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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch
eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines
Formkörpers
durch selektives Laserschmelzen,
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2 eine
schematisch vergrößerte Darstellung
einer Nivelliereinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
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3 eine
schematische Seitenansicht der Nivellier- und Sensoreinrichtung,
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4 eine
schematische Unteransicht der Nivellier- und Sensoreinrichtung gemäß 2,
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5a–c schematische
Ansichten zur Einstellung einer Startposition einer Bauplattform
bei unterschiedlichen Ausgangssituationen und
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6 eine
schematische Seitenansicht einer Nivellier- und Sensoreinrichtung
beim Positionieren der Bauplattform in einer Startposition mit einem Formkörper.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 4 ist
eine Ansicht von unten auf die Haltevorrichtung 46 dargestellt,
die die Sensoreinrichtung 41 und die Nivelliereinrichtung 42 aufnimmt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.