EP3999312A1 - Verfahren zur herstellung von 3d-formteilen mit variablen zieleigenschaften der gedruckten bildpunkte - Google Patents

Verfahren zur herstellung von 3d-formteilen mit variablen zieleigenschaften der gedruckten bildpunkte

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EP3999312A1
EP3999312A1 EP20753278.9A EP20753278A EP3999312A1 EP 3999312 A1 EP3999312 A1 EP 3999312A1 EP 20753278 A EP20753278 A EP 20753278A EP 3999312 A1 EP3999312 A1 EP 3999312A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
absorber
printed
disclosure
per
printed image
Prior art date
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Pending
Application number
EP20753278.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Scheck
Lisa Brüller
Wolfgang MÜHLBAUER
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.)
Voxeljet AG
Original Assignee
Voxeljet AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Voxeljet AG filed Critical Voxeljet AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29K2995/0037—Other properties
    • B29K2995/007—Hardness

Definitions

  • the invention relates to a method for producing three-dimensional models with variable target properties by means of layer construction technology.
  • the European patent specification EP 0 431 924 B1 describes a method for producing three-dimensional objects from computer data.
  • a particulate material is applied in a thin layer to a platform and this is selectively printed with a binder material by means of a print head.
  • the particle area printed with the binder adheres and solidifies under the influence of the binder and possibly an additional hardener.
  • the platform is then lowered by one layer into a building cylinder and provided with a new layer of particulate material, which is also printed as described above. These steps are repeated until a certain, desired height of the object is reached.
  • a three-dimensional object is created from the printed and consolidated areas.
  • This object made of solidified particulate material is embedded in loose particulate material after its completion and is then freed from it. This is done for example by means of a suction device. What remains are the desired objects, which are then freed from the residual powder, for example by brushing off.
  • Other powder-based rapid prototyping processes also known as layer-by-layer building of models or methods known as layering technology
  • work in a similar way such as selective laser sintering or electron beam sintering, in which a loose particle material is also applied in layers and is selectively solidified with the aid of a controlled physical radiation source.
  • the solidification of the particulate material takes place via the introduction of infrared radiation.
  • the particulate material is physically bonded via a melting process comparatively poor absorption of thermal radiation in colorless plastics is exploited. This can be increased many times over by adding an IR acceptor (absorber) to the plastic.
  • the IR radiation can be achieved through various options such as a rod-shaped IR lamp be introduced, which is moved evenly over the construction field. The selectivity is achieved through the targeted printing of the respective layer with an IR acceptor.
  • the mechanical characteristics achieved for the molded bodies thus produced are not only dependent on the type of underlying particle material used, but also on the energy introduced during melting and thus the melting temperature reached.
  • the energy selectively introduced into a layer can be influenced via various parameters.
  • the so-called Andrew number A z is an established quantity for estimating this energy in joules per mm 2 [ Selective Laser Sintering Part Strength as a Function of Andrew Number, Scan Rate and Spot Size, John Williams, David Miller and Carl Deckard, 1996]:
  • öis denotes the laser track spacing, P LS the laser power, V LS the track speed.
  • the movement of the sinter emitter v Sin over the construction field represents a counterpart to the track speed of the laser v L s
  • the effective radiant power of the sintering unit p sin corresponds to the laser power p L s instead of the track spacing ds, which in the case of the laser makes a reciprocal contribution to the amount of energy
  • the dot density d dot corresponding to the print resolution and the degree of absorption GL of the printed areas can be assumed as a proportional contribution to a coupling constant.
  • the melting temperature can now be influenced directly, as with the other variables.
  • the density of the absorber per area can be adjusted by varying the dot density. This is possible because the inkjet technology is usually controlled via a so-called bitmap pattern, which is created after a two-dimensional raster image processes are constructed. Various established calculation methods can be used to calculate the point density. For the sake of simplicity, the term halftone process or dithering will be used below to mention these processes. An illustration can be found in FIG. 2.
  • the grid emerges on the surfaces of the shaped bodies created and creates a pattern which is annoying to the eye Overall impression regardless of the other properties of the component negatively influenced.
  • Another problem underlying the application was to provide a 3D printing method using an absorber with which improved edge sharpness can be achieved.
  • Another object of the application was to provide a 3D printing process using an absorber, whereby a differentiated selection and setting of the amount of absorber per pixel and of different amounts of absorber in different pixels within a print layer is possible and / or the amount of absorber and the pixels can be varied in various parameters, such as the area of the image points, volume of the image points, absorber concentration in the image points, and these parameters can also be different in different image points in a print layer and can be set individually in each parameter.
  • the disclosure relates to a method for producing 3-D molded parts, one or more particulate building materials being applied to a construction field in a defined layer by means of a coater, selectively one or more absorbers or one or more liquids comprising one or more absorbers by means of Print head are applied as printed pixels, an energy input takes place by means of an energy source, whereby the areas with selectively applied absorber are selectively solidified, the construction area is lowered by one layer thickness or the coater is raised by one layer thickness, these steps are repeated until the desired 3D molded part is produced , characterized in that the amount of absorber within a layer per printed image point is set to a predetermined value.
  • the disclosure relates to a component manufactured using a 3D method with advantageous properties of the edge regions and the definition.
  • Fig. 1 An apparatus for the production of shaped bodies according to the high speed sintering process with elementary components is sketched as an example.
  • Fig. 2 Comparison of two methods of variable fluid metering per area, 201 shows the dithering method according to the prior art compared to adapting the absorber volume per pixel. In the method according to the prior art, gaps arise in the wetting 203, in contrast to 204, which can lead to a reduction in the component quality. Even with small amounts of absorber per area, a closed area 206 without a disruptive pattern with flaws 205 is created.
  • variable drop dosage can be used to define regimes within a coherent molded body in three dimensions, which then result in specific material properties of the molded body produced.
  • the variation in rigidity in the direction of the layer application (X direction) is shown 603.
  • Amount of absorber in regime (I) in 601 leads to increased rigidity at the corresponding point in the shaped body 602. Intermediate stages are possible (III).
  • Regime (II) would have a lower stiffness in this illustration, since less energy is absorbed there due to the lower absorber density per area during exposure by means of the sintering unit, see Fig. 1, which results in lower temperatures and thus a lower degree of melting of the powder granulate Has.
  • a lower degree of melting means lower strength and lower hardness of the area, since elements of the Allow powder material to move against each other to a greater extent, in contrast to more strongly melted areas.
  • variable dosing per pixel By means of variable dosing per pixel, this is possible to a more finely graded extent than in the prior art, which results in a wider range of materials and strengths. Furthermore, here, too, the variation in the mechanical properties does not lead to a reduction in the resolution due to gaps in the print image, see FIG. 2
  • a mixture of two materials with different melting temperature ranges 804 and 805 is applied as one layer, so that a softer polymer 804 is melted when temperature TI is reached and polymer 803, which has a higher degree of hardness, and 802 when temperature T2 is exceeded, achieved by varying the amount of absorber per pixel 806.
  • a higher amount of absorber leads to better energy coupling and thus to a higher temperature in this area 807 and vice versa 808.
  • regions with different properties can be defined in three dimensions, e.g. one area higher hardness 811 and lower hardness 810.
  • the two powders can be mixed in a wide ratio, e.g. 10% to 90%.
  • the amount of fluid can be applied in a continuous course within the shaped body in all three spatial dimensions, which would result in a continuous hardness gradient along this course. It is thus possible to continuously adjust the degree of hardness in all room dimensions.
  • a lower drop mass results in a lower temperature and vice versa.
  • Fig. 10 With bidirectional printing, i.e. when printing in forward and reverse direction, the number and the absolute amount of the amount of drops used per pixel can be doubled. With the increase in the number of gradations of the possible absorption factors, e.g. a finer gradation of temperature levels is achieved during sintering. While in normal cases e.g. 7 gray levels can be displayed, the number of gray levels can be doubled, whereby the amount of the dosed fluid can also be doubled.
  • the object on which the application is based is achieved by a method for producing 3-D molded parts or several particulate building materials are applied in a defined layer to a construction field by means of a coater, selectively one or more absorbers or one or more liquids comprising one or more absorbers are applied as printed pixels by means of a print head, an energy input takes place by means of an energy source, the areas with selectively selectively solidify the applied absorber, the construction field is lowered by one layer thickness or the coater is raised by one layer thickness, these steps are repeated until the desired 3D molded parts are produced, characterized in that the amount of absorber within a layer per printed pixel is set to a predetermined value becomes.
  • Consumables is a very complex process, there are advantages when considering the process control alone, which extend to the operating costs for the end customer.
  • consumables need to be updated less often, and wear parts on the device need to be replaced less frequently, in particular the relatively expensive printing technology achieves a longer service life and thus a significant one
  • the adherence of white powder to the shaped bodies can be controlled in a targeted manner, so that these can be colored more effectively after creation.
  • a material mixture as the underlying particle material is also conceivable, consisting of materials with, for example, different melting temperatures.
  • the materials can be modified in such a way that exactly one melting temperature of a particulate material in the mixture can be assigned to each absorber level.
  • thermoplastic polyurethane TPU
  • a method according to the disclosure opens up the construction of multi-material systems. It can therefore be different materials, such as For example, a mixture of different TPU types with different Shore hardnesses can be printed in a component and thus, under certain circumstances, the material properties within a component can be varied.
  • changing the particulate material does not require changing the printed binder. It can also advantageously be designed differentiated control over the shape body strength in three dimensions.
  • the printing process can be stabilized without any loss of quality.
  • a method according to the disclosure it is also possible to achieve a targeted control of the temperature input and material mixtures with different melting temperatures can be printed.
  • Another advantage of a method according to the disclosure can be an improved skin core, as a result of which, for example, the coreability is improved.
  • “Shaped body” or “component” or “shaped part” or 3D shaped body “or 3D component” or 3D shaped part within the meaning of the invention are all three-dimensional objects produced by means of the method according to the invention and / or the device according to the invention which have dimensional stability.
  • Construction space is the geometric location in which the bulk of particulate material grows during the construction process through repeated coating with particulate material or through which the bulk runs in continuous principles.
  • the construction space is made up of a floor, the construction platform, walls and an open top surface, the Building level, limited. With continuous principles, there is usually a conveyor belt and limiting side walls.
  • a "building level” or building platform in the sense of the disclosure is the area of a device suitable for 3D printing processes on which layers of particulate material (fluid) are repeatedly applied, which leads to the build-up of a molded body through selective solidification.
  • the “heating phase” characterizes the heating of the device at the beginning of the process.
  • the heating phase is completed when the target temperature of the device becomes stationary.
  • the "cooling phase” in the sense of the disclosure lasts at least until the temperature is so low that the components do not experience any noticeable plastic deformations when they are removed from the installation space.
  • particle materials or “fluids” in the sense of the disclosure, all materials known for powder-based 3D printing processes can be used, in particular polymers, ceramics and metals.
  • the particulate material is preferably a dry, free-flowing powder, but a cohesive cut-resistant powder or a particle-laden liquid can also be used.
  • particle material and powder are used synonymously.
  • the “particle material application” in the sense of the disclosure is the process in which a defined layer of powder is produced. This can be done either on the construction platform or on an inclined plane relative to a conveyor belt with continuous principles.
  • the particle material application is also referred to in this document as “coating "or” Recoaten ".
  • “Selective application of liquid” in the sense of the invention can take place after each application of particulate material or, depending on the requirements of the molding and to optimize molding production, also irregularly, for example several times based on one Particulate material application, take place. A sectional view is printed through the desired body.
  • any known 3D printing device that contains the required components can be used as the "device" for carrying out the method in the sense of the disclosure.
  • Usual components include coater, construction field, means for moving the construction field or other components in continuous processes, metering devices and heat and irradiation means and other components known to the person skilled in the art, which are therefore not detailed here.
  • the “absorber” is a medium that can be processed with an inkjet print head or with another device operating in a matrix-like manner, which promotes the absorption of radiation for local heating of the powder.
  • Reflector liquid in the sense of the disclosure is called the antagonist of the absorber, which is used according to the prior art to prevent particulate materials from sintering.
  • the “absorption” in the sense of the disclosure denotes the absorption of the thermal energy of radiation by the powder.
  • the absorption depends on the type of powder and the wavelength of the radiation.
  • carrier in the sense of the disclosure denotes the medium in which the actual absorber is present. It can be an oil, a solvent or, in general, a liquid.
  • Randomtion in the sense of the disclosure is, for example, thermal radiation, IR radiation, microwave radiation and / or radiation in the visible range or UV range.
  • thermal radiation is used, for example generated by an IR radiator.
  • Random-induced heating means, in the sense of the disclosure, irradiation of the construction area with fixed or movable radiation sources.
  • the absorber must be optimized for the type of radiation. This should result in different degrees of heating of "activated” and non-"activated” powder.
  • IR heating in the sense of the disclosure specifically means irradiating the construction field with an IR radiator.
  • the radiator can also be static or it can be moved over the construction field with a moving unit. The use of the absorber leads to IR heating in the construction field to different degrees of temperature rises.
  • Random heating in the sense of the disclosure generalizes the term IR heating.
  • a solid or a liquid can heat up through the absorption of radiation of any wavelength.
  • Area type in the sense of the disclosure expresses the differentiation between areas unprinted with absorber and areas printed.
  • An "IR radiator” in the sense of the disclosure is a source of infrared radiation. Most of the time, glowing wires in quartz or ceramic housings are used to generate the radiation. Depending on the materials used, there are different wavelengths of the radiation. The wavelength is additional with this type of radiator depending on the performance.
  • a “radiation source” within the meaning of the disclosure generally emits radiation with a specific wavelength or a specific wavelength range.
  • a radiation source with almost monochromatic radiation is referred to as a “monochromatic radiator”.
  • a radiation source is also referred to as an "emitter”.
  • An "overhead radiator” in the sense of the disclosure is a radiation source that is attached above the construction field. It is stationary but its radiation output can be regulated. It essentially provides for surface, non-selective heating.
  • the "sinter emitter” in the sense of the disclosure is a radiation source which heats the printed process powder above its sintering temperature. It can be stationary. In preferred embodiments, however, it is moved over the construction field. In the context of this invention, the sinter emitter is designed as a monochromatic emitter. "Secondary radiator” in the sense of the disclosure is a radiator that itself becomes an active emitter of radiation through a passive heating process.
  • “Sintering” in the sense of the disclosure is the term for the partial coalescence of the particles in the powder. In this system, sintering is associated with the build-up of strength.
  • the term “sintering window” in the sense of the disclosure denotes the difference between the temperature of the melting point that occurs when the powder is first heated and the solidification point that occurs when the powder is subsequently cooled.
  • the "sintering temperature” in the sense of the disclosure is the temperature from which the powder first melts and combines.
  • the "packing density” in the sense of the disclosure describes the filling of the geometric space with solids. It depends on the nature of the particulate material and the application device and is an important output variable for the sintering process.
  • shrinkage in the sense of the disclosure denotes the process of geometrically shortening a dimension of a geometric body as a result of a physical process.
  • the sintering of powders that are not ideally packed is a process that causes shrinkage relative to the initial volume a direction can be assigned.
  • Deformation in the sense of the disclosure occurs when the body experiences uneven shrinkage during a physical process. This deformation can be reversible or irreversible. The deformation is often related to the global geometry of the component.
  • curling in the sense of the disclosure denotes an effect that differs from the layered procedure in the case of the described Invention is coming. Layers produced in quick succession are exposed to different shrinkage. Due to physical effects, the composite is then deformed in a direction that does not coincide with the direction of the shrinkage.
  • the "gray value”, “gray level” or “gray level” in the sense of the disclosure denotes the amount of an absorber introduced into the powder per surface element.
  • different gray values can be generated on the particle material surface within a wetting step in order to be based on the radiation heating by means of the sintered emitter the changed energy coupling to achieve areas of different temperatures.
  • a defined dose of droplets from the total selection available can be imprinted into the particle material.
  • Print image point in the sense of the disclosure is the point imprinted into the particle material by means of a print head or a comparable means.
  • the “printed image point” can vary in various parameters.
  • a "printed pixel” can be set to a predetermined gray level, preferably the gray levels can be set continuously. This is in contrast to a stair step function as is known from the prior art; only the pixel points / number of pixels per area are varied The properties of the printed image point as such are essentially not modified.
  • Each “printed image point” can also be adjusted in terms of its diameter in the X and Y axes or in terms of its volume in the X, Y and Z directions .
  • a black area can also be set to between 1% and 100% in relation to the proportion of absorber per area or per volume in each “printed image point”.
  • a “black area” in the sense of the disclosure is to be understood as the amount of particulate material per unit area or per unit volume; the "black area” thus indicates a value or a measure of the amount of absorber.
  • An “edge area” in the sense of the disclosure denotes the area of a 3-D printed structural or molded part which, among other things, forms the surface.
  • the structure of the "edge area” is therefore also responsible for how smooth or uneven the surface of the 3D molded part is .
  • the degree of smoothness of the surface is determined by the pixel size and how the pixels are arranged on a surface, i.e. in the edge area, and to what extent they form steps in a curved area and how these steps are pronounced.
  • An “edge area” in the sense of the disclosure can be designed by means of printed image points in such a way that essentially no steps are present or steps are only minimally pronounced. As a result, a very smooth surface and a very smooth edge area can be achieved in a positive manner.
  • a “post-processing step” or “post-processing step” in the sense of the disclosure is the further treatment of the 3D molded part obtained in the 3D printing process, e.g. by means of anti-aliasing or in a finishing cabin.
  • Anti-aliasing in the sense of the disclosure is a term borrowed from the field of computer graphics and essentially describes a synonymic anti-aliasing there. As a result of the rasterization of a graphic, stepping effects in the resulting graphic are eliminated by using a special algorithm to eliminate intermediate values between two neighboring pixels are calculated.
  • a “finishing cabin” in the sense of the disclosure is an apparatus which is applied to the molding in the process step after it has been produced in order to free it from residual material and adhesions.
  • a blasting agent for example made of fine glass spheres, is often used This step can be carried out manually or automatically with given parameters.
  • “Filter” or “filter” in the sense of the disclosure is a masking of partial areas of an electromagnetic radiation spectrum, the desired electromagnetic radiation spectrum impinging on a target area, for example a construction field surface.
  • Temporal window or “temperature range” in the sense of the disclosure is a defined temperature range which is below or in the sintering range of the particulate material used.
  • Base temperature in the sense of the disclosure denotes the temperature to which the particulate material is heated and which is lower than the melting temperature and / or the sintering temperature.
  • Dithering denotes a possible type of algorithm used in imaging methods for rastering with reduced color depth. Targeted arrangement of pixels means that a higher color depth is reproduced at the expense of the level of detail. Dithering is synonymous in the description of the invention and the description of the prior art used for halftone screening.
  • “Absorber density” in the sense of the disclosure is a defined degree of wetting of the surface of the particulate material with absorber.
  • aborber density denotes the amount of absorber applied to the particulate material per area.
  • “Absorber density range” in the sense of the disclosure denotes the range of minimum and maximum degree of surface wetting by an absorber in the X and Y axes.
  • Amount of absorber in the sense of the disclosure means the amount of absorber deposited by the metering device per printed image point.
  • Coupling of energy in the sense of the disclosure denotes the effectiveness of the electromagnetic radiation absorbed as a percentage in relation to the reflected radiation.
  • the object on which the application is based is achieved by a method for producing 3D molded parts, one or more particulate building materials being applied to a construction field in a defined layer by means of a coater, selectively comprising one or more absorbers or one or more liquids one or more absorbers are applied as printed pixels by means of a print head, an energy input takes place by means of an energy source, whereby the areas with selectively applied absorber are selectively solidified, the construction field is lowered by one layer thickness or the coater is raised by one layer thickness, these steps are repeated until the desired 3-D molded parts is produced, characterized in that the amount of absorber within a layer per printed image point is set to a predetermined value and wherein different predetermined values are set in two or more image points within a layer can be provided.
  • a method in accordance with the disclosure achieves multiple advantages over known methods of the prior art.
  • different parameters can be varied for each printed image point and thus the quality of the molded part produced can be improved on the one hand.
  • the method according to the disclosure enables the method to be used in areas that were previously not possible.
  • the image sharpness of the manufactured components is improved by the fact that the edge areas can be mapped more precisely with regard to the data and the edge or edge sharpness can be increased.
  • different material properties can now be varied in a component at different points or areas in the component with regard to e.g. elasticity, which was not possible according to the prior art.
  • combinations of materials can now be used that previously could not be combined in this way.
  • a method as described above wherein the volume of absorber or one or more Liquids comprising one or more absorbers per printed image point and / or the concentration of absorber or one or more liquids comprising one or more absorbers per printed image point and / or the size of the printed image points are set to a predetermined value and wherein in two or more image points different predetermined values can be set within a layer.
  • the absorber can be adapted very specifically for each printed image point to the respective printing needs and the desired material properties in the printed component and can be set very differentially.
  • the amount of imprinted absorber per surface element of the printed image points and / or per volume element of the printed image points can be set to a predetermined value, preferably wherein the surface element has 0.0001 to 0.08 mm 2 or 1- 5 mm 2 to 4000 cm 2 or 50 mm 2 to 40 cm 2 , and / or where the volume element has 0.000001 to 0.04 mm 3 or 5 mm 3 to 10 cm 3 or the surface element and / or volume element corresponds to the 3D Molded part, for example in a sectional view, and / or the amount of absorber printed in per printed image point is between 1 ng and 2 g, preferably 3 ng to 500 ng, more preferably 5 ng to 300 ng.
  • Each printed image point is set to a predetermined gray level; the gray levels can preferably be set continuously.
  • the black area can also be set differently for each printed image point in the disclosed method and, at the same time, a control in the component to be printed with regard to the properties to be achieved in the component can be determined in a three-dimensional manner. For example, you can set the black area in each Set the printed pixel to a black area between 1% and 100%.
  • the various parameters that can be set differently with the method disclosed here can be related to different reference values.
  • the printed image points can be related to a surface element and / or volume element or related to the printed 3D molded part and have a proportion of 10% to 95%.
  • the method can be set so that the printed image points in the edge area of the 3D molded part to be produced have a smaller diameter and / or a smaller volume compared to the other printed image points, preferably anti-aliasing is also carried out and / or an additional Post-processing step, preferably in a finishing cabin, particularly preferably in an automated finishing cabin, is carried out. This achieves particularly advantageous results with regard to the definition of the component.
  • the number of printed pixels per area or unit area can be increased or decreased, or the number of printed pixels per area or unit area cannot be changed during the method.
  • a print head in which the outlet volume is set to a predetermined changeable value.
  • Any print head compatible with the other process parameters and process components can be used here.
  • a piezoelectric print head can be used as the print head.
  • polyamides preferably PA12, PA11, PA613, PA6.6, polyether block amides, polypropylenes, thermoplastic polyurethanes, polyethylenes, polycarbonates, polyaryletherketones, polyoxymethylenes or polymethyl methacrylates, a mixture of two particle materials with different melting temperatures or melting temperature ranges, e.g.
  • thermoplastic polyurethanes between 90 ° C and 350 ° C, more preferably 110 ° C to 220 ° C, a mixture of thermoplastic polyurethanes with different hardness, for example between Shore A 60 and Shore D 90, polybutylene terephthalates, mixtures of polybutylene terephthalates, for example with a flexural strength between 40-250 MPa , or mixtures of one or more of the above materials can be used.
  • customary absorbers known to the person skilled in the art are used, it being possible to use carbon particles as absorbers.
  • carbon particles examples are the products Black Oil-based Ink IK82104 from the manufacturer Xaar plc and HiRes Oil Black LMOPI11AKK from the manufacturer Nazdar Ltd. mentioned.
  • any source of energy or radiation can be used for solidification, which is set and adapted according to the further method parameters.
  • a radiator e.g. an emitter of electromagnetic radiation in the infrared range, e.g. in the near infrared range, or in the visible range can be used as an energy source.
  • the layer thickness of the applied particle material can be chosen to be constant or variable and the layer thickness can be set to 5 to 500 micrometers.
  • a layer thickness of 10 to 300 or 5 to 30 micrometers is in the range of the usual and advantageous layer thickness.
  • a printed image point can be varied in terms of their characteristics and thus achieve desired and / or advantageous properties the printed components can be achieved.
  • a printed image point can be set to a diameter of between 10 and 140 micrometers, for example, or a resolution of 90 or 1200 dpi can be selected.
  • a printed image point and the printed image points next to one another and those which form an edge region can also be adjusted in terms of its volume to a predetermined volume value in a method according to the disclosure.
  • a printed pixel can be adjusted to a volume of between 1.5 and 100 picoliters.
  • the absorber concentration in a printed pixel can be chosen as desired.
  • the absorber concentration can be adjusted to between 1% and 20%.
  • the time interval between the printed image points can have an influence on the characteristics of the area of the solidified printed image points.
  • the time interval between different printed image points to one another can also influence the characteristics of the area in which different and / or several printed image points are located.
  • the time interval between printing an image point and energy input can be set to between 10 and 1000 milliseconds.
  • the parameters described above - 2 or 3-dimensional dimensions such as diameter etc. of the printed image point, volume entry in a printed image point, distance between the printed image points, the distance between the printed image points in the Z and / or X axis and / or in Y - Axis, time interval between the printing of printed pixels can be individually combined with one another.
  • the characteristics of the printed component itself and in any desired area of the component in terms of elasticity, dimensional stability, Shore hardness, material composition, edge properties,
  • Properties in the edge area of the component can be selected.
  • the object on which the application is based is also achieved in various aspects according to the disclosure by a method for producing 3-D molded parts, one or more particulate building materials being applied to a construction field in a defined layer by means of a coater, selectively one or more liquids or a or several particle materials of one or more absorbers are applied, an energy input takes place by means of a radiator, whereby the areas with selectively applied absorber are selectively solidified, the construction area is lowered by one layer thickness or the coater is raised by one layer thickness, these steps are repeated until the desired 3D- Molded parts is produced, characterized in that the method determines the absorber density within a layer per printed image point by means of the metered volume of image liquid and / or absorber, the metered concentration of absorber, the printed image points per area - Or volume unit, the distance between the printed pixels varies.
  • the disclosure provides a method in which the temperature windows of the recurring method steps can advantageously also be set more precisely. This is associated with further significant improvements in process management, product quality, the recycling rate of materials, ecological advantages and cost advantages.
  • a method according to the disclosure provides a solution for influencing material properties of the molded body produced in a targeted manner in three dimensions.
  • the production of the molded bodies is thus not only given their three-dimensional shape, three-dimensional properties of a mechanical nature are also added to them. This can be the mechanical strength and / or elasticity, as well as material density and thus weight and / or center of gravity. These properties, which cannot be seen from the outside in terms of appearance and / or surface or shape of the body, can be used specifically for weight reduction or for the creation of centrifugal masses with a shifted center of gravity.
  • one or more print heads can be used which, according to the prior art, are gray-scale capable and in which the dosed drops in volume can thus be controlled.
  • the changes in the drop volume can be used specifically to optimize the energy absorption of the radiation for the heating phase and / or the sintering phase and thus to achieve improved temperature windows on the material layer itself on the construction field.
  • any material compatible with the process parameters can be employed and used in a method according to the disclosure.
  • a polyamide powder, a thermoplastic elastomer based on polyamide or a thermoplastic elastomer based on urethane can be used as the powder material.
  • Materials based on polypropylene and polyethylene as well as polymers with ester functions are also possible.
  • the range of the dosed amount of absorber and temperature window can be adjusted accordingly in order to achieve an advantageous process management and advantages for, among other things, the product parameters and recycling rate.
  • any absorber fluid compatible with a method according to the disclosure can be used. This includes not only oil but also, for example, water- and solvent-based fluid systems, as well as various color pigments contained therein. In particular, colorations of the fluid can be used which have coordinated absorption maxima in the infrared and / or in the visible or ultraviolet range.
  • a method according to the disclosure is characterized in that the applied powder layer is heated by a first heating step to a base temperature of the powder without absorber, which is located within the sintering window of the powder material, and a second sintering step is heated by supplying heat to selectively solidify the with absorber printed areas at a sintering temperature above the melting temperature of the powder, the areas with selectively applied absorber being heated more in the first step than the areas without absorber and thus a temperature difference between areas with and without absorber is set.
  • the object on which the application is based is achieved according to the disclosure by a device suitable for producing 3D molded parts, comprising all components required for a powder-based printing process, characterized in that it has at least one print head that is capable of to vary the dosed volume of material within one pass per pixel.
  • a device which is suitable for a method according to the disclosure advantageously achieves that disadvantages of known devices and methods are reduced or can essentially be avoided.
  • the temperature window into more defined ranges and thus more optimal temperature ranges with regard to the materials used to reach.
  • the quality of the intermediate products and products Associated with this are further advantages with regard to the quality of the intermediate products and products.
  • the recycling rate of the powder material can thus be increased, with which, among other things, a cost reduction and thus lower production costs can be achieved.
  • both the edge sharpness and the surface quality of the molded bodies produced by means of the method or the device according to the disclosure can be improved considerably.
  • a print head can be used for drop metering of an absorber, which is able to vary the fluid volume per individual metering.
  • a device is characterized, for example, in that a grayscale-capable print head has at least one print module which is capable of depositing drop volumes of variable size per pixel.
  • the print head is gray-scale capable.
  • the selected drop volume range it is possible for the selected drop volume range to be between 6 and 30 picoliters per printed image point at a point density of 360 dpi.
  • one or more fluid metering devices can be arranged in any suitable manner. It can be advantageous if at least two gray-scale print modules are arranged essentially in a staggered manner, preferably there is an overlap between the modules. This allows the drop volume per printed pixel to be controlled more specifically. This allows the standard seven-fold gradation to be almost doubled.
  • a device has all of the known components that are necessary and known for a high-speed sintering process, which therefore do not have to be described in detail here.
  • suitable components are components selected from the construction platform, side walls, job box, coater, print head, ceramic film, energy input means, preferably at least one emitter, preferably an overhead emitter and / or a sinter emitter unit.
  • an essential aspect of the present disclosure is to control the amount of absorber or the temperature window of the method and to carry out the method according to the disclosure in defined areas.
  • the aim can also be to control component properties by means of absorber metering with pinpoint accuracy for each printed pixel. Differences and variations in three-dimensional strength zones can thus be represented essentially without any loss of quality.
  • An example of products available on the market is the Xaar 1003 GS6 print head, which can cover a drop mass range of 6 - 42 pl per printed pixel with a print density of 360 dpi with a maximum of 7 gray levels.
  • Another possibility is the product RC1536-M or RC1536-L from the manufacturer Seiko Instruments GmbH, which can achieve a drop mass of 13 - 100 pl with a gradation of up to 14 gray levels with otherwise the same specification.
  • variable droplet dosing with a grid, e.g. dithering.
  • a grid e.g. dithering.
  • a larger range of drop volumes can thus be covered.
  • a checkerboard pattern of printed Pixels of the lowest possible intensity are generated, whereby the effective absorber density can be further reduced on average over the area.
  • the absorber density in the case of particulate materials consisting of partially crystalline, non-polar polyolefins, it can be advantageous to lower the absorber density to 3 picoliters per point, since this enables higher mechanical parameters to be achieved for the molded bodies produced.
  • the ratio of the area or volume imprinted with printed image points to the unprinted area can be set in relation to an area or a volume.
  • the area or volume printed with the printed image points is thus set in relation to the unprinted area or volume.
  • the degree of absorption must be optimized for the surface to be sintered. This is done by varying the drop mass of the amount of absorber fluid applied to the powder surface. According to the state of the art, changing the printing material in a high speed sintering machine therefore requires adjustments to the hardware. With the possibility of direct manipulation of the absorber quantity by setting GreyLevel information, this is now possible via software, e.g. via job data information when the process program is called. Examples of such adaptations are the software-side setting of 24 pl per printed pixel for polyamide 12 materials, 6 pl for polypropylene, or 3 pl for thermoplastic polyurethane.
  • Construction site surface controlled and / or regulated
  • Construction field surface movable over the construction field surface, controlled and / or regulated
  • Variation of the amount of fluid applied per area using the real gray scale method Variation of the volume of each individual drop
  • Gap pattern by fading out pixels in order to achieve a lower absorber volume averaged over the area
  • Molded body that has already been created, embedded in loose particle material, detailed view of the corner of the molded body, created by means of dosing using conventional grid methods
  • the assigned virtual properties are accordingly created layer data of the virtual molded body, the cutting planes being through regimes of different properties with a variation in the
  • the gray levels of the shift data correspond.
  • the different gray levels of the individual layer data of the shaped body to be created are used in printhead control technology as variations in the data set off by the printhead
  • Printhead Dosing an amount of liquid per pixel
  • Melting peak of the second polymer ended with temperature TI. Melting peak of the first polymer, ended with temperature T2. Range of different absorber entry in the particle material. Increased amount of absorber
  • the area in which only polymer 2 was melted is softer.
  • the area in which both polymers were melted is harder
  • Construction site surface controlled and / or regulated

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter (101) auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf (100) als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle (108,109) erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen (103) erzeugt ist, wobei die Absorbermenge innerhalb einer Schicht (301) pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON 3D-FORMTEILEN MIT VARIABLEN ZIELEIGENSCHAFTEN DER GEDRUCKTEN BILDPUNKTE
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mit variablen Zieleigenschaften mittels Schichtaufbautechnik.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikel bereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z.B. durch Abbürsten befreit werden. In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid- Prototyping-Prozesse (auch als schichtweises Aufbauen von Modellen oder als Schichtbautechnik bezeichnete Verfahren), wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikel material schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff „dreidimensionale Druckverfahren" oder 3D-Druckverfahren verstanden.
Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und Eintrag flüssiger Binder ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren.
Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, unter anderem auch polymere Werkstoffe, verarbeiten. Der Nachteil besteht hier jedoch darin, dass die Partikelmaterialschüttung eine gewisse Schüttdichte, die üblicherweise 60% der Feststoffdichte beträgt, nicht übersteigen kann. Die Festigkeit der gewünschten Bauteile hängt jedoch maßgeblich von der erreichten Dichte ab. Insofern wäre es hier für eine hohe Festigkeit der Bauteile erforderlich, 40% und mehr des Partikelmaterialvolumens in Form des flüssigen Binders zuzugeben. Dies ist nicht nur aufgrund des Einzeltropfeneintrages ein relativ zeitaufwändiger Prozess, sondern bedingt auch viele Prozessprobleme, die z.B. durch die zwangsläufige Schwindung der Flüssigkeitsmenge beim Verfestigen gegeben sind.
In einer anderen Ausführungsform, der unter dem Begriff „High-Speed- Sintering" (HIGH SPEED SINTERING) in der Fachwelt bekannt ist, erfolgt die Verfestigung des Partikelmaterials über Eintrag von Infrarotstrahlung. Das Partikelmaterial wird dabei physikalisch über einen Aufschmelzvorgang gebunden. Hierbei wird die vergleichsweise schlechte Aufnahme von Wärmestrahlung bei farblosen Kunststoffen ausgenutzt. Diese lässt sich durch Einbringen eines IR-Akzeptors (Absorber) in den Kunststoff um ein Vielfaches steigern. Die IR-Strahlung kann dabei über verschiedene Möglichkeiten wie z.B. einer stabförmigen IR-Lampe eingebracht werden, die gleichmäßig über das Baufeld bewegt wird. Die Selektivität wird über das gezielte Bedrucken der jeweiligen Schicht mit einem IR-Akzeptor erreicht.
An den Stellen, die bedruckt wurden, koppelt die IR Strahlung dadurch wesentlich besser in das Partikelmaterial ein, als in den unbedruckten Bereichen. Dies führt zu einer selektiven Erwärmung in der Schicht über den Schmelzpunkt hinaus und damit zur selektiven Verfestigung. Dieser Prozess wird z.B. in EP1740367B1 und EP1648686B1 beschrieben.
Die erzielten mechanischen Kennwerte der somit erzeugten Formkörper sind nicht nur vom verwendeten zugrunde liegenden Partikelmaterialtyp, sondern auch von der beim Schmelzen eingebrachten Energie und damit der erreichten Schmelztemperatur abhängig. Beim High Speed Sintering- Verfahren ist es ähnlich wie beim Lasersinterprozess deshalb zunächst von Vorteil, Schwankungen in der Erwärmung, welche zu unerwünschten Änderungen in den Bauteileigenschaften der erzeugten Formkörper führen, zu minimieren bzw. auszugleichen. Somit kann nicht nur Prozessstabilität gewährleistet, sondern auch gleichbleibende Qualität wiederholgenau isotrop reproduziert werden.
Der Zusammenhang der Änderung der mechanischen Kennwerte mit der beim Sintern eingebrachten Energiemenge wurde vielfach untersucht und ist Bestandteil zahlreicher wissenschaftlicher Veröffentlichungen, siehe z.B. Dissertation von Andreas Wegner "Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten", 2015.
Als einer der Gründe für die Variationen in den mechanischen Kennwerten der erzeugten Formkörper wird dort die Abhängigkeit der Restporosität von der eingebrachten Energiemenge diskutiert. In Bezug auf das in den additiven Fertigungsverfahren nach dem Sinterprozess etablierte Polyamid 12 ist eine geringe Restporosität für möglichst hohe mechanische Kennwerte erwünscht. Jedoch ist dies nicht bei allen Materialtypen der Fall. So ist die Nachfrage nach weicheren thermoplastischen Elastomeren nicht zu vernachlässigen. Dabei kann ein gewisser Grad an Restporosität erwünscht sein, um dem erzeugten Körper Raum für die Änderung seiner Form unter Ausübung einer äußeren Krafteinwirkung zu überlassen.
Es ist demnach von Vorteil, die beim Sintervorgang eingebrachte Energiemenge nicht nur zur Erlangung gleichbleibender Materialqualität zu variieren, sondern mithilfe dieser gezielt die Materialeigenschaften des im Prozess erzeugten Formkörpers einzustellen.
Die selektiv in eine Schicht eingebrachte Energie kann über verschiedene Größen beeinflusst werden. Bei der Einkopplung der Sinter-Energie punktuell nach einem vorhandenen Schnittbild mittels eines Laser- Spiegelsystems wie es beim Verfahren des Lasersinter- Prozesses üblich ist, ist die sog. Andrew-Zahl Az eine etablierte Größe um diese Energie in Joule pro mm2 abzuschätzen [Selective Laser Sintering Part Strength as a Function of Andrew Number, Scan Rate and Spot Size, John Williams, David Miller and Carl Deckard, 1996] :
Az: Andrew-Zahl
Dabei bezeichnet öis den Laserspurabstand, PLS die Laserleistung, VLS die Spurgeschwindigkeit.
Für den Prozess nach dem HIGH SPEED SINTERING-Verfahren kann eine ähnliche Abschätzung erfolgen, z.B. nach dem einfachen Schema
Az: Andrew-Zahl bei HIGH SPEED SINTERING
Analog zum Lasersinterprozess stellt die Bewegung des Sinterstrahlers vSin über das Baufeld ein Pendant zur Spurgeschwindigkeit des Laser vLs dar, die effektive Strahlungsleistung des Sinteraggregats psin entspricht der Laserleistung pLs- Statt des Spuranstands d s, welcher beim Laser reziprok zur Energiemenge beiträgt, kann beim HIGH SPEED SINTERING-Prozess die der Druckauflösung entsprechenden Punktdichte ddot und der Absorptionsgrad GL der bedruckten Stellen als proportionaler Beitrag zu einer Kopplungskonstanten angenommen werden. Liegen die Spuren, welche der Laser bei der Erzeugung einer Schicht des zu erstellenden Formkörpers in das Partikelmaterial zeichnet näher beieinander, so führt dies zu einer Erhöhung der eingekoppelten Energiedichte. In gleicher Weise verhält es sich bei der Erhöhung des Benetzungsgrades der Pulveroberfläche mit IR-Akzeptor. Durch Erhöhung der Absorbermenge GL pro Fläche, verbessert sich der Absorptionsgrad der IR-Strahlung und führt somit zur Effizienzsteigerung der Energieeinkopplung beim Sintervorgang.
Mittels Variation dieser kann nun ebenso wie durch die anderen Größen die Schmelztemperatur direkt beeinflusst werden.
Die bekannte Verfahren nach dem High Speed Sintering Verfahren machen sich die Variation der aufgebrachten Absorbermenge zur Stabilisierung des Druckprozesses zu Nutze, siehe z.B. WO2016169615A1.
Da die Aufbringung des IR-Akzeptors im HIGH SPEED SINTERING- Verfahren mittels Inkjet-Druckmodulen erfolgt, kann eine Anpassung der Dichte des Absorbers pro Fläche mittels Variation der Punktdichte erfolgen. Dies ist möglich, da die Ansteuerung der Inkjet-Technik handelsüblich via sog. Bitmap-Muster erfolgt, die nach einem zweidimensionalen Rasterbildverfahren aufgebaut sind. Bezüglich der Berechnung der Punktdichte bieten sich verschiedene etablierte Berechnungs-Methoden an. Der Einfachheit halber soll im Weiteren der Begriff Halbtonverfahren bzw. Dithering zur Erwähnung dieser Verfahren verwendet werden. Eine Illustration ist Fig. 2 zu entnehmen.
Diese Art der Steuerung der Absorberdichte bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich, u.a. :
1) Reduktion der erreichten Genauigkeit in der Form der erstellen Körper
Um sowohl Raum für Energieerhöhung als auch Energieerniedrigung zur Verfügung zu stellen, sollte in einem Absorberdichtebereich gearbeitet werden, welcher zwischen Maximaldosierung und Minimaldosierung anzusiedeln ist. Da eine Reduktion der Fluiddichte nur durch Weglassen von zu druckenden Bildpunkten zu erreichen ist, entsteht ein schachbrettartiges Muster, welches zu Ungenauigkeiten v.a. an Randbereichen zwischen Formkörper und losem Partikelmaterial führt. Diese haben nicht nur eine Reduktion der Kantenschärfe zur Folge, sondern führen auch zu Temperaturgradienten an den Kanten des Körpers. Dies führt zur Anhaftung von losem Partikelmaterial an den erstellen Formkörper und somit zu Verschlechterungen bei der Maßhaltigkeit.
2) Begrenzt einstellbarer Bereich
Weitere Reduzierung der Punktedichte führt dazu, dass mit Absorber benetzte Bereiche derart weit auseinander liegen, dass ein sintern dieser keine Zusammenhänge Fläche mehr ergibt, siehe Gegenüberstellung in Fig. 2.
3) Geringe Oberflächenqualität
Die Rasterung tritt an den Oberflächen der erstellten Formkörper hervor und erzeugt ein für das Auge störendes Muster welches den Gesamteindruck unabhängig von den sonstigen Eigenschaften Bauteils negativ beeinflusst.
4) Zweites Druckfluid wird benötigt
Denkbar ist nach dem Stand der Technik eine punktweise Variation der effektiven Energiedichte ebenfalls durch die Verwendung eines zweiten Druckfluids, welches die Funktion besitzt, überschüssige Energie abzuführen, wie z.B. in WO2016171724, „DETAILING AGENT FOR TH REE-DIMENSIONAL (3D) PRINTING" ausführlich dargelegt. Auch dieses führt zu oben genannten Phänomenen und v.a. die verringerte Oberflächenqualität ist bereits in der Fachbranche bekannt.
5) Geschwindigkeitsnachteil
Zwar sind mehrfache Benetzungsschritte mit jeweiligem direkt angeschlossenem Belichten einer einzelnen Fläche und somit eine Variation der Verteilung des Absorbers innerhalb eines aufzutragenden Punktes ohne Dithering, und somit das Erreichen der Einbringung unterschiedlicher Energiemengen ohne Detailverlust denkbar, jedoch reduziert das mit jeder zusätzlichen Graustufe die Druckgeschwindigkeit erheblich und führt zu stark steigenden Kosten im kommerziellen Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Es war deshalb eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D- Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise vermindert oder im Wesentlichen oder ganz vermeidet.
Es war eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D- Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen mit der eine verbesserte Kantenschärfe erreicht werden kann. Es war eine weitere der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe, ein 3D- Druckverfahren unter Verwendung eines Absorbers bereitzustellen, wobei eine differenzierte Auswahl und Einstellung der Absorbermenge pro Bildpunkt und von verschiedenen Absorbermengen in verschiedenen Bildpunkten innerhalb einer Druckschicht möglich wird und/oder die Absorbermenge und die Bildpunkte in verschiedenen Parametern, wie z.B. Fläche der Bildpunkte, Volumen der Bildpunkte, Absorberkonzentration in den Bildpunkten, variiert werden können und auch in verschiedenen Bildpunkten in einer Druckschicht diese Parameter unterschiedlich sein können und individuell in jedem Parameter eingestellt werden können.
Die verschiedenen Aspekte der Offenbarung sind geeignet die verschiedenen oder alle oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder ganz zu vermeiden.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D- Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein mit einem 3D- Verfahren hergestelltes Bauteil mit vorteilhaften Eigenschaften der Randbereiche und der Formschärfe.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 : Exemplarisch ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Verfahren des High Speed Sintering mit elementaren Komponenten skizziert.
Fig. 2: Gegenüberstellung zweier Verfahren variabler Fluiddosierung pro Fläche, 201 zeigt das Ditheringverfahren nach dem Stand der Technik gegenüber dem Anpassen des Absorbervolumens pro Bildpunkt. Beim Verfahren nach dem Stand der Technik entstehen Lücken in der Benetzung 203, im Gegensatz zu 204, was zur Minderung der Bauteilqualität führen kann. Auch bei geringen Absorbermengen pro Fläche entsteht ein geschlossener Bereich 206 ohne störendes Muster mit Fehlstellen 205.
Fig. 3: Detailansicht der zu benetzenden Oberfläche in Gegenüberstellung herkömmlicher 303 und neuer Dosiertechnik 304 (Ansicht X-Y-Ebene). Deutlich zu erkennen ist die Reduktion der Kantenschärfe beim Verfahren nach dem Stand der Technik in der linken Bildhälfte bei 305. Grund hierfür sind sog. Aliasing-Effekte, die auftreten, wenn der zu benetzende Bereich in der Software-Repräsentation nicht genau dem physischen Aufbau des Fluiddosierers entspricht. Im neuen Verfahren kann dem durch Variation des Fluidvolumens an den Randbereichen Rechnung getragen werden 306, was die Kantenschärfe des zu erstellenden Formkörpers deutlich erhöht.
Fig. 4: Seitliche Detailansicht einer Ecke des zu erstellenden Formkörpers 402 in Gegenüberstellungen beider Dosierverfahren 403 und 404 in einem Verfahren additiver Fertigungstechnik nach dem Prinzip des pulverbasierten Schichtaufbaus (Ansicht X-Z-Ebene). Wie in Abb. 3 in der Fläche bereits zu erkennen, führt das Verfahren in allen drei g Raumdimensionen zu einer verbessert Oberflächenqualität des zu erstellenden Objektes, was an der lückenlosen Struktur 406 im Gegensatz zu 405 erkennbar wird.
Fig. 5: Herkömmliches Verfahren nach dem Stand der Technik führt zu störenden Mustern 503 an den seitlichen Flächen 502 des erstellten Formkörpers 501. Diese können durch aufwendige Algorithmen wie sie in bereits veröffentlichten Patentschriften beschrieben werden minimiert, jedoch nicht eliminiert werden. In der additiven Fertigung wirken sich aufgrund des schichtweisen Aufbauens eines Formkörpers Aliasing-Effekt besonders drastisch auf die Oberflächenqualität aus: Durch einen prinzipbedingt benötigten Versatz der Dosiereinheit in Y-Richtung entstehen an den Seiten des Formkörpers Rilleneffekt, die eine erheblich gröbere Oberfläche zur Folge haben: Ein weiterer in der Fachwelt bekannter Nachteil der Schichtaufbautechnik. Ähnlich wie in Fig. 3 illustriert kann auch dem mittels Variabler Fluiddosierung entgegen gewirkt werden, was zu glatten Oberflächen führt und dem Formkörper eine isotrope Geometrie- und Oberflächenwiedergabe verleiht.
Fig. 6: Die variable Tropfendosierung kann dazu verwendet werden, Regime innerhalb eines zusammenhängenden Formkörpers in drei Dimensionen zu definieren, welche dann spezifische Materialeigenschaften des erstellten Formkörpers zur Folge haben. Als Beispiel ist hier die Variation der Steifigkeit in Richtung des Schichtauftrags (X-Richtung) dargestellt 603. In diesem Spezialfall führt eine Erhöhung der
Absorbermenge in Regime (I) in 601 zu einer erhöhten Steifigkeit an der korrespondierenden Stelle im Formkörper 602. Zwischenstufen sind möglich (III). Regime (II) würde in dieser Illustration eine geringere Steifigkeit aufweisen, da dort aufgrund der geringeren Absorberdichte pro Fläche bei der Belichtung mittels des Sinteraggregats, siehe Fig. 1, weniger Energie absorbiert wird, was geringere Temperaturen und damit einen geringeren Schmelzgrad des Pulvergranulats zur Folge hat. Ein geringerer Schmelzgrad bedeutet in diesem Beispiel geringere Festigkeit und eine geringere Härte des Bereichs, da sich Elemente des Pulvermaterials in einem höheren Ausmaß gegeneinander verschieben lassen, im Gegensatz zu stärker geschmolzenen Bereichen. Mittels variabler Dosierung pro Bildpunkt ist dies in einem feiner abgestuften Ausmaß möglich als beim Stand der Technik, was eine erweiterte Material- und Festigkeitspalette zur Folge hat. Des Weiteren führt auch hier die Variation in den mechanischen Eigenschaften nicht zu einer Reduktion der Auflösung durch Lücken Im Druckbild, vgl. Fig. 2
Fig. 7: Mittels geeigneter Software können innerhalb eines zusammenhängenden virtuellen Formkörpers 701, Regime unterschiedliche Eigenschaften definiert werden 704, 705 und 706, die sich mit Hilfe von Graustufen repräsentationen in den Schichtdaten 702 und der dementsprechenden Interpretation in Variationen der Tropfenvolumen 708 der vom Druckkopf 707 dosierten Flüssigkeit 709 im erstellten Formkörper manifestieren. Beispielhaft wird gezeigt, wie aus einer virtuellen dreidimensionalen Repräsentation mit integrierter Festigkeitsdefinition, in der Figur dargestellt durch Variationen in der Schattierung mittels einer weiteren Dimension, in einem „Slicing" genannten Verfahren über einen Softwareschritt, Ansteuerungsdaten für den sog. Graustufendruck der Fluid-Dosiereinheit erfolgen kann.
Fig. 8: Als eine Schicht aufgetragen wird eine Mischung zweier Materialien mit unterschiedlichen Schmelztemperaturbereichen 804 und 805, sodass ein weicheres Polymer 804 geschmolzen wird bei Erreichen von Temperatur TI und Polymer 803, welches einen höheren Härtegrad aufweist, und 802 bei Überschreiten von Temperatur T2, erreicht durch Variation der Absorbermenge pro Bildpunkt 806. Eine höhere Absorbermenge führt zu einer besseren Energieeinkopplung und dadurch zu einer höheren Temperatur in diesem Bereich 807 und umgekehrt 808. Bei Verwendung von Materialgemischen, können somit in drei Dimensionen Regionen unterschiedlicher Eigenschaften definiert werden, z.B. ein Bereich größerer 811 und geringerer Härte 810. Die beiden Pulver können in einem breiten Verhältnis zueinander gemischt werden, z.B. 10% zu 90%. Auch hierbei zieht die Variationen der Fluidmenge pro Bildpunkt keine Qualitätsnachteile oder -probleme nach sich. Die Fluidmenge kann dabei in einem kontinuierlichen Verlauf innerhalb des Formkörpers in allen drei Raumdimensionen aufgetragen werden, was in einen kontinuierlichen Härtegradienten entlang dieses Verlaufs resultieren würde. Somit ist es möglich den Härtegrad kontinuierlich in allen Raumdimensionen anzupassen.
Fig. 9: Ein zweiter Temperatursensor (913), z.B. ein Pyrometer, misst die Temperatur auf den gesinterten Flächen 903 und steuert in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur die Masse der durch den Druckkopf (900) eingebrachten Absorberfluidtropfen in der nächsten aufzubringenden Schicht. Eine geringere Tropfenmasse erzielt dabei eine geringere Temperatur und umgekehrt. Dadurch wird eine Verbesserung der Prozessstabilität ohne Reduktion der Qualität und/oder unwillentlicher Erzeugung von störenden Mustern auf den Formkörpern erreicht, was ein bekannter Nachteil des Stands der Technik ist.
Fig. 10: Bei bidirektionalem Druck , d.h. beim Drucken in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung kann die Anzahl sowie die absolute Menge der zur Verwendung kommenden Tropfenmenge pro Bildpunkt verdoppelt werden. Mit der Erhöhung Anzahl der Abstufung der möglichen Absorptionsfaktoren wird somit z.B. eine feinere Abstufung von Temperaturniveaus beim Sintern erreicht. Während im Normalfall z.B. 7 Graustufen abgebildet werden können, lässt sich die Anzahl an Graustufen somit Verdoppeln, wobei wahlweise auch die Menge des dosierten Fluids verdoppelt werden kann.
Die verschiedenen Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden näher beschrieben, ohne dass diese als einschränkend verstanden werden sollen.
In einem Aspekt wird die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass statt oder zusätzlich zum Verfahren des erwähnten Ditherings die Masse bzw. Tropfengröße des aufgebrachten Absorberfluids eines jeden einzubringenden Bildpunkts variiert wird.
Somit entsteht eine zusammenhängende Fläche von Bereichen unterschiedlicher Absorptionskonstanten und demnach auch resultierender variierter mechanischer Kenndaten. (Fig. 6)
In einem Aspekt der Offenbarung wird vorteilhafter Weise erreicht, dass eine bessere und homogenere Verteilung des Absorbers auch bei geringen Dichten ohne Reduktion der Auflösung erreicht werden kann, wodurch die Verwendung einer Reflektorflüssigkeit entfallen kann. Da das Aufbringen eines zweiten Fluids nicht nur die Kosten für das Drucksystem verdoppelt, sondern sich auch hinsichtlich des Platzbedarfs und der
Verbrauchsmaterialien ein sehr komplexes Verfahren darstellt, ergeben sich allein unter Betrachtung der Prozessteuerung hierbei bereits Vorteile, die sich bis auf die Betriebskosten für den Endkunden erstrecken. So müssen einerseits Verbrauchsmaterialien ebenso weniger oft nachgeführt werden, sowie Verschleißteile an der Vorrichtung weniger häufig ausgetauscht werden, insbesondere die relativ kostspielige Drucktechnik erreicht eine längere Lebensdauer und damit eine signifikante
Kostenverminderung. Weiterhin kann eine Erhöhung der Genauigkeit der Temperaturverteilung innerhalb einer Schicht erreicht werden und diese erlaubt somit eine wesentlich feinere Steuerung des Prozesses und damit den Zugang zu einer größeren Vielfalt an verarbeitbaren Partikelmaterialien, d.h. die Verwendung von Baumaterialien, die bisher nur schlecht oder schwierig verarbeitbar waren.
Aufgrund der feinen und/oder variablen Variationsstufen der Tropfendosierung ist es außerdem möglich übergangslose Variationen in den mechanischen Kennwerten der Formkörper zu erhalten. Z.B. kann eine verbesserte Oberflächenqualität erzielt werden und z.B. eine Verminderung der Rauheit und glattere Oberflächen erzielt werden.
Mit geringer Dosiereinstellung lassen sich gezielt Anhaftungen weißen Pulvers an die erstellten Formkörper steuern, sodass diese sich nach der Erstellung effektiver einfärben lassen.
Auch ist die Verwendung eines Materialgemischs als zugrunde liegendes Partikelmaterial denkbar, bestehend aus Materialien mit z.B. verschiedenen Schmelztemperaturen. Die Materialien können dabei derart modifiziert werden, dass jedem Absorbergrad genau eine Schmelztemperatur eines Partikelmaterials im Gemisch zugeordnet werden kann.
Somit lassen sich Multimaterial-Formkörper erstellen, ohne gleichzeitig Qualitäts- oder Geschwindigkeitseinbußen beim Herstellungsverfahren hinnehmen zu müssen. Auch die Verwendung eines oder mehrerer weiteren Materialauftragssysteme entfällt.
Mit dem Verfahren gemäß der Offenbarung wird es möglich, die Prozesssteuerung des Druckverfahrens zu verbessern, wie z.B. eine verbesserte Steuerung des Energieeintrags zu erzielen und dadurch den Bereichs der für derartige 3D-Druckverfahren zugänglichen Materialien zu erweitern, z.B. thermoplastisches Polyurethan (TPU) zu verwenden.
Weiterhin eröffnet ein Verfahren gemäß der Offenbarung den Bau von Multimaterialsystemen. Es können somit verschiedene Materialien, wie z.B. eine Mischung verschiedener TPU-Typen unterschiedlicher Shore- Härte, in einem Bauteil verdruckt werden und so u.U. die Materialeigenschaften innerhalb eines Bauteils variiert werden. Vorteilhafter Weise ist somit erfordert ein Wechsel des Partikelmaterials keinen Wechsel des verdruckten Binders. Es kann auch vorteilhafter Weise die Kontrolle über die Form körper- Festigkeit in drei Dimensionen differenziert gestaltet werden.
Weiterhin kann eine Stabilisierung des Druckprozesses ohne Qualitätsverlust erzielt werden. Auch wird es mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung möglich eine gezielte Steuerung des Temperatureintrags zu erreichen und ein Verdrucken von Materialgemischen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur kann durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann ein verbessertes Skin-Core sein, wodurch z.B. die Entkernbarkeit verbessert wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Folgenden werden einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
„Formkörper" oder„Bauteil" oder„Formteil" oder 3D-Formkörper" oder 3D-Bauteil" oder 3D-Formteil im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikel material wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien hindurchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände.
Eine„Bauebene" oder Bauplattform im Sinne der Offenbarung ist der Bereich einer Vorrichtung geeignet für 3D-Druckverfahren, auf der wiederholt Schichten aus Partikelmaterial (Fluid) aufgetragen werden, die durch selektive Verfestigung zum Aufbau eines Formkörpers führt.
Die„Aufheizphase" kennzeichnet ein Erwärmen der Vorrichtung zu Beginn des Verfahrens. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, wenn die Solltemperatur der Vorrichtung stationär wird.
Die „Abkühlphase" im Sinne der Offenbarung ist mindestens solange andauernd, bis die Temperatur so niedrig ist, dass die Bauteile keine merklichen plastischen Deformationen beim Entnehmen aus dem Bauraum erfahren.
Als„Partikelmaterialien" oder„Fluide" im Sinne der Offenbarung können alle für Pulver-basierten 3D-Druckverfahren bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, Keramiken und Metalle. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver oder eine partikelbeladene Flüssigkeit verwendet werden. In dieser Schrift werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der„Partikelmaterialauftrag" im Sinne der Offenbarung ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird in dieser Schrift auch „Beschichtung" oder „Recoaten" genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung" zum Durchführen des Verfahrens im Sinne der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
Der „Absorber" ist im Sinne der Offenbarung ein mit einem Tintenstrahldruckkopf oder mit einer anderen matrixartig arbeitenden Vorrichtung verarbeitbares Medium, das die Absorption von Strahlung zur lokalen Erwärmung des Pulvers fördert.
„Reflektorflüssigkeit" im Sinne der Offenbarung wird der Antagonist des Absorbers genannt, der nach dem Stand er Technik eingesetzt wird, um Partikelmaterialien am Sintern zu hindern.
Die„Absorption" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Aufnahme der Wärmeenergie von Strahlung durch das Pulver. Die Absorption ist abhängig vom Pulvertyp und der Wellenlänge der Strahlung.
Der„Träger" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Medium in dem der eigentliche Absorber vorhanden ist. Es kann sich um ein Öl, ein Lösemittel oder allgemein um eine Flüssigkeit handeln.
„Strahlung" im Sinne der Offenbarung ist z.B. Wärmestrahlung, IR- Strahlung, Mikrowellenstrahlung oder/und Strahlung im sichtbaren Bereich oder UV-Bereich. In einer Ausführungsform wird Wärmestrahlung verwendet z.B. erzeugt durch einen IR-Strahler.
„Strahlungsinduzierte Erwärmung" bedeutet im Sinne der Offenbarung eine Bestrahlung des Baufeldes mit festen oder beweglichen Strahlungsquellen. Der Absorber muss für die Strahlungsart optimiert sein. Dabei soll es zu einer unterschiedlich starken Erwärmung von „aktiviertem" und nicht„aktiviertem" Pulver kommen. „IR-Erwärmung" bedeutet im Sinne der Offenbarung speziell eine Bestrahlung des Baufeldes mit einem IR-Strahler. Dabei kann der Strahler ebenso statisch sein oder mit einer Verfahreinheit über das Baufeld bewegt werden. Durch den Einsatz des Absorbers führt die IR-Erwärmung im Baufeld zu unterschiedlich starken Temperaturanstiegen.
„Strahlungserwärmung" im Sinne der Offenbarung verallgemeinert den Begriff IR-Erwärmung. Durch die Absorption von Strahlung beliebiger Wellenlänge kann sich ein Festkörper oder eine Flüssigkeit erwärmen.
Mit „Flächentyp" im Sinne der Offenbarung wird die Differenzierung zwischen mit Absorber unbedruckten und bedruckten Bereichen zum Ausdruck gebracht.
Ein„IR-Strahler" im Sinne der Offenbarung ist eine Quelle von infraroter Strahlung. Dabei werden meist glühende Drähte in Quarz oder Keramikgehäusen zur Erzeugung der Strahlung benutzt. Je nach eingesetzten Materialien ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung. Die Wellenlänge ist bei diesem Strahlertyp zusätzlich abhängig von der Leistung.
Eine„Strahlungsquelle" im Sinne der Offenbarung gibt generell Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs ab. Eine Strahlungsquelle mit nahezu monochromatischer Strahlung wird als „monochromatischer Strahler" bezeichnet. Eine Strahlungsquelle wird auch als„Emitter" bezeichnet.
Ein„Overheadstrahler" im Sinne der Offenbarung ist eine Strahlungsquelle die über dem Baufeld angebracht ist. Sie ist stationär kann aber in ihrer Strahlungsleistung reguliert werden. Sie sorgt im Wesentlichen für eine flächige nicht selektive Erwärmung.
Der„Sinterstrahler" im Sinne der Offenbarung ist eine Strahlungsquelle, die das bedruckte Prozesspulver über seine Sintertemperatur erhitzt. Sie kann stationär sein. In bevorzugten Ausführungen wird sie aber über das Baufeld bewegt. Im Sinne dieser Erfindung ist der Sinterstrahler als monochromatischer Strahler ausgeführt. „Sekundärstrahler" im Sinne der Offenbarung Ist ein Strahler, der durch einen passiven Aufheizvorgang selbst zum aktiven Emitter von Strahlung wird.
„Sintern" im Sinne der Offenbarung ist der Begriff für das partielle Zusammenwachsen der Partikel im Pulver. Mit dem Sintern verbunden ist bei diesem System der Aufbau von Festigkeit.
Der Begriff „Sinterfenster" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Differenz der Temperatur des beim ersten Aufheizen des Pulvers auftretenden Schmelzpunktes und dem bei anschließendem Abkühlen auftretenden Erstarrungspunktes.
Die„Sintertemperatur" im Sinne der Offenbarung ist die Temperatur ab der das Pulver erstmalig aufschmilzt und sich verbindet.
Unterhalb der „Rekristallisationstemperatur" im Sinne der Offenbarung wird einmal aufgeschmolzenes Pulver wieder fest und schwindet deutlich.
Die„Packungsdichte" im Sinne der Offenbarung beschreibt die Ausfüllung des geometrischen Raumes durch Feststoff. Sie hängt von der Natur des Partikelmaterials und der Auftragsvorrichtung ab und ist eine wichtige Ausgangsgröße für den Sinterprozess.
Der Begriff „Schwindung" im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Vorgang der geometrischen Verkürzung einer Abmessung eines geometrischen Körpers infolge eines physikalischen Vorganges. Beispielhaft ist das Sintern von nicht ideal gepackten Pulvern ein Vorgang der eine Schwindung relativ auf das Anfangsvolumen mit sich bringt. Einer Schwindung kann eine Richtung zugeordnet werden.
„Deformation" im Sinne der Offenbarung tritt auf, wenn der Körper bei einem physikalischen Prozess eine ungleichmäßige Schwindung erfährt. Diese Deformation kann reversibel oder irreversibel sein. Die Deformation wird oft auf die globale Geometrie des Bauteils bezogen.
Als„Curling" im Sinne der Offenbarung wird in dieser Schrift ein Effekt bezeichnet, der vom schichtweisen Vorgehen bei der beschriebenen Erfindung kommt. Dabei sind jeweils kurz nacheinander erzeugte Schichten einer unterschiedlichen Schwindung ausgesetzt. Durch physikalische Effekte deformiert sich der Verbund dann in einer Richtung, die nicht mit der Richtung der Schwindung zusammenfällt.
Der„Grauwert", „Graustufe" oder„Greylevel" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die pro Flächenelement in das Pulver eingebrachte Menge eines Absorbers. Dabei können erfindungsgemäß innerhalb eines Benetzungsschrittes verschiedene Grauwerte auf der Partikelmaterialoberfläche erzeugt werden, um bei der Strahlungserwärmung mittels des Sinterstrahlers aufgrund der geänderten Energieeinkopplung Bereiche unterschiedlicher Temperaturen zu erzielen. Je „Graustufe" kann eine definierte Tropfen-Dosiermenge aus der zur Verfügung stehenden Gesamtauswahl in das Partikelmaterial eingedruckt werden.
„Gedruckter Bildpunkt" im Sinne der Offenbarung ist der mittels Druckkopf oder vergleichbar verwendbarem Mittel aufgedrucker Punkt in das Partikelmaterial. Der „gedruckte Bildpunkt" kann in verschiedenen Parametern variieren. Z.B. kann ein „gedruckter Bildpunkt" auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt wird, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden. Dies steht im Gegensatz zu einer Treppenstufenfunktion wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist; dabei werden lediglich die Pixelpunkte/Anzahl Bildpunkte pro Fläche variiert. Der gedruckte Bildpunkt als solcher wird im Wesentlichen in seinen Eigenschaften nicht modifiziert. Auch kann jeder „gedruckten Bildpunkt" in seinem Durchmesser in der X- und Y- Achse eingestellt werden oder in seinem Volumen in der X-, Y- und Z-Richtung. Auch kann in jedem„gedruckten Bildpunkt" ein Schwarzbereich auf zwischen 1% und 100% in Bezug auf den Anteil des Absorbers pro Fläche oder pro Volumen eingestellt werden.
Ein„Schwarzbereich" im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen als die Menge des Partikelmaterials pro Flächeneinheit oder pro Volumeneinheit; der„Schwarzbereich" gibt somit einen Wert oder Maßstab für die Menge an Absorber an.
Ein„Randbereich" im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Bereich eines 3 D-ged ruckten Bau- oder Formteiles, der u.a. die Oberfläche bildet. Damit ist der Aufbau des„Randbereiches" auch verantwortlich dafür wie glatt oder uneben die Oberfläche des 3D-Formteils ist. Im Stand der Technik bestimmt sich der Grad der Glattheit der Oberfläche nach der Pixelgröße und wie die Pixel an einer Oberfläche, d.h. im Randbereich, angeordnet sind und inwiefern sie in einem Krümmungsbereich Stufen bilden und wie diese Stufen ausgeprägt sind. Ein„Randbereich" im Sinne der Offenbarung kann so mittels gedruckter Bildpunkte gestaltet werden, dass im Wesentlichen keine Stufen vorhanden sind oder Stufen nur minimal ausgeprägt sind. Dadurch kann positiver Weise eine sehr glatte Oberfläche und ein sehr glatter Randbereich erzielt werden.
Ein „Post-Prozessierungsschritt" oder„Post-Processing-Schritt" im Sinne der Offenbarung ist die weitere Behandlung des im 3D- Druckverfahren erhaltenen 3D-Formteils, z.B. mittels Anti-aliasing oder in einer Finishingkabine.
„Anti-aliasing" im Sinne der Offenbarung ist ein aus dem Bereich der Computergrafik entlehnter Begriff und beschreibt im Wesentlichen dort synonym eine Kantenglättung. Durch die Rasterung einer Grafik hervortretende Treppen effekte in der resultierenden Grafik werden eliminiert, indem durch einen speziellen Algorithmus Zwischenwerte zwischen zwei benachbarten Pixeln berechnet werden.
Eine „Finishingkabine" im Sinne der Offenbarung ist eine Apparatur, welche im Prozessschritt nach Erstellung des Formkörpers auf diesen angewandt wird, um von Restmaterial und Anhaftungen zu befreien. Nach dem Stand der Technik wird dabei häufig ein Strahlmittel, z.B. aus feinen Glaskugeln eingesetzt, welche mittels Druckluft auf das Objekt gerichtet werden. Dieser Schritt kann manuell oder automatisiert mit vorgegebenen Parametern erfolgen. „Filter" oder„filtern" im Sinne der Offenbarung ist ein Ausblenden von Teilbereichen eines elektromagnetischen Strahlungsspektrums, wobei das gewünschte elektromagnetischen Strahlungsspektrums auf einer Zielfläche, z.B. ein Baufeldoberfläche, auftrifft.
„Temperaturfenster" oder„Temperaturbereich" im Sinne der Offenbarung ist ein definierter Temperaturbereich, der unterhalb oder im Sinterbereich des verwendeten Partikelmaterials liegt.
„Basistemperatur" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Temperatur, auf die das Partikelmaterial aufgeheizt wird und die geringer ist als die Schmelztemperatur oder/und die Sintertemperatur.
„Dithering" bezeichnet im Sinne der Offenbarung einen möglichen Algorithmustyp, eingesetzt bei bildgebenden Verfahren zur Rasterung mit verringerter Farbtiefe. Durch gezielte Anordnung von Bildpunkten wird auf Kosten des Detailgrades eine höhere Farbtiefe nachgebildet. Dithering wird in der Erfindungsbeschreibung und der Beschreibung zum Stand der Technik synonym für Rasterung mittels Halbtonverfahren eingesetzt.
„Absorberdichte" im Sinne der Offenbarung ist ein definierter Benetzungsgrad der Oberfläche des Partikelmaterials mit Absorber.
„Absorberdichte" bezeichnet im Sinne der Offenbarung die auf das Partikelmaterial aufgebrachte Absorbermenge pro Fläche.
„Absorberdichtebereich" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Spanne minimalen und maximalen Oberflächenbenetzungsgrades durch einen Absorber in X- und Y-Achse.
„Absorbermenge" im Sinne der Offenbarung bedeutet die durch die Dosiervorrichtung abgesetzte Menge an Absorber pro gedrucktem Bildpunkt.
„Energieeinkopplung" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Effektivität der prozentual aufgenommenen elektromagnetischen Strahlung im Verhältnis zur reflektierten Strahlung.
Im Folgenden werden weitere Details der Offenbarung beschrieben. In einem Aspekt wird die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.
Ein Verfahren gemäß der Offenbarung erzielt vielschichtige Vorteile gegenüber bekannten Verfahren des Standes der Technik. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren können je gedrucktem Bildpunkt verschiedene Parameter variiert werden und so die Qualität des erzeugten Formteils einerseits verbessert werden. Andererseits ermöglicht das Verfahren gemäß der Offenbarung eine Anwendung des Verfahrens in Bereichen, die bisher nicht möglich waren. Es wird z.B. die Abbildungsschärfe der hergestellten Bauteile verbessert, indem die Randbereiche genauer bzgl. der Daten abgebildet werden können und die Rand-oder Kantenschärfe erhöht werden kann. Andererseits können in einem Bauteil nunmehr verschiedene Materialeigenschaften an verschiedenen Punkten oder Bereichen im Bauteil hinsichtlich z.B. Elastizität variiert werden, was nach Stand der Technik nicht möglich war. Weiterhin können nunmehr Materialkombinationen zum Einsatz kommen, die bisher so nicht kombiniert werden konnten.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren wie oben beschrieben, wobei das Volumen von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Konzentration von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Größe der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmten Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden können.
Somit kann der Absorber sehr spezifisch pro gedrucktem Bildpunkt an die jeweiligen Druckbedürfnisse und die erwünschten Materialeigenschaften im gedruckten Bauteil angepasst werden und sehr differentiell eingestellt werden. Insbesondere kann in einem Verfahren wie hierin beschrieben die Menge an eingedrucktem Absorber pro Flächenelement der gedruckten Bildpunkte oder/und pro Volumenelement der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden, vorzugsweise wobei das Flächenelement aufweist 0,0001 bis 0,08 mm2 oder 1-5 mm2 bis 4000 cm2 oder 50 mm2 bis 40 cm2, oder/und wobei das Volumenelement aufweist 0,000001 bis 0,04 mm3 oder 5 mm3 bis 10 cm3 oder das Flächenelement oder/und Volumenelement entspricht dem 3D Formteil, z.B. im Schnittbild, und/oder die Menge an eingedrucktem Absorber pro gedrucktem Bildpunkt beträgt zwischen 1 ng und 2 g, vorzugsweise 3 ng bis 500 ng, mehr bevorzugt 5 ng bis 300 ng.
Damit wird es in vorteilhafter Weise möglich, die Graustufe in einem gedruckten Bildpunkt zu variieren und damit auch über das gesamte Bauteil in verschiedenen Bereichen oder verschiedenen gedruckten Bildpunkten zu variieren. Dabei wird jeder gedruckte Bildpunkt auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden.
Damit kann auch der Schwarzbereich bei dem offenbarten Verfahren unterschiedlich je gedrucktem Bildpunkt eingestellt werden und gleichermaßen eine Steuerung in dem zu druckenden Bauteil hinsichtlich der zu erzielenden Eigenschaften im Bauteil in dreidimensionaler Weise bestimmt werden. Man kann z.B. den Schwarzbereich in jedem gedruckten Bildpunkt auf einen Schwarzbereich zwischen 1% und 100% einstellen.
Es können die verschiedenen Parameter, die man mit dem hier offenbarten Verfahren differenziert einstellen kann in Bezug zu unterschiedliche Bezugsgrößen setzen. Z.B. können in dem offenbarten Verfahren die gedruckten Bildpunkte in einem Flächenelement oder/und Volumenelement oder bezogen auf das gedruckte 3D-Formteil bezogen werden und einen Anteil von 10% bis 95% aufweisen.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung können vorteilhafte Ergebnisse insbesondere in den Randbereichen der Bauteile erzielt werden. Dazu kann das Verfahren so eingestellt werden, dass die gedruckten Bildpunkte im Randbereich des herzustellenden 3D-Formteils im Vergleich zu den übrigen gedruckten Bildpunkten einen kleineren Durchmesser oder/und ein kleineres Volumen aufweisen, vorzugsweise zusätzlich ein anti-aliasing durchgeführt wird oder/und zusätzlich ein Post- Processing-Schritt, vorzugsweise in einer Finishingkabine, besonders bevorzugt in einer automatisierten Finishingkabine, durchgeführt wird. Dadurch werden besonders vorteilhafte Ergebnisse hinsichtlich der Formschärfe im Bauteil erzielt.
Weiterhin kann mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche oder Flächeneinheit erhöht oder vermindert werden oder die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche oder Flächeneinheit während des Verfahrens nicht geändert werden.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann ein Druckkopf verwendet werden, bei dem das Austrittsvolumen auf einen vorbestimmten wechselbaren Wert eingestellt wird. Es kann hierbei jeder mit den anderen Verfahrensparametern und Verfahrenskomponenten kompatibler Druckkopf zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann als Druckkopf ein piezoelektrischer Druckkopf verwendet werden.
Es ist die Verwendung jedweder Partikelmaterialien denkbar, die auch mit den anderen Verfahrenskomponenten und Materialien kompatibel sind. In dem Verfahren gemäß der Offenbarung können als Partikelmaterlalien beispielsweise Polyamide, vorzugsweise PA12, PA11, PA613, PA6.6, Polyetherblockamide, Polypropylene, thermoplastische Polyurethane, Polyethylene, Polycarbonate, Polyaryletherketone, Polyoxymethylene oder Polymethylmethacrylate, eine Mischung zweier Partikelmaterialien unterschiedlicher Schmelztemperaturen bzw. Schmelztemperaturbereiche z.B. zwischen 90°C und 350°C, mehr bevorzugt 110°C bis 220°C, eine Mischung thermoplastischer Polyurethane mit unterschiedlicher Härte, z.B. zwischen Shore A 60 und Shore D 90, Polybutylenterephthalate, Mischungen von Polybutylenterephthalaten z.B. mit einer Biegefestigkeit zwischen 40 - 250 MPa, oder Mischungen aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien verwendet werden.
In dem Verfahren gemäß der Offenbarung werden übliche und dem Fachmann bekannte Absorber verwendet, wobei als Absorber Karbon partikel verwendet werden können. Beispielhaft seien die Produkte Black Oil-based Ink IK82104 des Herstellers Xaar plc bzw. HiRes Oil Black LMOPI11AKK des Herstellers Nazdar Ltd. erwähnt.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann jegliche Energie- oder Strahlungsquelle zum Verfestigen zum Einsatz kommen, die entsprechend den weiteren Verfahrensparametern eingestellt und angepasst wird. Als Energiequelle kann ein Strahler z.B. ein Emitter elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich, z.B. im nahen Infrarotbereich, oder im sichtbaren Bereich verwendet werden.
Die Schichtstärke des aufgetragenen Partikelmaterials kann konstant oder variabel gewählt werden und die Schichtstärke kann auf 5 bis 500 Mikrometer eingestellt werden. Ein Schichtstärke von 10 bis 300 oder 5 bis 30 Mikrometer liegt im Bereich der üblichen und vorteilhaften Schichtstärke.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass in einem Verfahren gemäß der Offenbarung die gedruckten Bildpunkte in ihren Charakteristika variiert werden können und so gewünschte oder/und vorteilhafte Eigenschaften in den gedruckten Bauteilen erzielt werden können. Es kann ein aufgedruckter Bildpunkt z.B. auf einen Durchmesser von zwischen 10 und 140 Mikrometern eingestellt werden oder eine Auflösung von 90 bzw. 1200 dpi gewählt werden.
Ein gedruckter Bildpunkt und die gedruckten Bildpunkte nebeneinander und diejenigen, die einen Randbereich bilden, kann auch in seinem Volumen auf einen vorbestimmten Volumenwert in einem Verfahren gemäß der Offenbarung eingestellt werden. Z.B. kann in einem Verfahren gemäß der Offenbarung ein gedruckter Bildpunkt auf ein Volumen von zwischen 1,5 und 100 Picoliter eingestellt werden.
Gleichermaßen kann die Absorberkonzentration in einem gedruckten Bildpunkt wie gewünscht gewählt werden. In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann die Absorberkonzentration auf zwischen 1% und 20% eingestellt werden.
Weiterhin kann der zeitliche Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander einen Einfluss auf die Charakteristika des Bereichs der verfestigten gedruckten Bildpunkte haben. Der zeitliche Abstand zwischen verschiedenen gedruckten Bildpunkten zueinander kann auch die Charakteristika des Bereichs beeinflussen, in dem sich verschiedene oder/und mehrere gedruckte Bildpunkte befinden. In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann der zeitliche Abstand zwischen Aufdrucken eines Bildpunktes und Energieeintrag eingestellt werden auf zwischen 10 und 1000 Millisekunden.
Die oben beschriebenen Parameter 2- oder 3-dimensionale Maße wie Durchmesser etc. von gedrucktem Bildpunkt, Volumeneintrag in einen gedruckten Bildpunkt, Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander, der Abstand der gedruckten Bildpunkte in Z- und/oder X-Achse oder/und in Y- Achse, zeitlicher Abstand des Drückens von gedruckten Bildpunkten können individuell miteinander kombiniert werden. So können die Charakteristika des gedruckten Bauteils an sich sowie in jedem gewünschten Bereich des Bauteils hinsichtlich Elastizität, Formfestigkeit, Shore-Härte, Materialzusammensetzung, Kanteneigenschaften,
Eigenschaften im Randbereich des Bauteils gewählt werden.
Weitere Aspekte der Offenbarung sind im Folgenden dargestellt.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gemäß der Offenbarung auch in verschiedenen Aspekten gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv eine oder mehrere Flüssigkeiten oder ein oder mehrere Partikelmaterialien eines oder mehrerer Absorber aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Strahler erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Absorberdichte innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt mittels des dosierten Volumens an Bilderflüssigkeit oder/und Absorber, der dosierten Konzentration an Absorber, der gedruckten Bildpunkte pro Flächen- oder Volumeneinheit, dem Abstand der gedruckten Bildpunkte zueinander variiert.
Die Offenbarung stellt ein Verfahren bereit, bei dem vorteilhafterweise auch die Temperaturfenster der wiederkehrenden Verfahrensschritte präziser eingestellt werden können. Damit sind in der Folge weitere signifikante Verbesserungen der Verfahrensführung, der Produktqualität, der Recyclingquote der Materialien, ökologische Vorteile und Kostenvorteile verbunden.
Des Weiteren ist die Verfahrensführung in einem Verfahren gemäß der Offenbarung schonender für die verwendeten Maschinen und die darin vorhandenen Bauteile. Die Wärmeentwicklung kann auch teilweise geringer sein und sie wird u.U. auch präziser steuerbar. Weiterhin wird das Verfahren dadurch energieeffizienter. Außerdem wird in einem Verfahren gemäß der Offenbarung eine Lösung zur Verfügung gestellt, Materialeigenschaften des erzeugten Formkörpers in drei Dimensionen gezielt zu beeinflussen. Der Herstellung der Formkörper wird in einem Verfahren gemäß der Offenbarung somit nicht nur ihre dreidimensionale Form gegeben, es werden dieser auch dreidimensional Eigenschaften mechanischer Natur hinzugefügt. Dabei kann es sich um die mechanische Festigkeit und/oder Elastizität, sowie Materialdichte und damit Gewicht und/oder Schwerpunkt handeln. Diese von außen weder in Erscheinungsbild und/oder Oberfläche noch Form des Körpers ersichtlichen Eigenschaften, können gezielt zur Gewichtsreduktion eingesetzt werden, oder für die Erstellung von Schwungmassen mit verschobenem Massenschwerpunkt.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung können ein oder mehrere Druckköpfe verwendet werden, die nach dem Stand der Technik graustufenfähig sind und bei denen sich somit die dosierten Tropfen im Volumen steuern lassen.
Weiterhin können in einem Verfahren gemäß der Offenbarung die Änderungen in den Tropfenvolumen gezielt dazu verwendet werden, dass die Energieaufnahme der Strahlung für die Aufheizphase oder/und die Sinterphase optimiert werden und somit verbesserte Temperaturfenster an der Materialschicht selbst auf dem Baufeld erreicht werden.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann jedes mit den Verfahrensparametern kompatible Material eingesetzt und verwendet werden. Beispielsweise kann als Pulvermaterial ein Polyamidpulver, ein thermoplastisches Elastomer auf Polyamidbasis oder ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis verwendet werden. Ebenso möglich sind Materialien auf polypropylen- und Polyethylenbasis, sowie Polymere mit Esterfunktionen. Dabei kann der Bereich der dosierten Absorbermenge und Temperaturfenster entsprechend angepasst werden, um eine vorteilhafte Verfahrensführung und Vorteile für u.a. die Produktparameter und Recyclingquote zu erzielen. Des Weiteren kann jedes mit einem Verfahren gemäß der Offenbarung kompatibles Absorberfluid benutzt werden. Dies schließt nicht nur öl sondern auch z.B. wasser- und lösungsmittelbasierte Fluidsysteme, sowie verschiedene darin enthaltene Farbpigmente mit ein. Insbesondere können Einfärbungen des Fluides zur Anwendung kommen, welche abgestimmte Absorptionsmaxima im infraroten und/oder im sichtbaren bzw. ultravioletten Bereich aufweisen.
Beispielsweise ist ein Verfahren gemäß der Offenbarung dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Pulverschicht durch einen ersten Aufheizschritt auf eine Basistemperatur des Pulvers ohne Absorber, welches sich innerhalb des Sinterfensters des Pulvermaterials befindet, erwärmt wird und ein zweiter Sinterschritt durch Wärmezufuhr zu einer selektiven Verfestigung der mit Absorber bedruckten Bereiche bei einer Sintertemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers führt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber im ersten Schritt stärker erhitzen als die Bereiche ohne Absorber und somit eine Temperaturdifferenz zwischen Bereichen mit und ohne Absorber eingestellt wird.
Des Weiteren wird die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe gemäß der Offenbarung gelöst durch eine Vorrichtung geeignet zum Herstellen von 3D-Formteilen, umfassend alle für ein Pulver-basiertes Druckverfahren nötigen Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Druckkopf aufweist, der im Stande ist, das dosierte Materialvolumen innerhalb einer Überfahrt pro Bildpunkt zu variieren.
Eine Vorrichtung, die geeignet ist für ein Verfahren gemäß der Offenbarung, erreicht vorteilhafter Weise, dass Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren vermindert werden oder im Wesentlichen vermieden werden können.
Mit einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung wird es möglich die Temperaturfenster in definiertere Bereiche zu verschieben und somit optimalere Temperaturbereiche in Hinblick auf die eingesetzten Materialien zu erreichen. Damit verbunden sind weitere Vorteile in Hinblick auf die Qualität der Zwischenprodukte und Produkte. Weiterhin kann somit die Recyclingrate des Pulvermaterials erhöht werden, womit u.a. eine Kostenreduktion und somit niedrigere Produktionskosten erreicht werden können.
Außerdem können sowohl Kantenschärfe als auch Oberflächengüte der mittels des Verfahrens oder der Vorrichtung gemäß der Offenbarung erzeugten Formkörper erheblich verbessert werden.
Beispielsweise kann ein Druckkopf zur Tropfendosierung eines Absorbers verwendet werden, welcher im Stande ist, das Fluidvolumen pro einzelne Dosierung zu variieren.
Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung ist z.B. dadurch gekennzeichnet, dass ein graustufenfähiger Druckkopf mindestens ein Druckmodul aufweist, welches im Stande ist, Tropfenvolumen variabler Größe pro Bildpunkt abzusetzen.
Es können weiterhin alle Dosiervorrichtungen verwendet werden, welche geeignet sind, die Fluid-Dosierung pro abgesetztem Bildpunkt beliebig zu variieren. Beispielsweise ist der Druckkopf graustufenfähig.
In einem Aspekt der Offenbarung ist es möglich, dass der ausgewählte Tropfenvolumenbereich zwischen 6 und 30 Picolitern pro gedrucktem Bildpunkt bei einer Punktdichte von 360 dpi beträgt.
In einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung kann eine oder mehrere Fluid-Dosiervorrichtungen in jeder geeigneten Weise angeordnet werden. Vorteilhaft kann sein, wenn mindestens zwei graustufenfähige Druckmodule im Wesentlichen gestaffelt angeordnet sind, vorzugsweise sich eine Überlappung zwischen den Modulen ergibt. Dadurch lassen sich die Tropfen volumen pro gedrucktem Bildpunkt gezielter steuern. Dies erlaubt die handelsübliche siebenfache Abstufung nahezu zu verdoppeln.
Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung weist alle für ein High-Speed- Sintering-Verfahren notwendigen und bekannten Bauteile auf, die deshalb hier nicht ausführlich beschrieben werden müssen. Für ein Verfahren gemäß der Offenbarung geeignete Bauteile sind Komponenten ausgewählt aus Bauplattform, Seitenwände, Jobbox, Beschichter (Recoater), Druckkopf, Keramikfolie, Energieeintragsmittel, vorzugsweise mindestens ein Strahler, vorzugsweise ein Overheadstrahler oder/und ein Sinterstrahleraggregat.
Wie oben ausgeführt ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Offenbarung die Absorbermenge bzw. die Temperaturfenster des Verfahrens zu steuern und das Verfahren gemäß der Offenbarung in definierten Bereichen durchzuführen. Ziel kann weiterhin sein, Bauteileigenschaften mittels Absorberdosierung punktgenau je gedrucktem Bildpunkt zu steuern. Unterschiede und Variationen in dreidimensionalen Festigkeitszonen lassen sich somit im Wesentlichen ohne Qualitätsverlust darstellen.
Vorteilhaft ist es deshalb einen piezoelektrischen Druckkopf einzusetzen, bei welchem das Absorberfluid-Volumen pro gedrucktem Bildpunkt über den Grauwert einer digital vorliegenden Bitmap gesteuert wird. Helle Bildbereiche korrespondieren mit der Dosierung z.B. geringer Tropfenvolumen, dunkle Bildbereiche mit einer höheren Tropfenvolumina.
Ein Beispiel marktverfügbarer Produkte stellt der Druckkopf Xaar 1003 GS6 dar, welcher bei maximal 7 Graustufen einen Tropfenmassebereich von 6 - 42 pl pro gedrucktem Bildpunkt bei einer Druckdichte von 360 dpi abdecken kann. Eine weitere Möglichkeit stellt das Produkt RC1536-M bzw. RC1536-L des Herstellers Seiko Instruments GmbH dar, welcher bei sonst gleicher Spezifikation eine Tropfenmasse von 13 - 100 pl bei einer Abstufung von bis zu 14 Graustufen erreichen kann.
Vorteilhaft kann es weiterhin sein, die variable Tropfendosierung mit einer Rasterung z.B. einem Dithering zu verknüpfen. Somit lässt sich der Absorptionsgrad, die Energieeinkopplung und somit die effektive Temperatur des zu verfestigenden Partikelmaterials noch feiner justieren.
Des Weiteren lässt sich somit ein größerer Bereich von Tropfenvolumen abdecken. So kann z.B. ein schachbrettartiges Muster von gedruckten Bildpunkten der geringst möglichen Intensität erzeugt werden, wodurch die effektive Absorberdichte im Mittel über die Fläche weiter erniedrigt werden kann. So kann es z.B. bei Partikelmaterialien bestehend aus teilkristallinen, unpolaren Polyolefinen von Vorteil sein, die Absorberdichte auf 3 Picoliter pro Punkt abzusenken, da somit das Erreichen höherer mechanischer Kennwerte der erzeugten Formkörper ermöglicht werden kann.
Weiterhin kann in einem Verfahren gemäß der Offenbarung auch das Verhältnis von mit gedruckten Bildpunkten bedruckter zu unbedruckter Fläche oder Volumen eingestellt werden bezogen auf eine Fläche oder ein Volumen. Es wird also der mit gedruckten Bildpunkten bedruckte Bereich oder Volumen zu nichtbedruckte Bereich oder Volumen in ein Verhältnis gesetzt. Dadurch können die Materialeigenschaften im hergestellten Formteil sehr genau eingestellt werden.
Eine Einstellung der Parameter in den gedruckten Bildpunkten erlaubt nicht nur innerhalb eines Formteils eine Auswahl bestimmter Parameter im gefertigten Bauteil, sondern es kann mit dem Verfahren gemäß der Offenbarung der Abstand und z.B. die Trennschärfe zwischen den Bauteilen vorteilhaft eingestellt werden.
Um die Materialeigenschaften eines jeden im HIGH SPEED SINTERING- Druckprozess verarbeitbaren Materials zu maximieren, ist eine Optimierung des Absorptionsgrades der zu sinternden Oberfläche anzupassen. Dies geschieht über die Variation der Tropfenmasse der auf die Pulveroberfläche aufgetragene Menge des Absorberfluids. Nach dem Stand der Technik erfordert ein Wechsel des Druckmaterials in einer High Speed Sintering - Maschine deshalb Anpassungen an der Hardware. Mittels der Möglichkeit der direkten Manipulation der Absorbermenge via des Setzens von GreyLevel-Informationen, ist dies nun über Software, z.B. über Jobdateninformationen beim Prozess-Programmaufruf möglich. Beispiele solcher Anpassungen sind das softwareseitige Einstellen von 24 pl pro gedrucktem Bildpunkt bei Polyamid 12-Materialien, 6 pl bei Polypropylen, oder 3 pl bei thermoplastischem Polyurethan.
Die verschiedenen Merkmale der verschiedenen oben beschriebenen Aspekte können jeweils miteinander kombiniert werden auch wenn dies nicht explizit bei jedem Merkmal ausgeführt wurde.
Bezugszeichenliste
Druckkopf
Beschichter mit Pulverreservoir
Boden des Baubehältnisses
Formkörper
Heizung an den Wänden und Boden des Bau-Behältnisses
Seitliche Isolierung des Baubehältnisses
Isolierung des Bodens des Baubehältnisses
Partikelmaterialkuchen
Emitter elektromagnetischer Strahlung gerichtet auf die
Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
Emitter elektromagnetischer Strahlung eines von 108
verschiedenen Wellenlängenensembles gerichtet auf die
Baufeldoberfläche, bewegbar über die Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
Bauplattform zur Erstellung des Formkörpers
Pulverreservoir am Beschichter
Pyrometer auf unbedrucktes Pulver
Pyrometer auf versintertes Pulver
Variation der aufgebrachten Fluidmenge pro Fläche nach dem Verfahren der Rasterung bzw. Dithering
Variation der aufgebrachten Fluidmenge pro Fläche nach dem Verfahren der echten Graustufen: Variation des Volumens eines jeden einzelnen Tropfens
Lückenmuster durch ausblenden von Bildpunkten, um geringeres Absorbervolumen gemittelt auf die Fläche zu erreichen
Kein Lückenmuster bei Verringerung des Aborbervolumens pro Fläche, da direkte Anpassung der Tropfenvolumen. Darstellung symbolisch.
Geringe Absorbervolumen pro Fläche führen nach dem
herkömmlichen Verfahren zu großen Lücken zwischen Flächen mit Absorber und Flächen ohne.
Auch bei geringen Absorbermengen pro Fläche entstehen keine großen Lücken.
Aufsicht auf Schicht von Partikelmaterial
Mit Absorberfluid benetzter Bereich
Übergang benetzte zu unbenetzter Fläche in Vergrößerung in Darstellung des Verfahrens der Rasterung
Im Vergleich vergrößerte Darstellung bei Anwendung des
Verfahrens der Variation der Dosierung einzelner Tropfenvolumen Durch Rasterung verursachte Lücke an einer Ecke benetzter zu unbenetzter Fläche
Bei Variation der Dosierung bleibt Trennschärfe benetzter zu unbenetzter Fläche an Ecke erhalten
Exemplarische Vorrichtung zur Erstellung des Formkörpers
Bereits erstellter Formkörper, eingebettet in losem Partikelmaterial Detailansicht Ecke des Formkörpers, erstellt mittels Dosierung nach herkömmlichen Verfahren der Rasterung
Detailansicht Ecke des Formkörpers, erstellt mittels Dosierung nach Verfahren der Anpassung des Volumens jedes einzelnen Tropfens
Lücken in den Kanten des Formkörpers
Lückenlose, gerade Struktur
Erstellter Formkörper nach Vorrichtung in Fig. 1 Seitliche Detailansicht des erstellten Formkörpers
Durch herkömmliches Verfahren hervorgerufenes störendes Muster an einer Seite des Formkörpers
Definition verschiedener Regime innerhalb eines
zusammenhängenden Formkörpers in den Eingabedaten die der Vorrichtung zur Verfügung gestellten Schichtdaten.
Durch Regime definierte Regionen unterschiedlicher Dosiermengen bei Benetzung der Oberflächen des Partikelmaterials beim
Schichtweisen Erstellen des Formkörpers.
Durch Verfestigung beim Sintern Ausbildung von Bereichen unterschiedlicher Elastizität als Folge der Änderung des
Absorptionsvermögens der Partikelmaterialoberfläche beim
Schichtweisen Erstellen des Formkörpers
Virtuelle Repräsentation des Formkörpers. Es können in drei Dimensionen verschiedene Regime mit jeweils voneinander unterschiedlichen virtuellen Eigenschaften definiert werden.
Mittels geeignetem Image Processor werden dementsprechend der zugewiesenen virtuellen Eigenschaften Schichtdaten des virtuellen Formkörpers erstellt, wobei die Schnittebenen durch Regime unterschiedlicher Eigenschaften mit einer Variation in den
Graustufen der Schichtdaten korrespondieren.
Die verschiedenen Graustufen der einzelnen Schichtdaten des zu erstellenden Formkörpers werden in der Druckkopfsteuertechnik als Variationen in den durch den Druckkopf abgesetzten
Tropfenvolumina interpretiert.
Virtuelle Repräsentation des zu erstellenden Formkörpers
Beispielhafte Definition eines beliebigen Regimes innerhalb des Formkörpers
Beispielhafte Definition eines zweiten beliebigen Regimes innerhalb des ersten des Formkörpers
Druckkopf Dosierung einer Menge von Flüssigkeit pro Bildpunkt
Variation in der Dosiermenge korrespondierend zu definiertem Regime in 706
Schematische Darstellung der Schmelzkurven zweier
unterschiedlicher Polymere
Schmelzkurve des ersten Polymeres
Schmelzkurve des zweiten Polymeres
Schmelzpeak des zweiten Polymers, beendet mit Temperatur TI Schmelzpeak des ersten Polymers, beendet mit Temperatur T2 Bereich unterschiedlichen Absorbereintrags im Partikel material Erhöhte Absorbermenge
Geringere Absorbermenge
Variation in der Absorbermenge pro Bildpunkt führt bei
Durchführung des Verfestigungsprozesses zu unterschiedlichen Temperaturen. Dabei korrespondieren Bereiche der Temperatur T2 mit der höheren Absorberdichte und die mit TI mit der
niedrigeren.
Bereich in dem nur Polymer 2 geschmolzen wurde ist weicher Bereich in dem beide Polymere geschmolzen wurde ist härter
Druckkopf
Formkörper mit versinterter Oberfläche
Emitter elektromagnetischer Strahlung gerichtet auf die
Baufeldoberfläche, gesteuert und/oder geregelt
Pyrometer auf unbedrucktes Pulver
Pyrometer auf versintertes Pulver 1000 Druckkopf
1003 Oberfläche des zu erstellenden Formkörpers
1020 Oberfläche des Partikelmaterials
1021 In erstem Schritt aufgebrachter Tropfen mit variabler Masse pro Bildpunkt
1022 In zweitem, dem ersten in entgegen gesetzter Richtung
verlaufenden Schritt mit wiederum variabler Masse der Tropfen pro Bildpunkt
1023 Resultat an Überlappungen: Doppelte Tropfenmasse pro Bildpunkt möglich in Kombinationen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei eines oder mehrere partikelförmige Baumaterialien in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen werden, selektiv ein oder mehrere Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber mittels Druckkopf als gedruckte Bildpunkte aufgebracht werden, ein Energieeintrag mittels Energiequelle erfolgt, wobei die Bereiche mit selektiv aufgebrachtem Absorber selektiv verfestigen, das Baufeld um eine Schichtstärke abgesenkt oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird, diese Schritte wiederholt werden bis das gewünschte 3D-Formteilen erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbermenge innerhalb einer Schicht pro gedrucktem Bildpunkt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und wobei in zwei oder mehreren Bildpunkten unterschiedliche vorbestimmte Werte innerhalb einer Schicht eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Volumen von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Konzentration von Absorber oder eine oder mehrere Flüssigkeiten umfassend einen oder mehrere Absorber pro gedrucktem Bildpunkt oder/und die Größe der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Menge an eingedrucktem Absorber oder/und die Menge an eingedrucktem Absorber pro Flächenelement der gedruckten Bildpunkte oder/und pro Volumenelement der gedruckten Bildpunkte auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, vorzugsweise wobei das Flächenelement aufweist 0,0001 bis 0,08 mm2 oder 1-5 mm2 bis 4000 cm2 oder 50 mm2 bis 40 cm2, oder/und wobei das Volumenelement aufweist 0,000001 bis 0,04 mm3 oder 5 mm3 bis 10 cm3 oder das Flächenelement oder/und Volumenelement entspricht dem 3D Formteil, z.B. im Schnittbild und/oder die Menge an eingedrucktem Absorber pro gedrucktem Bildpunkt beträgt zwischen 1 ng und 2 g, vorzugsweise 3 ng bis 500 ng, mehr bevorzugt 5 ng bis 300 ng.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jeder gedruckte Bildpunkt auf eine vorbestimmte Graustufe eingestellt wird, vorzugsweise können die Graustufen stufenlos eingestellt werden, vorzugsweise
wobei jeder gedruckte Bildpunkt auf einen Schwarzbereich zwischen 1% und 100% eingestellt wird oder/und
wobei die gedruckten Bildpunkte in einem Flächenelement oder/und Volumenelement oder bezogen auf das gedruckte 3D- Formteil einen Anteil von 10% bis 95% aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 wobei die gedruckten Bildpunkte im Randbereich des herzustellenden 3D- Formteils im Vergleich zu den übrigen gedruckten Bildpunkten einen kleineren Durchmesser oder/und ein kleineres Volumen aufweisen, vorzugsweise zusätzlich ein anti-aliasing durchgeführt wird oder/und zusätzlich ein Post-Processing-Schritt, vorzugsweise in einer Finishingkabine, besonders bevorzugt in einer automatisierten Finishingkabine, durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche erhöht oder vermindert wird oder wobei die Anzahl der gedruckten Bildpunkte pro Fläche während des Verfahrens nicht geändert wird oder/und
wobei ein Druckkopf verwendet wird, bei dem das Austrittsvolumen auf einen vorbestimmten wechselbaren Wert eingestellt wird, vorzugsweise
wobei als Druckkopf ein piezoelektrischer Druckkopf verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 wobei als
Partikelmaterial Polyamide, vorzugsweise PA12, PA11, PA613, PA6.6, Polyetherblockamid, Polypropylen, thermoplastisches Polyurethan, eine Mischung zweier Partikelmaterialien unterschiedlicher Schmelztemperaturen bzw.
Schmelztemperaturbereiche vorzugsweise zwischen 90°C und 350°C, mehr bevorzugt 110°C bis 220°C, eine Mischung thermoplastischer Polyurethane mit unterschiedlicher Härte, vorzugsweise zwischen Shore A 60 und Shore D 90, Polybutylenterephthalat, Mischung von
Polybutylenterephthalaten mit einer Biegefestigkeit zwischen 40
250 MPa, Polyethylene oder Polycarbonate oder Polyaryletherketone oder Polyoxymethylene oder Polymethylmethacrylate oder Mischungen aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei als Absorber Karbonpartikel verwendet werden oder/und
wobei als Energiequelle ein Strahler, vorzugsweise elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich oder sichtbaren Bereich, verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schichtstärke auf 10 bis 300 Mikrometer eingestellt wird oder/und
wobei ein aufgedruckter Bildpunkt auf einen Durchmesser von zwischen 10 und 140 eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein gedruckter Bildpunkt auf ein Volumen von zwischen 1,5 und 100 Picoliter eingestellt wird oder/und
wobei die Absorberkonzentration auf zwischen 1% und 20% eingestellt wird oder/und
wobei der zeitliche Abstand zwischen Aufdrucken eines Bildpunktes und Energieeintrag eingestellt wird auf zwischen 10 und 1000 Millisekunden.
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