DE102005025348A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers sowie Sensoreinheit zu dessen Durchführung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (29), insbesondere selektives Laserschmelzen, bei dem auf einem pulverförmigen Werkstoff nach CAD-Daten eines Modells ein Formkörper (29) aufgebaut wird, bei dem mit einer Auftrageinheit (37) eine Pulverschicht aufgetragen und die aufgetragene Pulverschicht durch eine Strahlung (27) mit einer darunterliegenden Schicht oder einer Grundplatte (28) fixiert wird, wobei vor dem Auftragen einer ersten Schicht auf eine Bauplattform (22) oder einer Grundplatte (28) eine Sensoreinrichtung (41), deren Sensorebene (54) zur Nivellierebene (53) einer Nivelliereinrichtung (42) für die aufgetragene Pulverschicht festgelegt ist, der Bauplattform (22) oder der Grundplatte (28) zugeordnet wird, die Bauplattform (22) oder die Grundplatte (28) relativ zur Sensoreinrichtung (41) verfahren wird, bis von der Sensoreinrichtung (41) ein Signal zum Stillsetzen der Bauplattform (22) an einen Antrieb (21) in einer Zwischenposition (57) ausgegeben wird und die Bauplattform (22) oder die Grundplatte (28), ausgehend von der Zwischenposition (57), um eine Wegstrecke zur Einstellung der Schichtdicke der ersten Pulverschicht verfahren und in einer Startposition (56) positioniert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Sensoreinheit, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik, die unter dem Namen Rapid Prototyping bekannt ist. Solche Verfahren werden bevorzugt in der Produktentwicklung eingesetzt, um die Produktentwicklungszeit zu verkürzen sowie die Produktqualität zu steigern. Darüber hinaus wird ermöglicht, aufwändige Geometrieformen direkt aus einem dreidimensionalen CAD-Modell herzustellen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 49 865 C1 bekannt.
  • Die Verteilung des Werkstoffpulvers über der Bauplattform beziehungsweise dem Bauraum erfolgt durch eine Nivelliereinrichtung, beispielsweise durch eine Linearbewegung eines Schiebers, der das Werkstoffpulver auf die gewünschte Schichtdicke einnivelliert. Die Nivelliereinrichtung verteilt nach jeder mit dem Laserstrahl bearbeiteten Schicht neues Pulver über das um die nachfolgend aufzutragende Schichtdicke abgesenkte Bauteil. Um einen gleichmäßigen Auftrag zu ermöglichen, geht aus der EP 1 234 625 A1 eine Nivelliereinrichtung hervor, welche unabhängig von Unebenheiten und Überhöhungen der zuletzt bearbeiteten Schicht einen gleichmäßigen Auftrag der nachfolgend zu bearbeitenden Pulverschicht ermöglicht. Diese Nivelliereinrichtung weist hierzu zumindest eine Reihe von Einzelelementen auf, die beim Überfahren von Überhöhungen auslenkbar sind. Bevorzugt werden Bürsten oder Bürstenreihen eingesetzt.
  • Die Qualität der Bauteile ist wesentlich von der Einhaltung einer exakten Dicke der ersten Pulverschicht abhängig, welche auf eine Bauplattform beziehungsweise auf eine auf der Bauplattform befestigte Grundplatte aufgebracht wird. Sofern die erste Pulverschicht zu dick aufgetragen wird, besteht die Gefahr, dass die Schicht eine nicht hinreichend feste Verbindung mit der Grundplatte aufweist. Sofern die Pulverschicht zu dünn aufgetragen wird, können Höhenfehler entstehen, die sich beim Aufbau von weiteren Schichten fortsetzen können. Bei einer starren Nivelliereinrichtung, wie beispielsweise einem Schieber oder einer Schleifwelle, besteht die Gefahr, dass die Nivelliereinrichtung bei einer zu dünnen Pulverschicht mit der Bauplattform oder der Grundplatte kollidiert. Die Einstellung der Bauplattform zur Erzielung einer exakten Dicke der ersten Pulverschicht, welche bislang manuell erfolgte, birgt die Schwierigkeit in sich, dass die Bauplattform auf Temperaturen über 250°C vorgeheizt wird, um während des Aufbaus des Formkörpers die Bildung von Eigenspannungen zu vermeiden. Bei generativen Verfahren, wie dem selektiven Laserschmelzen, wird die Bauplattform auf Temperaturen bis 500°C aufgeheizt, im Einzelfall sind auch höhere Temperaturen bis 600°C möglich. Durch diesen Aufheizvorgang treten erhebliche Wärmedehnungen auf, die sich auch auf die Position der Bauplattform auswir ken. Dadurch ist die Einstellung einer exakten Dicke der ersten Pulverschicht zur Herstellung eines Formkörpers erschwert.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, sowie eine Sensoreinheit zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, durch welche die Einstellung der Bauplattform zum Aufbringen einer exakten Dicke der ersten Pulverschicht ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Aufheiztemperatur der Bauplattform und/oder der darauf lösbar angebrachten Grundplatte sowie den daraus resultierenden Wärmedehnungen in der Bauplattform oder Grundplatte und den benachbarten Komponenten eine exakte Einstellung der Dicke der ersten Pulverschicht ermöglicht. Die Einstellung einer Startposition der Bauplattform zum Auftragen der ersten Pulverschicht erfolgt über eine Zwischenposition, die mittelbar oder unmittelbar durch eine Sensoreinrichtung für die aufzutragende Pulverschicht festgelegt wird. Nachdem die Zwischenposition durch die Sensoreinrichtung erfasst wurde, erfolgt ein anschließendes Absenken der Bauplattform gegenüber der Sensoreinrichtung durch einen Antrieb um eine Wegstrecke, die der Dicke der ersten Pulverschicht entspricht, so dass die Startposition der Bauplattform zum Auftragen der ersten Pulverschicht exakt eingestellt wird. Dadurch können die thermischen Längenänderungen eliminiert werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Bauplattform von einer die Sensoreinrichtung und eine Nivelliereinrichtung aufnehmenden Haltevorrichtung überfahren wird. Zum Auftragen einer Pulverschicht überfährt die Nivelliereinrichtung ein- oder mehrmals die Bauplattform. Die Zuordnung der Sensoreinrichtung zur Nivelliereinrichtung ermöglicht, dass weitere Toleranzen, die beim getrennten Positionieren der Einrichtungen auftreten können, ausgeschlossen werden.
  • Durch die Koppelung der Sensoreinrichtung zur Nivelliereinrichtung wird die Einstellung der Dicke der ersten Pulverschicht in Abhängigkeit der Nivelliereinrichtung durchgeführt, welche nachfolgend ein- oder mehrmalig die Bauplattform oder die Grundplatte zum Auftragen der ersten, zu verarbeitenden Pulverschicht überfährt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung und Nivelliereinrichtung gemeinsam, jedoch getrennt voneinander von einer zur Bauplattform positionierten Führung aufgenommen werden, so dass die Nivellier- und Sensoreinrichtung zeitlich versetzt oder unabhängig voneinander die Bauplattform oder die Grundplatte überfahren.
  • Vorteilhafterweise wird eine Sensorebene der Sensoreinrichtung auf die Nivellierebene der Nivelliereinrichtung eingestellt. Dadurch wird eine Vereinfachung der Einstellung von der Dicke der ersten Pulverschicht ermöglicht. Durch die übereinstimmende Anordnung der Sensorebene und der Nivellierebene entspricht die Wegstrecke der Bauplattform, um welche diese gegenüber der Sensorebene abgesenkt wird, der exakten Dicke der ersten Pulverschicht.
  • Die Zwischenposition der Bauplattform vor der Überführung in eine Startposition zum Aufbringen der ersten Pulverschicht wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens taktil erfasst. Dadurch kann bei hohen Temperaturen über 250°C eine sichere Erkennung der Zwischenposition gegeben sein.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird an der Bauplattform und der Sensoreinrichtung ein unterschiedliches Potential angelegt oder deren elektrischer Widerstand erfasst. Beim Berühren der Sensoreinrichtung durch die Bauplattform oder die Grundplatte in einer Zwischenposition erfolgt eine Potential- oder Widerstandsänderung. Das dadurch erzeugte Signal wird unmittelbar oder über eine Auswerte- und Steuereinheit an einen Antrieb der Bauplattform zum Stillsetzen der Hubbewegung ausgegeben. Das Stillsetzen der Bauplattform erfolgt derart, dass die Position der Bauplattform bei dem Signal gespeichert wird. Aufgrund der Trägheit steht die Bauplattform beim Stillsetzen nicht unmittelbar still, sondern legt einen Bremsweg zurück. Die Position der Bauplattform wird um den Bremsweg korrigiert und die Zwischenposition ist eingenommen. Anschließend kann die Bauplattform durch den Antrieb, insbesondere einen Servoantrieb, aus dieser Zwischenposition in die Startposition übergeführt werden, wobei über Wegsensoren, Inkrementalgeber oder dergleichen die Verfahrstrecke aus der Zwischenposition in die Startposition exakt eingestellt und überwacht wird.
  • Bevorzugt wird die Sensoreinrichtung elektrisch isoliert zur Nivelliereinrichtung befestigt. Dadurch kann erzielt werden, dass die Sensoreinrichtung unmittelbar beim Berühren der Bauplattform oder der Grundplatte eine Änderung des Potentials oder des elektrischen Widerstands bewirkt und als Signal zum Erreichen der Zwischenposition ausgewertet wird. Gleichzeitig können die Sensoreinrichtung und Nivelliereinrichtung in kompakter Bauweise und nebeneinander, insbesondere an einer gemeinsamen Haltevorrichtung, vorgesehen sein.
  • Dieses erfindungsgemäße Verfahren weist folglich den Vorteil auf, dass eine automatische Einstellung einer Startposition der Bauplattform zur generativen Bearbeitung, insbesondere zum selektiven Laserschmelzen, ermöglicht ist. Durch die elektronische Erfassung einer Zwischenposition und die anschließende Bewegung der Bauplattform um eine festgelegte Wegstrecke zum Einstellen der exakten Dicke der ersten Pulverschicht können thermische Längenänderungen kompensiert werden, so dass die Prozesssicherheit erhöht und eine Einbindung in einen automatischen Fertigungsprozess ermöglicht werden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit gelöst, die insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens vorgesehen ist. Die Sensoreinheit weist wenigstens eine Sensoreinrichtung mit zumindest einem in einer Raumrichtung auslenkbaren Sensorelement zur taktilen Signalerfassung auf. Dadurch wird unmittelbar beim Berühren der Bauplattform oder der darauf angebrachten Grundplatte durch ein Sensorelement trotz hoher Temperaturen ein Signal erzeugt und sicher erfasst. Durch die Flexibilität der Sensorelemente ist die Sensoreinrichtung auch bei unterschiedlichen Ausgangsbedingungen einsetzbar und führt zur sicheren Einstellung der Bauplattform in einer Startposition zum Aufbringen einer exakten Dicke für die erste Pulverschicht.
  • Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement der Sensoreinrichtung elektrisch leitend ausgebildet ist. Dadurch kann bei Berührung des wenigstens einen Sensorelementes an der Bauplattform oder der Grundplatte eine Potential- oder Widerstandsänderung erfasst werden, welche als Signal zum Beenden der Zustellbewegung der Bauplattform ausgegeben wird.
  • Die Sensoreinrichtung und die Nivelliereinrichtung sind bevorzugt von einer gemeinsamen Haltevorrichtung aufgenommen, wobei der Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und der Nivelliereinrichtung größer als eine Auslenkung einer freien Länge der Sensor- und Nivellierelemente ist. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Kontaktierung der Sensor- und Nivellierelemente zwischen der Sensoreinrichtung und der Nivelliereinrichtung verhindert ist, um eine eindeutige Signalerfassung zu ermöglichen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoreinheit ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung elektrisch isoliert zur Nivelliereinrichtung an der Haltevorrichtung positioniert ist. Dies kann durch eine nichtleitende Trennschicht, wie beispielsweise eine Lackschicht, durch eine Folie oder durch nichtleitende Elemente gegeben sein. Alternativ kann die Haltevorrichtung aus nichtleitendem Material hergestellt sein. Des Weiteren können die leitenden Sensorelemente von einer nichtleitenden Klemmleiste aufgenommen sein, die in der Haltevorrichtung austauschbar befestigt ist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Sensoreinrichtung und Nivelliereinrichtung unmittelbar benachbart zueinander an einer gemeinsamen Haltevorrichtung verfahrbar aufgenommen werden können, wodurch zusätzliche Antriebe oder Positioniermechanismen für die Sensoreinrichtung nicht erforderlich sind. Die gemeinsame Anordnung an der Haltevorrichtung weist des Weiteren den Vorteil auf, dass die Sensorebene der Sensorelemente in der Nivellierebene der Nivellierelemente vorgesehen ist, so dass einfache Verhältnisse gegeben sind, um eine Startposition einzustellen.
  • Die Sensoreinrichtung ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung einer Sensoreinheit als Bürstenleiste mit einer Vielzahl von Sensorelementen ausgebildet, die einer Bürstenleiste der Nivelliereinrichtung mit einer Vielzahl von Nivellierelementen entspricht. Durch die Gleichheit der Bauteile für die Nivelliereinrichtung und die Sensoreinrichtung kann eine Reduzierung der Kosten erzielt werden. Zusätzlich sind beim Überfahren der Bodenfläche und der Aufbaukammer durch die Nivelliereinrichtung und Sensoreinrichtung gleiche Verhältnisse gegeben.
  • Vorteilhafterweise sind die freien Enden der Sensorelemente in einer Ebene angeordnet und bilden eine Sensorebene. Dadurch kann die Messsicherheit erhöht werden. Zusätzlich kann unter gleichen Bedingungen die gesamte Breite der Aufbaukammer überwacht werden.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sensorebene in einer parallelen Ebene zur Bauplattform angeordnet ist. Dadurch sind gleiche Bedingungen entlang der Bauplattform zum Auftragen der exakten Dicke der ersten Pulverschicht gegeben.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoreinheit ist vorgesehen, dass die Nivelliereinrichtung zumindest eine Länge umfasst, welche größer als eine sich quer zur Verfahrrichtung der Nivelliereinrichtung erstreckende Abmessung der Bauplattform oder der Grundplatte ist und dass das zumindest eine Sensorelement eine Länge aufweist, die gleich oder kleiner als die quer zur Verfahrrichtung der Nivelliereinrichtung sich erstreckende Abmessung der Bauplattform oder der Grundplatte ausgebildet ist. Dadurch kann über die Sensoreinrichtung die Berührposition zwischen der als Bürstenleiste ausgebildeten Sensoreinrichtung und der Bauplattform oder der Grundplatte exakt erfasst werden. Darüber hinaus weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass beispielsweise beim Bearbeiten von vorgefertigten Formkörpern unabhängig von deren Geometrie und Erstreckung in der Ebene der Bauplattform oder der Grundplatte eine exakte Erfassung der Zwischenposition der Bauplattform ermöglicht ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoreinheit ist vorgesehen, dass das als Bürstenleiste ausgebildete Sensorelement Borsten aus hitzebeständigem Werkstoff, insbesondere Kohlefasern, aufweist. Diese sind besonders verschleißfest und weisen eine hohe Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen über 250°C, vor allem bei Temperaturen bis 600°C zur taktilen Signalerfassung auf.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers durch selektives Laserschmelzen,
  • 2 eine schematisch vergrößerte Darstellung einer Nivelliereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
  • 3 eine schematische Seitenansicht der Nivellier- und Sensoreinrichtung,
  • 4 eine schematische Unteransicht der Nivellier- und Sensoreinrichtung gemäß 2,
  • 5a–c schematische Ansichten zur Einstellung einer Startposition einer Bauplattform bei unterschiedlichen Ausgangssituationen und
  • 6 eine schematische Seitenansicht einer Nivellier- und Sensoreinrichtung beim Positionieren der Bauplattform in einer Startposition mit einem Formkörper.
  • In 1 ist eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen, wie sie beispielsweise in der DE 198 53 978 C1 beschrieben ist, dargestellt. Diese Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 11 mit einem Schutzgaseinlass 12 und einem Schutzgasauslass 13. Oberhalb einer Bodenfläche 14 ist ein Vorratsbehälter 16 vorgesehen, der mit Werkstoffpulver 17 gefüllt ist. Als Pulver kann beispielsweise Stahl, Titan oder Aluminium verwendet werden. In die Bodenfläche 14 mündet von unten eine Aufbaukammer 18, in der eine über eine Hubspindel 19 durch einen Antrieb 21 angetriebene Bauplattform 22 angeordnet ist. Auf der Bauplattform 22 ist eine Grundplatte 28 lösbar angeordnet. Neben der Aufbaukammer 18 ist ein Auffangbehälter 23 für das Werkstoffpulver 17 vorgesehen. Oberhalb der Aufbaukammer 18 ist eine Ablenkeinrichtung 24 vorgesehen, die einen von einem Laser 26 erzeugten Laserstrahl 27 auf die Bauplattform 22 bzw. die Grundplatte 28 richtet.
  • Um einen Formkörper 29, beispielsweise einen Prototyp eines Bauteils, herzustellen, werden zunächst über eine Eingabeeinheit 31 die Bauteilkoordinaten in eine zentrale Verarbeitungseinheit 32 eingegeben. Nach entsprechender Aufbereitung der Daten wird die Bauplattform 22 in der Aufbaukammer 18 in eine Startposition verfahren, wie nachfolgend näher beschrieben ist, in der die Bauplattform 22 bzw. die Grundplatte 28 entsprechend einer aufzutragenden Pulverschichtdicke unterhalb des Niveaus der Bodenfläche 14 liegt. Aus dem Vorratsbehälter 16 wird ein vorbestimmter Betrag an feinkörnigem Werkstoffpulver 17 in einen Aufnahmebehälter 36 einer Auftragseinheit 37 eingefüllt. Zum Auftragen des Werkstoffpulvers 17 wird die Auftragseinheit 37 in Auftragsrichtung 38 über die Bodenfläche 14 zumindest einmal über den aufzubauenden Formkörper 29 hinweg bis zum Auffangbehälter 23 bewegt. In dieser Endposition wird das nicht benötigte Werkstoffpulver 17 in den Auffangbehälter 23 abgefüllt. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein mehrmaliges Überfahren des Formkörpers 29 erfolgt, wobei die Auftragseinheit 37 erst am Ende der Verfahrstrecke über dem Auffangbehälter 23 positioniert wird.
  • Nachdem eine vorbestimmte Dicke der Pulverschicht aufgetragen ist, werden der Laser 26 und die Ablenkeinrichtung 24 angesteuert, um den Laserstrahl 27 auf das über der Bauplattform 22 bzw. der Grundplatte 28 befindliche Werkstoffpulver 17 zu richten und um entsprechend der Koordinaten dasjenige Pulver aufzuschmelzen, das der untersten Schicht des Formkörpers 29 entspricht. Nachdem die unterste Schicht des Formkörpers 29 gebildet ist, wird die Bauplattform 22 um einen definierten Abstand nach unten verfahren, so dass die Oberseite der ersten Schicht unterhalb der Ebene der Bodenfläche 14 der Prozesskammer 11 liegt. Danach wird wiederum die Auftragseinheit 37 betätigt, um eine definierte Pulverschicht auf dem Formkörper 29 aufzutragen.
  • Zur Herstellung solcher Formkörper 29 ist die exakte Positionierung der Bauplattform 22 zum Aufbringen einer ersten Pulverschicht von wesentlicher Bedeutung. Durch die exakte Einhaltung der ersten Schichtdicke wird die Haftung der Bauteile auf der Bauplattform 22 oder einer auf der Bauplattform 22 lösbar angebrachten Grundplatte 28 bestimmt. Außerdem kann eine Kollision der Bauplattform 22 bzw. der Grundplatte 28 mit einer starren Nivelliereinrichtung, wie z.B. einer Schleifwelle, verhindert werden. Zur exakten Einstellung einer Startposition der Bauplattform 22 ist eine Sensoreinheit 40 vorgesehen, welche in den 2 bis 4 näher dargestellt ist.
  • In 2 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoreinheit 40 dargestellt, die eine Sensoreinrichtung 41 umfasst, die beispielhaft mit einer Nivelliereinrichtung 42 gemeinsam an einer Haltevorrichtung 46 angeordnet ist. Die Haltevorrichtung 46 ist an einem unteren Ende des Aufnahmebehälters 36 (in 2 nicht gezeigt) vorgesehen, wodurch bewirkt wird, dass die Nivelliereinrichtung 42 beim Hin- und Herbewegen der Auftragseinheit 37 (in 2 nicht gezeigt) das Werkstoffpulver auf eine vorbestimmte Schichtdicke in der Aufbaukammer 18 einnivelliert. In Bezug auf die Funktionsweise der Nivelliereinrichtung 42 sowie auf deren Ausgestaltungsmöglichkeiten wird auf die EP 1 234 625 A1 vollinhaltlich Bezug genommen.
  • Die Nivelliereinrichtung 42 umfasst eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Nivellierelementen 43, die als Fasern, Borsten oder dergleichen ausgebildet und beispielsweise in Form einer Bürstenleiste ange ordnet sind. Die Nivellierelemente 43 sind bevorzugt aus hitzebeständigem Werkstoff, insbesondere Kohlefaser, ausgebildet. Die Bürstenleiste ist an der Haltevorrichtung 46 austauschbar befestigt. Die Nivellierelemente 43 der Bürstenleiste weisen bevorzugt dieselbe Länge auf und bilden eine Nivellierebene 53, so dass bei einem ein- oder mehrmaligen Überfahren der Bodenfläche 14 ein Abstreifen des aufgebrachten Werkstoffpulvers auf der Bodenfläche 14 ermöglicht ist und gleichzeitig ein Einebnen des Werkstoffpulvers in der Aufbaukammer 18 gegeben ist.
  • An der Haltevorrichtung 46 ist die Sensoreinrichtung 41 austauschbar befestigt und stellt eine Komponente der Sensoreinheit 40 dar. Die Sensoreinrichtung 41 umfasst in Analogie zur Nivelliereinrichtung 42 eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensorelementen 44, die beispielsweise als Fasern oder Borsten einer Bürstenleiste ausgebildet sind. Bevorzugt wird dieselbe Bürstenleiste wie die der Nivelliereinrichtung 42 als Sensoreinrichtung 41 vorgesehen. An der Sensoreinrichtung 41 ist des Weiteren ein Steckkontakt 48 vorgesehen, um eine Signalleitung 49, die an eine Auswerte- und Steuereinheit 50 anschließbar ist, zu kontaktieren. Alternativ kann die Signalleitung 49 auch direkt an der Bürstenleiste beziehungsweise an der Fixierung für die Sensorelemente 44 angelötet, geschraubt oder verkrimpt sein.
  • Die maximale Länge der Sensoreinrichtung 41 ist gleich groß oder kleiner als eine Abmessung der Bauplattform 22 oder der Grundplatte 28, die sich quer zur Verfahrrichtung der Nivelliereinrichtung 42 und der Sensoreinrichtung 41 erstreckt. Dadurch wird ermöglicht, dass ein vollständiges Überfahren und gleichmäßiges Einnivellieren einer Pulverschicht für die erste zu bearbeitende Schicht des Formkörpers 29 ermöglicht ist. Die Länge der Nivelliereinrichtung 42 ist zumindest geringfügig größer als die maximale Abmessung der Bauplattform 22 oder der Grundplatte 28, die sich quer zur Verfahrrichtung erstreckt.
  • Die Bauplattform 22 ist in einer Zwischenposition 57 in der Aufbaukammer 18 angeordnet, deren Einnahme als auch Positionierung zur Sensoreinrichtung 41 in 5a näher beschrieben sind.
  • In 3 ist schematisch eine Seitenansicht auf eine Nivelliereinrichtung 42 und eine Sensoreinrichtung 41 dargestellt, die gemeinsam von einer Haltevorrichtung 46 aufgenommen sind. Dazwischenliegend ist eine elektrische Isolierung 51 vorgesehen, die als Isolierschicht ausgebildet sein kann. Dadurch wird sichergestellt, dass eine elektrische Kontaktierung zwischen der Nivelliereinrichtung 42 und der Sensoreinrichtung 41 verhindert ist. Der Abstand der Nivelliereinrichtung 42 zur Sensoreinrichtung 41 ist derart vorgesehen, dass bei Auslenkung der Sensorelemente 44 ein Berühren der Nivellierelemente 43 ausgeschlossen ist.
  • Durch die Aufnahme der Nivelliereinrichtung 42 und der Sensoreinrichtung 41 an einer gemeinsamen Haltevorrichtung 46 wird ermöglicht, dass in einfacher Weise eine deckungsgleiche Einstellung einer Nivellierebene 53 zur Sensorebene 54 gegeben ist, wobei die Ebenen 53 und 54 jeweils durch die freien Enden der Nivellier- und Sensorelemente 43, 44 gebildet sind.
  • In 4 ist eine Ansicht von unten auf die Haltevorrichtung 46 dargestellt, die die Sensoreinrichtung 41 und die Nivelliereinrichtung 42 aufnimmt.
  • Die in den 2 bis 4 dargestellte Anordnung und Ausgestaltung der Nivelliereinrichtung 42 und der Sensoreinrichtung 41 ist beispielhaft. In einigen Anwendungsfällen kann die Nivelliereinrichtung 42 aus mehreren nebeneinander angeordneten Bürstenleisten ausgebildet sein. Ebenfalls können zwei oder mehrere hintereinander angeordnete Reihen von Bürstenleisten zur Bildung einer Nivelliereinrichtung 42 vorgesehen sein. Die in einer Reihe angeordneten Abschnitte von Bürstenleisten können auch mit Abstand nebeneinander angeordnet sein, wobei bevorzugt bei einer zwei- oder mehrreihigen Anordnung die jeweilige Lücke zwischen zwei Bürstenabschnitten durch die zumindest eine benachbarte Reihe geschlossen wird.
  • Eine alternative, nicht näher dargestellte Ausführungsform sieht vor, dass die Haltevorrichtung 46 aus zwei getrennten Teilen besteht, die unabhängig voneinander parallel zur Bodenfläche 14 verfahrbar sind. Der prinzipielle Aufbau ist jedoch derselbe, so dass ebenfalls eine gemeinsame Einjustierung der Nivellierebene 53 der Nivelliereinrichtung 42 und der Sensorebene 54 der Sensoreinrichtung 41 ermöglicht ist.
  • In den 5a bis 5c sind schematische Ansichten von unterschiedlichen Ausgangssituationen in einer Prozesskammer 11 dargestellt, von denen aus die Einstellung einer Startposition 56 einer Bauplattform 22 zum Aufbringen und Verfestigen einer ersten Pulverschicht ermöglicht ist.
  • In 5a ist eine Ausgangssituation dargestellt, welche idealerweise bei einer Anordnung gemäß 1 vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung einer Startposition 56 wird nachfolgend beschrieben: In einer Grundeinstellung werden die Nivellierebene 53 und die Sensorebene 54 bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene einjustiert. Die Nivellierebene 53 liegt bevorzugt in der Bodenfläche 14, so dass nach dem Aufbringen von Werkstoffpulver ein Abstreifen von überschüssigem Pulver von der Bodenfläche 14 erfolgt, jedoch die Aufbaukammer 18 bündig zur Bodenfläche 14 mit Werkstoffpulver einnivelliert wird.
  • Ausgehend von dieser Grundeinstellung wird die Sensoreinrichtung 41 zur Aufbaukammer 18 verfahren, so dass diese über der Aufbaukammer 18 steht. Die Sensoreinrichtung 41 wird zumindest derart über der Bauplattform 22 oder der Grundplatte 28 positioniert, dass eine Berührung mit der benachbarten Bodenfläche 14 nicht gegeben ist. Davor, gleichzeitig oder anschließend wird die Bauplattform 22 auf die Sensoreinrichtung 41 durch den Antrieb 21 zubewegt. Die Bauplattform 22 und die Sensoreinrichtung 41 sind über jeweils eine Signalleitung 49 mit einer Auswerteeinheit 50 verbunden (siehe 2). Sobald die Bauplattform 22 bzw. die auf der Bauplattform angebrachte Grundplatte 28 mit der Sensoreinrichtung 41 in Berührung kommt, erfolgt eine Änderung des elektrischen Widerstandes oder des Potentials. Diese Änderung wird als Signal zum Stillsetzen der Bauplattform 22 über den Antrieb 21 erfasst. Das Stillsetzen der Bauplattform 22 erfolgt derart, dass die Position der Bauplattform 22 bei dem Signal gespeichert wird. Aufgrund der Trägheit steht die Bauplattform 22 beim Stillsetzen nicht unmittelbar still, sondern legt einen Bremsweg zurück. Die Position der Bauplattform 22 wird um den Bremsweg korrigiert. Die Bauplattform 22 ist folglich in einer exakt definierten Zwischenposition 57 (strichliniert) angeordnet, von der aus die Startposition 56 eingenommen wird. Dabei verfährt die Bauplattform 22 durch den Antrieb 21 über eine vorbestimmte Wegstrecke in der Aufbaukammer 18 nach unten, die der Dicke der aufzubringenden ersten Pulverschicht entspricht. Somit wird sichergestellt, dass das exakte Maß für die erste Dicke unabhängig von thermischen Längenänderungen der Bauplattform 22 und/oder der Grundplatte 28, der Aufbaukammer 18 oder weiterer Komponenten eingehalten wird.
  • Zur Auswertung der Messgröße und Generierung des Schaltsignales bei Berührung der Sensoreinrichtung 41 wird ein multifunktionales Analogmessmodul mit vorzugsweise einstellbaren Schaltschwellen verwendet. Durch diesen Aufbau kann eine Reproduzierbarkeit der Berührposition von ± 0,01 mm erzielt werden, woraus offensichtlich ist, dass davon ausgehend eine exakte Einstellung der Dicke für die erste Pulverschicht gegeben ist.
  • Alternativ zur vorbeschriebenen Signalerzeugung kann vorgesehen sein, dass die Bauplattform 22 oder eine darauf aufgebrachte Grundplatte 28 elektrisch leitend und die Bodenfläche 14 nicht elektrisch leitend ausgebildet ist. Bei Berührung der Sensoreinrichtung 41 wird wiederum eine Potential- oder Widerstandsänderung erzeugt und erfasst. Jedoch können durch diese Anordnung die Sensoreinrichtung 41 und die Nivelliereinrichtung 42 in einer gemeinsamen Einrichtung zusammengefasst und für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
  • In 5b ist ein Fall dargestellt, bei welchem die Nivellierebene 53 der Nivelliereinrichtung 42 oberhalb der Bodenfläche 14 liegt. Diese Anordnung wird vor allem bei einer starren Nivelliereinrichtung, wie bei einer Schleifwelle eingesetzt, wodurch verhindert werden soll, dass die Schleifwelle über die Bodenfläche 14 schleift. Die Bauplattform 22 wird solange nach oben gefahren, bis diese bzw. die Grundplatte 28 an der Sensoreinrichtung 41 anliegt oder in Berührung kommt und die Zwischenposition 57 erfasst wird. Die Zwischenposition 57 ist gegenüber der Bodenfläche 14 erhöht, wobei durch die oberhalb der Bodenfläche 14 liegende Nivellierebene 53 auf der Bodenfläche 14 eine entsprechende Pulverschicht verbleibt. Im Anschluss daran wird die Bauplattform 22 um das Maß der ersten Pulverschichtdicke zur Einnahme der Startposition 56 abgesenkt, wobei die Startposition 56 auch gegenüber der Bodenfläche 14 erhöht sein kann.
  • In 5c ist ein weiterer Anwendungsfall dargestellt, bei dem die Nivellierebene 53 unterhalb der Bodenfläche 14 liegt. Durch die Ausgestaltung der Sensoreinrichtung 41, welche quer zur Verfahrrichtung eine Länge aufweist, die gleich oder kleiner der Abmessung der Bauplattform 22 oder der Aufbaukammer 18 ist, wird ermöglicht, dass die Sensorelemente 44 in die Aufbaukammer 18 hineinragen. Die Bauplattform 22 nimmt demzufolge eine Zwischenposition 57 ein, welche unterhalb der Bodenfläche 14 liegt. Im Anschluss daran wird die Bauplattform 22 zur Einnahme der Startposition 56 abgesenkt.
  • Die als Bürste ausgebildete Sensoreinrichtung 41 weist den Vorteil auf, dass diese das Einebnen der Pulverschicht und Abstreifen von überschüssigem Werkstoffpulver unabhängig der zuvor genannten Fallgestaltungen nicht beeinträchtigt. Vielmehr kann zusätzlich eine Unterstützung gegeben sein. Darüber hinaus kann durch diese Sensoreinrichtung 41 die gesamte Größe der Bauplattform 22 für den Aufbau eines Formkörpers 29 genutzt werden. Zusätzliche mechanische Bauteile oder Antriebe sind nicht erforderlich, um die Sensoreinrichtung 41 zur Einnahme der Startposition 56 zur Aufbaukammer 18 zu positionieren.
  • Die vorbeschriebenen Fallgestaltungen können in Abhängigkeit von unterschiedlichen Ausdehnungen aufgrund der Wärme sowie durch Toleranzen in der Einjustierung auftreten und werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung einer Startposition 56 sowie durch die erfindungsgemäße Sensoreinheit 40 eliminiert.
  • In 6 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel dargestellt. Auf der Bauplattform 22 oder der Grundplatte 28 ist ein vorgeformter Formkörper 29 aufgebracht, auf welchen durch generative Verfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, weitere Bereiche und/oder Schichten aufgebracht werden sollen. Des Weiteren kann ein Formkörper 29 auf der Bauplattform 22 oder der Grundplatte 28 aufgebracht sein, der Beschädigungen an der Oberfläche aufweist, die es zu reparieren gilt. In beiden Anwendungsfällen ist wiederum erforderlich, dass die erste aufzulegende Pulverschicht eine exakte Dicke einhalten muss, damit eine gute Haftung zu der verfestigten Schicht bzw. zum Formkörper 29 ermöglicht ist. Die Einstellung der Startposition 56 erfolgt über die Zwischenposition 57, wie dies in den 5a bis c beschrieben ist.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers (29) durch generative Bearbeitungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, bei dem aus einem pulverförmigen Werkstoff (17) nach CAD-Daten eines Modells ein Formkörper (29) aufgebaut wird, bei dem mit einer Auftragseinheit (37) eine Pulverschicht aufgetragen und die aufgetragene Pulverschicht durch eine Strahlung (27) mit einer darunter liegenden Schicht oder einer Grundplatte (28) fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Auftragen einer ersten Schicht auf eine Bauplattform (22) oder eine Grundplatte (28) eine Sensoreinrichtung (41), deren Sensorebene (54) zur Nivellierebene (53) einer Nivelliereinrich tung (42) für die aufgetragene Pulverschicht festgelegt ist, der Bauplattform (22) oder der Grundplatte (28) zugeordnet wird, – die Bauplattform (22) oder die Grundplatte (28) relativ zur Sensoreinrichtung (41) verfahren wird, bis von der Sensoreinrichtung (41) ein Signal zum Stillsetzen der Bauplattform (22) an einen Antrieb (21) in einer Zwischenposition (57) ausgegeben wird und – die Bauplattform (22) oder die Grundplatte (28) ausgehend von der Zwischenposition (57) um eine Wegstrecke zur Einstellung der Schichtdicke der ersten Pulverschicht verfahren und in einer Startposition (56) positioniert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (22) oder Grundplatte (28) von einer die Sensoreinrichtung (41) und die Nivelliereinrichtung (42) aufnehmenden Haltevorrichtung (46) überfahren wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorebene (54) der Sensoreinrichtung (41) auf die Nivellierebene (53) der Nivelliereinrichtung (42) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der Bauplattform (22) oder Grundplatte (28) in der Zwischenposition (57) taktil durch die Sensoreinrichtung (41) erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Sensoreinrichtung (41) und der Bauplattform (22) oder der Grundplatte (28) ein unterschiedliches Potential angelegt oder deren elektrischer Widerstand erfasst wird und in der Zwischenposition (57) die Potential- oder Widerstandsänderung erfasst und als Stopsignal an den Antrieb (21) ausgegeben wird.
  6. Sensoreinheit zur Positionierung einer Bauplattform (22) von einer Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers (29) durch generative Bearbeitungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, in einer Startposition (56) zum Auftragen einer ersten Pulverschicht, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensoreinrichtung (41) mit zumindest einem Sensorelement (44) zur taktilen Signalerfassung vorgesehen ist, welches in zumindest einer Raumrichtung auslenkbar ist.
  7. Sensoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (44) elektrisch leitend ausgebildet ist.
  8. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (41) und die Nivelliereinrichtung (42) an einer gemeinsamen Haltevorrichtung (46) vorgesehen sind und der Abstand zueinander größer als eine Auslenkung der freien Länge der Sensorelemente (44) und von Nivellierelementen (43) der Nivelliereinrichtung (42) ist.
  9. Sensoreinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (41) elektrisch isoliert zur Nivelliereinrichtung (42) vorgesehen ist.
  10. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (41) als Bürstenleiste mit einer Vielzahl von Sensorelementen (44) ausgebildet ist, die einer Bürstenleiste mit einer Vielzahl von Nivellierelementen (43) der Nivelliereinrichtung (42) entspricht.
  11. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorebene (54) durch die freien Enden der Sensorelemente (44) und eine Nivellierebene (53) durch die freien Enden der Nivellierelemente (43) der Nivelliereinrichtung (42) gebildet ist.
  12. Sensoreinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorebene (54) des zumindest einen Sensorelementes (44) und die Nivellierebene (53) der Nivellierelemente (43) in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Bauplattform (22) oder Grundplatte (28) angeordnet sind.
  13. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nivelliereinrichtung (42) zumindest eine Länge umfasst, die größer als die quer zur Verfahrrichtung der Nivelliereinrichtung (42) sich erstreckende Abmessung der Bauplattform (22) oder der Grundplatte (28) ist und dass die zumindest eine Sensoreinrichtung (41) gleich groß oder kleiner als die quer zur Verfahrrichtung der Nivelliereinrichtung (42) sich erstreckende Abmessung der Bauplattform (22) oder der Grundplatte (28) ausgebildet ist.
  14. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (44) Kontaktzonen zur taktilen Erfassung der Bauplattform (22) oder Grundplatte (28) aufweist, die bei einer Oberflächentemperatur der Bauplattform (22) über 250°C bis zu 600°C hitzebeständig sind.
  15. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (44) der Sensoreinrichtung (41) aus hitzebeständigem Werkstoff, insbesondere aus Kohlefasern, ausgebildet ist.
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