NO317085B1

NO317085B1 - Fremgangsmate og anordning for direkte produksjon av metalliske, keramiske og metallkeramiske produkter

Info

Publication number: NO317085B1
Application number: NO20025082A
Authority: NO
Inventors: Roald Karlsen; Jim Bakkelund
Original assignee: Sintef
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-08-02
Also published as: AU2003274844A1; WO2004037469A1; NO20025082D0

Description

Fremgangsmåte og anordning for direkte, lagvis produksjon av metalliske, keramiske og metall-keramiske produkter.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for direkte, lagvis produksjon av metalliske, keramiske og metall-keramiske produkter, gjennom lagvis avsetning og sintring av pulver. Slik direkte produksjon er tidligere bare kjent i forbindelse med produkter i kunststoff e.l., eller for modeller av produkter som ikke trenger besitte den kvalitet som funksjonelle produkter må ha.

Bakgrunn

Lagvis Produksjon (LMT), eller Rapid Prototyping (RP) er en fellesbetegnelse på flere prosesser som bygger opp fysiske objekter direkte fra en 3D-DAK tegning. Et hvert fysisk objekt kan deles opp i tynne skiver. På den andre siden kan tynne skiver settes sammen til å danne en hvilken som helst geometri. Det er dette som er grunnprinsippet for Lagvis Produksjon. Ved å sette sammen skiver blir et 3-dimensjonelt problem redusert til 2-dimensjonalt problem. Man trenger bare å lage de plane seksjonene (skivene) i stedet for en full volumbeskrivelse av objektet.

Rapid Prototyping fungerer i dag tilfredsstillende for en rekke forskjellige plastmaterialer. Siden den første LMT-maskinen så dagens lys i 1987 har utviklingen vært konsentrert rundt det å redusere lagtykkelsen (tykkelsen på hver skive). De nyeste systemene tilbyr en lagtykkelse på 0,025 mm. Den videre utviklingen (3 til 5 år frem i tid) vil dreie seg om byggematerialene. Pr. i dag finnes det ingen industriell løsning for fremstilling av funksjonelle produkter i metall og keramikk, det vil st produkter som har en styrke og bestandighet som gjør dem egnet til bruk industrielt og ikke bare som prototyper.

US patentene nr. 4.453.820, 5.153.618 og 6.212.352 Bl beskriver alle forskjellige utforminger av xerografi-prosessen, hvor et tonermaterial deponeres i et tynt lag på et substrat. Det er her snakk om trykking i to dimensjoner, og ikke bygging av objekter i 3 dimensjoner. US patent nr. 6.251.330 Bl beskriver en metode for produksjon av tynne plastbaserte skiver med utgangspunkt i xerografi.

US patentene nr. 5.088.047, 6.066.285 og 6.206.672 Bl omhandler lagvis produksjon av objekter fra pulvermaterialer med utgangspunkt i Xerox-prinsippet. Ingen av oppfinnelsene som presenteres i disse patentene, beskriver en maskin som direkte produserer objekter i "ekte" materialer. Det er særlig konsolideringsdelen av prosessen som mangler, eller ikke har forutsetninger for å fungere på metalliske og keramiske materialer.

En av hovedutfordringene ved bygging av produkter i 3-dimensjoner er å få deponert pulverpartiklene på det stadig voksende metallobj ektet. Partiklene skal altså transporteres fra fotoreseptoren til riktig posisjon på objektet før sintringen kan starte. Dette kan skje direkte, eller ved hjelp av et mellomliggende transportmedium.

En metode for deponering presenteres i US patent nr. 6.066.2S5. Her forsøker man å oppnå deponering ved å lade et tidligere deponert lag med motsatt ladning, og på den måten forsøke å tiltrekke seg pulveret på fotoreseptoren. Et ladeelement (coronatråd) føres over det tidligere deponerte pulverlaget for å gi det lading. Dette vil ikke fungere godt i praksis. Den påførte ladning vil fordele seg rundt hele objektet, og ikke begrense seg til toppflaten av modellen, noe som er en forutsetning for at dette skal fungere. Forskjellige geometrier, materialer og strukturer vil ha innvirkning på det elektriske feltet og medføre en ukontrollert overføring av pulverpartiklene. Den teknologien som benyttes i laserskrivere og kopimaskiner for å deponere toner på et papirark, kan ikke direkte overføres til deponering på 3-dimensjonale objekter.

I US patent nr. 5.088.047 benyttes et mellomliggende transportbånd for å frakte pulveret fra fotoreseptoren til objektet. To deponeringer, en fra fotoreseptoren til transportbåndet og en fra transportbåndet til objektet, øker muligheten for unøyaktig plassering av pulverpartiklene. Rett før deponering på objektet, gjøres pulveret klebrig ved å tilføre væske eller varme. Dette skal i følge oppfinneren medføre at pulverlaget sitter igjen på objektet når transportbåndet presses mot det forrige deponerte laget. Forsøk oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse har gjort, viser at dette fungerer dårlig i praksis. En del partikler henger igjen på transportbåndet og resultatet er en ujevn deponering. Et fleksibelt trykk- og varmebestandig transportbånd-materiale med riktige elektrostatiske egenskaper kan bli vanskelig, hvis ikke umulig, å frembringe.

Ingen av oppfinnelsene som er beskrevet i US patentene nr. 5.088.047, 6.066.285 og 6.206.672 Bl er i stand til å frembringe ferdige objekter i ekte metalliske og keramiske materialer. Jern og stål krever en temperatur på rundt 1000°C for å sintre. Maskinene beskrevet i disse patentene kan hverken generere, eller arbeide med så høye temperaturer. US patent nr. 5.088.047 innrømmer at pulveret må være en spesialblanding som inneholder lavtsmeltelige partikler. De tre nevnte patenter beskriver altså maskiner som i beste fall produserer 'grønne' objekter. Dette er objekter som henger sammen slik at det er mulig å flytte dem til en annen innretning for konsolidering. Det er altså ikke snakk om utstyr for direkte produksjon av funksjonelle objekter.

Konsolidering av metaller og keramer krever høye trykk og temperaturer. Den delen av trykkelementet som utfører pakking, vil i de fleste tilfeller være i direkte kontakt med pulverlaget. En oppvarming av pulverlaget vil derfor medføre en temperaturøkning i trykkelementet, og i verste fall kan partikler hefter seg til stempelet slik at det oppstar feil i objektet. Dette er en stor utfordring ved lagvis produksjon av materialer med høyt smeltepunkt.

I US patent nr. 6.066.285 foreslås det å konsolidere pulverlaget med en varm valse som ruller over pulverlaget. For sintring av metaller som jem og stål, må det utvikles en enorm varme i kontaktsonen mellom valsen og pulveret. Faren for at pulverpartikler fester seg til valsen er stor. Dette vil medføre feil som forplanter seg gjennom hele pulverlaget når valsen ruller videre. Forsøk i regi av oppfinnerne av foreliggende oppfinnelse har vist at pakke-elementer av metall ofte fører til feil, selv med god vannkjøling.

En alternativ sintringsmetode er å benytte mikrobølger for å heve temperaturen. US patent nr. 6.183.689 Bl omhandler sintring av 'grønne' pulverobjekter, og er ikke relatert til lagvis produksjon. US patent nr. 6,243,616 Bl foreslår å benytte en konsentrert mikrobølgestråle som tegner aktuell plangeometri på et deponert pulverlag i forbindelse med lagvis oppbygging av et objekt. Dette er den samme teknikken som benyttes i lasersintringsmaskinene som blir beskrevet senere i dette dokumentet. Forslag til pakking før og under bestrålingen, for å oppnå et funksjonelt sluttprodukt med høy tetthet, er ikke beskrevet. Fokusering av energi for punktvis sintring er en meget tidkrevende prosess, og egner seg kun for små objekter.

Det foreligger altså ingen gode løsninger fra patentlitteraturen for direkte produksjon av ekte funksjonelle objekter i metall og keramikk. I tillegg til produksjonshastighet og nøyaktighet, må slike maskiner kunne håndtere høye trykk og temperaturer.

Formål

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en metode for direkte og lagvis fremstilling av funksjonelle produkter. Med funksjonelle produkter menes produkter som fremstilles i metaller og/ eller keramer, og som ved konsolidering får en slik styrke at de kan brukes i industrielle maskiner og prosesser på samme måte som produkter i slike materialer ellers benyttes, det være seg som verktøy, reservedeler til maskiner eller annet.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen består i henhold til et første aspekt av en fremgangsmåte ved direkte produksjon av metalliske, keramiske og metall-keramiske produkter fra pulver av de aktuelle materialer, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 1.

Foretrukne utførelsesformer av dette aspekt av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav 2-16.

I henhold til et annet aspekt omhandler oppfinnelsen dessuten en anordning for direkte produksjon av metalliske, keramiske og metall-keramiske produkter fra pulver av de aktuelle materialer, hvilken anordning er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 17.

Foretrukne utførelsesformer av dette aspekt av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav 18- 29.

Foreliggende oppfinnelse har løst den utfordring å overføre det metalliske og/ eller keramiske pulver fra beholdere for slike pulvere, via pulverreseptorer til et formeverktøy, der pulveret lagvis avsettes i nøyaktig posisjon sammen med et "inert" støttepulver som midlertidig fyller ut de rom i formeverktøyet som ikke skal utgjøre noen del av det ferdige produktet.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har også en løsning på hvordan konsolideringen av de nye sjikt skal gjøres, med en hastighet som er egnet for industriell fremstilling. Videre beskriver foreliggende oppfinnelse en konsolidering som omfatter en fullstendig sintring av pulveret til fast metallisk og/ eller keramisk materiale, det vil si et materiale som er egnet til vanlig bruk av slike materialer. Ingen kjente metoder er i nærheten av å gi en slik løsning.

Anvendelsesområdet for oppfinnelsen kan være alt fra store objekter med innvendige geometrier, til masseproduksjon av små komplekse detaljer. Produksjon av såkalte FGMer er et spesielt interessant område. En FGM er et objekt der mikrostrukturen gradvis går over fra et materiale tii et annet, f.eks. fra metall til keramikk. Dette gjøres ved at en stadig større andel av pulveret i hvert lag er keramisk eller vise versa. På den måten unngås problemer med forskjellige egenskaper hos de to materialene, f. eks. termisk utvidelseskoeffisient. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan erstatte reservedelslagre i en rekke sammenhenger, for eksempel i bilverksteder, ombord på hangarskip, på romstasjoner, etc. På bakgrunn av en datategning og nødvendig datakraft og apparatur, samt det eller de nødvendige pulvermateriale(r), vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjøre det mulig å bygge opp en materialisert kloning av en datategning i løpet av noen timer.

Databaserte multi-produksjonssystemer har ingen omstillingstid, og påvirkes ikke av graden av geometrisk kompleksitet. De bruker bare det materialet som er nødvendig (intet som må skjæres eller freses vekk), og de er like godt egnet for null-serie produksjon som for masseproduksjon. I motsetning til tradisjonelle framstillingsprosesser hvor man tar utgangspunkt i et emne og skjærer bort det man ikke trenger, bygger disse nye systemene opp produkter ved helt nøyaktig å sette sammen bittesmå byggesteiner (pulverpartikler). Dette åpner for helt nye materialkombinasjoner og mikrostrukturer, noe som muliggjør produksjon av 'intelligente' flerfunksjons produkter.

Metaller, og spesielt keramer, krever høy temperatur for å sintre. For å sikre tilstrekkelig høy tetthet i sluttproduktet er det viktig med pakking av pulveret. Med pakking menes at pulveret utsettes for direkte trykk/press før og under sintringen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gir en kombinasjon av flere trinn som i prinsippet kan ses som uavhengige av hverandre, og som i kombinasjon er helt unik.

Ett første trinn består i hente byggepulver fra en eller flere pulverbeholdere og plassere det på en pulverreseptor i et helt nøyaktig mønster som beregnes separat for hvert sjikt av produktet. Dette første trinn av prosessen svarer i stor grad til fotoreseptoren i en vanlig kopimaskin. Fotoreseptoren er bygget opp av flere tynne lag med forskjellige elektriske egenskaper. En fotoreseptor kan lades opp, og den vil beholde ladningen så lenge den ikke utsettes for lys.

Parallelt med plassering av byggepulver i det gitte mønster, plasseres et støttepulver på en annen pulverreseptor, slik at mønsteret av støttepulveret er komplementært i forhold til mønsteret av byggepulveret, det vil si at støttepulveret plasseres slik at det er i stand til å fylle de områder av hvert sjikt som ikke fylles av byggepulver. For at støttepulveret skal fungere etter hensikten, kan det ikke smelte eller sintre innenfor den temperatur som det vil bli utsatt for i løpet av prosessen, slik at det fortsatt vil foreligge som et pulver etter at byggepulveret er konsolidert. Etterpå kan støttepulveret med enkle midler kan fjernes fra produktet og gjenbrukes. Støttepulveret gjør det ikke bare mulig, men enkelt å lage produkter med avanserte former, overheng og utsparinger.

Et andre trinn består i plassere pulveret fra pulverreseptoren på et transportbånd, som for øvrig, slik krav 1 angir, må ha bestemte egenskaper. I tillegg blir i dette trinn det omtalte støttepulver plassert på komplementære områder av transportbåndet. Det eller de felt av transportbåndet som blir dekket av byggepulver eller støttepulver, svarer til den indre formen på formeverktøyet.

I et tredje trinn bringer transportbåndet det avsatte pulver til nøyaktig posisjon over formeverktøyet som med unntak av posisjonering av første byggesjikt, allerede inneholder ett eller flere "sjikt" av pulver som allerede er sintret, slik at de utgjør en homogen, uferdig del av sluttproduktet. Posisjoneringen av transportbåndet kan skje på flere måter, men en hensiktsmessig og foretrukket måte omfatter bruk av en stegmotor.

I et fjerde trinn lukker formeverktøyet, og trykket i formeverktøyet økes for å oppnå den nødvendige pakking av pulveret. Dette gjøres mest hensiktsmessig med et øvre og et undre stempel som beveges mot hverandre. Temperaturen økes så i formeverktøyet for på rask og homogen måte å sikre sintring av det avsatte pulver til et ekte metallisk/ keramisk produktsjikt. Samtidig dekomponerer den del av transportbåndet som er innelukket i formeverktøyet. For å bibeholde kontinuitet av transportbåndet, må båndet være bredere enn formeverktøyet. Derved vil kantene på båndet forbli uberørt av sintringen og kunne benyttes til fremtrekk av båndet og slik sørge for kontinuitet i fremmatingen av stadig nye sjikt av pulver. "Brukt" transportbånd 13 med regelmessige hull etter hver sintring, rulles opp på oppsamlingsspolen 22 og kan returneres for gjenbruk.

Under sintring gror pulverpartikler sammen gjennom atomær diffusjon og danner et homogent materiale hvor sporene etter partikler og sjikt helt blir borte. For at sintring skal føre til materialer som er "hel ved", er det nødvendig ikke bare å øke temperaturen, men også som nevnt å tilføre et visst trykk. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det påvist at de fremstilte produkter blir like "tette" som støpte produkter, for eksempel med en tetthet på godt over 90%, og for eksempel opp til 98%.

Ved lasersintring oppnås ikke en slik ekte sintring gjennom atomær diffusjon som man oppnår ved foreliggende oppfinnelse. I stedet skjer det en lokal smelting av partiklene. Når materialer som stål og titan skal benyttes i utstyr for lasersintring, benyttes i tillegg et bindemiddel som gjør at sluttproduktet blir porøst og svakt. I tillegg er slike belagte pulvere i seg selv svært kostbare. For å øke tettheten (redusere porøsiteten) benyttes gjerne tilsats av kopper e.l. som har mye dårligere egenskaper enn stål og titan. Produkter fremstilt med lasersintring er derfor ikke funksjonelle produkter. En annen ulempe ved lasersintring er at man ikke kan varme hele sjikt samtidig, bare små områder ad gangen. Denne metoden er derfor svært langsom og også av den grunn uegnet i de fleste industrielle sammenhenger.

Mens det i prinsippet avsettes byggepulver og støttepulver i hvert sjikt, er det selvsagt mulig at byggepulveret i et gitt sjikt dekker hele arealet av formeverktøyet, slik at andelen av støttepulver i et gitt sjikt kan være 0. Derimot kan ikke andelen av byggepulver i noe sjikt være null uten at produktet blir diskontinuerlig, det vil si kommer ut som to eller flere adskilte produkter. For enkelte produkter som ikke oppviser noen variasjon langs (minst) en dimensjon, kan støttepulver helt utelates. Punkt iii) av fremgangsmåten blir i et slikt tilfelle et "tomt" punkt, da det i dette tilfelle ikke finnes noe område på transportbåndet svarende til den indre formen på formeverktøyet som " mangler" byggepulver.

Formeverktøyet kan omfatte mer enn ett kammer, hvilke kamre kan være ulike eller like, slik at det parallelt bygges to eller flere produkter. For eksempel kan formeverktøyet omfatte en matrise av 2 xl eller 2x2 eller m x n like produkter. Dette er mest hensiktsmessig hvis hvert produkt har små dimensjoner, da det er begrenset hvor store dimensjoner formeverktøyet kan ha.

Transportbåndet må være passe stivt, slik at ikke pulver som er avsatt på det kan forskyves under transporten. På samme måten som en filmrull kan det ha perforeringer langs kantene for å sikre nøyaktighet i fremføringen av det. Det skal ha en slik sammensetning at det ved sintringstemperatur eller lavere, dekomponerer uten å etterlate skadelige forurensninger i produktet. Egnede materialer for transportbåndet er bl.a. polyetylen og polypropylen og gjerne high density polyetylen.

Nærmere om oppfinnelsen under henvisning til figurene

Figur 1 er en illustrasjon over den helhetlige fremgangsmåten (systemet) ifølge oppfinnelsen, Figur 2 viser et utsnitt av fremgangsmåten vist på figur 1, omfattende prinsippene for pulvermagasin, samt fremføring og retur av pulver, Figur 3 viser et annet utsnitt av figur 1, og illustrerer hvordan konsolidering av et pulversjikt gjennomføres,

Figur 4 viser en alternativ metode for konsolidering av et pulversjikt,

Figur 5 viser et sjikt som omfatter flere materialer og mikrostrukturer, idet sjiktet er ett av mange som til sammen utgjør et kunstig hoftebein, Figur 6 viser hvordan flere pulvermaterialer kan deponeres sekvensielt, slik at de til sammen danner et fullstendig pulverlag. Figur 1 er en illustrasjon av hele systemet eller fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. En del detaljer er likevel utelatt for å øke lesbarheten. Etterfølgende figurer viser delprosesser av oppfinnelsen. Nå følger en beskrivelse av hvordan et pulversjikt fabrikkeres og konsolideres ifølge oppfinnelsen.

Den sylindriske pulverreseptoren 1 roterer med klokka med jevn hastighet. Den primære

coronatråden 2 lader opp pulverreseptoren 1. Dette illustreres ved de viste ioniserte gassmolekyler 8 som blir sittende på pulverreseptoren overflate. En lysstav 3 eksponerer pulverreseptoren meget nøyaktig i henhold til geometrien til det pulversjikt som skal fabrikkeres. Lysstaven 3 er typisk av "LED printer head" type, som omfatter mange svært smålysdioder som er innrettet til på meget

kort avstand å belyse pulverreseptoren i det aktuelle mønster. Det oppstår en forskjell i overflatepotensialet mellom de eksponerte og de ikke-eksponerte områdene på pulverreseptoren 1. Dette er på figur 1 illustrert ved at enkelte gassmolekyler 9 løsner fra pulverreseptoren.

Når den eksponerte pulverreseptoren passerer matepunktet fra et pulvermagasin 4, vil pulver 10 bli tiltrukket i henhold til eksponeringsmønsteret på pulverreseptoren 1. Det pulveret som ikke fester seg på pulverreseptoren, faller ned i en oppsamler 5 og returneres til pulvermagasinet 4.

Et transportbåndet 13 har en bevegelse som er samstemt med pulverreseptoren 1, slik at det innbyrdes forholdet mellom de enkelte partikler av pulveret opprettholdes under deponeringen fra pulverreseptor 1 til transportbånd 13, det vil si at mønsteret som partiklene på pulverreseptoren tegnet på en sylinderflate, tegnes på samme måte på transportbåndets plane flate. Transportbåndet 13 rulles ut fra en forsyningsruU 14. Rett før pulverreseptoren kan det inntil transportbåndet 13 eventuelt sitte et forvarmingselement 15 som, hvis det er aktivisert, gir transportbåndet en viss klebeeffekt. Under transportbåndet 13 rett under pulverreseptoren 1, sitter en sekundær coronatråd 6. Den sekundære coronatråden 6 genererer ioniserte gassmolekyler 11 på undersiden av transportbåndet 13. Tiltrekningskreftene mellom gassmolekylene 11 og pulverpartiklene 10 er større enn de kreftene som holder pulverpartiklene 10 fast på pulverreseptoren 1. På den måten overføres pulvermønsteret fra pulverreseptoren 1 til transportbåndet 13. Pulverpartikler (12) som eventuelt blir hengende igjen på pulverreseptoren 1 etter passering over transportbåndet 13, blir fjernet med en avskrapermekanisme 7 eller lignende. Når alt pulveret som utgjør et sjikt av produktet er deponert som beskrevet over, transporteres det bort til et formeverktøy for avsetning og konsolidering, det vil si sintring.

Til venstre på figur 1 er det vist et formeverktøy 18-21 som er beskrevet mer inngående nedenfor. Videre viser figur 1 en lukket metallkasse 21 som innelukker formeverktøyet og en opptaksspole 22 for transportbåndet 13. Endelig viser figur 1 støttevalser 16 som bidrar til jevn og nøyaktig bevegelse av transportbåndet 13. Figur 2 viser skjematisk samvirke mellom et pulvermagasin 4 og en pulverreseptor 1. Teknikken er ikke ulik den som benyttes i kopimaskiner, men forskjeller i egenskaper hos metalliske partikler som for eksempel jem (som er magnetisk) relativt til fargetonere som benyttes i kopimaskiner, gjør at teknologien ikke kan overføres direkte. Den enkleste form for pulvermagasin som kan benyttes ifølge oppfinnelsen, har en form som kan minne om et timeglass, hvor en smal - fortrinnsvis regulerbar - passasje leder inn mot pulverreseptoren på en slik måte at tyngdekraften utnyttes som et element for overføring av partiklene fra magasinet til pulverreseptoren. Overskudd pulver samles i en oppsamler S og ledes tilbake til pulvermagasinet 4 med en mateskrue 23. Avstanden mellom matepunktet fra pulvermagasinet 4 og pulverreseptoren 1 vil måtte reguleres i avhengighet av type pulver som benyttes i det enkelte tilfelle. Figur 3 viser hvordan et nytt sjikt med pulver bestående av støttepartikJer 27 og byggepartikler 28, er posisjonert rett over et påbegynt produkt 29. Den temperaturøkning som kreves for sintringen, tilveiebringes i henhold til figur 3 ved å la strøm passere gjennom pulversjiktene som sekvensielt legges på hverandre.

Stempler 18, 19 er koblet til en strømkilde 32. Både øvre stempel 18 og nedre stempel 19 (også betegnet "byggebord") har grafittelement 24 resp. 25 i enden, slik at det ikke blir direkte kontakt mellom den metalliske del av stemplene og objektet/ pulversjiktene. Grafittelementet har to funksjoner under sintringen. Det har høy varmebestandighet og hindrer derfor at objektet fester seg til stemplene. I tillegg blir grafittelementet 24 varmt når strømmen passerer gjennom det, slik at hele pulversjiktet blir tilført omtrent like mye varme. Når strømmen fra strømkilden 32 passerer gjennom sjiktet og sintring finner sted, ettermates minst ett av stemplene 18,19 slik at trykket bibeholdes. Med stempel menes i det følgende primært et ordinært stempler som beveges i en sylinder, men det kan også dreie seg om et hvilket som helst stempellignende, bevegelig element som er i stand til å sette et delprodukt i formeverktøyet under trykk.

Strømmen vil alltid følge minste motstands vei. Et strømgjennombrudd før hele sjiktet har nådd sintringstemperatur, vil medføre ufullstendig sintring og feil i objektet. Grafittelementet 24 hindrer at dette skjer. Pulversjiktet blir altså utsatt for varmpressing fra grafittelementet, samtidig som det utvikles varme i selve pulverlaget når elektronene kjemper seg igjennom.

Støttepulveret 27 er et materiale som ikke leder strøm og/eller har en vesentlig høyere smeltetemperatur enn byggepuleret 28. Den delen av produktet 29 som er konsolidert, har god elektrisk ledningsevne og varmes derfor lite. Varmeutviklingen blir derfor konsentrert til pulversjiktet. For elektrisk ledende materialer, har sintring med strøm vist seg å være meget effektivt.

Som det også fremgår av figur 3, omfatter formeverktøyet formvegger 26 definerer den absolutt ytre ramme for hvert sjikt. Takket være formveggene vil støttepulveret som forblir på pulverform under hele byggesyklusen, forbli på plass til produktet er helt ferdig, og sørge for at ikke byggepulver i sjikt som legges over, får anledning til å forskyve seg. Understempelet 19 vil gradvis/ stegvis senkes etter hvert som nye sjikt legges på toppen og byggehøyden øker, slik at transportbåndets 13 bane kan forbli uendret uavhengig av byggehøyden på produktet som vokser frem. Transportbåndet 13 vil normalt bestå av et plastmateriale som når det varmes mye opp, dekomponerer og omdannes til karbondioksid og fordampet vann.

Figur 4 viser en alternativ måte å gjennomføre sintringen på i forhold til metoden beskrevet ovenfor under henvisning til figur 3, og som er spesielt aktuell når det bygges med pulver av materiale som ikke er strømledende. Mikrobølger har egenskaper som kan utnyttes ved sintring. Materialer med lav dielektrisk tapskoeffisient vil ikke oppvarmes vesentlig ved bestråling av mikrobølger. På den måten er det mulig å styre varmeutviklingen til byggepulveret i hvert pulversjikt. Stemplene 18, 19 har et beskyttelseslag 30 resp. 31 i enden som ikke reagerer på mikrobølger. Formveggen 26 som holder pulveret på plass, er laget av et tilsvarende materiale.

Støttepulveret 27 velges slik at det ikke påvirkes av mikrobølgene og/eller har et vesentlig høyere smeltepunkt enn byggepulveret 28. Mikrobølger har liten inntrengningsdybde i fast metall. Det betyr at den delen av produktet 29 som er konsolidert/ sintret, ikke blir oppvarmet vesentlig, men reflekterer mikrobølgene til pulversjiktet. Denne effekten blir mindre når det bygges produkter i keramikk, men mikrobølgene vil i alle tilfeller bli rettet mot pulversjiktet for en mest mulig effektiv oppvarming. Det kan plasseres flere mikrobølgekilder 20 rundt produktet for å oppnå er hurtig og jevn oppvarming.

Eksempel på et materiale som kan benyttes i stempler og formvegger ved mikrobølgesintring, er aluminiumoksid (A1203). Typiske verdier for kompresjonsstyrke og dielektrisk tapskoeffisient er 1720 MPa og 0,0005. En så lav tapskoeffisient betyr at materialet ikke lar seg oppvarme vesentlig når det utsettes for mikrobølger.

Uavhengig av oppvarmingsmetode og til tross for at oppvarmingsen primært rettes mot det sist avsatte pulversjikt, blir de "ferdige" deler av det produktet som til enhver tid ligger nær de sist avsatte pulversjikt, utsatt for gjentatte oppvarminger. Forsøk viser at slik gjentatt oppvarming ikke virker negativt inn på mikrostrukturen i produktet.

Den metalliske delen av stemplene i figur 3 og 4 vil typisk ha vannavkjøling for å hindre overoppheting. En metallkasse 21 som omgir formeverktøyet har flere funksjoner. Den gir sikkerhet mot klemfare og høye temperaturer. Den holder mikrobølgene innelukket ved mikrobølgesintring. Den gir også anledning til å benytte en bestemt, kontrollert atmosfære (f.eks. bestemte gasser) i formeverktøyet for å påvirke sintringsprosessen, og på den måten oppnå best mulig egenskaper i sluttproduktet.

Et fullstendig pulversjikt vil alltid bestå av minst ett byggepulver og nesten alltid av et støttepulver. Fremgangmsåten ifølge oppfinnelsen gjør det som nevnt mulig å deponere flere byggepulvere innenfor hvert sjikt. På den måten kan det bygges optimale, avanserte produkter som består av forskjellig materialer og strukturer. Et eksempel er vist på figur 5 hvor forskjellige materialer og strukturer danner et sjikt (A) i et hoftebein (B). Grunnmaterialet (C) er beskyttet med et slitebelegg (D). Inne i hoftebeinet er det kjerner (eller elementer) av et duktilt materiale (E) for å hindre at beinet brekker ved store påkjenninger. I festesonene (F) er det deponert et pulvermateriale hvor alle partiklene har lik størrelse. På den måten bli materialet porøst etter konsolidering, og tillater kroppsvevet å vokse inn i det kunstige hoftebeinet. Dette sikrer at den nye kroppsdelen sitter på plass, og ikke løsner etter en stund, noe som er et problem med standard proteser. Byggematerialene (C, D, E, F) som til sammen utgjør ett sjikt i hoftebeinet, er omgitt av et støttepulver (G). Fordelingen av de forskjellige pulverene blir gjort på bakrunn av objektets geometri, funksjon og en forutliggende strykeberegning.

Figur 6 viser hvordan to pulvermaterialer kan deponeres (sekvensielt) i samme sjikt, hvilket er en forutsetning for slike produkter som vist på figur 5. Ved foreliggende oppfinnelse kan man altså bygge avanserte objekter ved å utvide antall "stasjoner" 33, 34 etc. Et pulver 35 (f. eks. metallisk) legges ut først fra en første pulverreseptor i en første stasjon 33, og sjiktet kompletteres så med et annet pulver 36 (f.eks. keramisk) fra en annen pulverreseptor i en annen stasjon 34 . På denne måten kan ulike deler av hvert sjikt tilføres ulike typer byggepulver, hvor egenskapene til sluttproduktet som nevnt ovenfor, kan styres omhyggelig.

En annen variasjonsmulighet (ikke vist) ligger i å tilføre en blanding av ulike pulvere til en og samme pulverreseptor. Pulvermagasiner som inneholder hvert sitt pulver (to eller flere) har hver sin matetrakt med en reguleringsmekanisme som muliggjør fortløpende regulering av tilført pulvermengde til den elektrisk ladede og lyseksponerte pulvereseptoren. På denne måte kan blandingsforholdet mellom ulike byggepulvere endres gradvis og/ eller individuelt for hvert eneste sjikt av produktet. Innenfor hvert sjikt vil pulversammensetningen være ensartet/ homogen, med mindre denne sistnevnte teknikken benyttes i kombinasjon med teknikken beskrevet i avsnittet ovenfor under henvisning til figur 6.

I praksis vil fremstillingsprosesser basert på foreliggende oppfinnelse styres av en data-prosessor, på prinsipielt samme måte som ved enhver annen cad/cam-produksjon. Det vil i praksis si at prosessor som står i nødvendig forbindelse med pulvermagasin, pulverreseptor, lysstav, transportbånd og formeverktøy etc, styrer alle disse enheter trinn for trinn, sjikt for sjikt i henhold til en lagdelt 3-D modell av produktet. Prosessoren må også ha informasjon om produksjonsparametere som byggematerialer, sintringstemperaturer, effekter, avstander, hastigheter etc. Tilpasningen av den aktuelle informasjon (programvare) til den aktuelle applikasjon er en fagmessig tillempning og utgjør ikke et element av den foreliggende oppfinnelse.

Claims

1. Fremgangsmåte ved direkte produksjon av metalliske, keramiske eller metall-keramiske produkter fra pulver av de aktuelle materialer, heretter kalt byggepulver, innbefattende en lagvis avsetting og sintring av byggepulveret i et formeverktøy som omfatter minst følgende trinn: i) for hvert sjikt tilføres byggepulver fra minst en pulversilo til minst en pulverreseptor som blir elektrisk ladet av et ladeelement og belyst med en lyskilde i et mønster som er karakteristisk for formen på det aktuelle sjikt, ii) hvert sjikt av byggepulver avsettes fra pulverseptoren(e) på et transportbånd som har en bredde større enn bredden på formeverktøyets kavitet, iii) til ethvert område på transportbåndet som i hvert sjikt ikke blir tilført byggepulver innenfor den indre formen på formeverktøyet, blir det fra en særskilt pulverreseptor som blir elektrisk ladet og belyst som angitt i trinn i), tilført et pulver, heretter kalt støttepulver, av et materiale som ikke sintrer eller smelter ved den aktuelle temperatur, iv) transportbåndet transporterer hvert komplette sjikt av byggepulver og støttepulver til nøyaktig ønsket posisjon over eventuelle tidligere avsatte og sintrede sjikt i formeverktøyet, karakterisert ved at v) formeverktøyet lukker og setter pulveret under trykk ved hjelp av minst ett bevegelig stempel, samtidig som temperaturen i det minste i og nær det sist avsatte sjikt heves slik at den innelukkede del av transportbåndet dekomponerer og byggepulveret sintrer, samt vi) etter at siste sjikt er tilført og sintret, blir produktet tatt ut av formeverktøyet og støttepulveret blir fjernet.

2. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1 karakterisert ved at det som ladeelement benyttes en coronatråd.

3. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1 karakterisert ved at temperaturen i det sist avsatte sjikt i formeverktøyet heves ved bruk av mikrobølger.

4. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1 karakterisert ved at temperaturen i det sist avsatte sjikt i formeverktøyet heves ved å lede elektrisk strøm gjennom sjiktet, fortrinnsvis ved at det settes opp en elektrisk spenning mellom et bevegelig stempel og et annet elektrisk ledende element av formeverktøyet, for eksempel et annet bevegelig stempel.

5. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1 karakterisert ved at det benyttes et transportbånd av et plastmateriale med lav elastisitet, fortrinnsvis basert på polyetylen eller polypropylen.

6. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at transportbåndet blir forvarmet før pulver avsettes fra minst en pulverreseptor.

7. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at transportbåndet mates frem ved hjelp av minst en stegmotor som styres av en datamaskin.

8. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav I, karakterisert ved at blandinger av ulike typer byggepulver tilføres fra to eller flere pulvermagasiner til en og samme pulverreseptor.

9. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 8, karakterisert ved at blandingsforholdet for de ulike typer byggepulver reguleres individuelt for hvert sjikt, fortrinnsvis ved hjelp av datamaskin.

10. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at det benyttes et formeverktøy som i hovedsak består av en nedre del som hviler på et vertikalt bevegelig stempel og en øvre del som kan beveges ved hjelp av et vertikalt bevegelig stempel, og at trykket i formeverktøyet styres av kraften som tilføres stemplene.

11. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 10, karakterisert ved at nedre, bevegelige stempel posisjoneres med en stegmotor som for hvert avsatt og sintret sjikt senkes tilsvarende tykkelsen på sjiktet.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de til de deler av formeverktøyet som kommer i kontakt med byggepulveret, benyttes et materiale som ikke hefter til byggepulveret.

13. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at eventuelt overskudd av byggepulver tilført pulverreseptoren i trinn i), blir resirkulert til den pulversilo det kom fra.

14. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at eventuelt overskudd av støttepulver tilført pulverreseptoren i trinn iii), blir resirkulert til den pulversilo det kom fra.

15. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at støttepulver som fjernes fra det ferdige produktet i trinn vi), blir resirkulert til den pulversilo det kom fira.

16. Fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at lyskilden som belyser pulverreseptoren i trinn i) er en LED type lyskilde.

17. Anordning for direkte produksjon av metalliske, keramiske og metall-keramiske produkter fra pulver av de aktuelle materialer, heretter kalt byggepulver, innbefattende minst følgende elementer: i) minst en pulverreseptor (1) for et byggepulver, hvilken pulverreseptor er basert på samme arbeidsprinsipp som en fotoreseptor i en kopimaskin, ii) minst to ladeelementer (2,6) anordnet til å lade opp pulverreseptoren (1) henholdsvis et transportbånd (13), iii) minst en lyskilde (3) anordnet for å belyse pulverreseptoren (1) med et mønster som svarer til formen på det aktuelle produktsjikt, iv) minst ett pulvermagasin (4) anordnet for å tilføre pulver til pulverreseptoren (1) etter at denne er blitt elektrisk ladet av et ladeelement (2) og belyst med en lyskilde (3), v) et transpotrbånd (13) anordnet til å bli oppladet ved hjelp av et ladeelement (6) og deretter motta pulver (10) i et forutbestemt mønster fra pulverreseptoren (1) samt til å transportere dette pulveret med høy grad av nøyaktighet til et formeverktøy, karakterisert ved at vi) et formeverktøy (18-21) omfattende minst ett bevegelig stempel er anordnet til å motta pulversjikt på transportbåndet (13), innelukke det tilførte pulversjikt i kontakt med et produkt under bygging, samt til å heve trykk og temperatur i sjiktet (17) slik at sintrebare deler av pulveret sintres fast til og blir en integrert det av produktet under bygging mens den i formeverktøyet innelukkede del av transportbåndet dekomponerer, samt at vii) data maskinvare og programvare for på i og for seg kjent måte er anordnet for å styre de enkelte elementer i) - vi) av anordningen i henhold til en elektronisk 3-dimensjonal produkttegning.

18. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at hvert av ladeelementene (2, 6) er en coronatråd.

19. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at formeverktøyet (18-21) omfatter en mikrobølge-generator for å heve temperaturen på pulver som tilføres formeverktøyet.

20. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at formeverktøyet (18-21) omfatter midler for å sette elektrisk spenning over pulver som tilføres formeverktøyet, for derved å heve pulverets temperatur.

21. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at transportbåndet (13) er fremstilt av et plastmateriale med lav elastisitet, fortrinnsvis basert på polyetylen eller polypropylen

22. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at den omfatter en stegmotor (ikke vist) for nøyaktig fremmating av transportbåndet (13).

23. Anordning som angitt i patentkrav 22, karakterisert ved at stegmotoren er innrettet til å styres av en datamaskin.

24. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at den omfatter to eller flere pulvermagasiner (4) for tilførsel av ulike typer byggepulvere til en og samme pulverreseptor.

25. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at formeverktøyet (18-21) omfatter en nedre del som hviler på et vertikalt bevegelig, nedre stempel (19) og en øvre del som kan beveges ved hjelp av et vertikalt bevegelig, øvre stempel (18), og at trykket i formeverktøyet styres av kraften som tilføres stemplene

26. Anordning som angitt i patentkrav 25, karakterisert ved at nedre stempel (19) er anordnet til å senkes trinnvis ved hjelp av en stegmotor (ikke vist), med trinn som svarer til tykkelsen av hvert pulversjikt, etter hvert som produktet bygges opp.

27. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at de deler av formeverktøyet (18-21) som kommer i kontakt med byggepulveret, er laget i et materiale som ikke hefter til byggepulveret eller forsynt med et belegg av slikt materiale.

28. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at anordningen er forsynt med midler for å resirkulere overskudd av byggepulver og støttepulver til de pulvermagasiner som disse tilføres fra.

29. Anordning som angitt i patentkrav 17, karakterisert ved at lyskilden (3) som belyser pulverreseptoren i trinn iii) er en LED type lyskilde.