DE10344901B4

DE10344901B4 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts

Info

Publication number: DE10344901B4
Application number: DE10344901A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kadoma Abe; Isao Kadoma Fuwa; Hirohiko Kadoma Togeyama; Norio Kadoma Yoshida; Masataka Kadoma Takenami; Shuushi Kadoma Uenaga
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: US20040228754A1; DE10344901A1; US7255830B2; CN1496769A; KR100553644B1; CN1233491C; KR20040028569A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts, mit folgenden Schritten: (a) Sintern eines vorbestimmten Teils einer ersten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines ersten optischen Strahls zum Ausbilden einer ersten Schicht mit einer höheren Dichte, (b) Ausbilden einer zweiten Pulvermaterialschicht auf der ersten Schicht und (c) Sintern eines vorbestimmten Teils der zweiten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines zweiten optischen Strahls zum Ausbilden einer zweiten Schicht mit einer niedrigeren Dichte und Verbinden der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte mit der ersten Schicht mit höherer Dichte und (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) zum Ausbilden eines dreidimensionalen gesinterten Blocks mit mehreren der ersten und zweiten Schichten, wobei bei Ausbildung der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte auf der ersten Schicht mit höherer Dichte a) nach dem Ausbilden der ersten Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke, die einen vorbestimmten Wert überschreitet und die auf eine vorbestimmte Dicke abgeschliffen wird, b) nach dem Ausbilden einer...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts, bei dem ein vorgegebener Gegenstand durch Sintern und Härten pulverförmiger Materialschichten mittels eines optischen Strahls erhalten wird; insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Metallform durch Verbinden mehrerer Laminate aus Metallpulverschichten, die mit einem Laserstrahl gesintert werden.

In dem japanischen Patent Nr. JP 2620353 ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts beschrieben, das als Fotoformen bekannt ist. Gemäß diesem Patent wird ein optischer Strahl L zuerst auf einen vorbestimmten Teil einer Schicht aus Pulvermaterial, das entweder ein organisches Material oder ein anorganisches Material ist, aufgebracht, um eine gesinterte Schicht zu bilden. Die daraus entstehende gesinterte Schicht wird dann mit einer neuen Schicht aus Pulvermaterial bedeckt, und der optische Strahl L wird auf einen vorbestimmten Teil der neuen Schicht aufgebracht, um eine neue gesinterte Schicht zu bilden, die sich mit der darunter liegenden Schicht verbindet. Diese Schritte werden mehrfach durchgeführt, um ein gesintertes Produkt oder ein dreidimensionales Objekt zu bilden, bei dem mehrere gesinterte Schichten fest übereinanderlaminiert werden. Gemäß diesem Verfahren erfolgt die Bestrahlung mit dem optischen Strahl L auf der Basis von Formpro fildaten jeder der Schichten, die durch Schneiden eines aus Auslegungsdaten (CAD-Daten) gebildeten Modells des dreidimensionalen Objekts in eine gewünschte Dicke erhalten werden. Aus diesem Grund kann das oben beschriebene Verfahren ohne CAM-Vorrichtung angewendet werden, um ein dreidimensionales Objekt mit einer beliebigen Form zu herzustellen und ein beliebig gestaltetes Objekt mit einer gewünschten Form zu erhalten, und zwar schneller als es bei Anwendung eines herkömmlichen Schneide- und Bearbeitungsverfahrens der Fall ist.

Bei der Durchführung dieses Verfahren sollten Probleme, wie z. B. Verziehen oder Reißen aufgrund der Formzeiten und innerer Belastung, berücksichtigt werden, das Verfahren sollte jedoch derart durchgeführt werden, dass die notwendigen Teile auf eine höhere Dichte und die übrigen Teile auf eine niedrigere Dichte gesintert werden, statt sämtliche Teile auf dieselbe Dichte zu sintern. Beispielsweise sollten im Falle einer Metallform zum Spritzgießen Oberflächenteile zur Wiedergabe von Objekt- und Rohrteilen für Kühlwasser derart bearbeitet werden, dass sie eine höhere Dichte aufweisen, und die übrigen Teile derart bearbeitet werden, dass sie eine niedrigere Dichte aufweisen.

Die gesinterten Schichten mit einer höheren Dichte weisen aufgrund des fast vollständigen Schmelzens und Verfestigens eine sehr glatte endbearbeitete Oberfläche auf, wodurch Kühlwasserrohre wasserdicht bleiben. Die Schicht aus Pulvermaterial mit einer Dichte von 50 bis 60 % wird jedoch in eine Schicht mit einer höheren Dichte von fast 100 % gesintert, wie die in 16 gezeigte; wenn die Pulvermaterialschicht 10 mit einer Dicke t₀ durch optische Bestrahlung in eine Schicht 11H mit einer höheren Dichte gesintert wird, wird das Oberflächeniveau der Schicht mit der höheren Dichte um eine Differenz [δ] gegenüber dem ursprünglichen Oberflächenniveau der Pulvermaterialschicht verringert

Ferner wird, wenn die Dicke der Pulvermaterialschicht durch eine Absenkung des Trägers 20 bestimmt wird, die Dicke der Pulvermaterialschicht auf einen Wert eingestellt, der größer ist als ein vorbestimmter Wert [t] und ferner, wenn die Pulvermaterialschicht 10 unter einer Sinterbedingung für eine höhere Dichte gesintert wird, die daraus entstehende Oberfläche der Schicht mit höherer Dichte um eine Trägerdifferenz [δa] verringert (die Differenz [δa] ist größer als die Differenz [δ]).

Ferner wird eine weitere Pulvermaterialschicht 10 auf der Schicht 11 mit höherer Dichte ausgebildet und unter einer Bedingung für eine niedrigere Dichte gesintert, um eine Schicht 11L mit niedrigerer Dichte zu bilden. Gemäß 18 erhöht sich in diesem Fall die Dicke der Pulvermaterialschicht 10 um die oben genannte Differenz [δa].

Bei diesem Verfahren ist, da die Optikstrahlbedingung für niedrigere Dichte durch eine vorbestimmte Dicke [t] der Pulvermaterialschicht 10 bestimmt wird, der optische Strahl mit einer vorbestimmten Beschaffenheit nicht in der Lage, die Dicke des Pulvermaterials um eine Differenz [δa] gegenüber einem vorbestimmten Wert [t] bei vollständiger Sinterung zu erhöhen, wodurch der entstehenden Schicht mit niedrigerer Dichte keine ausreichende Haftkraft verliehen werden kann, so dass diese leicht von der Schicht mit höherer Dichte abziehbar ist.

Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die oben beschriebenen Nachteile zu eliminieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mit dem ein dreidimensionales gesintertes Produkt mit guter Haftung zwischen Schichten mit höherer Dichte und Schichten mit niedrigerer Dichte hergestellt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren des oben beschriebenen Typs zu schaffen, das nicht fähig ist, ein dreidimensionales gesintertes Produkt mit einer Schicht mit niedrigere Dichte anzufertigen, das vollständig unter einer vorbestimmten Bedingung für die Schicht mit niedriger Dichte gesintert worden ist.

Zur Lösung der oben genannten und weiterer Aufgaben dienen die Merkmale des Anspruchs 1. Bei einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts vorgesehen, das folgende Schritte umfasst: (a) Sintern eines vorbestimmten Teils einer ersten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines ersten optischen Strahls zum Ausbilden einer ersten Schicht mit einer höheren Dichte, (b) Ausbilden einer zweiten Pulvermaterialschicht auf der ersten Schicht und (c) Sintern eines vorbestimmten Teils der zweiten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines zweiten optischen Strahls zum Ausbilden einer zweiten Schicht mit einer niedrigeren Dichte und Verbinden der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte mit der ersten Schicht mit höherer Dichte und (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) zum Ausbilden eines dreidimensionalen gesinterten Blocks mit mehreren der ersten und zweiten Schichten,
wobei die zweite gesinterte Schicht mit niedriger Dichte über eine zwischen der ersten gesinterten Schicht mit hoher Dichte und der zweiten gesinterten Schicht mit niedriger Dichte angeordnete zusätzliche gesinterte Schicht mit einer mittleren Dichte auf der ersten gesinterten Schicht mit hoher Dichte ausgebildet wird.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die zweite gesinterte Schicht mit niedrigerer Dichte nicht direkt, sondern durch Zwischenschaltung der zusätzlichen Schicht mit mittlerer Dichte auf der ersten gesinterten Schicht mit höherer Dichte ausgebildet, so dass die Verbindungskraft zwischen der Schicht mit höherer Dichte und der Schicht mit niedrigerer Dichte während eines sequentiellen Übergangs von der höheren Dichte zu der niedrigeren Dichte nicht schwächer wird und keine gesinterte Schicht mit einer unzureichenden niedrigeren Dichte ausgebildet wird.

Bei diesem Verfahren kann die zusätzliche gesinterte Schicht mit einer mittleren Dichte mehrere Schichten aufweisen, bei denen die Dichte jeder Schicht proportional zu der Distanz zu der Schicht mit höherer Dichte abnimmt. Eine sanfte Veränderung der Dichte in den Schichten mit mittlerer Dichte kann eine sanfte Veränderung der Charakteristiken von der Schicht mit höherer Dichte zu der Schicht mit niedrigerer Dichte bewirken. In diesem Fall sollte eine geeignete Sinterbedingung entsprechend der Dicke der zu sinternden Pulvermaterialschicht festgelegt werden, so dass die Schicht mit der mittleren Dichte unter einer geeigneten Sinterbedingung ausgebildet werden kann.

Bei einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts mit Schichten mit höherer Dichte und Schichten mit niedrigerer Dichte vorgesehen, die durch Aufbringen eines optischen Strahls auf einen vorbestimmten Teil der Pulvermaterialschichten gesintert werden, wobei eine Pulvermaterialschicht für eine Schicht mit niedrigerer Dichte zumindest auf der obersten Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke ausgebildet wird, die einen normalen vorbestimmten Wert unterschreitet, wobei die Pulvermaterialschicht einem Sinterprozess unter einer Sinterbedingung für die Schicht mit niedrigerer Dichte unterzogen wird.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Pulvermaterial für die Schicht mit niedrigerer Dichte derart schichtweise aufgebracht, dass eine zum Sintern geeignete Dicke erreicht wird. Daher wird, wenn die Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke ausgebildet wird, die einen vorbestimmten Wert unterschreitet, immer eine folgende Pulvermaterialschicht mit einer Dicke aufgebracht, die für eine vorbestimmte Sinterbedingung geeignet ist, so dass die daraus entstehende Schicht mit niedrigerer Dichte eine gute Haftung aufweist.

Bei einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts mit Schichten mit höherer Dichte und Schichten mit niedrigerer Dichte vorgesehen, die durch Aufbringen eines optischen Strahls auf einen vorbestimmten Teil der Pulvermaterialschichten gesintert werden, wobei eine Schicht aus Pulvermaterial für eine Schicht mit höherer Dichte zumindest auf der obersten Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke ausgebildet wird, die einen normalen vorbestimmten Wert unterschreitet, und einem Sinterprozess unter einer Sinterbedingung für die Schicht mit niedrigerer Dichte unterzogen wird.

Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zusätzliche Schicht mit höherer Dichte ausgebildet, mit der die Position zum Ausbilden der Schicht mit niedrigerer Dichte eingestellt wird, selbst wenn eine Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke ausgebildet wird, die einen vorbestimmten Wert unterschreitet, so dass eine folgende Pulvermaterialschicht für die Schicht mit niedriger Dichte derart gesteuert wird, dass sie eine zum Sintern geeignete Dicke aufweist, wodurch eine Schicht mit niedrigerer Dichte mit gutem Haftvermögen ausgebildet wird.

Bei diesem Verfahren kann die Dicke der Pulvermaterialschicht durch das Absenken eines Trägers bestimmt werden, wobei eine daraus entstehende Schicht positioniert wird und eine folgende Pulvermaterialschicht auf der daraus entstehenden Schicht ausgebildet wird. Die zusätzliche Schicht mit höherer Dichte kann ohne Absenkung des Trägers ausgebildet werden. In diesem Fall kann die Zeit zum Absenken des Trägers verringert werden.

Wenn die Schicht mit niedrigerer Dichte auf der Schicht mit höherer Dichte ausgebildet ist, können die Dicke der Pulvermaterialschicht und die Sinterbedingung anhand eines Messergebnisses bezüglich der bereits ausgebildeten Produktdicke und/oder der Antriebslast des Messers zum Vergleichmäßigen der Pulvermaterialschicht bestimmt werden. Mit diesem Verfahren kann eine zu große Dicke des Pulvermaterials für die Schicht mit niedrigerer Dichte zuverlässig vermieden werden.

Bei einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn eine Schicht mit niedrigerer Dichte auf einer Schicht mit höherer Dichte ausgebildet wird, die Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke ausgebildet, die einen vorbestimmten Wert überschreitet, und dann auf die vorbestimmte Dicke abgeschliffen. Daher kann die Dicke des Pulvermaterials für die Schicht mit niedrigerer Dicke auf einen vorbestimmten Wert auf der Oberfläche der Schicht mit höherer Dichte eingestellt werden, die in einer vorbestimmte Höhe angeordnet ist, so dass die Pulvermaterialschicht mittels eines optischen Strahls mit einer geeigneten Beschaffenheit gesintert und die Ausbildung einer Schicht mit niedriger Dichte, die ein schlechtes Haftungsvermögen aufweist, vermieden werden kann.

Wie oben beschrieben, kann erfindungsgemäß die Dicke des Pulvermaterials für die Schicht mit niedrigerer Dichte durch Vorsehen einer Schicht mit mittlerer Dichte, Steuerung der Dicke des Pulvermaterials für die Schicht mit niedrigerer Dichte und Ausbilden einer zusätzlichen Schicht mit höherer Dichte derart gesteuert werden, dass sie einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, so dass ein Ausbilden von Schichten mit niedrigerer Dichte, die ein schlechtes Haftungsvermögen aufweisen, und eine Trennung zwischen der Schicht mit höherer Dichte und der Schicht mit niedrigerer Dichte vermieden werden kann.

Die oben genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnun gen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, besser verständlich.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Efindung;

3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

6A + B schematische Darstellungen eines Schritts zum Messen und eines Schritts zum Einstellen einer Pulvermaterialschicht für eine Schicht mit niedrigerer Dichte;

7A + B schematische Darstellungen eines Schritts zum Messen und eines Schritts zum Einstellen einer Pulvermaterialschicht für eine Schicht mit höherer Dichte;

7C eine grafische Darstellung der Veränderung einer Antriebslast für ein Messer zum Vergleichmäßigen einer Pulvermaterialschicht;

8 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

10 eine Schnittansicht eines daraus entstehenden gesinterten Produkts, das unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist;

11 schematische Seitenansichten zur Darstellung der Schritte zur Herstellung eines dreidimensionalen gesinterten Produkts gemäß der vorliegenden Erfindung;

12 ein Datenflussdiagramm zur Darstellung der Herstellung eines dreidimensionalen gesinterten Produkts gemäß der vorliegenden Erfindung;

13 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;

14 eine schematische Seitenansicht eines Modells mit einer Region mit höherer Dichte;

15A + B Vertikalschnittansichten mehrerer gesinterter Schichten nach der Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung und mehrerer gesinterter Schichten nach dem Entfernen einer Oberflächenregion;

16-18 schematische Seitenansichten mit Darstellung von Problemen, die bei herkömmlichen Verfahren auftreten.

Die vorliegende Anmeldung basiert auf der JP 2004-142427, die hiermit in ihrer Gesamtheit ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können unterschiedliche Arten von Vorrichtungen zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts verwendet werden. Gemäß den Zeichnungen werden diese Ausführungsformen mit einer Vorrichtung ausgeführt, bei der in einem Formtank 25 ein sich auf und ab bewegender Träger 20 angeordnet ist. Das Pulvermaterial wird dem Träger 20 zugeführt, so dass mit Hilfe eines Pressmessers eine Pulvermaterialschicht 10 mit einer vorbestimmten Dicke gebildet wird. Dann wird ein vorbestimmter Teil der Pulvermaterialschicht mit einem von einem optischen Abtastsystem betriebenen optischen Strahl (Laserstrahl) L bestrahlt, um eine gesinterte Schicht 11 zu bilden.

Das Optikstrahlsystem zum Aufbringen eines optischen Strahls weist eine Steuereinrichtung zum Verändern der Abtastteilung und der Abtastgeschwindigkeit auf. Eine gesinterte Schicht mit höherer Dichte kann unter einer Sin terbedingung für hohe Dichte mit einer kleineren Abtastteilung und einer geringeren Abtastgeschwindigkeit ausgebildet werden. Andererseits kann eine gesinterte Schicht mit niedrigerer Dichte unter einer Sinterbedingung für niedrige Dichte mit einer größeren Abtastteilung und einer höheren Abtastgeschwindigkeit ausgebildet werden. Selbstverständlich kann der Ausgang des optischen Strahls gemäß einem vorbestimmten Steuerschema verändert werden.

13 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung weist eine Einheit 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht 10, eine Einheit 3 zum Ausbilden einer gesinterten Schicht 11 und eine Einheit 4 zum Entfernen einer Oberflächenschicht mit niedriger Dichte auf. Mit der Einheit 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht wird die Pulverschicht 10 mit einer gewünschten Dicke Δt1 ausgebildet, und zwar durch Zuführen eines organischen oder anorganischen Pulvermaterials zu einem Sintertisch 20, der sich innerhalb eines Raums, welcher von einem Zylinder umgeben ist, in vertikaler Richtung bewegt, und durch Egalisieren des Pulvermaterials mittels eines Egalisiermessers 21. Der Sintertisch 20 wird von einer Antriebseinheit 5 angetrieben, so dass er sich auf und ab bewegt. Mit der Einheit 3 zum Ausbilden der gesinterten Schicht wird die gesinterte Schicht 11 durch Aufbringen eines von einem Laserstrahlgenerator 30 emittierten Laserstrahls mittels eines optischen Abtastsystems auf die Pulverschicht 10, die einen Deflektor 31 u. dgl. aufweist, ausgebildet. Ein Laseroszillator wird vorzugsweise als Laserstrahlgenerator 30 verwendet. Die Einheit 4 zum Entfernen der Oberflächenschicht umfasst eine XY-Antriebseinheit 40, die auf einem Basisteil der Einheit angebracht ist, und eine Endbearbeitungsmaschine 41, die auf der XY-Antriebseinheit 40 angeordnet ist. Vorzugsweise wird die XY-Antriebseinheit 40 mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung eines Linearmotors angetrieben. Ein Galvanospiegel wird vorzugsweise als Deflektor 31 verwendet. Eine Schneidemaschine, wie z. B. eine Schaftfräs- oder Bohrmaschine, eine Laserstrahlmaschine oder eine Strahlmaschine zum Durchführen einer plastischen Bearbeitung an einem Objekt durch Blasen von gesintertem Pulver auf das Objekt, wird vorzugsweise als Endbearbeitungsmaschine 41 verwendet. Eine Einheit zum Antreiben der Polkoordinaten kann anstelle der XY-Antriebseinheit 40 verwendet werden.

11 zeigt die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung. Dabei wird das organische oder anorganische Pulvermaterial zunächst einer auf dem Sintertisch 20 angeordneten Basis 22 zugeführt, die als Distanzregeleinrichtung zum Regeln der Distanz zwischen der Einheit 3 zum Ausbilden der gesinterten Schicht und einer gesinterten Schicht verwendet wird. Das der Basis 22 zugeführte Pulvermaterial wird dann unter Verwendung des Egalisiermessers 21 egalisiert, um eine erste Pulverschicht 10 zu bilden, und ein optischer Strahl (Laserstrahl) L wird auf einen gewünschten Teil der ersten Pulverschicht 10 aufgebracht, um diese zu sintern, wodurch eine gesinterte Schicht 11 gebildet wird, die mit der Basis 22 verbunden ist.

Danach wird der Sintertisch 20 um ein vorbestimmtes Maß abgesenkt und eine zweite Pulverschicht 10 durch erneutes Zuführen von Pulvermaterial und Egalisieren des Pulvermaterials mit dem Egalisiermesser 21 ausgebildet. Der optische Strahl L wird wieder auf einen gewünschten Teil der zweiten Pulverschicht 10 aufgebracht, um diese zu sintern, wodurch eine weitere gesinterte Schicht 11 ausgebildet wird, die mit der darunter liegenden gesinterten Schicht 11 verbunden ist.

Der Prozess zum Ausbilden einer neuern Pulverschicht 10 nach dem Absenken des Sintertisches 20 und der Prozess des Aufbringens eines optischen Strahls L auf einen gewünschten Teil der neuen Pulverschicht 10 zum Ausbilden einer neuen gesinterten Schicht 11 werden mehrfach durchgeführt, wodurch das dreidimensionale Objekt hergestellt wird. Im wesentlichen kugelförmige Eisenpulverpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 20 μm werden vorzugsweise als Pulvermaterial verwendet, und ein CO₂-Laser strahl wird vorzugsweise als optischer Strahl verwendet. Die bevorzugte Dicke Δt1 jeder Pulverschicht 10 beträgt ungefähr 0,05 mm

12 zeigt ein schematisches Datenflussdiagramm der vorliegenden Erfindung. Dieses Datenflussdiagramm zeigt die Herstellung eines gewünschten dreidimensionalen CAD-Modells mit zwei Arten von Daten, nämlich solchen, die einen Weg für die Laserbestrahlung anzeigen, und solche, die einen Weg für den Schneidevorgang anzeigen. Diese Wege werden mittels zuvor erstellter CAD-Daten für dreidimensionale Objekte zum Anzeigen der gewünschten Gestaltung erzeugt.

Der Weg für die Laserbestrahlung ist im wesentlichen der gleiche wie bei dem herkömmlichen Formverfahren, bei dem die Zielform von Konturdaten für jeden Abschnitt definiert wird, der durch Schneiden von STL-Daten mit gleicher Teilung (bei dieser Ausführungsform 0,05 mm), welche aus dem dreidimensionalen CAD-Modell erzeugt worden sind, erhalten worden ist. Die Konturdaten werden mit den Laserbestrahlungsbedingungen (Abtastgeschwindigkeit, Lichtfleckgröße, Leistung u. dgl.) hinzugefügt, um neue Daten zu erstellen, die wiederum in dem Endbearbeitungsprozess verwendet werden.

Der Schneideweg ist ein Weg, der unter Berücksichtigung des Durchmessers, des Typs, der Vorschubrate, der Drehgeschwindigkeit etc. des für die computerunterstützte Herstellung verwendeten Endbearbeitungswerkzeugs erhalten wird. Die diesen Weg anzeigenden Daten werden ebenfalls für den Endbearbeitungsprozess verwendet.

Die den Weg für die Laserbestrahlung anzeigenden Daten werden in einem Lasersinterprozess verwendet, während die den Schneideweg anzeigenden Daten in einem Hochgeschwindigkeits-Schneideprozess verwendet werden. Diese beiden Prozesse werden mehrfach durchgeführt, um das Zielobjekt fertig zu stellen.

Vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung mit dem optischen Strahl derart, dass zumindest die Oberflächenregion des dreidimensionalen Objekts derart gesintert wird, dass diese eine hohe Dichte (z. B. eine Porosität von weniger als 5 %) aufweist. Der Grund dafür ist, dass selbst wenn die Oberflächenschicht von der Einheit 4 zum Entfernen der Oberflächenschicht entfernt worden ist und die Oberflächenregion eine niedrige Dichte hat, die nach dem Entfernen der Oberfläche freiliegende Oberfläche immer noch porös ist. Entsprechend werden die Modelldaten in Daten für die Oberflächenregion S und Daten für die Innenregion N unterteilt, wie in 14 gezeigt, und der optische Strahl wird unter den Bedingungen aufgebracht, bei denen die Innenregion N porös wird und die Oberflächenregion S beim Schmelzen eines Großteils des darin enthaltenen Pulvermaterials eine hohe Dichte erhält.

In 15A bezeichnet das Bezugszeichen 12 eine Region mit hoher Dichte und das Bezugszeichen 16 eine Oberflächenschicht mit niedriger Dichte, die durch das Anhaften des Pulvermaterials gebildet worden ist, wie oben beschrieben. Der Innenbereich innerhalb der Region 12 mit hoher Dichte hat eine Dichte, die kleiner ist als die der Region 12 mit hoher Dichte, jedoch größer als die der Oberflächenschicht 16 mit niedriger Dichte.

Bei der Ausbildung mehrerer gesinterter Schichten 11 wird, wenn die Gesamtdicke der gesinterten Schichten einen spezifischen Wert erreicht, der z. B. anhand der Länge des Fräskopfs 41 bestimmt worden ist, die Einheit 4 zum Entfernen der Oberflächenschicht aktiviert, um die Oberfläche des dreidimensionalen Objekts, das dann ausgebildet worden ist, zu schneiden. Beispielsweise kann mit einem Werkzeug (Schaftfräse mit runder Stirn) des Fräskopfs 41 mit einem Durchmesser von 1 mm und einer effektiven Messerlänge von 3 mm eine Schneidtiefe von 3 mm erzielt werden. Entsprechend wird, wenn die Dicke Δt1 der Pulverschicht 10 0,05 mm beträgt, die Einheit 4 zum Entfernen der Oberflächenschicht aktiviert, wenn sechzig gesinterte Schichten 11 ausgebildet worden sind.

Gemäß 15A kann eine solche Einheit 4 zum Entfernen der Oberflächenschicht die Oberflächenschicht 16 mit niedriger Dichte entfernen, die durch Anhaften des Pulvers an der Oberfläche des geformten Objekts erzeugt worden ist, und gleichzeitig einen Teil der Region 12 mit hoher Dichte wegschneiden, wodurch die Region 12 mit hoher Dichte über die gesamte Oberfläche des geformten Objekts frei liegt, wie in 15B gezeigt. Zu diesem Zweck werden die gesinterten Schichten 11 mit einer Größe gestaltet, die die einer gewünschten Gestaltung M geringfügig überschreitet.

Beispielsweise wird, wenn der optische Strahl L unter den nachstehend aufgeführten Bedingungen entlang der gewünschten Konturlinie aufgebracht wird, die horizontale Abmessung (Breite) jeder gesinterten Schicht 11 um ungefähr 0,3 mm größer als die der gewünschten Gestaltung M.

Laserleistung:	200 W
Laserfleckdurchmesser:	0,6 mm
Abtastgeschwindigkeit:	50 mm/s

Die übermäßige Dicke in vertikaler Richtung kann der in horizontaler Richtung gleich sein oder sich von dieser unterscheiden. Die Vertikalabmessung der Gestaltung der gesinterten Schichten 11 wird durch Modifizieren der die Vertikalabmessung der gewünschten Gestaltung M anzeigenden Originaldaten erhalten. Wenn das Schneiden mit einer Schaftfräse mit runder Stirn mit einem Durchmesser von 1 mm erfolgt, werden die Schneidtiefe, die Vorschubrate und die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs vorzugsweise auf 0,1–0,5 mm, 5–50 m/min bzw. 20.000–100.000 UpM eingestellt.

Gemäß 1 wurden auf dem Träger 20 zwei gesinterte Schichten 11H, 11H mit höherer Dichte unter einer Sinterbedingung für hohe Dichte, wie z. B. einer Laserleistung von 200 W, einer Abtastteilung von 0,2 mm und einer Ab tastgeschwindigkeit von 50 mm/s ausgebildet. Danach wurde mit dem optischen Strahl L eine Zwischenschicht 11M unter einer Sinterbedingung für mittlere Dichte, wie z. B. einer Laserleistung von 200 W, einer Abtastteilung von 0,3 mm und einer Abtastgeschwindigkeit von 100 mm/s ausgebildet und dann eine Schicht 11L mit niedrigerer Dichte mit dem optischen Strahl unter einer Sinterbedingung für niedrige Dichte, wie z. B. einer Laserleistung von 200 W, einer Abtastteilung von 0,5 mm und einer Abtastgeschwindigkeit von 300 mm/s ausgebildet. Selbst wenn die Pulvermaterialschicht 10 eine größere Dicke aufweist als die für die Sinterbedingung für niedrigere Dichte, reicht bei diesem Beispiel die Sinterbedingung für mittlere Dichte aus, um die Pulvermaterialschicht mit der größeren Dicke zu bilden, die vollständig gesintert wird, wodurch eine Trennung zwischen der Schicht 11M mit mittlerer Dichte und der Schicht 11H mit höherer Dichte verhindert wird.
Gemäß 2 kann die Zwischenschicht mit mittlerer Dichte mehrere Schichten 11Ma, 11Mb und 11Mc aufweisen, deren Sinterbedingungen entsprechend der Distanz zu der Schicht mit niedrigeren Dichte abnehmen. Beispielsweise gilt für die Schicht 11Ma mit mittlerer Dichte, die näher an der Schicht 11H mit der höheren Dichte liegt, z. B. folgende Sinterbedingung: Laserleistung 200 W, Abtastteilung 0,3 mm, Abtastgeschwindigkeit 100 m/s, und für die Schicht 11Mb mit mittlerer Dichte z. B. folgende Sinterbedingung: Laserleistung 200 W, Abtastteilung 0,35 mm, Abtastgeschwindigkeit 150 mm/s, während für die Schicht 11 Mc mit mittlerer Dichte, die näher an der Schicht 11L mit der niedrigeren Dichte liegt, z. B. folgende Sinterbedingung gilt: Laserleistung 200 W, Abtastteilung 0,4 mm, Abtastgeschwindigkeit 200 mm/s. Bei derselben Bedingung hinsichtlich Laserleistung und Abtastteilung wie bei der Sinterbedingung für niedrigere Dichte kann die Abtastgeschwindigkeit mit einem höheren Wert gesteuert werden, wenn sich die Schichten der Schicht mit niedriger Dichte nähern.
Gemäß 3 kann nach Ausbildung der Schicht mit höherer Dichte die Differenz δa zwischen der Pulvermaterialschicht und der Schicht mit höherer Dich te mit einer Sonde P zur Höhenmessen gemessen werden und kann ferner die Dicke (t + δa) der folgenden Pulvermaterialschichten gemessen und dann entsprechend dem Messergebnis eine Sinterbedingung für die Schichten 11M mit mittlerer Dichte bestimmt werden. Eine geeignete Bedingung für die Schicht mit mittlerer Dichte kann anhand von Versuchsdaten etc. vorbestimmt werden.
Gemäß 4 kann ferner bei Ausbildung einer Schicht 11L mit niedrigerer Dichte auf der Schicht 11H mit höherer Dichte die Absenkung (einschließlich Null) des Trägers 20 auf einen kleinerer Wert als einen vorbestimmten Wert (t) eingestellt werden, wodurch die folgende Pulverschicht unter der Sinterbedingung für niedrigere Dichte eine geeignete Dicke für die Schicht 11L mit niedrigerer Dichte erhält.
Gemäß 5 wird ferner zum Ausgleichen der Differenz δa zwischen der Pulvermaterialschicht 10 und der Schicht 11H mit höherer Dichte nach dem Sintern der Schicht mit höherer Dichte der Träger nicht abgesenkt oder um einen kleineren Betrag als einen vorbestimmten Wert (t) abgesenkt und Pulvermaterial zum Füllen des Zwischenraums zugeführt. Unter dieser Bedingung wird eine zusätzliche Schicht 11H' mit höherer Dichte ausgebildet, um die Differenz auszugleichen, und dann kann eine Schicht mit niedrigerer Dichte unter einer Sinterbedingung für niedrigere Dichte ausgebildet werden. Im Falle einer größeren Differenz können unter Anwendung der oben beschriebenen Vorgehensweise mehrere zusätzliche Schichten mit höherer Dichte ausgebildet werden. Die Dicke der zusätzlichen Schichten mit höherer Dichte kann allmählich dünner werden, und schließlich wird eine Schicht mit niedrigerer Dichte ausgebildet. In 5 bezeichnet das Bezugszeichen 21 ein Pressmesser.
Gemäß 6A kann ferner, wenn die Differenz zwischen der Pulverschicht 10 und der Schicht 11H mit höherer Dichte gemessen wird, der nächste Schritt entsprechend dem Messergebnis aus folgenden Schritten ausgewählt werden: a) eine Schicht 11L mit niedrigerer Dichte wird nach dem Ausbilden der zu sätzlichen Schicht 11H' mit höherer Dichte ausgebildet, oder b) eine Schicht 11L mit niedrigerer Dichte wird direkt ohne die zusätzliche Schicht 11H' auf der Schicht 11H mit höherer Dichte ausgebildet. Im Falle einer größeren Differenz δa wird gemäß 6B eine Pulvermaterialschicht ohne Absenken des Trägers 20 ausgebildet und wird die Pulvermaterialschicht in eine Schicht 11H' mit höherer Dichte gesintert, um die Differenz zu verkleinern. Im Falle einer kleineren Differenz δa wird der Träger 20 abgesenkt, das Pulvermaterial zugeführt und die Schicht 11L mit niedrigerer Dichte ausgebildet.
Gemäß 7 kann die Differenz δa mittels einer Antriebslast F des Messers 21 zum Egalisieren des Pulvermaterials gemessen werden. Im Falle einer kleineren Last F, die einer in 7 gezeigten großen Differenz gleich ist, wird die nächste Pulvermaterialschicht ohne Absenken des Trägers 20 ausgebildet. Im Falle einer größeren Last F, die der in 7B gezeigten kleinen Differenz gleich ist, wird die nächst Pulvermaterialschicht mit einer gewissen Absenkung des Trägers 20 ausgebildet.
Gemäß 7C wird durch eine große Last des Messers 21 der Strom des Antriebsmotors entsprechend der Last vergrößert, während eine kleine Last den Strom verkleinert und sich der Wert dem niedrigsten Antriebswert annähert. Daher erfährt das Messer, wenn es über die gesinterte Oberfläche geführt wird, normalerweise einen Widerstand aufgrund der Oberflächenrauhigkeit. Wenn das Messer über die Oberfläche geführt wird, wird es jedoch nicht mit einer Last beaufschlagt. Gemäß 7C wird der Stromwert daher während der konstanten Bewegung überwacht und gemäß einem Vergleich zwischen dem so erhaltenen Stromwert und einem vorbestimmten Wert ist es erforderlich zu bestimmen, ob der Träger 20 abgesenkt werden muss oder nicht.
Gemäß 8 kann ferner, wenn die zu sinternde Schicht von der Schicht mit höherer Dichte in die Schicht mit niedrigerer Dichte verändert wird, das Maß der Absenkung des Trägers 20 von einem vorbestimmten Wert t (50 μm) auf einen kleineren Wert ts (z. B. 20 μm) verändert werden und eine Pulvermate rialschicht unter einer Sinterbedingung für eine niedrige Dichte ausgebildet und gesintert werden, um die Schicht 11L mit niedrigerer Dichte zu bilden.
Gemäß 9 kann ferner, wenn die zu sinternde Schicht von der Schicht mit höherer Dichte in die Schicht mit niedrigerer Dichte verändert wird, eine Schicht 11H mit höherer Dichte, deren Dicke einen vorbestimmten Wert geringfügig übersteigt, ausgebildet und auf einen vorbestimmten Wert abgeschliffen werden und dann eine Pulvermaterialschicht ausgebildet und unter einer Sinterbedingung für eine niedrige Dichte gesintert werden, um die Schicht 11L mit niedrigerer Dichte zu bilden.
Obwohl die Sinterbedingungen für hohe, mittlere und niedrige Dichte als typische Beispiele gezeigt sind, kann bei jedem Beispiel eine gesinterte Schicht Teile mit höherer Dichte und Teile mit niedrigerer Dichte aufweisen. Gemäß 10 wird eine gesinterte Schicht, die einen Teil mit niedrigerer Dichte aufweist, auf einer anderen gesinterten Schicht, die einen Teil mit höherer Dichte aufweist, ausgebildet. In 10 bezeichnet das Bezugszeichen M einen Teil mit mittlerer Dichte.
Bei der vorliegenden Erfindung kann als anorganisches Pulvermaterial eine Eisenpulvermischung, wie z. B. eine Mischung aus Eisenpulver mit einem Anteil von 50 Gewichtsprozent, und NE-Pulver, das aus Nickel, Nickellegierung, Kupfer und Kupferlegierung ausgewählt ist, verwendet werden.
Die typische Mischung weist eine Cr-Mo-Fe-Legierung mit einem Anteil von 70 bis 90 Gewichtsprozent, eine P-Cu- oder Mn-Cu-Legierung mit einem Anteil von 5 bis 30 Gewichtsprozent und Nickel mit einem Anteil von 0 bis 10 Gewichtsprozent auf. Die durchschnittliche Korngröße liegt zwischen 0,1 bis 200 μm, vorzugsweise zwischen 1 bis 100 μm, besser noch zwischen 5 bis 50 μm. Die vorliegende Erfindung ist auch auf organisches Pulvermaterial anwendbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass für Fachleute auf dem Sachgebiet zahlreichen Änderungen und Modifikationen offensichtlich sind. Daher sollten diese Änderungen und Modifikationen als zu der Erfindung gehörend betrachtet werden, sofern sie nicht von der Wesensart und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts, mit folgenden Schritten: (a) Sintern eines vorbestimmten Teils einer ersten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines ersten optischen Strahls zum Ausbilden einer ersten Schicht mit einer höheren Dichte, (b) Ausbilden einer zweiten Pulvermaterialschicht auf der ersten Schicht und (c) Sintern eines vorbestimmten Teils der zweiten Pulvermaterialschicht durch Aufbringen eines zweiten optischen Strahls zum Ausbilden einer zweiten Schicht mit einer niedrigeren Dichte und Verbinden der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte mit der ersten Schicht mit höherer Dichte und (d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) zum Ausbilden eines dreidimensionalen gesinterten Blocks mit mehreren der ersten und zweiten Schichten, wobei bei Ausbildung der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte auf der ersten Schicht mit höherer Dichte a) nach dem Ausbilden der ersten Schicht mit höherer Dichte mit einer Dicke, die einen vorbestimmten Wert überschreitet und die auf eine vorbestimmte Dicke abgeschliffen wird, b) nach dem Ausbilden einer zusätzlichen Zwischenschicht mit einer Dichte, die der der ersten Schicht mit höherer Dichte gleich oder kleiner als diese ist, auf der Schicht mit höherer Dichte, die auf eine Dicke gesintert wird, welche einen vorbestimmten Wert unterschreitet, oder c) direkt auf der Schicht mit höherer Dichte eine Pulvermaterialschicht für die Schicht mit niedrigerer Dichte mit einer vorbestimmten Dicke ausgebildet wird, um eine für die Sinterbedingung geeignete Dicke zu erreichen, und dann gesintert wird, um die Schicht mit niedrigerer Dichte zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem die zusätzliche Zwischenschicht eine gesinterte Schicht mit mittlerer Dichte ist und mehrere Schichten aufweist, deren Dichte entsprechend der Position der Schicht von der höheren Dichte zu der niedrigeren Dichte abnimmt.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Sinterbedingung für die Zwischenschicht entsprechend der Dicke der Pulvermaterialschicht festgelegt wird.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem eine Pulvermaterialschicht, deren Dicke einen vorbestimmten Wert unterschreitet, auf der oberen Schicht zwischen den Schichten mit höherer Dichte ausgebildet und unter einer Sinterbedingung für die Schicht mit niedrigerer Dichte gesintert wird, um eine Schicht mit niedrigerer Dichte zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem eine Pulvermaterialschicht, deren Dicke einen vorbestimmten Wert unterschreitet, auf der oberen Schicht zwischen den Schichten mit höherer Dichte ausgebildet und unter einer Sinterbedingung für die Schicht mit höherer Dichte gesintert wird, um eine Schicht mit höherer Dichte zu bilden, und dann eine Schicht mit niedrigerer Dichte auf der Schicht mit höherer Dichte ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem eine Pulvermaterialschicht, deren Dicke einen vorbestimmten Wert unterschreitet, auf der oberen Schicht der Schichten mit höherer Dichte ausgebildet wird und die Dicke der Pulvermaterialschicht durch das Maß an Absenkung eines Trägers an der Stelle, an der die Pulvermaterialschicht ausgebildet wird, bestimmt wird und eine zusätzliche Pulvermaterialschicht ohne Absenkung des Trägers ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem bei Ausbildung der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte auf der ersten Schicht mit höherer Dichte die Position der Schicht mit niedrigerer Dichte gemessen wird und entsprechend dem Messergebnis die Dicke und die Sinterbedingung für die folgende Pulvermaterialschicht festgelegt wird.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem bei Ausbildung der zweiten Schicht mit niedrigerer Dichte auf der ersten Schicht mit höherer Dichte die Antriebslast eines Messers zum Egalisieren der Pulvermaterialschicht gemessen wird und entsprechend dem Messergebnis die Dicke und die Sinterbedingung für die folgende Pulvermaterialschicht festgelegt wird.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen gesinterten Produkts nach Anspruch 1, bei dem das dreidimensionale gesinterte Produkt eine Metallform ist und aus einem Pulvermaterial mit einer durchschnittlichen Korngröße von 0,1 bis 200 Mikrometern gefertigt ist und Eisenpulver und ein oder mehr NE-Pulver, die aus Nickel, Nickellegierung, Kupfer und Kupferlegierung ausgewählt sind, aufweist.