DE69206357T2

DE69206357T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch Schweissschichten.

Info

Publication number: DE69206357T2
Application number: DE69206357T
Authority: DE
Inventors: Fritz B Prinz
Original assignee: Individual
Current assignee: PRINZ, FRITZ B., PITTSBURGH, PA., US
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: US5207371A; EP0529816A1; JPH05192767A; CA2074742A1; DE69206357D1; ATE130945T1; EP0529816B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Gegenstands durch Schweißen aufeinander folgender Schichten aus Metall.

Hintergrund der Erfindung

Verschiedene Verfahren wurden vorgeschlagen und zur Bildung dreidimensionaler Gegenstände durch den inkrementellen Materialaufbau dünner Schichten verwendet. Diese Verfahren umfassen Schichtung (Laminierung), selektives Lasersintern, ballistische Pulvermetallurgie, dreidimensionales Drucken, Stereolithographie und thermisches Spruhen mit Nahnetz. Eine Laminierung umfaßt das einfache Verfahren, Schichten aus einem ausgewählten Material zu schneiden und diese Schichten dann miteinander zu verbinden. Die Schichten können in Formen vorgeschnitten sein, die einem Querschnitt durch den zu erzeugenden Gegenstand entsprechen. Alternativ können Standardformen aus Material gestapelt und miteinander verbunden werden. Die aufgebaute Struktur wird dann geschnitten oder maschinell bearbeitet, um die erwinschte Form zu erzeugen. In United States Patent No. 4 752 352 schlägt Michael Feygin ein computergesteuertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines geschichteten oder laminierten Gegenstands vor. Dabei werden eine Zufhhrstation, eine Arbeitsstation zur Formung eines Materials in mehrere Schichten für eine Laminierung, eine Montagestation zum Stapeln der Schichten in Folge zu einem dreidimensionalen Gegenstand, eine Station zum Verbinden der Laminate, um die Bildung des dreidimensionalen Gegenstands zu vervollständigen, sowie eine Kontrollstation vorgesehen. Feygin offenbart in seinem Patent ein Verfahren, bei dem die Schichten bzw. Schichtungen unter der Überwachung einer computerisierten Steuerungseinrichtung von einer Materialrolle geschnitten, abgehoben, gestapelt und verbunden werden. Die Schichten werden mittels Klebstoff oder Hartlöten miteinander verbunden. Diese und andere Laminierungstechniken haben verschiedene Nachteile. Erstens ist die Verbindung zwischen Schichten kritisch und beschränkt die Festigkeit des Gegenstands. Zweitens resultiert die Bildung jeder Schicht des Laminats außerdem in der Erzeugung beträchtlicher Mengen an Abfallmaterialien. Schließlich ist eine Laminierung nur fur solche Materialien geeignet, die in dünne Schichten geformt werden können, die miteinander verbunden werden können.
Beim Lasersintern wird ein Laser verwendet, um ein Ausgangsmaterial entsprechend der Art und Weise, in der der Laser auf das Material angewendet wird, in eine bestimmte Konfiguration auszuhärten. Mit diesem Verfahren gebildete Produkte sind porös. Stereolithographie ist ein jungeres aber dennoch ähnliches Verfahren, das Prototypenmodelle aus Kunststoff direkt aus einem Behälter aus flüssigem, photobehandelbarem Polymer bildet, indem es mit einem abtastenden Laserstrahl selektiv ausgehärtet wird. Ein Beispiel dieses Verfahrens ist in dem europäischen Patent 322 257 beschrieben. Diese beiden Verfahren benötigen eine beträchtliche Menge an aushärtbarem Rohrnaterial. In beiden Fällen muß der Laser sorgfältig gesteuert werden, um die erwünschte Form zu erzielen. In manchen Anwendungsfällen härtet der Laser typischerweise nicht jeden Querschnitt vollständig. Vielmehr härtet der Laser den Randbereich eines Abschnitts und härtet dann eine innere Struktur oder Wabenform, die das nicht gehärtete Fluid einschließt. Danach muß der Gegenstand einer abschließenden Aushärtung unter gesonderten Ultraviolettlichtern oder einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden. Eine zusätzliche Nachbehandlung, wie beispielsweise ein sorgfältiges Schleifen und Verschleifen, ist erforderlich, um glatte, exakte Oberflächen herzustellen.
Bei der ballistischen Pulvermetallurgie werden Teuchenstrahlen auf die Koordinaten eines dreidimensionalen Gegenstands in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ausgerichtet. Ein physikalischer Ursprungskeim wird benötigt, zu dem die Teilchenmaterie hin angezogen wird. Das Verfahren kann einen Teilchenstrahl verwenden, der auf den Ursprungskeim hin ausgerichtet ist, wobei die Teilchen von dem Keim nach oben aufgebaut werden. Alternativ kann man einen Energiestrahl verwenden, der die Teilchenmaterie bereits in der Umgebung zu dem Keim oder einer anderen Koordinate hin anzieht. Ein derartiges System wird von William E. Masters in US-Patent No. 4 665 492 offenbart. Dieses Verfahren kann nicht dazu verwendet werden, Gegenstände herzustellen, in denen sich Hinterschneidungen befinden, ohne daß gleichzeitig Trägerstrukturen gebildet werden. Normalerweise werden die Trägerstrukturen während der Bildung des Gegenstands mit dem Teilchenstrahl gebildet. Solche Trägerstrukturen müssen durch Schneiden, Schleifen oder maschinelle Bearbeitung entfernt werden.
Dreidimensionales Drucken ist eine andere, der ballistischen Pulvermetallurgie ähnliche Technik. Eine Variante dieser Technik bildet Schichten aus Teilchen, um ein dreidimensionales Bild im wesentlichen in der gleichen Weise zu erzeugen, in der ein Tintenstrahldrucker zweidimensionale Bilder erzeugt. Die Technik beruht auf Materialliefertechniken aufgrund von Wärmeschock oder gesteuertem Tropfen. Eine Wärmeschocktechnik bildet ein Teilchen durch Verdampfen eines kleinen Bereichs des Fluids direkt hinter der Düse. Die Düse für den gesteuerten Tropfen weist ein piezoelektrisches Element auf, um den Hohlraum zu verringern, wodurch ein Tropfen an der Düsenpiatte vorbei gezwungen wird. In beiden Fällen wird das Material in einer Weise zu einer Arbeitsoberfläche hin gerichtet, daß der Gegenstand aufgebaut wird. Diese Technik kann nur für bestimmte Arten von Materialien verwendet werden und sie erzeugt poröse Produkte.
Bei einer anderen Variante des dreidimensionalen Druckens wird eine Serie zweidimensionaler Schichten gebildet, indem eine Schicht aus Pulver auf der Oberseite einer Arbeitsoberfläche hinzugefügt wird. Die Pulverschicht wird wahlweise dort verbunden, wo das Teil durch Tintenstrahldrucken eines Bindematerials gebildet werden soll. Die Arbeitsoberfläche wird dann abgesenkt und eine weitere Schicht aus Pulver wird ausgebreitet und selektiv verbunden. Das Schichtungsverfahren wird wiederholt, bis das Teil vollständig gedruckt ist. Einer Wärmebehandlung folgend wird das nicht-verbundene Pulver entfernt, wobei das fertiggestellte Teil zurückbleibt. Obwohl diese Technik für Metall, Keramik und Kunststoffmaterialien vorgeschlagen worden ist, ist sie auf solche Materialien beschränkt, auf die ein zuverlässiges Verbindungsmittel aufgebracht werden kann, wobei poröse Produkte erzeugt werden.
Ein weiteres Verfahren, das zur Bildung von Metallgegenständen vorgeschlagen worden ist, ist das Gleichstrom-Plasmalichtbogen-Sprühen. In diesem Verfahren wird ein Plasma zwischen zwei konzentrischen, wassergekühlten Elektroden erzeugt, die eine Kammer bilden, in die ein Inertgas injiziert wird. Feine Metallteilchen werden in das Plasma mittels einer mechanischen Zuführeinrichtung und eines Trägergases injiziert. Durch den Plasmabrenner werden die Teilchen auf ein Substrat gesprüht.
Keine der zuvor beschriebenen Schichtfabrikationstechniken wurde erfolgreich dazu verwendet, hochwertige Stahlteile herzustellen. Von den zuvor beschriebenen Schichtverfahren wurden nur das Lasersintern und die ballistische Teilchenherstellung für die Fabrikation von Stahlteilen vorgeschlagen. Gegenstände, die durch Lasersintern hergestellt werden, sind jedoch porös. Eine derartige Porositat ist für die meisten Metallteile nicht annehmbar. Das Herstellungsverfahren mit ballistischen Teilchen verwendet einen Teilchenstrahl. Es ist schwierig, den Strahlenquerschnitt auf akzeptable Genauigkeitsniveaus zu definieren. Die durch dieses Verfahren hergestellten Produkte haben im allgemeinen eine innere Schwäche oder Weichheit, die durch die Porosität und schwache Verbindungen begründet ist.
Röhrenförmige Formen aus Metall wurden durch Formschmelzen hergestellt. Formschmelzen ist ein Verfahren, bei dem Strukturkomponenten hergestellt werden, indem Schweißmaterial Schicht auf Schicht abgelagert wird, bis die gewünschte Geometrie erzielt ist. Aufbauverfahrensweisen durch Schweißen, wie Formschmelzen, erfordern eine Vorform, die im allgemeinen ein maschinell bearbeitetes Metallstück ist, auf das die erste Schicht des Aufbaus abgelagert wird. Es wird als "Vorform" bezeichnet, da seine Form und seine maschinell bearbeitete Gestalt eine vorgesehene endgültige Gestalt des Aufbaus widerspiegeln. Eine Vorform dient als der Träger für das geschmolzene wie abgelagerte Schweißmetall, als die Leitung für eine Leitungskühlung des frisch abgelagerten Schweißmetalls, als das Mittel zum Einschränken von Schweißkontraktionsspannungen, wodurch eine Verzerrung oder Deformation des Aufbaus begrenzt wird, und als die allgemeine Querschnittsform für den Schweißaufbau. Beispielsweise würde ein zylindrischer Aufbau einen Zylinder in der Ausgangsvorform benötigen.
Alle beschriebenen Techniken nach dem Stand der Technik benötigen teure und manchmal individuell angefertigte Bewegungs-Steuerungseinrichtungen. Keine von ihnen ist anpaßbar für eine Verwendung mit bestehenden Metallformungs- oder -verarbeitungseinrichtungen, wie beispielsweise computer-numerisch gesteuerten (CNC) Maschinen.
Die Fachwelt hat versucht, Gegenstände herzustellen, indem Schichten aus Metall auf ein Substrat gesprüht werden. Die Verbindung zwischen den Schichten ist oft fragwürdig. Die Schichtverbindungsstellen oder -übergangsflächen sind oft Schwachpunkte in dem Gegenstand. Der Übergang zwischen dem Substrat und der ersten Schicht ist bei vielen Gegenständen ebenfalls schwach verbunden. Probleme sind dahingehend aufgetreten, daß die Schichten dazu geneigt haben, sich zu wölben und sich möglicherweise von dem Substrat abzulösen. Daher muß man ein Lösungs- oder Trennmittel oder ein passendes Substrat vorsehen.
Sowohl WO-A-90/15375 als auch US-A-4 621 762 offenbaren Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Gegenständen durch Schweißen aufeinanderfolgender Metallschichten auf ein Substrat. FR-A-2 569 136 ist ein französischsprachiges Äquivalent zu US-A-4 621 762. Die offenbarten Verfahren erfordern die Verwendung vielfältig ausgerichteter Schweißroboterarme, um es zu gestatten, daß das geschweißte Material auf der Oberseite, den Seiten oder sogar hinter Hinterschneidungsabschnitten des Gegenstands, der gebildet wird, aufgebracht wird.
Es besteht ein Bedürfnis für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung hochwertiger Metallteile durch inkrementellen Schichtaufbau von Material. Das Verfahren und die Vorrichtung sollten in der Lage sein, Gegenstände herzustellen, die Hinterschneidungen und unregelmäßige Formen haben. Das Verfahren und die Vorrichtung sollten außerdem mit vorhandenen Ausrüstungen einsetzbar sein.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands durch inkrementellen Materialaufbau dünner Schichten aufgezeigt. Jede Schicht ist aus zwei Teilen zusammengesetzt. Ein erster Teil repräsentiert eine Querschnittsscheibe des gebildeten dreidimensionalen Gegenstands. Der zweite Teil ist das Komplement der Gegenstandsform des ersten Teils und dient als eine Struktur, die die wachsende Gegenstandsform unterstützt. Beide Teile werden auf einem Substrat errichtet. Der erste Teil wird durch Schweißen aufeinander folgender Schichten aus Metall gebildet, um den Gegenstand aufzubauen. Der zweite Teil ist ein komplementäres Material, das beispielsweise durch Sprühen aufgebracht werden kann. Jede geschweißte Schicht entspricht einer Querschnittsscheibe durch einen Gegenstand derart, daß es mindestens eine Schicht für jeden parallelen Querschnitt senkrecht zu einer Mittellinie durch den Gegenstand gibt. Komplementäres Material wird jeder Schicht benachbart angeordnet, nachdem sie gebildet worden ist. Die Schichten werden auf eine endgültige Abmessung gefräst, entweder nachdem alle Schichten gebildet worden sind oder individuell bevor eine nachfolgende Schicht darauf ausgebildet wird. Im folgenden wird der Begriff "gefräst" und "fräsen" verwendet, um alle Techniken zu umfassen, die die Verwendung eines Werkzeugs zur Entfernung von Material enthalten, einschließlich der Verwendung einer Schleifscheibe oder einer Schneidescheibe. Nachdem eine geschichtete Struktur aufgebaut worden ist, die den aus dem geschweißten Material hergestellten Gegenstand enthält, umgeben von dem Komplementärmaterial, wird das Komplementärmaterial dann entfernt, wobei der erzeugte Gegenstand zurückbleibt. Das Komplementärmaterial kann leicht durch chemisches Ätzen oder maschinelle Bearbeitung entfernt werden. Wenn das komplementäre Material ausreichend spröde ist, kann es insgesamt oder der größte Teil davon leicht weggebrochen werden.
Weitere Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die in den folgenden Figuren dargestellt sind, in denen vergleichbare Teile die gleichen Bezugszeichen haben.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, der auf einem Substrat ausgebildet wird, wobei ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens verwendet wird.
Fig. 2 ist ein Schema, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände unter Verwendung des Verfahrens zeigt.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Blocks eines Gegenstands, der unter Verwendung alternativer bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens gebildet wird.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, der mit dem Verfahren hergestellt wird, wobei dargestellt ist, wie der Rand einer Schicht gefräst wird.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, der mit dem Verfahren hergestellt wird, wobei dargestellt ist, wie die Oberseite einer Schicht gefräst wird.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Gegenstands, der mit dem Verfahren hergestellt wird, wobei dargestellt ist, wie der Gegenstand in eine gewünschte Form gebracht wird.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht, die die Aufbringung von komplementärem Material benachbart jeder Schicht zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist ein Gegenstand 1 gezeigt, der in Übereinstimmung mit dem Verfahren und der Vorrichtung hergestellt werden kann. Dieser Gegenstand ist aus mehreren Schichten 2 gebildet, die zusammen auf ein Substrat 3 geschweißt sind, das auf einer Arbeitsoberfläche 4 angeordnet ist. Legierungen auf der Grundlage von Eisen, Legierungen auf der Grundlage von Nickel, Legierungen auf der Grundlage von Aluminium und Legierungen auf der Grundlage von Titan können verwendet werden, um die Schichten 2 zu bilden. Um den Gegenstand aus Fig. 1 herzustellen, wird ein Schweißkopf 10 verwendet, der an einer CNC-Maschine 20 angebracht sein kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Arbeitsoberfläche 4 ist ein Tisch 22, der sich in zwei oder drei Richtungen bewegen kann, wie es durch Pfeile x, y, z angedeutet ist. Der Schweißkopf 10 ist an einem Kopf 21 einer CNC-Maschine 20 angebracht. Derartige Köpfe sind normalerweise in einer senkrechten Ebene bewegbar, wie es durch den Pfeil z angedeutet ist. In manchen Maschinen ist der Kopf darüber hinaus in den Richtungen x und y bewegbar. Der Kopf 21 ist so ausgelegt, daß er Schneidwerkzeuge (nicht dargestellt) zum Schneiden eines Werkstücks (ebenfalls nicht dargestellt) auf dem Tisch 22 hält. Um den Gegenstand herzustellen, wird ein Substrat 3 auf dem Arbeitstisch 22 angeordnet oder ausgebildet. Das Substrat 3 sollte aus einem leitenden Material hergestellt sein, auf das man schweißen kann. Das Substrat könnte das Schweißmetall sein. Das Substrat 3 ist elektrisch mit Erde 23 verbunden. Der Schweißkopf 10 kann dann für elektrisches Lichtbogenschweißen eines Metalls verwendet werden, das auf das Substrat zugeführt wird. Falls erwünscht, kann mehr als ein Metall verwendet werden, um einen Gegenstand zu erzeugen. Vorzugsweise liegt das Metall in der Form von Schweißstäben oder Schweißdraht vor, die automatisch von einer Versorgungseinrichtung 24 an eine Position unter dem Schweißkopf zugeführt werden können. Der Tisch 22 oder der Kopf 21 werden in einer solchen Weise bewegt, daß die Abgabe des geschweißten Metalls in einem vorgegebenen Muster erfolgt, um jede Schicht 2 zu bilden. Ein komplementäres Material wird durch eine Sprülivorrichtung 26 jeder Schicht benachbart angeordnet. Es können außerdem andere Techniken verwendet werden, um das komplementäre Material anzuordnen. Derartige Techniken umfassen thermisches Sprühen, die Abgabe des komplementären Materials in einen Träger, wie beispielsweise einen Luftstrom oder flüssigen Schlamm, die Zufuhr des komplementären Materials von einer Schwerkraftzufuhreinrichtung, sowie die Verwendung einer handbetriebenen Vorrichtung, wie beispielsweise ein Handsieb, um das Material manuell aufzubringen. Nachdem jede Schicht vervollständigt ist, wird der Arbeitstisch 22 abgesenkt, um die Ablagerung der nächsten Schicht zu ermöglichen. Obwohl es bevorzugt wird, den Schweißkopf 10 und die Sprühvorrichtung 26 während der Bildung jeder Schicht zu bewegen, kann auch eine befestigte Sprühvorrichtung verwendet und die Arbeitsoberfläche 22 bewegt werden.
Wenn das komplementäre Material 6 in einer flüssigen oder pulverförmigen Form aufgebracht wird, ist es wünschenswert, einen Rahmen 8 um den zu bildenden Gegenstand 1 herum vorzusehen. Dieser Rahmen kann aus dem gleichen Material wie der Gegenstand hergestellt und unter Verwendung der gleichen Technik, wie sie zur Bildung des Gegenstands 1 verwendet wird, an seinen Platz geschweißt werden.
Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, kann es wünschenswert sein, den Rahmen in den dem Rahmen benachbarten Bereich 9 hinein zu erstrecken. In diesem Fall würde komplementäres Material nur in dem den Gegenständen benachbarten Bereich 7 angeordnet werden. In anderen Fällen könnte es erwünscht sein, das komplementäre Material in Pulverform aufzubringen und nur den dem Gegenstand benachbarten Teil des komplementären Materials zu verbinden. In diesem Fall wäre der Bereich 7 in Fig. 3 verbundenes komplementäres Material und der Bereich 9 wäre pulverisiertes komplementäres Material. Das komplementäre Material kann durch selektive Heiztechniken oder durch die Beifügung eines Bindemittels oder eines Katalysators verbunden werden.
Die Fachwelt hat bei manchen Metallsprühverfahren beobachtet, daß sich eine Eigenspannung in der gesprühten Metallschicht entwickelt, die bewirkt, daß sich die Schicht wölbt und möglicherweise ablöst. Um die Spannung zu lösen, wurden solche Schichten in Fachkreisen durch Kugelstrahlen behandelt. Die Technik ist nur in Situationen erfolgreich, bei denen die Bestrahlung gleichmäßig über die Schicht aufgebracht wird. Da vorliegend die Schichten flach sind, kann diese Technik verwendet werden. Daher wird es bevorzugt, eine Kugelstrahleinrichtung 25 für ein Kugelstrahlen jeder Schicht vorzusehen.
Es ist auch möglich, die Spannung durch Induktionsheizen zu lösen. Alternativ wird daher ein Induktionserhitzer 27 vorgesehen, der über jede Schicht bewegt wird, um die Oberfläche selektiv zu erhitzen. Eine derartige Erhitzung kann aufflachen Schichten leichter bewerkstelligt werden als auf gekrümmten und unregelmäßigen Oberflächen.
Nach Beendigung des Verfahrens liegt ein Block aus Material vor. Da ein komplementäres Material 6 mit dem Ablagerungsmaterial aufgebracht wurde, ist es möglich, komplizierte Formen und Teile mit Hinterschneidungsabschnitten zu erzeugen. Bei dem speziellen Gegenstand aus Fig. 1 unterstützt das komplementäre Material 6 in jeder Schicht die Enden des geschweißten Materials oberhalb dieser Schicht. Es wird bevorzugt, daß das komplementäre Material entweder eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit hat, wie beispielsweise Kupfer, oder eine sehr niedrige elektrische Leitfähigkeit, wie beispielsweise Keramik. Diese Materialarten erzeugen oder speichern nicht beträchtliche Mengen an Wärme. Es wird außerdem bevorzugt, sprödes Material zu verwenden, wie es die meisten Keramikwerkstoffe sind. Wenn diese Art von Material verwendet wird, kann das komplementäre Material 6 leicht von dem Gegenstand 1 durch Vibration, Ultraschall-Vibration und Erhitzung des Gegenstands, um eine thermische Ausdehnung des Gegenstands zu bewirken, weggebrochen werden. Es wurde herausgeflinden, daß, wenn der Gegenstand in Stahl oder einer anderen Metall-Legierung gefertigt werden soll, die meisten Keramikwerkstoffe, Kupfer und Kupferlegierungen ein geeignetes komplementäres Material darstellen. Es wurde gefunden, daß eine Keramik gut als Komplementärmaterial geeignet ist, die aus 60% Fastcote Refractory und 40% Fastcote Binder besteht. Diese Produkte werden von der Ransom & Randolph Division der Firma Dentsply International verkauft.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann das komplementäre Material über jede Schicht aus geschweißtem Metall gesiebt, geblasen oder gesprüht werden, wobei der dem gerade geschweißten Metall benachbarte Bereich ausgefüllt und die Oberseite jeder Schicht 2 bedeckt wird. Dann wird ein Wischgummi 12 über die Schicht gezogen, um überschüssiges Material zu entfernen. Alternativ kann man den Keramikwerkstoff härten und überschüssiges Material wegfräsen.
Weiterhin wird es bevorzugt, einen Fräskopf oder eine Schleifscheibe 14 (oder eine Kombination von diesen), wie es in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt ist, vorzusehen. In Fig. 5 wird dieser Kopf 14 über jede Schicht geführt, wobei diese Schicht auf eine genaue Dicke zugerichtet wird. Das Verfahren wird dann für jede Schicht wiederholt, bis der endgültige Materialblock hergestellt worden ist. In den Fig. 4 und 6 wird der Fräskopf 14, der Werkzeuge 15 oder 16 hat, dazu verwendet, die Außenseite oder den Umfang jeder Schicht 2 zu formen. Durch die Verwendung geeignet geformter Werkzeuge kann man den Gegenstand in jede gewünschte Konfiguration profilieren. Ein abgeschrägtes Werkzeug 16 wird dazu verwendet, eine geneigte Seite anstelle eines senkrechten Rands zu erzeugen, wie er mit dem Werkzeug 15 hergestellt wird. Darüber hinaus kann man einen Gegenstand herstellen, der eine unregelmäßige Konfiguration hat, die Hinterschneidungen und Überlappungen aufweisen kann. In bestimmten Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, den Gegenstand zu fräsen, nachdem er vollständig geformt worden ist.
Das hier offenbarte Feststoff-Freiform-Herstellungssystem gestattet darüber hinaus die Herstellung vollständiger funktioneller Baugruppen, die zwei oder mehr zusammenpassende Teile aufweisen, in einem Verfahren ohne das Erfordernis diskreter Montagevorgänge. Der Gegenstand 1 in Fig. 1 kann beispielsweise in der Form eines Kugelkopfs ausgebildet sein und der Rahmen 8 kann als eine Kugelpfanne ausgebildet sein. Nach dem Formen wird das komplementäre Material 6 entfernt, wobei ein Kugelgelenk verbleibt.
Wie man aus Fig. 2 erkennt, kann dem Verfahren gefolgt werden, indem eine CNC-Maschine verwendet wird, die so modifiziert ist, daß sie einen Schweißkopf aufweist. Schweißstab, Schweißdraht und komplementäres Material können automatisch oder manuell zugeführt werden. Selbst wenn das Verfahren vollständig in einer CNC-Maschine automatisiert ist, sind die Kosten der Modifizierung einer derartigen Maschine wesentlich geringer als die Hauptkosten für eine andere automatisierte Ausrüstung zur Herstellung von Gegenständen durch inkrementellen Aufbau dünner Schichten.
Da die Schichten durch Schweißen gebildet werden, besteht eine perfekte Schmelzverbindung zwischen den Schichten. Als ein Ergebnis hat der durch das Verfahren gebildete Gegenstand eine hohe Dichte und metallische Verbindungen.

Claims

1. Verfahren für die Herstellung eines dreidimensionalen Metallgegenstands, das folgende Schritte aufweist:

a) Positionieren eines Substrats auf einer Arbeitsoberfläche;

b) Schweißen einer Metalischicht auf das Substrat oder auf eine darauf ausgebildete frühere Metalischicht;

c) Anordnen oder Ausbilden einer Schicht eines komplementären Materials entlang der Metallschicht aus Schritt b), so daß das komplementäre Material jeder Schicht benachbart ist, um eine Ergänzung der Gegenstandsform der benachbarten Schicht aus durch Schweißen abgelagertem Metall zu bilden und um als eine Struktur zu dienen, die die wachsende Gegenstandsform trägt;

d) Wiederholen der Schritte b) und c), um eine Anzahl aufeinanderfolgender Schichten aufzubauen, wobei jede Schicht einer entsprechenden Querschnittsscheibe durch den Gegenstand entspricht;

e) Entfernen des komplementären Materials; und

f) Entfernen des Substrats.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedem Schritt b) ein Schritt des Fräsens des Rands und der oberen Oberflächen der gerade abgelagerten Metallschicht folgt, wobei die Randfräsung derart erfolgt, daß die Schicht einen senkrechten oder nicht-senkrechten Rand erhält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei jedem Schritt b) ein Schritt des Kugeistrahlens und/oder des Erhitzens eines Teils oder der Gesamtheit der geschweißten Schicht folgt, die gerade aufgebracht worden ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall der Metallschicht aus Schritt b) aus einer Legierung auf der Grundlage von Eisen, einer Legierung auf der Grundlage von Nickel, einer Legierung auf der Grundlage von Aluminium, einer Legierung auf der Grundlage von Titan oder aus zwei oder mehreren derartigen Legierungen besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das komplementäre Material aus Schritt c) eine Keramik, ein Cermet, Kupfer oder eine Kupferlegierung ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das komplementäre Material aus Schritt c) ein Pulver ist und wobei ein dem geschweißten Metall b) der gleichen Schicht benachbarter Teil des Pulvers in eine Masse zusammengebunden ist und wahlweise gehärtet ist, wogegen ein anderer Teil des Pulvers nicht zusammengebunden ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das komplementäre Material und/oder das Substrat in Schritt e) und/oder Schritt f) durch Ätzen, Fräsen, Vibration, Ultraschall-Vibration und/oder thermische Ausdehnung des Gegenstands entfernt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Rahmen um die aufeinanderfolgenden Schichten aus Schritt b) herum angeordnet oder ausgebildet wird, bevor Schritt c) ausgeführt wird, so daß das komplementäre Material aus Schritt c) zwischen dem Rahmen und der zugeordneten Schicht aus geschweißtem Metall angeordnet werden kann.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt c) weiterhin ein Härten mindestens eines Teils des komplementären Materials umfaßt, indem ein Bindemittel zugefügt, ein Katalysator verwendet und/oder Hitze zugeführt wird.

10. Vorrichtung zur Bildung eines integrierten dreidimensionalen Gegenstands durch Schweißen aufeinanderfolgender Materialschichten, die die folgenden Merkmale aufweist:

a) Eine Arbeitsoberfläche (22) zum Halten eines Substrats (3);

b) einen Arbeitskopf (21) über der Arbeitsoberfläche (22), der Schweißmittel (10) trägt, um aufeinanderfolgende Metalischichten (2) auf ein darauf befindliches Substrat (3) zu schweißen; und

c) Mittel (26) zum Anordnen einer Schicht (6) eines komplementären Materials benachbart zu jeder aufeinanderfolgenden Schicht (2) des durch Schweißen abgelagerten Metalls, um eine Ergänzung der Gegenstandsform der benachbarten Schicht aus durch Schweißen abgelagertem Metall zu bilden und um als eine Struktur zu dienen, die die wachsende Gegenstandsform trägt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Mittel (26) zur Anordnung einer Schicht (6) aus komplementärem Material benachbart zu jeder aufeinanderfolgenden Schicht (2) aus dem durch Schweißen abgelagerten Metall von dem Arbeitskopf (21) getragen werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei der Arbeitskopf (21) zusätzlich zu den Schweißmitteln (10) folgende Komponenten trägt:

- einen Fräskopf (14) für eine Rand- und Flächen-Zurichtung der Seitenränder und/oder der oberen Flächen aufeinanderfolgender Schichten (2) aus durch Schweißen abgelagertem Metall;

- einen Kugelstrahlkopf (25) zum Kugelstrahlen des durch Schweißen abgelagerten Metalls (2) aufeinanderfolgender Schichten; und/oder

- einen Induktionserhitzer (27) zum Erhitzen des durch Schweißen abgelagerten Metalls (2) aufeinanderfolgender Schichten, um eine Restspannung darin zu entspannen,

- wobei der Arbeitskopf (21) und/oder die Arbeitsoberfläche (22) wahlweise in einer gewünschten Weise in drei zueinander senkrechten Richtungen durch eine computerisierte numerische Steuerungseinrichtung bewegbar sind.