DE69031061T2

DE69031061T2 - Mehrmaterialsysteme zum Sintern mit selektiver Strahlung unter Anwendung von Pulver

Info

Publication number: DE69031061T2
Application number: DE69031061T
Authority: DE
Inventors: Joel W Barlow; Joseph J Beaman; David L Bourell; Carl R Deckard; Harris L Marcus
Original assignee: University of Texas System
Current assignee: University of Texas System
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2010-09-05
Also published as: EP0416852A3; AU6206590A; DE69031808T2; EP0416852B1; ES2104588T3; CA2024592A1; ES2111408T3; DE69031808D1; CA2024592C; EP0416852B2; DE69031061D1; AU643700B2; ATE155381T1; DK0714725T3; EP0416852A2; DE69031061T3; JPH03183530A; ATE160960T1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren, das einen gerichteten Energiestrahl anwendet, um ein Pulver selektiv zu sintern, um ein Teil herzustellen. Dieses Verfahren wendet eine computergestützte Laservorrichtung an, die sequentiell mehrere Schichten des Pulvers sintert, um das gewünschte Teil Schicht um Schicht aufzubauen. Das vorliegende Verfahren benutzt ein Pulver, das mehrere Pulver in Kombination aufweist, wobei jedes Pulver aus einem Material besteht, das eine Bindetemperatur aufweist, die der des anderen Materials entspricht oder davon abweichend sein kann, und wobei ein Pulver dissoziiert ist und aus einem Material besteht, das eine Dissoziationstemperatur aufweist, die der des anderen entspricht oder davon abweichend sein kann.
Die Wirtschaftlichkeit, die mit den konventionellen Herstellungsverfahren für Teile verbunden ist, zeigt im allgemeinen eine direkte Beziehung zur Menge der herzustellenden Teile und zu den gewünschten Materialeigenschaften der fertigen Teile. Beispielsweise sind die großtechnischen Herstellungsverfahren des Gießens und Extrudierens oftmals kostenwirksam, aber diese Herstellungsverfahren sind im allgemeinen bei kleinen Mengen nicht akzeptabel - d.h., bei Ersatzteilen oder der Herstellung von Prototypen. Viele derartige konventionelle Verfahren zur Herstellung von Teilen erfordern eine kostspielige teilespezifische Werkzeugausrüstung. Sogar die Pulvermetallurgie erfordert eine Form für das Formen des Pulvers, wodurch die Pulvermetallurgie als Verfahren für die Herstellung einer kleinen Anzahl von Teilen unattraktiv ist.
Wo nur eine kleine Anzahl von Teilen gewünscht wird, werden die konventionellen Herstellungsverfahren, die ein Verfahren der subtraktiven Bearbeitung einschließen, meistens angewandt, um das gewünschte Teil herzustellen. Bei derartigen subtraktiven Verfahren wird das Material aus einem Ausgangsblock des Materials herausgeschnitten, um eine kompliziertere Form herzustellen. Beispiele für substraktive Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen umfassen: das Fräsen, Bohren, Schleifen, Drehen, Schneidbrennen, die elektrische Entladungsmaschine, usw. Wenn derartige konventionelle subtraktive Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen meistens auch bei der Herstellung des gewünschten Teils effektiv sind, zeigen sie in vieler Hinsicht Mängel.
Erstens, derartige konventionelle substraktive Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen produzieren eine große Menge an Materialabfall, der zu beseitigen ist. Außerdem schließen derartige Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen meistens zu Beginn einen großen Aufwand für die Aufstellung des richtigen Ablaufs der maschinellen Bearbeitung und die Anordnung der Werkzeuge ein. Als solche ist die Vorbereitungszeit nicht nur kostspielig, sondern sie verläßt sich auch in starkem Maße auf die menschliche Beurteilung und Erfahrung. Diese Probleme werden natürlich verstärkt, wenn nur eine kleine Anzahl von Teilen hergestellt werden soll.
Eine weitere Schwierigkeit in Verbindung mit derartigen konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung schließt den Verschleiß der Werkzeuge ein - was nicht nur die Kosten der Auswechslung einschließt, sondern ebenfalls die Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung verringert, wenn das Werkzeug einen Verschleiß zeigt. Eine weitere Beschränkung hinsichtlich Genauigkeit und Toleranz eines Teils, das mittels der konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung hergestellt wird, sind die Toleranzgrenzen, die der betreffenden Werkzeugmaschine eigen sind. Beispielsweise werden bei einer konventionellen Fräsmaschine oder Drehmaschine die Leitspindeln und Führungen mit einer gewissen Toleranz hergestellt, die die Toleranzen einschränkt, die bei der Fertigung eines Teils auf der Werkzeugmaschine erreichbar sind. Natürlich werden die erreichbaren Toleranzen mit dem Alter der Werkzeugmaschine verringert.
Die letzte Schwierigkeit in Verbindung mit derartigen konventionellen subtraktiven Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen ist die Schwierigkeit oder Unmöglichkeit der Herstellung vieler Formen von Teilen. Das heißt, die konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung sind am besten für die Herstellung von symmetrischen Teilen und solchen Teilen geeignet, wo nur der äußere Teil maschinell bearbeitet wird. Wo jedoch ein gewünschtes Teil eine ungewöhnliche Form oder innere Merkmale aufweist, wird die maschinelle Bearbeitung schwieriger, und ziemlich oft muß das Teil für die Fertigung in Segmente unterteilt werden. In vielen Fällen ist eine spezielle Form des Teils wegen der Beschränkungen nicht möglich, die hinsichtlich der Anordnung des Werkzeuges am Teil auferlegt werden. Somit gestatten die Größe und der Aufbau des Schnittwerkzeuges nicht den Zugang des Werkzeuges, um die gewünschte Form herzustellen.
Es gibt weitere Verfahren der maschinellen Bearbeitung, die additiv sind, beispielsweise das Galvanisieren, Plattieren, und einige Schweißverfahren sind dahingehend additiv, daß das Material zum Ausgangssubstrat hinzugefügt wird. In den letzten Jahren wurden weitere additive Verfahren der maschinellen Bearbeitung entwickelt, bei denen ein Laserstrahl angewendet wird, um das Material auf einem Ausgangsartikel aufzutragen. Beispiele umfassen die U.S.Patente Nr. 4117302; 4474861; 4300474 und 4323756. Diese jüngsten Anwendungen der Laser waren hauptsächlich darauf begrenzt, eine Beschichtung auf einen vorher maschinell bearbeiteten Artikel aufzubringen. Oftmals wurden derartige Beschichtungsverfahren mittels Laser angewandt, um bestimmte metallurgische Eigenschaften zu erreichen, die nur durch derartige Beschichtungsverfahren erhalten werden können. Im typischen Fall wird bei derartigen Beschichtungsverfahren mittels Laser der Ausgangsartikel gedreht, und der Laser wird auf eine unveränderliche Stelle ausgerichtet, wobei das Beschichtungsmaterial auf den Artikel gespritzt wird, so daß der Laser das Beschichtungsmaterial auf dem Artikel schmelzen wird.
Zusätzlich wird ein Verfahren für das Verdichten eines Materials in Pulverform zu einer kohärenten Masse vor dem Sintern vorgeschlagen. Ein Beispiel umfaßt das U.S.Patent Nr. 4752352.
Die WO 88/02677 offenbart ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das EP-A-0221276 beschreibt ein Verfahren für die Bildung einer Hochtemperaturverbundschicht zur Oberflächenbehandlung eines Substrates, um die Beständigkeit des Produktes gegen Korrosion, Wärme und Verschleiß zu verbessern. Das Verfahren umfaßt das Verteilen einer Mischung von Materialien, wie beispielsweise Keramikpulver eines Metallkarbides, gemischt mit einem Metallpulver, das Silizium und ein Metall enthält, das mit dem Silizium eine intermetallische Verbindung bilden wird, über dem Substrat. Ein Hochleistungslaser (z.B. 2 kW) bestrahlt die Pulvermischung auf der Oberfläche des Substrates, um die gewünschte Oberflächenbehandlung zu bewirken.
Die vorangehend aufgezeigten Probleme werden in starkem Maße durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gelöst. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines Teils vorgelegt, das die folgenden Schritte aufweist: Auftragen einer Pulverschicht auf eine Zielfläche; Bestrahlen eines ausgewählten Teils des Pulvers entsprechend einem Querschnittsbereich des herzustellenden Teils mit einem gerichteten Energiestrahl; Wiederholen der Schritte des Auftragens und Bestrahlens für eine Vielzahl von Schichten, so daß die gebundenen Abschnitte der benachbarten Schichten aneinander gebunden werden, um eine Masse zu bilden; und Entfernen der ungebundenen Teile des Pulvers, um die Masse zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver Teilchen aus einem ersten Material aufweist, das mit einem zweiten Material beschichtet ist, wobei das zweite Material eine niedrigere Erweichungstemperatur als das erste Material aufweist, und wobei der Schritte des Bestrahlens dazu führt, daß das zweite Material im ausgewählten Teil des Pulvers die Teilchen des ersten Materials an den bestrahlten Stellen bindet; und dadurch, daß die erhaltene Masse nach dem Schritt des Entfernens spannungsfrei gemacht wird.
Das vorliegende Verfahren umfaßt daher einen gerichteten Energiestrahl - wie beispielsweise einen Laser - und ist so ausgelegt, daß fast jedes dreidimensionale Teil hergestellt werden kann. Das Verfahren ist ein additives Verfahren, bei dem das Pulver in eine Zielfläche verteilt wird, wo der Laser selektiv einen Teil des Pulvers sintert, um eine gesinterte Schicht herzustellen. Es wird bei einer Temperatur gesintert, die einen viskosen Fluß bewirkt, beispielsweise an den benachbarten Grenzen der Teilchen des Pulvers, wobei mindestens ein gewisser Teil eines jeden Teilchens fest bleibt. Ein derartiges Sintern bewirkt, daß die Dichte des gesinterten Teils zunimmt, wenn man mit der Schüttdichte jenes Teils des Pulvers vergleicht, bevor es gesintert wurde, und ein Teil, das durch das schichtweise Verbinden von mehreren Schichten gebildet wird, wird daher autogen verdichtet sein. Das Verfahren ist nicht auf eine spezielle Art des Pulvers beschränkt, sondern ist vielmehr für Kunststoff-, Metall-, Polymer-, Keramik-, Wachs-, Halbleiter- oder amorphe Pulver oder Pulver aus Verbundmaterial anwendbar. Das Verfahren kann bei Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt werden, die einen Laser oder eine andere gerichtete Energiequelle umfaßt, die für das Emittieren eines Strahles in eine Zielfläche, wo das Teil hergestellt wird, auswählbar ist. Ein Pulververteilungssystem trägt das Pulver in der Zielfläche auf. Ein Steuermechanismus des Lasers funktioniert, um das Ziel des Laserstrahles zu bewegen, und er moduliert den Laser so, daß selektiv eine Schicht des Pulvers gesintert wird, das in der Zielfläche verteilt ist. Der Steuermechanismus funktioniert so, daß selektiv nur das Pulver gesintert wird, das innerhalb der bestimmten Grenzen angeordnet ist, um die gewünschte Schicht des Teils herzustellen. Der Steuermechanismus betätigt den Laser so, daß selektiv sequentielle Schichten des Pulvers gesintert werden, wodurch ein fertiges Teil hergestellt wird, das eine Vielzahl von miteinander gesinterten Schichten aufweist. Die festgelegten Grenzen einer jeden Schicht entsprechen den betreffenden Querschnittsbereichen des Teils. Vorzugsweise umfaßt der Steuermechanismus einen Computer - beispielsweise ein CAD/CAM-System - um die festgelegten Grenzen für jede Schicht zu bestimmen. Das heißt, sind die gesamten Abmessungen und die Form des Teils angegeben, ermittelt der Computer die festgelegten Grenzen für jede Schicht und betätigt den Steuermechanismus des Lasers entsprechend den festgelegten Grenzen. Alternativ dazu kann der Computer anfangs mit den festgelegten Grenzen einer jeden Schicht programmiert werden. Eine Vorrichtung dieser Ausführung wird im WO 88/02677 beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführung umfaßt der Steuermechanismus des Lasers einen Mechanismus für das Ausrichten des Laserstrahles in die Zielfläche und einen Mechanismus für die Modulation der Ein- und Ausschaltung des Laserstrahles, um das Pulver in der Zielfläche selektiv zu sintern. Bei einer Ausführung funktioniert der Mechanismus für das Ausrichten so, daß das Ziel des Laserstrahles in einer kontinuierlichen Rasterabtastung der Zielfläche bewegt wird. Der Modulationsmechanismus schaltet den Laserstrahl ein und aus, so daß das Pulver nur gesintert wird, wenn das Ziel des Laserstrahles innerhalb der festgelegten Grenzen für die spezielle Schicht zu finden ist. Alternativ dazu lenkt der Mechanismus für das Ausrichten den Laserstrahl nur innerhalb der festgelegten Grenzen für die spezielle Schicht, so daß der Laserstrahl kontinuierlich eingeschaltet bleiben kann, um das Pulver innerhalb der festgelegten Grenzen für die spezielle Schicht zu sintern.
Der Mechanismus für das Ausrichten kann den Laserstrahl in einer sich wiederholenden Rasterabtastung der Zielfläche bei Benutzung eines Paares Spiegel, die durch Galvanometer angetrieben werden, bewegen. Der erste Spiegel reflektiert den Laserstrahl zum zweiten Spiegel, der den Strahl in die Zielfläche reflektiert. Die Verschiebebewegung des ersten Spiegels durch sein Galvanometer verschiebt den Laserstrahl im allgemeinen in eine Richtung in die Zielfläche Gleichermaßen verschiebt die Verschiebebewegung des zweiten Spiegels durch sein Galvanometer den Laserstrahl in die Zielfläche in einer zweiten Richtung. Vorzugsweise sind die Spiegel relativ zueinander so orientiert, daß die erste und die zweite Richtung im allgemeinen senkrecht zueinander verlaufen. Eine derartige Anordnung gestattet viele unterschiedliche Arten von Abtastmustern des Laserstrahles in der Zielfläche, die das Rasterabtastmuster der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfassen.
Ein Verfahren für die Herstellung von Teilen entsprechend einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt die Stufen des Auftragens eines ersten Teils des Pulvers auf einer Zielfläche, der Abtastung des Zieles eines gerichteten Energiestrahles (vorzugsweise eines Lasers) über der Zielfläche und des Sinterns einer ersten Schicht des ersten Teils des Pulvers auf der Zielfläche Die erste Schicht entspricht einem ersten Querschnittsbereich des Teils. Das Pulver wird gesintert, indem die gerichtete Energiequelle betatigt wird, wenn sich das Ziel des Strahles innerhalb der Grenzen befindet, die die erste Schichten abgrenzen. Ein zweiter Teil des Pulvers wird auf die erste gesinterte Schicht aufgetragen, und das Ziel des Laserstrahles tastet über die erste gesinterte Schicht. Eine zweite Schicht des zweiten Pulverteils wird gesintert, indem die gerichtete Energiequelle betätigt wird, wenn sich das Ziel des Strahles innerhalb der Grenzen befindet, die die zweite Schicht abgrenzen. Das Sintern der zweiten Schicht verbindet ebenfalls die erste und die zweite Schicht zu einer kohäsiven Masse. Die aufeinanderfolgenden Teile des Pulvers werden auf die vorher gesinterten Schichten aufgetragen, wobei jede Schicht der Reihe nach gesintert wird. Das Pulver kann kontinuierlich in der Zielfläche aufgetragen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Laserstrahl so moduliert, daß er während der Rasterabtastung ein- und ausgeschaltet wird, so daß das Pulver gesintert wird, wenn das Ziel des Strahles innerhalb der Grenzen der speziellen Schicht ausgerichtet ist. Vorzugsweise wird der Laser durch einen Computer gesteuert; der Computer kann ein CAD/CAM-System umfassen, wobei dem Computer die gesamten Abmessungen und die Form des herzustellenden Teils vorgelegt werden, und der Computer die Grenzen eines jeden Querschnittsbereiches des Teils bestimmt. Bei Benutzung der festgelegten Grenzen steuert der Computer das Sintern einer jeden Schicht entsprechend den Querschnittsbereichen des Teils. Bei einer alternativen Ausführung wird der Computer einfach mit den Grenzen eines jeden Querschnittsbereiches des Teils programmiert.
Außerdem umfaßt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Pulver, das eine Vielzahl von Materialien aufweist, wobei die Vielzahl der Materialien mehr als eine Dissoziationstemperatur zeigt. Mit Dissoziationstemperatur meint man jene Temperatur, bei der sich ein Molekül in seine Bestandteile aufspaltet. Bei einer noch weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Pulver eine Vielzahl von Materialien auf, wobei die Vielzahl der Materialien mehr als eine Bindetemperatur zeigt. Mit Bindetemperatur meint man jene Temperatur, bei der das Pulver gesintert wird, wobei eine derartige Temperatur einen viskosen Fluß nur an den benachbarten Grenzen der Teilchen bewirkt, und wobei mindestens ein bestimmter Teil eines jeden Teilchens fest bleibt.
Bei einigen der bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Pulver, das mehrere Materialien in Kombination, ein Material mit einem anderen, aufweist, (i) eine Mischung eines ersten Materials, das mit einem zweiten Material gemischt wird, und das wahlweise mit einem dritten und weiteren Materialien gemischt wird; und (ii) ein erstes Material, das mit einem zweiten Material beschichtet ist, und das wahlweise mit einem dritten und weiteren Materialien beschichtet ist. Wenn es gemischt ist, kann ein erstes Pulver auf einer Zielfläche aufgetragen und gesintert werden, danach gefolgt vom Auftragen und Sintern eines zweiten Pulvers, wodurch eine Schicht mit der nächsten nachfolgenden Schicht verbunden wird. Wenn es gewünscht wird, können weitere Materialien sequentiell hinzugefügt und gesintert werden, jede Schicht einzeln.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, die eingesetzt werden kann, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung, die einen Abschnitt des schichtartigen Aufbaus eines Teils zeigt, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, und die das Rasterabtastmuster des Laserstrahles in der Zielfläche veranschaulicht,
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Interface-Hardware zwischen dem Computer, dem Laser und den Galvanometern darstellt,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Musterteils, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wird,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung mit herausgebrochenen Abschnitten und in Phantomdarstellung von dem Teil, das in Fig. 4 gezeigt wird,
Fig. 6 ein Flußdiagramm des Datenmeßprogrammes,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung längs der Linie 7-7 in Fig. 4,
Fig. 8 die Darstellung der Wechselbeziehung zwischen einer einzelnen Abtastung des Lasers über der Schicht aus Fig. 7 und den Steuersignalen in Diagrammform,
Fig. 9 eine Mischung der Materialien in einem Pulver,
Fig. 10 die Materialien, die eines nach dem anderen in einem Pulver beschichtet werden,
Fig. 11 einen Abschnitt des Sinterzyklusses bei einer Mischung von Materialien, wie er gegenwärtig verstanden wird,
Fig. 12 zwei Materialien, die als sequentielle Schichten, die vor dem Sintern aufgetragen werden, gemischt werden,
Fig. 13 eine schematische vertikale Schnittdarstellung der Vorrichtung für das Verteilen des Pulvers, bei der das Pulver in einer Schicht auf dem herzustellenden Teil verteilt wird,
Fig. 14 eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung für die Verteilung des Pulvers,
Fig. 15 elektrische und magnetische Felder, die mit einem Pulver in Wechselwirkung stehen,
Fig. 16 eine aufgeladene Auflageplatte und eine entgegengesetzt aufgeladene Schicht des Pulvers,
Fig. 17 und 18 ein unter Druck stehendes fließendes Medium, das mit dem aufgetragenen Pulver in Wechselwirkung steht,
Fig. 19 ein Magnetfeld, das mit dem aufgetragenen Pulver in Wechselwirkung steht, und
Fig. 20 ein elektrisches Feld, das mit dem Pulver in Wechselwirkung steht.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 im allgemeinen die Vorrichtung 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen umfaßt die Vorrichtung 10 einen Laser 12, die Pulververteilungsvorrichtung 14 und die Lasersteuervorrichtung 16. Ausführlicher gesagt, die Pulververteilungsvorrichtung 14 umfaßt einen Trichter 20 für das Aufnehmen des Pulvers 22, und dieser besitzt eine Austrittsöffnung 24. Die Austrittsöffnung 24 ist für das Verteilen einer Kombination von Materialien in Pulverform auf eine Zielfläche 26 ausgerichtet, die in Fig. 1 im allgemeinen durch die Begrenzung 28 bestimmt wird. Natürlich gibt es viele Alternativen bei der Verteilung des Pulvers 22.
Die Bauteile des Lasers 12 werden in Fig. 1 etwas schematisch dargestellt, und sie umfassen einen Laserkopf 30, einen Sicherheitsverschluß 32 und eine vordere Spiegelbaugruppe 34. Die Art des eingesetzten Lasers hängt von vielen Faktoren ab, und insbesondere von der Art des Pulvers 22, das gesintert werden soll. In der Ausführung der Fig. 1 wurde ein Nd:YAG-Laser (Lasermetrics 9500Q) eingesetzt, der in einer kontinuierlichen oder impulsgesteuerten Betriebsart mit einer maximalen Ausgangsleistung von 100 Watt bei der kontinuierlichen Betriebsart betrieben werden kann. Der Laserstrahlausgang des Lasers 12 weist eine Wellenlänge von etwa 1060 nm auf, was ein nahes Infrarot ist. Der Laser 12, der in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt einen inneren Impulsfrequenzgenerator mit einem wählbaren Bereich von etwa 1 kHz bis 40 kHz und zeigt eine Impulsdauer von etwa 6 Nanosekunden. Bei sowohl der impuisgesteuerten als auch der kontinuierlichen Betriebsart kann der Laser 12 so moduliert werden, daß er ein- oder ausgeschaltet wird, um selektiv einen Laserstrahl zu erzeugen, der sich im allgemeinen längs des Weges bewegt, der in Fig. 1 durch die Pfeile gezeigt wird.
Um den Laserstrahl zu bündeln, werden eine Zerstreuungslinse 36 und eine Sammellinse 38 längs des Bewegungsweges des Laserstrahles angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Eben durch Benutzung der Sammellinse 38 wird die Stelle des tatsächlichen Brennpunktes nicht einfach durch Verändern des Abstandes zwischen der Sammellinse 38 und dem Laser 12 gesteuert. Die Zerstreuungslinse 36, die zwischen dem Laser 12 und der Sammellinse 38 angeordnet wird, erzeugt einen virtuellen Brennpunkt zwischen der Zerstreuungslinse 36 und dem Laser 12. Eine Veränderung des Abstandes zwischen der Sammellinse 38 und dem virtuellen Brennpunkt gestattet die Steuerung des tatsächlichen Brennpunktes längs des Bewegungsweges des Laserstrahles auf der Seite der Sammellinse 38, die vom Laser 12 abgelegen ist. In den letzten Jahren waren viele Fortschritte auf dem Gebiet der Optik zu verzeichnen, und es wird erkannt, daß viele Alternativen vorhanden sind, um den Laserstrahl an einer bekannten Stelle wirksam zu bündeln.
Ausführlicher gesagt, die Lasersteuervorrichtung 16 umfaßt den Computer 40 und das Abtastsystem 42. Bei einer bevorzugten Ausführung umfaßt der Computer 40 einen Mikroprozessor für die Steuerung des Lasers 12 und ein CAD/CAM-System für die Erzeugung der Daten. Bei der Ausführung, die in Fig. 1 gezeigt wird, wird ein Personalcomputer (Commodore 64) eingesetzt, dessen primären Merkmale ein zugängliches Interface-Tor und eine Flag-Leitung umfassen, die eine nichtmaskierbare Unterbrechung erzeugt.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt das Abtastsystem 42 ein Prisma 44 für das Umlenken des Bewegungsweges des Laserstrahles. Natürlich ist die physikalische Auslegung der Vorrichtung 10 die hauptsächliche Betrachtung bei der Ermittlung, ob ein Prisma 44 oder eine Vielzahl von Prismen 44 benötigt werden, um den Bewegungsweg des Laserstrahles zu manipulieren. Das Abtastsystem 42 umfaßt ebenfalls ein Paar Spiegel 46, 47, die durch die entsprechenden Galvanometer 48, 49 angetrieben werden. Die Galvanometer 48, 49 sind mit ihren entsprechenden Spiegeln 46, 47 verbunden, um selektiv die Spiegel 46, 47 auszurichten. Die Galvanometer 48, 49 sind senkrecht zueinander so montiert, daß die Spiegel 46, 47 nominell unter einem rechten Winkel zueinander montiert sind. Ein Treiber 50 für den Funktionsgenerator steuert die Bewegung des Galvanometers 48 (das Galvanometer 49 ist an die Bewegung des Galvanometers 48 angekoppelt), so daß das Ziel des Laserstrahles (durch die Pfeile in Fig. 1 dargestellt) in der Zielfläche 26 gesteuert werden kann. Der Treiber so ist funktionell mit dem Computer 40 verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Es wird wahrgenommen, daß alternative Abtastverfahren für einen Einsatz als Abtastsystem 42 verfügbar sind, einschließlich der akustisch-optischen Abtaster, der rotierenden Polygonspiegel und der Resonanzspiegelabtaster.
In der Fig. 2 der Zeichnungen wird ein Abschnitt eines Teils 52 schematisch gezeigt, und es werden vier Schichten 54-57 gezeigt. Das Ziel des Laserstrahles, das in Fig. 2 mit 64 gekennzeichnet wird, wird in ein Rasterabtastmuster gelenkt, wie bei 66. Wie es hierin verwendet wird, wird "Ziel" im üblichen Sinn als die "Richtung anzeigend" verwendet, aber es bedeutet nicht den Modulationszustand des Lasers 12. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird die Achse 68 als die Schnellabtastachse betrachtet, während man sich auf die Achse 70 als die Langsamabtastachse bezieht. Die Achse 72 ist die Richtung des Aufbaus des Teils.
Fig. 9 und 10 zeigen schematisch ein Pulver, das erste und zweite Materialien aufweist, aus denen ein Teil bei Anwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.
Fig. 9 zeigt eine Mischung des ersten Materials 901 und des zweiten Materials 902. Die Materialien werden in einer Mischung durch konventionelle Mischverfahren kombiniert. Fig. 10 zeigt das Material 1002, das mit dem Material 1001 beschichtet ist. Das Material 1002 wird bei Anwendung der konventionellen Beschichtungsverfahren beschichtet.
Wie dem Fachmann weiter klar sein wird, können die beschichteten Materialien, wie sie in Fig. 10 gezeigt werden, gemischt werden, um eine gewünschte Mischung von Materialien herzustellen.
In Fig. 11 wird ein Abschnitt eines Sinterzyklusses veranschaulicht, wie er gegenwärtig verstanden wird. Fig. 11a zeigt eine Mischung von Materialien vor der Anwendung der Energie, die ein Sintern bewirken kann. Vorzugsweise zeigen die Materialien, aus der die Pulvermasse 1100 besteht, mehr als eine Binde- oder Dissoziationstemperatur. Fig. 11b zeigt das Pulver 1100 während der Anwendung der Energie, die ausreicht, um das Sintern zu begünstigen. Fig. lib zeigt das Material 1101, das eine niedrigere Binde- oder Dissoziationstemperatur als das Material 1102 aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführung infiltriert das Material 1101 mit der niedrigen Temperaturphase in die Pulvermasse 1100 in der Fläche, die jedes Teilchen des Materials 1101 umgibt. In einer Pulvermischung aus Polymeren unterschiedlicher Materialien wird eine derartige Infiltration durch die Kettendiffusion und eine Verhakung der Ketten des einen Polymeren mit denen des anderen unter Beweis gestellt. In einer Mischung von ersten und zweiten Metallen, die als Masse des porösen Pulvers von vorgegebener Porosität vorliegt, wird eine derartige Infiltration durch eine gegenseitige Diffusion des einen Metalls in die Oberfläche des anderen bewiesen. Zusätzliche Pulverkomponenten könnten ebenfalls der Mischung zugegeben werden, um die Infiltration zu begünstigen. Gleichermaßen kann eine Gasphase angewendet werden, um die Infiltration und den Sintervorgang zu begünstigen. Die Gasphase kann entweder inert oder aktiv sein, vorzugsweise um entweder ein unerwünschtes Gas zu verdrängen oder ein gewünschtes Gas einzuführen. Fig. 11c zeigt einen potentiellen Mechanismus, durch dessen Wirkung, die die Kapillareffekte umfaßt, aber nicht darauf begrenzt ist, das Material 1101 die Pulvermasse 1100 infiltrieren kann. Fig. 11d zeigt das Teil im Anschluß an das Sintern bei der vorliegenden Erfindung.
Weil ein Material, das eine höhere Binde- oder Dissoziationstemperatur als die Temperatur aufweist, die während des Sinterns erhalten wird, ausgewählt werden kann, muß das Material mit der höheren Binde- oder Dissoziationstemperatur nicht sintern, sondern kann seine ursprüngliche Struktur beibehalten. Insbesondere bei kristallinem Material ermöglicht das eine Steuerung des epitaxialen Wachstums beim selektiven Sintervorgang mittels Strahl nach der vorliegenden Erfindung. Wenn beispielsweise ein Material mit einer höheren Binde- oder Dissoziationstemperatur in einer speziellen Struktur angeordnet wird, was vorzugsweise zu einem epitaxialen Wachstum aus der vorhergehenden Schicht führen kann, ermöglicht nur das Binden oder Dissoziieren des Materials mit der niedrigeren Binde- oder Dissoziationstemperatur, daß das Material mit der höheren Temperatur seine Struktur beibehält.
Die Auswahl der Materialien für das Pulver gestattet einen breiten Bereich des resultierenden gesinterten Materials. Beispielsweise wird ein leitfähiges Material vorzugsweise mit einem isolierenden polymeren Material beschichtet, um ein Pulver herzustellen. Das Pulver wird danach in der Zielfläche verteilt. Das Material wird vorzugsweise gesintert, und das Isoliermaterial kann später mittels eines konventionellen Verfahrens entfernt werden, das ein chemisches Verfahren umfaßt, aber nicht darauf begrenzt ist, was zu einem leitfähigen, gesinterten Produkt führt.
Es wird weiter gezeigt, daß extrem harte Materialien bei Anwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können. Beispielsweise können Wolframkarbid/Kobalt-Werkzeuge, die wegen ihrer extremen Härte schwierig zu formen oder zu schleifen sind, durch ein Beschichten des Wolframkarbids mit Kobalt, um ein Pulver herzustellen, oder durch Mischen von Wolframkarbid und Kobalt, um ein Pulver herzustellen, gefertigt werden. Während des Sinterns schmilzt das Kobalt vorzugsweise unter dem angewandten Energiestrahl, wodurch eine lokale Infiltration des Wolframkarbids bewirkt wird. Das Teil, das gefertigt wird, ist vorzugsweise nach einem zweiten Prozeß betriebsbereit, der das Glühen umfaßt, aber nicht darauf begrenzt ist.
Es wird weiter gezeigt, daß Kupfer und Zinn in einem Pulver kombiniert werden können. Das Zinn, das eine niedrigere Schmelztemperatur als das Kupfer aufweist, wird schmelzen und das Kupfer während des Sinterns infiltrieren.
Die sekundäre Behandlung kann ebenfalls bei Teilen angewandt werden, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Beispielsweise, wo das Zinn schmelzen und das Kupfer während des Sinterns infiltrieren kann, wird das Glühen als Nachbehandlung das Zinn im Kupfer im festen Zustand auflösen, wodurch eine Bronze mit einer minimalen Volumenveränderung oder Verzerrung erzeugt wird.
Es wird weiter gezeigt, daß ein Metall, das Eisen oder Stahl umfaßt, aber nicht darauf begrenzt ist, mit dem Polymethylmethacrylat-Polymeren (PMMA) beschichtet werden kann, um ein Pulver zu bilden. Das Sintern ermöglicht, daß das PMMA fließt und das Metall bindet. Das Glühen als Nachbehandlung wird das PNMA dissozueren und das Metall sintern, wodurch ein Fertigteil hergestellt wird.
Auf diese Weise können ebenfalls keramische Materialien verarbeitet werden. Beispielsweise wird eine Mischung von Fluorphosphatglaspulvern mit Aluminiumoxidpulvern zu einer Erweichung des Glases und zur Infiltration des Aluminiumoxides während des Sinterns führen. Bei einem anderen Beispiel kann Aluminiumsilikat, Siliziumdioxid oder ein anderes keramisches Pulver mit einem Polymeren mittels einer Vielzahl von Verfahren beschichtet werden, die die Sprühtrocknung und die Lösungsmittelbeschichtung umfassen. Ein oberflächenaktives Mittel kann benutzt werden, um das keramische Pulver vor der Beschichtung vorzubehandeln. Dieses Mittel kann auf der Chemie des organischen Silans oder einer anderen Chemie basieren, von denen bekannt ist, daß sie die Benetzbarkeit des keramischen Materials durch das Polymere und die Adhäsion des keramischen Materials am Polymeren begünstigen. Ein Polymeres, entweder ein thermoplastisches oder duroplastisches, das auf das keramische Material beschichtet werden kann, kann als Bindemittel eingesetzt werden. Typische Materialien umfassen PMMA, Polystyrol, verschiedene Epoxidzusammensetzungen und Phenolharze.
Jegliche Kombination von Materialien, die die Metalle, keramische Materialien und Polymere umfassen, aber nicht darauf begrenzt sind, ermöglicht die Herstellung von Teilen entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei mindestens ein Material im Pulver eine niedrige Binde- oder Dissoziationstemperatur relativ zu den anderen Materialien im Pulver aufweist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur der Pulvermasse durch Anwendung konventioneller Heizvorrichtungen erhöht werden, die gestatten, daß der Energiestrahl nur eine geringe Erhöhung der Energie liefert, um das Binden oder Dissoziieren des einen der elementaren Materialien des Pulvers zu bewirken.
Die Materialien, aus denen das Pulver besteht, können für die selektive Absorption der Energie aus einem Laserstrahl (durch die Pfeile in Fig. 11a und 11b dargestellt) für jedes Material ausgewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführung, die in Fig. 11 gezeigt wird, kann das Material 1101 ausgewählt werden, um die Wellenlänge der angewandten Strahlenenergie, die durch die Pfeile dargestellt wird, zu absorbieren, während das elementare Material 1102 weniger Energie absorbiert, wodurch das elementare Material 1101 gebunden oder dissoziiert werden kann, bevor es zum Binden oder Dissoziieren des elementaren Materials 1102 kommt. Diese Absorption der Energie kann entweder durch die Auswahl des Materials oder der Wellenlänge des Laserstrahles oder durch beides in einer Vielzahl von Kombinationen erreicht werden.
In Fig. 12 wird bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführung ein Material 1201 vorzugsweise auf die Oberfläche 1200 aufgetragen, und danach wird ein zweites Material 1203 auf dem Material 1201 vor dem Sintern aufgetragen. Die Materialien 1201 und 1203 weisen vorzugsweise verschiedene Binde- oder Dissoziationstemperaturen auf.
In Fig. 13 und 14 wird eine alternative Form der Pulververteilungsvorrichtung 20 gezeigt. Im allgemeinen begrenzt eine Auflage eine Zielfläche 102, die vorzugsweise elektrisch aufgeladen ist, und wohin das Ziel des Strahles 64 gelenkt wird (siehe Fig. 1). Ein Trichter 104 verteilt das Pulver 106 durch die öffnung 108 in die Zielfläche 102. Eine Dosierwalze (nicht gezeigt) ist in der Öffnung 108 angeordnet, so daß, wenn die Dosierwalze gedreht wird, eine dosierte Aufschüttung des Pulvers in einer Linie am Ende 110 der Zielfläche 102 aufgetragen wird.
Ein Ausgleichsmechanismus 114 verteilt die Aufschüttung des Pulvers 106 vom Ende 110 zum anderen Ende 112 der Zielfläche Der Ausgleichsmechanismus 114 umfaßt eine zylindrische Trommel 116, die eine elektrische Ladung von entgegengesetzter Polarität zur Zielfläche 102 aufweist. Man glaubt, daß die Anziehungskräfte zwischen der aufgeladenen Schicht des Pulvers 164 und der entgegengesetzt aufgeladenen Zielfläche 102 einen Druck in der Pulverschicht 164 erzeugen, wodurch eine hohe Schüttdichte des Pulvers 106, das das Pulver in der Schicht 164 einschließt, bewirkt wird. Ein Motor 118, der an einem Stab 120 montiert ist, ist mit der Trommel 116 über die Riemenscheibe 122 und den Riemen 124 verbunden, um die Trommel zu drehen.
Der Ausgleichsmechanismus 114 umfaßt ebenfalls einen Mechanismus 126 für das Bewegen der Trommel 116 zwischen dem Ende 110 und dem Ende 112 der Zielfläche Der Mechanismus 126 weist einen X/Y- Tisch für das horizontale und vertikale Bewegen des Stabes 120 auf. Das heißt, der Tisch 128 ist unveränderlich, während die Platte 130 relativ zum Tisch 128 selektiv beweglich ist.
Bei den bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird die hohe Schüttdichte des aufgetragenen Pulvers vorzugsweise durch die Anwendung einer Kraft auf das aufgetragene Pulver während des Sinterns erreicht.
Eine hohe Schüttdichte in einem Pulver kann einfach durch Anwendung einer mechanischen Presse auf das Pulver während des Sinterns erhalten werden, wobei die Presse vorzugsweise sowohl für den Laserstrahl durchlässig ist als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Fig. 15 zeigt eine bevorzugte Ausführung für das Zustandebringen einer hohen Schüttdichte im Pulver 1207, das auf der Auflageplatte 1201 in der Zielfläche aufgetragen ist. Das Pulver 1207 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig Eine positiv aufgeladene Platte 1209 und eine negativ aufgeladene Platte 1211 werden vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Auflageplatte 1201 und in einer parallelen und beabstandeten Beziehung zueinander angeordnet. Das Pulver 1207 wird zwischen den Platten 1209 und 1211 auf der Auflageplatte 1201 angeordnet. Zwischen der positiv aufgeladenen Platte 1209 und der negativ aufgeladenen Platte 1211 wird ein elektrisches Feld 1203 durch das Pulver 1207 hindurch erzeugt. Das Magnetfeld 1205 wird ebenfalls erzeugt. Der Stromfluß infolge des Feldes 1203 in Verbindung mit dem Feld 1205 erzeugt einen nach unten gerichteten Druck 1213 auf das Pulver 1207, wodurch das Pulver 1207 eine höhere Schüttdichte erreichen kann, als es bei Nichtvorhandensein der Felder der Fall gewesen wäre. Die Felder 1203 und 1205 können während des Sinterns aufrechterhalten werden, wodurch eine Kraft auf das Pulver 1207 erhalten wird, und wodurch beim Pulver 1207 während des Sinterns eine hohe Schüttdichte erreicht wird.
Fig. 16 zeigt das Pulver 1303, das vorzugsweise isolierend ist, und das auf der aufgeladenen Auflageplatte 1301 angeordnet ist. Eine aufgeladene Schicht des Pulvers 1305 wird vorzugsweise als die obere Schicht des Pulvers 1303 angeordnet, und sie ist vorzugsweise entgegengesetzt der Ladung auf der Auflageplatte 1301 aufgeladen. Bei einer bevorzugten Ausführung kann eine aufgeladene, sich entgegengesetzt drehende Trommel (wie in Fig. 13 gezeigt) eingesetzt werden, um die Schicht 1305 aufzuladen. Die Anziehung zwischen den entgegengesetzten Ladungen in der Auflageplatte 1301 und der Schicht des Pulvers 1305 bewirkt eine hohe Schüttdichte im Pulver 1303.
In Fig. 17 und 18 werden zwei bevorzugte Ausführungen gezeigt, bei denen ein unter Druck stehender Strom eines fließenden Mediums benutzt wird. In Fig. 17 wird das Pulver 1401 auf einer Siebauflage 1405 angeordnet, die ebenfalls als Auflageplatte für das verteilte Pulver in der Zielfläche dient. Der Strom des fließenden Mediums 1403 wird von oberhalb der Siebauflage 1405 angewandt, wie in Fig. 17 gezeigt wird, wodurch das Pulver 1401 eine hohe Schüttdichte erreichen kann. Die Siebauflage 1405 weist vorzugsweise ein Material auf, das bewirkt, daß der Strom des fließenden Mediums 1403 passieren kann, daß aber das Pulver 1401 zurückgehalten wird. Fig. 18 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführung, bei der ein Strom des fließenden Mediums benutzt wird, um im Pulver eine hohe Schüttdichte zu erreichen. In Fig. 18 wird das Pulver 1501 auf der Auflageplatte 1507 angeordnet, und ein unter Druck stehender Strom des fließenden Mediums 1503 wird von oberhalb der Auflageplatte 1507 und des Pulvers 1501 aus angewandt, wie in Fig. 18 gezeigt wird. Die Siebauflagen 1505 werden im wesentlichen senkrecht zur Auflageplatte 1507 in einer beabstandeten Beziehung zum Pulver 1501, das zwischen den Siebauflagen 1505 aufgetragen ist, angeordnet. Die Ausführung, die in Fig. 18 gezeigt wird, ermöglicht eine Reduzierung beim Aufbau eines übermäßigen Druckes auf dem Pulver 1501 nahe der Auflageplatte 1507, indem gestattet wird, daß der Strom des fließenden Mediums 1503 aus dem Pulver 1501 durch die Siebauflagen 1505 austritt.
In Fig. 19 wird ein magnetisches Pulver 1603, das vorzugsweise entweder ein magnetisierbares oder hartes, ferromagnetisches Material ist, auf der Auflageplatte 1601 angeordnet. Ein Magnetfeld 1605 wird vorzugsweise angewandt, wodurch bewirkt wird, daß das Pulver 1603 eine hohe Schüttdichte erreicht.
In Fig. 20 weist das Pulver 1703 polarisierbare Elemente 1705 auf. Der Deutlichkeit halber werden die polarisierbaren Elemente 1705 nur in einer distalen Beziehung zur Auflageplatte 1701 gezeigt. Die Elemente 1705 können jedoch durchweg im Pulver 1703 erscheinen. Das elektrische Feld 1707 wird vorzugsweise durch eine Ladung erzeugt, die auf der Auflageplatte 1701 erscheint. Das Feld 1707 erzeugt eine nach unten auf die Elemente 1705 gerichtete Kraft, die im Pulver 1703 eine hohe Schüttdichte bewirkt.
Fig. 15 bis 20 zeigen bevorzugte Ausführungen, bei denen eine Vielzahl von Schichten des gesinterten Pulvers nahe einer Auflageplatte angeordnet ist, wobei eine einzelne Schicht des nicht gesinterten Pulvers distal zur Auflageplatte angeordnet ist. Eine äußere Kraft ist daher nur erforderlich, um eine hohe Schüttdichte in der oberen Schicht zu erreichen.
Ein grundlegendes Konzept der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau eines Teils Schicht um Schicht. Das heißt, ein Teil wird als eine Vielzahl von einzelnen Querschnittsbereichen betrachtet, die kumulativ die dreidimensionale Form des Teils aufweisen. Jeder einzelne Querschnittsbereich weist festgelegte zweidimensionale Grenzen auf - natürlich kann jeder Bereich eindeutige Grenzen aufweisen.
Beim Verfahren wird ein erster Teil des Pulvers 22 in der Zielfläche 26 aufgetragen und selektiv durch den Laserstrahl 64 gesintert, um eine erste gesinterte Schicht 54 herzustellen (Fig. 2). Die erste gesinterte Schicht 54 entspricht einem ersten Querschnittsbereich des gewünschten Teils. Der Laserstrahl sintert selektiv nur das aufgetragene Pulver 22 innerhalb der festgelegten Grenzen.
Es gibt natürliche alternative Verfahren des selektiven Sinterns des Pulvers 22. Ein Verfahren ist, daß das Ziel des Strahles in der Art und Weise eines "Vektors" gerichtet wird - d.h., der Strahl würde tatsächlich den Umriß und das Innere eines jeden Querschnittsbereiches des gewünschten Teils abfahren. Alternativ dazu wird das Ziel des Strahles 64 in einem sich wiederholenden Muster abgetastet, und der Laser 12 wird moduliert. In Fig. 2 wird ein Rasterabtastmuster 66 verwendet, und es ist gegenüber der Vektormethode hauptsächlich wegen der Einfachheit seiner Durchführung von Vorteil. Eine weitere Möglichkeit ist die Kombination des Vektor- und des Rasterabtastverfahrens, so daß die gewünschten Grenzen der Schicht in der Art und Weise eines Vektors abgefahren und das Innere in der Art und Weise einer Rasterabtastung bestrahlt wird. Es gibt natürlich Kompromisse in Verbindung mit den ausgewählten Verfahren. Beispielsweise zeigt das Rasterverfahren beim Vergleich mit dem Vektorverfahren einen Nachteil darin, daß die Bogen und Linien, die nicht parallel zu den Achsen 68, 70 des Rastermusters 66 des Laserstrahles 64 verlaufen, nur angenähert werden. Daher kann in bestimmten Fällen die Auflösung des Teils verschlechtert werden, wenn nach dem Rastermusterverfahren gefertigt wird. Das Rasterverfahren ist jedoch gegenüber dem Vektorverfahren wegen der Einfachheit seiner Durchführung von Vorteil.
In Fig. 1 wird das Ziel des Laserstrahles 64 in der Zielfläche 26 in einem kontinuierlichen Rastermuster abgetastet. Im allgemeinen steuert der Treiber 50 die Galvanometer 48, 49, um ein Rastermuster 66 auszuführen (siehe Fig. 2). Die Verschiebebewegung des Spiegels 46 steuert die Bewegung des Zieles des Laserstrahles 64 in der Schnellabtastachse 68 (Fig. 2), während die Bewegung des Spiegels 47 die Bewegung des Zieles des Laserstrahles 64 in der Langsamabtastachse 70 steuert.
Die augenblickliche Position des Zieles des Strahles 64 wird durch den Treiber 50 zum Computer 40 zurückgeführt (siehe Fig. 3). Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, besitzt der Computer 40 eine Information in Beziehung zum gewünschten Querschnittsbereich des Teils, das dann hergestellt werden soll. Das heißt, ein Teil des losen Pulvers 22 wird in der Zielfläche 26 verteilt, und das Ziel des Laserstrahles 64 wird in seinem kontinuierlichen Rastermuster bewegt. Der Computer 40 moduliert den Laser 12, um selektiv einen Laserstrahl in gewünschten Intervallen im Rastermuster 66 zu erzeugen. Auf diese Weise sintert der gerichtete Strahl des Lasers 12 selektiv das Pulver 22 in der Zielfläche 26, um die gewünschte gesinterte Schicht mit den festgelegten Grenzen des gewünschten Querschnittsbereiches herzustellen. Dieser Vorgang wird Schicht um Schicht wiederholt, wobei die einzelnen Schichten miteinander gesintert werden, um ein kohäsives Teil herzustellen, beispielsweise das Teil 52 in Fig. 2.
Beim Betrieb kann die Wellenlänge des Lasers 12 verändert werden, um ein höheres Absorptionsvermögen an Energie durch die ausgewählten Materialien im Pulver relativ zu den anderen Materialien im Pulver 22 zu erreichen. Beim Betrieb werden gemischte, beschichtete oder andere Kombinationen der Pulver bevorzugt ausgewählt, um ein gesintertes Produkt mit Eigenschaften herzustellen, die enge Dimensionstoleranzen, eine strukturelle Integrität und das erforderliche mechanische Verhalten umfassen, die aber nicht darauf begrenzt sind.
In Fig. 13 und 14 liefert der Verteilungsmechanismus 114 eine gesteuerte gleichmäßige Schicht des Pulvers in der Zielfläche 102, ohne daß das zu fertigende Teil gestört wird. Eine dosierte Menge des Pulvers 106 wird am Ende 110 der Zielfläche 102 aufgetragen. Die elektrisch aufgeladene Trommel 116 zeigt einen Abstand vom Ende 110, wenn das Pulver 106 verteilt wird. Bei dem System, das in Fig. 14 gezeigt wird, werden die Platte 130 und der Stab 120 (und die daran befestigten Mechanismen) vertikal angehoben, nachdem das Pulver in der Aufschüttung verteilt ist. Die Bewegung der Platte 130 in Richtung des Trichters 104 bringt die Trommel 116 in eine Position angrenzend an die Aufschüttung des Pulvers, die längs des Endes 110 ausgerichtet ist. Die Trommel 116 wird abgesenkt, um die Aufschüttung des Pulvers zu berühren, und sie wird horizontal über die Zielfläche 102 gebracht, um die Aufschüttung des Pulvers in einer gleichmäßigen ebenen Schicht auszubreiten. Natürlich kann die genaue Stelle der Platte 130 relativ zum Tisch 128 gesteuert werden, so daß der Abstand zwischen der Trommel 116 und der Zielfläche 102 genau gesteuert werden kann, um die gewünschte Dicke der Schicht des Pulvers zu liefern. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der Trommel 116 und der Zielfläche 102 konstant, um eine parallele Bewegung zu erhalten, aber andere Abstandsoptionen sind anwendbar.
Während die Trommel 116 horizontal über die Zielfläche 102 vom Ende 110 zum Ende 112 bewegt wird, wird der Motor 118 aktiviert, um die Trommel 116 entgegengesetzt zu drehen. Wie in Fig. 13 gezeigt wird, bedeutet "Gegendrehung", daß die Trommel 116 in der Richtung R entgegen der Bewegungsrichtung M der Trommel 116 horizontal über die Zielfläche 102 gedreht wird.
Ausführlicher gesagt (Fig. 13), die Trommel 116 wird mit einer hohen Drehzahl im Gegenuhrzeigersinn gedreht, während sie die Aufschüttung des Pulvers 106 längs der hinteren Kante 160 berührt. Die mechanische Einwirkung der Trommel auf das Pulver führt dazu, daß das Pulver in der Bewegungsrichtung M ausgestoßen wird, so daß die ausgestoßenen Teilchen vor die Trommel fallen. Wie in Fig. 13 gezeigt wird, wird eine gleichmäßige ebene Schicht des Pulvers hinter der Trommel 116 (zwischen der Trommel 116 und dem Ende 110) zurückgelassen, wie bei 164 dargestellt wird.
Fig. 13 zeigt ebenfalls schematisch, daß das Pulver 106 über die Zielfläche verteilt werden kann, ohne daß das vorher gesinterte Pulver 166 oder das nicht gesinterte Pulver 168 gestört wird. Das heißt, die Trommel 116 wird über die Zielfläche 102 bewegt, ohne daß die Scherspannung auf die vorher aufgebauten Schichten übertragen wird, und ohne daß der Artikel während seiner Fertigung gestört wird. Das Nichtvorhandensein einer derartigen Scherspannung gestattet, daß eine gleichmäßige Schicht des Pulvers 106 auf dem zerbrechlichen Substrat in der Zielfläche verteilt wird, das sowohl die gesinterten Teilchen 166 als auch die nicht gesinterten Teilchen 168 umfaßt.
Wie in Fig. 15 bis 20 gezeigt wird, kann ein Druck entweder in der Form von Strömen eines fließenden Mediums oder von elektromagnetischen Feldern sowohl auf die Schichten des gesinterten Pulvers als auch vorzugsweise auf eine obere Schicht des aufgetragenen, nicht gesinterten Pulvers ausgeübt werden, um eine hohe Schüttdichte des aufgetragenen Pulvers während des Sinterns zu erreichen.
Die Interface-Hardware verbindet den Computer 40 funktionell mit dem Laser 12 und den Galvanometern 47, 48. Das Ausgangstor des Computers 40 (siehe Fig. 1 und 3) ist direkt mit dem Laser 12 verbunden, um den Laser 12 selektiv zu modulieren. Wenn in der impulsgesteuerten Betriebsart gearbeitet wird, wird der Laser 12 leicht durch digitale Eingaben zum impulsgesteuerten Toreingang des Lasers gesteuert. Das Galvanometer 48 wird durch den Treiber 50 des Funktionsgenerators angetrieben, um den Strahl in der Schnellabtastachse 68 unabhängig von jeglichen Steuersignalen vom Computer 40 zu steuern. Ein Positionsrückführsignal vom Galvanometer 48 wird jedoch zu einem Spannungskomparator 74 geführt, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Der andere Eingang zum Komparator ist mit dem Digital-Analog-Wandler 76 verbunden, der auf die niedrigsten gültigen sechs Bits (Bit 0-5) des Benutzeranschlusses des Computer 40 hinweist. Wie in Fig. 3 gezeigt wird, ist der Ausgang des Spannungskomparators 74 mit der Flag-Leitung am Benutzeranschluß des Computers 40 verbunden. Wenn der Spannungskomparator ermittelt, daß das Rückführsignal vom Galvanometer 48 das Signal vom Digital-Analog-Wandler 76 kreuzt, geht die Flag-Leitung nach unten, wodurch eine nichtmaskierbare Unterbrechung bewirkt wird. Wie nachfolgend diskutiert wird, bewirkt die nichtmaskierbare Unterbrechung, daß das nächste Byte der Daten am Benutzeranschluß des Computers 40 herausgebracht wird.
Schließlich wird, wie in Fig. 3 gezeigt wird, das Galvanometer 49, das das Ziel des Laserstrahles 64 in der Langsamabtastachse 70 antreibt, durch einen zweiten Digital-Analog-Wandler 78 gesteuert. Der Digital-Analog-Wandler 78 wird durch einen Zähler 79 angetrieben, der mit jeder Abtastung des Zieles des Strahles 64 in der Schnellabtastachse 68 fortschaltet. Der 8-Byte-Zähler ist so konstruiert, daß er nach 256 Abtastungen in der Schnellabtastachse 68 überläuft, um einen neuen Zyklus oder ein neues Rasterabtastmuster 66 zu beginnen.
Vorzugsweise werden die Steuerinformationsdaten (d.h., die festgelegten Grenzen der Querschnittsbereiche) für jedes Rastermuster 66 mittels eines CAD-Systems ermittelt, dem die gesamten Abmessungen und die Form des herzustellenden Teils vorgelegt werden. Ob programmiert oder abgeleitet, die Steuerinformationsdaten für jedes Rastermuster 66 werden im Speicher des Computers als eine Reihe von 8-Bit-Worten gespeichert. Das Datenformat verkörpert ein Muster der "eingeschalteten" und "ausgeschalteten" Bereiche des Lasers 12 über dem Abstand längs des Rastermusters 66, der vom Ziel des Strahles 64 zurückgelegt wird. Die Daten werden in einem "Kipp-Punkt"-Format gespeichert, wo die Daten den Abstand längs eines jeden Rasterabtastmusters 66 darstellen, wo der Laser moduliert ist (d.h., von ein nach aus oder von aus nach ein geschaltet wird). Obgleich ein "Bitabbildungs"-Format verwendet werden könnte, erwies sich das Kipp-Punkt-Format als wirksamer für die Herstellung von Teilen mit hoher Auflösung.
Für jedes 8-Bit-Wort verkörpern die niedrigsten gültigen sechs Bits (Bit 0-5) die Stelle des nächsten Kipp-Punktes - d.h., die nächste Stelle für die Modulation des Lasers 12. Das nächste Bit (Bit 6) verkörpert, ob der Laser ein- oder ausgeschaltet ist, unmittelbar vor dem Kipp-Punkt, der in den niedrigsten gültigen sechs Bits identifiziert wird. Das hochste gültige Bit (MSB oder Bit 7) wird für den Schleifenbetrieb und für das Steuern der Langsamabtastachse 70 des Zieles des Strahles 64 benutzt. Weil der Commodore 64 einen begrenzten Speicher hatte, war der Schleifenbetrieb erforderlich - wobei verstanden wird, daß ein Computer 40 mit einem größeren Speicher nicht den Schleifenbetrieb erfordern würde.
Fig. 6 zeigt das Flußdiagramm für das Datenmeßprogramm. Das Datenmeßprogramm ist in Betrieb, wann auch immer die Flag-Leitung nach unten geht, wodurch eine nichtmaskierbare Unterbrechung bewirkt wird (siehe Fig. 3). Die Unterbrechung bewirkt, daß der Mikroprozessor des Computers 40 einen 2-Byte-Unterbrechungsvektor wieder auffindet, der auf die Stelle im Speicher hinweist, wo die Programmsteuerung bei der Unterbrechung übertragen wird. Wie in Fig. 6 gezeigt wird, schiebt das Datenmeßprogramm zuerst die Register auf den Stapel (Stack) und lädt danach das nächste Datenbyte in den Akkumulator. Das Datenwort wird ebenfalls an den Benutzeranschluß ausgegeben, wobei das sechste Bit benutzt wird, um den Laser 12 zu modulieren (Fig. 3).
Wie in Fig. 6 gezeigt wird, wird das höchste gültige Bit (MSB oder Bit 7) des Datenwortes im Akkumulator geprüft. Wenn der Wert des höchsten gültigen Bits eins ist, bedeutet das, daß das Ende der Schleife nicht erreicht wurde; daher wird die Datenhinweisadresse inkrementiert, die Register werden vom Stapel (Stack) geholt, und das Datenmeßprogramm wird ausgegeben, wobei die Steuerung zum Mikroprozessor an der Stelle der Unterbrechung zurückgebracht wird. Wenn das höchste gültige Bit im Akkumulator null ist, ist das Datenwort das letzte Wort in der Schleife. Wenn das Datenwort das letzte Wort in der Schleife ist, ist das nächste Bit im Speicher ein Schleifenzähler, und die folgenden zwei Bytes sind ein Vektor, der auf den oberen Teil der Schleife hinweist. Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, wird, wenn das höchste gültige Bit gleich null ist (Ende der Schleife), der Schleifenzähler (nächstes Bit) dekrementiert und analysiert. Wenn der Schleifenzähler noch größer als null ist, nimmt die Datenhinweisadresse den Wert von den nächsten zwei Speicher-Bytes nach dem Schleifenzähler an, die Register werden aus dem Stapel (Stack) geholt, und die Programmsteuerung kehrt zur Stelle der Unterbrechung zurück. Andererseits, wenn der Schleifenzähler null ist, wird die Datenhinweisadresse um drei inkrementiert, und der Schleifenzähler wird auf zehn zurückgestellt, vor dem Stopp des Programmes. Es kann erkannt werden, daß die Notwendigkeit eines derartigen Schleifenbetriebes aufgehoben wird, wenn die Speichergröße des Computers 40 angemessen ist.
In Fig. 4 und 5 wird ein Musterteil 52 gezeigt. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, nimmt das Musterteil 52 eine ungewöhnliche Form derart an, daß es nicht symmetrisch ist und daher schwer bei Anwendung der konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung herzustellen wäre. Für Bezugszwecke umfaßt das Teil 52 eine äußere Grundkonstruktion 80, die einen inneren Hohlraum 82 und eine im Hohlraum 82 angeordnete Säule 84 aufweist (siehe Fig. 4). Fig. 5 zeigt das Teil innerhalb der Begrenzung 28, die die Zielfläche 26 abgrenzt, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, ist ein Teil des Pulvers 22 lose, während der Rest des Pulvers selektiv gesintert wird, um die Konstruktion des Teils 52 aufzuweisen. Fig. 5 wird im vertikalen Schnitt mit herausgebrochenen Abschnitten und in Phantomdarstellung gezeigt, um die gesinterten kohäsiven Abschnitte des Teils 52 zu veranschaulichen.
Fig. 7 zeigt einen horizontalen Querschnittsbereich, der längs der Linie 7-7 in Fig. 4 aufgenommen wurde. Fig. 7 zeigt eine einzelne Schicht 86, die mit dem Querschnittsbereich des herzustellenden Teils verbunden ist. Als solche ist die gesinterte Schicht 86 aus Fig. 7 ein Produkt eines einzelnen Rastermusters 66, wie es in Fig. 2 gezeigt wird.
Für Bezugszwecke wurde eine Abtastlinie durch die gesinterte Schicht 86 mit "L" gekennzeichnet. Fig. 8 zeigt die Software und den Hardware-Interface-Betrieb während der Abtastung L. Die obere grafische Darstellung zeigt die Position des Rückführsignals vom Galvanometer 48 der schnellen Achse und das Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandlers 76 (vergleiche Fig. 3). Der Spannungskomparator 74 erzeugt ein Ausgangssignal zur Flag-Leitung des Computers jedesmal dann, wenn sich das Rückführsignal und das Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandlers kreuzen.
In der oberen Darstellung der Fig. 8 werden diese Punkte mit T gekennzeichnet, um die Kipp-Punkte darzustellen. Wie aus der unteren grafischen Darstellung zu ersehen ist, erzeugt die Flag- Leitung eine nichtmaskierbare Unterbrechung, die einem jeden Kipp-Punkt T entspricht. Das sechste Bit eines jeden Datenwortes wird analysiert, und der gegenwärtige Zustand des Lasers 12 wird den Wert widerspiegeln. Die vorletzte Darstellung der Fig. 8 zeigt ein Lasermodulationssignal für die Abtastlinie L der Fig. 7. Die zweite grafische Darstellung der Fig. 8 zeigt, daß man einer nach oben gehenden Kante im höchsten gültigen Bit am Ende einer jeden Abtastung des Zieles des Laserstrahles 64 in der Schnellabtastachse 68 begegnen wird. Wie in Fig. 3 und 6 gezeigt wird, inkrementiert der Zähler 79 bei einer nach oben gehenden Kante und gibt ein Signal an den zweiten Digital-Analog-Wandler 78 aus, um das Galvanometer 49 der langsamen Achse anzutreiben.
Wie aus dem Beispiel zu ersehen ist, das in der Zeichnung gezeigt wird, können Teile von komplizierter Form mit relativer Leichtigkeit hergestellt werden. Die Fachleute werden erkennen, daß das in Fig. 4 gezeigte Teil 52 bei Anwendung konventioneller Verfahren der maschinellen Bearbeitung schwer herzustellen wäre. Insbesondere würde der Zugang der Werkzeugmaschinen die Fertigung des Hohlraumes 82 und der Säule 84 schwierig, wenn nicht unmöglich machen, wenn das Teil 52 eine relativ kleine Abmessung aufweist.
Außer daß das Problem des Zuganges vermieden wird, wird erkannt, daß die Genauigkeit der Fertigung nicht vom Verschleiß der Werkzeugmaschine und der Genauigkeit der mechanischen Teile abhängig ist, die bei den konventionellen Werkzeugmaschinen zu verzeichnen sind. Das heißt, die Genauigkeit und die Toleranzen der Teile, die nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind hauptsächlich eine Funktion der Qualität der Elektronik, der Optik und der Anwendung der Software. Natürlich beeinflussen die Wärmeübertragung und die Materialbetrachtungen die Toleranzen, die erhalten werden können.
Die Fachleute werden erkennen, daß die konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung ein beträchtliches Eingreifen und Beurteilen durch den Menschen erfordern. Beispielsweise würde ein konventionelles Verfahren der maschinellen Bearbeitung, wie z.B. das Fräsen, eine Kreativität erfordern, um derartige Entscheidungen, wie Auswahl des Werkzeuges, Segmentierung des Teils, Reihenfolge der Schnitte, usw. zu treffen. Derartige Entscheidungen wären noch wichtiger, wenn ein Steuerstreifen für eine Fräsmaschine mit Lochstreifensteuerung hergestellt wird. Andererseits erfordert die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nur die Daten, die mit einem jeden Querschnittsbereich des herzustellenden Teils in Verbindung stehen. Wenn auch derartige Daten einfach in den Computer 40 programmiert werden können, umfaßt der Computer 40 vorzugsweise ein CAD/CAM-System. Das heißt, dem CAD/CAM-Bereich des Computers 40 werden die gesamten Abmessungen und Formen des gewünschten Teils, das hergestellt werden soll, vorgelegt, und der Computer 40 ermittelt die Grenzen für jeden einzelnen Querschnittsbereich des Teils. Auf diese Weise kann ein sehr großer Bestand an Informationen über das Teil gespeichert und dem Computer 40 auf wählbarer Basis zugeführt werden. Die Vorrichtung 10 produziert ein ausgewähltes Teil ohne eine Einrichtzeit, eine teilespezifische Werkzeugausrüstung oder ein Eingreifen durch den Menschen. Sogar die komplizierten und kostspieligen Formen in Verbindung mit der Pulvermetallurgie und den konventionellen Gießverfahren werden vermieden.
Obwohl bei der Anwendung der konventionellen Herstellungsverfahren die Produktion großer Mengen funktioniert und bestimmte Materialeigenschaften des Teils am vorteilhaftesten zustande gebracht werden können, sind das Verfahren und die Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung in vielerlei Zusammenhang nützlich. Insbesondere werden Prototypmodelle und Gießmuster leicht und billig hergestellt. Beispielsweise werden Gießmuster leicht für eine Verwendung beim Sandguß, Wachsausschmelzgießverfahren oder anderen Herstellungsverfahren hergestellt. Wo die gewünschten Mengen sehr klein sind, wie beispielsweise bei veralteten Ersatzteilen, zeigt außerdem die Herstellung derartiger Ersatzteile bei Anwendung der Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung viele Vorteile. Schließlich kann der Einsatz der Vorrichtung 10 nützlich sein, wo die Größe der Produktionsanlagen ein hauptsächliches Hindernis darstellt, wie beispielsweise auf einem Schiff oder im Weltraum. Gleichermaßen kann die Anwendung der Verfahren und Vorrichtung, die in Fig. 16 bis 20 gezeigt werden, ebenfalls für die Fertigung nützlich sein, wo die Größe der Anlagen oder das Fehlen der Schwerkraft ein hauptsächliches Hindernis sind.

Claims

1. Verfahren für die Herstellung eines Teils, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist: Auftragen einer Pulverschicht auf eine Zielfläche (26, 102); Bestrahlen eines ausgewählten Teils des Pulvers entsprechend einem Querschnittsbereich des herzustellenden Teils mit einem gerichteten Energiestrahl (64); Wiederholen des Schrittes des Auftragens und Bestrahlens für eine Vielzahl von Schichten (54, 55, 56, 57), so daß die gebundenen Abschnitte der benachbarten Schichten aneinander gebunden werden, um eine Masse (52) zu bilden; und Entfernen der ungebundenen Teile des Pulvers, um die Masse (52) zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver Teilchen aus einem ersten Material (1002) aufweist, das mit einem zweiten Material (1001) beschichtet ist, wobei das zweite Material (1001) eine niedrigere Erweichungstemperatur aufweist als das erste Material (1002), und wobei der Schritt des Bestrahlens dazu führt, daß das zweite Material (1001) im ausgewählten Teil des Pulvers die Teilchen des ersten Materials (1002) an den bestrahlten Stellen bindet; und dadurch, daß die erhaltene Masse (52) nach dem Schritt des Entfernens spannungsfrei gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß:

das Pulver während des Schrittes des Bestrahlens einer Gasphase ausgesetzt wird, um das Eindringen des zweiten Materials (1001) in die Teilchen des ersten Materials (1002) zu begünstigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gerichtete Energiestrahl (64) eine ausgewählte Längenwelle zeigt;

und daß das zweite Material (1001) die Energie mit der ausgewählten Wellenlänge in einem größeren Ausmaß absorbiert als das erste Material (1002).

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Pulvers auf der Zielfläche (26, 102) erhöht wird, so daß der Schritt des Bestrahlens eine relativ kleine Zunahme der Energie bewirkt, die für das zweite Material (1001) im ausgewählten Teil des Pulvers ausreichend ist, um die Teilchen des ersten Materials (1002) an der bestrahlten Stelle zu binden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestrahlens das zweite Material (1001) im ausgewählten Teil des Pulvers sintert.

6. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Spannungsfreimachens das zweite Material (1001) vertreibt und die Teilchen des ersten Materials (1002) miteinander verschmilzt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Spannungsfreimachens eine Legierung aus dem ersten und zweiten Material (1001, 1002) bildet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (1002) elektrisch leitfähig ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (1001) ein elektrisch isolierendes Polymeres ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (1001) ein Polymeres aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (1001) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Methacrylsäurederivaten, Polystyrol, Epoxidharz und Phenolharzen besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (1001) ein duroplastisches Polymeres ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (1001) ein thermoplastisches Polymeres ist.