DE10344902B4

DE10344902B4 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

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Publication number: DE10344902B4
Application number: DE10344902A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kadoma Abe; Isao Kadoma Fuwa; Hirohiko Kadoma Togeyama; Norio Kadoma Yoshida; Masataka Kadoma Takenami; Shuushi Kadoma Uenaga
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: DE10344902A1; CN1287318C; KR20040028593A; CN1497480A; US20050029711A1; US7323132B2; KR100574268B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, mit folgenden Schritten:
(a) Ausbilden einer Pulvermaterialschicht (10) aus anorganischem Material;
(b) Bestrahlen eines vorbestimmten Teils der Pulvermaterialschicht (10) mit einem optischen Strahl (L) zum Ausbilden einer ersten gesinterten Schicht (11) und Verbinden der ersten gesinterten Schicht (11) mit einer unmittelbar unter der ersten gesinterten Schicht (11) befindlichen zweiten gesinterten Schicht;
(c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) zum Ausbilden eines gesinterten Blocks (B) aus mehreren gesinterten Schichten (11), die so ausgebildet sind, dass die Seiten des gesinterten Blocks während des Verbindungsprozesses der mehreren gesinterten Schichten (11) einen konkaven Teil (g) aufweisen und dass ein überschüssiger, gesinterter Teil (17) in dem konkaven Teil (g) aufgenommen wird, derart, dass er nicht aus einer Fläche des gesinterten Blocks (B) unmittelbar unter dem konkaven Teil (g) herausläuft.
(d) Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des gesinterten Blocks (B); und
(e) Wiederholen...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Sintern und Härten eines Pulvermaterials durch Bestrahlen des Materials mittels eines optischen Strahls.
Beschreibung der verwandten Technik
Das dreidimensionale Objekt wird derart hergestellt, dass Querschnittsdaten mehrerer Schichten, die in eine gewünschte Schichtdicke geschnitten werden, aus den Auslegungsdaten (CAD-Daten) des dreidimensionalen Objekts erhalten werden, eine Abtast-Konturform auf der Basis der Querschnittsdaten dieser Schichten berechnet wird und mehrere Schichten zu einer dreidimensionalen Form vereint werden, die durch wiederholtes Bestrahlen des Pulvermaterials mittels eines optischen Strahls und Härten des Pulvermaterials gesintert und gehärtet werden. Entsprechend ist ein Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts dadurch gekennzeichnet, dass ohne eine so genannte CAM-(computergestützte Herstellung)Vorrichtung das dreidimensionale Objekt mit einer beliebigen Form hergestellt werden kann und ferner das dreidimensionale Objekt mit einer beliebigen Form gegenüber einem Herstellverfahren, wie beispielsweise einem Schneidverfahren oder dergleichen, schneller hergestellt werden kann.
In dem japanischen Patent Nr. 2620353 ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts beschrieben, welches als optisches Ausbildungsverfahren bekannt ist. Gemäß dem in dem japanischen Patent Nr. 2620353 beschriebenen Herstellverfahren wird durch Aufbringen des optischen Strahls auf einen vorbestimmten Teil des Pulvermaterials eine gesinterte Schicht gebildet, auf die das Pulvermaterial gesintert wird, und durch Wiederholen des Ausbildens der Pulvermaterialschicht und der gesinterten Schicht das dreidimensionale Objekt hergestellt. Gemäß diesem Verfahren wird durch nur einmaliges Durchführen eines Entfernschritts zum Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des laminierten provisorischen dreidimensionalen Objekts das dreidimensionale Objekt mit der gewünschten Form endgültig hergestellt.
Beim Aufbringen des optischen Strahls und Sintern des Pulvermaterials wird die durch das Aufbringen des optischen Strahls erzeugte Wärme verwendet. Die erzeugte Wärme wird auf die Peripherie des gesinterten Teils übertragen, so dass die Peripherie ebenfalls auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Da der Peripherieteil, der auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, ein hohes Reaktionsvermögen aufweist, neigt das an der Peripherie befindliche Pulvermaterial dazu, an dem Peripherieteil zu haften. Wenn das Pulvermaterial an dem Peripherieteil haftet, verändert das anhaftende Pulvermaterial seine Qualität dahingehend, dass durch seine Wärme die niedrige Dichte zunimmt. Zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts mit einer glatten Fläche ist es erforderlich, die Zunahme einer niedrigen Dichte zu eliminieren.
Daher schlägt der Anmelder in JP-A-2002-115004 folgendes Herstellverfahren vor. Mit anderen Worten: das in JP-A-2002-115004 beschriebene Herstellverfahren umfasst die Schritte des Ausbildens einer Pulvermaterialschicht; das Aufbringen eines optischen Strahls auf einen vorbestimmten Teil der Pulvermaterialschicht und das Sintern des Pulvermaterials des vorbestimmten Teils der Schicht zum Ausbilden einer gesinterten Schicht; Wiederholen dieser Schritte zum Ausbilden eines gesinterten Blocks, der aus mehreren der gesinterten Schichten gebildet ist; Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des gesinterten Blocks zum Erhalten einer gewünschten Konturform; und Wiederholen des Schritts zum Herstellen der Pulvermaterialschicht und des Schritts zum Herstellen der gesinterten Schicht in Hinblick auf den gesinterten Block, von dem der überschüssige Teil entfernt wird. Mit anderen Worten: der Anmelder schlägt ein Verfahren vor, bei dem ein unterer gesinterter Block, der aus mehreren gesinterten Schichten gebildet ist, ausgebildet wird, der überschüssige Teil abgeschnitten und von dem unteren gesinterten Block entfernt wird und dann eine erste gesinterte Schicht des nächsthöheren gesinterten Blocks ausgebildet wird. Gemäß diesem Verfahren ist es durch Wiederholen des Schritts zum Herstellen des gesinterten Blocks und des Schritts zum Abschneiden und Entfernen eines überschüssigen Teils von dem gesinterten Block ohne Einschränkung, wie beispielsweise durch die Länge eines Industriewerkzeugs, möglich, eine Fläche des dreidimensionalen Objekts zu glätten.
Das oben beschriebene Verfahren mit dem Schritt des Abschneidens und Entfernen des überschüssigen Teils von dem gesinterten Block führt jedoch zu folgendem Problem.
Mit anderen Worten: gemäß 14 wird zunächst der auf der Oberfläche und der Seite befindliche überschüssige Teil mittels eines Schneidewerkzeugs 41 oder dergleichen von einem unteren gesinterten Block B, der aus mehreren gesinterten Schichten gebildet ist, entfernt. Beim Ausbilden eines oberen gesinterten Blocks B + 1, über den der untere gesinterte Block B mit mehreren auf dessen Oberfläche befindlichen gesinterten Schichten verbunden werden soll, haftet als nächstes hinsichtlich der Außenfläche des unteren gesinterten Blocks B, von dem der überschüssige Teil entfernt worden ist und der eine glatte endbearbeitete Fläche aufweist, das überschüssige Pulvermaterial an der Peripherie des Blocks und wird gesintert. Folglich wird ein überschüssiger gesinterter Teil 17 ausgebildet, der wie ein Eiszapfen herabhängt. Selbst wenn der überschüssige Teil von dem gesinterten Block B + 1 auf dem überschüssigen gesinterten Teil 17 mittels des Schneidewerkzeugs 41 oder dergleichen abgeschnitten und entfernt wird, wird dieser überschüssige gesinterte Teil 17 nicht entfernt und verbleibt an seinem Platz. Daher werden auf der Außenfläche des fertigbearbeiteten dreidimensionalen Objekts aufgrund des überschüssigen gesinterten Teils 17 regelmäßige Formen ausgebildet.
Es braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, dass es beim Entfernen des überschüssigen gesinterten Teils 17 des oberen gesinterten Blocks B + 1 technisch möglich ist, den überschüssigen gesinterten Teil 17 zu entfernen, der auf der Außenfläche des oberen Teils des unteren gesinterten Blocks B ausgebildet ist. In diesem Fall wird der zu entfernende Bereich jedoch groß und es dauert lange, den überschüssigen gesinterten Teil 17 zu entfernen. Da sich der Zeitraum zum Entfernen und zum Bearbeiten zwecks Entfernens jedes überschüssigen gesinterten Teils 17 auf mehreren gesinterten Blöcken verlängert, verlängert sich die Gesamtzeit zum Entfernen und Bearbeiten beträchtlich.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK OBER DIE ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung werden die vorgenannten Probleme berücksichtigt, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts zu schaffen, mit dem das durch das Ausbilden eines überschüssigen gesinterten Teils verursachte Problem gelöst wird.
Gemäß Anspruch 1 kann die Erfindung folgende Schritte umfassen: (a) Ausbilden einer Pulvermaterialschicht aus anorganischem Material; (b) Bestrahlen eines vorbestimmten Teils der Pulvermaterialschicht mit einem optischen Strahl zum Ausbilden einer ersten gesinterten Schicht und Verbinden der ersten gesinterten Schicht mit einer unmittelbar unter der ersten gesinterten Schicht befindlichen zweiten gesinterten Schicht; (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) zum Ausbilden eines gesinterten Blocks, der aus mehreren der ersten und zweiten gesinterten Schichten gebildet ist, wobei die Seiten des gesinterten Blocks einen konkaven Teil aufweisen; (d) Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des gesinterten Blocks; und (e) Wiederholen der Schritte (c) und (d) hinsichtlich des gesinterten Blocks, von dem der überschüssige Teil entfernt wird, um eine Zielform eines dreidimensionalen Objekts, das aus mehreren der gesinterten Blöcke gebildet ist, herzustellen. Gemäß Anspruch 1 der Erfindung wird durch Ausbilden des konkaven Teils an den Seiten des gesinterten Blocks und Drücken des oberen Teils des gesinterten Blocks relativ zu der Außenseite ein herabhängender Teil des überschüssigen gesinterten Teils von dem konkaven Teil des unteren Teils des gesinterten Blocks aufgenommen.
Gemäß Anspruch 2 der Erfindung wird der oben beschriebene konkave Teil an einem unteren Teil des gesinterten Blocks ausgebildet. Der herabhängende Teil des überschüssigen gesinterten Teils verläuft über die Seiten des oberen Teils des gesinterten Blocks, um von dem konkaven Teil des unteren Teils des gesinterten Blocks aufgenommen zu werden.
Gemäß Anspruch 3 der Erfindung weist die obere Fläche des konkaven Teils eine wesentliche Neigung von außen nach innen auf. Der herabhängende Teil des überschüssigen gesinterten Teils wird von dem konkaven Teil des unteren Teils des gesinterten Blocks aufgenommen, und ein weiterer herabhängender Teil des überschüssigen gesinterten Teils kann von den Neigungsraum aufgenommen werden.
Gemäß Anspruch 4 kann die Erfindung ferner den Schritt des Verbindens mit einer dünnen Platte umfassen, welche die obere Fläche des gesinterten Blocks abdeckt, von dem der überschüssige Teil entfernt wird. Durch Anordnen der dünnen Platte mit einem größeren Bereich als dem des gesinterten Blocks, welche den gesinterten Block abdeckt, von dem der überschüssige gesinterte Teil entfernt wird, kann ein Herabhängen des überschüssigen gesinterten Teils verhindert werden.
Gemäß Anspruch 5 kann die Erfindung ferner den Schritt der Oberflächenbehandlung des gesinterten Blocks umfassen, von dem der überschüssige Teil entfernt worden ist, und zwar derart, dass die Oberfläche nicht mit dem Pulvermaterial reagiert. Durch Behandeln der Oberfläche des gesinterten Blocks, von dem der überschüssige Teil entfernt worden ist, derart, dass diese nur in geringem Maße mit dem Pulvermaterial reagiert, ist es möglich, die Ausbildung des überschüssigen gesinterten Teils zu verhindern.
Gemäß Anspruch 6 kann die Erfindung ferner den Schritt des Platzierens eines nicht haftenden Pulvers an den Umfang der Oberfläche des gesinterten Blocks umfassen, welcher nach dem Oberflächenbehandlungsschritt erfolgt. Durch Anordnen des nicht haftenden Pulvers an dem Umfang der Oberfläche des gesinterten Blocks, dessen Oberfläche behandelt worden ist, ist es möglich, ein Ausbilden des überschüssigen gesinterten Teils aufgrund des Anhaftens des Pulvermaterials an dem Umfang der Oberfläche des gesinterten Blocks zu verhindern.
Gemäß Anspruch 7 kann die Erfindung ferner den Schritt des Platzierens einer Maske auf der oberen Fläche des gesinterten Blocks umfassen, welcher nach dem Oberflächenbehandlungsschritt erfolgt, wobei die Maske eine Öffnung aufweist, die der Kontur des gesinterten Blocks ungefähr gleich ist. Durch Anordnen der Maske mit einer Öffnung, die der Kontur des gesinterten Blocks, dessen Oberfläche behandelt worden ist, ungefähr gleich ist, ist es möglich ein Ausbilden des überschüssigen gesinterten Teils aufgrund des Anhaftens des Pulvermaterials an dem Umfang der Oberfläche des gesinterten Blocks zu verhindern.
Ferner kann gemäß Anspruch 8 die Erfindung folgende Schritte umfassen: (a) Ausbilden einer Pulvermaterialschicht aus anorganischem Material; (b) Bestrahlen der Kontur eines zu sinternden vorbestimmten Teils der Pulvermaterialschicht mittels eines optischen Strahls zum Ausbilden eines an der Kontur gesinterten Teils; (c) Bestrahlen sämtlicher zu sinternden vorbestimmten Teile der Pulvermaterialschicht mittels des optischen Strahls zwecks Ausbildung einer ersten gesinterten Schicht und Verbinden der ersten gesinterten Schicht mit einer unmittelbar unter der ersten gesinterten Schicht befindlichen zweiten gesinterten Schicht, wobei jeder der vorbestimmten Teile der vorbestimmte Teil ist; (d) Wiederholen der Schritte (a) und (c) zum Ausbilden eines gesinterten Blocks, der aus mehreren der ersten und zweiten gesinterten Schichten gebildet ist; (e) Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des gesinterten Blocks; und (f) Wiederholen der Schritte (a), (b), (c), (d) und (e) hinsichtlich des gesinterten Blocks, von dem der überschüssige Teil entfernt worden ist, zum Herstellen einer Zielform eines dreidimensionalen Objekts, das aus mehreren gesinterten Blöcken gebildet ist. Wenn der optische Strahl durch den gesamten zu sinternden Teil gesandt wird, nachdem ein entlang der Kontur gesinterter Teil mit einer großen Wärmeleitfähigkeit entlang der Kontur des zu sinternden vorbestimmten Teils erzeugt worden ist, kann die durch das Bestrahlen mittels des optischen Strahls erzeugte Wärme zu der Pulvermaterialschicht an der Innenseite des entlang der Kontur gesinterten Teils und durch den entlang der Kontur gesinterten Teil mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu dem unteren gesinterten Block geleitet werden, so dass verhindert wird, dass die Wärme von dem entlang der Kontur gesinterten Teil zu dessen Außenseite geleitet wird. Folglich kann durch das Haften der Pulvermaterialschicht an der Seitenfläche des unteren gesinterten Blocks verhindert werden, dass der wie ein Eiszapfen herabhängende überschüssige gesinterte Teil ausgebildet wird.
Erfindungsgemäß wird ein Ausbilden des überschüssigen gesinterten Teils verhindert, wenn das Pulvermaterial an der Seitenfläche des gesinterten Blocks haftet, und selbst wenn der überschüssige gesinterte Teil auf der Seitenfläche des gesinterten Blocks ausgebildet wird, wird verhindert, dass der überschüssige gesinterte Teil entlang der Seitenfläche des gesinterten Blocks herabhängt und aus dieser Seitenfläche herausläuft. Folglich kann die Entfern-Zeit verkürzt werden, da die mittels einer Entfern-Einrichtung zum Entfernen des überschüssigen gesinterten Teils zu bearbeitende Tiefe der Dicke ungefähr eines gesinterten Blocks entspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
1B zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
1C zeigt eine erläuternde Ansicht einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
2B zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen CAD-Modells;
4A zeigt eine erläuternde Ansicht des Bestreichens eines unteren Teils eines gesinterten Blocks mit einem optischen Strahl;
4B zeigt eine erläuternde Ansicht des Bestreichens eines oberen Teils eines gesinterten Blocks mit einem optischen Strahl;
4C zeigt eine erläuternde Ansicht einer Beziehung zwischen der Energiedichte und dem Fleckdurchmesser eines optischen Strahls;
5A zeigt einen Muster-Querschnitt mit Erläuterung des Sinterns (provisorisches Sintern) eines Konturteils mit Darstellung der anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
5B zeigt einen Muster-Querschnitt mit Erläuterung des eigentlichen Sinterns nach dem Sintern (provisorisches Sintern) des in 5A gezeigten Konturteils;
6 zeigt eine schrittweise erläuternde Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine schrittweise erläuternde Darstellung, die der in 6 gezeigten schrittweise erläuternden Darstellung folgt;
8 zeigt einen Muster-Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt einen Muster-Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10A zeigt eine perspektivische Ansicht der in 9 gezeigten Ausführungsform;
10B zeigt einen Querschnitt der in 9 gezeigten Ausführungsform;
11A zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und das Ausbilden einer gesinterten Schicht;
11B zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung und das Anordnen einer Maskenplatte auf der gesinterten Schicht;
12 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gesamtkonfiguration der Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts;
13 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Basisoperation der Vorrichtung zum Herstellen eines in 12 gezeigten dreidimensionalen Objekts; und
14 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung des Verfahrens zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß dem Stand der Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
12 zeigt eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts unter Anwendung eines optischen Ausbildungsverfahrens. Die in 12 gezeigte Vorrichtung weist eine Einrichtung 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht, eine Einrichtung 3 zum Ausbilden einer gesinterten Schicht und eine Schneide- und Entferneinrichtung 4 auf.
Die Einrichtung 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht dient zum Ausbilden einer Materialpulverschicht 10 mit einer vorbestimmten Dicke Δt1 durch Glätten eines zugeführten anorganischen Pulvermaterials 10a mittels eines Pressmessers 21 in einem Raum (einem Formtank 25), der auf einem Träger zum Ausbilden des dreidimensionalen Objekts vorgesehen ist, d. h. einem sich auf und ab bewegenden Hubtisch 20, dessen Außenperipherie umschlossen ist. Die Einrichtung 3 zum Ausbilden einer gesinterten Schicht dient zum Ausbilden einer gesinterten Schicht 11 durch Führen eines von einem Laseroszillator 30 ausgegebenen Lasers auf der oben beschriebenen Pulvermaterialschicht 10 mittels eines optischen Abtastsystems, wie beispielsweise eines Galvanometerspiegels 31 oder dergleichen, und Sintern der Pulvermaterialschicht 10. Als Schneide- und Entferneinrichtung 4 wird beispielsweise ein Fräskopf 41 verwendet. Der Fräskopf 41 ist mit einem XY-Antriebsmechanismus 40 verbunden und ist derart konfiguriert, dass er in einer XY-Richtung relativ zu einer Grundplatte 22 der oben beschriebenen Einrichtung 2 zum Ausbilden einer Pulverschicht frei antreibbar ist.
Ein grundlegendes Verfahren zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts wird anhand von 13 erläutert. Durch Vorsehen einer vorbestimmten mit dem Messer 21 zu glättenden Menge des Pulvermaterials 10a auf der Oberfläche der auf der oberen Fläche des Hubtischs 20 angeordneten Grundplatte 22 wird eine erste Pulvermaterialschicht 10 ausgebildet. Durch Bestrahlen eines Teils dieser zu sinternden Pulvermaterialschicht 10 mit einem optischen (Laser-)Strahl L wird die Pulvermaterialschicht 10 gesintert und gleichzeitig eine gesinterte Schicht 11 ausgebildet, die mit der Grundplatte 22 verbunden ist.
Dann wird durch Vorsehen einer weiteren Pulvermaterialschicht 10a bei leicht abgesenktem Hubtisch 20 und Glätten der Schicht mit dem Messer 21 eine zweite Pulvermaterialschicht 10 ausgebildet. Durch Bestrahlen eines Teils dieser zu sinternden Pulvermaterialschicht 10 mit dem optischen (Laser-)Strahl L wird die Pulvermaterialschicht 10 gesintert und gleichzeitig die gesinterte Schicht 11 ausgebildet, die mit der unteren gesinterten Schicht 11 verbunden ist. Durch Wiederholen des Schritts des Absenkens des Hubtischs 20, des Schritts des Ausbildens einer neuen Pulvermaterialschicht 10 und des Schritts des Bestrahlens mit dem optischen Strahl L und Herstellens eines erforderlichen Teils in der gesinterten Schicht 11 wird der gesinterte Block B, der einen Teil des dreidimensionalen Zielobjekts bildet, hergestellt.
Ein Bestrahlungsweg des optischen Strahls L wird anhand der Daten des dreidimensionalen CAD-Modells im voraus ausgebildet. Mit anderen Worten: ähn lich wie bei dem herkömmlichen Bestrahlungsweg werden die von dem dreidimensionalen CAD-Modell erzeugten STL-Daten (Stereo-Lithografie-Daten) in eine Schicht mit gleicher Steigung (z. B. 0,05 mm) geschnitten. Nach dem Erhalt einer Außenkonturform P jeder quergeschnittenen Schicht wird ferner eine Abtast-Konturform R anhand der Außenkonturform P erhalten. Dabei wird die Bestrahlung mit dem optischen Strahl L vorzugsweise derart durchgeführt, dass mindestens die oberste Fläche auf eine hohe Dichte gesintert wird (Luftloch-Verhältnis von höchstens 5%).
Bei Wiederholung des Schritts des Ausbildens der Pulvermaterialschicht 10 und des Schritts des Bestrahlens mittels des optischen Strahls L zum Ausbilden der gesinterten Schicht 11, wie oben beschrieben, wird, wenn die Gesamtdicke der gesinterten Schicht 11 einen Sollwert annimmt, der von der Länge des Werkzeugs des Fräskopfs 41 an der Schneide- und Entferneinrichtung 4 bestimmt wird, die Schneide- und Entferneinrichtung 4 einmal betätigt und ein Oberflächenteil (einschließlich einer Seitenfläche) des bislang hergestellten gesinterten Blocks B geschnitten und bearbeitet. Folglich kann der gesinterte Block B mit einer glatten Fläche und einer gewünschten Außenkonturform P erhalten werden. Beispielsweise kann das Werkzeug des Fräskopfs 41 (Schaftfräse mit runder Stirn) des Fräskopfs 41 mit einem Durchmesser von 1 mm und einer effektiven Messerlänge von 3 mm das Schneiden und Bearbeiten bis zu einer Tiefe von 3 mm durchführen. Wenn die Dicke Δt1 der Pulvermaterialschicht 10 beispielsweise 0,05 mm beträgt, wenn der gesinterte Block B hergestellt wird, der aus fünfzig Schichten der gesinterten Schicht 11 gebildet ist, erfolgt das Schneiden und Bearbeiten durch Betätigen der Schneide- und Entferneinrichtung 4.
Aufgrund der Transformation des Pulvermaterials 10a, das wegen der beim Bestrahlen mittels des optischen Strahls L erzeugten Wärme an der Oberfläche des gesinterten Blocks B haftet, wird eine Oberflächenschicht mit niedriger Dichte auf der Oberfläche des gesinterten Blocks B erzeugt. Diese Oberflächenschicht mit geringer Dichte wird von der Schneide- und Entfern einrichtung 4 weggeschnitten und bearbeitet. Dabei kann durch Abschälen der Oberflächenschicht mit niedriger Dichte bis zu dem Teil mit hoher Dichte der Teil mit hoher Dichte auf der Oberfläche des gesinterten Blocks B vollständig freigelegt werden. In diesem Fall kann der zu schneidende und zu bearbeitende Block B derart konfiguriert sein, dass er die gewünschte Außenkonturform P geringfügig in der Größe übersteigt. Der von der Schneide- und Entferneinrichtung 4 beschriebene Schneide- und Bearbeitungsweg wird ähnlich wie der Bestrahlungsweg des optischen Strahls L anhand der Daten des dreidimensionalen CAD-Modells im voraus erzeugt. Dann werden hinsichtlich des unteren gesinterten Blocks B, von dem die Oberflächenschicht mit niedriger. Dichte von der oben beschriebenen Schneide- und Entferneinrichtung 4 weggeschnitten und entfernt worden ist, die Pulvermaterialschicht 10 und die gesinterte Schicht 11 wiederholt ausgebildet, so dass ein neuer oberer gesinterter Block B auf dem unteren gesinterten Block B ausgebildet wird.
Bei dem gesinterten Block B, auf dem mehrere gesinterte Schichten 11 laminiert sind, ist ein unterer Schichtteil L_P dieses gesinterten Blocks B derart ausgeführt, dass er zurückgesetzt und in horizontaler Richtung kürzer ist. Mit anderen Worten: die Abtastkontur R jeder Schicht ist derart konfiguriert, dass ein Seitenende der Ausführung eines oberen Teils U eine Form aufweist, die von einem Seitenende der Ausführung des unteren Schichtteils L_P vorsteht. Beispielsweise ist in 1A, 1B und 1C gezeigt, dass an einer Seitenfläche des gesinterten Blocks B, auf dem mehrere gesinterte Schichten 11 laminiert sind, gemäß den Daten der Abtastkonturform R diese derart konfiguriert ist, dass sie eine Form aufweist, die in einer im wesentlichen geneigten Form von einem oberen Teil U_P zu einem unteren Teil L_P verläuft und eine Kerbe bildet. Wie deutlich in 1C zu sehen ist, wird, wenn der optische Strahl L beim Ausbilden jeder gesinterten Schicht 11 anhand der Daten des dreidimensionalen CAD-Modells entlang der Abtastkonturform R geführt wird, das auf der Seitenfläche der zu bestrahlenden gesinterten Schicht 11 befindliche Pulvermaterial gesintert, und dies führt zu der Ausbildung des überschüssigen gesinterten Teils 17 an der Seitenfläche der gesinterten Schicht 11. Die Abtastkonturform R, die von dem optischen Strahl L bestrichen wird, befindet sich in Längsrichtung (d. h. in horizontaler Richtung in der Zeichnung) betrachtet an einer kürzeren Längenposition an der Innenseite in der gesinterten Schicht 11 eines unteren Teils L_P und in Längsrichtung betrachtet an einer längeren Längenposition an der Außenseite in der gesinterten Schicht 11 eines oberen Teils U_P. Wenn die gesinterte Schicht 11 derart konfiguriert ist, dass sich die Länge in Längsrichtung der gesinterten Schicht 11 allmählich von dem unteren Teil L_P zu dem oberen Teil U_P hin vergrößert, ist es möglich, die obere Fläche eines konkaven Teils g von außen nach innen abwärts zu neigen. Dann wird nach dem Bestreichen mit dem optischen Strahl L in dem gesinterten Block B ein vorspringender Teil f, der nach außen vorsteht, an der Seitenfläche des oberen Teils U_P ausgebildet und der abwärts geneigte zurückgesetzte konkave Teil g an der Seitenfläche des unteren Teils L_P ausgebildet. Der überschüssige gesinterte Teil 17, der beim Prozess des Laminierens der gesinterten Schicht 11 erzeugt wird, befindet sich in dem konkaven Teil g, so dass er nicht aus der Seitenfläche des gesinterten Blocks B unmittelbar unter dem konkaven Teil g herausläuft. Durch Abschneiden und Bearbeiten des überschüssigen gesinterten Teils 17 an der Seitenfläche des gesinterten Blocks B kann ein gesinterter Block mit einer gewünschten Außenkonturform P erhalten werden. Ferner ist, wie in 2A und 2B gezeigt, der gesinterte Block B derart konfiguriert, dass der untere Teil L_P der Seitenfläche des gesinterten Blocks B in Form eines Rechteck zurückgesetzt ist. Dann wird der vorspringende Teil f, der nach außen vorsteht, an der Seitenfläche des oberen Teils U des gesinterten Blocks B ausgebildet und der konkave Teil g, der in Form eines Rechtecks zurückgesetzt ist, auf der Seitenfläche des unteren Teils L_P des gesinterten Blocks B ausgebildet.
Ferner wird, wie in 4C gezeigt, bei der Herstellung des gesinterten Blocks B mit einer solchen Form ein Lichtfleck mit einem Durchmesser 2Lr, der in der Lage ist, eine Sinterdichte p von mindestens 70 bis 80% zu erzeugen, aus den Lichtflecken des optischen Strahls L ausgewählt. Auf der Seite des unteren Teils L_P des gesinterten Blocks B wird, wie in 4A gezeigt, der optische Strahl L entlang einer Abtastkonturform R_U geführt, die um ein Maß f von der Abtastkonturform R_I vorsteht und anhand der Daten des dreidimensionalen CAD-Modells errechnet worden ist. Auf diese Weise kann ein vorstehender Teil f ausgebildet werden.
Der Teil f, der an dem oberen Teil U_P des gesinterten Blocks B nach außen vorsteht, wird zusammen mit dem überschüssigen gesinterten Teil 17 abgeschnitten und entfernt, wenn das Sintern des nächsthöheren gesinterten Blocks B, der auf diesem gesinterten Block B ausgebildet wird, abgeschlossen ist.
Ferner muss bei der oben beschriebenen Ausführungsform anders als beim Stand der Technik der vorstehende Teil f an dem oberen Teil U_P des oberen gesinterten Blocks B jedoch abgeschnitten und entfernt werden, so dass die Arbeitszeit und die benötigte Zeit zum Abschneiden und Entfernen des überschüssigen gesinterten Teils 17, der von dem oberen gesinterten Block B zu dem unteren gesinterten Block B herabhängen kann, sehr kurz sein kann.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform. Gemäß 5 bestreicht nach dem Abschneiden und Entfernen des unteren gesinterten Blocks B ein optischer Strahl L' beim Sintern eines erforderlichen Teils der Pulvermaterialschicht 10, der dem nächsthöheren gesinterten Block B entspricht, zunächst einen zu sinternden Teil, d. h. entlang der Abtastkontur, wie z. B. einen Außenrand und einen Innenrand. Folglich wird ein an der Kontur gesinterter Teil 18 als provisorischer gesinterter Teil entlang einer schmalen Abtastkontur ausgebildet. Als nächstes wird durch Bestrahlen eines zu sinternden Teils, der von dem an der Kontur gesinterten Teil 18 umgeben ist, mittels des optischen Strahls L und Sintern dieses Bereichs die gesinterte Schicht 11 als eigentlicher gesinterter Teil ausgebildet. In diesem Fall wird der Sintergrad des optischen Strahls L' zum Ausbilden des an der Kontur gesinterten Teils 18 dadurch klein gehalten, dass die Energie des Strahls kleiner gehalten wird als die des optischen Strahls L für ein normales eigentliches Sintern und das Abtasten bei hoher Geschwindigkeit erfolgt.
Der an der Kontur gesinterte Teil 18, der entlang der Abtastkonturform ausgebildet ist (d. h. der sehr kleine überschüssige gesinterte Teil 17) dient ebenfalls zum Freisetzen der Wärme von dem optischen Strahl L zu dem unteren gesinterten Block B, der bereits ausgebildet ist, wenn die Strahlung des optischen Strahls L aufgenommen wird. Dadurch wird verhindert, dass sich der überschüssige gesinterte Teil 17 stark vergrößert und von der Außenfläche des unteren gesinterten Blocks B herabhängt. Nach dem Abschneiden und Bearbeiten des unteren gesinterten Blocks B wird beim Ausbilden der ersten gesinterten Schicht 11 des nächsthöheren gesinterten Blocks B der an der Kontur gesinterte Teil 18 gebildet. Der an der Kontur gesinterte Teil 18 wird jedoch nicht nur beim Ausbilden der ersten gesinterten Schicht 1, sondern auch beim Ausbilden der weiteren gesinterten Schicht 11 gebildet. Mit anderen Worten: das Ausbilden des an der Kontur gesinterten Teils 18 erfolgt mindestens einmal, und das Ausbilden der gesinterten Schicht 11 erfolgt mehrmals.
6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform. Gemäß dieser Ausführungsform wird nach dem Schneiden und Bearbeiten des unteren gesinterten Blocks B mittels der Schneide- und Bearbeitungseinrichtung 4 eine dünne Platte 7, die aus einer dünnen Eisenplatte besteht, auf den unteren gesinterten Block B platziert, um den unteren gesinterten Block B und eine äußere Umfangsnut 19, die als Bearbeitungsspur der Schneide- und Bearbeitungseinrichtung 4 erzeugt worden ist, abzudecken. Dann wird mittels der Schneide- und Entferneinrichtung 4 ein Loch 70 hergestellt, das durch die dünne Platte 7 und den unteren gesinterten Block B verläuft, und das Pulvermaterial 10a in das Loch 70 gefüllt. Durch Bestrahlen des in das Loch 70 gefüllten Pulverma terials 10a mittels des optischen Strahls L werden die dünne Platte 7 und der untere gesinterte Block B gesintert und miteinander verbunden.
Danach geht der Herstellschritt zu dem nächsthöheren gesinterten Block B über. Die gesinterte Schicht 11 wird insbesondere nach dem Ausbilden der Pulvermaterialschicht 10 gebildet. Das Ausbilden der Pulvermaterialschicht 10 und der gesinterten Schicht 11 wird zum Bilden des oberen gesinterten Blocks B wiederholt. Da die Nut 19 des unteren gesinterten Blocks B mit der dünne Platte 7 abgedeckt ist, hängt in diesem Fall der überschüssige gesinterte Teil 17 weder von dem oberen gesinterten Blocks B herab noch tritt er in die Nut 19 ein. Dann wird beim Schritt des Abschneidens und Entfernens von dem oberen Block B mittels der Schneide- und Entferneinrichtung 4 ein überflüssiger Teil der oben genannten dünnen Platte 7 abgeschnitten und entfernt.
Ferner ist es gemäß 8 möglich, die Oberfläche der äußeren Umfangsnut 19 zu bearbeiten, welche als Bearbeitungsspur zum Schneiden und Bearbeiten des gesinterten Blocks B mittels der Schneide- und Entferneinrichtung 4 erzeugt worden ist, um zu verhindern, dass das Pulvermaterial 10a an der Nut 19 haftet. Entsprechend dieser Oberflächenbearbeitung wird beispielsweise beim Aufbringen des optischen Strahls La während des Besprühens mit Luft oder einem Oxidationsmittel A ein oxidierter Film auf der Seitenfläche des oberen Teils des gesinterten Blocks B ausgebildet. Da das Pulvermaterial 10a aufgrund dieser Oberflächenbearbeitung nur schwer an der Oberfläche der Nut 19 haftet, wird die Erzeugung des überschüssigen gesinterten Teils 17 eingeschränkt. Selbst wenn der überschüssige gesinterte Teil 17 auf dem gesinterten Block B ausgebildet wird, haftet der überschüssige gesinterte Teil 17 nur schwach an dem gesinterten Block B, so dass der überschüssige gesinterte Teil 17 leicht von dem gesinterten Block B entfernbar ist. Mit anderen Worten: beim Schneiden und Bearbeiten des gesinterten Blocks B ist der überschüssige gesinterte Teil 17 leicht von dem gesinterten Block B abnehm- und entfernbar.
Ferner wird gemäß 9 ein Material C, das kaum an dem gesinterten Block B (d. h. der gesinterten Schicht 11) haftet, z. B. Keramikpulver, dessen Partikeldurchmesser ϕ im Bereich von 10 μm bis 50 μm liegt, in die Nut 19 gefüllt, welche als Bearbeitungsspur zum Schneiden und Bearbeiten mittels der Schneide- und Bearbeitungseinrichtung 4 erzeugt worden ist, und dann kann die gesinterte Schicht 11 des nächsthöheren gesinterten Blocks B ausgebildet werden. Selbst wenn der überschüssige gesinterte Teil 17 derart an dem oberen gesinterten Block B ausgebildet ist, dass er auf den unteren gesinterten Block B herabhängt, da die Peripherie des unteren gesinterten Blocks B von dem nicht haftenden Material C umgeben ist, haftet der überschüssige gesinterte Teil 17 nicht an der Seitenfläche des unteren gesinterten Blocks B.
Gemäß 10A und 10B wird das nicht haftende Material C mittels einer Ausgabeeinrichtung 8 zugeführt. Mit anderen Worten: die Ausgabeeinrichtung 8, die mit dem XY-Antriebsmechanismus (es kann der XY-Antriebsmechanismus 40 in der Schneide- und Entferneinrichtung 4 verwendet werden) verbunden ist, ist in der Nut 19 positioniert, die um den gesinterten Block B herum ausgebildet ist. Danach wird eine geeignete Menge des nicht haftenden Materials C korrekt von der Ausgabeeinrichtung 8 in die Nut 19 gefüllt.
Ferner wird gemäß 11A der untere gesinterte Block B mittels der Schneide- und Entferneinrichtung 4 abgeschnitten und entfernt und dann gemäß 11B der gesinterte Block B mit einer Maskenplatte M abgedeckt, welche eine Öffnung aufweist, die ungefähr die gleiche Form hat wie die glatte Konturform des unteren gesinterten Blocks B. In diesem Zustand werden die Pulvermaterialschicht 10, die dem oberen gesinterten Block B entspricht, und gleichzeitig die gesinterte Schicht 11 ausgebildet. Durch Vorsehen der Maskenplatte M wird verhindert, dass sich der überschüssige gesinterte Teil 17 über die Maskenplatte M zu dem unteren gesinterten Block B bewegt.
Ferner wird als Pulvermaterial 10a ein organisches oder anorganisches Pulvermaterial verwendet. Als anorganisches Pulvermaterial kann beispielsweise das in JP-A-2001-152204 genannte Pulver, d. h. ein Pulvermaterial, das ein eisenhaltiges oder NE-Pulver in nicht geringem Umfang als das aus der Gruppe bestehend aus Nickel, einer Nickellegierung, Kupfer und einer Kupferlegierung ausgewählte enthält, vorzugsweise verwendet werden. Ferner kann auch eine Eisen-, Kupfer-, Titan-, Aluminium-, Magnesium-Superhart-Legierung verwendet werden. Als organisches Pulvermaterial kann vorzugsweise ein thermoplastisches Harz verwendet werden, dessen Hauptkomponente Nylon, ABS oder dergleichen ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, mit folgenden Schritten: (a) Ausbilden einer Pulvermaterialschicht (10) aus anorganischem Material; (b) Bestrahlen eines vorbestimmten Teils der Pulvermaterialschicht (10) mit einem optischen Strahl (L) zum Ausbilden einer ersten gesinterten Schicht (11) und Verbinden der ersten gesinterten Schicht (11) mit einer unmittelbar unter der ersten gesinterten Schicht (11) befindlichen zweiten gesinterten Schicht; (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) zum Ausbilden eines gesinterten Blocks (B) aus mehreren gesinterten Schichten (11), die so ausgebildet sind, dass die Seiten des gesinterten Blocks während des Verbindungsprozesses der mehreren gesinterten Schichten (11) einen konkaven Teil (g) aufweisen und dass ein überschüssiger, gesinterter Teil (17) in dem konkaven Teil (g) aufgenommen wird, derart, dass er nicht aus einer Fläche des gesinterten Blocks (B) unmittelbar unter dem konkaven Teil (g) herausläuft. (d) Entfernen eines überschüssigen Teils von einer Fläche des gesinterten Blocks (B); und (e) Wiederholen der Schritte (c) und (d) hinsichtlich des gesinterten Blocks (B), von dem der überschüssige Teil entfernt wird, um eine Zielform eines dreidimensionalen Objekts, das aus mehreren der gesinterten Blöcke (B) gebildet ist, herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der konkave Teil (g) an einem unteren Teil (L_P) in dem gesinterten Block ausgebildet ist, derart, dass der untere Teil (L_P) des gesinterten Blocks zurückgesetzt und in horizontale Richtung verkürzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Länge der gesinterten Schichten von einem unteren Teil (L_P) zu einem oberen Teil (U_P) des gesinterten Blocks hin vergrößert, derart, dass eine obere Fläche des konkaven Teils (g) von außen nach innen geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Platzierens einer dünnen Platte (7), die zwischen dem unteren gesinterten Block (B), von dem der überschüssige Teil (17) entfernt worden ist, und der Pulvermaterialschicht zum Erzeugen des nachfolgenden gesinterten Block angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Behandelns der Seitenfläche des gesinterten Blocks (B), von dem der überschüssige Teil entfernt worden ist, derart, dass sie nicht mit dem Pulvermaterial reagiert.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit dem Schritt des Platzierens von nicht haftendem Pulvermaterial um den Umfang der Oberfläche des gesinterten Blocks (B), welcher nach dem Schritt der Oberflächenbehandlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit dem Schritt des Platzierens einer Maske auf der oberen Fläche des gesinterten Blocks (B), welcher nach dem Schritt der Oberflächenbehandlung erfolgt, wobei die Maske (M) eine Öffnung aufweist, die der Kontur des gesinterten Blocks (B) ungefähr gleich ist.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, mit folgenden Schritten: (a) Ausbilden einer Pulvermaterialschicht (10) aus anorganischem Material; (b) Bestrahlen der Kontur eines zu sinternden vorbestimmten Teils der Pulvermaterialschicht (10) mittels eines optischen Strahls (L') zum Ausbilden eines an der Kontur gesinterten Teils (18); (c) Bestrahlen sämtlicher zu sinternden vorbestimmten Teile der Pulvermaterialschicht mittels des optischen Strahls (L) zwecks Ausbildung einer ersten gesinterten Schicht (11) und Verbinden der ersten gesinterten Schicht (11) mit einer unmittelbar unter der ersten gesinterten Schicht (11) befindlichen zweiten gesinterten Schicht, wobei jeder der vorbestimmten Teile der vorbestimmte Teil ist; (d) Wiederholen der Schritte (a) und (c) zum Ausbilden eines gesinterten Blocks (B), der aus mehreren der ersten und zweiten gesinterten Schichten (11) gebildet ist; (e) Entfernen eines überschüssigen Teils (17) von einer Fläche des gesinterten Blocks (B); und (f) Wiederholen der Schritte (a), (b), (c), (d) und (e) hinsichtlich des gesinterten Blocks (B), von dem der überschüssige Teil (17) entfernt worden ist, zum Herstellen einer Zielform eines dreidimensionalen Objekts, das aus mehreren gesinterten Blöcken (B) gebildet ist, derart, dass verhindert wird, dass bei den Schritten (a), (b), (c), (d) und (e) ein überschüssiger gesinterter Teil an dem unteren Block (B), von dem der überschüssige Teil (17) bereits entfernt worden ist, ausgebildet wird.