WO2018228949A1 - 3d-druck-verfahren und 3d-druck-vorrichtung - Google Patents

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WO2018228949A1
WO2018228949A1 PCT/EP2018/065209 EP2018065209W WO2018228949A1 WO 2018228949 A1 WO2018228949 A1 WO 2018228949A1 EP 2018065209 W EP2018065209 W EP 2018065209W WO 2018228949 A1 WO2018228949 A1 WO 2018228949A1
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milling
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Vitalij Lissotschenko
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Lilas Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a 3D printing process for the production of a spatially extended product and to an SD printing apparatus for the production of a spatially extended product.
  • a powdered starting material is punctiformly charged with an amount of energy such that a process, such as melting or sintering of the starting material, on the
  • Raster scanning of the laser beam or the electron beam over the work area is thereby layer by layer
  • the problem underlying the present invention is the specification of a 3D printing process or the creation of a 3D printing device that is more effective, in particular faster than the devices known from the prior art and
  • the method according to the invention is characterized by the following method steps: A film-shaped starting material for 3D printing is fed to a work area,
  • the starting material is fixed by exposure to radiation in the working area
  • the starting material is selectively milled according to the design of the product to be produced.
  • the radiation which may be laser radiation or electron radiation, is therefore used only for fixing the starting material, whereas the actual structuring of the respective layer of the starting material is carried out by milling. This can be done quickly and with high accuracy.
  • the use of a film-shaped starting material also allows high accuracy, for example, because very thin films can be used.
  • the starting material may have a thickness of between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m, for example a thickness of 10 ⁇ m.
  • Starting material corresponds. It may further be provided that the starting material for fixing with the radiation
  • the spatially extended product can pass through in layers
  • Starting material is generated.
  • the newly supplied starting material is fixed after milling in particular on the milled in the last step starting material.
  • the device comprises:
  • a radiation source in particular a laser light source or an electron beam source, which can generate radiation
  • Feeding means for a sheet-shaped starting material for SD printing
  • Milling means in particular milling machine, for milling the
  • the supply means have at least one roller on which the starting material is wound up. By using one, preferably two rollers, the feed of the starting material can be done very quickly. There is a possibility that the 3D printing device a
  • Base plate comprises, to which a portion of the starting material can be fixed.
  • the base plate may include coolant. By cooling the base plate, the manufacturing process can be performed.
  • the milling means are designed as a 5-axis milling machine. With such a milling machine can be very quickly and very accurately produce the desired structures.
  • Fig. 1 is a partially sectioned view of an embodiment of a 3D printing device according to the invention
  • FIG. 2 is a detailed view from below of the 3D printing device according to FIG. 1.
  • the illustrated embodiment of the 3D printing device comprises a housing 1, of which only two side walls 2 are shown. At the bottom, the housing 1 is open, so that from there the later described in more detail sheet-shaped
  • the starting material 3 may be, for example, a foil made of a metal.
  • the starting material 3 may, for example, have a thickness between 5 ⁇ and 50 ⁇ , in particular a thickness of about 10 ⁇ .
  • the starting material 3 is wound on a first roller 4 and extends from the latter under the housing 1 to a second roller 5.
  • the 3D printing apparatus further comprises a radiation source 8, which is designed in particular as an electron beam source.
  • the radiation source 8 can emit a radiation 9, which may have a linear intensity distribution 10 in the working area 7 (see FIG. 2).
  • the radiation source 8 is surrounded by a housing 11 which has an opening 12 for the passage of the radiation 9.
  • the linear intensity distribution 10 can be moved in the transverse direction of the line over the working area 7 (see the arrow 13 in FIG. 2).
  • the radiation source 8 can be moved horizontally under the working area 7 in the direction of the arrow 14.
  • Radiation source 8 can continue to be moved along the arrow 15 in the vertical direction upwards and downwards. In this case, the edge 16 surrounding the opening 12 can be pressed against the starting material 3 arranged in the working area 7.
  • the 3D printing apparatus further comprises a milling machine 17 serving as a milling means, which is designed in particular as a 5-axis milling machine.
  • the milling machine 17 can be moved horizontally in the direction of the arrow 18 under the working area 7 back and forth.
  • the milling machine 17 can also be vertical
  • the 3D printing device further comprises a base plate 19 which can be moved in the interior of the housing 1 in the direction of the arrow 20 upwards.
  • the base plate 19 may be, for example, water cooled.
  • the base plate 19 is moved to the underside of the housing 1. Subsequently, the starting material 3 is applied to the base plate 19 from below. To For example, the starting material can be stretched from the first roller 4 to the second roller 5, or an already tensioned one
  • the edge 16 of the housing 11 of the radiation source 8 is from below against the located in the working area 7 section 22 of the
  • Line transverse direction is moved over the working area 7 (see Fig. 2).
  • this portion 22 is fixed to the base plate 19. This can be done, for example
  • Sectional melting of the section 22 takes place.
  • film-shaped starting material 3 works out structures.
  • edges 23 (see FIG. 2) of the fixed and milled section 22 of the starting material 3 are cut out so that this section 22 remains on the base plate 19 when the remainder 24 of the starting material 3 is in the direction of the arrow 21
  • the base plate 19 is moved in the direction of arrow 20 by a distance upwards, the thickness of the
  • Starting material 3 corresponds, so in particular about 10 ⁇ .
  • the rollers 4, 5 are exchanged for other roles, on which another source material is wound up.
  • the product may for example consist of several different metals.

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Abstract

3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend eine Strahlungsquelle (8), insbesondere eine Laserlichtquelle oder eine Elektronenstrahlquelle, die eine Strahlung (9) erzeugen kann, Zuführmittel für ein folienförmiges Ausgangsmaterial (3) für den 3D-Druck und eine Fräsmaschine (17) für das Fräsen des fixierten Ausgangsmaterials (3). Bei dem 3D-Druck-Verfahren wird ein folienförmiges Ausgangsmaterial (3) für den 3D-Druck einem Arbeitsbereich (7) zugeführt und durch Beaufschlagung mit Strahlung (9) in dem Arbeitsbereich (7) fixiert sowie selektiv entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts gefräst

Description

3D-Druck-Verfahren und 3D-Druck-Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts sowie eine SD- Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts.
Bei herkömmlichen 3D-Druck-Vorrichtungen wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls punktförmig ein pulverförmig zugeführtes Ausgangsmaterial mit einer derartigen Energiemenge beaufschlagt, dass ein Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an dem
beaufschlagen Ort initiiert wird, wobei dieser Prozess zu einer
Verbindung der Körner des Ausgangsmaterials führt. Durch
rasterartiges Scannen des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls über den Arbeitsbereich wird dadurch schichtweise das
herzustellende Produkt erzeugt. Ein Beispiel für die Verwendung eines Elektronenstrahls findet sich in der WO 2014/173662 A1.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Angabe eines 3D-Druck-Verfahrens beziehungsweise die Schaffung einer 3D-Druck-Vorrichtung, die effektiver, insbesondere schneller als die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und
Verfahren sind.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein 3D-Druck-Verfahren gemäß dem Anspruch 1 sowie durch eine 3D-Druck-Vorrichtung gemäß dem
Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: - Ein folienförmiges Ausgangsmaterial für den 3D-Druck wird einem Arbeitsbereich zugeführt,
- das Ausgangsmaterial wird durch Beaufschlagung mit Strahlung in dem Arbeitsbereich fixiert,
- das Ausgangsmaterial wird selektiv entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts gefräst.
Die Strahlung, die eine Laserstrahlung oder eine Elektronenstrahlung sein kann, wird somit lediglich zur Fixierung des Ausgangsmaterials genutzt, wohingegen die eigentliche Strukturierung der jeweiligen Schicht des Ausgangsmaterials durch Fräsen erfolgt. Dies lässt sich schnell und mit hoher Genauigkeit durchführen. Die Verwendung eines folienförmigen Ausgangsmaterials erlaubt ebenfalls eine große Genauigkeit, weil beispielsweise sehr dünne Folien verwendet werden können. Insbesondere kann das Ausgangsmaterials eine Dicke zwischen 5 μιτι bis 50 μιτι, beispielsweise eine Dicke von 10 μιτι aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Arbeitsbereich eine
linienförmige Intensitätsverteilung der Strahlung erzeugt wird, die in Linienquerrichtung bewegt wird. Diese Ausgestaltung erlaubt ein sehr schnelles Fixieren durch die Beaufschlagung mit Strahlung, weil eine Bewegung der Intensitätsverteilung in Linienquerrichtung erfolgen kann.
Es kann vorgesehen sein, dass das Fräsen des Ausgangsmaterials von unten erfolgt. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das fixierte Ausgangsmaterial nach dem Fräsen nach oben bewegt wird,
insbesondere um eine Strecke, die der Materialdicke des
Ausgangsmaterials entspricht. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ausgangsmaterial zur Fixierung mit der Strahlung
beaufschlagt wird, insbesondere von unten mit der Strahlung beaufschlagt wird. Dadurch, dass während des Fortschritts des 3D- Drucks das zu erzeugende Produkt schichtweise nach oben bewegt wird und die zu bearbeitende Fläche nach unten gerichtet ist, können die bei dem Fräsen erzeugten Abfälle nach unten aus dem
Arbeitsbereich herausfallen. Der Arbeitsbereich muss also nicht mit beispielsweise Druckluft beaufschlagt werden, um nach einem
Arbeitsschritt die Oberfläche des zu erzeugenden Produkts für den nächsten Arbeitsschritt zu reinigen. Dadurch kann der gesamte
Arbeitsbereich in einem Vakuum angeordnet sein, wodurch die
Beaufschlagung mit einem Elektronenstrahl erleichtert wird.
Das räumlich ausgedehnte Produkt kann schichtweise durch
mehrfaches Zuführen des Ausgangsmaterials und mehrfaches Fräsen des durch Beaufschlagung mit der Strahlung fixierten
Ausgangsmaterials erzeugt wird. Dabei wird das neu zugeführte Ausgangsmaterial nach dem Fräsen insbesondere an dem im letzten Arbeitsschritt gefrästen Ausgangsmaterial fixiert.
Gemäß Anspruch 8 umfasst die Vorrichtung:
- eine Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle oder eine Elektronenstrahlquelle, die eine Strahlung erzeugen kann,
- Zuführmittel für ein folienförmiges Ausgangsmaterial für den SD- Druck,
- Fräsmittel, insbesondere Fräsmaschine, für das Fräsen des
fixierten Ausgangsmaterials.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zuführmittel mindestens eine Rolle aufweisen, auf die das Ausgangsmaterial aufgewickelt ist. Durch die Verwendung einer, vorzugweise zweier Rollen, kann die Zuführung des Ausgangsmaterials sehr schnell erfolgen. Es besteht die Möglichkeit, dass die 3D-Druck-Vorrichtung eine
Grundplatte umfasst, an der ein Abschnitt des Ausgangsmaterials fixiert werden kann. Die Grundplatte kann Kühlmittel aufweisen. Durch die Kühlung der Grundplatte kann der Herstellungsprozess
beschleunigt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Fräsmittel als 5-Achsen- Fräsmaschine ausgebildet sind. Mit einer derartigen Fräsmaschine lassen sich sehr schnell und sehr genau die gewünschten Strukturen erzeugen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Abbildungen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung;
Fig. 2 eine Detailansicht von unten auf die 3D-Druck-Vorrichtung gemäß Fig. 1.
In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die abgebildete Ausführungsform der 3D-Druck-Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, von dem nur zwei Seitenwände 2 abgebildet sind. An der Unterseite ist das Gehäuse 1 offen, so dass von dort das im Nachfolgenden noch detaillierter beschriebene folienförmige
Ausgangsmaterial 3 zugeführt werden kann.
Das Ausgangsmaterial 3 kann beispielsweise eine Folie aus einem Metall sein. Das Ausgangsmaterial 3 kann beispielsweise eine Dicke zwischen 5 μιτι und 50 μιτι, insbesondere eine Dicke von etwa 10 μιτι aufweisen.
Das Ausgangsmaterial 3 ist auf eine erste Rolle 4 aufgewickelt und erstreckt sich von dieser unter dem Gehäuse 1 her bis zu einer zweiten Rolle 5. Durch Drehung der zweiten Rolle 5 in Richtung des Pfeiles 6 wird das Ausgangsmaterials 3 von der ersten Rolle 4 in Richtung auf den an der Unterseite des Gehäuses 1 befindlichen Arbeitsbereich 7 bewegt. Die 3D-Druck-Vorrichtung umfasst weiterhin eine Strahlungsquelle 8, die insbesondere als Elektronenstrahlquelle ausgebildet ist. Die Strahlungsquelle 8 kann eine Strahlung 9 aussenden, die in dem Arbeitsbereich 7 eine linienförmige Intensitätsverteilung 10 aufweisen kann (siehe Fig.2). Die Strahlungsquelle 8 ist von einem Gehäuse 11 umgeben, das eine Öffnung 12 für den Hindurchtritt der Strahlung 9 aufweist.
Die linienförmige Intensitätsverteilung 10 kann in Linienquerrichtung über den Arbeitsbereich 7 bewegt werden (siehe den Pfeil 13 in Fig. 2). Die Strahlungsquelle 8 kann in Richtung des Pfeils 14 horizontal unter dem Arbeitsbereich 7 hin und her bewegt werden. Die
Strahlungsquelle 8 kann weiterhin längs des Pfeils 15 in vertikaler Richtung nach oben und nach unten bewegt werden. Dabei kann der die Öffnung 12 umgebende Rand 16 an das in dem Arbeitsbereich 7 angeordnete Ausgangsmaterial 3 gedrückt werden.
Die 3D-Druck-Vorrichtung umfasst weiterhin eine als Fräsmittel dienende Fräsmaschine 17, die insbesondere als 5-Achsen- Fräsmaschine ausgebildet ist. Die Fräsmaschine 17 kann in Richtung des Pfeils 18 horizontal unter dem Arbeitsbereich 7 hin und her bewegt werden. Die Fräsmaschine 17 kann auch in vertikaler
Richtung bewegbar sein.
Die 3D-Druck-Vorrichtung umfasst weiterhin eine Grundplatte 19 die im Inneren des Gehäuses 1 in Richtung des Pfeiles 20 nach oben bewegt werden kann. Die Grundplatte 19 kann beispielsweise wassergekühlt sein.
Zur Durchführung des 3D-Druck-Verfahrens wird die Grundplatte 19 an die Unterseite des Gehäuses 1 verfahren. Anschließend wird das Ausgangsmaterial 3 von unten an die Grundplatte 19 angelegt. Dazu kann beispielsweise das Ausgangsmaterial von der ersten Rolle 4 zur zweiten Rolle 5 gespannt werden oder ein bereits gespanntes
Ausgangsmaterial 3 durch Drehung der Rollen 4, 5 in Richtung des Pfeiles 21 zugeführt werden.
Der Rand 16 des Gehäuses 11 der Strahlungsquelle 8 wird von unten gegen den im Arbeitsbereich 7 befindlichen Abschnitt 22 des
Ausgangsmaterials 3 gepresst, so dass der entsprechende Abschnitt 22 des Ausgangsmaterials 3 an der Unterseite der Grundplatte 19 anliegt. Anschließend wird der entsprechende Abschnitt 22 des
Ausgangsmaterials 3 mit der Strahlung 9 beaufschlagt, wobei insbesondere die linienförmige Intensitätsverteilung 10 in
Linienquerrichtung über den Arbeitsbereich 7 bewegt wird (siehe Fig. 2). Durch diese Beaufschlagung des Abschnitts 22 des
Ausgangsmaterials 3 mit der Strahlung 9 wird dieser Abschnitt 22 an der Grundplatte 19 fixiert. Dies kann beispielsweise durch
abschnittsweises Aufschmelzen des Abschnitts 22 erfolgen.
Anschließend werden die Strahlungsquelle 8 zur Seite aus dem
Arbeitsbereich 7 wegbewegt und die Fräsmaschine 17 unter den Arbeitsbereich 7 bewegt. Die Fräsmaschine 17 wird nun entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts so angesteuert, dass sie aus dem an der Grundplatte 19 fixierten Abschnitt 22 des
folienförmigen Ausgangsmaterials 3 Strukturen herausarbeitet.
Anschließend werden die Ränder 23 (siehe Fig.2) des fixierten und gefrästen Abschnitts 22 des Ausgangsmaterials 3 ausgeschnitten, so dass dieser Abschnitt 22 an der Grundplatte 19 verbleibt, wenn der Rest 24 des Ausgangsmaterials 3 in Richtung des Pfeils 21
weiterbewegt wird. Die Grundplatte 19 wird in Richtung des Pfeils 20 um eine Strecke nach oben bewegt, die der Dicke des
Ausgangsmaterials 3 entspricht, also insbesondere etwa 10 μιτι. Durch die Bewegung des Ausgangsmaterials 3 in Richtung des Pfeils 21 wird ein neuer zu bearbeitender Abschnitt 22' in den
Arbeitsbereich 7 bewegt. Dieser neue Abschnitt 22' wird nun von der Strahlungsquelle 8 unter den im letzten Arbeitsschritt bereits
gefrästen Abschnitt 22 gedrückt und durch die Beaufschlagung mit der Strahlung 9 an dem im letzten Arbeitsschritt bereits gefrästen
Abschnitt 22 fixiert.
Dieser nun fixierte Abschnitt 22' wird im nächsten Arbeitsschritt von der Fräsmaschine 17 entsprechend der Gestaltung des
herzustellenden Produkts gefräst.
Diese Arbeitsschritte werden solange wiederholt bis das Produkt fertig gestellt ist. Dabei kann aufgrund der Kühlung der Grundplatte 19 die Bearbeitungszeit deutlich verringert werden.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, verschiedene
Ausgangsmaterialien 3 für ein und dasselbe Produkt zu verwenden. Dazu können dann beispielsweise während des 3D-Drucks die Rollen 4, 5 gegen andere Rollen getauscht werden, auf denen ein anderes Ausgangsmaterial aufgewickelt ist. Dadurch kann das Produkt beispielsweise aus mehreren unterschiedlichen Metallen bestehen.

Claims

Patentansprüche:
3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich
ausgedehnten Produkts, gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
Ein folienförmiges Ausgangsmaterial (3) für den 3D-Druck wird einem Arbeitsbereich (7) zugeführt, das Ausgangsmaterial (3) wird durch Beaufschlagung mit Strahlung (9) in dem Arbeitsbereich (7) fixiert, das Ausgangsmaterial (3) wird selektiv entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts gefräst.
3D-Druck-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitsbereich (7) eine linienförmige
Intensitätsverteilung (10) der Strahlung (9) erzeugt wird, die in Linienquerrichtung bewegt wird.
3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräsen des
Ausgangsmaterials (3) von unten erfolgt.
3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fixierte Ausgangsmaterial (3) nach dem Fräsen nach oben bewegt wird, insbesondere um eine Strecke, die der Materialdicke des Ausgangsmaterials (3) entspricht.
3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (3) zur Fixierung mit der Strahlung (9) beaufschlagt wird, insbesondere von unten mit der Strahlung (9) beaufschlagt wird.
6. 3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (9) eine Laserstrahlung oder eine Elektronenstrahlung ist.
7. 3D-Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das räumlich ausgedehnte Produkt schichtweise durch mehrfaches Zuführen des
Ausgangsmaterials (3) und mehrfaches Fräsen des durch
Beaufschlagung mit der Strahlung (9) fixierten
Ausgangsmaterials erzeugt wird.
8. 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich
ausgedehnten Produkts, umfassend eine Strahlungsquelle (8), insbesondere eine
Laserlichtquelle oder eine Elektronenstrahlquelle, die eine Strahlung (9) erzeugen kann,
Zuführmittel für ein folienförmiges Ausgangsmaterial (3) für den 3D-Druck,
Fräsmittel, insbesondere Fräsmaschine (17), für das Fräsen des fixierten Ausgangsmaterials (3).
9. 3D-Druck-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass mit der 3D-Druck-Vorrichtung ein SD- Druck-Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt werden kann.
10. 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführmittel mindestens eine Rolle (4, 5) aufweisen, auf die das Ausgangsmaterial (3) aufgewickelt ist.
11. 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Vorrichtung eine Grundplatte (19) umfasst, an der ein Abschnitt (22) des
Ausgangsmaterials (3) fixiert werden kann.
12. 3D-Druck-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Grundplatte (19) Kühlmittel aufweist.
13. 3D-Druck-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fräsmaschine (17) als 5- Achsen-Fräsmaschine ausgebildet ist.
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