EP4149704A1

EP4149704A1 - Verfahren und vorrichtung zur additiven fertigung eines werkstücks

Info

Publication number: EP4149704A1
Application number: EP21736038.7A
Authority: EP
Inventors: Jan Franck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-03-22
Also published as: CA3183449A1; CN115768575A; WO2021229457A1; US20230226608A1

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere in Form eines Pulverbettverfahrens, wobei Körner eines Pulvers unter Verwendung eines Bindemittels untereinander verbunden werden, wobei als Bindemittel ein hitzeaushärtbarer Klebstoff verwendet wird, der nicht selektiv aufgetragen wird, sondern schichtweise, und der durch eine gesteuerte Energiequell, insbesondere einen Laser mit einem gesteuerten Laserstrahl, aktiviert und ausgehärtet wird und dabei jeweils benachbarte Körner des Pulvers verbindet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere in Form eines Pulverbettverfahrens, wobei Körner eines Pulvers unter Verwendung eines Bindemittels untereinander verbunden werden.

Im Stand der Technik ist als 3D-Druckverfahren vor allem das sogenannte Binder Jetting bekannt, wobei mit einem Tintenstrahldrucker ein Bindemittel auf eine Schicht eines Pulvers oder Granulats aufgedruckt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das Bindemittel eine gewisse Aushärtezeit beansprucht, so dass die Fertigungsgeschwindigkeit begrenzt ist. Diese eingeschränkte Fertigungsgeschwindigkeit resultiert u.a. auch daraus, dass das verdruckte Bindemittel üblicherweise thermisch gehärtet werden muss, damit das gedruckte Bauteil eine gewisse Bearbeitungshärte hat, aus dem Pulverbett entnommen und gesäubert werden kann und anschließend in einem Ofen gebrannt und/oder gesintert wird.

Andererseits ist auch das sogenannte Selektive Lasersintem bekannt, wobei Partikel eines Pulvers aus einem bevorzugt metallischen Material ohne Verwendung eines Bindemittels unmittelbar versintert werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass dabei die zu versintemden Partikel etwa auf ihren Schmelzpunkt erhitzt werden müssen, der bei metallischen Materialien in der Größenordnung von 1.000 °C oder darüber liegt, so dass eine erhebliche Energiemenge mittels Laserstrahlen eingesetzt werden muss. Dies wiederum erfordert die Verwendung eines leistungsstarken und damit teuren Lasers, und auch der Energieverbrauch ist relativ hoch, was insbesondere im Hinblick auf den Schutz der Umwelt als ungünstig anzusehen ist. Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass damit eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erreichbar ist bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch.

Die Lösung dieses Problems gelingt im Rahmen eines gattungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass als Bindemittel ein hitzeaushärtbarer Klebstoff verwendet wird, also entweder ein unter Hitzeeinwirkung aushärtbarer Klebstoff oder ein unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff, wobei dieser hitzeaushärtbarer Werkstoff nicht selektiv, sondern schichtweise aufgetragen wird und nach dem Auftrag jeder Schicht selektiv aktiviert und ausgehärtet wird oder selektiv geschmolzen wird und beim Abkühlen erhärtet, und dabei jeweils benachbarte Körner des Pulvers verbindet.

Hierbei ist einerseits die zum Verbinden der Partikel benötigte Temperatur weitaus niedriger als die Schmelz- oder Sintertemperatur von Metallen, so dass Energie eingespart werden kann. Andererseits kann das thermische Aushärten quasi unverzögert erfolgen, so dass hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreicht werden können. Der verwendete Klebstoff wird also nicht wie im Stand der Technik selektiv aufgetragen, sondern großflächig aufgetragen, d.h. ausnahmslos auf der ganzen Fläche des Pulverbettes, und er wird nur selektiv, also insbesondere nur dort, wo später das Werkstück sein soll, ausgehärtet, insbesondere thermisch ausgehärtet. Der hitzehärtbare Klebstoff kann bereits mit dem Pulver vermischt sein, oder jenes ist mit dem hitzehärtbaren Klebstoff getränkt oder beschichtet. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht an die begrenzte Qualität und Druckgeschwindigkeit von Druckköpfen gebunden; Der Klebstoff kann auch direkt auf das trocken bzw. ohne Bindemittel aufgetragene Pulver in dem Pulverbett aufgesprüht werden. Bevorzugt erfolgt der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels Wellen, insbesondere mittels elektromagnetischer Wellen, beispielsweise mittels Mikrowellen, UV-Strahlen, Licht, polarisiertem Licht, monochromatischem Licht, od. dgl. Da der erfindungsgemäße Klebstoff infolge eines Wärmeeintrags härtet, sind dabei energiereiche Strahlen im Allgemeinen zu bevorzugen, bspw. Infrarotstrahlung.

Eine erste Möglichkeit zum selektiven Erhitzen der Bereiche des späteren Werkstücks besteht darin, dass der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels eines oder mehrerer Masken und/oder Blenden erfolgt, welche die betreffende Strahlung in unerwünschten Bereichen ausmaskiert. Diese Technik erlaubt die Verwendung eines nicht fokussierten Strahls, bspw. von Wärme- oder Infrarot-Strahlung, wie sie von einer geeigneten Strahlungsquelle, bspw. einer Infrarotlampe, emittiert wird. Die zwischen der Strahlungsquelle und der zu bestrahlenden Pulverschicht angeordneten Masken und/oder Blenden dienen dazu, für jede Schicht einen Bereich der obersten Pulverschicht selektiv auszumaskieren, der nicht zu dem Werkstück gehört. Bei diesem Verfahren ist im Allgemeinen für jede Schicht eine individuell anzufertigende Maske oder Blende erforderlich.

Die Erfindung empfiehlt, Wellen, insbesondere elektromagnetische Wellen, in Form einer gerichteten Strahlung zu verwenden, damit der Energieeintrag gezielt auf bestimmte Bereiche des Pulvers mit dem hitzehärtbaren Klebstoff oder mit dem Schmelzklebstoff gerichtet werden kann. Dabei kann insbesondere ein fokussierter Strahl, vorzugsweise ein für jede Schicht individuell fokussierter und/oder gesteuerter Strahl, bspw. ein Röntgen- oder Gamma-Strahls, sehr präzise ausgerichtet werden.

Erfindungsgemäß kann jede Schicht selektiv durch einen Laser mit einem gesteuerten Laserstrahl aktiviert und ausgehärtet werden. Ein Laserstrahl ist in höchstem Maße fokussiert und daher besonders gut für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Als Laser kommen in Betracht Gaslaser wie Kohlendioxid-Laser, Helium-Neon-Laser, Excimer-Laser, Metalldampf-Laser, oder Flüssigkeitslaser wie Farbstoff-Laser, aber auch Festkörperlaser wie z.B. Halbleiterlaser, Laser mit dotiertem Glas oder Yttrium- Aluminium-Granat-Laser, Nd:YAG-Laser, Titan:Saphir-Laser, Farbzentrenlaser oder auch Laser auf der Basis von Titan, Chrom oder Neodym. Von der Geometrie her eignen sich u.a. Stablaser, Slablaser, Faserlaser und Scheibenlaser.

Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Leistung des Lasers derart gesteuert, insbesondere begrenzt wird, dass davon die Körner des Pulvers weder geschmolzen noch angeschmolzen oder gesintert werden. Dadurch wird einerseits Energie gespart, andererseits findet der Klebstoff ein strukturstabiles Substrat vor und kann sich jenem optimal anpassen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich gemäß einer ersten Ausführungsform realisieren, indem als unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff ein Heiß- oder Schmelzklebstoff verwendet wird, vorzugsweise ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer, denn thermoplastische Materialien schmelzen bei Erhitzung oberhalb ihrer Schmelztemperatur und können beim anschließenden Erkalten benachbarte Pulverpartikel miteinander verbinden, ohne dass jene Partikel geschmolzen oder gesintert werden.

Ein solcher Heiß- oder Schmelzklebstoff kann aus der Gruppe ausgewählt sein bestehend aus Polyamiden (PA), Polyethylen (PE), amorphen Polyalphaolefinen (APAO), Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (EVAC), Polyester-Elastomeren (TPE-E), Polyurethan-Elastomeren (TPE-U), Copolyamid-Elastomeren (TPE-A) und Vinylpyrrolidon/Vinylacetat- Copolymeren sowie Mischungen daraus.

Als hitzeaushärtbarer Klebstoff kann andererseits auch ein reaktiver Schmelzklebstoff verwendet werden, insbesondere ein reaktiver Schmelzklebstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyurethan (PUR), Epoxid und Polysiloxanen (Sl) sowie Mischungen daraus. Insbesondere sind reaktive Schmelzklebstoffe in der Lage, durch eine thermisch ausgelöste, chemische Reaktion ihre chemische Struktur zu verändern, insbesondere durch eine (weitergehende) Vernetzung ihrer Polymerstruktur, unter Bildung eines Materials mit einem erhöhten Schmelzpunkt. Solche Schmelzklebstoffe zählen überwiegend zu den Duroplasten. Die Erfindung empfiehlt, dass ein Pulver aus Partikeln verwendet wird, welche mit dem hitzeaushärtbaren Klebstoff überzogen sind. Solchenfalls kann der Verfahrensgang des Aufdruckens eines Bindemittels eingespart werden. Eine andere Vorgehensweise wäre, ein Bindemittel in Granulatform zu verwenden und jenes mit den Körnern des Pulvers zu vermischen. Demgegenüber hat jedoch die Verwendung von Körnern eines Pulvers mit einem Überzug aus einem hitzeaushärtbaren Klebstoff den Vorteil, dass nicht aktivierte und daher nicht ausgehärtete Pulver-Bindemittel-Anteile beim Entformen eines fertigen Werkstücks entfernt und wiederverwendet werden können. Eine andere Möglichkeit, wie das Bindemittel in einer feinen Verteilung in das Pulver verbracht werden kann, besteht darin, dass dem Pulver Partikelbestandteile aus dem Bindemittel, insbesondere dem besagten hitzeaushärtbaren Klebstoff, beigemengt sind. Diese Partikelbestandteile sollten hinreichend fein gemahlen oder gesiebt sein, vergleichsweise mit einem vergleichbaren Mahl- oder Siebgrad wie das Pulver selbst.

Eine weitere Möglichkeit, das Bindemittel in die oberste Pulverschicht einzubringen, ist, nach dem Auftrag einer Pulverschicht auf diese ein Bindemittel in flüssiger Form aufzusprühen. Insbesondere nicht ausgehärtete bzw. noch reaktive, hitzehärtbare Duroplast-Harze können in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst sein oder als Emulsion oder Suspension fein verteilt sein. Auch kalte Thermoplastpartikel können als Suspension auf diesem Weg aufgetragen werden.

Bei den Körnern kann es sich um ein Pulver aus einem organischen Material handeln, oder um ein Pulver aus einem anorganischen Material, insbesondere aus Metall. Das zu verwendende Pulver kann einerseits nach den Anforderungen an das fertige Produkt ausgewählt werden, sowie andererseits mit den Eigenschaften des Bindemittels optimal kombiniert werden. Die Erfindung empfiehlt jedoch die Verwendung eines Pulvers mit Partikeln aus einem anorganischen Material oder aus Metall, wobei die Partikel von einem organischen Bindemittel überzogen sind. Diese Vorgehensweise ist im Allgemeinen deshalb von Vorteil, weil die Schmelz- oder Sintertemperatur von anorganischen Materialien wie Metall, Keramik, etc. zumeist deutlich höher liegt als der Schmelz- oder Erweichungspunkt eines organischen Materials, oder die Reaktionstemperatur eines reaktiven Harzes, so dass beim Abbinden des erfindungsgemäß empfohlenen Bindemittels das eigentliche Pulver im festen Aggregatszustand verbleibt und beim Aushärten des Klebstoffs durch diesen oberflächlich intensiv benetzt werden kann, bzw. als Partikel in der Klebstoff-Matrix verbleibt.

Schließlich ist es darüber hinaus auch denkbar, ein so hergestelltes Werkstück nachträglich zu veredeln, beispielsweise durch ein pauschales Erhitzen oder durch einen Überzug und/oder eine Oberflächenbearbeitung, etc.

Eine additive Fertigungsvorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks, insbesondere anhand eines Pulverbettverfahrens, wobei Körner eines Pulvers unter Verwendung eines Bindemittels untereinander verbunden werden, zeichnet sich aus durch eine steuerbare thermische Energiequelle, womit ein ganzflächig, d.h. unselektiv aufgetragenes Bindemittel, insbesondere ein unter Hitzeeinwirkung aushärtbarer Klebstoff oder ein unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff, schichtweise in selektierten Regionen aktiviert und ausgehärtet wird, wobei jeweils benachbarte Körner des Pulvers verbunden werden.

Damit erfolgt nicht der Auftrag des Bindemittels selektiv, sondern nur dessen thermische Aushärtung. Für einen derartigen, lokalen bzw. selektiven Energieeintrag ist im Allgemeinen weniger Energie erforderlich als für einen globalen bzw. unselektiven Energieeintrag. Da andererseits nur das im Allgemeinen organische Bindemittel auf dessen Abbindetemperatur erhitzt werden muss und nicht das bevorzugt anorganische Pulver selbst auf dessen Schmelz- oder Sintertemperatur, ist auch insgesamt ein deutlich niedrigeres Temperatumiveau erforderlich, so dass bei einer solchen Fertigungstechnologie ein erhebliches Maß an Energie eingespart werden kann. Eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung zeichnet sich im Rahmen einer ersten Ausführungsform aus durch eine Lichtquelle für Licht oder infrarote Strahlung, deren Lichtstrahlen mittels einer Maske oder Blende selektiv auf ausgewählte Bereiche der obersten Pulverschicht gesteuert werden. Da hierbei unerwünschte Bereiche des Pulverbettes durch die Maske oder Blende abgeschattet werden, ist keine Fokussierung des Lichtes oder der infraroten Strahlung erforderlich; eine komplexe oder gar steuerbare Optik ist daher nicht erforderlich.

Allerdings müssen im Allgemeinen für unterschiedliche Pulverschichten auch verschiedene Masken oder Blenden verwendet werden. Deshalb empfiehlt die Erfindung in diesem Fall eine Einrichtung, um die Maske mit den ausgewählten Bereichen der jeweils obersten Lage des Werkstück-Halbfabrikats beim Aufbau einzelner, mehrerer oder aller Schichten zu wechseln. Sofern dies unter thermischen Aspekten möglich ist, könnten unterschiedliche Blenden oder Masken z.B. auf einem ansonsten transparenten Film angeordnet sein, der sodann bei jeder neuen oder geometrisch anders zu gestaltenden Schicht des Werkstück-Halbfabrikats um jeweils eine Masken- oder Blendenlänge weitergespult wird. Damit sich die ausmaskierten Bereiche dieser Maskenoder Blendenvorlagen nicht übermäßig erhitzen, könnte dafür ein bspw. thermische Strahlung reflektierendes Material verwendet werden, z.B. eine metallische Schicht, z.B. aus Silber, oder ein geeignetes Material auf Basis einer Nano-Thermochrom-Beschichtung, z.B. eine Beschichtung aus Nano- Silber.

Eine andere Möglichkeit zur Realisierung der Erfindung bieten Laser mit einem steuerbaren Laserstrahl, womit ein hitzeaushärtbarer Klebstoff schichtweise durch den Laserstrahl aktiviert und ausgehärtet wird, wobei jeweils benachbarte Körner des Pulvers verbunden werden.

Dabei ist ein erfindungsgemäßer Laser ein bevorzugtes Mittel, um den hitzeaushärtbaren Werkstoff in kürzester Zeit zu aktivieren und zum Abbinden zu veranlassen. Da andererseits die zu eben jener Aktivierung erforderliche Temperatur weitaus niedriger ist als die Schmelz- oder Sintertemperatur von Metallen, benötigt ein solcher Laser eine deutlich niedrigere Energie als im Fall des Selektiven Lasersintems. Denn dabei kann die Leistung des Lasers derart gesteuert, insbesondere begrenzt sein, dass davon die Körner des Pulvers weder geschmolzen noch angeschmolzen oder gesintert werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Laserstrahl mittels einer Optik, insbesondere mittels Spiegeln, steuerbar ist, um jenen auf eben diejenigen Stellen zu richten, wo das anzufertigende Werkstück aufgebaut werden soll.

Ferner entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Laserstrahl durch ein Programm derart gesteuert wird, dass er selektiv nur die zu verbindenden Körner des Pulvers erhitzt. Er kann also beispielsweise gepulst werden, so dass nur in jeweils einem Moment Energie abgegeben wird, wenn die Spiegel den Laserstrahl auf einen Punkt ausgerichtet haben, an welchem das Werkstück aufgebaut wird. Bevorzugt umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung eine Einrichtung zum schichtweisen Aufträgen von Pulver. Dabei ist zu unterscheiden zwischen dem eigentlichen Auftragsschritt und ggf. einem nachfolgenden Einebnungsschritt, falls bei der gewählten Auftragstechnik eine gleichbleibende Schichtdicke nicht gewährleistet ist.

Beispielsweise kann das Pulver in einer etwa gleichbleibenden Schichtdicke auf eine Grundplatte oder auf das bereits bestehende, aber noch unfertige und in nicht ausgehärtetes Pulver eingebettetes Werkstück-Halbzeug aufgestreut werden. Es hängt allerdings von der Qualität der verwendeten Streumechanik ab, ob dadurch bereits eine gleichbleibende Schichtdicke sichergestellt ist oder ein anschließendes Glätten bzw. Einebnen erforderlich ist.

Bei anderen Methoden zum Aufbringen des Pulvers kann der Auftrags- mit einem Einebnungsschritt kombiniert sein. Dies gilt insbesondere, wenn die Einrichtung zum schichtweisen Aufträgen von Pulver ein Rakel oder eine Walze aufweist, um die oberste, zuletzt aufgetragene Pulveriage einzuebnen, insbesondere wenn das Rakel auf seitlichen Schienen od. dgl. bündig abgezogen werden kann oder die Walze in einem Gerüst gelagert ist. Ggf. sind auch andere Geräte denkbar, solange diese geeignet sind, auf eine zuvor bereichsweise ausgehärtete Schicht eine neue, dünne Schicht des Pulvers mit einer Dicke von beispielsweise einem oder mehreren μm aufzutragen.

Die erfindungsgemäße additive Fertigungsvorrichtung kann ergänzt werden durch eine Heizeinrichtung, um die Körner des Pulvers vorzuheizen, wodurch die von dem Laser einzubringende Energie weiter reduziert werden kann.

Schließlich kann eine additive Fertigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Beschichten der Körner des Pulvers mit dem Bindemittel umfassen, sofern derartig beschichtete Körner nicht im Handel erhältlich sind. Sofern die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung eine Einrichtung zum Aufsprühen eines flüssigen oder verflüssigten Bindemittels auf die oberste Schicht des Pulvers aufweist, so lässt sich der Verfahrensschritt, wobei die Partikel des Pulvers mit dem Bindemittel beschichtet bzw. überzogen werden, wie auch das Vermischen des Pulvers mit fein gèmahlenen oder gesiebten Bindemittelpartikeln einzusparen. Stattdessen wird die gesamte oberste, fertig auf die Grundplatte oder das bereits bestehende, aber noch unfertige Werkstück-Halbfabrikat aufgetragene und ggf. geglättete oder eingeebnete Pulver mit dem Bindemittel bzw. dem thermisch aushärtenden Klebstoff eingesprüht. Die mit dem Bindemittel getränkte oberste Pulverschicht wird in einem anschließenden Verfahrensschritt noch selektiv ausgehärtet. Wie oben bereits ausgeführt, kann der Energieeintrag dabei mit allen denkbaren, entweder teilweise ausmaskierten oder möglichst scharf fokussierbaren und steuerbaren Strahlen erfolgen, bspw. mit Lichtstrahlen, UV-Strahlen, Gamma- Strahlen, etc.

Die eine Einrichtung zum Aufsprühen eines flüssigen oder verflüssigten Bindemittels sollte eine Düse aufweisen, vorzugsweise eine Zersäuberdüse, welche das flüssige oder verflüssigte Bindemittel diffus auf die oberste Schicht des Pulvers sprüht. Falls die Grundfläche der Grundplatte für eine einzige Düse relativ groß ist, können entweder mehrere Düsen nebeneinander oder in einem Raster verwendet werden, oder eine Düse, die bspw. mittels eines Führungsschlittens oder eines Kreuzschlittens in einer horizontalen Richtung oder in zwei zueinander rechtwinkligen horizontalen Richtungen oberhalb der Grundplatte oder des noch unfertigen Werkstück-Halbfabrikats verfahrbar ist.

Während eine einzige Düse unmittelbar an der Unterseite eines Behälters für das flüssige oder verflüssigte Bindemittel angeordnet sein könnte, kann es - insbesondere bei Verwendung mehrerer Düsen oder einer verfahrbaren Düse - vorteilhaft sein, die Düse(n) über einen Schlauch mit dem Behälter für das flüssige oder verflüssigte Bindemittel zu verbinden. Die Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch eine Einrichtung zum Beschichten der Körner des Pulvers mit dem Bindemittel, insbesondere vor dem Einsatz des Pulvers in dem erfindungsgemäßen Pulverbettverfahren. Als Anlagen hierfür eigenen sich Dragiertrommeln, Wirbelschichtreaktoren und Strahlschichtreaktoren, wobei in letzteren beiden ein Gas von unten durch ein Pulver strömt und dieses fluidisiert.

Bei einem Strahlschichtreaktor kann der Gaseintrag im Vergleich zu einem Wirbelschichtreaktor inhomogener gestaltet sein, so dass sich im Zentrum ein noch oben gerichteter Strahl innerhalb des Pulverbettes ergibt, wo die Gasgeschwindigkeit höher ist als die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit, während in einem Wirbelschichtreaktor die Gasgeschwindigkeit geringer ist, zumeist nur etwa so groß wie die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit, aber vergleichsweise homogen, woraus ebenfalls eine Fluidisierung resultiert.

In die Wirbelschicht oder Strahlschicht wird sodann das Bindemittel in einem flüssigen Zustand eingesprüht und trocknet oder erstarrt an der Oberfläche der Pulverkömer. Bei dem sogenannten Schmelzbeschichtungsverfahren oder hot melt coating ist das bei Raumtemperatur feste Bindemittel bis über seinen Schmelzpunkt erhitzt und wird in den ebenfalls heißen Gasstrom eingesprüht. Im Gegensatz zu dem Gasstrom liegt die Temperatur der Pulverkörner unterhalb der Schmelztemperatur des Bindemittels, so dass sich das Bindemittel an den kühleren Pulverkömern niederschlägt und dort einen Überzug bildet. Dieses

Verfahren eignet sich vor allem für den Überzug von Pulverkömern mit einem Thermoplast oder einem thermoplastischen Elastomer.

Bei dem üblichen Sprühbeschichtungsverfahren oder spray coating ist das Bindemittel dagegen durch ein Lösungsmittel verflüssigt, welches in dem heißen Gasstrom verdunstet, so dass sich das Bindemittel an der Oberfläche der Pulverkörner niederschlägt. Dieses Verfahren ist auch für den Überzug von Pulverkörnern mit einem nicht ausgehärteten bzw. noch reaktiven, hitzehärtbaren Duroplast-Harz geeignet, sofern die Prozesstemperatur unterhalb der Reaktionstemperatur des Duroplast-Harzes liegt, bei welcher dieses abbindet.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt: Fig. 1 einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahrens zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks, wobei auf ein Bett eine zusätzliche Schicht eines Pulvers aufgetragen wird; Fig. 2 einen zweiten Schritt des Verfahrens aus Fig. 1, wobei auf die zuletzt aufgetragene Schicht eines Pulvers ein Bindemittel aufgesprüht wird; sowie

Fig. 3 einen dritten Schritt des gleichen Verfahrens, wobei bestimmte Bereiche der zuletzt aufgetragenen und besprühten Pulverschicht durch selektive Temperatureinwirkung ausgehärtet bzw. verfestigt werden.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Vorrichtung 1 zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks 2 aus einem Pulver 3 durch additive Fertigung dargestellt.

Man erkennt einen horizontalen Rahmen 4, innerhalb desselben eine Grundplatte 5 vertikal verschiebbar angeordnet ist, bspw. mittels eines sehr fein einstellbaren Hubzylinders oder eines vorzugsweise elektrisch betriebenen Motors wie eines Schrittmotors oder eines lagegeregelten Elektromotors. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird für die Herstellung einer einzigen Schicht des Werkstücks 2 auf der Grundplatte 5 bzw. auf einem zuvor auf dieser Grundplatte 5 bereits begonnenen und noch in Pulver 3 eingebetteten Halbfabrikat 6 eine Schicht aus Pulver 4 aufgetragen und derart verteilt, dass die jüngste Schicht möglichst eben ist. Dies kann bspw. mittels eines Rakels 7 erfolgen, der über die zuvor aufgestreute Pulverlage gezogen wird, um diese einzuebnen, oder indem eine Walze über die zuvor aufgestreute Pulverlage gerollt wird. Die Pulveriage selbst kann aufgestreut oder aufgesprüht werden oder rriit einer anderweitigen Technik aufgetragen werden.

In einem zweiten Verfahrensschritt, der in Fig. 2 wiedergegeben ist, wird ein flüssiges oder verflüssigtes Bindemittel auf die oberste Pulverschicht aufgesprüht oder aufgestäubt. Eine dabei verwendete Zerstäuberdüse 8 sollte sicherstellen, dass das Bindemittel 9 auf der ganzen Pulverschicht 3 möglichst gleichmäßig verteilt aufgesprüht oder aufgestäubt wird. Dazu kann die Zerstäuberdüse 8 wahlweise mittig oberhalb der Grundplatte 5 angeordnet sein oder auch horizontal verfahrbar sein, um verschiedene Positionen oberhalb der Grundplatte 5 anfahren zu können. Die Zerstäuberdüse 8 kann entweder unmittelbar unterhalb eines Behälters 10 mit dem flüssigen oder verflüssigten Bindemittel 9 angeordnet sein, oder von jenem getrennt sein und über einen Schlauch mit dem Behälter 10 verbunden sein.

Sofern ein Pulver 3 verwendet wird, bei welchem die einzelnen Partikel entweder mit einem Bindemittel überzogen sind, oder welchem Bindemittelpartikel beigemengt sind, kann der besagte zweite Schritt entfallen.

Während die ersten beiden Verfahrensschritte nicht selektiv waren, sondern nur zu einer möglichst homogenen Verteilung des Pulvers und des Bindemittels beitragen sollten, folgt nun die eigentliche Formgebung in einem dritten Verfahrensschritt. Dabei wird eine thermische Energiequelle derart gesteuert, dass das Bindemittel 9 bzw. der Klebstoff in der obersten, zuletzt aufgetragenen Pulverschicht thermisch selektiv aktiviert und ausgehärtet wird, so dass an dem Ort des späteren Werkstücks 3 jeweils benachbarte Körner des Pulvers 3 miteinander verbunden werden, und zwar innerhalb der obersten Schicht sowie auch mit einer ggf darunter befindlichen, bereits früher aufgetragenen Schicht.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird als Energiequelle ein Laser 11 verwendet, dessen Laserstrahl 12 über eine steuerbare Optik 13 auf verschiedene, ausgewählte Bereiche 14 in der obersten Schicht des Pulvers 3 gerichtet werden kann, wie der abgelenkte Laserstrahl 15 erkennen lässt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Laser gepulst sein, so dass die Optik 13 zunächst jeweils einen zu härtenden, nahezu punktförmigen Bereich ansteuert und der Laser 11 sodann kurz gepulst wird, um eine definierte Wärmemenge in den betreffenden, punktförmigen Bereich einzubringen, und sodann wird ein nächster, zu härtender, nahezu punktförmigen Bereich angesteuert, etc.

Andererseits kann bei zusammenhängenden Flächen der Laser 11 auch kontinuierlich betrieben werden und der Laserstrahl 12, 15 mittels der Optik 13 mit einer definierten Geschwindigkeit verstellt werden, die so gewählt ist, dass wiederum pro Flächeneinheit eine definierte Wärmemenge in die oberste Pulverschicht 3 eingebracht wird.

Die Energie des Lasers 11 wird in Sekundenbruchteilen in ausreichender Menge auf den jeweils ausgewähiten Flächenbereich übertragen und führt zum sofortigen Aushärten oder Schmelzen des dortigen Bindemittels 9, das dabei entweder sofort oder nach einer kurzen Erkaltungsphase fest wird. Deshalb kann - nach einer Höhenverstellung der das Werkstück-Halbfabrikat 6 tragenden Grundplatte 5 - eine folgende Pulverschicht 3 sofort aufgetragen werden, um alle obigen Bearbeitungsvorgänge schichtweise zu wiederholen, bis aus dem Halbfabrikat 6 Schicht für Schicht das fertige Werkstück 2 entstanden ist.

Diese kann sodann aus dem Pulverbett 3 entnommen werden, ggf. nach vorherigem Entfernen der nicht ausgehärteten Bereiche des Pulverbettes 3.

Sodann kann das Werkstück noch veredelt werden, entweder durch eine nochmalige thermische Behandlung weiter gehärtet werden, bis dass alle enthaltenen Bindemittelanteile ausgehärtet sind, oder es könnte einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden, bspw. duch Polieren od. dgl.

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Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Werkstück

3 Pulver

4 Rahmen

5 Grundplatte

6 Halbfabrikat

7 Rakel

8 Zerstäuberdüse

9 Bindemittel

10 Behälter

11 Laser

12 Laserstrahl

13 Optik

14 ausgewählter Bereich

15 Laserstrahl

Claims

Patentansprüche

1. Additives Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks (2), insbesondere in Form eines Pulverbettverfahrens, wobei Körner eines Pulvers (3) unter Verwendung eines Bindemittels (9) untereinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel (9) ein unter Hitzeeinwirkung aushärtbarer Klebstoff oder ein unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff verwendet wird, der nicht selektiv, sondern schichtweise aufgetragen wird und nach dem Auftrag jeder Schicht selektiv aktiviert und ausgehärtet wird oder selektiv geschmolzen wird und beim Abkühlen erhärtet, und dabei jeweils benachbarte Körner des Pulvers (3) verbindet.

2. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels eines oder mehrerer Masken und/oder Blenden erfolgt, insbesondere mittels eines nicht fokussierten Strahls, wobei durch die Masken und/oder Blenden für jede Schicht ein Bereich der obersten Pulverschicht selektiv ausmaskiert wird.

3. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels eines oder mehrerer Strahlen erfolgt, insbesondere durch einen fokussierten Strahl, vorzugsweise mittels eines für jede Schicht individuell fokussierten und/oder gesteuerten Strahls, bspw. eines Röntgen- oder Gamma- Strahls.

4. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels Wellen erfolgt, insbesondere mittels elektromagnetischer Wellen, beispielsweise mittels Mikrowellen, UV-Strahlen, Licht, polarisiertem Licht, monochromatischem Licht, od. dgl.

5. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag in/auf den hitzehärtbaren Klebstoff oder den Schmelzklebstoff mittels wenigstens eines Lasers (11) erfolgt, insbesondere mittels eines gesteuerten oder steuerbaren Laserstrahls (12,15).

6. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragene thermische Energie bzw. die Leistung des Lasers (11) derart gesteuert, insbesondere begrenzt wird, dass davon die Körner des Pulvers (3) weder geschmolzen noch angeschmolzen oder gesintert werden.

7. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff ein Heiß- oder Schmelzklebstoff verwendet wird, vorzugsweise ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer.

8. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heiß- oder Schmelzklebstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyamiden (PA), Polyethylen (PE), amorphen Polyalphaolefinen (APAO), Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren (EVAC), Polyester-Elastomeren (TPE-E), Polyurethan-Elastomeren (TPE-U), Copolyamid-Elastomeren (TPE-A) und

Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymeren sowie Mischungen daraus.

9. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hitzeaushärtbarer Klebstoff ein reaktiver Schmelzklebstoff verwendet wird.

10. Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hitzeaushärtbarer Klebstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyurethan (PUR), Epoxid und Polysiloxanen (Sl) sowie Mischungen daraus.

11. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver (3) aus Partikeln verwendet wird, welche mit dem Bindemittel (9), insbesondere dem besagten hitzeaushärtbaren Klebstoff, überzogen sind.

12. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pulver (3) Partikelbestandteile aus dem Bindemittel (9), insbesondere dem besagten hitzeaushärtbaren Klebstoff, beigemengt sind.

13. Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftrag einer Pulverschicht auf diese ein Bindemittel (9) in flüssiger Form aufgesprüht wird.

14. Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver (3) aus einem organischen Material verwendet wird.

15, Additives Fertigungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver (3) aus einem anorganischen Material verwendet wird, insbesondere auch Metall.

16, Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulver (3) mit Partikeln aus einem anorganischen Material oder aus Metall verwendet wird, wobei die Partikel von einem organischen Bindemittel (9) überzogen sind.

17. Additive Fertigungsvorrichtung (1) zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks (2), insbesondere anhand eines Pulverbettverfahrens, wobei Körner eines Pulvers (3) unter Verwendung eines Bindemittels (9) untereinander verbunden werden, gekennzeichnet durch eine steuerbare thermische Energiequelle, womit ein Bindemittel (9), insbesondere ein unter Hitzeeinwirkung aushärtbarer Klebstoff oder ein unter Hitzeeinwirkung schmelzbarer und beim anschließenden Erkalten erstarrender Klebstoff, schichtweise in selektierten Regionen aktiviert und ausgehärtet wird, wobei jeweils benachbarte Körner des Pulvers (3) verbunden werden.

18. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle für Licht oder infrarote Strahlung, deren Lichtstrahlen mittels einer Maske selektiv auf ausgewählte Bereiche der obersten Pulverschicht gesteuert werden.

19. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um die Maske mit den ausgewählten Bereichen der obersten Lage des Werkstücks beim Aufbau einzelner, mehrerer oder aller Schichten zu wechseln.

20. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Laser (11) mit einem steuerbaren Laserstrahl (12,15) als steuerbare thermische Energiequelle.

21. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers (11) derart gesteuert, insbesondere begrenzt ist, dass davon die Körner des Pulvers (3) weder geschmolzen noch angeschmolzen oder gesintert werden.

22. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (11) mittels einer Optik (13), insbesondere mittels Spiegeln, steuerbar ist.

23. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12,15) durch ein Programm derart gesteuert wird, dass er selektiv nur die zu verbindenden Körner des Pulvers (3) erhitzt.

24. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum schichtweisen Aufträgen von Pulver (3).

25. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum schichtweisen Aufträgen von Pulver (3) eine Streu- oder Walzmechanik aufweist.

26. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum schichtweisen Aufträgen von Pulver ein Rakel (7) oder eine Walze aufweist, um die oberste, zuletzt aufgetragene Pulverlage einzuebnen.

27. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 26, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung, um die Körner des Pulvers (3) vorzuheizen.

28. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 27, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufsprühen eines flüssigen oder verflüssigten Bindemittels (9) auf die oberste Schicht des Pulvers

(3).

29. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Einrichtung zum Aufsprühen eines flüssigen oder verflüssigten Bindemittels (9) eine Düse aulweist, vorzugsweise eine Zersäuberdüse (8), welche das flüssige oder verflüssigte Bindemittel (9) diffus auf die oberste Schicht des Pulvers (3) sprüht.

30. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 29, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Beschichten der Körner des Pulvers (3) mit dem Bindemittel (9).

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