit von der tatsächlichen Zusammensetzung der Legierung.

Pulver, bestehend aus Eisen (erste Phase), mit einem Schmelzpunkt von 1535°C, und Kupfer (zweite Phase) mit einem Schmelzpunkt von 1083°C, nämlich ca. 70% der Schmelztemperatur des Eisens, sind für die beabsichtigten Ziele als besonders brauchbar nachgewiesen.
Unter Bezugnahme auf 1 besteht eine Vorrichtung gemäß der Erfindung im Wesentlichen aus den folgenden Einheiten, von de nen die meisten detaillierter in den nachfolgenden Absätzen beschrieben werden:

– Eine Vorrichtung 10, in der der Gegenstand gebildet wird;
– eine am besten in 5 zu sehende Zuführeinheit 35, in der ein Aerosol mit festen Partikeln durch Mischen des mehrphasigen Pulvers mit einem inerten Trägergas wie Argon, Helium, Stickstoff, oder Mischungen davon, zugeführt von einem Vorratsbehälter 90, erhalten wird. Das Pulver wird durch ein Veranlassen von Kristalliten von weniger als 100 nm (10^–7 m), sich in Partikel einer gesteuerten Größe zusammenzuballen, in einem Schritt hergestellt, der dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorausgeht. Für die Herstellung von hochgenauen Gegenständen oder Teilen davon, wie ihrer Umfangsfläche, bestehen ca. 90 Gewichts-% des Pulvers aus Partikeln, die in dem Größenbereich von 0,5 bis 20 μm (5 × 10^–7 bis 2 × 10^–5 m) enthalten sind;
– eine Vorrichtung 30, die das Pulver von der Zuführeinheit 35 empfängt, und sein Einbringen als einen pulverförmigen Strom in ein in der formgebenden Vorrichtung 10 eingerichteten Zielgebiet sicherstellt;
– ein Generator 45 eines erhitzenden Flussmittels, bestehend aus einer Emissionsquelle, die in der Lage ist, einen Laserstrahl LB zu erzeugen, und diesen Strahl in die formgebende Vorrichtung 10 dank einer Zielvorrichtung 47 zu richten. Um die oben erwähnte räumliche Auflösung zu erzielen, muss ein Laserstrahl von hoher Qualität, wie ein gepumpter Yb:YAG (ytterbium:yttrium-aluminium-garnet) Diodenscheibenlaser oder ein Faserlaser, und ein geeignetes optisches System zum Führen und Formen des Laserstrahls LB zu der Zielvorrichtung 47, verwendet werden. Ein Elektronenstrahl mit vergleichbarer oder sogar besserer Leistungsfähigkeit kann ebenfalls verwendet werden;
– eine, eine Tastatur 52 und einen Monitor 54 enthaltende, programmierbare Steuerungseinheit 50.

In konventioneller Weise, z. B. durch (nicht gezeigte) elektrische Verdrahtungsmittel ist die Steuerungseinheit 50 mit den oben aufgelisteten funktionalen Einheiten, sowie mit den folgenden ergänzenden Einheiten, die alle auf verschiedenen Ablagen 2, die an den Säulen 4 des Traggestells befestigt sind, verbunden;

– eine Ultraschallvorrichtungen 60, verbunden mit der Pulverzuführeinheit 35 und dazu geeignet, das Abscheiden der Pulverpartikel in Form von Zusammenballungen durch ein Entfernthalten der Partikel von Teilen der Zuführung durch Schwingen mit einer hohen Frequenz zu verhindern;
– eine Vorrichtung 62, zur Überwachung des Sauerstoffgehalts in der Kammer 10, die 100 ppm nicht überschreiten soll;
– eine Vorrichtung 65, z. B. eine hochauflösende CCD-Kamera, für eine prozessgekoppelte Form- und Dickenkontrolle des hergestellten Gegenstands;
– ein System zur Überwachung der Temperatur innerhalb der formgebenden Kammer 10, die bevorzugterweise einen optischen Pyrometersucher 80 und einen damit verbundenen Steuerschrank 85 enthält. Um die oben erwähnte räumliche Auflösung zu erreichen, muss das Pyrometer in einem Temperaturbereich von 1.000 bis 3.000°C eine Auflösung von besser als 100 μm aufweisen und ist auf der optischen Achse des Laserstrahls installiert;
– eine Mikroskopeinheit 55 zur Überwachung eines Gegenstands während seiner Herstellung innerhalb der formgebenden Vorrichtung 10;
– eine Kühleinheit 95.

Unter Bezugnahme auf eine erste Ausführungsform der Erfindung kann nun, im Detail in 2 gezeigt, gesehen werden, dass die formgebende Vorrichtung 10 eine untere erste Scheibe 14 und eine obere zweite Scheibe 15 aufweist. Die erste Scheibe 14 hat eine, durch einen sich abwärts erstreckenden Rand 13 festgelegte, mittige runde Öffnung und einen flachen äußeren Umfang mit einer Mehrzahl von Gewindelöchern 14A. Die zweite Scheibe 15 hat einen äußeren Rand, der nach unten vorsteht, und ist mit Gewindelöchern 15A, die mit den Löchern 14A in Deckung sind, so dass sie eine gegenseitige Befestigung der Scheiben 14 und 15 mittels Schrauben (nicht gezeigt) erlauben. Der Spalt zwischen den gegenüberliegenden flachen Abschnitten der Scheiben 14 und 15 ist so, dass er die Anordnung einer zwischenliegenden oder dritten Scheibe 17, die mit den anderen Scheiben ausgerichtet ist, dazwischen mit einem gewissen Abstand erlaubt. Die zweite Scheibe 15 ist mit einer mittigen runden Öffnung 15B, etwas größer als die entspechende mittige Öffnung der ersten Scheibe 14, versehen.
Der obere Abschnitt 11A einer Schale 11 ist mit einem gewissen Abstand um den Rand 13 der ersten Scheibe 14 aufgesteckt und mit bekannten Antriebsmitteln verbunden, um so entlang des Randes zu gleiten. Eine formgebende Kammer 12 wird so bestimmt durch das Innere des Randes 13, unterhalb der dritten Scheibe 17, und durch eine starre Basis 16 mit dem Zielgebiet, wo der Gegenstand hergestellt wird. Die Basis 16 ist durch eine horizontale Welle 20, die durch die seitliche Wand der Schale 11 tritt, beweglich gelagert. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das Zielgebiet, ein starres Trägermaterial S, getragen durch eine Vertiefung 16A in der oberen Fläche der Basis 16. In Übereinstimmung mit den erwarteten Ergebnissen kann das Trägermaterial S in der formgebenden Kammer 12 so angefertigt und angeordnet sein, dass es einen Teil der Oberfläche des Gegenstands, der hergestellt wird, bildet, was unterschiedlich von den verbleibenden Teilen ist. Alternativ kann, wenn der hergestellte Gegenstand selbsttragend ist, das Trägermaterial S lediglich ein Teil, das von dem gesinterten Material am Ende der Herstellung abnehmbar ist, bilden. Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die Schale 11 und die Welle 20 mit getrennten konventionellen Antriebsmitteln (nicht gezeigt), wie hochfeine Schrittmotoren verbunden, wie nachstehend besser erklärt wird.
Die Atmosphäre innerhalb der formgebenden Vorrichtung 10 wird durch geeignete Sensoren (nicht gezeigt) überwacht, die mit der Vorrichtung 62 zu Überwachung des Sauerstoffgehalts, der vorzugsweise 100 ppm nicht übersteigen soll, verbunden ist. Zusätzlich ist der Boden der Schale 11 mit bekannten rohrförmigen Mitteln und einem Anschlussstück 19 mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt), die einen Unterdruck von bis zu 10^–2 bar in der formgebenden Vorrichtung 10 vorsieht verbunden, was das Zuführen der Partikel und das Sammeln der überflüssigen Reste des Pulvers unterstützt.
Der radiale innere Bereich der dritten Scheibe 17 ist in Form einer dicken Nabe 18 mit einem kleineren Durchmesser als die mittige Öffnung 15A der zweiten Scheibe 15. Eine kegelstumpfförmige Öffnung 18A, die entlang der Z-Achse verläuft und von einem Querschnitt ist, der in Richtung der Schale 11 abnimmt, ist in der Nabe 18 vorgesehen, und die bereits erwähnte Vorrichtung 30 ist in der Öffnung 18A angeordnet.
In dieser Ausführungsform weist die Vorrichtung 30 einen äußeren Kegel 31 (genauer: einen Kegelstumpf) und einen inneren Kegel 32 (eigentlich ebenfalls: einen Kegelstumpf) auf, der entlang der Z-Achse ausgerichtet und in die kegelstumpfförmige Öffnung 18 des nabenähnlichen Bereichs 16 der dritten Scheibe 17 aufgenommen ist.
Der äußere und innere Kegel 31, 32 sind ineinander angeordnet, so dass sie einen im wesentlichen ringförmigen Spalt 33 mit einer Breite von weniger als 1 mm bilden, um die gewünschte Geschwindigkeit des pulverförmigen Stroms zu erreichen. Die Kegel 31, 32 sind miteinander durch Stäbe (nicht gezeigt) verbunden, um ihre gegenseitige Einstellung und folglicherweise die Breite des Spalts 33, bevorzugterweise in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm, zu verändern. In jedem Fall hat der pulverförmige Strom die Form von einer kegelförmigen Oberfläche, die ihre Spitze in einem Punkt P des Zielgebiets, nämlich des Trägermaterials S in der dargestellten Ausführungsform, hat. Die Geschwindigkeit des pulverförmigen Stroms überschreitet 20 m/s nicht.
Der innere Kegel 32 der Vorrichtung 30 hat, wie nachfolgend besser beschrieben, einen kegelstumpfförmigen Kanal 34 für den Laserstrahl LB, der entlang der Z-Achse ausgerichtet ist und der einen Querschnitt hat, der sich in Richtung der Schale 11 der formgebenden Kammer 10 verringert. Der Spitzenwinkel des Kanals 34 ist in 2 mit β angegeben.
Die Einheit 35 zum Zuführen des Pulvers zu der Vorrichtung 30 – die am besten in 4 gesehen werden kann und eine wichtige Rolle bei der Erfindung spielt – besteht im Wesentlichen aus einer Bürste 36 mit Borsten, die auf einer sich im Uhrzeigersinn drehenden, motorisierten Achse 36a befestigt ist. Die Bürste 36 ist in einem Gehäuse 37 aufgenommen, das eine obere Abdeckung 38a mit einer Öffnung 39, die mit dem Vorratsbehälter 90 des Trägergases verbunden ist, sowie eine untere Abdeckung 38b, hat. Die Bürste 36 dient zu der Ablösung der Partikel, die von einem Vorratsbehälter 42, wo sie in fester Form gelagert sind, zugeführt werden. Ein Kolben 40, aufgenommen in der unteren Abdeckung 38b, drängt das in dem Vorratsbehälter 42 gelagerte Pulver gegen die stromaufwärtige Seite der Bürste 36. Ein flaches, tangential zu der Bürste 36 an seiner stromabwärtigen Seite angeordnetes Bauteil 41 verdrückt die elastisch verformbaren Borsten der rotierenden Bürste 36, und die Partikel werden aus der Bürste 36 herausgeschleudert, während sie in den unverformten Zustand gelangt, und ein Aerosol mit festen Partikeln PA wird ausgehend von den abgestoßenen Partikeln und dem durch die Öffnung 39 zugeführten Trägergas erzeugt. Mehrere Einzelheiten über eine Pulverzuführeinheit des beschriebenen Typs und seiner Verwendung können in dem deutschen Gebrauchsmuster 2002 06 14 U1 , veröffentlicht am 12.4.2001, das hier ausdrücklich als Bezug eingetragen ist, gefunden werden. Auf Grund dieses Aufbaus der Zuführeinheit 35, haben die Partikel in dem Aerosol mit festen Partikeln PA eine gesteuerte Größenverteilung, insbesondere sind 90 Gewichts-% der Partikel von einer Größe in dem Bereich von 0,5 bis 20 μm. Die Pulverzuführeinrichtung kann ebenfalls in einer Weise ausgeführt sein, in der sie zwei oder mehrere Pulvervorratsbehälter aufweist, von denen jede ein materialspezifisches Pulver, wie oben erwähnt, enthält.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung wird das in der, wie oben beschriebenen, Pulverzuführeinheit 35 erzeugte Aerosol mit festen Partikeln PA zu der Vorrichtung 30 zugeführt, wovon es in die formgebende Kammer 12 durch einen ringförmigen Spalt 33 heraus kommt. Das Aerosol mit festen Partikeln PA bildet den pulverförmigen Strom mit der Form einer kegelförmigen Oberfläche mit einer auf dem Zielgebiet, nämlich dem Trägermaterial S in der dargestellten Ausführungsform, positionierten Spitze P, und Z ist die Achse der konischen Oberfläche, die einen spitzen Winkel α von weniger als 45° hat. Zumindestens während der Bildung des Gegenstands in der vorlie genden Vorrichtung werden die Kegel 31 und 32 und die Stäbe, die die Kegel miteinander verbinden, durch die Ultraschallvorrichtung 60 in Schwingung gehalten. So werden die Partikel in dem Aerosol mit festen Partikeln PA am Zusammenballen und Haften an den gegenüberliegenden inneren Oberflächen der Kegel 31 und 32, die den Spalt 33 festlegen, gehindert.
Gemäß einem anderen wichtigen Merkmal der Erfindung wird der Laserstrahl LB – der durch die Quelle 45 erzeugt, durch die Zielvorrichtung 47, die durch eine konventionelle Anordnung von Optiken gebildet wird, gerichtet wird – dazu veranlasst, durch den kegelförmigen Kanal 34 des inneren Kegels 32 der Vorrichtung 30 hindurch zu gehen, und folglicherweise ist er von einer kegelförmigen Form mit einem Winkel, der im wesentlichen gleich dem Spitzenwinkel β des Kanals 34 ist. Der Winkel β des kegelförmigen Laserstrahls LB ist in jedem Fall kleiner als der zugehörige Spitzenwinkel α des gleichzeitig erzeugten kegelförmigen Pulverstroms. Der Laserstrahl LB ist, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung, abgestimmt mit der Größenverteilung der Partikel in dem pulverförmigen Strom, nämlich übersteigt die Gewichtsmehrheit der Partikel in der Größenverteilung nicht die Breite des Laserstrahls LB. Im Speziellen wird, bei Gegenständen mit einer großen Genauigkeit oder Abschnitten davon, es so gewählt, dass ungefähr 90% der Partikel eine Größe in dem Bereich von 0,5 bis 20 μm aufweisen, und der Fokusdurchmesser des Laserstrahls LB folglicherweise 20 μm nicht übersteigt. Für weitere Anwendungen, wo eine solche hohe Genauigkeit der hergestellten Gegenstände entweder nicht erforderlich ist oder nur an bestimmten Abschnitten des Gegenstands erforderlich ist, ist es vorgesehen, den Fokusdurchmesser bis zu einer Größe von 150 μm mit einer entsprechenden Erhöhung der Leistung des Laserstrahls LB aufzuweiten.
Gemäß der Erfindung wird ein Gegenstand wie folgt hergestellt. Das Aerosol mit festen Partikeln PA (wie oben spezifiziert, bestehend aus einer oder mehreren Phasen) wird von der Einheit 35 der Vorrichtung 30 zugeführt, und wird hierin ein pulverförmiger Strom von einer Kegelform, der in die formgebende Kammer 12, genauer auf ein Zielgebiet, nämlich das Trägermaterial S in der dargestellten Ausführungsform, gerichtet ist.
Gleichzeitig wird der Laserstrahl LB ebenfalls auf die Spitze P des kegelförmigen Pulverstroms fokussiert, die auf dem Zielgebiet (Trägermaterial S) liegt. In der Zwischenzeit, während der gesamten Herstellung des gewünschten Gegenstands, wird ständig eine zumindest zweidimensionale relative Bewegung zwischen dem Zielgebiet, dem pulverförmigen Strom und dem Laserstrahl dank den bereits erwähnten Antriebsmitteln aufrecht erhalten. In der dargestellten Ausführungsform wird die Schale 11 entlang dem Rand 13 in Richtung der vertikalen Z-Achse auf und ab bewegt und möglicherweise ebenfalls um die selbe Achse gedreht, während die ganze Vorrichtung 30 auf einer horizontalen Ebene mit der dritten Scheibe 17 in dem Spalt zwischen den flachen Flächen der ersten und zweiten Scheibe 14 und 15 bewegt wird, und wenn nötig die Basis 16 ebenfalls um eine horizontale Achse X mit der Welle 20 gedreht wird. Alle diese Bewegungen werden durch eine programmierbare Steuerungseinheit 50 in Abhängigkeit von der Konstruktion des herzustellenden Gegenstands gesteuert.
Aufgrund der oben beschriebenen Merkmale wird das Pulver des Aerosols mit festen Partikel PA unmittelbar und in einem einzigen Schritt direkt auf dem Trägermaterial S gesintert, und so ein gewünschter und mit Hilfe eines CAD/CAM-Systems konstruierter dreidimensionaler Festkörper, hergestellt. Im Speziellen erlaubt die Erfindung die Verwirklichung von dreidi mensionalen Festkörpern mit einem Durchlassbereich, der nicht nur besser als 50 μm, sondern sogar unterhalb von 10 μm ist.
Die folgenden Faktoren spielen eine wichtige Rolle in der beanspruchten Ausführung:

– Die hochpräzise Überwachung der Sintertemperatur, die durch eine Steuerung der Leistung des Laserstrahls LB, ausgeführt durch einen PID-(Proportional-Integral-Differential)Algorithmus, abgesichert wird. Dieser Faktor ist von einer besonderen Bedeutung für eine gute und industriell reproduzierbare Qualität der gemäß der Erfindung hergestellten Gegenstände;
– die Umsetzung einer prozessbegleitenden Form- und Dickenkontrolle, die es erlaubt, den momentanen Zustand der Herstellung des Gegenstands zu prüfen;
– die Durchführung einer außerhalb des Prozesses durchgeführten visuellen Kontrolle, verwirklicht durch ein elektronisches Mikroskop mit einer großen Auflösung, das einerseits ermöglicht, die erreichten Ergebnisse zu sehen, und andererseits die erreichte räumliche Auflösung bewertet;
– die Steuerung des Sauerstoffgehalts innerhalb der formgebenden Kammer 12;
– die Anwendung des heißisostatischen Pressens (HIP), was die Elimination jeglicher innerer Restporosität und das Erreichen der vollen Dichte in dem hergestellten Gegenstand erlaubt.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung, die insbesondere vorteilhaft ist, wenn anorganisches Material verwendet wird, um das Aerosol mit festen Partikeln PA, bestehend aus zwei oder mehr als zwei Phasen, zu erhalten. Da die meisten Teile die gleichen wie in der vorbeschriebenen Ausführungsform bleiben, behalten sie das gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben. Ebenso ist das resultierende Verfahren das selbe der ersten Ausführungsform.
Der Laserstrahl LB wird durch den kegelförmigen Kanal 73 eines Anspitzers 70 auf das Zielgebiet, nämlich auf das Trägermaterial S, angeordnet in der Vertiefung 16A der Basis 16, die in der formgebenden Vorrichtung 10 eingerichtet ist, wobei das Bezugszeichen 12 wieder die formgebende Kammer bezeichnet, gerichtet. Der Anspitzer 70 wird durch einstellbare Mittel (nicht gezeigt) durch die dritte Scheibe 17 gelagert, die ebenfalls eine Mehrzahl von dünnen Rohren 75 lagert, die mit den zugehörigen Zuführeinheiten (die vom oben beschriebenen Typ sind) der verschiedenen Phasen des anorganischen Materials verbunden sind, die verwendet werden, um das Aerosol mit festen Partikeln PA zu erhalten. Die Rohre 75 werden durch die dritte Scheibe 17 in einer solchen Weise gelagert, dass ihre Achsen T1, T2, etc. in einem Winkel α angeordnet sind, der 45° nicht überschreitet, und während des Betriebs der Vorrichtung in Schwingung gehalten werden. So ist der entstehende pulverförmige Strom in der Form einer kegelförmigen Oberfläche mit einem Punkt P auf dem Zielgebiet (nämlich dem Trägermaterial S in der dargestellten Ausführungsform) als Spitze und der Spitzenwinkel α (wie oben erwähnt, von weniger als 45°) ist breiter als der Spitzenwinkel β des kegelförmigen Laserstrahls LB, der durch den Kanal 73 des Anspitzers 70 festgelegt wird. Als ein Ergebnis wird der pulverförmige Strom, erhalten von dem Aerosol mit festen Partikeln PA, unmittelbar und in einem einzigen Schritt direkt auf dem Zielgebiet (Trägermaterial) S gesintert, und der gewünschte dreidimensionale Gegenstand wird dank der, durch die oben erwähnten Antriebsmittel abgesicherten, zumindest zweidimensionalen relativen Bewegung zwischen dem Zielgebiet, dem pulverförmigen Strom und dem Laserstrahl, hergestellt.
Aus der vorangehenden Beschreibung können die Vorteile der Erfindung wie folgt zusammengefasst werden:

(a) Die Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers findet auf Grund des Umstands, dass das Pulver direkt durch den Laserstrahl gesintert wird, in einem einzigen Schritt statt. Sodann ist die Herstellung, vom industriellen Gesichtspunkt aus, effizienter, als wenn die Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik verwendet werden;
(b) die verwendeten anorganischen Materialien können ebenfalls aus zwei oder mehreren pulverförmigen Typen (jeder bestehend aus einer unterschiedlichen Phase) bestehen, die zu verschiedenen Zeitpunkten unter den Laserstrahl LB zugeführt werden. In dem besagten Fall kann die Leistung des Laserstrahls so gewählt werden, um zu erreichen, dass nur die Phasen mit einer niedrigeren Schmelztemperatur tatsächlich an der Spitze der kegelförmigen Oberfläche des pulverförmigen Stroms geschmolzen werden. So können verschiedene Materialtypen in einer einzigen Schicht aufgebracht werden, und das ganze Teil kann mit verschiedenen Materialgradienten auf der Skala der räumlichen Auflösung aufgebaut werden;
(c) die erreichbare Genauigkeit ist aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen den Mitteln, die den Pulverstrom erzeugen und leiten, und den Mitteln, die den Laserstrahl leiten, hoch;
(d) ein hoher Abbildungsgrad kann auf Grund der kleinen Abmessungen des Laserstrahls und der Partikel in dem pulverförmigen Strom, und ebenfalls auf Grund der Gleichmäßigkeit, die durch Aufrechterhalten des Schwingens der Düse und der Vorsorgungsrohre, die den pulverförmigen Strom erzeugen, so dass das Pulver daran gehindert wird daran anzuhaften, gesichert wird, erreicht werden;
(e) da es möglich ist, entweder die Breite des Spalts in der Vorrichtung 30 der ersten Ausführungsform, oder die schräge Anordnungen der Versorgungsrohre 75 der zweiten Ausführungsform einzustellen, kann die Produktionsrate variiert werden.

Andere Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sollten innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche entwickelt werden, wie z. B.:

– Statt die Schale in der formgebenden Kammer zu bewegen, sollten der Laserstrahl, und die Düse und die Versorgungsrohre, die den pulverförmigen Strom erzeugen, bewegt werden, um zumindest eine zweidimensionale relative Bewegung zu erhalten;
– der pulverförmige Strom sollte direkt auf ein Zielgebiet, wo kein Trägermaterial vorgesehen ist, gerichtet werden;
– anstatt durch einen Laserstrahl sollte das erhitzende Flussmittel zum Sintern des anorganischen Materials entweder durch eine Induktionsspule, koaxial zu dem pulverförmigen Strom, oder durch einen Infrarotheizapparat oder durch einen Elektronenstrahl oder Mikrowellengenerator erzeugt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers mit einer räumlichen Auflösung oder einem Durchlassbereich, besser als 50 μm, aus anorganischen Partikeln, gebildet aus mehr als einer Phase, und einer gesteuerten Größenverteilung, worin mindestens ein pulverförmiger Strom aus den Partikeln und mindestens ein erhitzendes Flussmittel gleichzeitig auf ein starres Zielgebiet gerichtet sind, während eine mindestens zweidimensionale Relativbewegung zwischen dem Zielgebiet, dem pulverförmigen Strom und dem erhitzenden Flussmittel aufrechterhalten wird, und worin der pulverförmige Strom die Form einer kegelförmigen Oberfläche, als seine Achse (Z) die Richtung des erhitzenden Flussmittels, und seine Spitze (P) auf dem Zielgebiet, und einen Spitzenwinkel (α), der 45° nicht überschreitet, hat, gekennzeichnet dadurch, dass die Größenverteilung der Partikel auf solche Weise gewählt wird, dass 90 Gewichts-% der Partikel eine Größe haben, die im Bereich von 0,5 bis 20 μm eingeschlossen sind, die Partikel aus zusammengeballten Kristalliten mit einer Größe von unterhalb 10^–7 m bestehen und im pulverförmigen Strom mit mindestens einem Trägergas gemischt sind, um somit ein Aerosol mit festen Partikeln zu bilden, und das erhitzende Flussmittel so gewählt ist, dass es auf dem Zielgebiet eine Breite hat, die 20 μm nicht überschreitet, mit dem Ergebnis, dass der Gegenstand in einem einzigen Arbeitsgang durch Sintern der Partikel direkt auf dem Zielgebiet hergestellt wird, und dass die Partikel in wählbaren, unterschiedlichen pulverförmigen Strömen durch zumindest zwei Phasen gebildet werden, wobei eine erste Phase 85 Volumen-% der Partikel nicht übersteigt, und die Summe der anderen Phasen mindestens 15 Volumen-% der Partikel ist, und eine Schmelztemperatur in °C niedriger als 80% der Schmelztemperatur der ersten Phase hat, wobei nur die niedrigschmelzenden Phasen tatsächlich während des einzigen Arbeitsgangs geschmolzen werden.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der pulverförmige Strom mit einer Geschwindigkeit auf das Zielgebiet gerichtet ist, die 20 m/s nicht überschreitet.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Zielgebiet ein starres Trägermaterial (S) aufweist, auf einer starren Basis (16) positioniert ist, die in einer Formgebungskammer (12) beweglich gelagert ist, die sich unterhalb der starren Basis (16) in Form eines Bechers (11) nach unten erstreckt, die bei einer geregelten Atmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt, der 100 ppm nicht überschreitet, durch einen Tiefdruck, der in der Formgebungskammer (12) gebildet wird, aufrechterhalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Partikel durch Ultraschallmittel am Zusammenballen und Aneinanderhaften während des Flusses gehindert werden, bevor sie auf das Zielgebiet gerichtet werden.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass es vollständig durch ein CAD/CAM-System gesteuert ist.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das erhitzende Flussmittel aus einem kegelförmigen Laserstrahl (LB) mit einem Spitzenwinkel (β) besteht, der geringer ist als der Spitzenwinkel (α) der kegelförmigen Oberfläche, die durch den pulverförmigen Strom gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern von anorganischen Partikeln einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass, um Abschnitte des Gegenstands, wo die hohe Genauigkeit, die eine räumliche Auflösung besser als 50 μm bedingt, nicht erforderlich ist, herzustellen, der Fokussierungsdurchmesser des Laserstrahls (LB) bis auf 150 μm, mit einer einhergehenden Erhöhung der Größe der Partikel im pulverförmigen Strom, erhöht wird.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass das erhitzende Flussmittel durch eines der folgenden Mittel erzeugt wird: eine elektromagnetische Induktionsspule, koaxial zu dem pulverförmigen Strom angeordnet, einen strahlenden Hitzegenerator, wie einen Infrarotheizapparat, einen Elektronenstrahl, einen Mikrowellengenerator.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass es einen abschließenden Schritt umfasst, der aus einem isostatischen Pressen bei hoher Temperatur besteht, um jegliche innere Restporosität zu beseitigen und eine volle Dichte in dem hergestellten Gegenstands zu erreichen.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers, mit einer räumlichen Auflösung besser als 50 μm, durch Sintern anorganischer Partikel mit einer gesteuerten Größenverteilung, und Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend: – ein starres Zielgebiet, – Mittel, das ein korrelierendes erhitzendes Flussmittel erzeugt, – Mittel, das zumindest einen pulverförmigen Strom, aus anorganischen festen Partikeln, mit einer gesteuerten Größenverteilung, erzeugt, und eine Vorrichtung (30) umfasst, gebildet durch einen ersten und einen zweiten, zueinander einstellbaren Kegel (31, 32), die so untereinander verbunden sind, dass ein einstellbarer ringförmiger Spalt (33) zwischen den Kegeln (31, 32) gebildet wird, die ihre Achse (Z) gemeinsam mit dem erhitzenden Flussmittel haben, wobei der pulverförmige Strom die Form einer kegelförmigen Oberfläche hat, – Antriebsmittel zur Bereitstellung einer zumindest zweidimensionalen Relativbewegung zwischen dem Zielgebiet, der Vorrichtung (30), die den pulverförmigen Strom erzeugt, und dem erhitzenden Flussmittel, wobei die Partikel des pulverförmigen Stroms durch das erhitzende Flussmittel aufgeheizt sind, um so in einem einzigen Arbeitsgang direkt auf das Zielgebiet gesintert zu werden, gekennzeichnet dadurch, dass das Zielgebiet auf einer starren Basis (16), gelagert in einer Formgebungskammer (12), die sich unterhalb der Basis (16) in Form eines Bechers (11) erstreckt, vorgesehen ist, ein Anschlussstück (19) am Boden des Bechers (11) für den Anschluss durch rohrförmige Mittel an eine Vakuumquelle angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel mit einer gesteuerten Größenverteilung, und Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend: – ein starres Zielgebiet, – Mittel, das ein korrelierendes erhitzendes Flussmittel erzeugt, – Mittel, das zumindest einen pulverförmigen Strom, aus anorganischen festen Partikeln einer gesteuerten Größenverteilung, erzeugt, bestehend aus einer Vielzahl von geradlinigen Rohrleitungen (75), die ihre Achsen (T1, T2, ...) im selben Winkel (α), in Bezug auf die Achse (Z) des geradlinigen erhitzenden Flussmittels, in solcher Weise geneigt haben, dass der pulverförmige Strom in der Form einer kegelförmigen Oberfläche koaxial mit dem erhitzenden Flussmittel ist, – Antriebsmittel zur Bereitstellung einer zumindest zweidimensionalen Relativbewegung zwischen dem Zielgebiet, den geradlinigen Rohrleitungen (75) und dem erhitzenden Flussmittel, wobei die Partikel des pulverförmigen Stroms durch das erhitzende Flussmittel aufgeheizt sind, um so in einem einzigen Arbeitsgang direkt auf das Zielgebiet gesintert zu werden, gekennzeichnet dadurch, dass das Zielgebiet auf einer starren Basis (16), gelagert in einer Formgebungskammer (12), die sich unterhalb der Basis (16) in Form eines Bechers (11) erstreckt, vorgesehen ist, ein Anschlussstück (19) am Boden des Bechers (11) für den Anschluss durch rohrförmige Mittel an eine Vakuumquelle angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, aufweisend: – eine Emissionsquelle (40) eines Laserstrahls (LB), als Mittel, um das erhitzende Flussmittel zu erzeugen, wobei die Emissionsquelle verbunden mit dem bekannten Fokussiermittel (47) ist, und – eine Vorrichtung (65), z. B. eine hoch auflösende CCD-Kamera für eine prozessgekoppelte Form- und Dickenkontrolle des hergestellten Körpers.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, dass sie eine elektromagnetische Induktionsspule, angeordnet als Mittel zur Erzeugung des erhitzenden Flussmittels, aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 gekennzeichnet dadurch, dass sie einen Infrarotwärmeerzeuger, oder einen Elektronenstrahl- oder Mikrowellenerzeuger, als Mittel zur Erzeugung des erhitzenden Flussmittels aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, aufweisend eine Pulverzuführungsvorrichtung mit einer rotierenden Bürste (36), einem Element (41) zur elastischen Verformung der Bürste (36) und versorgt mit einem Trägergas, um den pulverförmigen Strom zur Formgebungskammer als Aerosol mit festen Partikeln (PA) zuzuführen, gekennzeichnet dadurch, dass sie ferner Ultraschallmittel aufweist, um zumindest bei einem Teil der Pulverzuführungsvorrichtung das Vibrieren aufrechtzuerhalten, um die Partikel vom Zusammenballen und Aneinanderhaften während des Flusses zu bewahren, bevor sie auf das Zielgebiet gelenkt werden.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Festkörpers durch Sintern anorganischer Partikel einer gesteuerten Größenverteilung, gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet dadurch, dass es an sich bekannte Messgeräte, vorzugsweise ein Pyrometer (80), gerichtet auf das Zielgebiet und einen damit verbundenen Steuerschrank (85) einschließt, um die Temperatur in dem Zielgebiet (11) zu überwachen.