DE102020128028A1 - Device for the additive manufacturing 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 mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns, 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 manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering, with a light source for generating a light beam, a processing head, which 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 respectively directing a bundle of light beams on the processing area, and the processing heads are each arranged on a carriage which can be moved along a traverse. This allows powder to be melted or sintered at several points at the same time. The processing heads are preferably arranged on swivel arms. This allows a very simple and inexpensive configuration of the device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns.The present invention relates to a device for the additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering.
Aus der
Die
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Ein ähnliches Verfahren ist in der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns, 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 additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering, which is of simple design, allows a high production speed and with which 3D components can be manufactured with high precision.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a device having the features of
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns, 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 additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering, comprises a light source for generating a light beam, a processing head, which 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 points 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 respectively directing a bundle of light beams onto the processing area, and the processing heads are each arranged on a carriage which can be moved along a traverse.
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 bundles of 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 processing heads are arranged on or on a carriage and can be moved along a traverse. This allows easy and reliable positioning of the processing heads over the processing 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 quickly cover a large section of the machining area ches can be positioned anywhere. This section extends around the traverse, along which the respective carriage with the respective machining head can be moved in an area around the pivot axis of the pivot arm, which extends on both sides by a width that corresponds to the length of the pivot arm. This section is thus in the form of a strip around the traverses with a width which corresponds to approximately twice the length of the swivel arms. This strip-shaped section is referred to below as the coverage area, since the processing heads, which are arranged on the carriage of a traverse, can be arranged at any position within the coverage area and thus apply a light beam bundle or cover the processing area at any point in the coverage area be able.
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 expedient to position the processing heads only in a limited angular range of the swivel arms, because the more the swivel arms swivel the processing head away from the traverse, the more imprecise the position of the processing head becomes in the direction parallel to the traverse. The angular range can be limited, for example, to a maximum pivoting angle with respect to the traverse of a maximum of 60° or a maximum of 45°. With a maximum swivel angle of 45°, the width of the coverage 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 several traverses which are arranged parallel to one another. The trusses are preferably spaced such that the coverage areas overlap from adjacent trusses.
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 bundle of light beams can be formed along the swivel arms by means of reflector elements. This allows for very light swivel arms that have a low rotational moment of inertia so that they can be quickly swiveled 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 swivel arms are preferably made of plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic. A mirror can be provided at each end remote from the pivot axis of the pivot arm 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. However, the respective light guide can also only be guided from the light source to the pivoted end of the respective swivel arm and its end arranged there in such a way that the light beam couples into a beam guide along the swivel arm, which is formed by means of reflector elements. Such an embodiment has the advantage that the pivoting 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 stationary with respect to the carriage on which the swivel arm is attached.
Das Ende des Lichtleiters kann alternativ ortsfest derart am Schwenkarm angeordnet sein, so dass das Lichtstrahlbündel in Richtung zum freien Ende des Schwenkarms abgegeben wird, vorzugsweise parallel zum Schwenkarm. Am freien Ende des Schwenkarms kann ein Reflektorelement zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahlbündels auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Umlenkspiegel.The end of the light guide can alternatively be arranged stationary on the swivel arm in such a way that the bundle of light rays is emitted in the direction of the free end of the swivel arm, preferably parallel to the swivel arm. At the free end of the swivel arm, a reflector element can be provided for directing the respective bundle of light beams onto the processing area, such as a deflection mirror, for example.
Das Reflektorelement kann ein parabolischer Spiegel oder ein Spiegel mit Freiformfläche zum Bündeln des Lichtes sein, so dass im Strahlengang keine optische Linse notwendig ist.The reflector element can be a parabolic mirror or a mirror with a free-form surface for focusing the light, so that no optical lens is required in the beam path.
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 stationary. This is particularly advantageous in connection with an embodiment with processing heads arranged on swivel arms, since such a stationary arrangement can be controlled much more easily to avoid collisions between different swivel arms than with a device in which the swivel arms can be swiveled, the carriages can be moved along the traverses and the Traverses themselves are movable transversely to their longitudinal direction. In addition, with a stationary arrangement of the traverses and swivel arms on the carriages, complete coverage of the processing area can be achieved with a few traverses, provided the swivel arms are not too short. Since the processing heads arranged at the free ends of the swivel arms can be designed very lightly, for example only with 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 small 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 in such a way that one or more traverses can be retrofitted. As a result, on the one hand, the processing area can be subsequently enlarged and, on the other hand, the density of traverses and thus of processing heads can be increased in a predetermined processing area. With an increase Due to the density of the traverses and thus a reduction in the distance between the traverses, it can be expedient to fasten the swivel arms to the carriage in an interchangeable manner, so that correspondingly shorter swivel arms can be used if the distance between the traverses is shorter.
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.Preferably, at least two carriages that can be moved independently of one another are mounted on each traverse, with each carriage having a processing head. More than two carriages, for example three or four carriages, can also 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. COz lasers are mainly used for melting or sintering of plastic powder ND:YAG lasers for melting or sintering of 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-luminescent 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 at several points in the processing area at the same time in order to produce a 3D component. This simultaneous melting or sintering of the powder increases the production speed of the generative production with the present device compared to conventional devices. Even if the processing heads remain at the individual points a little longer, 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 reduces 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 for distributing the bundle of light rays from one of the light sources to different beam paths. Such a multiplexer is preferably useful in the case of very intense light sources with which the powder can be melted or sintered with short pulses. The device preferably has a powder bed in the processing area, in which powder can be located, which is selectively melted by means of the light beam bundle.
Das Pulver kann ein Metallpulver oder Kunststoffpulver sein.The powder can be metal powder or 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, 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 beams can also be focused to different degrees on the processing area. The focus can be set, for example, by means of a lens 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 in a powder bed can be melted or sintered at several points at the same time.
In der gesamten Vorrichtung kann eine Inertgasatmosphäre ausgebildet sein, insbesondere eine Stickstoff- und/oder Argonatmosphäre. Durch den Einsatz einer Inertgasatmosphäre kann eine Oxidation des Pulvers bzw. des Bauteils während der Bauteilfertigung verhindert werden. Bei der Ausbildung und Aufrechterhaltung der Inertgasatmosphäre ist es möglich, Schmutzpartikel auf einfache Weise aus dem Inneren der Vorrichtung zu filtern.An inert gas atmosphere, in particular a nitrogen and/or argon atmosphere, can be formed in the entire device. By using an inert gas atmosphere, oxidation of the powder or the component can be prevented during component manufacture. When forming and maintaining the inert gas atmosphere, it is possible to easily filter dirt particles out of the interior of the device.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns, vorgesehen, mit einem Bearbeitungstisch mit einer vorzugsweise horizontalen Tischplatte, die eine Auflagefläche für das Pulverbett bildet, wobei der Bearbeitungstisch über eine die Tischplatte zumindest partiell seitlich begrenzende Wandung verfügt, und wobei die Tischplatte und die Wandung gemeinsam den Bearbeitungsbereich definieren. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wandung vorzugsweise senkrecht zur Tischplatte verfahrbar ist.According to a further aspect of the invention, a device for the additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering, is provided, with a processing table with a preferably horizontal table top, which forms a support surface for the powder bed, the processing table having a table top at least partially laterally delimiting wall has, and wherein the table top and the wall together define the processing area. The device is characterized in that the wall can be moved preferably perpendicularly to the tabletop.
Beim Fertigen eines Bauteils wird die Wandung jeweils nach einer oder mehreren erzeugten Bauteilschichten relativ zum Bearbeitungstisch vertikal verfahren. Hierfür kann die Oberseite der Wandung zu Beginn der Bauteilfertigung mit der Tischplatte des Bearbeitungstisches eine ebene Fläche ausbilden. Auf die Tischplatte wird Pulver aufgetragen und glattgestrichen. Eine Pulverschicht kann eine Dicke von etwa 20 µm - 100 µm betragen. Im Anschluss wird die erste Bauteilschicht durch Verbinden zumindest eines Teils der Pulverpartikel geschaffen. Das Verbinden kann durch Aufschmelzen und Abkühlen, durch Sintern oder durch lokales Auftragen eines Bindemittels erfolgen. Nach der Fertigung der ersten Bauteilschicht kann die Wandung um die Höhe der ersten Bauteilschicht nach oben verfahren werden. Auf diese Weise wird zwischen der Wandung und der Auflagefläche eine Kammer gebildet. In dieser Kammer wird das Pulverbett gebildet. Das Pulverbett umfasst die bereits gebildete Bauteilschicht und das restliche, nicht miteinander verbundene Pulver. Anschließend kann eine weitere Pulverschicht aufgetragen, glattgestrichen und eine zweite Bauteilschicht gefertigt werden. Die Wandung kann im Anschluss erneut um die Schichtdicke der zweiten Bauteilschicht höhenverstellt werden. Die von der Wandung und der Auflagefläche gebildete Kammer wird auf diese Weise in vertikaler Richtung vergrößert und umfasst dann die beiden Bauteilschichten und das restliche, nicht miteinander verbundene Pulvermaterial. Die vorgenannten Schritte werden so oft wiederholt bis das Bauteil vollständig gefertigt ist. Die Wandung, welche in der Regel leichter als der Bearbeitungstisch ausgebildet ist, kann mit geringem Aufwand verfahren werden. Die Wandung kann nach einem oder nach mehreren gebildeten Schichten verfahren werden.When manufacturing a component, the wall is moved vertically relative to the processing table after one or more component layers have been produced. For this purpose, the upper side of the wall can form a flat surface with the table top of the processing table at the beginning of the component production. Powder is applied to the table top and smoothed out. A layer of powder can be about 20 µm - 100 µm thick. The first component layer is then created by connecting at least some of the powder particles. The connection can be made by melting zen and cooling, by sintering or by local application of a binder. After the production of the first component layer, the wall can be moved upwards by the height of the first component layer. In this way, a chamber is formed between the wall and the bearing surface. The powder bed is formed in this chamber. The powder bed comprises the component layer that has already been formed and the remaining powder that is not connected to one another. Another layer of powder can then be applied, smoothed out and a second component layer can be produced. The height of the wall can then be adjusted again by the layer thickness of the second component layer. The chamber formed by the wall and the bearing surface is enlarged in the vertical direction in this way and then includes the two component layers and the remaining powder material that is not connected to one another. The aforementioned steps are repeated until the component is completely manufactured. The wall, which is generally designed to be lighter than the processing table, can be moved with little effort. The wall can be moved after one or more layers have been formed.
Es ist vorteilhaft, wenn der Bearbeitungstisch ortsfest und nicht verfahrbar ausgebildet ist. Somit kann der bekannte Aufbau, nämlich dass der Bearbeitungstisch während der Bauteilfertigung relativ zu der den Bearbeitungstisch umgebenden, feststehenden Wandung nach unten verfahren wird, umgekehrt werden. Bei einer Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen mit einer Grundfläche des Bearbeitungstisches von 1,5 m x 1 m und einem Hub von 0,5 m ergibt sich ein Arbeitsvolumen von 0,75 m3. Wird dieses Arbeitsvolumen mit Aluminiumpulver ausgefüllt, dann wiegt der Inhalt etwa 2 t. Bei Stahlpulver beträgt das Gewicht etwa 6 t. Da lediglich die Wandung, die in der Regel deutlich leichter als der Bearbeitungstisch und der darauf befindliche additiv gefertigte Gegenstand ist, verfahren werden muss, kann ein kleiner und kostengünstiger Antrieb verwendet werden. Der Aufbau des Bearbeitungstisches kann gleichzeitig besonders kostengünstig aber dennoch stabil ausgeführt sein, da eine Verfahrbarkeit des Bearbeitungstisches nicht notwendig ist. Die Gesamtkosten der Vorrichtung werden dadurch weiter reduziert.It is advantageous if the processing table is designed to be stationary and cannot be moved. The known structure, namely that the processing table is moved downwards relative to the fixed wall surrounding the processing table during the production of the component, can thus be reversed. A device for the additive manufacturing of components with a base area of the processing table of 1.5 mx 1 m and a stroke of 0.5 m results in a working volume of 0.75 m 3 . If this working volume is filled with aluminum powder, the content weighs around 2 t. In the case of steel powder, the weight is around 6 t. Since only the wall, which is usually significantly lighter than the processing table and the additively manufactured object located on it, has to be moved, a small and inexpensive drive can be used. At the same time, the structure of the processing table can be designed to be particularly cost-effective but still stable, since the processing table does not need to be able to be moved. This further reduces the overall cost of the device.
Zum vertikalen Verstellen der Wandung kann beispielsweise ein elektrischer, pneumatischer und/oder hydraulischer Antrieb verwendet werden.For example, an electric, pneumatic and/or hydraulic drive can be used to adjust the wall vertically.
Die Wandung kann an ihrem oberen Rand mit einem sich nach außen horizontal vorstehenden Kragen versehen sein, der verhindert, dass Pulver auf ein Fundament in Bereiche fällt, die dafür nicht vorgesehen sind. Der Kragen kann lediglich auf einer Seite des Pulverbettes vorgesehen sein oder an mehreren oder sogar umlaufend ausgebildet sein.The wall can be provided at its upper edge with a collar which projects horizontally outwards and which prevents powder from falling onto a foundation in areas which are not intended for this. The collar can only be provided on one side of the powder bed or can be formed on several or even circumferentially.
Die Wandung kann aus mehreren Wandabschnitten ausgebildet sein, wobei die Wandabschnitte einzeln und/oder gemeinsam verfahrbar sind. Es können dann einzelne Wandabschnitte unabhängig voneinander verfahren werden. Die Wandung kann somit auf eine Vielzahl von möglichen Anwendungsfällen eingestellt werden.The wall can be formed from several wall sections, the wall sections being movable individually and/or together. Individual wall sections can then be moved independently of one another. The wall can thus be adjusted to a large number of possible applications.
Es kann ein Auftragsspender zum Auftragen von selektiv zu schmelzendem oder zu sinterndem Pulver auf den Bearbeitungstisch bzw. auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sein. Der Auftragsspender kann in horizontaler Richtung über den Bearbeitungstisch verfahrbar sein, um das Pulver über den gesamten Bearbeitungsbereich verteilen zu können. Der Auftragsspender kann eine Rakel aufweisen oder an eine Rakel gekoppelt sein, so dass das aufgetragene Pulver glattgestrichen wird. Durch den Einsatz eines Auftragsspenders kann der Bauraum bzw. die Grundfläche der Vorrichtung verringert werden, da auf einen Vorratszylinder verzichtet werden kann. Der Einsatz eines Vorratszylinders anstelle eines Auftragsspenders kann jedoch vorteilhaft sein, um die Verwirbelung der Atmosphäre im Inneren der Vorrichtung zu verringern, die durch Bewegung des Auftragsspenders verursacht wird.An application dispenser for applying powder to be selectively melted or sintered to the processing table or to the processing area can be provided. The order dispenser can be moved horizontally over the processing table in order to be able to distribute the powder over the entire processing area. The application dispenser can have a squeegee or be coupled to a squeegee so that the applied powder is smoothed out. The installation space or the base area of the device can be reduced by using an order dispenser, since a storage cylinder can be dispensed with. However, the use of a storage cylinder instead of an order dispenser can be advantageous in order to reduce the turbulence of the atmosphere inside the device caused by movement of the order dispenser.
Die Wandung kann gemeinsam mit wenigstens einer weiteren Komponente verfahrbar sein, vorzugsweise einer Lichtquelle und/oder einem Bearbeitungskopf und/oder einer Rakel und/oder einem Auftragsspender zum Auftragen von Pulvermaterial und/oder einem Vorratszylinder. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Bearbeitungsköpfe gemeinsam mit der Wandung höhenverstellbar sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Bearbeitungsköpfe immer den gleichen Abstand zum Bearbeitungsbereich bzw. zur Oberfläche des Pulverbettes aufweisen. Ein aufwendiges Einstellen eines optimalen Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Bearbeitungsbereich kann somit ebenso entfallen, wie das erneute Fokussieren bzw. Einstellen einer Optik des Bearbeitungskopfes. Dem Fachmann ist bekannt, welche Komponenten, abhängig vom Aufbau der Vorrichtung, während der Bauteilfertigung einen gleichbleibenden Abstand zur Wandung oder zum Bearbeitungsbereich oder zueinander bevorzugt aufweisen sollten. Diese Komponenten können gekoppelt mit der Wandung verfahrbar ausgestaltet sein. Es ist dann lediglich ein einziger Antrieb zum Verfahren dieser Komponenten relativ zum Bearbeitungstisch notwendig, wodurch der Aufbau einfach ausgebildet ist.The wall can be moved together with at least one other component, preferably a light source and/or a processing head and/or a squeegee and/or an application dispenser for applying powder material and/or a storage cylinder. It is particularly advantageous if the height of the processing heads can be adjusted together with the wall. In this way it can be ensured that the processing heads are always at the same distance from the processing area or from the surface of the powder bed. A complex setting of an optimal distance between the processing head and the processing area can thus be dispensed with, as can refocusing or adjusting the optics of the processing head. The person skilled in the art knows which components, depending on the structure of the device, should preferably have a constant distance from the wall or from the processing area or from one another during component manufacture. These components can be designed to be movable coupled to the wall. Only a single drive is then required to move these components relative to the machining table, as a result of which the design is simple.
Die Wandung kann in Abhängigkeit von der Dicke der nächsten zu bildenden Bauteilschicht verfahren werden. Es ist möglich, dass die einzelnen Bauteilschichten unterschiedliche Dicken aufweisen. So können bei der Fertigung einzelne Bauteilschichten dicker ausgebildet sein als andere, wenn es in den entsprechenden Bauteilbereichen nicht auf eine hohe Formteilgenauigkeit ankommt. Kommt es in einzelnen Bauteilbereichen hingegen auf eine hohe Formgenauigkeit an, so kann die zu fertigende Bauteilschicht eine geringere Dicke aufweisen. Auf diese Weise kann die Bauteilfertigung in einzelnen Bauteilbereichen und damit insgesamt beschleunigt werden. Das Bauteil kann somit in Abhängigkeit von der in den jeweiligen Bereichen geforderten Formgenauigkeit besonders schnell gefertigt werden.The wall can vary depending on the thickness of the next component layer to be formed will drive. It is possible that the individual component layers have different thicknesses. During production, individual component layers can be made thicker than others if high molding accuracy is not important in the corresponding component areas. If, on the other hand, a high degree of dimensional accuracy is required in individual component areas, the component layer to be manufactured can have a smaller thickness. In this way, component production can be accelerated in individual component areas and thus overall. The component can thus be manufactured particularly quickly, depending on the dimensional accuracy required in the respective areas.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Sammelvorrichtung vorgesehen, vorzugsweise ausgebildet als Sammelbecken, um überschüssiges Pulver aufzunehmen, das aus dem Bearbeitungsbereich gelangt. Während der Fertigung kann Pulver aus dem Bearbeitungsbereich gelangen, beispielsweise kann Pulver durch die Rakel von dem Bearbeitungstisch bzw. von der Tischplatte oder von dem Kragen geschoben werden. Dieses überschüssige Pulver kann von der Sammelvorrichtung aufgenommen werden. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Sammelvorrichtung durch ein Auffang- bzw Sammelbecken gebildet sein, in welches das überschüssige Pulver hineinfällt. Dieses überschüssige Pulver kann dann gesammelt und wiederverwendet werden. Das Sammelbecken kann teilweise oder vollständig um den Arbeitstisch, die Wandung und/oder den Kragen angeordnet sein, so dass überschüssiges Pulver, welches von dem Arbeitstisch, der Wandung und/oder dem Kragen gestrichen wird, in das Sammelbecken fallen kann.In a preferred embodiment, a collecting device is provided, preferably in the form of a collecting basin, for collecting excess powder which comes out of the processing area. During production, powder can get out of the processing area, for example powder can be pushed through the squeegee from the processing table or from the table top or from the collar. This excess powder can be picked up by the collection device. In a particularly simple embodiment, the collecting device can be formed by a collecting or collection basin into which the excess powder falls. This excess powder can then be collected and reused. The collection basin may be positioned partially or completely around the worktable, wall and/or collar so that excess powder brushed off the worktable, wall and/or collar can fall into the collection basin.
Es kann eine Absaugung und ein Filter vorgesehen sein, um das überschüssige Pulver abzusaugen, zu filtern und wiederzuverwenden. Das von der Sammelvorrichtung aufgenommene Pulver wird abgesaugt, anschließend einem Filter zugeführt und in einem Kreislauf wieder zum Bearbeitungsbereich gefördert. Der Filter kann zu große und/oder bereits miteinander verbundene Pulverkörner und/oder Schmutzpartikel ausfiltern. Ein Filter kann beispielsweise eine Filtergröße von 120 µm aufweisen, so dass lediglich Partikel den Filter passieren können, die eine Korngröße kleiner als 120 µm aufweisen. Je nach verwendetem Pulver und Pulverkorngrößen können unterschiedliche Filtergrößen verwendet werden. Das so gereinigte Pulvermaterial kann zur Wiederverwendung einem Vorratsbehälter und/oder dem Auftragsspender zugeführt werden. Durch diese Rezirkulation des Pulvermaterials kann der Materialverlust gering gehalten werden. Gleichzeitig kann sichergestellt werden, dass keine bereits miteinander verbundenen Pulverkörner wiederverwendet oder Schmutzpartikel verwendet werden. Die Verwendung von bereits miteinander verbundenen Pulverkörnern oder Schmutzpartikeln kann zu Ungenauigkeiten oder Fehlstellen im 3D-Bauteil führen und die Stabilität bzw. Festigkeit negativ beeinflussen. Die Genauigkeit und Qualität der Bauteilfertigung können durch Einsatz einer Absaugung und eines Filters weiterhin in hohem Maße sichergestellt werden.A suction and filter can be provided to suck off, filter and reuse the excess powder. The powder picked up by the collecting device is sucked off, then fed to a filter and conveyed back to the processing area in a circuit. The filter can filter out powder grains and/or dirt particles that are too large and/or already connected to one another. A filter can have a filter size of 120 μm, for example, so that only particles with a particle size of less than 120 μm can pass through the filter. Different filter sizes can be used depending on the powder and powder grain sizes used. The powder material cleaned in this way can be fed to a storage container and/or the order dispenser for reuse. This recirculation of the powder material allows the loss of material to be kept low. At the same time, it can be ensured that no powder grains that are already connected to one another are reused or dirt particles are used. The use of powder grains or dirt particles that are already connected to each other can lead to inaccuracies or defects in the 3D component and negatively affect stability or strength. The accuracy and quality of the component production can still be ensured to a high degree by using an extraction system and a filter.
Der Arbeitstisch kann temperiert sein und auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden. Auf diese Weise können Spannungen im Bauteil, insbesondere in den ersten Schichten vermieden werden. Beim Herstellen eines Metallbauteils kann der Arbeitstisch beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 300 °C erhitzt werden, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 150 °C und 200 °C. Beim generativen Fertigen eines Kunststoffbauteils kann die Temperatur des Arbeitstisches geringer sein und beispielsweise zwischen 40 °C und 120 °C betragen, bevorzugt zwischen 60 °C und 100 °C. Die Temperatur kann jeweils an das verwendete Material angepasst werden.The work table can be tempered and maintained at a predetermined temperature. In this way, stresses in the component, especially in the first layers, can be avoided. When producing a metal component, the work table can be heated, for example, to a temperature between 100°C and 300°C, preferably to a temperature between 150°C and 200°C. During the additive manufacturing of a plastic component, the temperature of the worktable can be lower and can be between 40°C and 120°C, for example, preferably between 60°C and 100°C. The temperature can be adjusted to the material used.
Bevorzugt ist eine Optik, insbesondere eine Zoom-Optik vorgesehen, um die Fokussierung des emittierten Lichtstrahlbündels zu ändern. Die Fokussierung des Lichtstrahlbündels kann auf einfache Weise an unterschiedliche Abstände zum Bearbeitungsbereich angepasst werden. Gleichzeitig können durch eine gezielte Fokuseinstellung der Energieeintrag und die bestrahlte Fläche verändert werden.Optics, in particular zoom optics, are preferably provided in order to change the focusing of the emitted light beam. The focussing of the light beam can be easily adjusted to different distances from the processing area. At the same time, the energy input and the irradiated area can be changed by a targeted focus setting.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns vorgesehen, mit wenigstens einer beweglichen Komponente, vorzugsweise einem Bearbeitungskopf und/oder einem Bearbeitungstisch und/oder einer Wandung und/oder einer Rakel und/oder einem Auftragsspender, und einem Antrieb zum Verfahren der beweglichen Komponente. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Abstandssensor zur vorzugsweise elektrooptischen Entfernungsmessung vorgesehen. Der Abstandssensor kann an oder auf der beweglichen Komponente angeordnet sein und den Abstand zu einem anderen Objekt, bzw. die Entfernung zwischen Sensor und dem anderen Objekt, messen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Abstandssensor an einem anderen Objekt angeordnet ist und den Abstand zu der beweglichen Komponente misst. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der beweglichen Komponente und einem anderen Objekt jederzeit gemessen und bestimmt werden. According to a further aspect of the invention, a device for the additive manufacturing of components, in particular by means of selective melting or sintering, is provided with at least one movable component, preferably a processing head and/or a processing table and/or a wall and/or a squeegee and/or an order dispenser, and a drive for moving the movable component. The device is characterized in that at least one distance sensor is provided for preferably electro-optical distance measurement. The distance sensor can be arranged on or on the movable component and can measure the distance to another object or the distance between the sensor and the other object. However, it is also possible for the distance sensor to be arranged on another object and to measure the distance from the movable component. In this way, the distance between the moving component and another object can be measured and determined at any time.
Bevorzugt ist der Abstandssensor ortsfest angeordnet, um den Abstand zwischen dem Sensor und der beweglichen Komponente zu messen. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen einem Fixpunkt und der beweglichen Komponente jederzeit gemessen und bestimmt werden. Die bewegliche Komponente kann ein Referenzobjekt aufweisen, wobei der Abstandssensor das Referenzobjekt erfasst und den Abstand zum Referenzobjekt misst. Als Referenzobjekt kann beispielsweise ein Reflektor, insbesondere ein Prismenreflektor, verwendet werden. Der Abstandssensor kann schwenkbar ausgebildet sein, um auf das Referenzobjekt ausgerichtet werden zu können.The distance sensor is preferably arranged in a stationary manner in order to measure the distance between the sensor and the movable component. This way the distance between a fix point and the moving component can be measured and determined at any time. The movable component can have a reference object, with the distance sensor detecting the reference object and measuring the distance from the reference object. For example, a reflector, in particular a prism reflector, can be used as a reference object. The distance sensor can be pivotable in order to be able to be aligned with the reference object.
Die Entfernungsmessung kann mittels Triangulation und/oder Messung der Phasenlage und/oder Messung der Laufzeit erfolgen. Bei einer Entfernungsmessung durch Messung der Phasenlage wird ein Laserstrahl emittiert. Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls oder dessen Modulation gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Die Entfernungsmessung mittels Messung der Phasenlage weist eine hohe Genauigkeit auf. Bei der Lasertriangulation wird ein Lichtstrahl auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Sensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, so ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet. Die Entfernungsmessung mittels Triangulation ist einfach, kostengünstig und dennoch sehr präzise. Bei der Messung der Laufzeit wird ein Lichtpuls oder ein modulierter Lichtstrahl ausgesandt. Die Laufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um von der Quelle zu einem Reflektor, zumeist einem Retroreflektor, und wieder zurück zur Quelle zu laufen. Durch Messen dieser Laufzeit kann über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Zur Abstandsmessung können alternativ oder zusätzlich auch Sensoren verwendet werden, die Linien oder Flächen bzw. Ebenen abtasten, oder räumliche Messungen vornehmen können, wie beispielsweise Stereokameras zur dreidimensionalen Lokalisierung eines oder mehrerer Objekte. Entsprechende Sensoren müssen aufgrund ihres großen Aufnahmebereichs nicht verschwenkbar ausgebildet sein.The distance can be measured by means of triangulation and/or measurement of the phase position and/or measurement of the propagation time. A laser beam is emitted when measuring the distance by measuring the phase position. The phase shift of the reflected laser beam or its modulation in relation to the emitted beam depends on the distance. This phase shift can be measured and used to determine the distance traveled. The distance measurement by measuring the phase position has a high level of accuracy. With laser triangulation, a light beam is focused on the measurement object and observed with a camera located next to the sensor, a spatially resolving photodiode or a CCD line. If the distance between the measurement object and the sensor changes, the angle at which the point of light is observed also changes, and with it the position of its image on the photo receiver. The distance of the object from the laser projector is calculated from the change in position with the help of angle functions. Distance measurement using triangulation is simple, inexpensive and yet very precise. When measuring the transit time, a light pulse or a modulated light beam is emitted. Travel time is the time it takes for the light beam to travel from the source to a reflector, usually a retroreflector, and back to the source. By measuring this transit time, the distance between the source and the object can be determined using the speed of light. As an alternative or in addition, sensors can also be used to measure distances, which can scan lines or areas or planes, or can carry out spatial measurements, such as stereo cameras for three-dimensional localization of one or more objects. Corresponding sensors do not have to be pivotable due to their large recording area.
An Stelle von optischen Sensoren können auch andere Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren oder Sensoren, welche mittels der Laufzeit von Funkwellen den Abstand bestimmen, verwendet werden.Instead of optical sensors, other sensors, such as ultrasonic sensors or sensors that determine the distance using the propagation time of radio waves, can also be used.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Steuer- und Regelungsvorrichtung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass die bewegliche Komponente in Abhängigkeit von der gemessenen Entfernung zwischen dem Abstandssensor und der beweglichen Komponente in eine Sollposition verfahrbar ist. Der Einsatz von Abstandssensoren zusammen mit einer Steuer- und Regelung ermöglicht den Einsatz einer kostengünstigen und besonders leichten Bewegungseinrichtung zum Verfahren der beweglichen Komponente. Eine kostengünstige und leichte Bewegungseinrichtung ist weist eine geringe Genauigkeit in der Positionierung auf, ist dafür aber besonders schnell verfahrbar. Die Position der beweglichen Komponente kann in Abhängigkeit vom Abstand der beweglichen Komponente zu dem Abstandssensor geregelt werden. Je mehr sich die bewegliche Komponente ihrer Sollposition annähert, desto langsamer kann die Komponente verfahren werden. Es kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die bewegliche Komponente die Sollposition exakt erreichen kann. Die Bewegungseinrichtung kann einfach und vor allem leicht und günstig ausgebildet sein, da die Präzision der Bewegung und Positionierung durch die Abstandsmessung und die Regelung in einer geschlossenen Regelschleife sichergestellt wird. Als Regler können Proportional-Regler, sogenannte P-Regler, Proportional-Integral-Regler, sogenannte PI-Regler, und/oder Proportional-Integral-Differential-Regler, sogenannte PID-Regler, in der Regelschleife eingesetzt werden.In an advantageous embodiment, a control and regulation device is provided which is designed in such a way that the movable component can be moved into a target position depending on the measured distance between the distance sensor and the movable component. The use of distance sensors together with a control and regulation enables the use of an inexpensive and particularly light moving device for moving the moving component. A low-cost and lightweight movement device has low positioning accuracy, but can be moved particularly quickly. The position of the moveable component can be regulated depending on the distance of the moveable component from the distance sensor. The more the moving component approaches its target position, the slower the component can be moved. In this way it can be ensured that the movable component can reach the target position exactly. The movement device can be designed in a simple and, above all, light and inexpensive manner, since the precision of the movement and positioning is ensured by the distance measurement and the regulation in a closed control loop. Proportional controllers, so-called P controllers, proportional-integral controllers, so-called PI controllers, and/or proportional-integral-derivative controllers, so-called PID controllers, can be used as controllers in the control loop.
Es können zwei, vorzugsweise drei Abststandssensoren zur Entfernungsmessung zwischen den Abstandssensoren und der beweglichen Komponente vorgesehen sein, um die räumliche Position der beweglichen Komponente zu bestimmen. Wird die bewegliche Komponente lediglich in einer Ebene verfahren, das heißt in zwei Dimensionen, kann ihre Position durch die Abstandsmessung von zwei Abstandssensoren exakt bestimmt werden. Durch die Messung von drei Abständen zwischen der beweglichen Komponente und drei ortsfesten angeordneten Abstandssensoren, kann die räumliche Position der beweglichen Komponente in drei Dimensionen exakt bestimmt werden. Wird die bewegliche Komponente lediglich in einer Richtung verfahren, so kann auch ein Sensor zur Entfernungsmessung ausreichend sein.Two, preferably three, distance sensors can be provided for distance measurement between the distance sensors and the movable component in order to determine the spatial position of the movable component. If the movable component is only moved in one plane, i.e. in two dimensions, its position can be determined exactly by measuring the distance using two distance sensors. By measuring three distances between the movable component and three stationary distance sensors, the spatial position of the movable component can be precisely determined in three dimensions. If the movable component is only moved in one direction, one sensor for distance measurement can also be sufficient.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehr als drei Abstandssensoren und wenigstens zwei bewegliche Komponenten vorgesehen, wobei jede bewegliche Komponente in jeder Position von wenigstens drei Abstandssensoren zur Entfernungsmessung erfassbar ist. Dabei kann ein Abstandssensor zur Abstandmessung zwischen sich und beiden beweglichen Komponenten verwendet werden. In Abhängigkeit von den Positionen einer ersten beweglichen Komponente, kann ein Abstandssensor von dieser ersten beweglichen Komponente derart verdeckt sein, dass eine Abstandsmessung zu einer zweiten beweglichen Komponente nicht möglich ist. In einem solchen Fall, kann die Entfernungsmessung über einen anderen Abstandssensor erfolgen, der über einen direkten optischen Zugang zu der zweiten beweglichen Komponente verfügt. Dies ermöglicht, dass für jede Positionsbestimmung einer beweglichen Komponente durch Abstandsmessung auf verschiedene oder die gleichen Abstandssensoren zurückgegriffen wird.In a preferred embodiment, more than three distance sensors and at least two moving components are provided, with each moving component being able to be detected in any position by at least three distance sensors for distance measurement. A distance sensor can be used to measure the distance between itself and the two moving components. Depending on the positions of a first movable component, a distance sensor can be covered by this first movable component in such a way that a distance measurement to a second movable component is not possible. In such a case, the distance can be measured using another distance sensor that has direct optical access to the second movable component. This makes it possible to use different or the same distance sensors for each position determination of a movable component by distance measurement.
Die Abstandssensoren können ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise über einem Träger mit dem Fundament der Vorrichtung verbunden sein. Die Abstandssensoren können über eine Abstandsmessung die Position der Oberfläche des Pulverbettes bestimmen und im Anschluss mit Hilfe einer weiteren Abstandsmessung die Position einer beweglichen Komponente, beispielsweise eines Bearbeitungskopfes ermitteln. Der Bearbeitungskopf kann in Abhängigkeit von der Position des Pulverbettes, also der Höhe des Pulverbettes, in eine Sollposition verfahren werden, um den geforderten Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und der Oberfläche des Pulverbettes einzustellen. Das Verfahren eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe in ihre Sollposition kann dabei mit Hilfe der oben beschriebenen Steuer- und Regelungsvorrichtung erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Abstandssensoren mit einem Bearbeitungskopf verbunden bzw. auf diesem angeordnet sind und der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und der Pulverbettoberfläche bestimmt wird, um anschließend die Bearbeitungsköpfe auf einen Sollabstand zur Oberfläche des Pulverbettes zu verfahren.The distance sensors can be arranged in a stationary manner in the device, for example connected to the foundation of the device via a carrier. The distance sensors can determine the position of the surface of the powder bed via a distance measurement and then determine the position of a movable component, for example a processing head, with the aid of a further distance measurement. Depending on the position of the powder bed, ie the height of the powder bed, the processing head can be moved into a target position in order to set the required distance between the processing head and the surface of the powder bed. One or more machining heads can be moved into their desired position with the aid of the control and regulation device described above. It is also possible that one or more distance sensors are connected to a processing head or arranged on it and the distance between the processing head and the powder bed surface is determined in order to then move the processing heads to a target distance from the surface of the powder bed.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Position eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe in Abhängigkeit von der Position der verfahrbaren Wandung, insbesonderer einer Oberkante und/oder einer waagerechen Oberfläche, eingestellt wird. Zur Ermittlung des Abstandes zwischen der verfahrbaren Wandung und dem Bearbeitungskopf kann ein oder mehrere Abstandssensoren mit dem Bearbeitungskopf verbunden und/oder ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein.In addition, it is also possible for the position of one or more processing heads to be adjusted as a function of the position of the movable wall, in particular an upper edge and/or a horizontal surface. To determine the distance between the moveable wall and the processing head, one or more distance sensors can be connected to the processing head and/or arranged in a stationary manner in the device.
Anstelle der Position eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe kann auch die Position einer Traverse oder eine andere Komponente einer Bewegungsrichtung, beispielsweise eines Schlittens, bestimmt und relativ zu der verfahrbaren Wandung oder der Oberfläche des Pulverbettes positioniert werden. Hierzu kann ein oder mehrere Abstandssensoren direkt mit der Traverse verbunden sein und den Abstand zur Oberfläche des Pulverbettes messen.Instead of the position of one or more processing heads, the position of a traverse or another component of a movement direction, for example a carriage, can be determined and positioned relative to the movable wall or the surface of the powder bed. For this purpose, one or more distance sensors can be connected directly to the traverse and measure the distance to the surface of the powder bed.
Auf die gleiche Weise kann auch eine Rakel relativ zu der Pulverbettoberfläche oder einer verfahrbaren Wandung positioniert werden. Wenigstens ein Abstandssensor kann hierfür mit der Rakel verbunden oder ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein.In the same way, a squeegee can also be positioned relative to the powder bed surface or a movable wall. For this purpose, at least one distance sensor can be connected to the squeegee or arranged in a stationary manner in the device.
Auch kann ist es möglich sein, einen Auftragsspender in Abhängigkeit von der Position der verfahrbaren Wandung oder der Pulverbettoberfläche zu positionieren. Hierzu kann der Auftragsspender wenigstens einen Abstandssensoren aufweisen oder es kann wenigstens ein Abstandssensor ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein.It can also be possible to position an order dispenser depending on the position of the movable wall or the powder bed surface. For this purpose, the order dispenser can have at least one distance sensor or at least one distance sensor can be stationarily arranged in the device.
Auch die verfahrbare Wandung kann relativ zur Oberfläche des Pulverbettes verfahren werden, beispielsweise auf eine Position, die um eine Schichtdicke höher als das Pulverbett liegt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Abstandssensoren ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sind.The movable wall can also be moved relative to the surface of the powder bed, for example to a position that is one layer thicker than the powder bed. To this end, it is advantageous if the distance sensors are arranged in a stationary manner in the device.
Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Vorratszylinder relativ zu einem Bearbeitungstisch zu verfahren. Bei einer Vorrichtung der vorgenannten Art kann auch der Bearbeitungstischgeregelt verfahren werden. So kann der Bearbeitungstisch beispielsweise nach der Fertigstellung einer Bauteilschicht um eine definierte Schichtdicke abgesenkt werden, um eine neue Pulverschicht auftragen zu können. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den Bearbeitungsköpfen und der Oberfläche der Pulverschicht für jede zu erstellende Bauteilschicht konstant gehalten werden. Die Abstandssensoren sind dann bevorzugt ortsfest in der Vorrichtung angeordnet.In addition, it is also possible to move a storage cylinder relative to a processing table. With a device of the aforementioned type, the processing table can also be moved in a controlled manner. For example, after the completion of a component layer, the processing table can be lowered by a defined layer thickness in order to be able to apply a new layer of powder. In this way, the distance between the processing heads and the surface of the powder layer can be kept constant for each component layer to be created. The distance sensors are then preferably arranged in a stationary manner in the device.
Es können auch mehrere Komponenten gemeinsam miteinander gekoppelt verfahren werden. So kann beispielsweise eine Rakel zusammen mit einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen und/oder zusammen mit einem Auftragsspender geregelt auf einen jeweils in vertikaler Richtung erforderlichen Abstand zur Oberfläche des Pulverbettes positioniert werden. Der vertikale Abstand zwischen der Rakel und den Bearbeitungsköpfen und/oder dem Auftragsspender ist dann zu jedem Zeitpunkt gleich.Several components can also be moved coupled together. For example, a squeegee together with one or more processing heads and/or together with an order dispenser can be positioned in a controlled manner at a distance from the surface of the powder bed that is required in each case in the vertical direction. The vertical distance between the squeegee and the processing heads and/or the order dispenser is then the same at all times.
Es können jeder beweglichen Komponente jeweils drei Abstandssensoren zur Entfernungsmessung fest zugeordnet sein. Dieselben drei Abstandssensoren können für jede Entfernungsmessung derselben beweglichen Komponente zugeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abstandssensoren für jede Entfernungsmessung einer Komponente neu zugeordnet werden. Auf diese Weise können jeder beweglichen Komponente bei jeder neuen Entfernungsmessung teilweise oder vollständig andere Abstandssensoren zugeordnet werden als bei einer vorhergehenden Entfernungsmessung.Each movable component can be permanently assigned three distance sensors for distance measurement. The same three distance sensors can be associated with the same moving component for each distance measurement. However, it is also possible for the distance sensors to be reassigned to a component for each distance measurement. In this way, for each new distance measurement, each movable component can be assigned partially or completely different distance sensors than for a previous distance measurement.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen, insbesondere mittels selektiven Schmelzens oder Sinterns, vorgesehen, mit einer Glasplatte, deren Oberfläche eine Auflagefläche für Pulver bildet, einem Bearbeitungsbereich oberhalb der Glasplatte, einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahlbündels, einem unterhalb der Glasplatte angeordneten 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 durch die Glasplatte auf den Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, wobei der Bearbeitungskopf beweglich gelagert ist, so dass das Lichtstrahlbündel auf unterschiedliche Stellen im Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere Bearbeitungsköpfe zum jeweiligen Lenken eines Lichtstrahlbündels durch die Glasplatte auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sind, wobei die Bearbeitungsköpfe jeweils an einem Schlitten angeordnet sind, welcher entlang einer Traverse verfahrbar ist. Bei der vorgenannten Vorrichtung kann Pulver auf die Oberfläche der Glasplatte abgelegt werden, beispielsweise mithilfe eine Auftragsspenders. Die Glasplatte bildet dabei eine Auflagefläche für das Pulver. Eine Rakel kann zum Glattstreichen der Pulverschicht vorgesehen sein. Im Anschluss kann ein Stützkörper auf die Pulverschicht aufgelegt werden. Ein Lichtstrahlbündel kann von einem Bearbeitungskopf, der unterhalb der Glasplatte angeordnet ist, durch die Glasplatte auf die entsprechenden Bereiche mit Pulver gelenkt werden. Das Pulver kann selektiv aufgeschmolzen oder gesintert und miteinander verbunden werden, wodurch eine erste Bauteilschicht auf dem Stützkörper ausgebildet wird. Die gebildete Bauteilschicht kann anschließend zusammen mit dem Stützkörper angehoben werden. Hierzu kann eine Hebevorrichtung zum unterstützenden Greifen und Anheben des Bauteils bzw. der Bauteilschichten in vertikaler Richtung vorgesehen sein. Das noch auf der Glasplatte befindliche Pulver kann von dieser entfernt werden. Es kann dann erneut Pulver auf der Glasplatte aufgebracht werden. Die bereits gebildete Bauteilschicht kann auf das aufgetragene Pulver aufgelegt werden. Durch erneutes Lenken eines Lichtstrahlbündels auf den Bearbeitungsbereich, kann die neue Bauteilschicht gebildet und mit der ersten Bauteilschicht verbunden werden. Diese Schritte können beliebig oft wiederholt werden, bis das Bauteil vollständig ausgebildet ist. Das Bauteil wird dabei von oben nach unten gefertigt werden. Bei diesem Aufbau der Vorrichtung kann Material eingespart werden, da das Pulver lediglich in den Bereichen abgelegt werden kann, wo eine Bauteilschicht ausgebildet werden soll. Es ist dann nicht notwendig, die gesamte Glasplatte mit Pulver zu bedecken. Die Glasplatte muss deutlich weniger Gewicht tragen, da das Bauteil von der Hebevorrichtung gehalten wird und die Glasplatte somit lediglich das Pulverbett für die zu bildende, neue Bauteilschicht trägt. Die bereits gebildeten Bauteilschichten sind frei zugänglich und nicht von Pulver umschlossen. Daher kann das Bauteil bereits während der Fertigung weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch spanende Bearbeitung des Bauteils.According to a further aspect of the invention is a device for the additive manufacturing of Components, in particular by means of selective melting or sintering, provided with a glass plate, the surface of which forms a contact surface for powder, a processing area above the glass plate, a light source for generating a light beam, a processing head arranged below the glass plate, which is either connected with a beam guide to the light source is coupled 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 through the glass plate onto the processing area, with the processing head being movably mounted so that the light beam is on different places in the processing area can be steered. The device is characterized in that a plurality of processing heads are provided for guiding a light beam through the glass plate onto the processing area, with the processing heads each being arranged on a carriage which can be moved along a traverse. In the device mentioned above, powder can be deposited on the surface of the glass plate, for example with the aid of an application dispenser. The glass plate forms a support surface for the powder. A squeegee can be provided to smooth out the layer of powder. A supporting body can then be placed on the powder layer. A light beam can be directed through the glass plate onto the corresponding areas with powder from a processing head which is arranged below the glass plate. The powder can be selectively melted or sintered and bonded together, thereby forming a first component layer on the support body. The component layer formed can then be raised together with the supporting body. For this purpose, a lifting device can be provided for supporting gripping and lifting of the component or the component layers in the vertical direction. The powder still on the glass plate can be removed from it. Powder can then be applied again to the glass plate. The already formed component layer can be placed on the applied powder. By directing a light beam onto the processing area again, the new component layer can be formed and connected to the first component layer. These steps can be repeated any number of times until the component is fully formed. The component will be manufactured from top to bottom. With this structure of the device, material can be saved since the powder can only be deposited in the areas where a component layer is to be formed. It is then not necessary to cover the entire glass plate with powder. The glass plate has to carry significantly less weight, since the component is held by the lifting device and the glass plate thus only carries the powder bed for the new component layer to be formed. The component layers that have already been formed are freely accessible and are not surrounded by powder. Therefore, the component can already be further processed during production, for example by machining the component.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können bedarfsweise miteinander kombiniert werden. Die vorbeschriebenen Aspekte der Erfindung sind nicht auf die durch die gewählte Absatzformatierung vorgegeben Kombinationen von Erfindungsmerkmalen beschränkt.The embodiments of the invention described above can be combined with one another as required. The aspects of the invention described above are not limited to the combinations of inventive features specified by the selected paragraph formatting.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen und der Zeichnungen selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen.Further features of the present invention result from the following description of the invention based on the drawings and the drawings themselves. All features described and/or illustrated form the subject matter of the present invention, either alone or in any combination, regardless of their summary in the claims or their reciprocal relationships.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft näher anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:
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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, -
3e einen weiteren Schwenkarm, bei dem eine Strahlführung als Lichtleiter ausgebildet ist, welche sich von der Lichtquelle bis zu Schwenkarm erstreckt und sein der Lichtquelle entferntes Ende parallel zum Schwenkarm angeordnet ist und zum freien Ende desSchwenkarms 18 zeigt, wobei am freien Ende des Schwenkarms ein Reflektorelement zum Umlenken des Lichtstrahlbündels vorgesehen ist, in einer schematischen, seitlichen Schnittansicht, -
4 eine zweite Ausführungsform einer Prozesskammer einer Vorrichtung zum generativen Fertigen von Bauteilen in einer seitlichen Schnittansicht, -
5 einen Schwenkarm zur Positionierung eines Bearbeitungskopfes mit Sensoren zur Erfassung der räumlichen Position des Bearbeitungskopfes in einer Seitenansicht, -
6 einen Ablauf zur Einstellung der räumlichen Position des in5 gezeigten Bearbeitungskopfes und -
7 einen Bearbeitungstisch mit einer Glasplatte und mehreren Bearbeitungsköpfen, die unterhalb der Glasplatte frei anordbar sind, in einer seitlichen Schnittansicht.
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1 a process chamber of a device for the additive manufacturing of components in a side sectional view, -
2 a storage cylinder and a powder bed in a top view with several processing heads, which can be freely arranged above the powder bed, in a top view, -
3a a swivel arm for positioning a processing head, wherein a beam guide is formed from a light guide that 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, wherein a beam guide designed by means of reflector elements is provided along the swivel arm, in a schematic, lateral sectional view, -
3d another swivel arm with a pumped laser, with the light pump and resonator being arranged spatially separately in a side view, -
3e another swivel arm, in which a beam guide is designed as a light guide which extends from the light source to the swivel arm and its end remote from the light source is arranged parallel to the swivel arm and points to the free end of theswivel arm 18, a reflector element for deflecting the light beam being provided at the free end of the swivel arm, in a schematic, side sectional view, -
4 a second embodiment of a process chamber of a device for the additive manufacturing of components in a side sectional view, -
5 a swivel arm for positioning a processing head with sensors for detecting the spatial position of the processing head in a side view, -
6 a procedure for adjusting the spatial position of the in5 processing head shown and -
7 a side sectional view of a processing table with a glass plate and several processing heads that can be freely arranged below the glass plate.
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 1 weist eine allseitig abgeschlossene Prozesskammer 2 auf, in welcher sich ein Pulverbett 3 und ein Vorratszylinder 4 befindet (
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 (
Im Bereich oberhalb des Pulverbetts 3 ist eine Bewegungseinrichtung 12 zum Bewegen einer Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 13 vorgesehen.In the area above the
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 (
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 (
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
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 a polymer optical 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 pivot joint 19 are located very close to the pivot axis. As a result, the essential mass of the parts that can be rotated with the
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 oder ein Faserlaser. Die Lichtquelle 25 kann auch ein Halbleiter-Laser oder eine Leuchtdiode, insbesondere eine Super-Lumineszenz-Leuchtdiode sein.The
Es kann auch ein Array von Lichtquellen 25 vorgesehen sein, das für jeden Bearbeitungskopf 13 eine Lichtquelle 25 aufweist.An array of
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen des Schwenkarms erläutert, welche genauso wie die oben anhand von
Bei einer alternativen Ausführungsform des Schwenkarms 18 (
Gemäß einer weiteren Ausführungsform (
Der Schwenkarm 18 ist als hohles Kunststoffrohr ausgebildet, das insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen kann. Ein solches Kunststoffrohr ist sehr leicht und steif.The
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 19 has a vertically extending through-opening or through-
Das erste und/oder zweite Reflektorelement 27, 28 kann derart geformt sein, bspw. als Parabolspiegel oder Freiformspielgel, so dass er das reflektierte Licht bündelt. Hierdurch ist es nicht notwendig eine optische Linse im Strahlengang anzuordnen oder es kann eine optische Linse mit geringer Brechkraft im Strahlengang vorgesehen sein.The first and/or
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 the
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 processing heads 13 can be provided, each by means of a swivel arm on a
Die Lichtquellen 25 können im Dauerbetrieb (cw) oder im Pulsbetrieb (pw) das Lichtstrahlbündel erzeugen. Bei einer gepulsten Lichtquelle 25 mit einer hohen Lichtintensität kann es auch zweckmäßig sein, eine Lichtquelle 25 mehreren Bearbeitungsköpfen 13 zuzuordnen, wobei dann ein Multiplexer zwischen der Lichtquelle 25 und den jeweiligen Bearbeitungsköpfen 13 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 13 kann so schnell erfolgen, dass der Wechsel im Vergleich zum Schmelz- oder Sintervorgang so schnell ist, dass die einzelnen, hieran gekoppelten Bearbeitungsköpfe 13 als quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel 24 beaufschlagt betrachtet werden können.The
Eine weitere Ausführungsform des Schwenkarms (
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
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
Diese Ausführungsform kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass an Stelle des Lichtleiters 34 eine Strahlführung mit Reflektorelementen vorgesehen ist, wie sie in
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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform (
Ein von der Lichtquelle 25 abgegebenes Lichtstrahlbündel 24 wird von dem Lichtleiter 26 übertragen und derart an seinem von der Lichtquelle 25 entfernten Ende abgegeben, dass das Lichtstrahlbündel 24 entlang des Schwenkarms 18 in Richtung zum Reflektorelement 28 gelenkt wird, vorzugsweise parallel zum Schwenkarm. Am freien Ende des Schwenkarms 18 ist das zweite Reflektorelement 28 angeordnet, das das Lichtstrahlbündel 24 nach unten auf den Bearbeitungsbereich umlenkt. Optional kann in dem Strahlengang zwischen dem Ende des Lichtleiters 26 und dem Reflektorelement 28 eine optische Linse 30 zum Bündeln des Lichtstrahlbündels 24 vorgesehen sein. Anstelle der optischen Linse 30 kann auch ein Objektiv vorgesehen sein, um den Grad der Bündelung des Lichstrahlbündels 24 verändern zu können und/oder das Reflektorelement 28 entsprechend gekrümmt ausgebildet sein.A
Beim Bewegen des Bearbeitungskopfes 13 mittels des Schwenkarms 18 wird lediglich das von der Lichtquelle 25 entfernte Ende des Lichtleiters 26 mitgeführt. Der Schwenkarm 18 kann bei dieser Ausführungsform besonders leicht ausgebildet sein, da lediglich geringe Lasten aufgenommen werden müssen. Ein entsprechend ausgebildeter Schwenkarm 18 besitzt lediglich ein geringes Rotationsträgheitsmoment, so dass dieser schnell an eine beliebige Drehposition geschwenkt werden kann. Auch das Verfahren des Schlittens 17 kann aufgrund des geringen Gewichts des Schwenkarms 18 besonders schnell erfolgen.When the
Mit einer solchen Anordnung kann somit eine Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 13 jeweils mittels eines Schwenkarms 18 an einem entlang den Traversen 14 verfahrbaren Schlitten 17 vorsehen sein, 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 13 aufweist, die allesamt gleichzeitig oder quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel 24 beaufschlagt werden können.With such an arrangement, a large number of processing heads 13 can be provided, each by means of a
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Traversen 14 und damit auch die daran angebrachten Schwenkarme 18 auf unterschiedlichem Niveau angeordnet (
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
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 exemplary embodiment explained above, the
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
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 (
Die Bearbeitungsköpfe 13 können sehr präzise über dem Pulverbett 3 positioniert werden, wodurch hochgenaue 3D-Bauteile gefertigt werden können.The processing heads 13 can be positioned very precisely over the
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
Nachfolgend wird eine erste Ausführungsform eines zweiten Ausführungsbeispiels erläutert. Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst wie das erste Ausführungsbeispiel ein Prozesskammer 2, ein Pulverbett 3, eine Rakel 9 und zumindest einen Bearbeitungskopf 13. Gleiche Teile des zweiten Ausführungsbeispiel sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Obige Erläuterungen gelten für gleiche Teile, sofern unten keine anderen Ausführungen hierzu gemacht sind. Die Prozesskammer 2 kann eine Einrichtung zum Zuführen einer Inertgasatmosphäre aufweisen, um eine Oxidation des Pulvers 11 während der Bauteilherstellung zu vermeiden.A first embodiment of a second exemplary embodiment is explained below. Like the first exemplary embodiment, the second exemplary embodiment comprises a
In der Prozesskammer 2 ist ein Bearbeitungstisch 36 mit einer Tischplatte 37 vorgesehen. Der Bearbeitungstisch 36 weist Temperierkanäle 38 auf, um die Tischplatte 37, auch Auflagefläche genannt, auf eine gewünschte Temperatur zu temperieren. Durch eine Temperierung der Tischplatte 38 können Spannungen im Bauteil, insbesondere in den ersten Bauteilschichten, verringert oder vollständig abgebaut bzw. verhindert werden.A processing table 36 with a
In der Prozesskammer 2 ist der Bearbeitungskopf 13 gleichermaßen wie beim ersten Ausführungsbeispiel an einer Bewegungseinrichtung 12 (in
Anstelle eines einzelnen Bearbeitungskopfes 13 kann auch eine Bewegungseinrichtung 12 mit mehreren Bearbeitungsköpfen 13 vorgesehen sein, wie es in den
In der Prozesskammer ist ein Auftragsspender 39 vorgesehen, der eine Vorratskammer 40 für Pulver 11 und eine schließbare Auftragsöffnung 41 aufweist, durch die das Pulver 11 die Vorratskammer 40 zum Auftragen auf den Bearbeitungstisch 36 verlassen kann. Der Auftragsspender 39 weist eine Rakel 9 zum Glattstreichen des im Pulverbett 3 aufgetragenen Pulvers 11 auf.An
Der Bearbeitungstisch 36 ist in horizontaler Richtung von einer Wandung 42 umgeben. Die Wandung 42 umschließt mit geringem Spiel die Tischplatte 37 des Bearbeitungstisches 36.The processing table 36 is surrounded by a
Die Wandung 42 ist über mehrere Hubzylinder 43 mit einem Fundament 44 des 3D-Druckers 1 verbunden. Die Hubzylinder 43 können die Wandung 42 relativ zum Bearbeitungstisch 36 in vertikaler Richtung höhenverstellen. Die Wandung 42 kann somit seitlich am Bearbeitungstisch 36 ein Stück nach oben vorstehen und damit einen Hohlraum begrenzen, der das Pulverbett 3 bildet. Der Bearbeitungstisch 36 kann über Dämpfer mit dem Fundament 44 verbunden sein, um eine Übertragung von Stößen und Schwingungen auf den Bearbeitungstisch 36 zu verringern oder zu verhindern.The
Der Auftragsspender 39 ist an einen Bewegungsmechanismus (nicht dargestellt) gekoppelt, mit dem der Auftragsspender 39 horizontal quer über den Bearbeitungstisch 36 und damit parallel zur Tischplatte 37 des Bearbeitungstisches 36 bewegt werden kann. Der Bewegungsmechanismus des Auftragsspenders 39 ist an die Wandung 42 derart gekoppelt, dass der Bewegungsmechanismus mit der Wandung 42 gemeinsam angehoben oder abgesenkt wird. Hierdurch befindet sich eine Unterkante 45 der Rakel 9 immer auf dem Niveau eines oberen Randes 46 der Wandung 42.The
Die Höhenverstellung der Wandung 42 kann mit weiteren Komponenten in der Prozesskammer gekoppelt sein. So kann auch der Bearbeitungskopf 13 zusammen mit der Wandung 42 verfahren werden. Auf diese Weise bleibt der vertikale Abstand zwischen dem Bearbeitungstisch 36 und dem Bearbeitungskopf 13 bzw. zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und der Wandung 42 bei jeder zu fertigenden Bauteilschicht konstant. Das Lichtstrahlbündel 24 muss dann nicht vor jeder Fertigung einer weiteren Bauteilschicht neu auf die Fertigungsebene fokussiert werden. Die Prozessführung der Bauteilfertigung kann hierdurch beschleunigt werden.The height adjustment of the
Die Wandung 42 kann an ihrem oberen Rand mit einem sich nach außen horizontal vorstehenden Kragen 47 versehen sein, der verhindert, dass Pulver auf das Fundament in Bereichen fällt, die dafür nicht vorgesehen sind. Der Kragen 47 kann lediglich auf einer Seite des Pulverbettes 3 vorgesehen sein oder an mehreren oder sogar umlaufend ausgebildet sein.The
Eine Sammelvorrichtung, ausgebildet als Sammelbecken 48 ist um den Bearbeitungstisch 36 bzw. um den Kragen 47 angeordnet, um überschüssiges Pulver 11, das beispielsweise von der Rakel 9 vom Bearbeitungstisch 36 oder vom Kragen 47 gestrichen wird, aufzufangen. Das Sammelbecken 48 ist an eine Absaugung 49 angeschossen, die das aufgefangene Pulver 11 einem Filter 50 zuführt. Im Filter 50 werden Partikel über einer bestimmten Korngröße zurückgehalten, beispielsweise Partikel mit einer Korngrößer von mehr 120 µm. Entsprechend auszufilternde Partikel können beispielsweise Schmutzpartikel oder bereits miteinander verbundene Pulverpartikel sein. Das im Filter 50 gefilterte Pulvermaterial wird dann über eine Versorgungsleitung 51 dem Auftragsspender 39 zur Wiederverwendung zugeführt. Auf diese Weise wird ein rezirkulierender Kreislauf geschaffen, durch den überschüssiges Pulver 11 wiederverwendet werden kann, wodurch eine Materialeinsparung erreicht werden kann.A collecting device, embodied as a collecting
Der Bearbeitungstisch 36 kann in dieser Ausführungsform besonders einfach und damit kostengünstig ausgebildet sein, da der Bearbeitungstisch 36 nicht bewegt werden muss. Bei der generativen Fertigung von Bauteilen, muss der Bearbeitungstisch 36 aufgrund der hohen Materialdichte zum Tragen von hohen Lasten ausgelegt sein. Weist der Bearbeitungstisches beispielsweise eine Auflagefläche von 1,5 m x 1 m und einem Hub von 0,5 m auf, so ergibt sich ein Arbeitsvolumen von 0,75 m3. Wird dieses Arbeitsvolumen mit Aluminiumpulver ausgefüllt, dann wiegt der Inhalt etwa 2 t. Bei Stahlpulver beträgt das Gewicht etwa 6 t. Die zu verfahrenden Komponenten, wie die Wandung 42 und ggf. weitere Komponenten (Auftragsspender 39, Rakel 9, Bearbeitungskopf 13), sind deutlich leichter als ein Bearbeitungstisch 36 mit einem großen Arbeitsvolumen. Deshalb ist es möglich, diese Komponenten mit einem deutlich kleiner dimensionierten Antrieb zu verfahren, wodurch die Anschaffungskosten aber auch die Betriebskosten gesenkt werden können. Gleichzeitig wird auch der Aufbau des 3D-Druckers 1 vereinfacht.In this embodiment, the processing table 36 can be designed in a particularly simple and therefore cost-effective manner, since the processing table 36 does not have to be moved. In the additive manufacturing of components, the processing table 36 must be designed to carry high loads due to the high material density. For example, if the processing table has a support surface of 1.5 mx 1 m and a stroke of 0.5 m, this results in a working volume of 0.75 m 3 . If this working volume is filled with aluminum powder, the content weighs around 2 t. In the case of steel powder, the weight is around 6 t. The components to be moved, such as the
In
Die Wandung 42 kann in Abhängigkeit von der Dicke der nächsten zu bildenden Bauteilschicht verfahren werden. Es ist möglich, dass die Bauteilschichten jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen. So können bei der Fertigung einzelne Bauteilschichten dicker ausgebildet sein als andere, wenn es in den entsprechenden Bauteilbereichen nicht auf eine hohe Formteilgenauigkeit ankommt. Auf diese Weise kann die Bauteilfertigung in einzelnen Bauteilbereichen beschleunigt werden und damit auch insgesamt besonders schnell erfolgen. Kommt es in einzelnen Bauteilbereichen hingegen auf eine hohe Formgenauigkeit an, so kann die zu fertigende Bauteilschicht eine geringe Dicke aufweisen. Das Bauteil kann damit in Abhängigkeit von der in den jeweiligen Bereichen geforderten Formgenauigkeiten besonders schnell gefertigt werden.The
Gemäß einer zweite Ausführungsform des zweiten Ausführungsbeispiels kann die Bewegungseinrichtung 12 für den bzw. die Bearbeitungsköpfe 13 mechanisch von der Wandung 42 entkoppelt sein, so dass beide unabhängig voneinander bewegt werden können (
Der Bearbeitungskopf 13 weist eine optische Linse 23 auf, um das von ihm abgegebene Lichtstrahlbündel 24 auf die Oberfläche des Pulverbettes zu fokussieren. In der Prozesskammer 2 sind drei Abstandssensoren 52 ortsfest angeordnet. Die Abstandssensoren 52 sind zur elektrooptischen Abstandsmessung zwischen den Abstandssensoren 52 und dem Bearbeitungskopf 13 ausgebildet. Zur Messung des Abstandes zwischen den Abstandssensoren 52 und dem Bearbeitungskopf 13 ist an dem Bearbeitungskopf 13 ein Referenzelement 53, beispielsweise ein Reflektor, insbesondere ein Prismenreflektor, für optische Strahlenbündel 54 angeordnet. ,The
Die Abstandssensoren 52 sind ortsfest aber schwenkbar in der Prozesskammer 2 angeordnet, so dass ein jeweiliges vom Abstandssensor 52 abgegebenes optisches Strahlbündel 54 dem Referenzelement 53 nachgeführt werden kann. Die Abstandssensoren 52 sind mit einer Steuer- und Regelungsvorrichtung 55 verbunden. Aus den drei gemessenen Abständen zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und den drei Abstandssensoren 52 kann die räumliche Position des Bearbeitungskopfes 13 exakt bestimmt werden. Mit Hilfe der Steuer- und Regelungsvorrichtung 55 kann der Bearbeitungskopf 13 zielgenau in eine gewünschte Position im dreidimensionalen Raum verfahren werden. Die Positionierung des Bearbeitungskopfes 13 wird über die Abstandsmessungen geregelt.The
Hierdurch ist es möglich, die Bewegung des Bearbeitungskopfes 13 von der Bewegung der Wandung 42 zu entkoppeln und dennoch das abgegebene Lichtstrahlbündel 24 exakt auf die Oberfläche des Pulverbettes zu fokussieren.This makes it possible to decouple the movement of the
Vorzugsweise sind an der Wandung 42, insbesondere ihrem oberen Rand, ein oder mehr Referenzelemente 53 vorgesehen, welche von den Abstandssensoren abgetastet werden können, um die Höhe der Wandung 42 zu bestimmen. Hierdurch kann die relative Position des bzw. der Bearbeitungsköpfe 13 und der Wandung 42 erfasst werden.One or
An Stelle die Höhe der Wandung 42 zu erfassen kann auch die Höhe des Pulverbettes 3 mit einem geeigneten Sensor abgetastet werden. Dann können die Bearbeitungsköpfe 13 direkt bzgl. der Höhe des Pulverbettes 3 ausgerichtet werden.Instead of detecting the height of the
Der Antrieb, mit dem der Schlitten 17 und das Schwenkgelenk 19 verfahren werden, wird von der Steuer- und Regelungsvorrichtung 55 in Abhängigkeit von der aktuellen Position des Bearbeitungskopfes 13 gesteuert. Hierfür kann der Bearbeitungskopf 13 langsamer verfahren werden, je näher er seiner Sollposition kommt. Auf diese Weise kann auch mit einer günstigen und an sich nicht sehr exakte Bewegungseinrichtung 12 der Bearbeitungskopf 13 exakt in eine Sollposition überführet werden, wobei die Genauigkeit der Position alleine durch die Abstandsmessung mittels der Abstandssensoren 52 festgelegt wird. Auf diese Weise können die Gesamtkosten des 3D-Druckers 1 gesenkt werden, da die Abstandssensoren 52 kostengünstig sind und gleichzeitig eine kostengünstigere Bewegungseinrichtung 12 bzw. ein kostengünstigerer Antrieb verwendet werden kann.The drive with which the
Der in
Im zweiten Ausführungsbeispiel werden optische Abstandssensoren 52 zum Messen der Abstände zwischen den Referenzelementen 53 und den Abstandssensoren 52 verwendet. Derartige Abstandssensoren 52 sind kostengünstig und besitzen eine sehr hohe Auflösung. Sie können mittels Triangulation den Abstand zum Referenzelement 53 bestimmen. Bei der Triangulation wird ein optisches Strahlbündel 54, beispielsweise ein Laserstrahl auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Abstandssensor 52 befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, so ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet. Die Entfernungsmessung mittels Triangulation ist sehr einfach und kostengünstig. Bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit kann auch die Strahlung einer Leuchtdiode als Lichtstrahlbündel verwendet werden.In the second exemplary embodiment,
Die Entfernungsmessung kann auch durch Messung der Phasenlage erfolgen. Bei der Messung der Phasenlage wird ein optisches Strahlbündel 54, beispielsweise ein Laserstrahl, emittiert. Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Die Entfernungsmessung mittels Messung der Phasenlage weist eine hohe Genauigkeit auf.The distance can also be measured by measuring the phase position. When measuring the phase position, an
Bei einer Entfernungsmessung über die Laufzeit wird ein zeitlich kurzer Lichtpuls, ein konstanter Lichtstrahl oder eine Lichtmodulation ausgesandt. Die Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um von der Quelle, zu einem Reflektor und wieder zurück zur Quelle zu laufen. Durch Messen dieser Laufzeit kann über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Zur Abstandsmessung können auch Sensoren verwendet werden, die Linien oder Flächen bzw. Ebenen abtasten, wie beispielsweise Stereokameras zur dreidimensionalen Lokalisierung eines oder mehrerer Objekte. Entsprechende Sensoren müssen aufgrund ihres großen Aufnahmebereichs nicht verschwenkbar ausgebildet sein.When measuring distance over the transit time, a short light pulse, a constant light beam or a light modulation is emitted. The pulse transit time is the time it takes for the light beam to travel from the source, to a reflector, and back to the source. By measuring this transit time, the distance between the source and the object can be determined using the speed of light. Sensors that scan lines or areas or planes, such as stereo cameras for the three-dimensional localization of one or more objects, can also be used to measure the distance. Corresponding sensors do not have to be pivotable due to their large recording area.
Vorgenannte Abstandssensoren 52 werden beispielsweise von der Firma Micro-Epsilon hergestellt und vertrieben.The
An Stelle von optischen Sensoren können auch andere Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren oder Sensoren, welche mittels der Laufzeit von Funkwellen den Abstand bestimmen, verwendet werden.Instead of optical sensors, other sensors, such as ultrasonic sensors or sensors that determine the distance using the propagation time of radio waves, can also be used.
Unabhängig von der Art der Sensoren liegt der Vorteil darin, dass die Position der Bearbeitungsköpfe aufgrund der Regelschleife sehr exakt eingestellt werden kann. Dies kann auch zum Bestimmen der Position der lediglich in einer Ebene verfahrbaren Bearbeitungsköpfe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden.Regardless of the type of sensor, the advantage is that the position of the processing heads can be set very precisely thanks to the control loop. This can also be used to determine the position of the machining heads that can only be moved in one plane according to the first exemplary embodiment.
Zum zielgenauen Positionieren kann nach dem Start die Ist-Position der beweglichen Komponente, beispielsweise des Bearbeitungskopf 13 erfasst werden (
Die Position der beweglichen Komponente, beispielsweise des Bearbeitungskopfes 13, kann absolut im Raum bestimmt werden. Die Position der beweglichen Komponente kann jedoch auch relativ zu einer weiteren Komponente bestimmt werden. Im letztgenannten Fall wird der Abstand zwischen den beiden Komponenten bestimmt.The position of the movable component, for example the
Die Ist-Position der beweglichen Komponente kann in jeder Raumrichtung bzw. in Bezug auf jede Achse einzeln und nacheinander bis zum Erreichen der Soll-Position geregelt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Position der beweglichen Komponente in allen drei Raumrichtungen bzw. bezüglich aller Achsen gleichzeitig zu regeln.The actual position of the moving component can be controlled individually and sequentially in each spatial direction or in relation to each axis until the target position is reached. However, it is also possible to simultaneously regulate the position of the movable component in all three spatial directions or in relation to all axes.
Die Abstandssensoren 52 können ortsfest in der Prozesskammer 2 des 3D-Druckers 1, angeordnet sein, beispielsweise können die Abstandssensoren 52 über einen Träger mit dem Fundament 44 des 3D-Druckers 1 verbunden sein. Die Abstandssensoren 52 können über eine Abstandsmessung die Position der Oberfläche des Pulverbettes 3 bestimmen und im Anschluss mit Hilfe einer weiteren Abstandsmessung die Position einer beweglichen Komponente, beispielsweise eines Bearbeitungskopfes 13 ermitteln. Der Bearbeitungskopf 13 kann in Abhängigkeit von der Position des Pulverbettes 3, also der Höhe des Pulverbettes 3, in eine Sollposition verfahren werden, um einen erforderlichen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und der Oberfläche des Pulverbettes 3 einzustellen. Das Verfahren eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe 13 in ihre Sollposition kann dabei mit Hilfe der oben beschriebenen Steuer- und Regelungsvorrichtung 55 erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Abstandssensoren 52 mit einem Bearbeitungskopf 13 verbunden bzw. auf diesem angeordnet sind und der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und der Pulverbettoberfläche direkt bestimmt wird, um anschließend die Bearbeitungsköpfe 13 auf einen Sollabstand zur Oberfläche des Pulverbettes 3 zu verfahren.The
Entspricht die Ist-Position nicht der Sollposition, so wird im Anschluss die Position des Bearbeitungskopfes 13 modifiziert. Hierfür kann ein Antrieb gestartet und die Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes 13 in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Ist-Position und der Sollposition eingestellt werden. Je kleiner der Abstand zwischen der Ist-Position und der Soll-Position ist, desto geringer kann die Verfahrgeschwindigkeit gewählt werden. Nach einer festgelegten Zeiteinheit und/oder einer definiert zurückgelegten Strecken kann die Ist-Position erneut erfasst und anschließend ggf. modifiziert werden. Es ist auch möglich, die Ist-Position kontinuierlich zu erfassen. Auf diese Weise kann eine geschlossene Regelschleife geschaffen werden. Durch diese Regelung ist es möglich, mit einer einfachen, günstigen und an sich nicht sehr exakte Bewegungseinrichtung 12 den Bearbeitungskopf 13 exakt in eine Sollposition zu überführen. Die Genauigkeit der Positionierung wird alleine durch die Abstandsmessung mittels der Abstandssensoren 52 festgelegt.If the actual position does not correspond to the target position, then the position of the
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Position der Bearbeitungsköpfe 13 in Abhängigkeit von der Position der verfahrbaren Wandung 42, insbesonderer einer Oberkante und/oder einer waagerechen Oberfläche, eingestellt wird. Hierzu kann wenigstens ein Abstandssensor 52 mit den Bearbeitungsköpfen 13 verbunden oder ortsfest im 3D-Drucker 1 angeordnet sein.In addition, it is also possible for the position of the processing heads 13 to be adjusted as a function of the position of the
Anstelle der Position eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe 13 kann auch die Position einer Traverse 14 oder eine andere Komponente einer Bewegungsrichtung 12, beispielsweise eines Schlittens 17, bestimmt und relativ zu der verfahrbaren Wandung 42 oder der Oberfläche des Pulverbettes 3 positioniert werden. Hierzu kann die Traverse 14 einen oder mehrere Abstandssensoren 52 aufweisen und den Abstand zur Oberfläche des Pulverbettes 3 messen.Instead of the position of one or more processing heads 13, the position of a
Auf die gleiche Weise kann auch eine Rakel 9 relativ zu der Pulverbettoberfläche oder einer verfahrbaren Wandung 42 positioniert werden. Ein oder mehrere Abstandssensoren 52 können dann mit der Rakel 9 verbunden sein und/oder ortsfest im in der Prozesskammer 2 angeordnet sein.A squeegee 9 can also be positioned relative to the powder bed surface or a
Es ist auch möglich, einen Auftragsspender 39 in Abhängigkeit von der Position der verfahrbaren Wandung 42 bzw. der Oberfläche des Pulverbettes 3 zu positionieren. Hierzu kann der Auftragsspender 39 wenigstens einen Abstandssensor 52 aufweise und/oder es kann wenigstens ein Abstandssensor 52 ortsfest in der Prozesskammer 2 des 3D-Druckers 1 angeordnet sein.It is also possible to position an
Es kann auch die verfahrbare Wandung 42 relativ zur Oberfläche des Pulverbettes 3 verfahren werden, beispielsweise auf eine Position, die um eine Schichtdicke höher als das Pulverbett 3 liegt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Abstandssensoren 52 ortsfest in der Prozesskammer 2 angeordnet sind und den Abstand zwischen der verfahrbaren Wandung 42 und der Oberfläche des Pulverbettes 3 bestimmen.The
Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Vorratszylinder 4 relativ zu einem Bearbeitungstisch zu verfahren. Bei bekannten 3D-Druckern 1 kann auch der Bearbeitungstisch 36, ausgebildet als Produktionskolben 7 geregelt verfahren werden. So kann der Produktionskolben beispielsweise nach der Fertigstellung einer Bauteilschicht um eine definierte Schichtdicke abgesenkt werden, um eine neue Pulverschicht auftragen zu können. Die Abstandssensoren 52 sind dann bevorzugt ortsfest in der Prozesskammer 2 des 3D-Druckers 1 angeordnet.In addition, it is also possible to move a
Es können auch mehrere bewegliche Komponenten gemeinsam miteinander gekoppelt verfahren werden. So kann beispielsweise eine Rakel 9 zusammen mit einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen 13 und/oder gemeinsam mit einem Auftragsspender 39 geregelt auf einen jeweils in vertikaler Richtung erforderlichen Abstand zur Oberfläche des Pulverbettes 3 positioniert werden. Der vertikale Abstand zwischen der Rakel 9 und den Bearbeitungsköpfen 13 und/oder dem Auftragsspender 39 ist dann zu jedem Zeitpunkt gleich.It is also possible for several moving components to be moved together coupled to one another. For example, a squeegee 9 together with one or more processing heads 13 and/or together with an
Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform eines dritten Ausführungsbeispiels erläutert. Gleiche Teile des dritten Ausführungsbeispiel sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Obige Erläuterungen gelten für gleiche Teile, sofern unten keine anderen Ausführungen hierzu gemacht sind.Another embodiment of a third exemplary embodiment is explained below. Identical parts of the third exemplary embodiment are denoted by the same reference symbols as in the first and second exemplary embodiment. The above explanations apply to the same parts, unless other statements are made below.
In der Prozesskammer 2 ist eine Glasplatte 56 horizontal als Tischplatte 37 des Bearbeitungstisches 36 angeordnet. Unterhalb der Glasplatte 56 ist eine Bewegungseinrichtung 12 zum Bewegen einer Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 13 vorgesehen.A
Die Bewegungseinrichtung 12 umfasst drei Traversen 14, welche sich unterhalb der Glasplatte 56 quer erstrecken. Die Traversen 14 sind zueinander parallel angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die mittlere Traverse 14 etwas niedriger als die beiden äußeren Traversen 14 angeordnet.The
Die Bewegungseinrichtung 12 weist, wie in den
In der Prozesskammer 2 ist oberhalb der Glasplatte ein Stützkörper 57 angeordnet, auf dessen Unterseite 58 das Bauteil gefertigt wird. Die erste Bauteilschicht wird auf der Unterseite 58 gebildet und kann mit dem Stützkörper 57 verbunden sein. Der Stützkörper 57 ist zusammen mit dem Bauteil 31 in vertikaler Bewegungsrichtung 59 verfahrbar bzw. verstellbar. Hierzu kann eine Hebevorrichtung 60 zum Greifen und Anheben des Bauteils 31 vorgesehen sein.In the
Zur generativen Fertigung eines 3D-Bauteils 31 kann Pulver 11 von einem in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- 3D-Drucker3D printer
- 22
- Prozesskammerprocess chamber
- 33
- Pulverbettpowder bed
- 44
- Vorratszylinderstorage cylinder
- 55
- Vorratskolbenstorage flask
- 66
- Hubkolben-/ZylindereinheitReciprocating/cylinder unit
- 77
- Produktionskolbenproduction pistons
- 88th
- Hubkolben-/ZylindereinheitReciprocating/cylinder unit
- 99
- Rakelsqueegee
- 1010
- Bewegungsrichtungdirection of movement
- 1111
- Pulverpowder
- 1212
- Bewegungseinrichtungmoving device
- 1313
- Bearbeitungskopfprocessing head
- 1414
- Traversetraverse
- 1515
- Längsseitenflächelong side face
- 1616
- Schienenprofilrail profile
- 1717
- SchlittenSleds
- 1818
- Schwenkarmswivel arm
- 1919
- Schwenkgelenkswivel joint
- 2020
- Schwenkachsepivot axis
- 2121
- Lichtleiterlight guide
- 2222
- EndeEnd
- 2323
- Optische Linseoptical lens
- 2424
- Lichtstrahlbündellight beam
- 2525
- Lichtquellelight source
- 2626
- Lichtleiterlight guide
- 2727
- Reflektorelementreflector element
- 2828
- Reflektorelementreflector element
- 2929
- Durchgangsöffnungpassage opening
- 3030
- Optische Linseoptical lens
- 3131
- 3D-Bauteil3D component
- 3232
- Lichtpumpelight pump
- 3333
- Resonatorresonator
- 3434
- Lichtleiterlight guide
- 3535
- Pumplichtpump light
- 3636
- Bearbeitungstischprocessing table
- 3737
- Tischplattetabletop
- 3838
- Temperierkanaltempering channel
- 3939
- Auftragsspenderorder dispenser
- 4040
- Vorratskammerpantry
- 4141
- Auftragsöffnungorder opening
- 4242
- Wandungwall
- 4343
- Hubzylinderlifting cylinder
- 4444
- Fundamentfoundation
- 4545
- Unterkantebottom edge
- 4646
- Randedge
- 4747
- Kragencollar
- 4848
- Sammelbeckenreservoir
- 4949
- Absaugungsuction
- 5050
- Filterfilter
- 5151
- Versorgungsleitungsupply line
- 5252
- Abstandssensordistance sensor
- 5353
- Referenzelementreference element
- 5454
- Strahlbündelbeam bundle
- 5555
- Steuer- und Regelungsvorrichtungcontrol and regulation device
- 5656
- Glasplatteglass plate
- 5757
- Stützkörpersupporting body
- 5858
- Unterseitebottom
- 5959
- Bewegungsrichtungdirection of movement
- 6060
- Hebevorrichtunglifting device
- 6161
- Pulverschichtpowder layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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