DE102015108444A1 - 3D printing device and 3D printing process - Google Patents
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Abstract
3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts, umfassend mindestens eine Elektronenstrahlquelle (20), die eine Elektronenstrahlung (4) mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung erzeugen kann, Modulatormittel, die die linienförmige Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung (4) so modulieren können, dass eine modulierte linienförmige Intensitätsverteilung entsteht, ein Arbeitsbereich (14), dem mit Elektronenstrahlung (4) zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial (15) für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, sowie Scannmittel, die den Arbeitsbereich (14) relativ zu der modulierten Elektronenstrahlung (4) oder die modulierte Elektronenstrahlung (4) relativ zu dem Arbeitsbereich (14) bewegen können, wobei die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.A 3D printing apparatus for the production of a spatially extended product, comprising at least one electron beam source (20) capable of producing an electron beam (4) with a linear intensity distribution, modulator means capable of modulating the linear intensity distribution of the electron beam (4) such that a modulated line-shaped intensity distribution is produced, a working area (14) which is or can be supplied with 3D printing material (15) to be acted upon by electron radiation (4), and scanning means which measure the working area (14) relative to the modulated electron beam (14). 4) or the modulated electron beam (4) can move relative to the working area (14), the movement taking place in a direction perpendicular to the longitudinal extent of the modulated linear intensity distribution.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts sowie ein 3D-Druck-Verfahren für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts. The present invention relates to a 3D printing apparatus for the production of a spatially extended product as well as a 3D printing method for the production of a spatially extended product.
Bei herkömmlichen 3D-Druck-Vorrichtungen wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls punktförmig ein pulverförmig zugeführtes Ausgangsmaterial mit einer derartigen Energiemenge beaufschlagt, dass ein Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an dem beaufschlagen Ort initiiert wird, wobei dieser Prozess zu einer Verbindung der Körner des Ausgangsmaterials führt. Durch rasterartiges Scannen des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls über den Arbeitsbereich wird dadurch schichtweise das herzustellende Produkt erzeugt. Ein Beispiel für die Verwendung eines Elektronenstrahls findet sich in der
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer 3D-Druck-Vorrichtung beziehungsweise die Angabe eines 3D-Druck-Verfahrens, die effektiver, insbesondere schneller als die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind. The problem underlying the present invention is the provision of a 3D printing device or the indication of a 3D printing process which are more effective, in particular faster, than the devices and methods known from the prior art.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine 3D-Druck-Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein 3D-Druck-Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. This is achieved by a 3D printing device according to claim 1 and by a 3D printing method according to
Gemäß Anspruch 1 umfasst die Vorrichtung:
- – mindestens eine Elektronenstrahlquelle, die eine Elektronenstrahlung mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung erzeugen kann,
- – Modulatormittel, die die linienförmige Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung so modulieren können, dass eine modulierte linienförmige Intensitätsverteilung entsteht, wobei die Modulatormittel derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet sind, dass die von der Elektronenstrahlquelle ausgehende Elektronenstrahlung auf die Modulatormittel auftrifft,
- – ein Arbeitsbereich, dem mit Elektronenstrahlung zu beaufschlagendes Ausgangsmaterial für den 3D-Druck zugeführt wird oder werden kann, wobei der Arbeitsbereich derart in der 3D-Druck-Vorrichtung angeordnet ist, dass die von den Modulatormitteln modulierte Elektronenstrahlung auf den Arbeitsbereich auftrifft,
- – Scannmittel, die den Arbeitsbereich relativ zu der modulierten Elektronenstrahlung oder die modulierte Elektronenstrahlung relativ zu dem Arbeitsbereich bewegen können, wobei die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.
- At least one electron beam source capable of producing electron radiation with a linear intensity distribution,
- Modulator means capable of modulating the line intensity distribution of electron radiation to produce a modulated line intensity distribution, the modulator means being disposed in the 3D printing device such that the electron beam emanating from the electron beam source impinges on the modulator means,
- A work area which is or can be supplied with starting material for 3D printing which is to be exposed to electron radiation, the working area being arranged in the 3D printing device in such a way that the electron radiation modulated by the modulator means strikes the work area,
- - Scanning means which can move the working area relative to the modulated electron beam or the modulated electron radiation relative to the working area, wherein the movement takes place in a direction perpendicular to the longitudinal extent of the modulated line-shaped intensity distribution.
Durch die in den Arbeitsbereich eingebrachte linienförmige Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung können gleichzeitig mehrere längs der Linie nebeneinander angeordnete Abschnitte des Arbeitsbereichs so mit Energie beaufschlagt werden, dass über die gesamte Länge der Linie der dem 3D-Druck entsprechende Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an den beaufschlagten Orten initiiert wird. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Rastern eines punktförmig auftreffenden Laserstrahls oder Elektronenstrahls über den Arbeitsbereich ergibt sich bei der erfindungsgemäßen 3D-Druck-Vorrichtung eine wesentlich kürzere Bearbeitungszeit. By introduced into the work area line intensity distribution of the electron beam simultaneously several juxtaposed along the line sections of the work area can be energized so that over the entire length of the line corresponding to the 3D printing process, such as melting or sintering of the starting material , is initiated at the acted places. In contrast to the known from the prior art grids of a punctiform incident laser beam or electron beam over the work area results in the inventive 3D printing device a much shorter processing time.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Modulatormittel eine Längsrichtung aufweisen, in der mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare Modulatorkanäle nebeneinander angeordnet sind. Dabei kann die Längsrichtung der Modulatormittel parallel zu der Längsrichtung der auf sie auftreffenden linienförmigen Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung sein, so dass entsprechend den Anforderungen des zu erzeugenden Produkts die einzelnen Modulatorkanäle gezielt einzelne Abschnitte der Elektronenstrahlung aus der Elektronenstrahlung ablenken können, so dass sie nicht zu der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung beitragen. Auf diese Weise lässt sich durch geeignetes Ansteuern der Modulatormittel vorgeben, welche Abschnitte der auf den Arbeitsbereich auftreffenden linienförmigen Intensitätsverteilung zu dem gewünschten Prozess beitragen beziehungsweise am Ort welcher Abschnitte der dem 3D-Druck entsprechende Prozess initiiert wird. There is the possibility that the modulator means have a longitudinal direction in which a plurality of independently controllable modulator channels are arranged side by side. In this case, the longitudinal direction of the modulator means may be parallel to the longitudinal direction of the line-shaped intensity distribution of the electron radiation impinging on it, so that the individual modulator channels can selectively deflect individual sections of the electron radiation from the electron radiation in accordance with the requirements of the product to be produced, so that they do not modulate to the modulated one contribute to a linear intensity distribution. In this way, the modulator means can determine which sections of the line-shaped intensity distribution impinging on the working area contribute to the desired process or, at the location, which sections of the process corresponding to the 3D printing are initiated by suitably activating the modulator means.
Es kann vorgesehen sein, dass die Modulatormittel eine Mehrzahl von in Längsrichtung nebeneinander angeordneten Anodenelementen umfassen, an der die Elektronenstrahlung reflektiert werden kann und/oder die eine zu der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahlung geneigte Ablenkfläche aufweisen. Aufgrund der Reflexion an der Ablenkelektrode, die einer Reflexion an einem Spiegel entspricht, sind sehr große Ablenkwinkel, beispielsweise zwischen 0° und 180° möglich. It can be provided that the modulator means comprise a plurality of longitudinally juxtaposed anode elements, on which the electron radiation can be reflected and / or which have an inclined to the propagation direction of the electron beam deflection. Due to the reflection at the deflection electrode, which corresponds to a reflection at a mirror, very large deflection angles, for example between 0 ° and 180 °, are possible.
Es besteht Möglichkeit, dass die einzelnen Anodenelemente unabhängig voneinander ansteuerbar sind, wobei insbesondere durch die Ansteuerung der einzelnen Anodenelemente zwei voneinander verschiedene Anodenelemente auf einem unterschiedlichen Potential sein können oder einen unterschiedlichen Winkel zur Ausbreitungsrichtung der von der Elektronenstrahlquelle ausgehenden Elektronenstrahlung aufweisen können. Durch beide Maßnahmen kann erreicht werden, dass gezielt einzelne Abschnitte der linienförmigen Intensitätsverteilung in den Arbeitsbereich gelenkt oder aus der Elektronenstrahlung abgelenkt und beispielsweise in eine Strahlfalle überführt werden. It is possible that the individual anode elements can be controlled independently of one another, wherein in particular by controlling the individual anode elements, two mutually different anode elements can be at a different potential or can have a different angle to the propagation direction of the electron beam emanating from the electron beam source. Through both Measures can be achieved that targeted targeted individual sections of the line-shaped intensity distribution in the work area or deflected from the electron beam and transferred, for example, in a jet trap.
Es besteht die Möglichkeit, dass die 3D-Druck-Vorrichtung mindestens eine weitere Elektronenstrahlquelle umfasst, wobei die weitere Elektronenstrahlquelle eine weitere linienförmige Intensitätsverteilung einer Elektronenstrahlung in dem Arbeitsbereich erzeugen kann, wobei die weitere linienförmige Intensitätsverteilung in dem Arbeitsbereich parallel und/oder zumindest teilweise deckungsgleich zu der linienförmigen Intensitätsverteilung der modulierten Elektronenstrahlung ist. Dabei kann die von der mindestens einen weiteren Elektronenstrahlquelle ausgehende Elektronenstrahlung gleichzeitig oder zumindest teilweise zeitlich vor der modulierten Elektronenstrahlung auf den Arbeitsbereich auftreffen, so dass eine Zusatzheizung oder Vorheizung des mit der Elektronenstrahlung zu beaufschlagenden Ausgangsmaterials stattfindet. Auf diese Weise kann die von den Modulatormitteln ausgehende modulierte Elektronenstrahlung eine vergleichsweise geringe Intensität aufweisen, weil aufgrund der effektiven Vorheizung durch die weitere Elektronenstrahlung von der modulierten Elektronenstrahlung am gewünschten Ort nur noch eine geringe zusätzliche Energiemenge eingebracht werden muss. Das gezielte Vorheizen mit einer sich relativ zu dem Arbeitsbereich bewegenden linienförmigen Intensitätsverteilung einer Elektronenstrahlung bietet weiterhin den Vorteil, dass das Vorheizen nur lokal, genau an dem Ort stattfindet, an dem die Heizenergie gebraucht wird. Wegen der nur lokalen Erwärmung ist auch die Abkühldauer des fertigen Produkts sehr kurz. There is the possibility that the 3D printing device comprises at least one further electron beam source, wherein the further electron beam source can produce a further linear intensity distribution of electron radiation in the working area, wherein the further linear intensity distribution in the working area parallel and / or at least partially congruent to the linear intensity distribution of the modulated electron radiation. In this case, the electron radiation emanating from the at least one further electron beam source can impinge on the working area simultaneously or at least partially in time before the modulated electron beam, so that additional heating or preheating of the starting material to be charged with the electron beam takes place. In this way, the modulated electron beam emanating from the modulator means can have a comparatively low intensity, because due to the effective preheating by the further electron radiation from the modulated electron radiation at the desired location only a small additional amount of energy has to be introduced. The selective preheating with a relative to the work area moving line intensity distribution of electron radiation has the further advantage that the preheating takes place only locally, exactly at the place where the heating energy is needed. Because of the only local heating and the cooling time of the finished product is very short.
Gemäß Anspruch 9 ist das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- – Von mindestens einer Elektronenstrahlquelle wird eine Elektronenstrahlung mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung erzeugt.
- – Die Elektronenstrahlung trifft auf Modulatormittel, die die linienförmige Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung so modulieren, dass eine modulierte linienförmige Intensitätsverteilung geschaffen wird.
- – Ausgangsmaterial für den 3D-Druck wird einem Arbeitsbereich zugeführt.
- – Das dem Arbeitsbereich zugeführte Ausgangsmaterial wird mit der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung beaufschlagt.
- – Der Arbeitsbereich wird relativ zu der modulierten Elektronenstrahlung oder die modulierte Elektronenstrahlung wird relativ zu dem Arbeitsbereich bewegt, wobei die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung stattfindet.
- An electron radiation with a linear intensity distribution is generated by at least one electron beam source.
- The electron beam strikes modulator means which modulate the line intensity distribution of the electron beam to provide a modulated line intensity distribution.
- - 3D printing material is fed to a work area.
- - The output material supplied to the work area is subjected to the modulated line-shaped intensity distribution of the electron beam.
- The working area is moved relative to the modulated electron beam or the modulated electron beam is moved relative to the working area, the movement taking place in a direction perpendicular to the longitudinal extent of the modulated linear intensity distribution.
Es besteht die Möglichkeit, dass als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck Kunststoff oder Kunstharz oder ein keramisches Material oder ein Glas oder ein glasähnliches Material oder ein polymeres Material oder ein Metall verwendet wird, wobei das Ausgangsmaterial insbesondere pulverförmig zugeführt wird, beispielsweise in einer Korngröße zwischen 60 µm und 100 µm. There is a possibility that plastic or synthetic resin or a ceramic material or a glass or a glass-like material or a polymeric material or a metal is used as starting material for the 3D printing, wherein the starting material is supplied in particular in powder form, for example in a grain size between 60 μm and 100 μm.
Insbesondere wird das räumlich ausgedehnte Produkt schichtweise durch mehrfaches Zuführen des Ausgangsmaterials und mehrfaches Beaufschlagen mit der modulierten linienförmigen Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung erzeugt. In particular, the spatially extended product is produced in layers by multiplying the starting material and applying it several times to the modulated linear intensity distribution of the electron beam.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen: Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Show:
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, identical or functionally identical parts or elements are provided with the same reference numerals.
Bei der beschriebenen 3D-Druck-Vorrichtung können einige oder insbesondere sämtliche Teile in einem Vakuum angeordnet sein. Das dazu erforderliche Gehäuse ist in den Figuren nicht abgebildet. In the described 3D printing device, some or in particular all parts may be arranged in a vacuum. The required housing is not shown in the figures.
Die in
Die Glühkathode
Die Glühkathode
Die Kathodenelektrode
Die Anodenelektrode
Im Betrieb der 3D-Druck-Vorrichtung
Die 3D-Druck-Vorrichtung
Die Ablenkelektrode
Die 3D-Druck-Vorrichtung
Aufgrund der Ausrichtung der Ablenkfläche
Insgesamt ist damit die weitere Elektrode
Die Ablenkfläche
Es kann sich beispielsweise um Modulatormittel mit 1080 Modulationskanälen handeln, die in einer in
Jeder einzelne der Modulationskanäle beziehungsweise jedes einzelne der Ablenkelemente
Durch die Ansteuerung der einzelnen Modulationskanäle kann bewirkt werden, dass die Ablenkelemente
Um die einzelnen Ablenkelemente
Auf die als Modulatormittel dienende Ablenkelektrode trifft die Elektronenstrahlung
Es besteht durchaus die Möglichkeit, mehrere als Modulatormittel dienende Ablenkelektroden
Die modulierte Elektronenstrahlung
Entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts werden die einzelnen Modulationskanäle angesteuert, so dass dort, wo das pulverförmige Ausgangsmaterial beispielsweise durch Aufschmelzen verfestigt werden soll, eine ausreichende Menge Elektronenstrahlung auftrifft. An Stellen, wo entsprechend der Gestaltung des herzustellenden Produkts das pulverförmige Ausgangsmaterial nicht mit Elektronenstrahlung beaufschlagt werden soll, werden die entsprechenden Modulationskanäle der Modulatormittel so angesteuert, dass die Elektronenstrahlung in die Strahlfalle
Als pulverförmiges Ausgangsmaterial
Die Vorrichtung weist weiterhin Scannmittel auf, die den Arbeitsbereich
In
Durch die Zuführung von pulverförmigem Ausgangsmaterial
Insbesondere
Die beiden linienförmigen Intensitätsverteilungen der Elektronenstrahlung
Es zeigt sich, dass durch die zweite Elektronenstrahlung
Die zweite Elektronenstrahlung
Hinter der Anodenelektrode
Die zwei als Plattenkondensator wirkenden Elektroden
Es besteht also die Möglichkeit, mittels der beiden als Plattenkondensator wirkenden Elektroden
Wenn eine sehr lange Elektronenstrahllinie erzeugt werden soll, kann vorgesehen sein, dass der als Glühkathode
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, mehrere Elektronenstrahlquellen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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