EP3259115A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts

Info

Publication number
EP3259115A1
EP3259115A1 EP16704619.2A EP16704619A EP3259115A1 EP 3259115 A1 EP3259115 A1 EP 3259115A1 EP 16704619 A EP16704619 A EP 16704619A EP 3259115 A1 EP3259115 A1 EP 3259115A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasound
dimensional object
focusing
irradiating
volume
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16704619.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pascal Bruno NEIBECKER
Hubert Ceeh
Josef Andreas WEBER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Publication of EP3259115A1 publication Critical patent/EP3259115A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12—Thermoplastic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/251—Particles, powder or granules
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/665—Local sintering, e.g. laser sintering
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing a three-dimensional object, in particular to generative or additive manufacturing methods such as 3D printing.
  • a focused electron beam writes on a fine powder.
  • the powder is completely melted during electron beam melting, at least partially melted during sintering.
  • three-dimensional bodies can be constructed, as described by way of example in US Pat. No. 5,597,589.
  • the technical requirements for such a system are very high simply because of the use of an electron beam.
  • the optics for beam focusing are expensive and bulky.
  • the entire system must be operated in a vacuum.
  • the selective electron beam melting requires a layered application of the powder, whereby the achievable printing speed is limited.
  • Selective laser melting is similar to electron beam melting, but instead of an electron beam, a laser (usually a C0 2 laser, a Nd: YAG laser or a fiber laser) is used. Although eliminated with respect to the electron beam melting Need to operate the entire system in vacuum. The use of a shielding gas remains indispensable. Also in this method, the printing speed is limited due to the need to apply the powder in layers.
  • a laser usually a C0 2 laser, a Nd: YAG laser or a fiber laser
  • melt layer method is described, for example, in the application WO 2001/026023.
  • the accuracy of the pressure is limited primarily by the diameter of the extruder.
  • Commercial models offer resolutions in the range of only about 0.5 mm, which are insufficient for many industrial applications.
  • the printing speed is limited by the travel speed of the nozzle.
  • multi-jet modeling is similar to inkjet printing and achieves high resolutions.
  • special resins are applied, which are exposed in the next step with an ultraviolet light source and cure.
  • a powder is applied in layers, which is printed with an adhesive. So both plastics and metals and ceramics can be printed. For the latter two materials, however, further manufacturing steps may be necessary in order to obtain the desired material properties, for example a tempering, a filling of the adhesive gaps, etc.
  • Multi-jet modeling is expensive to purchase and maintain and thus primarily for industrial applications interesting.
  • stereolithography similar to multi-jet modeling - a liquid synthetic resin is used, which cures under the action of light. It is written by means of a laser directly into the container in which the resin is located. By successively raising the liquid level, a three-dimensional object can be built piece by piece.
  • the stereolithography achieves a high resolution. However, it requires moving components, such as wipers for uniform distribution of the polymer, which reduce the printing speed.
  • An inventive method for producing a three-dimensional object comprises providing a material in a material volume and forming a three-dimensional object from the material by selectively irradiating the material with ultrasound.
  • the inventors have recognized that selective irradiation of the material with ultrasound makes it possible to form three-dimensional objects directly from the three-dimensional material volume with high reproducibility. Since the shaping of the three-dimensional object is achieved by the selective irradiation of the material with ultrasound, almost any shapes are possible. In addition, in contrast to conventional 3D printing processes, movable components are largely dispensed with. As a result, high printing speeds can be achieved. At the same time, eliminating the need for moving components reduces manufacturing costs and maintenance requirements.
  • the irradiation with ultrasound leads to a low thermal load of the material or the three-dimensional object compared to conventional printing methods, so that it is possible to work with a large number of materials.
  • a material in the sense of the invention can be any material which is suitable for changing its material properties and / or its phase under the influence of ultrasound irradiation, in particular melting it up under the irradiation with ultrasound.
  • the material is provided according to the invention in a material volume.
  • volume of material in the context of the invention can serve any container that holds the material.
  • the formation of the three-dimensional object from the material by selective irradiation of the material with ultrasound can take place in particular in the material volume itself. This eliminates the need - as opposed to many conventional 3D printing processes - to transport the material or raw material to the print zone, so that the complexity of the printing device can be reduced and the printing speed can be increased.
  • the selective irradiation of the material takes place along a predefined path through the material.
  • the path may correspond to the structure of the three-dimensional object.
  • the solution according to the invention makes it possible to form a three-dimensional object with virtually any predefined structure by driving an ultrasound beam through the material along a path corresponding to the predefined structure.
  • the selective irradiation comprises focusing the ultrasound on a plurality of predefined regions of the material, in particular focusing an ultrasound beam on a first predefined region of the material and subsequently on a second predefined region of the material.
  • the energy input into the material for forming the three-dimensional object can be controlled specifically and with high spatial and temporal resolution.
  • the ultrasound beam can be focused on selected areas of the material in accordance with a blueprint for the three-dimensional object in order to form the structures of the three-dimensional object there. This is a great advantage over conventional 3D printing methods, which only allow a layered structure of a three-dimensional object.
  • the focusing of the ultrasound on predefined areas of the material can take place quickly and without moving parts, so that high printing speeds can be achieved with the solution according to the invention.
  • the focusing of the ultrasound can take place in particular by means of a focusing optics.
  • the focusing optics may comprise one or more lenses, for example plexiglas lenses.
  • the focusing of the ultrasound can take place by means of a phased array ultrasound source.
  • the phased array ultrasound source may comprise a plurality of ultrasound elements, for example piezoelectric transducers, which emit phase-delayed ultrasound signals relative to one another.
  • the resulting ultrasound beam is obtained by superimposing these individual signals and can be focused quickly and with high accuracy on any areas of the material volume by a suitable choice of the phase delay.
  • selectively irradiating the material comprises irradiating the material with at least one first ultrasonic beam and at least one second ultrasonic beam.
  • the first ultrasound beam and the second ultrasound beam are focused from different spatial directions into a predefined region of the material.
  • the energy density in the predefined region of the material can be additionally increased by combining the energy input of a plurality of ultrasound beams. Also in this way, an increase in the printing speed can be achieved.
  • the formation of the three-dimensional object may include the melting of the material by the selective irradiation of the material with ultrasound.
  • the three-dimensional object may in this embodiment be formed by solidification and concomitant bonding of the material along the predefined path through the material.
  • the material comprises a granulate.
  • a granulate in the sense of the embodiment comprises any granular or pulverulent solid.
  • the granules may in particular be thermoplastic polymers, in particular acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamide (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP ), Polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and / or polyvinyl chloride (PVC).
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • PA polyamide
  • PLA polylactate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PE polyethylene
  • PE polypropylene
  • PS polystyrene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PVC polyvinyl chloride
  • the material may comprise a fiber-reinforced granules, in particular granules reinforced with glass fibers and / or carbon fibers. This makes it possible to achieve a particularly strong structure.
  • the material comprises a metal granulate and / or a ceramic granulate.
  • the granules may in particular be coated with a polymer layer ("coated").
  • the granules have a granule size of not less than 25 ⁇ m, preferably not less than 50 ⁇ m.
  • the granules have a granule size of not more than 2 mm, in particular not more than 1 mm and in particular not more than 200 ⁇ .
  • the preceding lower or upper limits on the size of the granules can relate in particular to the average grain size of the granules.
  • the material comprises different granules.
  • these different granules can be present in the material volume spatially in different mixing ratios. This causes a spatial variation of the mechanical and physical properties caused by the material composition.
  • polymer granules in the material volume can be mixed with glass or carbon fibers so that a fiber composite material is produced during solidification.
  • the invention is not limited to granules as materials.
  • the material comprises a monomer solution.
  • forming the three-dimensional object may include initiating emulsion polymerization and / or copolymerization by selectively irradiating the monomer solution with ultrasound.
  • the monomer for example acrylonitrile
  • the monomer can be spatially polymerized by focused ultrasound in order to specifically form a three-dimensional structure.
  • the material comprises a ceramic and / or a metal.
  • the formation of the three-dimensional object in this embodiment may in particular comprise sintering of the ceramic and / or the metal by the selective irradiation with ultrasound.
  • the ultrasound has a wavelength of not more than 16 mm, preferably not more than 8 mm and in particular not more than 2 mm. This corresponds in air frequencies of at least 20 kHz, at least 40 kHz or at least 160 kHz.
  • the inventors have recognized that with these relatively low frequencies, reliable and reproducible three-dimensional objects made of the material, in particular by melting a granulate, train.
  • ultrasonic signals in this low frequency range can be generated easily and inexpensively.
  • the ultrasound has a wavelength of not less than 10 ⁇ , preferably not less than 20 ⁇ and in particular not less than 50 ⁇ .
  • the specified wavelengths correspond in air frequencies of at most 30 MHz, at most 15 MHz or at most 6.5 Mhz.
  • the inventors have recognized that with these frequencies a sufficiently high spatial resolution and a sufficient energy input can be achieved.
  • the invention may include adjusting the impedance of the material and, optionally, the material gap by means of an adaptation medium, which may in particular comprise a liquid and in particular an organic liquid.
  • the mechanical properties of the three-dimensional object can be varied.
  • forming the three-dimensional object comprises selectively irradiating the material with ultrasound at a first frequency and selectively irradiating the material with ultrasound at a second frequency different from the first frequency.
  • a first frequency for forming a melting zone may be radiated in the granules, and thereafter a second frequency having a higher absorption coefficient, different from the first frequency, may be irradiated to extend the melt zone.
  • forming the three-dimensional object may include forming a cavitation zone in the material by selectively irradiating the material with ultrasound.
  • non-linear effects for example in the molten zone of a granulate, can be exploited in a targeted manner.
  • the ultrasonic absorption characteristic is different compared to the granular bed.
  • a significantly higher absorption coefficient or energy input can be achieved by forming a cavitation zone due to the associated increase in the number of degrees of freedom.
  • the method comprises the additional step of providing a structural element in the volume of material, wherein the structural element is at least partially adjacent to or surrounded by the material, and forming the three-dimensional object comprises selectively bonding the material to the structural element.
  • the selective bonding of the material to the structural element may comprise irradiating the material with ultrasound at an interface between the material and the structural element.
  • any prefabricated body capable of giving stability to the three-dimensional object or being received in the three-dimensional object in forming can be used.
  • the construction element may in particular comprise a plastic element or an element of another starting material, for example a ceramic element or a metal element.
  • suitably shaped structural members different from the material can eliminate the need for time consuming large contiguous volumes. This can further increase the printing speed.
  • the formation of the three-dimensional object from the material by selective irradiation with ultrasound has been described.
  • ultrasound can also be used to selectively ablate material from the (printed) three-dimensional object.
  • the removal of material from the three-dimensional object may in particular comprise the dissolution or decomposition of sections of the three-dimensional object by targeted irradiation with ultrasound. Due to the use of ultrasound, the removal of the material does not necessarily require direct visual contact between the ultrasound source and the portion of the object to be removed, so that even very complex geometries can be realized.
  • This embodiment enables a particularly large variability in the production of three-dimensional objects by the combination of the application and removal.
  • the invention also relates to an apparatus for producing a three-dimensional object with an ultrasound unit which is adapted to selectively irradiate a material provided in a material volume with ultrasound.
  • the device comprises a focusing unit for focusing the ultrasound on different predefined regions of the material.
  • the focusing unit may comprise at least one lens, in particular at least one acoustic lens.
  • the ultrasound unit or the focusing unit may comprise a phase array ultrasound source.
  • the ultrasound unit comprises a plurality of ultrasound sources, which are arranged in different spatial orientation to the material volume and / or are set up to provide ultrasound of different frequencies.
  • the device also includes the volume of material for receiving the material.
  • the material volume may be a reservoir for receiving the material.
  • the apparatus comprises control means for providing control signals for focusing the at least one ultrasound beam of the ultrasound unit onto selected regions of the material in accordance with a predetermined path corresponding to the three-dimensional object to be produced.
  • the control device can in particular be set up to process a blueprint of the three-dimensional object to be produced and to provide the corresponding control signals on the basis of the blueprint.
  • the device for carrying out the method is set up with one or more of the aforementioned features.
  • the invention also relates to a computer program and / or a computer program product with computer-readable instructions, which are set up on a computer unit, which is connected to a device with one or more of the aforementioned merlanals, a method with one or more of the aforementioned Perform features.
  • Figure 1 shows schematically an apparatus for forming a three-dimensional
  • FIGS. 2a and 2b schematically show variations of the embodiment of FIG. 1 with several
  • FIG. 3 shows schematically the formation of a three-dimensional object by
  • FIG. 4 shows schematically an ultrasound unit with phased array ultrasound source according to an embodiment of the invention.
  • Figure 5 illustrates schematically the formation of a focused ultrasound beam in a phased array ultrasound source.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus 10 for manufacturing a three-dimensional object (not shown) according to an embodiment of the invention.
  • the device 10 comprises an ultrasound unit 12 with an ultrasound source 13, which is set up to generate an ultrasound beam 14 and to emit it in the direction of a material 18 provided in a material volume 16.
  • the ultrasonic source 13 may comprise an array of ultrasonic piezoelectric transducers (not shown) configured to emit an ultrasonic signal having a frequency between 40 and 100 kHz.
  • ultrasonic piezoelectric transducers not shown
  • Such ultrasound sources require a relatively low expenditure on apparatus and equipment, are compact and inexpensive to produce.
  • the material 18 is a granulated bed with a large number of granules 20, for example of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) with an average particle size of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • granules can also be used other substances such as polyamide (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and / or polyvinyl chloride (PVC).
  • PA polyamide
  • PLA polylactate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PE polyethylene
  • PE polypropylene
  • PS polystyrene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PVC polyvinyl chloride
  • the invention is not limited to granular materials 18, but may also be practiced with liquid materials, such as a monomer solution.
  • the material volume 16 is shown in the schematic representation of Figure 1 as a dashed box. It may be formed, for example, as a container made of an ultrasound-permeable material and receive the granules or the monomer solution. The container may additionally receive a coupling layer, for example of a liquid, for matching the refractive indices.
  • FIG. 1 also shows a focusing unit 22, with which the ultrasound beam 14 can be focused on different selected regions of the material 18.
  • the focus is sierü shown schematically as a lens.
  • it may comprise one or more acoustic lenses, for example plexiglas lenses.
  • the invention is not limited to lenses.
  • this is done Focusing the ultrasound beam 14 on selected areas of the material 18 by means of a phased array ultrasound source.
  • the focusing of the ultrasound beam 14 allows the selective and targeted introduction of energy into selected areas of the loose granular bed 18. Due to the energy input of the ultrasonic beam 14, the granules 20 are melted at the place of energy input and connect with adjacent granules during subsequent solidification to a solid structure. The ultrasonic power is absorbed mainly by the granules 20. At the interface with the surrounding air, the removal of the heat is disturbed, and the temperature in the granules 18 increases. With sufficient power input, the melting temperature is exceeded, and the granules 20 merge.
  • a three-dimensional structure i.e., the melting of the granules 18 and the subsequent solidification, is formed along this path.
  • a three-dimensional object from.
  • the three-dimensional object may be any three-dimensional body, for example a prototype of a workpiece or tool.
  • An advantage of the solution according to the invention is that the ultrasound beam 14 and thus the resulting melting zone along any paths can be moved three-dimensionally through the granules, so that any coherent structures can form during solidification.
  • the focusing of the ultrasound beam 14 allows a limited to a very small space region of the material volume 16 energy input and thus the formation of three-dimensional objects with high spatial resolution or fine structures.
  • a power input of 10 W in a volume of about 3 mm with a diameter of about 2 mm allows the melting of a PE granules.
  • FIG. 1 shows a device 10 with an ultrasound unit 12 comprising a single ultrasound source 13.
  • embodiments of the invention may also comprise a plurality of ultrasound sources assigned to the ultrasound unit 12, which are arranged in different orientations relative to the material volume 16.
  • the corresponding ultrasound sources can emit ultrasound beams of identical frequency, but also differ in their respective frequencies.
  • Figure 2a shows a configuration in which the ultrasound unit 12 comprises three ultrasound sources 13, 13 'and 13 "which are arranged in a different spatial orientation to the material 18 around the material volume 16.
  • Each of the ultrasound sources 13, 13' and 13" generates a associated ultrasound beam 14, 14 'or 14 ", which in each case by means of an associated lens 22, 22' or 22" focused on selected areas within the material volume 16.
  • the structure and control of the ultrasound sources 13, 13 'and 13 "or the associated lenses 22, 22' and 22" corresponds to the embodiment described above with reference to FIG.
  • the two lenses 22 and 22 "focus the beams 14, 14" on a first area within the volume of material 16 and the third lens 22 'focuses the beam 14' on a second area within the volume of the material Range is different. In this way, it is possible to work simultaneously on different sections of the three-dimensional body in order to form corresponding melt zones there, whereby the production speed can be significantly increased.
  • FIG. 2b An alternative embodiment is shown in FIG. 2b. It corresponds in its construction largely to the embodiment of Figure 2a. However, all three lenses 22, 22 'and 22 "focus on a common area of material volume 16 to locally increase energy input there.
  • the molten material differs in its ultrasonic absorption characteristic of the granular bed.
  • the absorption coefficient can be substantially increased.
  • the irradiation of the granules 18 with a first frequency may in particular serve to form a melting zone, while the irradiation with a second frequency different from the first frequency with a higher absorption coefficient serves to expand or keep the molten zone liquid.
  • the mechanical properties of the three-dimensional object can be varied.
  • the embodiment shown in Figure 3 differs from the embodiment of Figure 1 only in that the material volume 16 in addition to the material 18 includes additional prefabricated construction elements 24, which are shown in the sectional view of Figure 3 as light stripes within the granulate.
  • the construction elements 24 may in particular be plastic bodies made of a plastic having a higher melting temperature than the surrounding granules 18 or a metal body.
  • the construction elements 24 can be shaped differently and introduced into the material volume 16 at predetermined positions.
  • Figure 2 shows a configuration in which the granules 18 are selectively melted in the region of an interface 26 between the granules 18 and the structural element 24, so that the molten granules 18 in the subsequent solidification with the structural element 24 connects.
  • specifically prefabricated construction elements 24 can be included in the three-dimensional object. The use of such design elements dispenses with the time-consuming printing of large contiguous volumes.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a device 10 according to the invention, in which the ultrasound beam is generated for irradiating the material by means of a phase-array ultrasound source 28.
  • the phased array ultrasound source 28 includes an array of a plurality of ultrasound transducers 30, which are connected via a power bus 32 to respective transducer power amplifiers 34.
  • the transducer power output stages 34 are driven by a controller 36 which generates control signals for generating ultrasonic pulses based on a blueprint for the three-dimensional object created by a design program 38.
  • FIG. 5 shows a phase array ultrasound source 28 with ten ultrasonic transducers 30a to 30e and 30a 'through 30e c, which are arranged in a predetermined spatial configuration to each other and from the controller 36 via the power amplifiers 34 and the power bus can be individually controlled 32 (here not shown) to send out ultrasonic signals.
  • the emission of the wavefronts of the ultrasonic signals is carried out with phase delay, wherein the respective phase is associated with each of the pairs 30a / 30a ', 30b / 30b', 30c / 30c ', 30d / 30d' and 30e / 30e '.
  • focusing of the ultrasonic waves emitted by the individual ultrasonic transducers 30a to 30e and 30a c to 30e 'at an arbitrary focusing point 40 can be achieved.
  • the superposition of the individual waves in the focusing point 40 is shown schematically in the left-hand part of FIG.
  • the ultrasound waves emitted by the ultrasound transducers 30 are shown for the sake of clarity as beams, which unite at the focussing point 40.
  • the focusing point 40 can be arbitrarily and quickly traversed within the material volume 16 in order to achieve a targeted local energy input and thereby the melting of the granules along a predetermined melting path.
  • a three-dimensional object along a predetermined melting path can also be produced using a phased array ultrasound source 28.
  • the interference of the ultrasonic signals from the ultrasonic transducers 30 with the material volume 16 may be facilitated by a coupling layer 42 for matching the refractive indices.
  • FIG 4 shows a configuration with only one phased array ultrasound source 28. Similar to the embodiments described with reference to Figures 1 and 2, however, multiple phased array ultrasound sources may be placed around the volume of material or container 16 to localize the energy input locally increase or different spatial regions of the material 18 can melt simultaneously.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)

Abstract

Technische Universität München Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts umfasst das Bereitstellen eines Werkstoffes (18) in einem Werkstoffvolumen (16) und das Ausbilden eines dreidimensionalen Objekts aus dem Werkstoff (18) durch selektives Bestrahlen des Werkstoffes (18) mit Ultraschall.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere auf generative bzw. additive Fertigungsverfahren wie 3 D-Druck.
Hintergrund der Erfindung
Generative bzw. additive Fertigungsverfahren, insbesondere 3 D-Druckverfahren, haben sich mittlerweile zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen, aber zunehmend auch von Endprodukten, etabliert. In diesen Verfahren erfolgt die Fertigung direkt auf der Basis rechnerinterner Datenmodelle aus formlosen (Flüssigkeiten, Pulver, usw.) oder formneutralen (z.B. bandförmigen oder drahtförmigen) Ausgangsstoffen mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse.
Beim selektiven Elelctronenstrahlschmelzen bzw. selektiven Elektronenstrahlsintem schreibt ein fokussierter Elektronenstrahl auf ein feines Pulver. Das Pulver wird beim Elektronenstrahlschmelzen vollständig, beim Sintern zumindest teilweise aufgeschmolzen. Durch das wiederholte Auftragen von Pulver und Schmelzen bzw. Sintern können dreidimensionale Körper aufgebaut werden, wie dies beispielhaft im US-Patent US 5,597,589 beschrieben ist. Die technischen Anforderungen für eine derartige Anlage sind jedoch allein schon aufgrund der Verwendung eines Elektronenstrahls sehr hoch. Zum einen sind die Optiken zur Strahlfokussierung teuer und sperrig. Zum anderen muss die gesamte Anlage im Vakuum betrieben werden. Zudem erfordert das selektive Elektronenstrahlschmelzen ein schichtweises Aufbringen des Pulvers, wodurch die erreichbare Druckgeschwindigkeit limitiert ist.
Selektives Laserschmelzen ist dem Elektronenstrahlschmelzen ähnlich, wobei jedoch anstelle eines Elektronenstrahls ein Laser (meist ein C02-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser) zum Einsatz kommt. Zwar entfällt gegenüber dem Elektronenstrahlschmelzen die Notwendigkeit, die gesamte Anlage im Vakuum zu betreiben. Die Verwendung eines Schutzgases bleibt dennoch unabdingbar. Auch in diesem Verfahren ist die Druckgeschwindigkeit aufgrund der Notwendigkeit, das Pulver schichtweise aufzubringen, beschränkt.
Bei Schmelzschichtverfahren (englisch„fused deposition modeling") werden Objekte durch schichtweises Auftragen von Kunststoffen erstellt. Dazu wird der Kunststoff aufgeschmolzen und durch einen Extruder gepresst. Um beliebige Formen drucken zu können, ist es unter Umständen nötig, zusätzliche Stützkonstruktionen (sogenannte„supports") zu drucken. Ein Schmelzschichtverfahren ist beispielsweise in der Anmeldeschrift WO 2001/026023 beschrieben. Die Genauigkeit des Drucks ist vornehmlich durch den Durchmesser des Extruders beschränkt. Kommerzielle Modelle bieten Auflösungen im Bereich von nur circa 0,5 mm an, welche für viele industrielle Anwendungen unzureichend sind. Die Druckgeschwindigkeit ist durch die Verfahrgeschwindigkeit der Düse limitiert.
Das sogenannte Multi-Jet Modeling ähnelt dem Tintenstahldruck und erreicht hohe Auflösungen. In einer ersten Variante werden spezielle Harze aufgebracht, die im nächsten Schritt mit einer Ultraviolett-Lichtquelle belichtet werden und aushärten. In einer zweiten Variante wird schichtweise ein Pulver aufgetragen, das mit einem Klebstoff bedruckt wird. So können sowohl Kunststoffe als auch Metalle und Keramiken gedruckt werden. Für die beiden zuletzt genannten Materialien sind aber unter Umständen weitere Fertigungsschritte notwendig, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten, beispielsweise ein Tempern, ein Auffüllen der Klebstofflücken usw. Multi-Jet Modeling ist teuer in Anschaffung und Unterhalt und dadurch vornehmlich für industrielle Anwendungen interessant.
Für die Stereolithographie wird - ähnlich wie beim Multi-Jet Modeling - ein flüssiges Kunstharz verwendet, welches unter Lichteinwirkung aushärtet. Dabei wird mittels eines Lasers direkt in den Behälter, in welchem sich das Kunstharz befindet, geschrieben. Durch sukzessives Anheben des Flüssigkeitsspiegels kann ein dreidimensionales Objekt stückweise aufgebaut werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der Anmeldeschrift DE 2012 10011418 beschrieben. Die Stereolithographie erreicht eine hohe Auflösung. Sie erfordert jedoch bewegliche Komponenten, wie beispielsweise Wischer zur gleichmäßigen Verteilung des Polymers, welche die Druckgeschwindigkeit herabsetzen. Vor dem Hintergrund der vorgenannten Probleme besteht Bedarf nach einem verbesserten Verfahren bzw. einer verbesserten Vorrichtung, welche das schnelle und kostengünstige Herstellen dreidimensionaler Objekte, vorzugsweise in beliebiger Formgebung, ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts umfasst das Bereitstellen eines Werkstoffes in einem Werkstoffvolumen und das Ausbilden eines dreidimensionalen Objekts aus dem Werkstoff durch selektives Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall.
Die Erfinder haben erkannt, dass selektives Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall ein Ausbilden dreidimensionaler Objekte unmittelbar aus dem dreidimensionalen Werkstoffvolumen bei hoher Reproduzierbarkeit ermöglicht. Da die Formgebung des dreidimensionalen Objekts durch das selektive Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall erreicht wird, sind nahezu beliebige Formen möglich. Zudem kann - im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckverfahren - auf bewegliche Bauteile weitgehend verzichtet werden. Dadurch lassen sich hohe Druckgeschwindigkeiten erreichen. Gleichzeitig reduziert der Verzicht auf bewegliche Bauteile die Herstellungskosten und den Wartungsbedarf.
Zudem führt das Bestrahlen mit Ultraschall zu einer im Vergleich zu herkömmlichen Druckverfahren nur geringen thermischen Belastung des Werkstoffes bzw. des dreidimensionalen Objekts, sodass mit einer Vielzahl von Werkstoffen gearbeitet werden kann.
Ein Werkstoff im Sinne der Erfindung kann jeder Werkstoff sein, der geeignet ist, seine Materialeigenschaften und/oder seine Phase unter dem Einfluss der Bestrahlung mit Ultraschall zu ändern, insbesondere unter der Bestrahlung mit Ultraschall aufzuschmelzen. Der Werkstoff wird erfindungsgemäß in einem Werkstoffvolumen bereitgestellt. Als Werkstoffvolumen im Sinne der Erfindung kann jedes Behältnis dienen, welches den Werkstoff vorhält.
Das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts aus dem Werkstoff durch selektives Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall kann insbesondere in dem Werkstoffvolumen selbst erfolgen. Dadurch entfällt - im Gegensatz zu zahlreichen herkömmlichen 3D-Druckverfahren - das Erfordernis, den Werkstoff bzw. Ausgangsstoff zur Druckzone zu transportieren, sodass die Komplexität der Druckvorrichtung reduziert und die Druckgeschwindigkeit gesteigert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das selektive Bestrahlen des Werkstoffes entlang eines vordefinierten Pfades durch den Werkstoff.
Insbesondere kann dabei der Pfad der Struktur des dreidimensionalen Objekts entsprechen.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auf diese Weise ein Ausbilden eines dreidimensionalen Objekts mit nahezu beliebiger vordefinierter Struktur, indem ein Ultraschallstrahl entlang eines der vordefinierten Struktur entsprechenden Pfades durch den Werkstoff gefahren wird.
Vorzugsweise umfasst das selektive Bestrahlen das Fokussieren des Ultraschalls auf mehrere vordefmierte Bereiche des Werkstoffes, insbesondere ein Fokussieren eines Ultraschallstrahls auf einen ersten vordefinierten Bereich des Werkstoffes und anschließend auf einen zweiten vordefinierten Bereich des Werkstoffes.
Durch ein Fokussieren des Ultraschalls lässt sich der Energieeintrag in den Werkstoff zum Ausbilden des dreidimensionalen Objekts gezielt und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung steuern. Dabei kann insbesondere der Ultraschallstrahl auf entsprechend einem Bauplan für das dreidimensionale Objekt ausgewählte Bereiche des Werkstoffes fokussiert werden, um dort die Strukturen des dreidimensionalen Objekts auszubilden. Darin liegt ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen 3D-Druckverfahren, welche lediglich einen schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objekts ermöglichen.
Das Fokussieren des Ultraschalls auf vordefmierte Bereiche des Werkstoffes kann darüber hinaus schnell und ohne bewegliche Teile erfolgen, sodass sich mit der erfindungsgemäßen Lösung hohe Druckgeschwindigkeiten erreichen lassen. Das Fokussieren des Ultraschalls kann insbesondere mittels einer Fokussieroptik erfolgen. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere Linsen, beispielsweise Plexiglaslinsen, umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Fokussieren des Ultraschalls mittels einer Phasenarray- Ultraschallquelle erfolgen.
Die Phasenarray-Ultraschallquelle kann mehrere Ultraschallelemente, beispielsweise piezoelektrische Transducer, umfassen, welche gegeneinander phasenverzögerte Ultraschallsignale emittieren. Der resultierende Ultraschallstrahl ergibt sich durch Überlagerung dieser Einzelsignale und kann durch geeignete Wahl der Phasenverzögerung schnell und mit hoher Genauigkeit auf beliebige Bereiche des Werkstoffvolumens fokussiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das selektive Bestrahlen des Werkstoffes das Bestrahlen des Werkstoffes mit wenigstens einem ersten Ultraschallstrahl und wenigstens einem zweiten Ultraschallstrahl.
Auf diese Weise können unter Verwendung mehrerer Ultraschallquellen unterschiedliche Bereiche des Werkstoffvolumens gleichzeitig bestrahlt werden und auf diese Weise unterschiedliche Abschnitte des dreidimensionalen Objekts gleichzeitig geformt werden. Die Druckgeschwindigkeit lässt sich dadurch weiter steigern.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden der erste Ultraschallstrahl und der zweite Ultraschallstrahl aus unterschiedlichen Raumrichtungen in einen vordefinierten Bereich des Werkstoffes fokussiert.
Dadurch lässt sich durch Kombination des Energieeintrags mehrerer Ultraschallstrahlen die Energiedichte in dem vordefinierten Bereich des Werkstoffes zusätzlich erhöhen. Auch auf diese Weise kann eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit erreicht werden.
Das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts kann insbesondere das Aufschmelzen des Werkstoffes durch das selektive Bestrahlen des Werkstoffs mit Ultraschall umfassen.
Das dreidimensionale Objekt kann sich in dieser Ausführungsform durch ein Erstarren und ein damit einhergehendes Verbinden des Werkstoffes entlang des vordefinierten Pfades durch den Werkstoff ausformen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkstoff ein Granulat.
Ein Granulat im Sinne der Ausführungsform umfasst jeden körnigen bzw. pulverförmigen Feststoff.
Das Granulat kann insbesondere thermoplastische Polymere, insbesondere Acrylnitril- Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyvinylchlorid (PVC) umfassen.
Durch Aufschmelzen des Granulats mittels Ultraschall lassen sich gezielt und mit hoher räumlicher Auflösung nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen ausbilden.
Der Werkstoff kann ein faserverstärktes Granulat umfassen, insbesondere ein mit Glasfasern und/oder Karbonfasern verstärktes Granulat. Dadurch lässt sich eine besonders feste Struktur erreichen.
In einer Ausführungsform umfasst der Werkstoff eine Metallgranulat und/oder ein Keramikgranulat .
Die Granulatkörner können dabei insbesondere mit einer Polymerschicht überzogen („gecoatet") sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Granulat eine Granulatgröße von nicht weniger als 25 μηι, vorzugsweise nicht weniger als 50 μιη, auf.
Vorzugsweise weist das Granulat eine Granulatgröße von nicht mehr als 2mm, insbesondere nicht mehr als 1mm und im Speziellen nicht mehr als 200 μηι auf.
Die vorangehenden Unter- bzw. Obergrenzen an die Größe des Granulats können sich insbesondere auf die durchschnittliche Korngröße des Granulats beziehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkstoff unterschiedliche Granulate.
Insbesondere können diese unterschiedlichen Granulate im Werkstoffvolumen räumlich in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen vorliegen. Dies bewirkt eine durch die Werkstoffzusammensetzung bedingte räumliche Variation der mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Insbesondere können Granulate ausgewählt werden, welche durch den eingetragenen Ultraschall miteinander verschmelzen, sich vermischen, reagieren und/oder gemeinsam erstarren. Auf diese Weise können die mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts variiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können Polymergranulate im Werkstoffvolumen mit Glas- oder Kohlefasern vermischt werden, sodass beim Erstarren ein Faserverbundwerkstoff erzeugt wird.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Granulate als Werkstoffe beschränkt.
In einer Ausführungsform umfasst der Werkstoff eine Monomerlösung.
Das Ausbilden des dreidimensionalen Objektes kann insbesondere das Initiieren einer Emulsionspolymerisation und/oder einer Copolymerisation durch das selektive Bestrahlen der Monomerlösung mit Ultraschall umfassen.
Auf diese Weise kann das Monomer, beispielsweise Acrylnitril, durch fokussierten Ultraschall räumlich polymerisiert werden, um gezielt eine dreidimensionale Struktur auszubilden.
Die Verwendung von Granulat und einer Monomerlösung als Werkstoff schließen einander nicht aus. Insbesondere kann als Werkstoff auch eine Monomer-Granulat-Suspension verwendet werden, die durch das Bestrahlen mit Ultraschall punktuell verbunden wird.
In einer Ausführungsform umfasst der Werkstoff eine Keramik und/oder ein Metall.
Das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts kann in dieser Ausführungsform insbesondere das Sintern der Keramik und/oder des Metalls durch das selektive Bestrahlen mit Ultraschall umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ultraschall eine Wellenlänge von nicht mehr als 16 mm, vorzugsweise nicht mehr als 8 mm und insbesondere nicht mehr als 2 mm auf. Dies entspricht in Luft Frequenzen von mindestens 20 kHz, mindestens 40 kHz beziehungsweise mindestens 160 kHz.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich mit diesen verhältnismäßig niedrigen Frequenzen zuverlässig und reproduzierbar dreidimensionale Objekte aus dem Werkstoff, insbesondere durch Aufschmelzen eines Granulats, ausbilden lassen. Ultraschallsignale in diesem niedrigen Frequenzbereich lassen sich zudem einfach und kostengünstig erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ultraschall eine Wellenlänge von nicht weniger als 10 μπι, vorzugsweise nicht weniger als 20 μιη und insbesondere nicht weniger als 50 μπι. Die angegebenen Wellenlängen entsprechen in Luft Frequenzen von höchstens 30 MHz, höchstens 15 MHz beziehungsweise höchstens 6,5 Mhz.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich mit diesen Frequenzen eine hinreichend hohe räumliche Auflösung und ein hinreichender Energieeintrag erreichen lassen.
Insbesondere kann die Erfindung ein Anpassen der Impedanz des Werkstoffs und gegebenenfalls des Werkstoffzwischenraums durch ein Anpassungsmedium, welches insbesondere eine Flüssigkeit und im Speziellen eine organische Flüssigkeit umfassen kann, umfassen.
Durch eine Variation der Intensität des Ultraschalls lassen sich die mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts das selektive Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall einer ersten Frequenz und das selektive Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall einer zweiten Frequenz, welche sich von der ersten Frequenz unterscheidet.
Durch gezielte Variation der Frequenzen des Ultraschalls lässt sich die Druckgeschwindigkeit weiter steigern. Beispielsweise kann eine erste Frequenz zur Bildung einer Schmelzzone in dem Granulat eingestrahlt werden und danach eine von der ersten Frequenz verschiedene zweite Frequenz mit höherem Absorptionskoeffizienten zum Erweitern bzw. Flüssighalten der Schmelzzone eingestrahlt werden.
Insbesondere kann das Ausbilden des dreidimensionalen Objektes das Ausbilden einer Kavitationszone in dem Werkstoff durch das selektive Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall umfassen. Auf diese Weise können gezielt nichtlineare Effekte, beispielsweise in der Schmelzzone eines Granulats, ausgenutzt werden. Im aufgeschmolzenen Material ist die Ultraschallabsorptionscharakteristik im Vergleich zur Granulatschüttung verschieden. Insbesondere kann durch das Ausbilden einer Kavitationszone aufgrund der damit verbundenen Erhöhung der Zahl der Freiheitsgrade ein wesentlich höherer Absorptionskoeffizient beziehungsweise Energieeintrag erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Bereitstellens eines Konstruktionselements in dem Werkstoffvolumen, wobei das Konstruktionselement zumindest teilweise an den Werkstoff angrenzt oder von dem Werkstoff umgeben ist und das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts ein selektives Verbinden des Werkstoffes mit dem Konstruktionselement umfasst.
Insbesondere kann das selektive Verbinden des Werkstoffes mit dem Konstruktionselement das Bestrahlen des Werkstoffes mit Ultraschall an einer Grenzfläche zwischen dem Werkstoff und dem Konstruktionselement umfassen.
Als Konstruktionselement kann jeder vorgefertigte Körper verwendet werden, welcher geeignet ist, dem dreidimensionalen Objekt Stabilität zu verleihen oder in das dreidimensionale Objekt beim Ausbilden aufgenommen zu werden. Das Konstruktionselement kann insbesondere ein Kunststoffelement oder ein Element eines anderen Ausgangsstoffs, etwa ein Keramikelement oder ein Metallelement umfassen.
Die Verwendung von geeignet geformten, sich von dem Werkstoff unterscheidenden Konstruktionselementen kann ein zeitaufwändiges Ausbilden von großen zusammenhängenden Volumina entbehrlich machen. Dadurch lässt sich die Druckgeschwindigkeit weiter erhöhen.
In den vorangehenden Ausführungsformen wurde das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts aus dem Werkstoff durch selektives Bestrahlen mit Ultraschall beschrieben. Zusätzlich kann Ultraschall jedoch auch verwendet werden, um gezielt Material von dem (gedruckten) dreidimensionalen Objekt abzutragen. Das Abtragen von Material von dem dreidimensionalen Objekt kann insbesondere das Auflösen oder Zersetzen von Abschnitten des dreidimensionalen Objekts durch gezieltes Bestrahlen mit Ultraschall umfassen. Aufgrund der Verwendung von Ultraschall muss beim Abtragen des Materials nicht notwendigerweise ein direkter Sichtkontakt zwischen der Ultraschallquelle und dem abzutragenden Abschnitt des Objektes bestehen, sodass auch sehr komplexe Geometrien verwirklicht werden können.
Diese Ausführungsform ermöglicht durch die Kombination des Auftragens und Abtragens eine besonders große Variabilität bei der Herstellung dreidimensionaler Objekte.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit einer Ultraschalleinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen in einem Werkstoffvolumen bereitgestellten Werkstoff selektiv mit Ultraschall zu bestrahlen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Fokussiereinheit zum Fokussieren des Ultraschalls auf unterschiedliche vordefinierte Bereiche des Werkstoffes.
Die Fokussiereinheit kann mindestens eine Linse, insbesondere mindestens eine akustische Linse, umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ultraschalleinheit bzw. die Fokussiereinheit eine Phasenarray-Ultraschallquelle umfassen.
In einer Weiterbildung umfasst die Ultraschalleinheit mehrere Ultraschallquellen, die in unterschiedlicher räumlicher Orientierung zu dem Werkstoffvolumen angeordnet sind und/oder zum Bereitstellen von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen eingerichtet sind.
In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung auch das Werkstoffvolumen zum Aufnehmen des Werkstoffes.
Das Werkstoffvolumen kann ein Vorratsbehälter zur Aufnahme des Werkstoffes sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung zum Bereitstellen von Steuerungs Signalen zum Fokussieren des mindestens einen Ultraschall Strahls der Ultraschalleinheit auf ausgewählte Bereiche des Werkstoffes entsprechend einem vorbestimmten Pfad, welcher dem herzustellenden dreidimensionalen Objekt entspricht. Die Steuerungseimichtung kann insbesondere zum Verarbeiten eines Bauplans des herzustellenden dreidimensionalen Objekts eingerichtet sein und auf Grundlage des Bauplans die entsprechenden Steuerungssignale bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale eingerichtet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Rechnerprogramm und/oder ein Rechnerprogramm- Produkt mit rechnerlesbaren Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, auf einer Rechnereinheit, welche mit einer Vorrichtung mit einem oder mehreren der vorgenannten Merlanale verbunden ist, ein Verfahren mit einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale auszuführen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Merkmale und zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich am besten anhand einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren verstehen, in denen:
Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zum Ausbilden eines dreidimensionalen
Objekts sowie das entsprechende Verfahren zum Ausbilden des dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Figuren 2a und 2b schematisch Variationen der Ausführungsform der Fig. 1 mit mehreren
Ultraschallquellen zeigen;
Figur 3 schematisch das Ausbilden eines dreidimensionalen Objekts durch
Aufschmelzen eines Granulats entlang eines Konstruktionselements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Figur 4 schematisch eine Ultraschalleinheit mit Phasenarray-Ultraschallquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Figur 5 schematisch die Ausbildung eines fokussierten Ultraschallstrahls in einer Phasenarray-Ultraschallquelle veranschaulicht. Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (nicht gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Ultraschalleinheit 12 mit einer Ultraschallquelle 13, welche dazu eingerichtet ist, einen Ultraschallstrahl 14 zu erzeugen und in Richtung auf einen in einem Werkstoffvolumen 16 bereitgestellten Werkstoff 18 auszusenden.
Die Ultraschallquelle 13 kann eine Anordnung bzw. ein Array von piezoelektrischen Ultraschall-Transducern (nicht gezeigt) umfassen, welche dazu eingerichtet sind, ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz zwischen 40 und 100 kHz auszusenden. Solche Ultraschallquellen erfordern einen verhältnismäßig geringen apparativen und konstrulctiven Aufwand, sind kompakt und kostengünstig in der Herstellung.
Der Werkstoff 18 ist in der Darstellung der Figur 1 eine Granulatschüttung mit einer Vielzahl von Granulatkörnern 20, beispielsweise aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 μηι bis 100 μηι, Es können jedoch im Rahmen der Erfindung auch Granulate aus anderen Stoffen, beispielsweise Polyamid (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyvinylchlorid (PVC), verwendet werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf granuläre Werkstoffe 18 beschränkt, sondern kann auch mit flüssigen Werkstoffen, beispielsweise einer Monomerlösung, ausgeführt werden.
Das Werkstoffvolumen 16 ist in der schematischen Darstellung der Figur 1 als gestricheltes Kästchen gezeigt. Es kann beispielsweise als Behälter aus einem für Ultraschall durchlässigen Material ausgebildet sein und das Granulat bzw. die Monomerlösung aufnehmen. Der Behälter kann zusätzlich auch eine Kopplungsschicht, beispielsweise aus einer Flüssigkeit, zum Angleichen der Brechungsindizes aufnehmen.
Figur 1 zeigt darüber hinaus auch eine Fokussiereinheit 22, mit der der Ultraschallstrahl 14 auf unterschiedliche ausgewählte Bereiche des Werkstoffes 18 fokussiert werden kann.
In Figur 1 ist die Fokus siereinheit schematisch als Linse dargestellt. Sie kann insbesondere eine oder mehrere akustische Linsen, beispielsweise Plexiglaslinsen, umfassen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Linsen beschränkt. In einer alternativen Konfiguration, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 beschrieben wird, erfolgt das Fokussieren des Ultraschallstrahls 14 auf ausgewählte Bereiche des Werkstoffes 18 mittels einer Phasenarray-Ultraschallquelle.
Das Fokussieren des Ultraschallstrahls 14 erlaubt das selektive und gezielte Einbringen von Energie in ausgewählte Bereiche der losen Granulatschüttung 18. Aufgrund des Energieeintrags des Ultraschallstrahls 14 werden die Granulatkörper 20 am Ort des Energieeintrags aufgeschmolzen und verbinden sich mit benachbarten Granulatkörnern beim nachfolgenden Erstarren zu einer festen Struktur. Die Ultraschallleistung wird dabei hauptsächlich von den Granulatkörnern 20 absorbiert. An der Grenzfläche zur umgebenden Luft wird der Abtransport der Wärme gestört, und die Temperatur im Granulat 18 steigt an. Bei hinreichendem Leistungseintrag wird die Schmelztemperatur überschritten, und die Granulatkörner 20 verschmelzen. Wird der Ultraschallstrahl 14 mittels der Fokussiereinheit 22 entlang eines vordefinierten Pfades durch das Granulat 18 gefahren, bildet sich entlang dieses Pfades durch das Aufschmelzen des Granulats 18 und das nachfolgende Erstarren eine dreidimensionale Struktur, d.h. ein dreidimensionales Objekt, aus.
Das dreidimensionale Objekt kann ein beliebiger dreidimensionaler Körper, beispielsweise ein Prototyp eines Werkstücks oder Werkzeugs, sein. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass der Ultraschallstrahl 14 und damit die sich ergebende Schmelzzone entlang beliebiger Pfade dreidimensional durch das Granulat bewegt werden können, sodass sich beim Erstarren beliebige zusammenhängende Strukturen ausbilden lassen.
Die Fokussierung des Ultraschallstrahls 14 ermöglicht einen auf einen sehr kleinen Raumbereich des Werkstoffvolumens 16 beschränkten Energieeintrag und damit das Ausbilden dreidimensionaler Objekte mit hoher Ortsauflösung bzw. feinen Strukturen. Beispielsweise erlaubt ein Leistungseintrag von 10 W in ein Volumen von circa 3 mm mit einem Durchmesser von circa 2 mm das Aufschmelzen eines PE-Granulats.
Die schematische Darstellung der Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 mit einer eine einzige Ultraschallquelle 13 umfassenden Ultraschalleinheit 12. Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch mehrere der Ultraschalleinheit 12 zugeordnete Ultraschallquellen umfassen, welche in unterschiedlichen Orientierungen relativ zu dem Werkstoffvolumen 16 angeordnet sind. Die entsprechenden Ultraschallquellen können Ultraschallstrahlen identischer Frequenz aussenden, sich jedoch auch in ihren entsprechenden Frequenzen unterscheiden. Figur 2a zeigt eine Konfiguration, bei welcher die Ultraschalleinheit 12 drei Ultraschallquellen 13, 13' und 13" umfasst, welche in unterschiedlicher räumlicher Orientierung zum Werkstoff 18 um das Werkstoffvolumen 16 herum angeordnet sind. Jede der Ultraschallquellen 13, 13' und 13" erzeugt einen zugehörigen Ultraschallstrahl 14, 14' beziehungsweise 14", welcher jeweils mittels einer zugehörigen Linse 22, 22' beziehungsweise 22" auf ausgewählte Bereiche innerhalb des Werkstoffvolumens 16 fokussiert wird. Der Aufbau und die Ansteuerung der Ultraschallquellen 13, 13' und 13" beziehungsweise der zugehörigen Linsen 22, 22' und 22" entspricht dabei der vorangehend unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Ausführungsform.
In der Konfiguration der Figur 2a fokussieren die beiden Linsen 22 und 22" die Strahlen 14, 14" auf einen ersten Bereich innerhalb des Werkstoffvolumens 16 und die dritte Linse 22' den Strahl 14' auf einen zweiten Bereich innerhalb des Werkstoffvolumens, welcher von dem ersten Bereich verschieden ist. Auf diese Weise lässt sich an unterschiedlichen Abschnitten des dreidimensionalen Körpers gleichzeitig arbeiten, um dort entsprechende Schmelzzonen auszubilden, wodurch die Herstellungsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann.
Eine alternative Ausführungsform ist in Figur 2b gezeigt. Sie entspricht in ihrem Aufbau weitgehend der Ausführungsform der Figur 2a. Jedoch fokussieren alle drei Linsen 22, 22' und 22" auf einen gemeinsamen Bereich des Werkstoffvolumens 16, um dort den Energieeintrag lokal zu erhöhen.
Bei Verwendung unterschiedlicher Frequenzen können gezielt nichtlineare Effekte in der Schmelzzone ausgenutzt werden. Das aufgeschmolzene Material unterscheidet sich in seiner Ultraschallabsorptionscharakteristik von der Granulatschüttung. Durch das Ausbilden von Kavitationszonen in der Schmelzzone lässt sich beispielsweise der Absorptionskoeffizient wesentlich erhöhen. Das Bestrahlen des Granulats 18 mit einer ersten Frequenz kann insbesondere zum Ausbilden einer Schmelzzone dienen, während das Bestrahlen mit einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz mit einem höheren Absorptionskoeffizienten zum Erweitern bzw. Flüssighalten der Schmelzzone dient.
Durch Variieren der Intensität des Ultraschalls in unterschiedlichen Bereichen des Werkstoffvolumens 16 lassen sich die mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts variieren. Die in Figur 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform der Figur 1 nur darin, dass das Werkstoffvolumen 16 neben dem Werkstoff 18 zusätzliche vorgefertigte Konstruktionselemente 24 umfasst, welche in der Schnittdarstellung der Figur 3 als helle Streifen innerhalb der Granulatschüttung gezeigt sind.
Bei den Konstruktionselementen 24 kann es sich insbesondere um Kunststoffkörper aus einem Kunststoff mit einer höheren Schmelztemperatur als das umgebende Granulat 18 oder um einen Metallkörper handeln. Die Konstruktionselemente 24 können unterschiedlich geformt und an vorbestimmten Positionen in das Werkstoffvolumen 16 eingebracht werden. Figur 2 zeigt eine Konfiguration, bei welcher das Granulat 18 selektiv im Bereich einer Grenzfläche 26 zwischen dem Granulat 18 und dem Konstruktionselement 24 aufgeschmolzen wird, sodass sich das aufgeschmolzene Granulat 18 beim nachfolgenden Erstarren mit dem Konstruktionselement 24 verbindet. Auf diese Weise können gezielt vorgefertigte Konstruktionselemente 24 in das dreidimensionale Objekt aufgenommen werden. Die Verwendung solcher Konstruktionselemente macht das zeitaufwändige Drucken von großen zusammenhängenden Volumina entbehrlich.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfmdungs gemäßen Vorrichtung 10, in welcher der Ultraschallstrahl zum Bestrahlen des Werkstoffs mittels einer Phasenarray-Ultraschallquelle 28 erzeugt wird.
Die Phasenarray-Ultraschallquelle 28 umfasst eine Anordnung beziehungsweise ein Array einer Mehrzahl von Ultraschall-Transducern 30, welche über einen Leistungsbus 32 mit entsprechenden Transducer-Leistungsendstufen 34 verbunden sind. Die Transducer- Leistungsendstufen 34 werden von einer Steuerungseinrichtung 36 angesteuert, welche Steuerungssignale zur Erzeugung von Ultraschallpulsen auf Grundlage eines mittels eines Designprogramms 38 erstellten Bauplans für das dreidimensionale Objekt erzeugt.
Das Prinzip zur Erzeugung eines fokussierten Ultraschallstrahls 14 in der Phasenarray- Ultraschallquelle 28 ist in Figur 5 veranschaulicht.
Figur 5 zeigt eine Phasenarray-Ultraschallquelle 28 mit zehn Ultraschall-Transducern 30a bis 30e und 30a' bis 30ec, welche in einer vorgegebenen räumlichen Konfiguration zueinander angeordnet sind und von der Steuerungseinrichtung 36 über die Leistungsendstufen 34 und den Leistungsbus 32 einzeln angesteuert werden (hier nicht gezeigt), um Ultraschallsignale auszusenden. Wie im rechten Teilbild der Figur 5 schematisch anhand eines Balkendiagramms gezeigt ist, erfolgt die Aussendung der Wellenfronten der Ultraschallsignale untereinander phasenverzögert, wobei jeweils den Paaren 30a/30a', 30b/30b', 30c/30c', 30d/30d' und 30e/30e' die gleiche Phase zugeordnet ist. Durch geeignete Wahl der Phasenverzögerung zwischen diesen Paaren lässt sich eine Fokussierung der von den einzelnen Ultraschall-Transducern 30a bis 30e und 30ac bis 30e' ausgesandten Ultraschallwellen an einem beliebigen Fokussierpunkt 40 erreichen. Die Überlagerung der Einzelwellen im Fokussierpunkt 40 ist schematisch im linken Teilbild der Figur 5 gezeigt.
In der Darstellung der Figur 4 sind die von den Ultraschall-Transducern 30 ausgesandten Ultraschallwellen der übersichtlichen Darstellung halber als Strahlen gezeigt, welche sich im Fokussierpunkt 40 vereinigen. Durch geeignete Wahl der Phasenverzögerung lässt sich der Fokussierpunkt 40 innerhalb des Werkstoffvolumens 16 beliebig und schnell verfahren, um einen gezielten lokalen Energieeintrag und dadurch das Aufschmelzen des Granulats entlang eines vorbestimmten Schmelzpfades zu erreichen. Auch unter Verwendung einer Phasenarray-Ultraschallquelle 28 lässt sich auf diese Weise - ähnlich wie mit der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Linse 22, jedoch ohne bewegliche Teile - ein dreidimensionales Objekt entlang eines vorbestimmten Schmelzpfades herstellen.
Das Eink Oppeln der Ultraschallsignale von den Ultraschall-Transducern 30 in das Werkstoffvolumen 16 kann durch eine Kopplungsschicht 42 zum Angleichen der Brechungsindizes erleichtert werden.
Figur 4 zeigt eine Konfiguration mit lediglich einer Phasenarray-Ultraschallquelle 28. Ähnlich wie in den unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen können jedoch um das Werkstoffvolumen bzw. den Behälter 16 herum mehrere Phasenarray- Ultraschallquellen angeordnet werden, um den Energieeintrag lokal zu erhöhen oder unterschiedliche räumliche Bereiche des Werkstoffs 18 gleichzeitig aufschmelzen zu können.
Die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und der mit der Erfindung erzielten Vorteile, sollen die Erfindung aber nicht beschränken. Der Umfang der Erfindung ergibt sich allein aus den nachfolgenden Ansprüchen. Bezugszeichen
10 Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
12 Ultraschalleinheit
13, 13', 13" Ultraschallquellen
14, 14', 14" Ultraschallstrahlen
16 Werkstoffvolumen, Behälter
18 Werkstoff, Granulat
20 Granulatkörner
22, 22', 22" Fokussiereinheit, Linse
24 Konstruktionselement
26 Grenzfläche zwischen Granulat 18 und Stützelement 24
28 Phasenarray-Ultraschallquelle
30 Ultraschall-Transducer der Phasenarray-Ultraschallquelle 28
30a - 30e, 30a' - 30e' Ultraschall-Transducer der Phasenarray-Ultraschallquelle 28
32 Leistungsbus der Phasenarray-Ultraschallquelle 28 34 Leistungsendstufen der Phasenarray-Ultraschallquelle 28
36 Steuerungseinrichtung der Phasenarray-Ultraschallquelle 28
38 Designpro gramm
40 Fokussierpunkt
42 Kopplungsschicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Werkstoffes (18) in einem Werkstoffvolumen (16); und
Ausbilden eines dreidimensionalen Objekts aus dem Werkstoff (18) durch selektives Bestrahlen des Werkstoffes (18) mit Ultraschall.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Bestrahlen des Werkstoffes (18) entlang eines vordefinierten Pfades durch den Werkstoff (18) erfolgt, wobei der Pfad der Struktur des dreidimensionalen Objekts entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das selektive Bestrahlen das
Fokussieren des Ultraschalls auf mehrere vordefinierte Bereiche (40; 26) des
Werkstoffes (18) umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das selektive
Bestrahlen des Werkstoffes (18) das Fokussieren des Ultraschalls mittels einer Fokussieroptik (22) und/oder mittels einer Phasenarray-Ultraschallquelle (28) umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das selektive
Bestrahlen des Werkstoffes (18) das Bestrahlen des Werkstoffes (18) mit wenigstens einem ersten Ultraschallstrahl und wenigstens einem zweiten Ultraschallstrahl umfasst, wobei vorzugsweise der erste Ultraschallstrahl und der zweite Ultraschallstrahl aus unterschiedlichen Raumrichtungen in einen vordefinierten Bereich (40; 26) des Werkstoffes (18) fokussiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Werkstoff ein Granulat (18) umfasst, vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polylactat (PLA),
Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyvinylchlorid (PVC), umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts das Aufschmelzen des Werkstoffes (18) durch das selektive Bestrahlen des Werkstoffs (18) mit Ultraschall umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorangehen Ansprüche, bei welchem das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts das selektive Bestrahlen des Werkstoffes (18) mit
Ultraschall einer ersten Frequenz und das selektive Bestrahlen des Werkstoffes (18) mit Ultraschall einer zweiten Frequenz, welche sich von der ersten Frequenz unterscheidet, umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorangehen Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt des Bereitstellens eines Konstruktionselements (24) in dem WerkstoffVolumen (16), wobei das Konstruktionselement (24) zumindest teilweise an den Werkstoff (18) angrenzt und das Ausbilden des dreidimensionalen Objekts ein selektives Verbinden des Werkstoffes (18) mit dem Konstruktionselement (24) umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem zusätzlichen Schritt des Abtragens von Material von dem dreidimensionalen Objekt durch selektives
Bestrahlen des dreidimensionalen Objekts mit Ultraschall.
11. Vorrichtung (10) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit: einer Ultraschalleinheit (12), welche dazu eingerichtet ist, einen in einem
Werkstoffvolumen (16) bereitgestellten Werkstoff (18) selektiv mit Ultraschall zu bestrahlen,
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 mit einer Fokussiereinheit (22) zum Fokussieren des Ultraschalls auf unterschiedliche vordefinierte Bereiche (40; 26) des Werkstoffes (18), wobei die Fokus siereinheit vorzugsweise mindestens eine Linse (22) oder eine Phasenarray-Ultraschallquelle (28) umfasst.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Ultraschalleinheit (12)
mehrere Ultraschallquellen umfasst, die in unterschiedlicher räumlicher Orientierung zu dem Werkstoffvolumen (16) angeordnet sind und/oder zum Bereitstellen von Ultraschall unterschiedlicher Frequenzen eingerichtet sind.
14. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, umfassend das
Werkstoffvolumen, insbesondere einen Behälter (16), zum Aufnehmen des
Werkstoffes (18).
15. Rechnerprogramm mit rechnerlesbaren Instruktionen, welche dazu eingerichtet sind, auf einer Rechnereinheit, welche mit einer Vorrichtung (10) nach einem der
Ansprüche 11 bis 14 verbunden ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
EP16704619.2A 2015-02-18 2016-02-15 Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts Withdrawn EP3259115A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15155586.9A EP3059074A1 (de) 2015-02-18 2015-02-18 Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
PCT/EP2016/053138 WO2016131757A1 (de) 2015-02-18 2016-02-15 Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3259115A1 true EP3259115A1 (de) 2017-12-27

Family

ID=52598590

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15155586.9A Withdrawn EP3059074A1 (de) 2015-02-18 2015-02-18 Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP16704619.2A Withdrawn EP3259115A1 (de) 2015-02-18 2016-02-15 Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP15155586.9A Withdrawn EP3059074A1 (de) 2015-02-18 2015-02-18 Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20180029293A1 (de)
EP (2) EP3059074A1 (de)
CN (1) CN107249862A (de)
WO (1) WO2016131757A1 (de)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10370530B2 (en) * 2016-02-26 2019-08-06 Ricoh Company, Ltd. Methods for solid freeform fabrication
CN106903314B (zh) * 2017-04-16 2019-03-29 吉林大学 超声选区叠层增材制造装置及方法
CN108673888A (zh) * 2018-07-18 2018-10-19 北京化工大学 一种超声聚焦聚合物3d打印设备及加工方法
KR102140967B1 (ko) * 2018-08-23 2020-08-05 한국과학기술연구원 초음파를 이용한 3d 프린팅 방법 및 3d 프린터
US20220143909A1 (en) * 2018-12-20 2022-05-12 Jabil Inc. Apparatus, system and method for ultrasonic-based additive manufacturing
US20220032376A1 (en) * 2020-07-29 2022-02-03 University Of South Florida Metals-based additive manufacturing methods and systems with thermal monitoring and control
WO2022225793A1 (en) * 2021-04-19 2022-10-27 Christine Meinders Tool for designing artificial intelligence systems
CN113695601A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 四川蜀旺新能源股份有限公司 一种应用于金属的超声波增材制备方法及装置
CN114888301B (zh) * 2022-04-21 2023-06-16 华南理工大学 一种空间超声高能束成形装置与方法
NL2032044B1 (en) * 2022-06-01 2023-12-12 Univ Eindhoven Tech Apparatus and method for producing an object by means of additive manufacturing

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0287657B2 (de) 1986-10-17 1999-08-11 Board Of Regents, The University Of Texas System Verfahren und vorrichtung zur herstellung von formkörpern durch teilsinterung
WO2000000344A1 (en) * 1998-06-30 2000-01-06 Trustees Of Tufts College Multiple-material prototyping by ultrasonic adhesion
US6519500B1 (en) * 1999-09-16 2003-02-11 Solidica, Inc. Ultrasonic object consolidation
US6814823B1 (en) * 1999-09-16 2004-11-09 Solidica, Inc. Object consolidation through sequential material deposition
US6658314B1 (en) 1999-10-06 2003-12-02 Objet Geometries Ltd. System and method for three dimensional model printing
JP4435507B2 (ja) * 2003-06-03 2010-03-17 ポリマテック株式会社 キーシート
KR101108966B1 (ko) * 2003-07-11 2012-01-31 블루 뷰 테크놀로지스, 인크. 2ｄ 및 3ｄ 영상을 위한 주파수-조정 음향 세트 배열 실시시스템 및 그 방법
GB0917936D0 (en) * 2009-10-13 2009-11-25 3D Printer Aps Three-dimensional printer
JP2012240216A (ja) * 2011-05-16 2012-12-10 Sony Corp ３次元造形装置、造形物及び造形物の製造方法
GB201109045D0 (en) * 2011-05-31 2011-07-13 Warwick Ventures Additive building
DE102012011418A1 (de) 2012-06-08 2013-12-12 Universität Rostock Stereolithographie- System
CN103358553A (zh) * 2013-08-07 2013-10-23 吉林大学 超声聚焦三维快速成型方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3059074A1 (de) 2016-08-24
WO2016131757A1 (de) 2016-08-25
CN107249862A (zh) 2017-10-13
US20180029293A1 (en) 2018-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3259115A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102007024469B4 (de) Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
EP3374157B1 (de) Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils
EP2961589B1 (de) Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstandes durch generativen aufbau
EP1886793B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie Verwendung einer Plastifiziereinheit zu dessen Herstellung
EP3022008B1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauteils sowie optische bestrahlungsvorrichtung
DE102014220082B4 (de) Herstellungsvorrichtung und Verfahren zur schichtweisen Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils aus wenigstens einem aushärtbaren Materialstrang
EP3362259B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102016209933A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
DE102015002967A1 (de) 3D-Druckwerkzeug und 3D-Druck von Bündeln
DE102015016464A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mit Schichtaufbautechnik und steuerbarer Pulverwalze
DE102011100456A1 (de) Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißverfahren
DE102012202487A1 (de) Verfahren zum Aufschmelzen/Sintern von Pulverpartikeln zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Objekten
WO2008025351A2 (de) Verfahren zur herstellung eines bioreaktors oder lab-on-a-chip-systems sowie damit hergestellte bioreaktoren oder lab-on-a-chip- systeme
EP3085519A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102004003485A1 (de) Schichtaufbauendes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie dafür geeignete Materialsysteme
DE102018201901A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen
DE102013221385A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstücks und Werkstück
DE69825844T2 (de) Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Teilen unter Aufwendung eines Opfermetalls
WO2020035496A1 (de) Additive herstellvorrichtung und zugeordnetes additives herstellverfahren
DE102014202646A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts
DE102016010923A1 (de) Kombinationsdruck zur additiven Fertigung eines Bauteils aus einer Metall-Kunststoff-Kombination
EP3386661A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen metallischen formkörpers
EP2221166A2 (de) Rapid-Prototyping-Vorrichtung und -Verfahren mit indirekter Laserbestrahlung
EP3274156B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur urformung eines 3d-körpers

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20170719

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20200901