DE69129814T3

DE69129814T3 - Vorrichtung zum Laser-Strahlungsenergiesintern

Info

Publication number: DE69129814T3
Application number: DE69129814T
Authority: DE
Inventors: Kris W. Grube; Joseph J. Beaman
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2011-11-08
Also published as: EP0556291A1; JP3630678B2; DE69120544D1; DE9117122U1; EP0703036B1; DE69129814T2; DE69129814D1; DE69120544T2; AU9027591A; US5155321A; SG85648A1; JPH11508322A; ATE139720T1; EP0703036A2; EP0556291A4; SG47793A1; ATE168301T1; EP0703036B2; WO1992008566A1; EP0703036A3

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Strahlungsheizung und insbesondere die Strahlungsheizung beim selektiven Lasersintern.
Hintergrund der Erfindung
Das selektive Lasersintern ist ein relativ neues Verfahren für die Herstellung von Teilen und anderen festen Artikeln von unbegrenzter Form in schichtartiger Weise. Dieses Verfahren stellt derartige Artikel nach dem Vorgang des Sinterns her, was jeden Prozeß betrifft, bei dem einzelne Teilchen veranlaßt werden, eine feste Masse durch die Anwendung einer äußeren Energie zu bilden. Entsprechend dem selektiven Lasersintern wird die externe Energie gebündelt und durch das Steuern eines Lasers gesteuert, um ausgewählte Stellen eines wärmeschmelzbaren Pulvers zu sintern. Indem dieses Verfahren schichtweise durchgeführt wird, können komplizierte Teile und feste Artikel von unbegrenzter Form, die nicht ohne weiteres (wenn überhaupt) mittels subtraktiver Verfahren, wie Zerspanen, hergestellt werden können, schnell und genau gefertigt werden. Dementsprechend ist dieses Verfahren besonders für die Herstellung von Prototypteilen vorteilhaft, und es ist insbesondere für die kundenspezifische Herstellung derartiger Teile und Artikel direkt aus den CAD-Datenbanken nützlich.
Das selektive Lasersintern wird durch Auftragen einer Schicht eines wärmeschmelzbaren Pulvers auf eine Zielfläche durchgeführt; Beispiele für solche Pulver sind Metallpulver, Polymerpulver, wie Wachs, das anschließend beim Präzisionsgießen mit verlorener Gießform eingesetzt werden kann, keramische Pulver und Kunststoffe, wie ABS-Kunststoff, Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat und andere Polymere. Die Abschnitte der Schicht des Pulvers, die einer Querschnittsschicht des herzustellenden Teils entsprechen, werden einem gebündelten und richtungsgesteuerten Energiestrahl ausgesetzt, wie er beispielsweise durch einen Laser erzeugt wird, dessen Richtung durch Spiegel mit Steuerung durch einen Computer gesteuert wird. Die Teile des Pulvers, die der Laserenergie ausgesetzt werden, werden zu einer festen Masse in der hierin vorangehend beschriebenen Weise gesintert. Nachdem die ausgewählten Abschnitte der Schicht so gesintert oder gebunden wurden, wird eine weitere Schicht des Pulvers über der vorangehend selektiv gesinterten Schicht angeordnet, und der Energiestrahl wird so ausgerichtet, daß die Abschnitte der neuen Schicht entsprechend der nächsten Querschnittsschicht des herzustellenden Teils gesintert werden. Das Sintern einer jeden Schicht erzeugt nicht nur eine feste Masse innerhalb der Schicht, sondern versintert ebenfalls jede Schicht mit dem vorher gesinterten Pulver, das unterhalb des neu gesinterten Abschnittes liegt. Auf diese Weise baut das Verfahren des selektiven Lasersinterns ein Teil schichtweise mit einer Anpassungsfähigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Herstellung auf, die den konventionellen Zerspanungsverfahren überlegen sind.
Das Verfahren des selektiven Lasersinterns und die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens werden ausführlicher im U.S.Patent Nr. 4863538, am 5. September 1989 ausgestellt; im U.S.Patent Nr. 4938816, am 3. Juli 1990 ausgestellt; im US-Patent Nr. 4944817, am 31. Juli 1990 ausgestellt; und in der PCT-Veröffentlichung WO 88/02677, am 21. April 1988 veröffentlicht, beschrieben, auf die man sich hierin bezieht.
Ein Problem, dem man auf dem Gebiet des selektiven Lasersinterns begegnet, ist das Verziehen und Schrumpfen des Teils infolge der Wärmewirkungen. Ein derartiges Verziehen kann als Aufrollen einer gesinterten Schicht so in Erscheinung treten, daß sie nicht an die vorher gesinterte Schicht, die direkt darunter liegt, gebunden wird; eine andere Auswirkung dieses Verziehens tritt selbst dann auf, wenn die Schichten des Teils miteinander verbunden sind, aber wenn sich das Teil selbst verzieht, beispielsweise wenn sich eine flache Bodenfläche an den Rändern so aufrollt, daß sie zu einer gewölbten Fläche wird, die konkav nach oben gerichtet ist. Man glaubt, daß eine bedeutende Ursache dieses Verzie hens die Wärmeschrumpfung der gesinterten Schicht ist, ausgehend von der Temperatur während des Sinterns bis zur Temperatur nach dem Sintern, wobei ein diesbezüglicher extremer Fall bewirkt, daß die Schichten nicht aneinander gebunden werden. Außerdem wurde beobachtet, daß ein ungleichmäßiges Abkühlen des Teils während seiner schichtweisen Herstellung, beispielsweise wenn die oberen Schichten des Teils schneller abgekühlt werden als die unteren Schichten, ein Verziehen und Aufrollen hervorruft.
Es wurde beobachtet, daß die Steuerung der Temperatur des herzustellenden Artikels ein wichtiger Faktor bei der Reduzierung eines derartigen Verziehens ist. Eine Vorrichtung für das Steuern der Temperatur des Teils wird in der vorangehend erwähnten PCT-Veröffentlichung WO 88/02677 beschrieben, wobei diese einen Sog aus temperaturgesteuerter Luft durch die Zielfläche (d. h., durch das Pulver und das zu fertigende Teil) bewirkt. Eine derartige Steuerung durch diesen Sog soll die Temperaturdifferenz reduzieren, der das Teil während und nach dem Sintervorgang ausgesetzt ist, wodurch die Schrumpfung durch Abkühlen reduziert wird, und die Temperatur der vorangehend gesinterten Schichten auf einer Temperatur halten, die hoch genug ist, um die Relaxation zu gestatten.
Ein weiteres wichtiges Problem, dem man auf dem Gebiet des selektiven Lasersinterns begegnet, ist das unerwünschte Wachstum des herzustellenden Teils über das Volumen hinaus, das durch den Energiestrahl abgegrenzt wird. Wie gut bekannt ist, kann die Größe des Punktes eines Laserstrahles ziemlich klein sein, so daß entsprechend dem Verfahren des selektiven Lasersinterns, bei dem das Volumen des Teils durch die Laserabtastung abgegrenzt wird, die Auflösung des herzustellenden Teils theoretisch ziemlich hoch sein kann. Die Wärmeleitung, die sich durch das Sintern ergibt, kann jedoch bewirken, daß die Teilchen des Pulvers außerhalb der Laserabtastung am direkt gesinterten Abschnitt sintern. Das bewirkt, daß die Querschnittsschicht größer ist als die, die durch die Laserabtastung abgegrenzt wird. Außerdem kann ein Wachstum von Schicht zu Schicht auftreten, beispielsweise wenn ausreichend Wärme vom Sintern im gesinterten Abschnitt der Schicht in dem Zeitpunkt verbleibt, in dem die nächste Schicht des Pulvers darauf angeordnet wird, so daß die nächste Schicht des Pulvers mit der vorherigen Schicht versintert, ohne daß eine Einwirkung des Laserstrahles erfolgt. Es wurde ermittelt, daß die hierin vorangehend beschriebene Saugzugvorrichtung eine Übertragung der Volumenwärme aus der Schicht, die gesintert wird, bewirkt, wodurch das Ausmaß eines derartigen Wachstums zwischen den Schichten reduziert wird.
Die Anwendung der Konvektionstemperatursteuerung ist in ihrer Genauigkeit jedoch auf eine gleichmäßige Steuerung der Temperatur der herzustellenden Schicht begrenzt. Das ist auf den nicht begrenzten und ungleichmäßigen Weg zurückzuführen, dem der Luftstrom unvermeidlich folgen muß, während er durch das herzustellende Teil hindurchgeht (die Ausbildung des Teils steuert den Weg des Luftstromes). Dementsprechend weist ein weiteres Verfahren, das bei den Versuchen zur Steuerung der Temperatur des herzustellenden Teils angewandt wurde, Strahlungsheizungen auf, die nahe der Zielfläche angeordnet wurden. Zu derartigen Strahlungsheizungen gehörten Flutlampen, Quarzstäbe und konventionelle flache Strahlungspaneele.
Unter Hinweis auf 1 wird jetzt eine Vorrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik beschrieben, die flache Strahlungspaneele für die Bereitstellung der Strahlungswärme für die Zielfläche des selektiven Lasersinterns umfaßt. Die Vorrichtung, die in 1 gezeigt wird, ist eine schematische Darstellung des SLS Model 125 DeskTop Manufacturing-Systems, das von der DTM Corporation hergestellt und verkauft wird. Die Vorrichtung in 1 umfaßt eine Kammer 2 (die vorderen Türen und die Oberseite der Kammer 2 werden der Deutlichkeit halber in 1 nicht gezeigt), innerhalb der der Vorgang des selektiven Sinterns stattfindet. Die Zielfläche 4 ist für Beschreibungszwecke die obere Fläche des wärmeschmelzbaren Pulvers (einschließlich der vorher gesinterten Abschnitte, wenn vorhanden), das auf dem Teilekolben 6 angeordnet ist. Die vertikale Bewegung des Teilekolbens 6 wird durch den Motor 8 gesteuert. Der Laser 10 stellt einen Strahl bereit, der durch die durch Galvanometer gesteuerten Spiegel 12 (von denen nur einer der Deutlichkeit halber gezeigt wird) in der Weise reflektiert wird, die in den U.S.Patenten beschrieben wird, auf die man sich hierin vorangehend bezogen hat. Der Pulverkolben 14 ist ebenfalls in dieser Vorrichtung vorhanden, und er wird durch den Motor 16 gesteuert. Wie in der vorangehend erwähnten PCT-Veröffentlichung 88/02677 beschrieben wird, ist eine gegenläufige Walze 18 vorhanden, um das Pulver auf die Zielfläche 4 in einer gleichmäßigen und ebenen Weise zu übertragen.
Beim Betrieb liefert die Vorrichtung aus 1 das Pulver zur Kammer 2 über den Pulverzylinder 14; das Pulver wird in der Kammer 2 durch die nach oben gerichtete Teilbewegung des Pulverzylinders 14, die durch den Motor 16 bewirkt wird, angeordnet. Die Walze 18 (vorzugsweise mit einem Abstreifer versehen, um einen Aufbau zu verhindern, wobei der Abstreifer der Deutlichkeit halber nicht in 1 gezeigt wird) verteilt das Pulver innerhalb der Kammer durch eine Translationsbewegung vom Pulverzylinder 14 zur Zielfläche 4 und über diese hinweg auf die Oberfläche des Pulvers auf der Oberseite des Teilekolbens 6 in der Weise, die in der PCT-Veröffentlichung 88/02677 beschrieben wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Walze 18 das Pulver vom Pulverkolben 14 liefert, befindet sich die Zielfläche 4 (ob eine vorherige Schicht darauf angeordnet ist oder nicht) vorzugsweise ein wenig, beispielsweise 0,1 mm (5 Tausendstel Inch), unterhalb des Bodens der Kammer 2, um die Dicke der zu verarbeitenden Pulverschicht abzugrenzen. Für eine gleichmäßige und gründliche Verteilung des Pulvers bevorzugt man, daß die Menge des Pulvers, die vom Pulverzylinder 14 geliefert wird, größer ist als die, die vom Teilezylinder 6 aufgenommen werden kann, so daß sich ein gewisses überschüssiges Pulver aus der Bewegung der Walze 18 über die Zielfläche 4 ergeben wird; das kann durch die Aufwärtsbewegung des Pulverkolbens 14 über eine größere Strecke als den Abstand unterhalb des Bodens der Kammer 2, auf den die Zielfläche 4 eingestellt wird (beispielsweise 0,2 mm (10 Tausendstel Inch) gegenüber 0,1 mm (5 Tausendstel Inch)), bewirkt werden. Es wird ebenfalls bevorzugt, die Gegendrehung der Walze 18 mit der Translationsbewegung der Walze 18 innerhalb der Kammer 2 zu koppeln, so daß das Verhältnis der Drehzahl zur Translationsgeschwindigkeit konstant ist.
Nach der Übertragung des Pulvers auf die Zielfläche 4 und die Rückkehr der Walze 18 in ihre Ausgangsposition nahe dem Pulverkolben 14 sintert der Laser 10 beim weiteren Betrieb selektiv die Teile des Pulvers in der Zielfläche 4, die dem Querschnitt der Schicht des herzustellenden Teils entsprechen, so wie in den vorangehend erwähnten U.S.Patenten und der PCT-Veröffentlichung beschrieben wird. Nach Abschluß des selektiven Sinterns für die betreffende Schicht des Pulvers bewegt sich der Teilekolben 6 um eine Strecke nach unten, die der Dicke der nächsten Schicht entspricht, wobei das Auftragen der nächsten Schicht des Pulvers auf dieser durch die Walze 18 erwartet wird.
Strahlungsheizpaneele 20 werden bei dieser Vorrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik aus 1 bereitgestellt, die vom Dach der Kammer 2 (in einer nicht gezeigten Weise) herabhängen. Die Strahlungsheizpaneele 20 sind bei dieser Anordnung nach dem bisherigen Stand der Technik konventionelle flache, rechteckige Heizpaneele, von denen jedes die Energie pro Flächeneinheit im wesentlichen gleichmäßig über seine Oberfläche abstrahlt. Bei dieser Anordnung sind die Strahlungsheizpaneele 20 voneinander getrennt, um zu gestatten, daß der Strahl vom Laser 10 zwischen diesen hindurchgeht, und sie sind unter einem Winkel relativ zur Zielfläche 4 angeordnet, um die Zielfläche 4 so zu erwärmen, daß die Oberflächentemperatur gesteuert werden kann, um das Wachstum und das Aufrollen zu reduzieren, wie hierin vorangehend beschrieben wird.
Bei der Anwendung der Anordnung aus 1 wurde eine Ungleichmäßigkeit der Temperatur auf der Zielfläche 4 beobachtet. Eine derartige Ungleichmäßigkeit der Temperatur der Zielfläche kann das Wachstum in einem Abschnitt des herzustellenden Teils (d. h., an der heißesten Stelle) gleichzeitig mit einem Aufrollen oder einem weiteren Verziehen in einem anderen Abschnitt des Teils (d. h., an der kühlsten Stelle) gestatten. Dementsprechend bewirkt diese Ungleichmäßigkeit bei der Vorrichtung aus 1, daß es schwierig ist, die Temperatur auf der Zielfläche 4 zu optimieren, um ein Auftreten dieser beiden schädlichen Effekte zu vermeiden.
Es muß ebenfalls bemerkt werden, daß eine gleichmäßige Strahlungsbeheizung einer Oberfläche theoretisch bewirkt werden kann, indem ein flaches Strahlungsheizelement bereitgestellt wird, das parallel zu der Fläche angeordnet wird, die erwärmt werden soll, und das eine effektiv unbegrenzte Größe relativ zur Zielfläche aufweist. Beim Einsatz einer derartigen Heizung in einer geschlossenen Kammer ist es jedoch nicht durchführbar, eine derartige große Heizung bereitzustellen, da übermäßig große Kammern die Fähigkeit verringern, die darin auftretende Umgebungstemperatur zu steuern, und sie werden für großtechnische Zwecke infolge der damit verbundenen Kosten des Erfordernisses eines großen Platzbedarfes nicht bevorzugt. Es muß ebenfalls bemerkt werden, daß eine derartige flache Heizung nicht zwangsläufig mit dem selektiven Lasersintern kompatibel ist, da keine Öffnung für den Laser durch diesen hindurch zur Verfügung gestellt wird.
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, eine Strahlungsheizung bereitzustellen, die eine Energie zu einer im wesentlichen ebenen Fläche, die von dieser einen Abstand aufweist, so liefert, daß die gesamte Energie pro Flächeneinheit, die auf die ebene Fläche auftrifft, im wesentlichen gleichmäßig ist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine derartige Heizung bereitzustellen, die zu einer gleichmäßigen Temperatur auf einer ebenen Fläche führt, die einen Abstand zu dieser aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine derartige Strahlungsheizung bereitzustellen, die in ihrer Mitte eine Öffnung aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine derartige Strahlungsheizung bereitzustellen, die besonders für einen Einsatz in einer Vorrichtung für das selektive Lasersintern ausgelegt ist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Vorrichtung für das selektive Lasersintern bereitzustellen, die eine derartige Strahlungsheizung besitzt.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine derartige Strahlungsheizung bereitzustellen, die darin vorhandene steuerbare Segmente aufweist, um die Regulierung der Oberflächentemperatur zu gestatten.
Weitere Ziele dieser Erfindung werden die Fachleute unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine isometrische und schematische Darstellung einer Vorrichtung für das selektive Lasersintern entsprechend dem bisherigen Stand der Technik.
2 zeigt eine Draufsicht einer Strahlungsheizung.
3 zeigt eine Ansicht der Strahlungsheizung aus 2, die in einer Beziehung zu der Oberfläche gezeigt wird, die erwärmt werden soll.
4 und 5 zeigen grafische Darstellungen der Größe der übertragenen Energie pro Flächeneinheit für eine konventionelle Strahlungsheizung und die Heizung entsprechend der 2 bzw. 3.
6, 7 und 8 zeigen grafische Darstellungen, die die Abhängigkeit der Größe der übertragenen Energie pro Flächeneinheit bei den speziellen Abmessungen der Strahlungsheizung zeigen.
9 zeigt eine isometrische Darstellung einer Vorrichtung für das selektive Lasersintern, die die Strahlungsheizung entsprechend der Ausführung der 2 und 3 enthält.
10 zeigt eine isometrische Darstellung einer weiteren Strahlungsheizung.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlungsheizung entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 2 bis 10 stellen keine Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, die eingeschlossen sind, um zu deren Verständnis beizutragen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Es wird auf die 2 und 3 Bezug genommen. Die Strahlungsheizung 30 ist eine elektrische Widerstandsheizung, die die Anschlüsse 32 aufweist, wie beispielsweise Kissen, auf deren Fläche Drähte angelötet werden können. Die Heizung 30 erzeugt Wärme, die aus dem Strom resultiert, der zwischen den Kissen 32 hindurchgeht. Das widerstandsbehaftete Material innerhalb der Heizung 30 können Widerstandsheizfäden sein, die konventionell in Strahlungsheizungen eingesetzt werden, wie beispielsweise eine geätzte Folie oder ein Nickel-Chrom-Draht.
Alternativ kann das Material des Ringes selbst als widerstandsbehaftetes und wärmeerzeugendes Material dienen; in diesem Fall wird bevorzugt, daß die Heizung 30 einen Spalt oder eine dielektrische Isolation zwischen den Kissen 32 (d. h., die kurze Bewegungsrichtung) umfaßt, so daß der Strom gezwungen wird, sich um die Heizung 30 herum zu bewegen, wodurch sein Wirkungsgrad ver bessert wird. Alternativ können die Kissen 32 im Abstand diametral einander gegenüberliegend auf der Oberfläche der Heizung 30 vorhanden sein, so daß sich der Strom in gleichen Anteilen längs der Seiten der Heizung 30 bewegen wird. Das ist jedoch sehr wahrscheinlich weniger wirksam, da die Heizung 30 in jenem Fall effektiv zu zwei parallelen Widerständen würde, so daß sich ein niedriger Widerstand ergibt, der wiederum den I²R-Energieverzehr und die Wärmeerzeugung der Heizung 30 reduziert.
Es wird in Betracht gezogen, daß jetzt auch andere Ausführungen und Stellen der Kissen 32 auf der Heizung 30 den Fachleuten unter Bezugnahme auf diese Beschreibung bewußt werden.
Es sollte vermerkt werden, daß Versuche unter Verwendung einer Strahlungsheizung 30 durchgeführt wurden, wie hierin nachfolgend beschrieben wird, indem eine konventionelle ringförmige Leitungsheizung als Strahlungsheizung 30 eingesetzt wurde. Dieses konventionelle Element, das als Heizung 30 eingesetzt wurde, ist ein ringförmiger Bandheizkörper mit 1800 Watt, der als Chromalux Modell A-903/240 verkauft wird. Der Chromalux-Bandheizkörper wird als Leitungsheizung für das Beheizen von Bottichen und anderen Behältern für Flüssigkeiten und dergleichen hergestellt und verkauft.
Es wird angenommen, daß die Abmessungen einer ringförmigen Strahlungsheizung 30 relativ zum Abstand zwischen der Heizung 30 und der Fläche, die beheizt werden soll, für das Erreichen eines hohen Grades an Gleichmäßigkeit der Temperatur auf der zu beheizenden Fläche ziemlich wichtig sind. Die Modellierung der Wärmeübertragung einer derartigen Strahlungsheizung kann angewandt werden, um diese Abmessungen zu ermitteln, wie jetzt ausführlicher beschrieben wird.
Gemäß der grundlegenden Theorie der Wärmeübertragung kann die Größe q der Energieübertragung zwischen einem Quellenkörper (Körper 1) und einem Zielkörper (Körper 2) durch Strahlung wie folgt ausgedrückt werden: q = FEFGσA1(T1 4 – T2 4)worin sind: F_E der Faktor des Emissionsvermögens in Abhängigkeit vom Emissionsvermögen der zwei Körper, F_G der geometrische "Betrachtungsfaktor", wie er hierin nachfolgend beschrieben wird, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, A₁ die Fläche des Quellenkörpers und T₁ und T₂ die Temperaturen des Quellen- und bzw. des Zielkörpers. Siehe beispielsweise Holman, Heat Transfer, 2. Ausgabe (McGraw-Hill, 1963).
Wo der Quellenkörper eine diffuse Fläche ist, wie bei dem Beispiel, das bei der Strahlungsheizung 30 anwendbar ist, wird die Strahlungsenergie in isotroper Weise abgestrahlt. Dementsprechend erreicht tatsächlich nur ein Anteil der abgestrahlten Energie, die vom Quellenkörper abgestrahlt wird, den Zielkörper, was natürlich von den Geometrien des Quellen- und des Zielkörpers abhängig ist. Der geometrische Betrachtungsfaktor F_G wird daher bei der vorangegangenen Beziehung verwendet, um den Anteil der vom Quellenkörper abgestrahlten Energie zu liefern, der den Zielkörper erreicht. Wenn alle anderen Faktoren gleich gehalten werden, kann die Abhängigkeit der Größe q der Energieübertragung als eine Funktion der Geometrie des Quellenkörpers und als eine Funktion der Stelle des Zielkörpers, die von Interesse ist, ermittelt werden. Vorzugsweise kann ein Modellierungsprogramm mittels Computer verwendet werden, um die Berechnungen durchzuführen, die für diese Ermittlung erforderlich sind.
Es sollte vermerkt werden, daß die Berechnung des Betrachtungsfaktors F_G ziemlich kompliziert sein kann, selbst für einfache Geometrien. Gut bekannte Literaturhinweise auf dem Gebiet der Wärmeübertragung veröffentlichten Betrachtungsfaktoren und algebraische Prinzipien, nach denen die Betrachtungsfaktoren für spezielle, nicht tabellarisch erfaßte Geometrien ermittelt werden können. Siehe beispielsweise Howell, Radiation Configuration Factors (McGraw-Hill). Beispielsweise ist gut bekannt, daß die Betrachtungsfaktoren zwischen parallelen koaxialen Scheiben wie folgt ausgedrückt werden können: F1→2 = 1/2{X – [X2 – 4(R2/R1)2]1/2}worin sind: F_1→2 der Betrachtungsfaktor für die Quellenscheibe zur Zielscheibe, R₁ und R₂ die Radien der Quellen- und bzw. Zielscheibe, jeweils dividiert durch den Abstand zwischen den Scheiben (in 3 als Abstand a gezeigt), und worin X = 1 + (1 + R2 2)/R1 2
Für eine ringförmige Quellenscheibe, wie beispielsweise Strahlungsheizung 30, und für eine kreisförmige Zielfläche wurden die Prinzipien der algebraischen Betrachtungsfaktoren angewandt, um den Betrachtungsfaktor F_1R→2 mittels einer ersten Berechnung der zwei Betrachtungsfaktoren F_1→2a und F_1→2b entsprechend der vorangegangenen Beziehung abzuleiten; diese Betrachtungsfaktoren entsprechen jenen von einer Scheibenquelle 1 zu zwei konzentrischen Scheibenzielen 2a und 2b, wobei der Radius der Scheibe 2a größer ist als der der Scheibe 2b. Der Betrachtungsfaktor F_1R→2 von einer Ringquelle, die einen Außenradius R_a aufweist, der der gleiche ist wie das Scheibenziel 2a, und die einen Innenradius R_b aufweist, der der gleiche ist wie das Scheibenziel 2b, kann danach aus den Betrachtungsfaktoren F_1→2a und F_1→2b wie folgt berechnet werden: F1R→2 = (F1→2a – F1→2b)A1/(A2a – A2b)
In 2 wird die Strahlungsheizung 30 mit einem Außenradius R_a und einem Innenradius R_b entsprechend der üblichen Verfahrensweise gezeigt, die bei der vorangehenden Formel zur Anwendung kommt.
Um die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung über der Zielfläche zu ermitteln, ist es erforderlich, den vorangehend abgeleiteten Betrachtungsfaktor nicht nur für die Zielfläche (d. h., Körper 2) als Ganze zu betrachten, sondern für kleine Abschnitte davon; die Gleichmäßigkeit kann danach natürlich durch einen Vergleich der Größe q der Energieübertragung für die verschiedenen Abschnitte der Zielfläche gemessen werden. Da der Quellenkörper bei dieser Analyse ringförmig ist, und da er parallel und koaxial zur Zielfläche verläuft, kann angenommen werden, daß der Betrachtungsfaktor (und dementsprechend die Größe der Energieübertragung) für alle Abschnitte der Zielfläche gleich sein wird, die den gleichen radialen Abstand von der Mitte des Ziels aufweisen. Dementsprechend kann der Betrachtungsfaktor vom ringförmigen Quellenkörper zu einem unterschiedlichen ringförmigen Element des Zielkörpers leicht aus den Prinzipien des algebraischen Betrachtungsfaktors wie folgt abgeleitet werden: F1R→2R = F1R→2|r+Δr – F1R→2|r
Das berechnet den Betrachtungsfaktor für einen unterschiedlichen ringförmigen Abschnitt des Zielkörpers oder der Fläche, die einen Innenradius von r und einen Außenradius von r + Δr aufweist. Ein Vergleich der Größe q der Energieübertragung für jeden der ringförmigen Abschnitte der Zielfläche kann daher durch Berechnen des Betrachtungsfaktors F_1R→2R für die verschiedenen Elemente der Zielfläche und Dividieren eines jeden der berechneten Betrachtungsfaktoren durch die Fläche des unterschiedlichen Zielelementes vorgenommen werden, um die Dichte der Größe der Energieübertragung (d. h., die Größe q pro Flächeneinheit) zu erhalten.
In 4 und 5 wird jetzt ein Vergleich der Gleichmäßigkeit der Energieübertragung von einer scheibenartigen, flachen Strahlungsheizung, wie sie konventionell eingesetzt werden kann, mit der einer ringförmigen Strahlungsheizung 30 beschrieben. Die grafischen Darstellungen der 4 und 5 wurden bei Verwendung des Modells der Wärmeübertragung erhalten, das hierin vorangehend beschrieben wird.
In 2 und 3, die der Veranschaulichung der Abmessungen des modellierten Systems dienen, beträgt der Radius der scheibenartigen Heizung, die relativ zu 4 modelliert wurde, 21,8 cm, was dem Außenradius R_a der ringförmigen Heizung entspricht, der betreffs 5 modelliert wurde. Der Innenradius R_b der model lierten Strahlungsheizung 30 beträgt 15,25 cm. Für sowohl 4 als auch 5 beträgt der Abstand a zwischen den modellierten Heizungen und der Zielfläche 4 (siehe 3) im Modell 22 cm, der Radius R₂ der Zielfläche 4 beträgt 15 cm und der schrittweise Abstand Δr 0,25 cm.
4 zeigt die Ergebnisse der Modellierung für eine konventionelle scheibenartige Heizung, die betreffs der mittleren Dichte der Energieübertragung (d. h., q/Flächeneinheit) über der Zielfläche 4 genormt ist. Es kann aus den Ergebnissen der 4 gefolgert werden, daß der Einsatz einer derartigen konventionellen scheibenartigen Heizung zu einer Temperatur in der Mitte der Zielfläche 4 führen würde, die höher ist als die am Umfang. 5, die die Ergebnisse der Modellierung einer ringförmigen Strahlungsheizung veranschaulicht, zeigt eine bedeutend verbesserte Gleichmäßigkeit gegenüber der der modellierten scheibenartigen Heizung, wie sie aus 4 resultiert.
In gleicher Weise wurden die Modellierung einer Ringheizung, die auf die Abmessungen der hierin vorangehend angeführten Chromalux-Leitungsheizung abgestimmt ist, und die experimentellen Messungen für den Chromalux-Heizung selbst durchgeführt, um das Modell zu prüfen. Die Abmessungen der modellierten und der tatsächlichen Chromalux-Heizung umfassen einen Außenradius R_a von 13,93 cm und einen Innenradius R_b von 10,79 cm. Die zahlenmäßigen Ergebnisse dieser Modellierung sagten vorher, daß die maximale Abweichung (d. h., die Differenz zwischen Minimum und Maximum) in Prozent der pro Flächeneinheit übertragenen Energie für die Strahlungsheizung 30 entsprechend den Abmessungen der Chromalux-Heizung etwa 24,5% betragen würde.
Es wurden Messungen für eine Chromalux-Leitungsheizung mit 1800 Watt durchgeführt, die in einer Vorrichtung angeordnet wurde, wie in 1 gezeigt wird, wobei sie so gesteuert wurde, daß die Temperatur der Zielfläche 4 von einer Umgebungstemperatur von 23°C auf etwa 70°C angehoben wurde. Die gesamte gemessene Abweichung der Temperatur der Zielfläche 4 (gemessen mit Hilfe von Thermoelementen), berechnet in einer prozentualen Abweichung von der Umgebungstemperatur, betrug etwa 19,4%, was dicht bei dem Ergebnis der Abweichung der modellierten Energieübertragung liegt, das hierin vorangehend diskutiert wurde. Man glaubt daher, daß das hierin vorangehend beschriebene Modell ziemlich genau die Gleichmäßigkeit der Energieübertragung von einer Strahlungsheizung, wie beispielsweise der Strahlungsheizung 30, zu einer parallelen Fläche, die einen Abstand zu dieser aufweist, voraussagt.
Es sollte vermerkt werden, daß, wenn auch das Beispiel der Chromalux-Leitungsheizung verbesserte Ergebnisse gegenüber einer gleichermaßen bemessenen Scheibenheizung vorlegt, die Abmessungen des Beispiels der Strahlungsheizung 30, die relativ zu 5 modelliert wurde, gegenüber denen der Chromalux-Leitungsheizung bevorzugt werden.
Dementsprechend, wie in 5 gezeigt wird, bringt die Strahlungsheizung 30 bedeutende Verbesserungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Temperatur einer parallelen Zielfläche, verglichen mit den Ausführungen der Strahlungsheizung nach dem bisherigen Stand der Technik.
Aus der Modellierung und Versuchsdurchführung wurde ebenfalls beobachtet, daß die Abweichung bestimmter Abmessungen der Strahlungsheizung 30, wie beispielsweise des Abstandes a zwischen der Strahlungsheizung 30 und der Zielfläche 4 für eine bestimmte Größe der Strahlungsheizung 30, und wie beispielsweise der Breite des Ringes (d. h., der Differenz zwischen dem Außenradius R_a und dem Innenradius R_b) in bedeutendem Maße die Gleichmäßigkeit beeinflussen kann, mit der die Energie der Zielfläche 4 zugeführt wird.
In 6 und 7 werden die Einflüsse des sich verändernden Abstandes a zwischen einer Strahlungsheizung 30 und einer Zielfläche 4 im Ergebnis einer Modellierung der Wärmeübertragung gezeigt, wie sie in der hierin vorangehend beschriebenen Weise durchgeführt wurde. Die Abmessungen der Strahlungsheizung 30, die für die Zwecke der 6 und 7 modelliert werden, sind die gleichen wie die für das Modell in 5.
6 zeigt die modellierte genormte Verteilung der Strahlungsenergie einer ringförmigen Strahlungsheizung 30 als Funktion des Abstandes a von der Zielfläche 4. Wie in 6 gezeigt wird, wenn die Strahlungsheizung 30 in der Nähe der Zielfläche 4 ist, nimmt der Umfang der Zielfläche 4 relativ zur Mitte unverhältnismäßig mehr Energie auf, während sich bei der Strahlungsheizung 30, die einen ausreichenden Abstand zur Zielfläche 4 aufweist, die Bilanz so verändert, daß die Mitte der Zielfläche 4 mehr Energie pro Flächeneinheit als der Umfang aufnimmt. In 7 wird die prozentuale Abweichung (aus den Ergebnissen berechnet, die benutzt wurden, um die 6 zu erstellen) grafisch über dem Abstand a zwischen der Strahlungsheizung 30 und der Zielfläche 4 zusammen mit dem Prozentwert der gesamten Energie, die von der Strahlungsheizung 30 abgestrahlt wird, und die der Zielfläche 4 zugeführt wird, dargestellt. Man sieht, daß die Abweichung bei einem Abstand a von 22 cm ein Minimum aufweist; man sieht ebenfalls, daß der Wirkungsgrad der Zuführung der Energie zur Zielfläche 4 mit größer werdendem Abstand a abnimmt, wie zu erwarten ist. Dementsprechend ist der Abstand a zwischen der Strahlungsheizung 30 und der Zielfläche 4 ein bedeutender Faktor nicht nur hinsichtlich der Menge der Strahlungsenergie, die der Zielfläche 4 zugeführt wird, sondern ebenfalls hinsichtlich der Gleichmäßigkeit einer derartigen Zuführung.
In 8 werden jetzt die Einflüsse der Veränderung der Breite des Ringes (d. h. der Veränderung des Innenradius R_b aus 2) auf die Gleichmäßigkeit der Zuführung von Energie zur Zielfläche beschrieben. Die modellierten Bedingungen, unter denen die Ergebnisse der 8 erreicht wurden, umfassen einen konstanten Außenradius R_a der Strahlungsheizung 30 und einen konstanten Abstand a zwischen der Strahlungsheizung 30 und der Zielfläche 4. Man sieht, daß, wenn der Innenradius R_b größer wird (was zu einem schmaleren Ring führt), der Umfang der Zielfläche 4 mehr Energie pro Flächeneinheit als die Mitte aufnimmt; umgekehrt, wenn der Innenradius R_b abnimmt (was zu einem breiteren Ring führt, der sich mehr einer scheibenartigen Heizung nähert, wie er hierin vorangehend beschrieben wird), empfängt die Mitte der Zielfläche 4 mehr Energie pro Flächeneinheit als deren Umfang.
Es wird in Betracht gezogen, daß die hierin vorangehend für die Modellierung der Abmessungen der ringförmigen Strahlungsheizung 30, relativ zum Abstand zwischen der Strahlungsheizung und der Zielfläche 4, beschriebenen Beziehungen jetzt durch einen Fachmann benutzt werden können, um eine Strahlungsheizung 30 für eine spezielle Verwendung so zu konstruieren, daß die Vorteile einer gleichmäßigen Größe der Energieübertragung pro Flächeneinheit, wie sie hierin vorangehend beschrieben werden, erreicht werden.
Für die spezielle Anwendung des selektiven Lasersinterns ist die Strahlungsheizung 30 besonders vorteilhaft. Das ist nicht nur auf die verbesserte Gleichmäßigkeit zurückzuführen, mit der sie die Energie pro Flächeneinheit zuführt, sondern ebenfalls auf ihre Konstruktion, die ihre Anordnung koaxial mit der Zielfläche gestattet, während der Energiestrahl dazwischen hindurch zur Zielfläche 4 gelangen kann. In 9 wird jetzt eine Vorrichtung für das selektive Lasersintern beschrieben, die die Strahlungsheizung 30 umfaßt. Es sollte vermerkt werden, daß die gleichen Elemente dieser Vorrichtung, wie sie in der Vorrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik in 1 eingeschlossen sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet werden.
Die ringförmige Strahlungsheizung 30, wie sie hierin vorangehend beschrieben wird, wird in der Ausführung der 9 verwendet, um die Zielfläche 4 in der hierin vorangehend beschriebenen Weise gleichmäßig zu erwärmen. Die Anbringung der Strahlungsheizung 30 kann durch Aufhängen über der Zielfläche von der Oberseite der Kammer 2 aus (die Oberseite wird nicht gezeigt) entweder mittels Ketten, eines Drahtes, einer festen Halterung oder einer anderen geeigneten Montagevorrichtung bewirkt werden. Wie in 9 gezeigt wird, gestattet die Öffnung durch die Strahlungsheizung 30, daß der Strahl vom Laser 10 durch die Spiegel 12 gesteuert dazwischen hindurchgelangen kann und auf die Zielfläche 4 auftrifft, während dennoch gestattet wird, daß die Strahlungsheizung 30 koaxial zur kreisförmigen Zielfläche 4 angeordnet ist. Das berücksichtigt die Gleichmäßigkeit der Temperatur der Zielfläche über dem Bereich, der vom Strahl des Lasers 10 erreicht werden kann. Eine derartige gleichmäßige Temperatursteuerung gestattet eine Optimierung der Temperatur der Zielfläche 4, so daß das Wachstum und das Aufrollen des Teils minimiert werden, das nach dem selektiven Lasersintern hergestellt wird, wie es hierin vorangehend angeführt wird.
Es muß bemerkt werden, daß die Strahlungsheizung 30 in eine Vorrichtung für das selektive Lasersintern so eingebaut werden kann, daß die Temperatur auf der Zielfläche 4 vor der Einleitung des selektiven Lasersinterns (beispielsweise mit Hilfe von Thermoelementen oder Thermometern gemessen, die auf der Zielfläche 4 angeordnet sind) bei keinerlei weiterer Steuerung der Temperatur, die während des Vorganges durchgeführt wird, eingestellt werden kann. Infolge der Erzeugung von Wärme während des selektiven Lasersinterns wird sich jedoch die Temperatur der Zielfläche 4 gegenüber ihrem Anfangszustand vor dem Prozeß wahrscheinlich verändern. Für spezielle Materialien, wie beispielsweise Wachs, wurde beobachtet, daß eine genaue Steuerung der Temperatur über den Vorgang hinweg erforderlich ist, um die Probleme des Wachstums, des Aufrollens und eines anderweitigen Verziehens und Verformens des herzustellenden Teils zu vermeiden. Dementsprechend bevorzugt man die Einbeziehung einer gewissen Art der Messung, Rückmeldung und Steuerung in der Vorrichtung für das selektive Lasersintern.
Die bisherigen Verfahren für die Steuerung der Temperatur der Zielfläche 4, wo Strahlungsheizungen, wie beispielsweise die Paneele 20 in 1, eingesetzt wurden, umfaßten Thermoelemente in oder nahe der Zielfläche 4, beispielsweise in der Nähe der Oberseite des Teilekolbens 6. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Temperaturmessung der Zielfläche 4, auf der das Pulver mittels der Walze 18 angeordnet wird, und auf der das Teil im Pulver durch das Verfahren des selektiven Lasersinterns hergestellt wird, nach einer berührungsfreien Verfahrensweise vorgenommen wird. Dementsprechend enthält die Vorrichtung aus 9 einen Infrarotmeßfühler 34 für die Temperatur, der auf den entsprechenden Abschnitt der Zielfläche 4 ausgerichtet ist, die das Pulver und das darauf herzustellende Teil umfaßt. Der Ausgang des Meßfühlers 34 kann mittels einer konventionellen Anlage (nicht gezeigt) für die Steuerung des Stromes oder einer anderen Energie, die bei der Strahlungsheizung 30 zur Anwendung kommt, überwacht werden.
Bestimmte Materialien, die beim selektiven Lasersintern eingesetzt werden, müssen auf relativ niedrigen Temperaturen gehalten werden, um in Pulverform zu bleiben. Beispielsweise wurde ermittelt, daß das selektive Lasersintern besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Teilen aus Wachspulver ist, wobei die Wachsteile anschließend bei der Herstellung von Formen für das Präzisionsgießen mit verlorener Gießform entsprechend dem "Wachsausschmelzgießverfahren" verwendet werden. Das selektive Lasersintern des Wachspulvers ist den Problemen des Wachstums und des Aufrollens unterworfen, wie sie hierin vorangehend beschrieben werden, wodurch eine Steuerung der Temperatur der Zielfläche 4 erforderlich ist. Die Umgebungstemperatur der Kammer 2 muß jedoch relativ niedrig gehalten werden, beispielsweise in der Größenordnung von weniger als 50°C, so daß die Abschnitte des Wachspulvers, die nicht die Energie vom Laser aufnehmen, nicht schmelzen oder zusammenkleben. Dementsprechend kann die Temperatur, die vom Meßfühler 34 gemessen wird, relativ niedrig sein.
Beim Messen einer derartigen niedrigen Temperatur kann jedoch die Menge der Energie mit Infrarotwellenlänge von der Strahlungsheizung 30, die vom Pulver auf der Zielfläche 4 weg reflektiert wird, und die den Meßfühler erreicht, relativ bedeutend zu der Infrarotenergie sein, die vom Pulver selbst bei derartigen niedrigen Temperaturen abgestrahlt wird. Dementsprechend wurde beobachtet, daß die Temperatur, die durch den Infrarotmeßfühler 34 gemessen wird, von der Temperatur abweicht, die von einem Thermoelement gemessen wird, das sich an der Zielfläche 4 befindet.
Bei der Vorrichtung in 9 wird die Genauigkeit der Messung der Temperatur durch die Bereitstellung eines zweiten Infrarotmeßfühlers 36, der auf die Strahlungsheizung 30 gerichtet ist, um deren Strahlung zu messen, verbessert. Der Ausgang des Meßfühlers 36 wird gleichermaßen überwacht wie der Ausgang des Meßfühlers 34. Der Infrarotmeßfühler 36 liefert daher eine direkte Messung der Strahlung, die von der Strahlungsheizung 30 abgestrahlt wird. Das gestattet den Ausgleich der gemessenen Strahlung von der Zielfläche 4 durch den Meßfühler 34 für die von der Heizung 30 reflektierte Strahlung, so daß die richtige Temperatur des Pulvers und des Teils auf der Zielfläche 4 abgeleitet werden kann. Das Ausmaß des erforderlichen Ausgleichs hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der geometrischen Beziehung zwischen der Heizung, dem Pulverbett und den Meßfühlern, dem Reflexionsvermögen des Pulvers und der Temperatur des Pulvers. Es wird in Betracht gezogen, daß die Zeit-Nullpunkt-Charakterisierung der Kammer 2 und der Strahlungsheizung 30 bei Verwendung von Thermoelementen oder Anwendung einer anderen Kontaktmessung für eine derartige Charakterisierung für die betreffenden Pulver über der Temperatur erfolgen kann, um eine Ausgleichskurve oder eine Gleichung für die Korrektur des Ausgangssignals vom Meßfühler 34 zu liefern, um zu der richtigen Temperatur zu gelangen.
In 10 wird eine isometrische Ansicht einer alternativen Strahlungsheizung gezeigt. Wie hierin vorangehend mit Bezugnahme auf 9 bemerkt wird, ist der Anteil der gesamten von der Strahlungsheizung 30 abgestrahlten Energie, der die Zielfläche 4 erreicht, weniger als 50%, insbesondere beim Abstand a, bei dem die Gleichmäßigkeit optimiert wird. Die Strahlungsheizung 40 in 10 ist eine ringförmige Strahlungsheizung, die so konstruiert ist, daß sie eine kegelstumpfartige Form anstelle der flachen Form der Heizung 20 aufweist. Die Strahlungsheizung 40 ist vorzugsweise so montiert, daß ihr innerer Rand von der zu erwärmenden Fläche weiter weg ist als ihr äußerer Rand.
Diese Konstruktion gestattet, daß der Abstand a, bei dem die Gleichmäßigkeit für die Strahlungsheizung 40 maximiert wird, kleiner ist als der für die flache Strahlungsheizung 30. Das kann man in 6 sehen, die zeigt, daß für eine flache Strahlungsheizung 30 die Anordnung der Heizung näher an der Zielfläche 4 als der optimale Abstand dazu führt, daß die Mitte der Zielfläche 4 weniger Energie aufnimmt als der Umfang. Die Strahlungsheizung 40 aus 10 lenkt infolge ihrer Form mehr ihrer Energie zur Mitte der Zielfläche 4 als zu deren Umfang und nach außerhalb der Grenzen der Zielfläche 4. Indem mehr Energie zur Mitte gebracht wird, gleicht die Strahlungsheizung die Effekte aus, die in 6 veranschaulicht werden, wo die Mitte weniger Energie aufnimmt, wenn die Heizung näher an die Fläche heranbewegt wird. Dementsprechend wird der Abstand a, bei dem die Gleichmäßigkeit für die Strahlungsheizung 40 maximiert wird, dichter an der Zielfläche 4 sein als im Fall der Strahlungsheizung 30. Wie in 7 gezeigt wird, wird diese dichtere Nähe der Heizung 40 an der Zielfläche 4 den Anteil der gesamten abgestrahlten Energie erhöhen, der die Zielfläche 4 erreicht, wodurch der Wirkungsgrad der Strahlungsheizung 40 verbessert wird.
Es sollte vermerkt werden, daß, während die Form der Strahlungsheizung 40 eine kegelstumpfartige ist, die gerade Seiten zwischen dem Außen- und dem Innenradius aufweist, alternative Geometrien für die Strahlungsheizung 40 genutzt werden können. Beispielsweise können die Seiten der Strahlungsheizung eher parabolisch als linear sein, wenn es für eine alternative Verteilung der Energie von der Strahlungsheizung 40 zur Zielfläche 4 gewünscht wird. Es wird in Betracht gezogen, daß jetzt den Fachleuten unter Bezugnahme auf diese Beschreibung und die Zeichnungen weitere nützliche Formen der Strahlungsheizung 40 bewußt sein werden.
Außerdem sollte vermerkt werden, daß die Form der Strahlungsheizung 40 ebenfalls für ein gleichermaßen geformtes Kühlelement anwendbar ist, um eine verbesserte Übertragung der Strahlungswärme von der Zielfläche zum Element zu erreichen, wie hierin vorangehend diskutiert wird.
Betreffs der Vorrichtung für das selektive Lasersintern aus 9 wird infolge der Anordnung der Öffnung in der Mitte der Strahlungsheizung 40 der Strahl vom Laser 10 immer noch auf das Pulver in der Zielfläche 4 auftreffen. Die Strahlungsheizung 40 bringt daher die weiteren Vorteile bei ihrer Anwendung für das selektive Lasersintern mit sich, wie sie hierin vorangehend beschrieben werden.
In 11 wird die Strahlungsheizung 50 entsprechend einer Ausführung der Erfindung jetzt ausführlicher beschrieben. Bei bestimmten Anwendungen, bei denen eine gleichmäßige Strahlungsbeheizung wünschenswert ist, wie sie hierin vorangehend beschrieben wird, kann die Leitung und Konvektion der Wärme für Stellen auf der zu erwärmenden Oberfläche ungleichmäßig sein. Beispielsweise umfaßt bei der Anwendung des selektiven Lasersinterns die Kammer 2 eine Tür mit einem Fenster an deren Vorderseite, um die Betrachtung des Vorganges von außerhalb der Kammer zu ermöglichen. Außerdem wurde ermittelt, daß die Konvektionskühlung der Zielfläche zusammen mit der Strahlungswärme nützlich ist, wie hierin vorangehend beschrieben wird, um das Wachstum innerhalb der Schicht, die selektiv gesintert wird, zu minimieren (d. h., das Wachstum des Teils von dem Abschnitt aus, der die Laserenergie aufnimmt, über die Leitung der durch den Laser erzeugten Wärme zu den Pulverteilchen, die nicht dem Strahl ausgesetzt wurden). Eine derartige Kühlung wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß ein Luftstrom in einer Richtung parallel zur Zielfläche 4 über die Oberfläche des Pulvers und das herzustellende Teil gelenkt wird. Wie in der PCT-Veröffentlichung WO 88/02677 beschrieben wird, die hierin vorangehend angeführt wird, kann es außerdem nützlich sein, ein Saugzuggas oder einen Luftstrom durch das Pulver in einer Richtung bereitzustellen, die senkrecht zur Zielfläche 4 verläuft.
Ein derartiger Luft- oder Gasstrom kann jedoch eine ungleichmäßige Verteilung der Temperatur auf der Zielfläche 4 bewirken, selbst wenn die Strahlungsheizung 30 oder 40 die Strahlungsenergie auf die Zielfläche 4 mit einem Wert pro Flächeneinheit überträgt, der über die Zielfläche 4 hinweg sehr gleichmäßig ist. Während die Strahlungsheizungen 30 und 40 dazu gedacht sind, eine derartige gleichmäßige Übertragung der Strahlungsenergie zu bewirken, wird außerdem noch eine gewisse Abweichung wahrscheinlich vorhanden sein. Wie hierin vorangehend beschrieben wird, nimmt außerdem der Wirkungsgrad der Übertragung der Strahlungsenergie mit der Nähe der Strahlungsheizung zur Zielfläche 4 zu, insbesondere wenn die Strahlungsheizung näher an der Zielfläche 4 ist als der Abstand a, bei dem ihre Gleichmäßigkeit maximiert wird. Außerdem ist die Ungleichmäßigkeit bei der Übertragung der Strahlungsenergie ein bedeutendes Problem bei der konventionellen Strahlungsbeheizung beim selektiven Lasersintern, beispielsweise in der Vorrichtung der 1.
In 11 wird jetzt ausführlich eine in Zonen eingeteilte Strahlungsheizung 50 in Verbindung mit einer derartigen Heizung 50 in einer ringförmigen Ausführung beschrieben. Es wird in Betracht gezogen, daß die hierin nachfolgend beschriebene Zoneneinteilung ebenfalls bei den konventionellen Strahlungsheizungen, wie beispielsweise den Strahlungsheizpaneelen 20 in 1, nützlich sein wird, und in solchen Fällen kann das dazu dienen, daß die Ungleichmäßigkeit der Übertragung der Strahlungsenergie zur Zielfläche 4 verringert wird.
Die Strahlungsheizung 50 entsprechend dieser Ausführung erzeugt die Strahlungsenergie durch die Widerstandselemente 52, 54 und 56, die auf deren Oberfläche angeordnet sind. Die Widerstandselemente 52, 54 und 56 sind konventionelle Widerstandselemente, wie sie in konventionellen Heizungen eingesetzt werden, beispielsweise Heizfäden aus Nickel/Chrom oder dergleichen, die ein Anschlußkissen 32 an jedem Ende aufweisen, an dem die elektrische Verbindung durch Anlöten eines Drahtes an dieses oder dergleichen bewirkt werden kann. Bei dieser Ausführung variiert die Dichte der Länge der Widerstandselemente 52, 54 und 56 pro Flächeneinheit der Heizung 50 radial. 11 zeigt die Widerstandselemente 52, 54 und 56 der Deutlichkeit halber mit sehr großem Abstand. In der Praxis werden die Elemente 52, 54 und 56 vorzugsweise so ausgeführt, daß sie eine höhere Dichte zeigen. Außerdem werden die Anschlußkissen 32 in der Praxis vorzugsweise so bemessen und in einer Art und Weise angeordnet, daß sie die gewünschte Verteilung der Temperatur über der Oberfläche der Heizung 50 nicht nachteilig beeinflussen. Die Widerstandselemente 52a, 52b und 52c werden in der Nähe des äußeren Umfangs der Heizung 50 angeordnet, sind elektrisch voneinander isoliert und zeigen etwa die gleiche Dichte des Widerstandes pro Flächeneinheit zueinander. Die Widerstandselemente 54a und 54b werden näher an der Mitte der Heizung 50 aus den Elementen 52 angeordnet, und jedes zeigt eine höhere Dichte der Widerstandslänge pro Flächeneinheit als die Elemente 52 (obgleich die Dichte der Widerstandslänge pro Flächeneinheit der Elemente 54a und 54b annähernd gleich ist). Das Widerstandselement 56 ist näher an der Mitte der Heizung 50 angeordnet als die Elemente 54 und zeigt bei dieser Ausführung eine niedrigere Dichte der Widerstandslänge pro Flächeneinheit als die Elemente 52 und 54. Bei dieser bevorzugten Ausführung der Strahlungsheizung 50 ist in deren Mitte ein Loch vorhanden, beispielsweise so, daß ein Strahl vom Laser 10 dort hindurchgelangen kann, wenn die Heizung 50 in einer Vorrichtung für das selektive Sintern installiert wird, wie beispielsweise beim Beispiel in 9.
Die in Zonen eingeteilte Strahlungsheizung 50 zeigt eine bedeutende Anpassungsfähigkeit in Verbindung mit der Bereitstellung von Strahlungswärme für die Zielfläche 4, insbesondere wenn sie in der Vorrichtung für das selektive Sintern eingesetzt wird. Beispielsweise würde die Anwendung von gleichen Strömen bei jedem der Elemente 52, 54 und 56 zur Abstrahlung einer Strahlungsenergie pro Flächeneinheit führen, die radial von der Mitte der Heizung 50 aus variiert, wobei die niedrigste Abstrahlung in der Nähe der Mitte, die nächsthöchste Abstrahlung in der Nähe des äußeren Umfangs und die höchste Abstrahlung dazwischen zu verzeichnen sind. Außerdem können die Ströme durch die Elemente 52, 54 und 56 relativ zueinander verändert werden, um andere Abstrahlungsdichten als die, die in der Heizung 50 enthalten sind, nur infolge der sich verändernden Dichten der Länge des Widerstandselementes pro Flächeneinheit zu liefern; das Verändern der Ströme relativ zueinander könnte beispielsweise genau die sich verändernden Dichten der Widerstandslänge ausgleichen, so daß die Strahlungsenergie mit einem gleichmäßigen wert pro Flächeneinheit über die gesamte Heizung 50 abgestrahlt werden könnte. Natürlich könnten andere Verteilungen der Dichte der radialen Abstrahlung durch ein anderweitiges Verändern des Stromes durch die Elemente 52, 54 und 56 relativ zueinander vorgenommen werden.
Außerdem bringt die Bereitstellung der separaten Elemente 52a, 52b und 52c ebenso wie der separaten Elemente 54a und 54b die Möglichkeit mit sich, den Abstrahlungswert der Strahlungsenergie pro Flächeneinheit winkelig zu verändern. Wenn beispielsweise ein Abschnitt der Zielfläche 4, der unter dem Widerstandselement 52a liegt, kühler wäre als die Abschnitte, die unter den Widerstandselementen 52b und 52c liegen, könnte der an das Element 52a angelegte Strom relativ zu dem durch die Elemente 52b und 52c erhöht werden, was dazu führt, daß eine größere Strahlungsenergie von dem Abschnitt der Heizung 50 abgestrahlt wird, der das Element 52a enthält. Eine derartige Steuerung der einzelnen Elemente 52 und 54 kann daher den Ausgleich der ungleichmäßigen Temperaturen über der Zielfläche 4 gestatten, wie sie sich beispielsweise aus der Leitung oder Konvektion innerhalb der Kammer 2 in der Vorrichtung für das selektive Lasersintern in 9 ergeben könnten. Außerdem könnten sich die ungleichmäßigen Temperaturen auf der Zielfläche 4 ebenfalls aus dem Vorgang des selektiven Lasersinterns selbst ergeben. Wenn beispielsweise der Teil des Pulvers auf der Zielfläche 4, der unter den Elementen 52b und 52c liegt, in stärkerem Ausmaß gesintert würde als die Teile, die unter dem Element 52 liegen, würde eine Erhöhung des Stromes durch das Element 52a den niedrigeren Grad der darunter zu verzeichnenden Sinterwärme ausgleichen, wodurch die Gleichmäßigkeit der Zielfläche 4 und des darauf angeordneten Pulvers und des Teils verbessert würden.
Es sollte vermerkt werden, daß, während die in Zonen eingeteilte Heizung 50 bei dieser Ausführung ringförmig ist, alternativ konventionelle rechteckige oder kreisförmige Strahlungsheizpaneele gleichermaßen in Zonen eingeteilt werden können, um eine gleichmäßige Temperatur auf der Zielfläche 4 und im darauf angeordneten Pulver und dem Teil bei einer Vorrichtung für das selektive Lasersintern zu bewirken. Außerdem ist bei der Alternative, während die in Zonen eingeteilte Heizung 50 bei dieser Ausführung ein flacher Ring ist, ähnlich der nicht in Zonen eingeteilten Heizung 30, die hierin vorangehend beschrieben wird, die Methode der Zoneneinteilung, die bei der in Zonen eingeteilten Heizung 50 zur Anwendung kommt, gleichermaßen anwendbar und kann bei der kegelstumpfartigen Heizung 40 angewendet werden, die hierin ebenfalls vorangehend beschrieben wird.
Es sollte vermerkt werden, daß die Strahlungsheizung 50, die zahlreiche Kissen 32 für jedes Element 52, 54 und 56 aufweist, sowohl in der radialen als auch winkeligen Richtung, besonders für die Echtzeitsteuerung der Temperatur während des Vorganges des selektiven Lasersinterns und während der Charakterisierung einer speziellen Kammer vor der Einleitung des Vorganges des selektiven Lasersinterns für ein spezielles Pulver und spezielle Verfahrensbedingungen (wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Luftstrom, Laserleistung und dergleichen) ausgelegt ist. Dementsprechend wird in Betracht gezogen, daß die Überwachungsvorrichtung, wie beispielsweise die Thermoelemente oder berührungsfreien Meßfühler, wie z. B. der hierin vorangehend beschriebene Infrarotmeßfühler 34, zusammen mit der konventionellen Überwachungs-, Rückmelde- und Steuervorrichtung gemeinsam mit der in Zonen eingeteilten Heizung 50 dieser Ausführung der Erfindung durch einen Fachmann unter Bezugnahme auf diese Beschreibung realisiert werden kann.
Außerdem kann als Alternative zur steuerbaren, in Zonen eingeteilten Heizung 50, eine Heizung mit einer unveränderlichen Zoneneinteilung ebenfalls in einer Weise eingesetzt werden, bei der ein Nutzen aus der Erfindung gezogen werden kann. Es wird in Betracht gezogen, daß für eine spezielle Konstruktion der Kammer 2 in der Vorrichtung für das selektive Lasersintern die Form der Abstrahlungsdichte der Strahlungsenergie, sowohl in der radialen als auch in der winkeligen Richtung, durch Verwendung einer steuerbaren, in Zonen eingeteilten Heizung 50, wie sie hierin vorangehend beschrieben wird, abgeleitet werden kann, und daß sich die Form der Abstrahlungsdichte nicht bedeutend für die spezielle Konstruktion der Kammer verändern kann, ungeachtet der Veränderungen hinsichtlich des Pulvermaterials, der Umgebungstemperatur, der Laserleistung und der anderen Parameter. Dementsprechend kann in einem derartigen Fall eine Strahlungsheizung 50 eingesetzt werden, die ein einzelnes Widerstandselement von sich verändernder Dichte umfaßt, um so die Strahlungsenergie in einer ungleichmäßigen Form von der Heizung abzustrahlen, was aber zu einer gleichmäßigen Temperatur auf der Zielfläche zum Ausgleich für die Konvektion oder andere Faktoren führt. Eine derartiger Heizung würde beispielsweise nur zwei Kissen 32 aufweisen, eines an jedem Ende des Widerstandselementes, wodurch die Realisierung der Heizung und ihre Steuerung vereinfacht werden.
Wenn die Erfindung hierin auch mit Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, wird natürlich in Betracht gezogen, daß Modifizierungen dieser Ausführungen und Alternativen zu diesen, die die Vorteile und Vorzüge dieser Erfindung erreichen, den Fachleuten bewußt werden, die auf diese Beschreibung und die Zeichnungen Bezug nehmen. Es wird in Betracht gezogen, daß derartige Modifizierungen und Alternativen innerhalb des Bereiches dieser Erfindung liegen, der anschließend hierin beansprucht wird.

Claims

Vorrichtung zum Bilden eines Teiles durch selektives Sintern eines Pulvers, mit einer Einrichtung (14, 18) zum Aufbringen einer Pulverschicht auf einer Zielfläche, einer Energiequelle (10) zum Liefern eines gebündelten Energiestrahles an die Zielfläche, einer Einrichtung zum Richten des Energiestrahles auf die Pulverschicht, um diejenigen Teile des Pulvers selektiv zu sintern, die einer Querschnittsschicht eines herzustellenden Teiles entsprechen, und einer Strahlungsheizung (50) zum Liefern von Strahlungsenergie an die Zielfläche, wobei die Strahlungsheizung eine Öffnung begrenzt, durch die der Energiestrahl hindurchtreten kann, um das selektive Sintern zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsheizung (50) Zonen zum Abstrahlen von Strahlungsenergie mit verschiedenen Werten pro Flächeneinheit hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aufweist: ein elektrisches Widerstandselement (52a, 52b, 52c) für die Erzeugung von Strahlungswärme; und Anschlußflächen (32) für das Zustandebringen einer elektrischen Verbindung mit dem Widerstandselement (52a, 52b, 52c); und daß sich die Dichte des Widerstandselements pro Flächeneinheit der Heizung in radialer Richtung verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aufweist: ein elektrisches Widerstandselement (52a, 52b, 52c) für die Erzeugung von Strahlungswärme; und Anschlußflächen (32) für das Zustandebringen einer elektrischen Verbindung mit dem Widerstandselement (52a, 52b, 52c); und daß sich die Dichte des Widerstandselements pro Flächeneinheit der Heizung im Winkel verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aufweist: ein erstes und ein zweites elektrisches Widerstandselement (52, 54) für die Erzeugung von Strahlungswärme; und eine Vielzahl von Anschlüssen (32) für die voneinander unabhängige Zuführung von Strom zu dem ersten und zweiten Widerstandselement.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Widerstandselement (52, 54) die gleiche Widerstandselementdichte pro Flächeneinheit aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Widerstandselement (52, 54) unterschiedliche Widerstandselementdichten pro Flächeneinheit aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Widerstandselement (52, 54) in der Heizung mit annähernd dem gleichen radialen Abstand angeordnet sind.
Vorrichtung nah Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselement in der Heizung in einem anderen radialen Abstand als das zweite Widerstandselement angeordnet ist.
Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch: eine Einrichtung (34, 36) für die Überwachung der Temperatur der Zielfläche.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsvorrichtung einen Infrarotmeßfühler aufweist.