DE9117128U1 - Gesintertes Teil und Pulver zum Sintern - Google Patents

Description

Dipl.-Chem. Dr. Steffen ANDRAE
Dipl.-Phys. Dieter FLACH
Dipl.-Ing. Dietmar HAUG
Dipl.-Chem. Dr. Richard KNEISSL
Balanstraße 55
81541 München

Unsere Akte: 2219

Anmelder: BOARD OF REGENTS, THE UNIVERSITY OF TEXAS SYSTEM 201 West Seventh Street, Austin, TX 78 701, U.S.A.

Gesintertes Teil und Pulver zum Sintern

Diese Erfindung betrifft ein Teil, das nach einem Verfahren und auf einer Vorrichtung hergestellt wird, die einen gerichteten Energiestrahl anwendet, um ein Pulver selektiv zu sintern, und ein solches Pulver. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine computergestützte Laservorrichtung, die 0 sequentiell mehrere Schichten des Pulvers sintert, um das gewünschte Teil Schicht um Schicht aufzubauen. Die vorliegende Anmeldung ist insbesondere auf ein Pulver ausgerichtet, das eine Vielzahl von Materialien aufweist, wobei das Pulver mehr als eine Binde- oder Dissoziationstemperatur aufweist.

Die Wirtschaftlichkeit, die mit den konventionellen Herstellungsverfahren für Teile verbunden ist, zeigt im allgemeinen eine direkte Beziehung zur Menge der 0 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 das Verfahren der subtraktiven Bearbeitung einschlie/3en, 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 Mangel.

Erstens produzieren derartige konventionelle substraktive Verfahren bei Einsatz von Werkzeugmaschinen 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 0 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.

5 Eine weitere Schwierigkeit in Verbindung mit derartigen konventionellen Verfahren der maschinellen Bearbeitung schließt den Verschleiß der Werkzeuge ein - was nicht nur die Kosten

der Auswechselung 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 das 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 0 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, 5 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 An-Wendungen 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 da/5 der Laser das Beschichtungsmaterial auf dem Artikel schmelzen wird.

Die U.S.Patente Nr. 4944817, Nr. 4863538, Nr. 4938816 und die PCT-Veröffentlichung WO 88/02677, die am 21. April 1988 veröffentlicht wurde, auf die man sich hierin alle bezieht, beschreiben ein Verfahren für die Herstellung komplizierter Teile direkt von einer CAD-Datenbank, die nicht den vorangehend beschriebenen Beschränkungen der verschiedenen subtraktiven und additiven Verfahren unterliegt; dieses neue Verfahren bezeichnet man als "selektives Strahlsintern" oder "selektives Lasersintern". Das Verfahren des selektiven Lasersinterns ist besonders für die Herstellung von Prototypen für Teile vorteilhaft, die anschließend in der Masse gefertigt werden können, beispielsweise nach dem Präzisions-0 gießverfahren mit verlorener Gießform oder durch Verwendung einer Werkzeugausrüstung.

Es ist wünschenswert, daß das Verfahren des selektiven Strahlsinterns nicht nur benutzt wird, um die Prototypmodeile der Teile herzustellen, die anschließend in der Masse gefertigt werden, sondern auch um Teile herzustellen, die für einen tatsächlichen Einsatz in einer Maschine ge-

: &idigr; * &Lgr;.

eignet sind. Derartige einsetzbare Teile können ebenfalls Prototypen sein, die für das Testen der Konstruktion des Teils und des Systems, in das es eingebaut werden soll, nützlich sind; außerdem ist es wünschenswert, derartige Teile herzustellen, die in der Lage sind, im Fertigprodukt eingesetzt zu werden.

Das Material der Teile, die tatsächlich eingesetzt werden sollen, mu/3 eine ausreichende Festigkeit und Integrität aufweisen, um die mechanischen Forderungen und die Forderungen hinsichtlich der Wärmespannung bei deren Anwendung zu erfüllen. Dementsprechend ist die Herstellung intermetallischer und keramischer Teile (einschließlich Glas) mittels des selektiven Strahlsinterns wünschenswert. Viele wünschenswerte Metall- und Keramikpulver zeigen jedoch Sinter- oder Schmelztemperaturen, die ausreichend hoch sind, so da/3 ein selektives Sintern oder Schmelzen durch einen gerichteten Energiestrahl, wie beispielsweise einen Laser, zu diesem Zeitpunkt nicht ohne weiteres möglich ist.

Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung ein Teil und ein Pulver bereitzustellen, wobei das Teil nach einem Verfahren durch Anwendung von Energie auf ausgewählte Teile des Pulvers, das mehrere Materialien aufweist, hergestellt wird, wobei die Eigenschaften des Materials des hergestellten Teils von denen der Materialien im Pulver abweichen.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein derartiges Teil und Pulver bereitzustellen, wobei die Schmelztemperatur 0 des erzeugten Teils höher ist als die Temperatur, die der gerichtete Strahl auf das Pulver bei der Herstellung anwendet .

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein derartiges Teil und Pulver bereitzustellen, wo das eingesetzte Material ein Metall oder ein keramisches Material ist.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein derartiges Teil und Pulver bereitzustellen, wo das Material des Teils eine chemische Verbindung der Bestandteile des Pulvers ist.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein derartiges Teil und Pulver bereitzustellen, das nachbehandelt ist, bzw. wird um eine chemische Reaktion zu bewirken.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten unter Bezugnahme auf die folgende Spezifikation zusammen mit den Zeichnungen verständlich werden.

« · a mm

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Teil gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Pulver gemäß den Merkmalen von Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die vorangehend aufgezeigten Probleme werden in starkem Maße durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gelöst. Die vorliegende Erfindung umfaßt einen gerichteten Energiestrahl - wie z.B. einen Laser - und sie ist so anpassungsfähig, daß fast jedes dreidimensionale Teil gefertigt werden kann. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ein additives Verfahren, bei dem das Pulver in einer Zielfläche verteilt wird, wobei der Laser selektiv das Pulver sintert, um eine gesinterte Schicht herzustellen. Die Erfindung ist ein Verfahren der schichtartigen Herstellung, bei dem die Schichten miteinander verbunden werden, bis das fertige Teil hergestellt ist. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung 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.

Im allgemeinen umfaßt die Vorrichtung einen Laser oder eine andere gerichtete Energiequelle, die für das Emittieren eines Strahles in eine Zielfläche, wo das Teil hergestellt wird, auswählbar ist. Ein Pulververteilungssystem trägt das 0 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.

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 kontinuerlichen 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 0 kontinuierlich eingeschaltet bleiben kann, um das Pulver innerhalb der festgelegten Grenzen für die spezielle Schicht zu sintern.

Bei einer bevorzugten Ausführung bewegt der Mechanismus für 5 das Ausrichten den Laserstrahl in einer sich wiederholenden Rasterabtastung der Zielfläche bei Benutzung eines Paares Spiegel, die durch Galvanometer angetrieben werden. Der

erste Spiegel reflektiert den Laserstrahl zum zweiten Spiegel, der den Strahl in die Zielfläche reflektiert. Die Verschiebewegung 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.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Fertigung von Teilen 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 betätigt wird, wenn sich das Ziel des Strahles innerhalb der Grenzen befindet, die die erste Schicht 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 0 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. Bei einer Ausführung wird das Pulver kontinuierlich in der

10
Zielfläche aufgetragen.

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. 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.

Wie in diesem Dokument verwendet, umfaßt die Bindetemperatur die Schmelztemperatur, die Erweichungstemperatur und die Bindetemperatur, ist aber nicht darauf beschränkt.

Bei allen bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung weist die Vielzahl der Materialien mindestens ein erstes Material auf, das mit mindestens einem zweiten Material gemischt ist, oder mindestens ein erstes Material, 5 das mit mindestens einem zweiten Material beschichtet ist.

Wie aus der vorangegangenen allgemeinen Beschreibung zu

ersehen ist, lösen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung viele der Probleme, die mit den bekannten Verfahren für die Herstellung von Teilen verbunden sind. Erstens ist die vorliegende Erfindung gut für die Her-Stellung von Prototypteilen oder Ersatzteilen in begrenzten Mengen geeignet. Außerdem sind das Verfahren und die Vorrichtung hierbei in der Lage, Teile mit komplizierten Formen herzustellen, die nach den konventionellen Fertigungsverfahren nicht erhalten werden können. Außerdem eliminiert die vorliegende Erfindung den Verschleiß der Werkzeuge und die Konstruktion der Maschine als begrenzende Faktoren betreffs der Toleranzen, die bei der Herstellung des Teils erhalten werden können. Schließlich kann bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in CAD/CAM-Systeme eingebunden ist, eine große Anzahl von Ersatzteilen im Computer programmiert werden, und sie können leicht bei einem geringen Einrichtaufwand oder Eingriff seitens des Menschen hergestellt werden.

0 Das Verfahren entsprechend der Erfindung kann ebenfalls angewendet werden, um ein Teil aus einem Material zu fertigen, das eine oder mehrere Eigenschaften aufweist, die von denen der Materialien abweichen, aus denen das Pulver besteht, das mehrere Materialien enthält. Die Anwendung der Wärmeenergie auf ausgewählte Stellen der speziellen Pulver aus mehreren Materialien ermöglicht eine chemische Reaktion und die Bildung einer stabilen oder metastabilen chemischen Verbindung an den Stellen des Pulvers, die der Energie ausgesetzt sind. Die Reaktion kann während der Anwendung der 0 gerichteten Energie erfolgen; alternativ kann die gerichtete Energie die Materialien zu einer Masse an den ausgewählten Stellen verschmelzen oder sintern, wobei eine anschließende Wärmebehandlung die chemische Reaktion verursacht. Die Verbindung kann wichtige Eigenschaften aufweisen, die von 5 den Eigenschaften irgendwelcher Pulverbestandteile abweichen, wie beispielsweise einen viel höheren Schmelzpunkt. Infolgedessen kann ein Teil aus einem Material herge-

stellt werden, das anderweitig nicht für das selektive Laser- oder Strahlsintern dienlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,

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 der vorliegenden Erfindung darstellt,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Musterteils, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wird,

0 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 entsprechend der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung längs der Linie 7-7 in Fig. 4,

0 Fig. 8 die Darstellung der Wechselbeziehung zwischen einer einzelnen Abtastung des Lasers über der Schicht aus Fig. 7 und den Steuersignalen der vorliegenden Erfindung in Diagrammform,

Fig. 9 eine Mischung der Materialien in einem Pulver,

Fig. 10 die Materialien, die in einem Pulver beschichtet

_m &Lgr; W www — —

14
sind,

Fig. 11 einen Abschnitt des Sinterzyklusses bei einer Mischung von Materialien, wie er gegenwärtig verstanden wird,

Fig. 12 zwei Materialien, die vor dem Sintern aufgetragen werden, und

Fig. 13 und 14 Phasendiagramme von binären Metallsystemen, die bei einer alternativen Ausführung der Erfindung einsetzbar sind.

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 des Pulvers auf eine Zielfläche 26 ausgerichtet, die in Fig. 1 im allgemeinen durch die Begrenzung 2 8 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 3 2 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. 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 4 0 kHz und zeigt eine Impulsdauer von etwa 6 Nano-Sekunden. Bei sowohl der impulsgesteuerten 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 3 6 und eine Sammellinse 3 8 längs des Bewegungsweges des Laserstrahles angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Eben durch Benutzung der Sammellinse 3 8 wird die Stelle des tatsächlichen Brennpunktes nicht einfach durch Verändern des Abstandes zwischen der Sammellinse 3 8 und dem Laser 12 gesteuert. Die Zerstreuungslinse 36, die zwischen dem Laser 12 und der Sammellinse 3 8 angeordnet wird, erzeugt einen virtuellen Brennpunkt zwischen der Zerstreuungslinse 36 und dem Laser 12. Eine Veränderung des Abstandes zwischen der Sammellinse 3 8 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

&igr; · &igr;»

Interface-Anschluß 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 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, 4 9 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 4 9 ist an die Bewegung des Galvanometers 48 angekoppelt) , so da/3 das Ziel des Laserstrahles (durch die Pfeile in Fig. 1 dargestellt) in der Zielfläche 26 gesteuert werden kann. Der Treiber 50 ist funktionell mit dem Computer 40 verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Es wird wahrgenommen, da/3 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" als ein neutraler Begriff verwendet, der die Richtung anzeigt, 5 aber er bedeutet nicht den Modulationszustand des Lasers 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.

In Fig. 9 und 10 werden Pulver gezeigt, die eine Vielzahl von Materialien aufweisen, aus denen die Teile bei Anwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können. Der Einfachheit halber werden in den Abbildungen nur zwei Materialien gezeigt. Wie es jedoch den Fachleuten klar sein wird, kann das Pulver der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Materialien aufweisen.

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 0 das Pulver 110 0 während der Anwendung der Energie, die ausreicht, um das Sintern zu begünstigen. Fig. 11b zeigt das Material 1101, das eine niedrigere Binde- oder Dissoziationstemperatur als das Material 1102 aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführung infiltriert das Material 1101 5 mit der niedrigen Temperaturphase in die Pulvermasse 1100 in der Fläche, die jedes Teilchen des Materials 1101 umgibt. 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. lic 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. lld 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 0 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 5 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, da/3 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 Kolbalt, 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 Volumenver-0 änderung 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 5 Pulver zu bilden. Das Sintern ermöglicht, daß das PMMA fließt und das Metall bindet. Das Glühen als Nachbehandlung wird das PMMA dissoziieren und das Metall sintern, wodurch

20
das 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 Losungsmittelbeschichtung 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, da/3 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

21
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.

Entsprechend einer weiteren Ausführung der Erfindung kann 0 die Anwendung des gerichteten Energiestrahles auf ausgewählte Teile des Pulvers angewendet werden, um eine chemische Reaktion der Materialien innerhalb des Pulvers zu ermöglichen, aus denen es besteht. Bei dieser Ausführung umfaßt das Pulver mehrere Vorläufer der zu bildenden Verbindung, beispielsweise eine Mischung von elementaren oder legierten Pulvers. Die Energie des gerichteten Energiestrahles beim Verfahren des selektiven Lasersinterns bewirkt die Bildung einer Masse an den Stellen einer jeden Pulverschicht, die dem gerichteten Strahl ausgesetzt sind. Das 0 Teil wird durch schichtweise Anordnung des Pulvers in der Zielfläche und selektives Lasersintern oder Binden ausgewählter Abschnitte der Schicht, die schichtartig ein Teil bilden, wie es hierin vorangehend beschrieben wird, aufgebaut . Bei Abschluß dieses Vorganges werden die Teile des Pulvers, die nicht dem gerichteten Energiestrahl ausgesetzt wurden, entfernt, wie hierin vorangehend angeführt wird.

Entweder während der Einwirkung des Lasers oder beim nachselektiven Lasersinterglühen diffundieren die Vorläufer an den bestrahlten Stellen, was zu einer neuen Phase des Materials auf der Basis einer chemischen Reaktion führt. Diese neue Phase zeigt vorzugsweise bedeutend andere Eigenschaften als die der Vorlaufermaterialien; Beispiele für diese abweichenden Eigenschaften umfassen die physikalischen, mechanischen, tribulogischen oder elektrischen Eigenschaften.

Beispielsweise wird ein Teil, das bei seinem beabsichtigten Einsatz hohen Temperaturen ausgesetzt wird, vorzugsweise aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet. Pulver mit einem hohen Schmelzpunkt sind jedoch nicht für eine Verwendung beim Verfahren des selektiven Lasersinterns geeignet, da die Laserenergie im allgemeinen unzureichend sein wird, um das Pulver in eine Masse zu verschmelzen oder zu sintern. Entsprechend dieser Ausführung der Erfindung ist das Material mit dem hohen Schmelzpunkt, aus dem das Teil · hergestellt werden soll, eine Verbindung von Vorläufern, von denen einer einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweist.

Als Beispiel kann eine Verbindung A_1nB_n ausgewählt werden, die einen hohen Schmelzpunkt aufweist, worin die elementaren Bestandteile A und B in gemischter Pulverform vorhanden sein können. Es muß beachtet werden, daß dieses Verfahren auch für Systeme anwendbar ist, wo eine gewisse Festkörperlöslichkeit der Bestandteile in der Verbindung zu vezeichnen ist, wobei in dem Fall m und &eegr; nicht ganzzahlig sind.

Bestimmte Überlegungen sind bei der Auswahl der Verbindung A_1nB_n wichtig. Erstens muß ein bedeutender Unterschied der Schmelzpunkte von mindestens zwei der Vorläuferelemente A und B zu verzeichnen sein, so da/3 die Leistungsfähigkeit des Lasers (oder eines anderen gerichteten Energiestrahles) in der Lage ist, das Material zu schmelzen, das den niedrigeren der Schmelzpunkte aufweist, während das Material mit dem höheren Schmelzpunkt nicht geschmolzen wird. Es mujS beachtet

werden, daß der Laser nicht die gesamte Wärmeleistung bringen muß, die erforderlich ist, um das Pulver mit dem niedrigen Schmelzpunkt zu schmelzen; die Umgebungstemperatur des Pulvers kann in der Nähe des niedrigeren Schmelzpunktes gehalten werden, so daß die Laserenergie ausreichend ist, um den Vorläufer mit dem niedrigeren Schmelzpunkt an den bestrahlten Stellen zu schmelzen, aber nicht an den nicht bestrahlten Stellen. Zweitens muß eine Verbindung A₀₁B_n der Vorläufer vorhanden sein, die die gewünschten Eigenschaften (z.B. ein hoher Schmelzpunkt) aufweist. Damit die chemische Reaktion in einer zeiteffektiven Weise durchgeführt werden kann, ist es drittens wünschenswert, daß die Arten der Vorläufer, die die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzen, eine hohe chemische Diffusionsfähigkeit in den anderen Arten der Vorläufer und in der Verbindung aufweisen. Viertens ist es wünschenswert, daß der Volumenanteil des Vorläufers mit dem niedrigen Schmelzpunkt am Gesamtvolumen bedeutend ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 25 bis 75 Prozent, so daß der geschmolzene Vorläufer vollständig den nicht schmelzenden Vorläufer infiltrieren kann, was zu Teilen mit einer hohen Dichte führt.

Im allgemeinen resultiert eine einphasige binäre Verbindung A_1nB_n gemäß dieser Ausführung der Erfindung aus der folgenden Reaktion:

mA + nB ^ A_mB_n

Alternativ kann eine überschüssige Menge des einen der Vor-0 läufer eingesetzt werden, um ein zweiphasiges Produkt herzustellen. Beispielsweise, wo eine überschüssige Menge des Vorläufers A eingesetzt wird, kommt es zu der folgenden Reaktion:

5 {m+o)A + nB -> A_1nB_n + oA

Wo zwei Verbindungen für ein System vorhanden sind, kann die

richtige Steuerung der Mengen der Vorläufer im Pulver ein Produkt mit zwei Verbindungsphasen entsprechend der folgenden Reaktion herstellen:

+ (cm+ßp)B -=> OiA₀₁B_n + ßA_QB_p

Fig. 13 ist ein Phasendiagramm für ein erstes bevorzugtes Beispiel einer binären Verbindung, die entsprechend dieser Ausführung der Erfindung gebildet werden kann. Das Phasendiagramm der Fig. 13 zeigt die Schmelzpunkte der verschiedenen Mischungen von Nickel und Zinn. Es muß bemerkt werden, daß die Schmelzpunkte des elementaren Nickels und Zinns ziemlich stark abweichen, wobei der Schmelzpunkt des elementaren Zinns bei 231,8 ⁰C liegt. Es muß ebenfalls bemerkt werden, daß intermetallische Verbindungen von Nickel und Zinn vorhanden sind, die hohe Schmelzpunkte aufweisen; beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von Ni₃Sn₂ in der Größenordnung von 1260 ⁰C.

Entsprechend dieser Ausführung der Erfindung umfaßt das Pulver, das dem selektiven Lasersintern ausgesetzt wird, eine Mischung von Nickel und Zinn, wobei die Mischung vorzugsweise etwa 40 % Nickel und 60 % Zinn {Atomprozent) aufweist. Ein Teil wird durch schichtweises selektives Lasersintern in der vorangehend beschriebenen Weise hergestellt. Vorzugsweise liefert ein konventioneller Laser, wie beispielsweise ein CO₂- oder YAG-Laser, der eine Leistung in der Größenordnung von 25 Watt oder mehr aufweist, den gerichteten Snergiestrahl. Während des selektiven 0 Lasersinterns befindet sich das Pulver vorzugsweise in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, wie beispielsweise Stickstoff; alternativ kann die Oxidation des Pulvers durch Beschichten des Nickel- und Zinnpulvers mit einem Flußmittel, beispielsweise Zinkchlorid, verzögert werden. Ebenfalls während des 5 selektiven Lasersinterns wird die Umgebungstemperatur des Pulvers vorzugsweise erhöht, beispielsweise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 190 ⁰C. Diese

Bedingungen bewirken, da/3 das Zinn schmilzt und die Pulverteilchen des Nickels infiltriert, so sehr wie in der vorangehend in Fig. lic beschriebenen Art und Weise. Beim Abkühlen der Schicht (beginnt mit dem Wegbewegen des Laser-Strahles vom geschmolzenen Abschnitt) verfestigt sich das Zinn wieder, wobei eine feste Masse von Nickelpulverteilchen innerhalb des wieder verfestigten Zinns gebildet wird. Die folgenden Schichten werden danach gleichermaßen verarbeitet, bis das gewünschte Teil fertiggestellt ist. Es muß beachtet werden, daß das Schmelzen des Zinns in einer späteren Schicht dazu dient, ihren Querschnitt des Teils mit dem der vorhergehenden Schicht zu verbinden, so daß eine kohäsive Masse schichtartig gebildet wird.

Nach der Herstellung des Teils zeigt die Masse eine ausreichende strukturelle Integrität, um die Form beim Entfernen des nicht geschmolzenen Pulvers beizubehalten. Das Teil wird danach geglüht, beispielsweise bei 850 ⁰C über acht Stunden, vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre.

Während dieses Glühens diffundieren die Nickel- und Zinnatome miteinander und kommen chemisch zur Reaktion, um die intermetallische Verbindung Ni₃Sn₂ zu bilden. In einem frühen Stadium des Glühens bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Zinns kann das erneute Schmelzen des Zinns einen 5 Verlust der Grünfestigkeit des Teils bewirken. Das Einsetzen des Teils mit einer Form, die aus einem Material hergestellt ist, wie beispielsweise Aluminiumoxid, wird gestatten, daß das Teil während des Glühens seine Form beibehält. Alternativ kann das Glühen in Stufen durchgeführt werden, 0 wobei man mit dem Glühen bei einer niedrigen Temperatur

(d.h., unterhalb des Schmelzpunktes des Zinns) über eine ausreichende Zeit beginnt, um die intermetallische Bildung einzuleiten, gefolgt von einem Glühen bei einer hohen Temperatur, um den Vorgang schneller zum Abschluß zu bringen. 35

In Fig. 13 ist der Schmelzpunkt dieser Verbindung in der Größenordnung von 1260 ⁰C. Es muß beachtet werden, daß die

.1 ·· VV V V V · V

I &Idigr; · &ngr; &ngr; · ···

&Idigr; ! V V VV ··· ·

Temperatur des hohen Schmelzpunktes der Verbindung Ni₃Sn₂ praktisch nicht durch die Bestrahlung durch einen Laser in Verbindung mit dem selektiven Lasersintern erreichbar ist, geschweige denn mit einem CO₂-Laser von 25 Watt, wie er bei diesem Verfahren eingesetzt wird. Im Ergebnis dieser Ausführung der Erfindung kann das Verfahren bei niedriger Temperatur ein Teil aus dem Material mit hohem Schmelzpunkt bilden. Dieses Verfahren verbreitert daher den Bereich der Materialien, bei denen das Verfahren des selektiven Lasersinterns angewandt werden kann, wobei feuerfeste Verbindungen eingeschlossen sind, wie beispielsweise die intermetallische Verbindung des Ni₃Sn₂. Da die Teile, die aus diesem Material hergestellt werden, viel heftigeren thermischen und mechanischen Bedingungen widerstehen können, als die Teile, die aus Polykarbonat, Kunststoff und anderen Materialien mit einer niedrigen Temperatur hergestellt sind, können diese Teile für solche Verwendungen eingesetzt werden, wie das Prüfen der Festigkeit oder Funktionstüchtigkeit einer Vorrichtung, die das Teil enthält, und ebenfalls als speziell angefertigte Teile, die in der tatsächlichen fertigen Ausrüstung installiert werden.

Fig. 14 ist ein Phasendiagramm für ein weiteres intermetallisches System, das für einen Einsatz bei dem Verfahren entsprechend dieser Ausführung der Erfindung geeignet ist, nämlich das binäre System von Nickel und Aluminium. Die gewünschte binäre intermetallische Verbindung in diesem System ist NiAl, die einen Schmelzpunkt von 1638 ⁰C aufweist. Es mu/3 bemerkt werden, daß das NiAl ein attraktives 0 Material für derartige Verwendungen, wie in der Raumfahrt, infolge seiner Fähigkeit ist, extrem hohe Temperaturen auszuhalten, während eine erhöhte Festigkeit und gute Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion beibehalten werden. Für dieses System enthält die Pulvermischung, die durch den gerichteten Energiestrahl bestrahlt werden soll, vorzugsweise 50 % Aluminium und 50 % Nickel {Atomprozent), und der gerichtete Energiestrahl muß das Pulver in den ausge-

wählten Bereichen auf eine Temperatur von mindestens 660 ⁰C erwärmen, um das Aluminium zu schmelzen. Wie bei den vorherigen Beispielen, wird das geschmolzene Aluminium beim Abkühlen die festen Nickelpulverteilchen zu einer Masse an den gewünschten Stellen der Schicht verbinden; die folgenden Schichten werden gleichermaßen behandelt, um das Teil zu bilden. Die Nachbehandlung durch Glühen bei einer hohen Temperatur wird die intermetallische Verbindung des NiAl bilden, die einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist. Es muß beachtet werden, da/3 der Schmelzpunkt von NiAl höher als der der beiden Vorläuferelemente ist.

Das vorangehend beschriebene Verfahren kann ebenfalls angewandt werden, um Ni₃Al herzustellen, das eine weitere attraktive Verbindung im Nickel-Aluminium-System für Raumfahrtzwecke ist; die Pulvermischung für diese intermetallische Verbindung würde 25 % Aluminium und 75 % Nickel (Atomprozent) umfassen. Außerdem kann eine Pulvermischung, die Aluminium im Bereich von 25 bis 50 % einsetzt, verwendet 0 werden, um ein Zweiphasenmaterial beim thermischen Glühen herzustellen, nämlich Ni₃Al-NiAl. Beispielsweise wird, wenn das Pulver eine Mischung aus 3 5 % Aluminium und 65 % Nickel (Atomprozent) ist, das entsprechend dieser Ausführung der Erfindung hergestellte Teil aus dem Zweiphasenmaterial Ni₃Al-NiAl bestehen, wenn Gleichgewichtsbedingungen vorherrschen.

Weitere infrage kommende binäre Systeme für die Bildung einer intermetallischen Verbindung mit hohem Schmelzpunkt, 0 und von denen man glaubt, daß sie für die Bildung mittels des selektiven Lasersinterns bei niedriger Temperatur, wie es vorangehend hierin beschrieben wird, geeignet sind, umfassen (ohne daß sie darauf beschränkt sind) Al-Nd, Al-Th, Al-Ti, Al-Y, Al-Yb, Al-Zr, Bi-La, Bi-Nd, Bi-Y, Bi-Zr, Ca-Si, Co-Nb, Co-W, Fe-Ti, Gd-Pb, Gd-Ru, Ge-Hf, In-Pd, In-Pr, Mn-Si, Nb-Sn, Pd-Sn, Pd-Ti, Pd-Tl, Pd-Zr, Pr-Sn, Si-Ti, Sn-Zr, Te-Zn, Th-Zn und Y-Zn. Keramische Systeme, die der-

artige Eigenschaften aufweisen, daß sie für diese Ausführung der Erfindung geeignet sind, umfassen La₂O₃-B₂O₃, Bi₂O₃-La₂O₃, Bi₂O₃-Nb₂O₅ und V₂O₅-Al₂O₃. Es wird in Betracht gezogen, daß weitere binäre Systeme ebenso wie tertiäre, quaternäre und andere noch komplexere Verbindungssysteme von Metallen und keramischen Materialien {einschließlich Glas) für das Verfahren entsprechend dieser Ausführung der Erfindung ebenfalls einsetzbar sind, wo eine chemische Reaktion dadurch ermöglich wird, daß die Vorläufermaterialien dem gerichteten Energiestrahl ausgesetzt werden.

Außerdem wird in Betracht gezogen, daß die Verbindung während der Bestrahlung durch den gerichteten Energiestrahl gebildet werden kann, so daß ein Teil aus einem Material mit unterschiedlichen Eigenschaften aus den Vorläufern hergestellt werden kann, ohne daß ein anschließendes Glühen des Teils erforderlich ist. Damit eine chemische Reaktion auftreten kann, ist es natürlich erforderlich, daß die Reaktionskinetik so ist, daß die Umwandlung der Vorlauferpulver in die Verbindung in der Zeit erfolgen kann, die für das selektive Lasersintern zugeteilt ist. Es muß beachtet werden, daß die Zeit, in der der gerichtete Energiestrahl über der betreffenden Stelle des Pulvers bleiben kann, wahrscheinlich durch die Wärmeleitung des Pulvers begrenzt ist, da es nicht erwünscht ist, daß die nicht bestrahlten Teile des Pulvers angrenzend an die Bestrahlung ebenfalls geschmolzen, gesintert oder anderweitig thermisch gebunden werden, was ansonsten die Auflösung des herzustellenden Teils gefährden würde.

Es muß ebenfalls beachtet werden, daß alternativ zur Bereitstellung eines gerichteten Energiestrahles andere Verfahren der Energiezuführung zu den ausgewählten Abschnitten der Pulverschicht ebenfalls ausreichen können, um das Schmelzen oder die Reaktion zu bewirken, die für die Herstellung des Teils in der hierin vorangehend beschriebenen Weise erforderlich sind. Beispielsweise kann eine Maske in der Nähe

des Pulvers bereitgestellt werden, durch die eine Lichtquelle auf die ausgewählten Teile des Pulvers projiziert wird, die die Energie von der Lichtquelle aufnehmen. Weitere Verfahren der Zuführung von Wärmeenergie zu ausgewählten Abschnitten der Pulveroberfläche werden ebenfalls gleichermaßen anwendbar sein.

In Fig. 12 wird bei einer noch weiteren bevorzugten Ausführung ein Material 12 01 vorzugsweise auf die Oberfläche 12 00 aufgetragen, und danach wird ein zweites Material 12 03 auf dem Material 1201 vor dem Sintern aufgetragen. Die Materialien 12 01 und 12 03 weisen vorzugsweise verschiedene Binde- oder Dissoziationstemperaturen auf.

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 2 6 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, da/3 das Ziel des Strahles in der Art und Weise eines "Vektors" gerichtet wird - d.h., der Strahl würde tatsächlich den Umri/3 und das 5 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 46 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, da/3 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 steuert.

0 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 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.

Die Interface-Hardware verbindet den Computer 40 funktionell mit dem Laser 12 und den Galvanometern 48, 49. Der Ausgang 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 Steuereingang des Lasers gesteuert. Das Galvano-0 meter 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 Positionsruckfuhrsignal vom Galvanometer 48 wird jedoch zu einem Spannungskomparator 74 geführt, wie in 5 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 Benutzeran-

Schlusses des Computers 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, da/3 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, da/3 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 0 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 Flip-Flop-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 höchste 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, da/3 ein Computer 40 mit einem größeren Speicher nicht den Schleifenbetrieb erfordern würde.

0 Fig. 6 zeigt das Flußdiagramm für das Datenmeßprogramm. Das DatenmejSprogramm ist in Betrieb, wann auch immer die Flag-Line nach unten geht, wodurch eine nichtmaskierbare Unterbrechung bewirkt wird (siehe Fig. 3). Die Unterbrechung bewirkt, da/3 der Mikroprozessor des Computers 40 einen 5 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 Stack und ladet danach das nächste Datenbyte in den 0 Akkumulator. Das Datenwort wird ebenfalls an das Anwendertor 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 5 (MSB oder Bit 7) des Datenwortes im Akkumulator geprüft.

Wenn der Wert des höchsten gültigen Bits eins ist, bedeutet das, da/S das Ende der Schleife nicht erreicht wurde,- daher

wird die Datenhinweisadresse inkrementiert, die Register werden vom Stack wiedererstellt, 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) stufenweise verringert 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 herausgezogen, und die Programmsteuerung kehrt zur Stelle der Unterbrechung zurück. Andererseits, wenn der Schleifenzähler null ist, wird die Datenhinweisadresse um drei fortgeschaltet, und der 0 Schleifenzähler wird auf zehn zurückgestellt, vor dem Stopp des Programms. 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 5 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 8 6 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 "L¹¹ 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 0 vorletzte Darstellung der Fig. 8 zeigt ein Lasermodulationsignal 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 5 Schnellabtastachse 68 begegnen wird. Wie in Fig. 3 und 6 gezeigt wird, inkrementiert der Zähler 79 bei einer nach oben gehenden Flanke 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 komplizierter Form mit relativer Leichtigkeit hergestellt werden. Die Fachleute werden erkennen, da/3 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 Anwendungs-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. Bei-0 spielsweise 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 Querschnitts bereich des herzustellenden Teils in Verbindung stehen. Wenn auch derartige Daten einfach in den Computer 40 programmiert werden können, umfaßt der Computer 40 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 Herstellungs-0 verfahren 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 bei-5 spielsweise auf einem Schiff oder im Weltraum.

Eine weitere Modifikation und alternative Ausführungen der

Vorrichtung dieser Erfindung werden die Fachleute angesichts dieser Beschreibung verstehen. Dementsprechend soll diese Beschreibung nur als veranschaulichend ausgelegt werden, und sie dient dem Zweck der Unterrichtung der Fachleute hinsichtlich der Art und Weise der Durchführung der Erfindung. Es wird verstanden, da/3 die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungen zu nehmen sind. Verschiedene Veränderungen hinsichtlich Form, Größe und Anordnung der Teile können vorgenommen werden. Beispielsweise können Elemente oder Materialien für jene hierin gezeigten und beschriebenen eingesetzt werden, Teile können umgekehrt und viele Merkmale der Erfindung unabhängig von der Anwendung der anderen Merkmale genutzt werden, alles so, wie es die Fachleute verstehen werden, die einen Nutzen aus dieser Beschreibung der Erfindung ziehen.

Claims (34)

Schutzansprüche;

1. Teil (52), daß aus einem auf eine Zielfläche (26) aufgetragenen Pulver mit einem ersten und zweiten Material {901, 902; 1001, 1002) durch Erwärmen ausgewählter Bereiche des Pulvers zur Abgrenzung eines Querschnittsbereichs des Teils hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil eine chemische Verbindung aus dem ersten (902; 1002) und dem zweiten {901; 1001) Material aufweist, die bei einer Reaktion des ersten und zweiten Materials in dem abgegrenzten Querschnittsbereich entsteht.

2. Teil (52) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Erwärmung des Pulvers herrschende Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des ersten Materials (902; 1002) und dem Schmelzpunkt des zweiten Materials (901; 1001) und unter dem Schmelzpunkt der chemischen Verbindung liegt.

3. Teil (52) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil schichtweise durch Erwärmen ausgewählter Abschnitte von Pulverschichten (54, 55, 56, 57) hergestellt ist.

4. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material (901, 902; 1001, 1002) Metalle sind.

5. Teil (52) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine intermetallische Verbindung ist, die einen Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als der Schmelzpunkt des ersten Materials (902; 1002).

6. Teil (52) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material (901, 902; 1001, 1002) keramische Materialien sind.

7. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Abschnitte des Pulvers durch einen gerichteten Energiestrahl (64) erwärmt werden.

8. Teil (52) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl (64) ein Laserstrahl ist.

9. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (902; 1002) Zinn aufweist.

10. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (901;

1001) Nickel aufweist.

11. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material (902;

1002) Aluminium aufweist.

12. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine stabile Verbindung ist.

13. Teil (52) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine metastabile Verbindung ist.

14. Teil (52) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren hergestellt ist, das die folgenden Schritte aufweist:

Auftragen des Pulvers auf eine Zielfläche (26, 102);

Erwärmen eines ausgewählten Teils des Pulvers, um eine Querschnittsfläche des Teils abzugrenzen; und

Reagieren des ersten und zweiten Materials im Quer-Schnittsbereich des Teils, um eine chemische Verbindung aus dem ersten und zweiten Material zu bilden.

15. Teil (52) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, da/3 das Verfahren außerdem aufweist:

Auftragen einer zweiten Schicht (55, 56, 57) des Pulvers nach dem Schritt des Erwärmens; und

Erwärmen eines ausgewählten Abschnittes der zweiten Schicht des Pulvers, um einen zweiten Querschnittsbereich des Teils abzugrenzen.

16. Teil (52) Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach dem Schritt des Erwärmens der zweiten Schicht des Pulvers weiterhin aufweist:

Entfernen der Teile des Pulvers, die nicht innerhalb des abgegrenzten Querschnittes des Teils zu finden sind, und

Erwärmen des Teils nach dem Schritt des Entfernens.

17. Teil (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 0 dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der

Materialien des Pulvers während des Erwärmens stattfindet.

18. Pulver mit einem ersten und zweiten Material (901, 902; 1001, 1002) zur Herstellung eines Teils (52) durch Auftragen des Pulvers auf eine Zielfläche (26) und Erwärmen ausgewählter Bereiche des Pulvers zur Ab-

grenzung eines Querschnittsbereichs des Teils, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil eine chemische Verbindung aus dem ersten (902; 1002) und dem zweiten (901; 1001) Material aufweist, die bei einer Reaktion des ersten und zweiten Materials in der abgegrenzten Querschnittsfläche entsteht.

19. Pulver gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Erwärmung des Pulvers herrschende Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des ersten Materials (902; 1002) und dem Schmelzpunkt des zweiten Materials (901; 1001) und unter dem Schmelzpunkt der chemischen Verbindung liegt.

20. Pulver gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil schichtweise durch Erwärmen ausgewählter Abschnitte von Pulverschichten (54, 55, 56, 57) hergestellt ist.

0 21. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material (901, 902; 1001, 1002) Metalle sind.

22. Pulver gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine intermetallische Verbindung ist, die einen Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als der Schmelzpunkt des ersten Materials (902; 1002) .

23. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material (901, 902; 1001, 1002) keramische Materialien sind.

24. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Abschnitte des Pulvers durch einen gerichteten Energiestrahl (64) erwärmt werden.

25. Pulver gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl (64) ein Laserstrahl ist.

26. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch

gekennzeichnet, daß das erste Material (902; 1002) Zinn aufweist.

27. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material (901; 1001) Nickel aufweist.

28. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material {902; 1002) Aluminium aufweist.

29. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine stabile Verbindung ist.

30. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung eine metastabile Verbindung ist.

31. Pulver gemäß einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil nach einem Verfahren hergestellt ist, das die folgenden Schritte aufweist:

Auftragen des Pulvers auf eine Zielfläche {26, 102);

0 Erwärmen eines ausgewählten Teils des Pulvers, um eine

Querschnittsfläche des Teils abzugrenzen; und

Reagieren des ersten und zweiten Materials im Querschnittsbereich des Teils, um eine chemische Verbindung aus dem ersten und zweiten Material zu bilden.

32. Pulver Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekenn-

■* * ft···

zeichnet, daß das Verfahren außerdem aufweist:

Auftragen einer zweiten Schicht (55, 56, 57) des Pulvers nach dem Schritt des Erwärmens; und 5

Erwärmen eines ausgewählten Abschnittes der zweiten Schicht des Pulvers, um einen zweiten Querschnittsbereich des Teils abzugrenzen.

33. Pulver Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach dem Schritt des Erwärmens der zweiten Schicht des Pulvers weiterhin aufweist:

Entfernen der Teile des Pulvers, die nicht innerhalb des abgegrenzten Querschnittes des Teils zu finden s ind, und

Erwärmen des Teils nach dem Schritt des Entfernens. 20

34. Pulver nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der Materialien des Pulvers während des Erwärmens stattfindet.