• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Abmessungen von mit schichtaufbauenden Verfahren hergestellten Gegenständen werden immer größer. Gleichermaßen werden die Gegenstände schwerer und damit schlechter handhabbar und transportierbar. Feinere Strukturen können sogar aufgrund ihres Eigengewichts vom Gesamtkörper abbrechen.Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein schichtaufbauendes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie dafür geeignete Materialsysteme anzugeben, mit denen ohne wesentliche Einschränkungen hinsichtlich der Vielzahl der Materialauswahl und der Bauteilstabilität deren Handhabbarkeit und Transportierbarkeit verbessert wird.Diese Aufgabe wird durch die Verwendung von Partikeln, die mindestens eine Kavität enthalten, gelöst. Dadurch wird das Festkörpervolumen und damit das Gewicht im Vergleich zu massiven Partikeln verringert, ohne dadurch die Stabilität wesentlich zu verringern.
    公开号:DE102004003485A1
    申请号:DE200410003485
    申请日:2004-01-23
    公开日:2004-09-16
    发明作者:Ralph Dr. Rer. Nat. Greiner
    申请人:DaimlerChrysler AG；
    IPC主号:B22F1-00
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft ein schichtaufbauendes Verfahrenzur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie dafür geeigneteMaterialsysteme nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2,4 und 5 sowie einen damit hergestellten Gegenstand gemäß Patentanspruch9. Derartige Verfahren und Materialsysteme sind bereits bekanntaus DE 101 08 612C1 und DE100 26 955 A1 .
    [0002] Schichtaufbauende Verfahren zur Herstellungvon dreidimensionalen Gegenständenfinden zunehmend breitere Anwendungsfelder, insbesondere sind hierzu nennen: Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing.Derartige Verfahren könnenflüssigkeitsbasiertsein, z.B. Stereolithographie, pulverbasiert, z.B. Lasersinternoder 3D-Drucken, oder auch festkörperschichtbasiert,z.B laminated object manufacturing.
    [0003] All diesen Verfahren gemeinsam ist,dass mit zunehmender Verbreiterung der Anwendungsgebiete auch dieAbmessungen der mit ihnen hergestellten Gegenstände immer größer werden.Gleichermaßen werdendie Gegenständeschwerer und damit schlechter handhabbar und transportierbar. Feinere Strukturenkönnensogar aufgrund ihres Eigengewichts vom Gesamtkörper abbrechen.
    [0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungbesteht daher darin, ein schichtaufbauendes Verfahren zur Herstellungeines dreidimensionalen Gegenstandes sowie dafür geeignete Materialsystemeanzugeben, mit denen ohne wesentliche Einschränkungen hinsichtlich der Vielfaltder Materialauswahl und der Bauteilstabilität deren Handhabbarkeit undTransportierbarkeit verbessert wird.
    [0005] Diese Aufgabe wird durch die Verwendung vonPartikeln, die mindestens eine Kavität enthalten, gelöst. Dadurchwird das Festkörpervolumenund damit das Gewicht im Vergleich zu massiven Partikeln verringert,ohne dadurch die Stabilitätwesentlich zu verringern.
    [0006] Derartige Partikeln können inindustriellen Mengen kostengünstigund in fürdie genannten Verfahren geeigneten Partikelgrößenverteilungen aus mikroporösen Materialen,z.B. Aktivkohle oder Zeolithe, durch Zerkleinerung hergestellt werdenoder auch neu aufgebaut werden, z.B. lassen sich durch EmulsionspolymerisationHohlkugeln im Mikrometermaßstabund darunter in industriellen Mengen herstellen. Industriell hergestellteHohlkugeln können entwederselbst geeignete Partikeln darstellen oder zu deren Herstellungdienen, indem z.B. Agglomerate aus mehreren Hohlkugeln oder ausmindestens einer Hohlkugel und mindestens einem massiven Partikelzu geeigneten Partikeln aufgebaut werden. Geeignete Partikelgrößenverteilungenkönnendurch bekannte Verfahren, z.B. Sieben, Sichten, gewährleistetwerden.
    [0007] Als Partikelmaterial kommen sämtlicheMaterialien in Betracht, die mit Kavitäten geeigneter Dimension natürlich vorkommenoder hergestellt werden können,z.B. Metalle, Keramik oder Kunststoffe.
    [0008] Die Erfindung ist in Bezug auf daszu schaffende Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 2sowie in Hinsicht auf das zu schaffende Material durch die Patentansprüche 4 und5 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafteAusgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrensund Materials (Patentansprüche3 und 6 bis 8) sowie einen damit hergestellten Gegenstand (Patentanspruch9).
    [0009] Die Aufgabe wird bezüglich deszu schaffenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dassfolgende Schritte durchgeführtwerden: – Auftrageneiner Schicht aus Partikeln auf eine Zielfläche, – Bestrahleneines ausgewähltenTeils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes,mit einem Energiestrahl oder einem Flüssigkeitsstrahl, so dass diePartikel im ausgewähltenTeil verbunden werden, – Wiederholender Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahlvon Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichtensich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, wobei Partikelnverwendet werden, die mindestens eine Kavität enthalten.
    [0010] Dabei kann es sich um einen Energiestrahl beliebigerArt handeln, z.B. einen Elektronenstrahl oder IR-Strahl, vorzugsweiseum einen Laserstrahl, solange der Energieeintag in die Partikelschichtnur ausreichend hoch ist, um eine Verbindung der Partikeln zu bewirken.Dazu müssendie Partikeln im Bestrahlungsbereich nicht vollständig aufschmelzen. EinAnschmelzen oder die energetische Initierung einer chemischen Reaktionkönnenebenfalls ausreichen.
    [0011] Bei Verwendung einer Flüssigkeit,muss in dieser zumindest ein Bestandteil der Partikeln löslich seinoder infolge der Wechselwirkung mit der Flüssigkeit eine Reaktion ausgelöst werden,die eine Verbindung der Partikeln im Auftreffbereich der Flüssigkeit bewirkt.Die Bezeichnung Flüssigkeitsstrahlumfasst nicht nur einen kontinuierlichen Strahl, sondern auch einzelneTropfen.
    [0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltungdes Verfahrens erfolgt die Bestrahlung der Partikeln derart, dassdie Kavitätenim wesentlichen erhalten bleiben. Dazu reicht es aus, den Energie-oder Flüssigkeitseintragso zu begrenzen, dass lediglich eine oberflächliche Verbindung der Partikelnohne deren vollständigesAufschmelzen oder Lösenerfolgt.
    [0013] Die Aufgabe wird bezüglich deszu schaffenden Materialsystems insbesondere zur Verwendung beim3D-Drucken, erfindungsgemäß dadurchgelöst, dasses feste Partikeln und eine Flüssigkeitenthält, wobeizumindest Teile der Partikeln die Eigenschaft aufweisen, bei Kontaktmit der Flüssigkeit,bleibende Verbindungen mit angrenzenden Partikeln auszubilden, wobeidie Partikeln mindestens eine Kavität enthalten.
    [0014] Ein solches Materialsystem ermöglicht esmit den vorstehend beschriebenen Verfahren dreidimensionale Gegenstände aufzubauen,die vergleichbare Eigenschaften wie aus massiven Partikeln aufgebauteGegenständeaufweisen, aber wesentlich leichter und daher besser handhabbarsind.
    [0015] Die bleibende Verbindung kann dadurch ausgebildetwerden, dass zumindest Teile der Partikeln (z.B. eine Beschichtung)bei Kontakt mit der Flüssigkeitbeispielsweise von dieser gelöst,zu einer Reaktion angeregt oder auch angeschmolzen werden.
    [0016] Ein geeignetes Materialsystem zurVerwendung beim Selektiven Laser Sintern besteht aus Partikeln diean ihrer Oberflächezumindest partiell einen Bestandteil aufweisen, dessen Erweichungstemperaturweniger als 100°Cbeträgt,und die mindestens eine Kavitätenthalten.
    [0017] Materialien mit derartiger ErweichungstemperaturkönnenLegierungen sein, die z.B. in Schmelzsicherungen (vgl. z.B. JP2001143588A )verwendet werden, außerdemgesättigtelineare Carbonsäurenmit Kettenlänge ≥ 16 (z.B.Heptadecansäure,Schmelzpunkt 60–63°C) oder auchPolymere im weitesten Sinne.
    [0018] Derartige Partikeln sind mit gängigen Laser-Sinter-Vorrichtungenschnell und präziseverarbeitbar und daraus hergestellte Gegenstände aufgrund der Kavitäten guthandhabbar.
    [0019] Vorteilhaft ist bei den genanntenMaterialsystemen, wenn die Größenverteilungskurvender Partikeln Schwerpunkte bei Durchmessern von weniger als 500 μm aufweisen,vorzugsweise bei Durchmessern in der Größenordnung zwischen 10 und300 μm. Mitderartigen Partikelgrößen können nahezusämtlicheErfordernisse der derzeit bekannten Anwendungsfelder abgedeckt werden.Bei hohen Präzisionsanforderungensind enge Schwankungsbreiten der Partikelgrößenverteilung erforderlichund ggf. kleine Durchmesser nahe der unteren angegebenen Grenze.
    [0020] Vorteilhaft ist es bei den genanntenMaterialsystemen außerdem,wenn der Volumenanteil der Kavitätender Partikeln minimal 30% und maximal 90%, vorzugsweise minimal50% und maximal 80%, des Volumens der Partikeln ausmacht.
    [0021] Damit ist – je nach Material – eine ausreichendeFestigkeit der hergestellten Gegenstände bei einem geringen Gewichtund guter Handhabbarkeit erreichbar.
    [0022] Vorteilhaft ist es bei den genanntenMaterialsystemen, wenn die Partikeln zumindest an ihrer Oberfläche vernetzbarePolymere aufweisen. Diese könnenz.B. in Form einer Beschichtung vorliegen. Die Vernetzung kann durchenergetische Bestrahlung oder durch die Flüssigkeit initiiert werden und zurAusbildung einer bleibenden Verbindung mit benachbarten Partikelnführen.
    [0023] Nachfolgend werden anhand von zweiAusführungsbeispielendas erfindungsgemäße Verfahrenund die erfindungsgemäßen Materialsystemenäher erläutert: Eingeeignetes Materialsystem fürdas Lasersintern enthältPartikeln aus natürlichenvulkanischen Zeolithen, die zerkleinert wurden und durch Siebeneine Durchmesserverteilung mit Schwerpunkt bei 100 μm aufweisen.Sie weisen eine Porositätvon circa 45%, daraus resultiert eine Senkung der tatsächlichen Dichtevon 2,5 g/cm3 auf scheinbare 1,4 g/cm3. Mineralogische Bestandteile: hauptsächlich Klinoptilolith undMordenit. Chemische Zusammensetzung: hauptsächlich SiO2 undAl2O3.
    [0024] Diese Partikeln wurden mittels desbekannten Wirbelschichtverfahrens (vgl. DE 10313452 A1 ) mit einerPolyvinylbutyral-Beschichtungversehen, die eine Erweichungstemperatur von circa 66°C aufweist.
    [0025] Die beschichteten Partikeln werdenauf einer Zielflächeschichtweise aufgetragen, ein ausgewählter Teil der Schicht, entsprechendeinem Querschnitt des Gegenstandes, wird mit einem Laserstrahl bestrahlt,so dass die Partikel im ausgewähl tenTeil verbunden werden, dann werden die Schritte des Auftragens unddes Bestrahlens füreine Mehrzahl von Schichten wiederholt, so dass die verbunden Teile derbenachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zu bilden.
    [0026] Der Laserstrahl wird so geführt (Leistung ≈ 10 Watt (beigeringen Festigkeitsanforderungen auch weniger), Vorschubgeschwindigkeit ≈ 5 m/s, Laserspotdurchmesser ≈ 0,4 mm),dass die eingekoppelte Strahlungsenergie zur Erweichung der Beschichtung unddadurch zur Verbindung der bestrahlten Partikeln führt, ohnedabei das Kernmaterial aufzuschmelzen. Die Beschichtung weist eineDicke von circa 0,3 bis 0,7 μmauf.
    [0027] Ein geeignetes Materialsystem für das 3D-DruckenenthältPartikeln aus PMMA-Hohlkugeln, die mittels Emulsionspolymerisationhergestellt wurden und mittels des Wirbelschichtverfahrens mit Polyvinylpyrrolidon(PVP) beschichtet wurden. Die Beschichtung weist eine Dicke voncirca 0,3 bis 0,7 μmauf. Die Durchmesserverteilung der Partikeln weist ihren Schwerpunktbei 50 μmauf. Das Materialsystem enthältals flüssigeKomponente Wasser. PVP ist in Wasser löslich.
    [0028] Die beschichteten Partikeln werdenauf einer Zielflächeschichtweise aufgetragen, ein ausgewählter Teil der Schicht, entsprechendeinem Querschnitt des Gegenstandes, wird mit Wasser tropfenweise bestrahlt,so dass die Partikel im ausgewähltenTeil verbunden werden, dann werden die Schritte des Auftragens unddes Bestrahlens füreine Mehrzahl von Schichten wiederholt, so dass die verbunden Teileder benachbarten Schichten sich verbinden, um den Gegenstand zubilden.
    [0029] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Materialsystemeerweisen sich in den Ausführungsformender vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für Rapid Prototyping-,Rapid Tooling- und Rapid Manufacturing-Anwendungen in der Automobilindustrie.
    [0030] Insbesondere kann so eine deutlicheVerbesserung der Handhabbarkeit und der Stabilität großer filigraner Strukturen erreichtwerden.
    [0031] Die Erfindung ist nicht nur auf diezuvor geschilderten Ausführungsbeispielebeschränkt,sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
    [0032] So ist es beispielsweise denkbar,dass die Kavitätender Partikeln gefülltsind mit einem im Vergleich zur Kavitätenwandung leichterem Medium, z.B.einer Flüssigkeitoder einem Gas.
    [0033] Ebenso können Partikeln in Form vonmetallischen Hohlkugeln verwendet werden. Diese können imWirbelschichtverfahren hergestellt werden, indem beispielsweiseStyroporkügelchenmit einer Binder-Metallpulver-Suspension besprüht werden und dann so starkerhitzt werden, dass das Metallpulver aufschmilzt und eine festeOberflächebildet während dasStyropor sich verflüchtigt.Die resultierende Oberflächekann geschlossen oder porössein.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Verwendung von Partikeln, die mindestens eineKavitätenthalten, bei schichtaufbauenden Verfahren zur Herstellung einesdreidimensionalen Gegenstandes.
    [2] Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalenGegenstandes aufweisend folgende Schritte: – Auftragen einer Schicht ausPartikeln auf eine Zielfläche, – Bestrahleneines ausgewähltenTeils der Schicht, entsprechend einem Querschnitt des Gegenstandes, miteinem Energiestrahl oder einem Flüssigkeitsstrahl, so dass diePartikel im ausgewähltenTeil verbunden werden, – Wiederhohlender Schritte des Auftragens und des Bestrahlens für eine Mehrzahlvon Schichten, so dass die verbunden Teile der benachbarten Schichtensich verbinden, um den Gegenstand zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dassPartikeln verwendet werden, die mindestens eine Kavität enthalten.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Bestrahlung der Partikeln derart erfolgt, dass die Kavitäten im wesentlichenerhalten bleiben.
    [4] Mehrphasiges Materialsystem zur Verwendung beim 3D-Druckenenthaltend feste Partikeln und eine Flüssigkeit, wobei zumindestTeile der Partikeln die Eigenschaft aufweisen, bei Kontaktmit der Flüssigkeit, bleibendeVerbindungen mit angrenzenden Partikeln auszubilden, dadurchgekennzeichnet, dass die Partikeln mindestens eine Kavität enthalten.
    [5] Partikel zur Verwendung beim Selektiven Laser Sinternan seiner Oberflächezumindest partiell einen Bestandteil aufweisend, dessen Erweichungstemperaturweniger als 100°Cbeträgt,dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Kavität enthält.
    [6] Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 oder5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln Durchmesser von wenigerals 500 μmaufweisen, vorzugsweise Durchmesser in der Größenordnung zwischen 10 und300 μm aufweisen.
    [7] Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Kavitäten minimal30% und maximal 90%, vorzugsweise mindestens 50% und maximal 80%, desVolumens der Partikeln ausmacht.
    [8] Materialsystem oder Partikel nach Anspruch 4 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln zumindest an ihrerOberflächevernetzbare Polymere aufweisen.
    [9] Gegenstand aus miteinander verbundenen Partikeln,dadurch gekennzeichnet, dass er mittels eines Verfahrens nacheinem der Ansprüche2 bis 3 hergestellt wurde und/oder dass er aus einem Materialsystemoder aus Partikeln nach einem der Ansprüche 4 bis 8 hergestellt wurde
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    引用文献:
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    法律状态:
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    2011-06-22| R120| Application withdrawn or ip right abandoned|Effective date: 20110331 |
    优先权:
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