DE102020107925A1 - Device for the generative production of components, in particular by means of selective melting or sintering - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere zum selektiven Schmelzen oder Sintern, mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahlbündels, einem Bearbeitungskopf, der entweder mit einer Strahlführung an die Lichtquelle gekoppelt ist, so dass das Lichtstrahlbündel zum Bearbeitungskopf geführt wird, oder die Lichtquelle unmittelbar am Bearbeitungskopf angeordnet ist, so dass ein Lichtstrahlbündel vom Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, wobei der Bearbeitungskopf beweglich gelagert ist, so dass das Lichtstrahlbündel auf eine beliebige Stelle im Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Bearbeitungsköpfe zum jeweiligen Lenken eines Lichtstrahlbündels auf dem Bearbeitungsbereich vorgesehen sind, und die Bearbeitungsköpfe jeweils auf einem Schlitten angeordnet sind, welcher entlang einer Traverse verfahrbar ist. Hierdurch kann Pulver gleichzeitig an mehreren Stellen geschmolzen bzw. gesintert werden. Vorzugsweise sind die Bearbeitungsköpfe auf Schwenkarmen angeordnet. Dies erlaubt eine sehr einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Vorrichtung.The invention relates to a device for the generative production of components, in particular for selective melting or sintering, with a light source for generating a light beam, a processing head that is either coupled to the light source with a beam guide so that the light beam is guided to the processing head, or the light source is arranged directly on the processing head so that a light beam can be directed from the processing head to a processing area, the processing head being movably mounted so that the light beam can be directed to any point in the processing area. The invention is characterized in that a plurality of processing heads are provided for the respective guidance of a light beam on the processing area, and the processing heads are each arranged on a slide which can be moved along a crossbeam. This allows powder to be melted or sintered at several points at the same time. The machining heads are preferably arranged on swivel arms. This allows a very simple and inexpensive design of the device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektivem Schmelzen oder Sintern.The present invention relates to a device for the additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering.

Aus der DE 10 2016 222 068 A1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung mit mehreren räumlich getrennten Stahlführungen hervor. Ein Bearbeitungskopf weist mehrere optische Schaltelemente auf, über die mehrere Strahlen auf die Zielposition gerichtet werden können. Der Bearbeitungskopf ist an einer Linearachse verschiebbar ausgerichtet. Die Linearachse ist wiederrum verschiebbar an einer dazu senkrecht stehenden Linearachse montiert. Hierdurch ist eine X-Y-Bewegung möglich. Die Laserstrahlquelle oder - quellen sind auf der Linearachse befestigt.From the DE 10 2016 222 068 A1 a device and a method for generative component production with several spatially separated steel guides emerges. A machining head has several optical switching elements via which several beams can be directed onto the target position. The machining head is aligned displaceably on a linear axis. The linear axis is in turn mounted displaceably on a linear axis that is perpendicular to it. This enables an XY movement. The laser beam source or sources are attached to the linear axis.

Die WO 2018/202643 A1 offenbart eine Vorrichtung zur additiven Herstellung durch selektives Lasersintern. Ein oder mehrere Laser sind einen oder mehreren Laserköpfen zugeordnet. Über die Strahlenteiler werden diese Laser auf die einzelnen Köpfe verteilt. Die Köpfe sind über Schienen in X- und Y-Richtung verschiebbar. Die Köpfe können unabhängig voneinander verfahren werden. Die Lichtzuführung zu den Köpfen wird durch Spiegel realisiert.the WO 2018/202643 A1 discloses an apparatus for additive manufacturing by selective laser sintering. One or more lasers are assigned to one or more laser heads. These lasers are distributed to the individual heads via the beam splitter. The heads can be moved over rails in the X and Y directions. The heads can be moved independently of each other. The light is fed to the heads using mirrors.

Aus der US 10,399,183 B2 geht ein additives Herstellungsverfahren hervor, bei dem ein optischer Kopf über eine Glasfaser mit einem Laserstrahl versorgt wird. Hierdurch können mehrere Laserstrahlen zum selben Kopf geleitet und aus diesem parallel ausgeführt werden. Hierdurch sind parallele Schmelzpunkte an der Oberfläche des Pulverbettes möglich.From the US 10,399,183 B2 an additive manufacturing process emerges in which an optical head is supplied with a laser beam via a glass fiber. As a result, several laser beams can be directed to the same head and executed in parallel from there. This enables parallel melting points on the surface of the powder bed.

Ein ähnliches Verfahren ist in der US 10,399,145 B2 beschrieben.A similar procedure is in the US 10,399,145 B2 described.

In der US 2015/0283612 A1 , der US 2014/0198365 A1 und der JP2009-65 09A sind selektive Lasersintervorrichtung offenbart, die mehrere optische Köpfe aufweisen, die Laserstrahlen auf ein Pulverbett richten können. Diese Köpfe können selber nicht in X- und Y-Richtung verfahren werden, sondern lenken den Laserstrahl über Spiegel in die entsprechenden Positionen. Der Vorteil hierbei ist, dass ein Ortswechsel des Laserbrenn-punktes schnell geschehen kann. Die Köpfe müssen hierbei jedoch vergleichsweise weit von dem Pulverbett entfernt sein und können nur eine begrenzte Fläche beleuchten.In the US 2015/0283612 A1 , the US 2014/0198365 A1 and the JP2009-65 09A Selective laser sintering devices are disclosed which have multiple optical heads capable of directing laser beams onto a powder bed. These heads themselves cannot be moved in the X and Y directions, but direct the laser beam into the corresponding positions via mirrors. The advantage here is that the location of the laser focal point can be changed quickly. In this case, however, the heads have to be comparatively far away from the powder bed and can only illuminate a limited area.

Die DE 10 053 742 C5 , die US 9,011,136 B1 und die CN 206065685 U zeigen Vorrichtungen zum Sintern mit Kreuzschlittenanordnung, ein additives Herstellungsverfahren mit mehreren Köpfen für Kunststoffdruck sowie eine Vorrichtung mit einem Kopf der sowohl ein 3D-Druck als auch ein 3D-Schneidelement aufweist.the DE 10 053 742 C5 , the US 9,011,136 B1 and the CN 206065685 U show devices for sintering with a compound slide arrangement, an additive manufacturing process with multiple heads for plastic printing and a device with a head that has both a 3D printing and a 3D cutting element.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere zum selektiven Schmelzen oder Sintern, zu schaffen, welche einfach ausgebildet ist, eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erlaubt und mit welcher 3D-Bauteile mit hoher Präzision gefertigt werden können.The invention is based on the object of creating a device for the generative production of components, in particular for selective melting or sintering, which is simple in design, allows a high production speed and with which 3D components can be produced with high precision.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a device with the features of claim 1. Advantageous refinements are given in the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere zum selektiven Schmelzen oder Sintern, umfasst eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahlbündels, einen Bearbeitungskopf, der entweder mit einer Strahlführung an die Lichtquelle gekoppelt ist, so dass das Lichtstrahlbündel zum Bearbeitungskopf geführt wird, oder die Lichtquelle ist unmittelbar am Bearbeitungskopf angeordnet, so dass ein Lichtstrahlbündel vom Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, wobei der Bearbeitungskopf beweglich gelagert ist, so dass das Lichtstrahlbündel auf unterschiedliche Stellen im Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann.A device according to the invention for the generative production of components, in particular for selective melting or sintering, comprises a light source for generating a light beam, a processing head that is either coupled to the light source with a beam guide so that the light beam is guided to the processing head, or the light source is arranged directly on the processing head so that a light beam can be directed from the processing head to a processing area, the processing head being movably mounted so that the light beam can be directed to different locations in the processing area.

Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Bearbeitungsköpfe zum jeweiligen Lenken eines Lichtstrahlbündels auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sind, und die Bearbeitungsköpfe jeweils an einem Schlitten angeordnet sind, welcher entlang einer Traverse verfahrbar ist.The device is characterized in that a plurality of processing heads are provided for each directing a light beam onto the processing area, and the processing heads are each arranged on a slide which can be moved along a crossbeam.

Durch das Vorsehen mehrerer Bearbeitungsköpfe können mehrere Lichtstrahlbündel gleichzeitig auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden, so dass parallel mehrere Stellen im Bearbeitungsbereich geschmolzen bzw. gesintert werden können. Die Bearbeitungsköpfe sind auf bzw. an einem Schlitten angeordnet und entlang einer Traverse verfahrbar. Dies erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Positionieren der Bearbeitungsköpfe über den Bearbeitungsbereich.By providing several processing heads, several light beams can be directed onto the processing area at the same time, so that several points in the processing area can be melted or sintered in parallel. The machining heads are arranged on or on a slide and can be moved along a cross member. This allows simple and reliable positioning of the machining heads over the machining area.

Vorzugsweise sind die Bearbeitungsköpfe jeweils mittels eines schwenkbaren Schwenkarmes an jeweils einem der Schlitten angeordnet. Durch das Vorsehen derartiger Schwenkarme für die Bearbeitungsköpfe können die Bearbeitungsköpfe schnell über einen großen Abschnitt des Bearbeitungsbereiches an einer beliebigen Stelle positioniert werden. Dieser Abschnitt erstreckt sich um die Traverse, entlang der jeweilige Schlitten mit dem jeweiligen Bearbeitungskopf verfahrbar ist in einem Bereich um die Schwenkachse des Schwenkarmes, der sich zu beiden Seiten um eine Breite erstreckt, die der Länge des Schwenkarms entspricht. Dieser Abschnitt ist somit streifenförmig um die Traversen mit einer Breite, die etwa der doppelten Länge der Schwenkarme entspricht. Dieser streifenförmige Abschnitt wird im Folgenden als Abdeckungsbereich bezeichnet, da die Bearbeitungsköpfe, die an den Schlitten einer Traverse angeordnet sind, an einer beliebigen Position innerhalb des Abdeckungsbereichs angeordnet werden können und somit im Abdeckungsbereich an einer beliebigen Stelle den Bearbeitungsbereich mit einem Lichtstrahlbündel beaufschlagen bzw. abdecken können.The machining heads are preferably each arranged on one of the carriages by means of a pivotable swivel arm. By providing such swivel arms for the machining heads, the machining heads can be quickly positioned at any point over a large section of the machining area. This section extends around the traverse along which the respective slide with the respective machining head can be moved in an area around the Swivel axis of the swivel arm, which extends on both sides by a width which corresponds to the length of the swivel arm. This section is thus strip-shaped around the crossbeams with a width which corresponds approximately to twice the length of the pivot arms. This strip-shaped section is referred to in the following as the cover area, since the machining heads, which are arranged on the slides of a traverse, can be arranged at any position within the cover area and thus impinge or cover the machining area with a light beam at any point in the cover area can.

Es kann zweckmäßig sein, die Bearbeitungsköpfe nur in einem eingeschränkten Winkelbereich der Schwenkarme zu positionieren, denn je stärker die Schwenkarme den Bearbeitungskopf von der Traverse wegschwenken, desto ungenauer wird die Position des Bearbeitungskopfes in Richtung parallel zur Traverse. Der Winkelbereich kann bspw. auf einen maximalen Schwenkwinkel bzgl. der Traverse von maximal 60° bzw. maximal 45° beschränkt werden. Bei einem maximalen Schwenkwinkel von 45° verringert sich die Breite des Abdeckungsbereichs auf eine Länge des Schwenkarms.It can be useful to position the machining heads only in a restricted angular range of the swivel arms, because the more the swivel arms swivel the machining head away from the traverse, the less precise the position of the machining head in the direction parallel to the traverse becomes. The angular range can be limited, for example, to a maximum swivel angle with respect to the cross member of a maximum of 60 ° or a maximum of 45 °. With a maximum swivel angle of 45 °, the width of the cover area is reduced to the length of the swivel arm.

Die Vorrichtung kann mehrere Traversen aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Traversen sind vorzugsweise derart beabstandet, dass die Abdeckungsbereiche sich von benachbarten Traversen überlappen.The device can have a plurality of cross members which are arranged parallel to one another. The crossbars are preferably spaced apart such that the cover areas overlap from adjacent crossbars.

Entlang den Schwenkarmen kann die Strahlführung für das jeweilige Lichtstrahlbündel mittels Reflektorelemente ausgebildet sein. Dies ermöglicht sehr leichte Schwenkarme, welche ein geringes Rotationsträgheitsmoment besitzen, so dass sie schnell an eine beliebige Drehposition geschwenkt werden können.The beam guidance for the respective light beam can be formed along the swivel arms by means of reflector elements. This enables very light swivel arms, which have a low rotational moment of inertia, so that they can be swiveled quickly to any rotational position.

Die Schwenkarme sind vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. An einem jeden von der Schwenkachse des Schwenkarmes entfernten Ende kann ein Spiegel zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahlbündels auf dem Bearbeitungsbereich vorgesehen sein.The pivot arms are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic. At each end remote from the pivot axis of the pivot arm, a mirror can be provided for directing the respective light beam onto the processing area.

Die Strahlführungen können zumindest teilweise als Lichtleiter ausgebildet sein. Der Lichtleiter kann sich von der Lichtquelle bis zum jeweiligen Bearbeitungskopf erstrecken. Der jeweilige Lichtleiter kann jedoch auch lediglich von der Lichtquelle bis zum schwenkbar gelagerten Ende des jeweiligen Schwenkarms geführt sein und dort mit seinem Ende so angeordnet sein, dass das Lichtstrahlbündel in eine Strahlführung entlang dem Schwenkarm einkoppelt, welche mittels Reflektorelemente ausgebildet ist. Eine solche Ausführung weist den Vorteil auf, dass der Schwenkarm um 360° oder mehr gedreht werden kann, ohne dass der Lichtleiter gedreht werden muss. Das Ende des Lichtleiters, an dem das Licht vom Lichtleiter in die Strahlführung am Schwenkarm eingekoppelt wird, kann bezüglich des Schlittens, an dem der Schwenkarm befestigt ist, ortsfest angeordnet sein.The beam guides can be designed at least partially as light guides. The light guide can extend from the light source to the respective processing head. The respective light guide can, however, also only be guided from the light source to the pivotably mounted end of the respective pivot arm and there be arranged with its end in such a way that the light beam is coupled into a beam guide along the pivot arm, which is formed by means of reflector elements. Such an embodiment has the advantage that the swivel arm can be rotated through 360 ° or more without the light guide having to be rotated. The end of the light guide at which the light from the light guide is coupled into the beam guide on the swivel arm can be arranged in a stationary manner with respect to the slide to which the swivel arm is attached.

Die Traversen, auf welchen die Schlitten beweglich gelagert sind, können ortsfest angeordnet sein. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Ausführung mit an Schwenkarmen angeordneten Bearbeitungsköpfen vorteilhaft, da eine solche ortsfeste Anordnung wesentlich einfacher zur Vermeidung von Kollisionen unterschiedlicher Schwenkarme ansteuerbar ist, als bei einer Vorrichtung, bei welcher die Schwenkarme schwenkbar, die Schlitten entlang der Traversen verfahrbar und die Traversen selbst quer zu ihrer Längsrichtung verfahrbar sind. Zudem kann mit einer ortsfesten Anordnung der Traversen und Schwenkarmen an den Schlitten mit einigen wenigen Traversen eine vollständige Abdeckung des Bearbeitungsbereichs erzielt werden, sofern die Schwenkarme nicht zu kurz ausgebildet sind. Da die an den freien Enden der Schwenkarme angeordneten Bearbeitungsköpfe sehr leicht ausgebildet sein können, beispielsweise lediglich durch einen kleinen Spiegel, kann auch bei längeren Schwenkarmen mit einer Länge von zum Beispiel zumindest 10 cm, vorzugsweise zumindest 15 cm, uns insbesondere zumindest 20 cm ein geringes Rotationsträgheitsmoment erzielt werden.The traverses on which the carriages are movably mounted can be arranged in a stationary manner. This is particularly advantageous in connection with an embodiment with processing heads arranged on swivel arms, since such a fixed arrangement can be controlled much more easily to avoid collisions between different swivel arms than in a device in which the swivel arms can be swiveled, the carriages can be moved along the traverses and the Traverses themselves can be moved transversely to their longitudinal direction. In addition, with a fixed arrangement of the traverses and swivel arms on the slide with a few traverses, complete coverage of the processing area can be achieved, provided the swivel arms are not too short. Since the processing heads arranged at the free ends of the swivel arms can be very light, for example only by means of a small mirror, even with longer swivel arms with a length of, for example, at least 10 cm, preferably at least 15 cm, and in particular at least 20 cm, a little Rotational moment of inertia can be achieved.

Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass ein oder mehrere Traversen nachgerüstet werden können. Hierdurch kann einerseits der Bearbeitungsbereich nachträglich vergrößert werden und andererseits die Dichte an Traversen und damit an Bearbeitungsköpfen in einem vorbestimmten Bearbeitungsbereich erhöht werden. Bei einer Erhöhung der Dichte der Traversen und damit einer Verringerung des Abstandes der Traversen kann es zweckmäßig sein, die Schwenkarme austauschbar am Schlitten zu befestigen, so dass bei kürzerem Abstand zwischen den Traversen entsprechend kürzere Schwenkarme eingesetzt werden können.The device can be designed so that one or more cross members can be retrofitted. In this way, on the one hand, the processing area can be subsequently enlarged and, on the other hand, the density of cross members and thus of processing heads in a predetermined processing area can be increased. With an increase in the density of the crossbars and thus a reduction in the distance between the crossbars, it may be useful to attach the swivel arms to the carriage so that they can be replaced so that shorter swivel arms can be used with a shorter distance between the crossbars.

Vorzugsweise sind auf jeder Traverse zumindest zwei unabhängig voneinander verfahrbare Schlitten gelagert, wobei ein jeder Schlitten einen Bearbeitungskopf aufweist. Es können auch mehr als zwei Schlitten, zum Beispiel drei oder vier Schlitten, pro Traverse vorgesehen sein.At least two carriages which can be moved independently of one another are preferably mounted on each cross member, each carriage having a machining head. It is also possible for more than two carriages, for example three or four carriages, to be provided per traverse.

Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, welche jeweils einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen zugeordnet sind. Die Lichtquellen sind vorzugsweise Laser, insbesondere COz-Laser oder ND:YAG-Laser. COz-Laser werden vor allem zum Schmelzen oder Sintern von Kunststoffpulver ND:YAG-Laser zum Schmelzen oder Sintern von Metallpulver eingesetzt. Ein solcher COz-Laser weist bspw. eine Lichtleistung von 30 W bis 70 W und ein ND:YAG-Laser von 100 W bis 1.000 W und mehr auf. Die Lichtquellen können auch Leuchtdioden, insbesondere Super-Lumineszenz-Leuchtdioden, und/oder Halbleiterlaser sein.A plurality of light sources are preferably provided, each of which is assigned to one or more processing heads. The light sources are preferably lasers, in particular CO2 lasers or ND: YAG lasers. CO2 lasers are mainly used for melting or sintering plastic powder ND: YAG laser used for melting or sintering metal powder. Such a COz laser has, for example, a light output of 30 W to 70 W and an ND: YAG laser of 100 W to 1,000 W and more. The light sources can also be light-emitting diodes, in particular super-luminescence light-emitting diodes, and / or semiconductor lasers.

Durch das Vorsehen mehrerer Lichtquellen und mehrerer Bearbeitungsköpfe, welche unabhängig voneinander im Bearbeitungsbereich positioniert werden können, ist es möglich, dass an mehreren Stellen im Bearbeitungsbereich gleichzeitig Pulver geschmolzen bzw. gesintert wird, um ein 3D-Bauteil herzustellen. Dieses gleichzeitige Schmelzen oder Sintern des Pulvers erhöht die Fertigungsgeschwindigkeit der generativen Fertigung mit der vorliegenden Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erheblich. Selbst wenn die Bearbeitungsköpfe an den einzelnen Stellen etwas länger verbleiben, kann eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erzielt werden. Hierdurch ist es möglich, dass Lichtquellen mit vergleichsweise geringer Lichtleistung verwendet werden können. Dies senkt erheblich die Kosten der Vorrichtung.By providing several light sources and several processing heads, which can be positioned independently of one another in the processing area, it is possible for powder to be melted or sintered simultaneously at several points in the processing area in order to produce a 3D component. This simultaneous melting or sintering of the powder increases the production speed of additive manufacturing with the present device compared to conventional devices. Even if the processing heads remain a little longer at the individual points, a high production speed can be achieved. This makes it possible for light sources with a comparatively low light output to be used. This significantly lowers the cost of the device.

Zum Verteilen des Lichtstrahlbündels einer der Lichtquellen auf unterschiedliche Strahlführung kann ein Multiplexer vorgesehen sein. Ein solcher Multiplexer ist vorzugsweise bei sehr lichtstarken Lichtquellen zweckmäßig, mit welchen das Pulver mit kurzen Impulsen geschmolzen bzw. gesintert werden kann. Die Vorrichtung weist vorzugsweise im Bearbeitungsbereich ein Pulverbett auf, in dem sich Pulver befinden kann, das mittels der Lichtstrahlbündel selektiv aufgeschmolzen wird.A multiplexer can be provided to distribute the light beam from one of the light sources to different beam guides. Such a multiplexer is useful for very bright light sources with which the powder can be melted or sintered with short pulses. In the processing area, the device preferably has a powder bed in which there can be powder that is selectively melted by means of the light beam.

Das Pulver kann ein Metallpulver oder Kunststoffpulver sein.The powder can be a metal powder or a plastic powder.

Die einzelnen Schwenkarme können in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein, um so Kollisionen beim Bewegen der Schwenkarme zu vermeiden.The individual swivel arms can be arranged at different heights in order to avoid collisions when moving the swivel arms.

Die einzelnen Lichtquellen können so ausgebildet sein, dass sie Lichtstrahlbündel mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. unterschiedlichen Frequenzbereichen und/oder unterschiedlichen Intensitäten abgeben. Hierdurch kann der selektive Schmelz- bzw. Sintervorgang individuell gesteuert werden. Dies erlaubt bspw. eine Steuerung der Porosität des hiermit hergestellten Produktes.The individual light sources can be designed in such a way that they emit light beams with different frequencies or different frequency ranges and / or different intensities. This allows the selective melting or sintering process to be controlled individually. This allows, for example, a control of the porosity of the product manufactured with it.

Die Lichtstrahlbündel können auch unterschiedlich stark auf den Bearbeitungsbereich fokussiert werden. Die Fokussierung kann beispielsweise mittels eines Objektives und/oder einer Höhenverstellung der Bearbeitungsköpfe eingestellt werden.The bundles of light rays can also be focused on the processing area to different degrees. The focusing can be set, for example, by means of an objective and / or a height adjustment of the processing heads.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann Pulver in einem Pulverbett gleichzeitig an mehreren Stellen geschmolzen bzw. gesintert werden.With the device according to the invention, powder can be melted or sintered simultaneously at several points in a powder bed.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:

  • 1 eine Prozesskammer einer Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen in einer seitlichen Schnittansicht,
  • 2 einen Vorratszylinder und ein Pulverbett in der Draufsicht mit mehreren Bearbeitungsköpfen, welche über dem Pulverbett frei anordbar sind, in einer Draufsicht,
  • 3a einen Schwenkarm zur Positionierung eines Bearbeitungskopfes, wobei eine Strahlführung aus einem Lichtleiter ausgebildet ist, der sich von einer Lichtquelle zum Bearbeitungskopf erstreckt,
  • 3b einen weiteren Schwenkarm, der an seinem freien Ende eine Lichtquelle aufweist in der Seitenansicht,
  • 3c einen weiteren Schwenkarm, bei dem eine Strahlführung als Lichtleiter ausgebildet ist, welche sich von der Lichtquelle bis zu dem Schwenkgelenk des Schwenkarms erstreckt, wobei entlang dem Schwenkarm eine mittels Reflektorelemente ausgebildete Strahlführung vorgesehen ist, in einer schematischen, seitlichen Schnittansicht.
  • 3d einen weiteren Schwenkarm mit einem gepumpten Laser, wobei Lichtpumpe und Resonator räumlich getrennt angeordnet sind in einer Seitenansicht.
The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawings. The drawings show schematically in:
  • 1 a process chamber of a device for the additive manufacturing of components in a lateral sectional view,
  • 2 a storage cylinder and a powder bed in a plan view with several processing heads, which can be freely arranged above the powder bed, in a plan view,
  • 3a a swivel arm for positioning a processing head, wherein a beam guide is formed from a light guide which extends from a light source to the processing head,
  • 3b another swivel arm, which has a light source at its free end in the side view,
  • 3c a further swivel arm in which a beam guide is designed as a light guide, which extends from the light source to the swivel joint of the swivel arm, with a beam guide formed by means of reflector elements being provided along the swivel arm, in a schematic, side sectional view.
  • 3d a further swivel arm with a pumped laser, the light pump and resonator being arranged spatially separated in a side view.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, welche im Vorliegenden kurz als „3D-Drucker“ 1 bezeichnet wird, erläutert. Ein solcher 3D-Drucker weist eine allseitig abgeschlossene Prozesskammer 2 auf, in welcher sich ein Pulverbett 3 und ein Vorratszylinder 4 befindet (1, 2). Im Vorratszylinder 4 ist ein Vorratskolben 5 angeordnet, welcher mittels einer ersten Hubkolben-/Zylindereinheit 6 vertikal angehoben oder abgesenkt werden kann.The following is an exemplary embodiment of a device for the generative production of components, which in the present case is referred to as a "3D printer" for short. 1 is referred to, explained. Such a 3D printer has a process chamber that is closed on all sides 2 on, in which there is a powder bed 3 and a storage cylinder 4th is located ( 1 , 2 ). In the storage cylinder 4th is a storage flask 5 arranged, which by means of a first reciprocating piston / cylinder unit 6th can be raised or lowered vertically.

Das Pulverbett 3 ist gleichermaßen aus einem zylinderförmigen und in der Draufsicht etwa rechteckförmigen Körper ausgebildet, in dem ein Produktionskolben 7 vertikal verschieblich gelagert ist, welcher mittels einer zweiten Hubkolben-/Zylindereinheit 8 betätigbar ist. Das Pulverbett bildet einen Bearbeitungsbereich, in dem ein 3D-Bauteil 31 hergestellt werden kann.The powder bed 3 is formed equally from a cylindrical body and approximately rectangular in plan view, in which a production piston 7th is mounted vertically displaceably, which by means of a second reciprocating piston / cylinder unit 8th is actuatable. The powder bed forms a processing area in which a 3D component 31 can be produced.

Der Vorratszylinder 4 und das Pulverbett 3 befinden sich in der Prozesskammer 2. Das Pulverbett 3 ist angrenzend an den Vorratszylinder 4 angeordnet. Es ist eine Rakel 9 vorgesehen, welche in Bewegungsrichtung 10 (1) derart verfahrbar ist, dass aus dem Vorratszylinder 4 ein darin vorgehaltenes Pulver 11 in das Pulverbett 3 gestrichen werden kann. Mit der Rakel 9 wird somit eine oberflächliche Pulverschicht des Vorratszylinders 4 auf die Oberfläche in dem Pulverbett 3 übertragen. Durch schrittweises Anheben des Vorratskolbens 5 und schrittweises Absenken des Produktionskolbens 7 kann die Oberfläche des Pulvers 11 im Pulverbett 3 und im Vorratszylinder 4 in etwa auf dem gleichen Niveau gehalten werden.The storage cylinder 4th and the powder bed 3 are located in the process chamber 2 . That Powder bed 3 is adjacent to the storage cylinder 4th arranged. It's a squeegee 9 provided which in the direction of movement 10 ( 1 ) can be moved in such a way that from the storage cylinder 4th a powder held in it 11 into the powder bed 3 can be deleted. With the squeegee 9 thus becomes a superficial powder layer of the storage cylinder 4th onto the surface in the powder bed 3 transfer. By gradually lifting the supply piston 5 and gradually lowering the production piston 7th can be the surface of the powder 11 in the powder bed 3 and in the storage cylinder 4th be kept at roughly the same level.

Im Bereich oberhalb des Pulverbetts 3 ist eine Bewegungseinrichtung 12 zum Bewegen einer Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 13 vorgesehen.In the area above the powder bed 3 is a movement device 12th for moving a large number of processing heads 13th intended.

Die Bewegungseinrichtung 12 umfasst mehrere Traversen 14, welche sich quer über das Pulverbett 3 erstrecken. Die Traversen 14 sind zueinander parallel angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Traversen 14 vorgesehen (1, 2). Die mittlere Traverse 14 ist etwas höher als die beiden äußeren Traversen 14 angeordnet.The movement device 12th includes several trusses 14th which extends across the powder bed 3 extend. The trusses 14th are arranged parallel to each other. In the present embodiment, there are three trusses 14th intended ( 1 , 2 ). The middle traverse 14th is slightly higher than the two outer trusses 14th arranged.

Die Traversen 14 weisen einen etwa rechteckförmigen Querschnitt auf, mit jeweils einem an den vertikalen Längsseitenflächen 15 vorstehenden Schienenprofil 16, die sich über die gesamte Länge der Traverse 14 erstrecken (3a-3). An den Schienenprofilen 16 einer jeden Traverse 14 sind jeweils zwei Schlitten in Längsrichtung der Traversen 14 verschieblich gelagert. Die Schlitten 17 können selbsttätig mittels einer Antriebseinrichtung entlang der jeweiligen Traverse 14 bewegt werden. Die Antriebseinrichtung kann einen von einem externen Motor angetriebenen Antriebsriemen umfassen, der an den jeweiligen Schlitten 17 gekoppelt ist. Es kann jedoch auch im Schlitten 17 selbst ein Antriebsmechanismus, wie zum Beispiel ein von einem Motor angetriebenes Antriebsrad vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Schlitten mittels eines Linearmotors anzutreiben, wobei dann am Schlitten 17 und an der Traverse 14 die entsprechenden Antriebsmittel und Antriebsgegenmittel vorzusehen sind.The trusses 14th have an approximately rectangular cross-section, each with one on the vertical longitudinal side surfaces 15th protruding rail profile 16 extending the entire length of the truss 14th extend ( 3a-3 ). On the rail profiles 16 of each traverse 14th are two slides in the longitudinal direction of the traverses 14th movably mounted. The sleigh 17th can automatically by means of a drive device along the respective traverse 14th be moved. The drive device can comprise a drive belt driven by an external motor which is attached to the respective carriage 17th is coupled. However, it can also be done in the sled 17th even a drive mechanism such as a drive wheel driven by a motor may be provided. In principle, it is also possible to drive the slide by means of a linear motor, in which case the slide 17th and on the traverse 14th the corresponding drive means and counter drive means are to be provided.

Am Schlitten 17 ist ein Schwenkarm 18 mittels eines Schwenkgelenks 19 angeordnet. Der Schwenkarm 18 ist mit dem Schwenkgelenk 19 um eine vertikale Schwenkachse 20 drehbar gelagert. Am Schlitten 17 ist ein Schrittmotor (nicht dargestellt) zum Drehen des Schwenkarms 18 um die Schwenkachse 20 vorgesehen. Am von der Schwenkachse 20 entfernten Ende des Schwenkarms 18 ist der Bearbeitungskopf 13 vorgesehen, der bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Ende 22 einem Lichtleiter 21 und einer an dem Ende 22 des Lichtleiters 21 angeordneten optischen Linse 23 ausgebildet ist. Der Bearbeitungskopf 13 ist derart angeordnet, dass ein in dem Lichtleiter geführtes Lichtstrahlbündel 24 vertikal nach unten abgegeben wird.On the sledge 17th is a swivel arm 18th by means of a swivel joint 19th arranged. The swivel arm 18th is with the swivel joint 19th about a vertical pivot axis 20th rotatably mounted. On the sledge 17th is a stepper motor (not shown) for rotating the swing arm 18th around the pivot axis 20th intended. On from the pivot axis 20th far end of the swing arm 18th is the machining head 13th provided that the in 3a embodiment shown through one end 22nd a light guide 21 and one at the end 22nd of the light guide 21 arranged optical lens 23 is trained. The processing head 13th is arranged in such a way that a light beam guided in the light guide 24 is dispensed vertically downwards.

Der Lichtleiter ist aus einer biegsamen optischen Faser ausgebildet. Die optische Faser kann bspw. eine Glasfaser oder eine optische Polymerfaser sein.The light guide is formed from a flexible optical fiber. The optical fiber can be, for example, a glass fiber or an optical polymer fiber.

Der Schrittmotor und das Schwenkgelenk 19 sind sehr nahe an der Schwenkachse angeordnet. Hierdurch ist die wesentliche Masse der mit dem Schwenkarm 18 drehbaren Teile um die Schwenkachse 20 konzentriert. Der Schwenkarm 18 selbst ist vergleichsweise leicht, so dass das Rotationsträgheitsmoment gering ist und der Schwenkarm 18 schnell und präzise um die Schwenkachse 20 gedreht werden kann.The stepper motor and the swivel joint 19th are arranged very close to the pivot axis. As a result, the essential mass is the one with the swivel arm 18th rotatable parts around the pivot axis 20th concentrated. The swivel arm 18th itself is comparatively light, so that the moment of inertia of rotation is low and the swivel arm 18th quickly and precisely around the swivel axis 20th can be rotated.

Der Lichtleiter 21 führt zu einer Lichtquelle 25, welche ein Stück entfernt von dem Schwenkarm 18 angeordnet ist. Die Lichtquelle 25 ist vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein CO2-Laser oder ein ND:YAG-Laser. Die Lichtquelle 25 kann auch ein Halbleiter-Laser oder eine Leuchtdiode, insbesondere eine Super-Lumineszenz-Leuchtdiode sein.The light guide 21 leads to a light source 25th which is a bit away from the swivel arm 18th is arranged. The light source 25th is preferably a laser, in particular a CO 2 laser or an ND: YAG laser. The light source 25th can also be a semiconductor laser or a light-emitting diode, in particular a super-luminescence light-emitting diode.

Es kann auch ein Array von Lichtquellen vorgesehen sein, das für jeden Bearbeitungskopf eine Lichtquelle aufweist.An array of light sources can also be provided which has a light source for each processing head.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen des Schwenkarms erläutert, welche genauso wie die oben anhand von 3a beschriebene Ausführungsform ausgebildet sind, sofern nichts anderes angegeben ist.In the following, further embodiments of the swivel arm are explained, which are exactly the same as those above with reference to FIG 3a Embodiment described are formed, unless otherwise specified.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Schwenkarms 18 (3b) ist die Lichtquelle 25 zusammen mit der optischen Linse 23 unmittelbar am von der Schwenkachse 20 entfernten Ende des Schwenkarms 18 derart angeordnet, dass ein Lichtstrahlbündel 24 vertikal nach unten ausgesendet werden kann. Im Übrigen ist der Schwenkarm 18 genauso ausgebildet, wie bei der oben erläuterten Ausführungsform gemäß 3a.In an alternative embodiment of the swivel arm 18th ( 3b) is the light source 25th along with the optical lens 23 directly on from the pivot axis 20th far end of the swing arm 18th arranged so that a light beam 24 can be sent vertically downwards. Incidentally, the swivel arm is 18th designed in the same way as in the above-explained embodiment according to FIG 3a .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform (3c) ist eine Strahlführung von der Lichtquelle 25 bis zum Schlitten 17 mittels einem Lichtleiter 26 und entlang dem Schwenkarm 18 mittels Reflektorelementen 27, 28 ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Reflektorelemente 27, 28 jeweils als Spiegel ausgebildet. Sie können jedoch auch durch andere, ein Lichtstrahlbündel ablenkende optische Elemente, wie zum Beispiel Prismen oder dergleichen, dargestellt werden. Der Schwenkarm 18 ist als hohles Kunststoffrohr ausgebildet, das insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen kann. Ein solches Kunststoffrohr ist sehr leicht und steif.According to a further embodiment ( 3c ) is a beam guide from the light source 25th to the sled 17th by means of a light guide 26th and along the swivel arm 18th by means of reflector elements 27 , 28 educated. In the present embodiment, the reflector elements 27 , 28 each designed as a mirror. However, they can also be represented by other optical elements that deflect a light beam, such as prisms or the like, for example. The swivel arm 18th is designed as a hollow plastic tube, which can in particular consist of a fiber-reinforced plastic. Such a plastic pipe is very light and stiff.

Das Schwenkgelenk 19 weist eine vertikal verlaufende Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsloch 29 auf. Benachbart oberhalb dem Durchgangsloch 29 ist das von der Lichtquelle 25 entfernte Ende des Lichtleiters 26 zusammen mit einer Kopplungslinse 30 angeordnet, so dass das von der Lichtquelle 25 erzeugte Lichtstrahlbündel über den Lichtleiter 26 übertragen und von dort in das Durchgangsloch 29 des Schwenkgelenks 19 eingekoppelt wird. Unterhalb des Durchgangslochs 29 ist ein erstes Reflektorelement 27 angeordnet, das das Lichtstrahlbündel 24 derart umlenkt, dass das Lichtstrahlbündel 24 in Richtung zum freien Ende des Schwenkarms 18 gelenkt wird. Am freien, von der Schwenkachse 20 entfernten Ende des Schwenkarms 18 ist das zweite Reflektorelement 28 angeordnet, das das Lichtstrahlbündel 24 vertikal nach unten ablenkt. Optional kann in dem Strahlengang zwischen dem Ende des Lichtleiters 26, welches benachbart zum Schwenkgelenk 19 angeordnet ist, und dem zweiten Reflektorelement 28 eine optische Linse 30 zum Bündeln des Lichtstrahlbündels vorgesehen sein. Anstelle der optischen Linse 30 kann auch ein Objektiv vorgesehen sein, mit welchem der Grad der Bündelung des Lichtstrahlbündels verändert werden kann.The swivel joint 19th has a vertically extending through opening or through hole 29 on. Adjacent above the through hole 29 is that from the light source 25th distant end of the light guide 26th together with a coupling lens 30th arranged so that the from the light source 25th generated light beam via the light guide 26th transferred and from there into the through hole 29 of the swivel joint 19th is coupled. Below the through hole 29 is a first reflector element 27 arranged that the light beam 24 deflects in such a way that the light beam 24 towards the free end of the swivel arm 18th is steered. On the free, from the swivel axis 20th far end of the swing arm 18th is the second reflector element 28 arranged that the light beam 24 deflects vertically downwards. Optionally, in the beam path between the end of the light guide 26th , which is adjacent to the swivel joint 19th is arranged, and the second reflector element 28 an optical lens 30th be provided for bundling the light beam. Instead of the optical lens 30th An objective can also be provided with which the degree of focusing of the light beam can be changed.

Beim Bewegen des Bearbeitungskopfes 13 mittels des Schwenkarms 18 wird der Lichtleiter 26 lediglich entlang der Traverse 14 mit seinem im Schlitten 17 angeordneten Ende bewegt. Der Schwenkarm 18 kann eine Drehbewegung ausführen, die keinen Einfluss auf die Position des Lichtleiters 26 hat. Hierdurch ist es möglich, dass der Schwenkarm 18 eine oder mehrere vollständige Umdrehungen durchführen kann, ohne dass hierdurch die Funktionalität des Lichtleiters 26 beeinträchtigt wird, da sie bei einer solchen Drehbewegung des Schwenkarms 18 nicht mitgenommen wird.When moving the machining head 13th by means of the swivel arm 18th becomes the light guide 26th only along the traverse 14th with his in the sled 17th arranged end moves. The swivel arm 18th can perform a rotary movement that does not affect the position of the light guide 26th Has. This makes it possible for the swivel arm 18th can perform one or more complete revolutions without affecting the functionality of the light guide 26th is adversely affected because they are affected by such a rotary movement of the swivel arm 18th is not taken.

Mit einer solchen Anordnung kann man somit eine Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 13 jeweils mittels eines Schwenkarms an einem entlang den Traversen 14 verfahrbaren Schlitten 17 vorsehen, wobei sichergestellt ist, dass die einzelnen Lichtleiter 26 sich nicht miteinander verheddern können. Hierdurch lässt sich einfach ein 3D-Drucker 1 schaffen, welcher zumindest acht, vorzugsweise zumindest zwölf und insbesondere zumindest sechzehn Bearbeitungsköpfe aufweist, die allesamt gleichzeitig oder quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel 24 beaufschlagt werden können.With such an arrangement, a large number of machining heads can be produced 13th each by means of a swivel arm on one along the traverses 14th movable slide 17th provide, ensuring that the individual light guides 26th cannot get tangled up with each other. This makes it easy to use a 3D printer 1 create, which has at least eight, preferably at least twelve and in particular at least sixteen processing heads, all of which simultaneously or quasi simultaneously with a light beam 24 can be applied.

Die Lichtquellen 25 können im Dauerbetrieb (cw) oder im Pulsbetrieb (pw) das Lichtstrahlbündel erzeugen. Bei einer gepulsten Lichtquelle mit einer hohen Lichtintensität kann es auch zweckmäßig sein, eine Lichtquelle mehreren Bearbeitungsköpfen 13 zuzuordnen, wobei dann ein Multiplexer zwischen der Lichtquelle und den jeweiligen Bearbeitungsköpfen angeordnet ist, so dass mit dem Multiplexer das von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahlbündel eindeutig einem der mehreren Bearbeitungsköpfe 13 zugeleitet wird. Der Wechsel zwischen den einzelnen Bearbeitungsköpfen kann so schnell erfolgen, dass der Wechsel im Vergleich zum Schmelz- oder Sintervorgang so schnell ist, dass die einzelnen, hieran gekoppelten Bearbeitungsköpfe als quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel beaufschlagt betrachtet werden können.The light sources 25th can generate the light beam in continuous operation (cw) or in pulsed operation (pw). In the case of a pulsed light source with a high light intensity, it can also be expedient to have a light source with several processing heads 13th to be assigned, wherein a multiplexer is then arranged between the light source and the respective processing heads, so that with the multiplexer the light beam generated by the light source is clearly one of the plurality of processing heads 13th is forwarded. The change between the individual processing heads can take place so quickly that the change is so quick compared to the melting or sintering process that the individual processing heads coupled to them can be viewed as being acted upon by a bundle of light rays at the same time.

Eine weitere Ausführungsform des Schwenkarms (3d) weist als Lichtquelle einen gepumpten Laser mit einer Lichtpumpe 32 und einem Resonator 33 auf, welche über einen Lichtleiter 34 miteinander verbunden sind. Der Resonator umfasst ein aktives Medium, das vorzugsweise aus einem Festkörper besteht und das mittels von der Lichtpumpe 32 abgegebenen Pumplicht 35 angeregt oder gepumpt wird.Another embodiment of the swivel arm ( 3d ) has a pumped laser with a light pump as the light source 32 and a resonator 33 on which via a light guide 34 are connected to each other. The resonator comprises an active medium, which preferably consists of a solid body, and which is effected by means of the light pump 32 delivered pump light 35 is excited or pumped.

Der Resonator 33 ist zusammen mit der optischen Linse 23 unmittelbar am von der Schwenkachse 20 entfernten Ende des Schwenkarms 18 derart angeordnet, dass ein Lichtstrahlbündel 24 vertikal nach unten ausgesendet werden kann. Die Lichtpumpe 32 ist am Schlitten 17 derart angeordnet, dass sie die Schwenkbewegung des Schwenkarms nicht mitmacht. Die Lichtpumpe 32 umfasst in der Regel einen oder mehrere Halbleiterlaser und einen Kühlkörper mit Kühlrippen. Die Lichtpumpe ist wesentlich schwerer als der Resonator 33 und die optische Linse 23. Da nur der Resonator 33 und die optische Linse 23 und nicht die Lichtpumpe 32 bewegt werden, ist das Rotationsträgheitsmoment des Schwenkarms 18 gering.The resonator 33 is together with the optical lens 23 directly on from the pivot axis 20th far end of the swing arm 18th arranged so that a light beam 24 can be sent vertically downwards. The light pump 32 is on the sled 17th arranged in such a way that it does not take part in the pivoting movement of the pivot arm. The light pump 32 usually comprises one or more semiconductor lasers and a heat sink with cooling fins. The light pump is much heavier than the resonator 33 and the optical lens 23 . Since only the resonator 33 and the optical lens 23 and not the light pump 32 is the moment of inertia of rotation of the swing arm 18th small amount.

Bei dieser Ausführungsform ist die Lichtpumpe 32 am Schlitten 17 angeordnet. Die Lichtpumpe 32 kann jedoch auch unabhängig bzw. entfernt vom Schlitten 17 angeordnet sein.In this embodiment the light pump is 32 on the sled 17th arranged. The light pump 32 however, it can also be independent of or removed from the slide 17th be arranged.

Diese Ausführungsform kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass an Stelle des Lichtleiters 34 eine Strahlführung mit Reflektorelementen vorgesehen ist, wie sie in 3c gezeigt ist. Dann kann der Lichtleiter 34 entweder vollständig entfallen oder nur bis zum Schlitten 17 geführt werden, wenn die Lichtpumpe entfernt vom Schlitten 17 angeordnet ist. This embodiment can also be modified so that instead of the light guide 34 a beam guide with reflector elements is provided, as shown in 3c is shown. Then the light guide can 34 either completely omitted or only up to the slide 17th be guided when the light pump is removed from the slide 17th is arranged.

Als gepumpter Laser wird vorzugsweise ein ND:YAG-Laser und als Lichtpumpe ein oder mehrere Laserdioden mit einer Wellenlänge von 808 nm verwendet. Es kann jedoch auch ein anderer Laser, wie z.B. ein Yb:YAG-Laser vorgesehen sein.An ND: YAG laser is preferably used as the pumped laser and one or more laser diodes with a wavelength of 808 nm are used as the light pump. However, another laser, such as a Yb: YAG laser, can also be provided.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Traversen 14 und damit auch die daran angebrachten Schwenkarme 18 auf unterschiedlichem Niveau angeordnet (1: mittlere Traverse höher als die seitlichen Traversen), so dass die Schwenkarme 18, die an der mittleren Traverse 14 angeordnet sind, nicht mit den Schwenkarmen 18 kollidieren können, welche an den äußeren Traversen 14 angeordnet sind. Das Niveau der Schwenkarme 18 kann auch unterschiedlich ausgebildet sein, wenn alle Traversen auf gleicher Höhe angeordnet sind. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Schwenkgelenke 19 an den einzelnen Schlitten 17 unterschiedlich hoch angebracht sind.In the present embodiment, the traverses 14th and thus also the swivel arms attached to it 18th arranged on different levels ( 1 : middle crossbeam higher than the side crossbeams) so that the swivel arms 18th , the one on the middle traverse 14th are arranged, not with the swivel arms 18th can collide, which on the outer trusses 14th are arranged. The level of the swivel arms 18th can also be designed differently if all cross members are arranged at the same height. This can be achieved, for example, in that the swivel joints 19th on the individual slide 17th are attached at different heights.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel sind die Traversen 14 ortsfest angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, dass die Traversen horizontal und quer zu ihrer Längsrichtung bewegt werden können. Eine solche Ausgestaltung der Bewegungseinrichtung 12 erfordert jedoch eine komplexere Steuerung, dass die einzelnen Schwenkarme 18 nicht kollidieren. Daher ist grundsätzlich die Anordnung mit ortsfesten Traversen 14 bevorzugt. Eine solche Ausgestaltung der Bewegungseinrichtung 12 erlaubt eine einfache Skalierung des 3D-Druckers, indem beispielsweise zusätzliche Schlitten an die bestehenden Traversen angesetzt werden oder eine oder mehrere zusätzliche Traversen angebracht werden, um die Fertigungsgeschwindigkeit zu erhöhen.In the exemplary embodiment explained above, the traverses are 14th fixed in place. In the context of the invention, however, it is possible that the traverses can be moved horizontally and transversely to their longitudinal direction. Such a configuration of the movement device 12th however, requires a more complex control that the individual swivel arms 18th don't collide. Therefore, the arrangement is basically with fixed cross-members 14th preferred. Such a configuration of the movement device 12th allows the 3D printer to be easily scaled, for example by attaching additional slides to the existing crossbars or by attaching one or more additional crossbars to increase production speed.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel sind die Schwenkarme 18 nicht in Vertikalrichtung verstellbar. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, entweder am Schlitten 17 eine Einrichtung zum Verstellen der vertikalen Position des Schwenkarms 18 vorzusehen oder die Traversen 14 und/oder die gesamte Bewegungseinrichtung 12 in der vertikalen Position verstellbar auszubilden. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, um beim Abstreichen des Pulverbetts 3 mittels der Rakel 9 ausreichend Platz für die Bewegung der Rakel zwischen dem Pulverbett 3 und den Schwenkarmen 18 zu schaffen und nachdem die Rakel 9 sich wieder außerhalb des Bereiches des Pulverbettes 3 befindet, können die Schwenkarme 18 abgesenkt werden, um mit den Bearbeitungsköpfen 13 möglichst nahe an der Oberfläche des sich im Pulverbett 3 befindlichen Pulvers zu befinden.In the embodiment explained above, the pivot arms are 18th not adjustable in vertical direction. In the context of the invention, however, it is possible either on the slide 17th a device for adjusting the vertical position of the swivel arm 18th to provide or the trusses 14th and / or the entire movement device 12th to train adjustable in the vertical position. This can be particularly useful when wiping the powder bed 3 by means of the squeegee 9 enough space for the squeegee to move between the powder bed 3 and the swivel arms 18th to create and after the squeegee 9 again outside the area of the powder bed 3 is located, the swivel arms 18th be lowered to with the processing heads 13th as close as possible to the surface of the powder bed 3 located powder.

Die Lichtquellen 25 für die einzelnen Bearbeitungsköpfe 13 können identisch ausgebildet sein und jeweils ein Lichtstrahlbündel mit der gleichen Intensität und der gleichen Frequenz bzw. dem gleichen Frequenzbereich erzeugen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, unterschiedliche Lichtquellen für die unterschiedlichen Bearbeitungsköpfe vorzusehen, mit welchen Licht mit unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereichen ausgestrahlt wird und/oder mit unterschiedlichen Intensitäten. Es können auch Lichtquellen vorgesehen sein, mit welchen die Wellenlänge des Lichtes über einen bestimmten Bereich abstimmbar ist. Derartige in der Frequenz abstimmbare Laser sind bekannt und weisen in der Regel einen Halbleiterverstärker auf.The light sources 25th for the individual processing heads 13th can be designed identically and each generate a light beam with the same intensity and the same frequency or the same frequency range. In the context of the invention, however, it is also possible to provide different light sources for the different machining heads, with which light with different frequencies or frequency ranges is emitted and / or with different intensities. Light sources can also be provided with which the wavelength of the light can be tuned over a certain range. Such lasers, which can be tuned in frequency, are known and generally have a semiconductor amplifier.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass gleichzeitig durch die mehreren Bearbeitungsköpfe 13 unterschiedliche Stellen des im Pulverbett 3 befindlichen Pulvers 11 mit Licht und damit mit Wärme beaufschlagt werden können und gleichzeitig aufgeschmolzen bzw. gesintert werden können. Hierdurch wird der Fertigungsvorgang parallelisiert und erheblich gegenüber herkömmlichen 3D-Druckern beschleunigt. Es kann somit sehr schnell ein 3D-Bauteil 31 (1) erzeugt werden.An advantage of the present invention is that at the same time by the multiple processing heads 13th different places in the powder bed 3 located powder 11 can be exposed to light and thus heat and can be melted or sintered at the same time. As a result, the production process is parallelized and significantly accelerated compared to conventional 3D printers. A 3D component 31 ( 1 ) be generated.

Die Bearbeitungsköpfe 13 können sehr präzise über dem Pulverbett 3 positioniert werden, wodurch hochgenaue 3D-Bauteile gefertigt werden können.The processing heads 13th can be very precise over the powder bed 3 can be positioned, which means that high-precision 3D components can be manufactured.

Die Bewegungseinrichtung 12 für die Bearbeitungsköpfe 13 ist sehr einfach ausgebildet und ist im Vergleich zu 3D-Druckern mit ähnlicher Leistungsfähigkeit wesentlich kostengünstiger herstellbar.The movement device 12th for the processing heads 13th is very simple and can be produced much more cost-effectively compared to 3D printers with similar performance.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
3D-Drucker3D printer
22
ProzesskammerProcess chamber
33
PulverbettPowder bed
44th
VorratszylinderStorage cylinder
55
VorratskolbenStorage flask
66th
Hubkolben-/ZylindereinheitReciprocating piston / cylinder unit
77th
ProduktionskolbenProduction piston
88th
Hubkolben-/ZylindereinheitReciprocating piston / cylinder unit
99
RakelSqueegee
1010
BewegungsrichtungDirection of movement
1111
Pulverpowder
1212th
BewegungseinrichtungMovement device
1313th
BearbeitungskopfMachining head
1414th
Traversetraverse
1515th
LängsseitenflächeLong side surface
1616
SchienenprofilRail profile
1717th
Schlittensleds
1818th
SchwenkarmSwivel arm
1919th
SchwenkgelenkSwivel joint
2020th
SchwenkachseSwivel axis
2121
LichtleiterLight guide
2222nd
Endeend
2323
Optische LinseOptical lens
2424
LichtstrahlbündelLight beam
2525th
LichtquelleLight source
2626th
LichtleiterLight guide
2727
ReflektorelementReflector element
2828
ReflektorelementReflector element
2929
DurchgangsöffnungThrough opening
3030th
Optische LinseOptical lens
3131
3D-Bauteil3D component
3232
LichtpumpeLight pump
3333
ResonatorResonator
3434
LichtleiterLight guide
3535
PumplichtPump light

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Claims (13)

Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektivem Schmelzen oder Sintern, mit einer Lichtquelle (25) zum Erzeugen eines Lichtstrahlbündels (24), einem Bearbeitungskopf (13), der entweder mit einer Strahlführung an die Lichtquelle (25) gekoppelt ist, so dass das Lichtstrahlbündel (24) zum Bearbeitungskopf (13) geführt wird, oder die Lichtquelle (25) unmittelbar am Bearbeitungskopf (13) angeordnet ist, so dass ein Lichtstrahlbündel (24) vom Bearbeitungskopf (13) auf einen Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, wobei der Bearbeitungskopf (13) beweglich gelagert ist, so dass das Lichtstrahlbündel (24) auf unterschiedliche Stellen im Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bearbeitungsköpfe zum jeweiligen Lenken eines Lichtstrahlbündels auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sind, und die Bearbeitungsköpfe jeweils an einem Schlitten angeordnet sind, welcher entlang einer Traverse verfahrbar ist.Device for the generative production of components, in particular by means of selective melting or sintering, with a light source (25) for generating a light beam (24), a processing head (13) which is either coupled to the light source (25) with a beam guide, so that the light beam (24) is guided to the processing head (13), or the light source (25) is arranged directly on the processing head (13) so that a light beam (24) can be directed from the processing head (13) onto a processing area, the processing head (13) is movably mounted so that the light beam (24) can be directed to different locations in the processing area, characterized in that several processing heads are provided for each directing a light beam onto the processing area, and the processing heads are each arranged on a slide, which can be moved along a traverse. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsköpfe (13) jeweils mittels eines schwenkbaren Schwenkarmes (18) an jeweils einem der Schlitten (17) angeordnet sind.Device according to Claim 1 , characterized in that the machining heads (13) are each arranged on one of the carriages (17) by means of a pivotable swivel arm (18). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest entlang den Schwenkarmen (18) die Strahlführung für das jeweilige Lichtstrahlbündel (24) mittels Reflektorelementen (27, 28) ausgebildet ist.Device according to Claim 2 , characterized in that at least along the pivot arms (18) the beam guidance for the respective light beam (24) is formed by means of reflector elements (27, 28). Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkarme (18) aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sind und/oder an einem jeden von einer Schwenkachse (20) entfernten Ende ein Reflektorelement (28) zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahlbündels (24) auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sind.Device according to Claim 2 or 3 , characterized in that the pivot arms (18) are made of plastic, in particular fiber-reinforced plastic and / or a reflector element (28) is provided at each end remote from a pivot axis (20) for directing the respective light beam (24) onto the processing area . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den von einer Rotationsachse (20) entfernten freien Enden der Schwenkarme (18) jeweils eine der Lichtquellen (25) oder jeweils ein Resonator (33) eines als Lichtquelle (25) dienenden Lasers angeordnet sind.Device according to one of the Claims 2 until 4th , characterized in that one of the light sources (25) or one resonator (33) of a laser serving as a light source (25) are arranged at the free ends of the pivot arms (18) remote from an axis of rotation (20). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlführungen vorgesehen und zumindest teilweise als Lichtleiter (21, 26) ausgebildet sind.Device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that several beam guides are provided and at least partially designed as light guides (21, 26). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel zueinander und in einer Ebene angeordnete Traversen (14) vorgesehen sind.Device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that a plurality of cross members (14) arranged parallel to one another and in one plane are provided. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Traversen (14) ortsfest angeordnet sind.Device according to Claim 7 , characterized in that the traverses (14) are arranged in a stationary manner. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Traverse (14) zumindest zwei unabhängig voneinander verfahrbare Schlitten (17) gelagert sind, wobei ein jeder Schlitten (17) einen Bearbeitungskopf (13) aufweist.Device according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that at least two independently movable carriages (17) are mounted on each traverse (14), each carriage (17) having a processing head (13). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtquellen (25), insbesondere ein Array von Leuchtdioden und/oder Halbleiterlaser, vorgesehen sind, wobei eine jede Lichtquelle (25) einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen (13) zugeordnet ist.Device according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that several light sources (25), in particular an array of light emitting diodes and / or semiconductor lasers, are provided, each light source (25) being assigned to one or more processing heads (13). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multiplexer zum Verteilen des Lichtstrahlbündels einer der Lichtquellen (25) auf unterschiedliche Strahlführungen, welche zu jeweils einem der Bearbeitungsköpfe (13) führen, vorgesehen ist.Device according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that a multiplexer is provided for distributing the light beam from one of the light sources (25) to different beam guides which each lead to one of the processing heads (13). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass mehrere Bearbeitungsköpfe (13) gleichzeitig bewegt und/oder gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel (24) beaufschlagt werden können.Device according to one of the Claims 1 until 11 , characterized in that a control device is provided which is designed in such a way that a plurality of machining heads (13) can be moved simultaneously and / or a light beam (24) can be acted upon at the same time. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulverbett (3) vorgesehen ist, das den Bearbeitungsbereich bildet.Device according to one of the Claims 1 until 12th , characterized in that a powder bed (3) is provided which forms the processing area.
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