WO2009000360A1 - Schichtauftragsvorrichtung zum elektrostatischen schichtauftrag eines pulverförmigen werkstoffes sowie vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objektes - Google Patents

Schichtauftragsvorrichtung zum elektrostatischen schichtauftrag eines pulverförmigen werkstoffes sowie vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objektes Download PDF

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WO2009000360A1
WO2009000360A1 PCT/EP2008/003622 EP2008003622W WO2009000360A1 WO 2009000360 A1 WO2009000360 A1 WO 2009000360A1 EP 2008003622 W EP2008003622 W EP 2008003622W WO 2009000360 A1 WO2009000360 A1 WO 2009000360A1
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powder
application
layer
powder container
container
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PCT/EP2008/003622
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Norman Paasche
Thomas Brabant
Stefan Streit
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
3D-Micromac Ag
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Definitions

  • Layer application device for electrostatic layer application of a powdery material and apparatus and method for producing a three-dimensional object
  • the invention relates to a layer application device for the electrostatic layer application of a powdered material and in particular to an apparatus and a method for the layered production of a three-dimensional object, which use the layer application device.
  • the laser sintering apparatus shown in Fig. 1 has an open-topped container 1, in which a support 4 is provided for supporting the object 3 to be formed.
  • the carrier 4 is by means of a drive in the container in vertical Direction movable up and down.
  • an irradiation device in the form of a laser 14 is arranged, which emits a directed light beam 15. This is deflected by a deflecting device 16 in the direction of the object 6 to be formed in layers.
  • an application device 12 for applying a powder material 7 to be solidified on the support surface 5 or a last solidified layer is provided.
  • various application devices are known, with which the powder is mechanically applied and smoothed.
  • 2 shows by way of example an application device from WO 2006/122645 in the form of a coater 24 with two blades 21a and 21b, which are held together on the sides by two side walls, not shown, parallel to the plane of the drawing. The two blades and the two side walls together form an upwardly and downwardly open storage chamber 22 which serves to receive the powdery material for one layer.
  • the coater 24 By moving the coater 24 in the direction of the arrow B, the powder 27 is distributed from the storage chamber 22 over the surface 5, whereby the powder layer is smoothly painted by the blades 21a and 21b.
  • US Pat. No. 4,863,538 also discloses a method and an apparatus for producing parts by means of selective sintering. There, a predetermined amount of the powdery material is placed on a lowerable pad and distributed by means of a movable roller on the pad with simultaneous rotation of the roller against the direction of travel.
  • a blade, roller, or doctor blade is used for coating.
  • the blade, the doctor blade or the roller not only exerts a mechanical force on the powder. If the powder layer was applied to an already solidified layer of the component to be manufactured, then inevitably already existing parts of the component learn this force, which usually acts shearing. In particular, in graceful or thin-walled structures, this can result in cracking or deformation, which adversely affects the aspect ratio and dimensional accuracy of the object to be generated.
  • the object of the invention is to provide a device for non-contact layer application in which the above-described problems no longer occur.
  • a device optimized thereby for the layered production of components by sintering as well as a related method should be provided.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and 6 and a method according to claim 16.
  • FIG. 3 shows an illustration of a device according to a first embodiment of the invention during the layer application
  • FIG. 4 shows an illustration of a device according to a first embodiment of the invention during the selective stratification
  • FIGS. 3 and 4 show a first embodiment of the invention.
  • FIGS. 3 and 4 show a layer application device according to the invention which is used in a laser sintering device. 3 shows the laser sintering device during the layer application and FIG. 4 shows the same device during the layer consolidation.
  • a building container 34 in which a three-dimensional object is produced in layers on a building platform 31.
  • the latter is mechanically connected to a lifting device 36, wherein the lifting device can move the building platform in the vertical direction up and down.
  • a powder container 35 with powder which is to serve as a building material for the construction of the object.
  • a high voltage source 32 By means of a high voltage source 32, a high voltage is applied between the construction platform 31 and the powder container 35, which is typically in the range of 100 V to 40 kV, for example 10 kV.
  • the construction platform 31 is mechanically connected to the lifting device 36 via an insulator 33 in order to ensure electrical decoupling.
  • a powder layer can be applied to the build platform in a contactless manner in the following manner:
  • the particles are moved in the electric field because they are attracted to either the positive or negative electrode (the building platform or the powder container) depending on their own charge. Although the particles in the powder reservoir are neutral in total, they must be regarded as more or less isolated charge carriers.
  • the electrodes therefore separate uncharged particles from one another by attracting particles of opposite charge and repelling those of equal charge.
  • the particles adhere to the building platform by hooking on the surface, by cohesion, by van der Waals forces and by the electrostatic attraction as long as the charge is not yet balanced.
  • adjacent separate powder particles of the same charge repel each other. This results in a uniform packing density of the particles on the build platform surface and to avoid conglomerates on the surface.
  • Unequally charged particles attract, but are separated in the electric field, so that in the end the particles in the field are kept at a distance from each other and there are no impurities due to unevenly charged particles in the layer.
  • the properties of the electrostatically applied powder layer and the necessary field strength for the coating depend on the conductivity of the powder. If the conductivity of the powder is high, a charge balance between adjacent particles can take place more quickly. However, once both are equally charged, they repel each other, resulting in a more even coating.
  • a layer can be applied to the building platform or the surface of an already solidified layer solely by producing the necessary electric field (in the following, the term 'order surface' is generally used).
  • a control of the layer application takes place via the field strength generated between the electrodes and the duration during which the electric field is applied.
  • the necessary field strength does not have to be set by the applied voltage alone. It is also possible to set the field strength by the distance between the powder container and the build platform. This can be done via the lifting device 36.
  • the movement of the powder container can be done by moving in space and / or rotating about an outside of the powder container lying, for example, vertical, axis.
  • the powder container 35 may be resiliently suspended with an attached to the underside of the powder container motor with eccentric weight on the rotor axis.
  • the holder of the powder container can be put into a shaking motion.
  • various vibrators or vibrators, ultrasonic vibrators or stirrers can be used.
  • the electric field is switched off and carried out a selective solidification by means of electromagnetic radiation. It does not necessarily have to be laser light, it is also conceivable particle radiation or heat radiation. Alternatively, an adhesive can also be sprayed selectively.
  • 4 shows the apparatus according to the first embodiment in a state in which a coated powder layer is solidified.
  • a laser beam source 39 is shown which directs a beam deflected via a deflection device 38 through a beam entrance window 40 onto the powder layer on the build platform 21.
  • the powder container is moved away from the build platform 31 by means of the drive 37 and the irradiation device (38, 39) moves under the build platform 31.
  • the irradiation device can also be stationary and only the powder container can be moved. During the exposure, the high voltage is turned off, but it is also conceivable to leave the voltage applied, since the necessary field strength for a powder application is not achieved by the long distance of the powder container 35 from the construction platform 31.
  • Second embodiment
  • the build platform 31 is therefore no longer rigidly connected to the lifting device 36, but is rotatable about a horizontal axis 42 via a rotating device 41. This makes it possible to turn after completion of the job operation, the construction platform by means of a rotation about the rotation axis 42 upwards, so that the applied layer is opposite the beam entrance window.
  • the spatial separation of the building platform 31 and holder on the lifting device 36 is effected by means of an insulator 33, which simultaneously decouples the construction platform of the lifting device electrically.
  • an insulator 33 which simultaneously decouples the construction platform of the lifting device electrically.
  • the build platform 31 may not be simultaneously in the upper exposure position and the lower powder application position. Therefore, the build platform is shown in dashed lines in the exposure position, to make it clear that the two positions of the build platform at different times are taken.
  • the exposure does not necessarily have to be in the upper position in FIG. 5.
  • the exposure device can just as well be arranged laterally to the axis of rotation 42 so that only a rotation through an angle of 90 ° takes place between the powder application position and the exposure position. Quite general my choice of any angle other than 180 ° is possible.
  • FIG. 6 shows a view of a device according to the invention according to the third embodiment 42 viewed from a point on the rotation axis 42. It can be seen construction platforms 31a, 31b, 31c, 31d, which are arranged at an angle of 90 ° to each other about the axis of rotation 42 around. Apart from this plurality of building platforms including their mounts, the apparatus of the third embodiment is identical to that of the second embodiment.
  • the third embodiment it is possible, for example, during the powder application to the build platform 31a at the same time to already expose the previously applied to the build platform 31c powder layer from above. This leads to a shortening of the construction period.
  • four construction platforms are shown by way of example in FIG. 6, a different number of construction platforms is equally conceivable, in particular two construction platforms lying opposite one another.
  • the exposure does not always have to take place on the build platform 31c facing upward in FIG. 6, but could equally well take place respectively on the left or right facing build platform 31d, 31b.
  • Fig. 7 shows a device according to a fourth embodiment of the invention.
  • the fourth embodiment there are a plurality of powder containers 35 (two by way of example in FIG. 7). Since different materials can be contained in the individual powder containers, it is thus possible to apply successively layers of different powder materials. For example, first of all a powder layer can be applied by means of the right-hand container in FIG. 7 and sintered, and during the next layer application process the container shown on the left in FIG. 7 can be moved under the building platform 31 facing downwards. It is understood that any sequence of material layers is possible. Furthermore, it would also be possible to produce different bodies in different materials on a construction platform. Finally, it is even possible to introduce not only structural gradients but also three-dimensional material gradients in the horizontal and vertical construction direction into the workpiece. It is also possible, during the application of a powder layer, to mix powders from a plurality of different containers by moving a plurality of powder containers under the building platform 21 for the application of the said one layer.
  • the speed with which a powder particle impinges on the construction platform when the high voltage is applied depends on the field strength and thus the acceleration voltage.
  • a high voltage in the form of a pulsating DC voltage, which causes an intermittent movement of the powder particles towards the building platform 21, whereby a "nailing" is realized.
  • functional surfaces ie sections or cut-outs of larger surfaces that are potentially exposed to higher wear because they serve, for example, as a guideway, can be selectively made more wear-resistant by the method according to the invention.
  • electrostatic powder application can thereby applied at least one layer of a ceramic material or other material be used to refine the surfaces of such guide surfaces and thus selectively make them more resistant to wear.
  • the powder container 35 is completely open towards the building platform 31, in all embodiments the powder container 35 can be designed such that it is a metallic conductive replaceable cartridge which is inserted into a vibrator insert of the vibration mechanism 43.
  • the cartridges are provided with an opening mechanism that can be designed so that the cartridge is opened in each case before the powder application and is closed again after removal of the powder. It is not absolutely necessary that the entire cover surface of the cartridge is removed to open the cartridge. Rather, it is also conceivable that only one opening 35a is exposed in the surface of the cover facing the build platform during powder application.
  • results in the inventive method and apparatus of the invention has the advantage that no powder bed must be kept ready for the manufacture of the components. It only requires as much powder as the actual volume of the component occupies. This results in a material savings potential, especially in cost-intensive precious metals. Due to gravity, only a thin powder layer can form on the construction platform, which covers the surface in a uniform powder thickness. Excess, unsintered material falls after the solidification process when re-powder application again due to the gravity force (before the high voltage is applied) back into the powder container.
  • structures and bodies can be integrated into existing bodies, which is impossible in squeegee-based sintering machines.
  • the application of powder may also take place in wells when electrostatically applied, whereby powders are subsequently applied in existing geometric bodies, e.g. in cavities, applied and solidified.
  • gears with a wear-resistant sprocket can be produced inexpensively in high precision.
  • Another application is the introduction of precise walls or geometries in conventionally manufactured housings or similar structures.

Abstract

Eine Vorrichtung zum Auftragen von Pulver auf eine Auftragsoberfläche weist einen Pulverbehälter (35) und eine Spannungsquelle (32) zum Anlegen einer Spannung zwischen Pulverbehälter und Auftragsoberfläche auf, wobei der Pulverbehälter (35) zumindest teilweise aus einem leitenden Material besteht und der Pulverbehälter (35) bei anliegender Spannung an seiner zu der Auftragsoberfläche gerichteten Seite eine Öffnung (35a) aufweist oder vollkommen offen ist.

Description

Schichtauftragsvorrichtung zum elektrostatischen Schichtauftrag eines pulverförmigen Werkstoffes sowie Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
Die Erfindung betrifft eine Schichtauftragsvorrichtung zum e- lektrostatischen Schichtauftrag eines pulverförmigen Werkstoffes und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes, welche die Schichtauftragsvorrichtung verwenden.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch selektives Lasersintern sind beispielsweise aus der US 5,908,569 bekannt. Eine entsprechende Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt und soll im folgenden kurz beschrieben werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Lasersintervorrichtung weist einen nach oben offenen Behälter 1 auf, in dem ein Träger 4 zum Tragen des zu bildenden Objektes 3 vorgesehen ist. Der Träger 4 ist mittels eines Antriebes in dem Behälter in vertikaler Richtung auf und ab bewegbar. Oberhalb des Behälters 1 ist eine Bestrahlungseinrichtung in Form eines Lasers 14 angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl 15 abgibt. Dieser wird über eine Ablenkeinrichtung 16 in Richtung des schichtweise zu bildenden Objektes 6 abgelenkt.
Weiterhin ist eine Auftragvorrichtung 12 zum Auftragen eines zu verfestigenden Pulvermaterials 7 auf die Trägeroberfläche 5 oder eine zuletzt verfestigte Schicht vorgesehen. Im Stand der Technik sind verschiedene Auftragvorrichtungen bekannt, mit denen das Pulver mechanisch aufgetragen und geglättet wird. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Auftragvorrichtung aus der WO 2006/122645 in Gestalt eines Beschichters 24 mit zwei Klingen 21a und 21b, die an den Seiten durch zwei nicht dargestellte Seitenwände parallel zur Zeichenebene zusammengehalten werden. Die zwei Klingen und die zwei Seitenwände bilden zusammen eine nach oben und unten offene Vorratskammer 22, die der Aufnahme des pulverförmigen Materials für eine Schicht dient. Durch Verfahren des Beschichters 24 in Richtung des Pfeiles B wird das Pulver 27 aus der Vorratskammer 22 über die Oberfläche 5 verteilt, wobei die Pulverschicht durch die Klingen 21a und 21b glatt gestrichen wird.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 52 998 wird eine Vorrichtung zur direkten Herstellung von Körpern beschrieben, bei der sich jeweils 2 Baukammern und 2 Pulvervorratskammern ähnlich Viertelkreisen gegenüberliegen. Der Pulverauftrag in den Baukammern erfolgt dabei dergestalt, dass eine halbkreisförmige Abdeckplatte, die jeweils zwei benachbarte Kammern ü- berdeckt, verdreht wird. Durch den als Rakel ausgestalteten geraden Rand der Abdeckplatte wird dann Pulver aus einem Vorratsbehälter in den benachbarten Baubehälter geschoben. In der DE 10 2004 022 385 Al erfolgt der Pulverauftrag ebenfalls mit einer drehbaren Rakel, welche ringförmig gestaltet ist, wobei der Ring als Ganzes um eine außerhalb des Ringes liegende Drehachse verschwenkt wird.
Auch die US 4,863,538 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Teilen mittels selektiven Sin- terns. Dort wird eine vorbestimmte Menge des pulverförmigen Materials auf eine absenkbare Unterlage gegeben und mittels einer über die Unterlage bewegbaren Walze unter gleichzeitiger Rotation der Walze entgegen der Fortbewegungsrichtung verteilt.
Bei allen Verfahren des Standes der Technik wird eine Klinge, eine Walze oder ein Rakel für den Schichtauftrag verwendet. Dabei übt allerdings die Klinge, der Rakel oder die Walze nicht nur auf das Pulver eine mechanische Kraft aus. Wenn die Pulverschicht auf eine bereits verfestigte Schicht des zu fertigenden Bauteils aufgetragen wurde, dann erfahren auch unweigerlich bereits vorhandene Teile des Bauteils diese Kraft, die in der Regel scherend wirkt. Insbesondere bei grazilen oder dünnwandigen Strukturen kann hieraus eine Rißbildung oder Deformation resultieren, was sich nachteilig auf das Aspektverhältnis und die Maßhaltigkeit des zu erzeugenden Objektes auswirkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum berührungslosen Schichtauftrag, bei dem die oben geschilderten Probleme nicht mehr auftreten. Insbesondere sollen eine dadurch optimierte Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von Bauteilen durch Sintern sowie ein diesbezügliches Verfahren bereit gestellt werden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6 und ein Verfahren nach Anspruch 16.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Lasersintervorrichtung des Standes der Technik,
Fig. 2 eine Darstellung einer Pulverauftragsvorrichtung des Standes der Technik,
Fig. 3 eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung während des Schichtauftrags,
Fig. 4 eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung während der selektiven Schichtverfestigung,
Fig. 5 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 mehrere Pulverreservoire gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Erste Ausführungsform
Fig. 3 und 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße Schichtauftragsvorrichtung dargestellt, die in einer Lasersintervorrichtung verwendet wird. Dabei zeigt Fig. 3 die Lasersintervorrichtung während des Schichtauftrags und Fig. 4 dieselbe Vorrichtung während der Schichtverfestigung.
Im einzelnen ist ein Baubehälter 34 dargestellt, in welchem ein dreidimensionales Objekt schichtweise auf einer Bauplattform 31 hergestellt wird. Letztere ist mechanisch mit einer Hubvorrichtung 36 verbunden, wobei die Hubvorrichtung die Bauplattform in vertikaler Richtung auf und ab bewegen kann. In Fig. 3 befindet sich unterhalb der Bauplattform 31 ein Pulverbehälter 35 mit Pulver, das zum Aufbau des Objektes als Baumaterial dienen soll. Mittels einer Hochspannungsquelle 32 ist zwischen Bauplattform 31 und Pulverbehälter 35 eine Hochspannung angelegt, die typischerweise im Bereich von 100 V bis 40 kV ist, beispielsweise 10 kV. Die Bauplattform 31 ist dabei über einen Isolator 33 mechanisch mit der Hubvorrichtung 36 verbunden, um eine elektrische Entkopplung zu gewährleisten.
Mittels der gezeigten Anordnung kann eine Pulverschicht in folgender Weise berührungslos auf die Bauplattform aufgetragen werden:
Durch das Anlegen der Spannung wird ein elektrisches Feld zwischen dem Pulverbehälter 35 und der Bauplattform 31 in ähnlicher Weise wie in einem Kondensator erzeugt. Dieses elektrische Feld verursacht eine Bewegung des Pulvers aus dem Vorratsbehälter 35 entgegen der Schwerkraft zur Bauplattform 31 hin. Als Resultat scheidet sich das Pulver auf der Bauplatt- form ab. Die notwendige Spannung ergibt sich aus der notwendigen Feldstärke, welche wiederum abhängig ist vom Abstand der Bauplattform 31 zum Pulverbehälter 35 und vom Gewicht der Pulverkörner. Bei der Verwendung von Edelstahlpulver 316L, Körnung 10 μm wurden vorteilhafte Ergebnisse mit einem Abstand von 20mm und einer Spannung von 7 kV erzielt. Weitere Materialien, wie ein bronzebasiertes mehrkomponentiges Metallpulver ( 'DirectMetal 20', von EOS GmbH Electro Optical Systems vertrieben) mit 20 μm Körnung, ein Wolframpulver mit 6 μm Körnung und ein Al2O3-Keramikpulver mit 10 μm Körnung wurden erfolgreich verwendet.
Die Teilchen geraten im elektrischen Feld deshalb in Bewegung, weil sie je nach eigener Ladung entweder zur positiven oder negativen Elektrode (der Bauplattform bzw. dem Pulverbehälter) hingezogen werden. Die Teilchen im Pulverreservoir sind zwar in Summe neutral, müssen jedoch als mehr oder weniger isolierte Ladungsträger betrachtet werden. Die Elektroden separieren deshalb ungleich geladene Teilchen voneinander, indem sie Teilchen mit entgegengesetzter Ladung anziehen und solche mit gleicher Ladung abstoßen.
Die Teilchen haften an der Bauplattform durch Verhaken an der Oberfläche, durch Kohäsion, durch van der Waalsche Kräfte und durch die elektrostatische Anziehung solange die Ladung noch nicht ausgeglichen ist. Von Bedeutung ist hierbei, daß benachbarte separate Pulverteilchen gleicher Ladung einander abstoßen. Dies führt zu einer gleichmäßigen Packungsdichte der Teilchen auf der Bauplattformoberfläche und zur Vermeidung von Konglomeraten auf der Oberfläche. Ungleich geladene Teilchen ziehen sich zwar an, werden jedoch im elektrischen Feld voneinander getrennt, so daß im Endeffekt die Teilchen im Feld auf Distanz zueinander gehalten werden und es keine Störstellen durch ungleich geladene Teilchen in der Schicht gibt.
Aus den obigen Ausführungen wird klar, daß die Eigenschaften der elektrostatisch aufgetragenen Pulverschicht und die notwendige Feldstärke für die Beschichtung von der Leitfähigkeit des Pulvers abhängen. Ist die Leitfähigkeit des Pulvers hoch, so kann schneller ein Ladungsausgleich zwischen benachbarten Teilchen stattfinden. Sobald jedoch beide gleich geladen sind, stoßen sie sich ab, was zu einem gleichmäßigeren Schichtauftrag führt.
Wie die obigen Ausführungen zeigen, kann allein durch Herstellen des notwendigen elektrischen Feldes eine Schicht auf die Bauplattform oder die Oberfläche einer bereits verfestigten Schicht aufgetragen werden (Im Folgenden wird allgemein von 'Auftragsoberflache ' gesprochen.). Eine Steuerung des Schichtauftrags erfolgt dabei über die zwischen den Elektroden erzeugte Feldstärke und die Dauer, während der das elektrische Feld anliegt. Die notwendige Feldstärke muss dabei nicht allein über die angelegte Spannung eingestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, die Feldstärke über den Abstand zwischen Pulverbehälter und Bauplattform einzustellen. Dies kann über die Hubvorrichtung 36 geschehen. Die Bewegung des Pulverbehälters kann dabei durch Verfahren im Raum und/oder Drehen um eine außerhalb des Pulverbehälters liegende, beispielsweise vertikale, Achse geschehen.
Da das elektrische Feld ebenfalls dazu führen kann, daß eine Verdichtung des Pulvers im Pulverreservoir stattfindet, welche nicht erwünscht ist, ist ein Rüttelmechanismus oder Vibrationsmechanismus 43 am Pulverbehälter 35 vorgesehen, durch welchen dieser Verdichtung erfolgreich entgegengewirkt werden kann. Beispielsweise kann der Pulverbehälter federnd aufgehängt sein mit einem an der Unterseite des Pulverbehälters befestigten Motor mit exzentrischem Gewicht an der Rotorachse. Alternativ kann aber auch die Halterung des Pulverbehälters in eine Rüttelbewegung versetzt werden. Weiterhin können verschiedenste Rüttler oder Vibratoren, Ultraschallvibratoren o- der Rührwerke zum Einsatz kommen. Infolge der Rüttelbewegung und der Wirkung des elektrischen Feldes stellt sich ein Gleichgewicht zwischen anhaftendem und wieder abgestoßenem Pulver zwischen den Elektroden (Bauplattform/Pulverbehälter) ein, welches in den Figuren durch eine Wolke dargestellt ist.
Nach dem Auftrag der Schicht wird das elektrische Feld abgeschaltet und eine selektive Verfestigung mittels elektromagnetischer Strahlung durchgeführt. Dabei muß es sich nicht notwendigerweise um Laserlicht handeln, denkbar ist auch Teilchenstrahlung oder Wärmestrahlung. Alternativ kann auch ein Kleber selektiv aufgesprüht werden. Fig. 4 zeigt die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in einem Zustand, in dem eine aufgetragene Pulverschicht verfestigt wird. Hierbei ist beispielhaft eine Laserstrahlquelle 39 dargestellt, die einen über eine Ablenkeinrichtung 38 abgelenkten Strahl durch ein Strahleintrittsfenster 40 auf die Pulverschicht auf der Bauplattform 21 richtet. Hierzu wird mittels des Antriebs 37 der Pulverbehälter von der Bauplattform 31 weg bewegt und die Bestrahlungseinrichtung (38, 39) unter die Bauplattform 31 bewegt. Natürlich kann die Bestrahlungseinrichtung auch ortsfest sein und nur der Pulverbehälter verfahren werden. Während der Belichtung ist die Hochspannung abgeschaltet, denkbar ist es jedoch auch die Spannung angelegt zu lassen, da durch die weite Entfernung des Pulverbehälters 35 von der Bauplattform 31 die notwendige Feldstärke für einen Pulverauftrag nicht .erreicht wird. Zweite Ausführungsform
Um zu vermeiden, daß sich im Laufe der Zeit aufgrund eines Ladungsausgleichs Pulverteilchen von der gemäß Ausführungsform 1 nach unten zeigenden Bauplattform 1 ablösen, ist es von Vorteil, wenn die Bauplattform 1 lediglich während des Pulverauftrags nach unten zeigt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in Fig. 5 dargestellt ist, ist die Bauplattform 31 daher nicht mehr starr mit der Hubvorrichtung 36 verbunden, sondern ist über eine Drehvorrichtung 41 um eine horizontale Achse 42 drehbar. Dadurch ist es möglich, nach Beendigung des Auftragsvorgangs die Bauplattform mittels einer Drehung um die Drehachse 42 nach oben zu drehen, so daß die aufgetragene Schicht dem Strahleintrittsfenster gegenüber liegt. Die räumliche Trennung von Bauplattform 31 und Halterung an der Hubvorrichtung 36 wird dabei mittels eines Isolators 33 bewirkt, der gleichzeitig die Bauplattform von der Hubvorrichtung elektrisch entkoppelt. Bei der Darstellung in Fig. 5 ist zu beachten, daß die Bauplattform 31 nicht gleichzeitig in der oberen Belichtungsstellung und der unteren Pulverauftragsstellung sein kann. Daher ist die Bauplattform in der Belichtungsstellung gestrichelt dargestellt, um deutlich zu machen, dass die beiden Stellungen der Bauplattform zu unterschiedlichen Zeiten eingenommen werden.
Die Belichtung muss nicht notwendigerweise in der oberen Position in Fig. 5 erfolgen. Ebenso gut kann die Belichtungsvorrichtung lateral zu der Drehachse 42 angeordnet sein, so daß zwischen Pulverauftragsstellung und Belichtungsstellung lediglich eine Drehung um einen Winkel von 90° erfolgt. Ganz allge- mein ist die Wahl eines beliebigen von 180° abweichenden Winkels möglich.
Im Übrigen ergeben sich für die zweite Ausführungsform die gleichen Variationsmöglichkeiten wie sie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden.
Dritte Ausführungsform
Fig. 6 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform 42 von einem Punkt auf der Drehachse 42 aus betrachtet. Man erkennt Bauplattformen 31a, 31b, 31c, 31d, die unter einem Winkel von 90° zueinander um die Drehachse 42 herum angeordnet sind. Abgesehen von dieser Mehrzahl an Bauplattformen samt zugehörigen Halterungen ist die Vorrichtung der dritten Ausführungsform identisch zu jener der zweiten Ausführungsform.
Gemäß der dritten Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, während des Pulverauftrags auf die Bauplattform 31a gleichzeitig bereits die schon vorher auf die Bauplattform 31c aufgetragene Pulverschicht von oben zu belichten. Dies führt zu einer Verkürzung der Bauzeit. Obwohl in Fig. 6 beispielhaft vier Bauplattformen gezeigt sind, ist ebenso gut eine andere Anzahl von Bauplattformen denkbar, insbesondere zwei einander gegenüberliegende Bauplattformen. Darüber hinaus muß bei der dritten Ausführungsform die Belichtung nicht immer auf der in Figur 6 nach oben zeigenden Bauplattform 31c stattfinden, sondern könnte genauso gut jeweils auf der nach links oder rechts zeigenden Bauplattform 31d bzw. 31b stattfinden. Darüber hinaus wäre es ebensogut möglich, mehrere Verfestigungsvorrichtungen vorzusehen. Vierte Ausführungsform
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Im Gegensatz zu den Vorrichtungen der vorangegangenen Ausführungsformen sind bei der vierten Ausführungsform mehrere Pulverbehälter 35 (in Fig. 7 beispielhaft zwei) vorhanden. Da in den einzelnen Pulverbehältern unterschiedliche Materialien enthalten sein können, ist es somit möglich, nacheinander Schichten aus unterschiedlichen Pulvermaterialien aufzubringen. Beispielsweise kann zunächst eine Pulverschicht mittels des in Fig. 7 rechten Behälters aufgetragen werden und versintert werden und beim nächsten Schichtauftragsvorgang der in Fig. 7 links gezeigte Behälter unter die nach unten zeigende Bauplattform 31 gefahren werden. Es versteht sich, daß eine beliebige Abfolge von Materialschichten möglich ist. Des weiteren wäre es auch möglich, auf einer Bauplattform unterschiedliche Körper in unterschiedlichen Materialien zu erzeugen. Schließlich ist es sogar möglich, neben Strukturgradienten auch dreidimensionale Materialgradienten in horizontaler und vertikaler Baurichtung in das Werkstück einzubringen. E- benso besteht die Möglichkeit, während des Auftrags einer Pulverschicht Pulver aus mehreren verschiedenen Behältern dadurch zu vermischen, daß für den Auftrag der erwähnten einen Schicht mehrere Pulverbehälter unter die Bauplattform 21 gefahren werden .
Das Vorsehen mehrerer Pulverbehälter ist bei jeder der Ausführungsformen 1 bis 3 möglich. Weitere Abwandlungen
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen sind auch die weiteren Abwandlungen denkbar:
Die Geschwindigkeit, mit der ein Pulverteilchen bei anliegender Hochspannung auf die Bauplattform auftrifft, ist abhängig von der Feldstärke und damit der Beschleunigungsspannung. Um eine besonders gute Haftung der Pulverpartikel zu erzielen ist es weiterhin möglich, eine Hochspannung in Gestalt einer pulsierenden Gleichspannung zu verwenden, welche eine stoßweise Bewegung der Pulverpartikel zu der Bauplattform 21 hin hervorruft, wodurch ein "Einnageln" realisiert wird.
Weiterhin ist es möglich, eine Verdichtung des Pulvers im Pulverbehälter nicht mittels Rütteins bzw. Vibrierens des Pulverbehälters, sondern durch Umrühren des Pulvers im Pulverbehälter mittels eines Rührwerks zu verhindern.
Bei allen Ausführungsformen und Abwandlungsmöglichkeiten ist es darüber hinaus möglich, einen Gaseinlaß in dem Baubehälter 34 vorzusehen, durch welchen Inertgas zugeführt werden kann zur Vermeidung einer Oxidation der Pulverpartikel während des Bauvorgangs .
Insbesondere Funktionsoberflächen, also Abschnitte bzw. Ausschnitte größerer Flächen, die potentiell einem höheren Verschleiß ausgesetzt sind, weil sie beispielsweise als Führungsbahn dienen, können durch das erfindungsgemäße Verfahren selektiv verschleißfester gemacht werden. Durch den elektrostatischen Pulverauftrag kann dabei mindestens eine Schicht eines Keramikmaterials oder eines anderen Werkstoffs aufgebracht werden, um die Oberflächen von solchen Führungsflächen zu veredeln und damit gezielt verschleißfester zu machen.
Obwohl in allen Figuren der Pulverbehälter 35 vollkommen offen zur Bauplattform 31 hin ist, kann bei allen Ausfϋhrungsformen der Pulverbehälter 35 so ausgestaltet sein, dass er eine metallisch leitende Wechselkartusche ist, welche in einen Vibra- toreinsatz des Vibrationsmechanismus 43 eingesetzt werden. Die Kartuschen sind dabei mit einem Öffnungsmechanismus versehen, der so gestaltet sein kann, dass die Kartusche jeweils vor dem Pulverauftrag geöffnet wird und nach Entnahme des Pulvers wieder verschlossen wird. Es ist dabei nicht unbedingt notwendig, dass zum Öffnen der Kartusche die gesamte Deckelfläche der Kartusche entfernt wird. Denkbar ist vielmehr auch, dass lediglich eine Öffnung 35a in der beim Pulverauftrag zur Bauplattform hin zeigenden Deckelfläche freigelegt wird.
Als besonderer Vorteil der Erfindung kann keine Bauteilzerstörung durch Bruchstücke zwischen einer Rakelkante und dem Bauteil auftreten. Es fehlt an jeglicher mechanischer Wechselwirkung mit einer Pulverauftragsvorrichtung.
Desweiteren ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorteil, daß kein Pulverbett für die Fertigung der Bauteile bereitgehalten werden muß. Es wird nur so viel Pulver benötigt, wie das eigentliche Volumen des Bauteiles einnimmt. Damit ergibt sich ein Materialeinsparungspotential besonders bei kostenintensiven Edelmetallen. Auf der Bauplattform kann sich infolge der Schwerkraft nur eine dünne Pulverschicht ausbilden, die die Oberfläche in gleichmäßiger Pulverdicke überzieht. Überschüssiges, ungesintertes Material fällt nach dem Verfestigungsvorgang beim erneuten Pulverauftrag wieder infolge der Schwer- kraft (vor dem Anlegen der Hochspannung) in den Pulverbehälter zurück.
Weiterhin findet beim elektrostatischen Schichtauftrag eine Selektion nach der Korngröße des pulverförmigen Ausgangswerkstoffes statt, da leichtere Pulverteilchen eher aus dem Pulverbehälter angehoben werden. Dadurch sind extrem dünne und zugleich dichte Pulverschichten auf der Bauplattform 21 möglich und die aufgetragene Schicht ist sehr gleichmäßig.
Desweiteren lassen sich Strukturen und Körper in vorhandene Körper integrieren, was in rakelbasierenden Sintermaschinen unmöglich ist. Der Pulverauftrag kann bei elektrostatischem Auftrag auch in Vertiefungen stattfinden, wodurch Pulver im Nachhinein in bestehenden geometrischen Körpern, z.B. in Höhlungen, aufgetragen und verfestigt werden kann. Damit ist ein gemischter Aufbau von Halbzeugen in Verbindung mit Sinterwänden zur Erzeugung komplexer Körper möglich. Beispielsweise lassen sich Zahnräder mit verschleißfestem Zahnkranz in hoher Präzision kostengünstig herstellen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist das Einbringen von präzisen Wänden oder Geometrien in herkömmlich gefertigte Gehäuse oder ähnliche Gebilde.
Da ein zeitintensiver Rakelvorgang wegfällt ergibt sich schließlich durch den elektrostatischen Pulverauftrag eine BauzeitVerkürzung.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Auftragen von Pulver auf eine Auftragsoberfläche mit einem Pulverbehälter (35) und einer Spannungsquelle (32) zum Anlegen einer Spannung zwischen Pulverbehälter und Auftragsoberfläche, wobei der Pulverbehälter (35) zumindest teilweise aus einem leitenden Material besteht und der Pulverbehälter (35) bei anliegender Spannung an seiner zu der Auftragsoberfläche gerichteten Seite eine Öffnung (35a) aufweist oder vollkommen offen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Positioniereinrichtung (37) zum Einstellen des Abstandes zwischen dem Pulverbehälter (35) und der Auftragsoberfläche dergestalt, dass eine elektrische Feldstärke bei angelegter Spannung hoch genug ist, um Pulverteilchen aus dem Pulverbehälter zur Auftragsoberfläche zu befördern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die einstellbare Feldstärke größer als 1000 V/m ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung geeignet ist, in einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes verwendet zu werden, bei welcher Schichten eines pulverförmigen Materials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen verfestigt werden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit einer Rüttelvorrichtung oder Vibrationsvorrichtung (43), welche geeignet ist, den Pulverbehälter während des Pulverauftrags zu rütteln, oder einem Rührwerk, welches geeignet ist, den Inhalt des Pulverbehälters zu durchmischen.
6. Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Materials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen mit einer Pulverauftragsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Bauplattform (31) zum Tragen des zu bildenden Objektes, auf welche das Pulver mittels der Pulverauftragsvorrichtung aufgetragen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einer Positioniervorrichtung (37), die zum Auftragen des Pulvers den Pulverbehälter (35) unter der Bauplattform (31) positioniert .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die eine Drehvorrichtung (41) aufweist, mit welcher die Bauplattform (31) über einen Isolator (33) verbunden ist, wobei die Drehvorrichtung (41) eine Drehung der Bauplattform um eine horizontale Achse (42) gestattet, welche während des Pulverauftrags oberhalb der Bauplattform angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin eine Verfestigungsvorrichtung (38, 39, 40) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Verfestigungsvorrichtung (38, 39, 40) so angeordnet ist, dass die Bauplattform von der Position, in der der Pulverschichtauftrag stattfindet, in die Position, in der die Verfestigung stattfindet, um einen Winkel von 180° verschwenkt werden muss.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Verfestigungseinrichtung eine Strahlungsquelle ist, welche elektromagnetische Strahlung auf die Pulverschicht richtet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Verfestigungseinrichtung aus einem Laser (39) und einer Ablenkeinrichtung
(38) zum Richten des Laserstrahls auf die Pulverschicht besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Verfestigungseinrichtung eine Wärmestrahlungsquelle zum Verfestigen mittels Wärmestrahlung aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Verfestigungseinrichtung eine Quelle zur Absonderung von Teilchenstrahlen aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, welche mehr als einen Pulverbehälter (35) aufweist.
16. Verfahren zur schichtweisen Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit den Schritten:
Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Baumaterials auf die Auftragsoberfläche einer Bauplattform (31) oder einer bereits verfestigten Schicht und selektives Verfestigen der aufgetragenen Schicht an den dem Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mittels Erzeugens eines elektrischen Feldes zwischen einem Pulverbehälter (35) und der Bauplattform (31) aufgetragen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem bei dem der Pulverbehälter (35) einer Vibration oder einem Rüttelvorgang unterzogen wird oder das Pulver im Pulverbehälter (35) während des Schichtauftrags mittels eines Rührwerks in Bewegung gehalten wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das elektrische Feld mittels Variierens des Abstands zwischen Pulverbehälter (35) und Bauplattform (31) eingestellt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die Verfestigung mittels Einwirkens von elektromagnetischer Strahlung auf das Pulver erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Objekt in einer Vertiefung der Auftragsoberfläche oder in einem Hohlraum eines anderen Objektes erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem als Baumaterial ein Metall-, Edelmetall-, Keramik-, Oxid- oder Plastikpulver verwendet wird
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem für den Schichtauftrag verschiedene Pulver aus mehreren verschiedenen Pulverbehältern (35), die sich im Material und/oder der mittleren Korngröße voneinander unterscheiden, verwendet werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem für den Auftrag einer Schicht mehrere verschiedene Pulverbehälter (35) verwendet werden.
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