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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern
durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver durch ortsselektives Verfestigen
des Pulvers zu zusammenhängenden Bereichen nach Maßgabe
von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers, umfassend
- – einen Prozessraum mit einem Prozessraumboden,
der eine Basisebene und eine relativ dazu mittels einer steuerbaren
Antriebseinheit längs einer vertikalen Bauplattformachse
gesteuert höhenverstellbare Bauplattform für den
Formkörper aufweist,
- – eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung zur
Präparierung einer jeweiligen nachfolgend ortsselektiv
zu verfestigenden Pulverschicht auf der Bauplattform und
- – eine Pulververfestigungseinrichtung, die zum ortsselektiven
Verfestigen von Pulver der jeweils zuletzt auf der Bauplattform
präparierten Pulverschicht aktivierbar ist,
wobei
die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung eine Pulverversorgungseinrichtung
zur Bereitstellung von Pulver in dem Prozessraum und einen Glättungsschieber
mit einer Pulverglättungsleiste zur Verteilung und Glättung
des von der Pulverversorgungseinrichtung im Prozessraum bereitgestellten
Pulvers auf der Bauplattform aufweist, wobei der Glättungsschieber
mit seiner Pulverglättungsleiste zwischen zwei Umkehrstellen
mit in Draufsicht dazwischenliegender Bauplattform im Prozessraum
hin- und herbewegbar ist, um die Pulverglättungsleiste
in einem der gewünschten Pulverschichtdicke entsprechenden Abstand
zu der im jeweils vorausgegangenen Schritt auf der Bauplattform
ortsselektiv verfestigten Pulverschicht über die Bauplattform
hinwegzubewegen.
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Derartige
Vorrichtungen zur Herstellung von Formkörpern sind in diversen Ausgestaltungen
bekannt. Grundsätzliche Unterschiede bekannter Vorrichtungen
dieser Art ergeben sich aus der Wirkungsweise der Pulververfestigungseinrichtung.
So gibt es Vorrichtungen, bei denen die Pulververfestigung durch
ortsselektives Aufbringen eines Bindemittels oder chemischen Reaktants
auf die jeweils zuletzt auf der Bauplattform präparierten
Pulverschicht erfolgt, um diese an den betreffenden Stellen zu zusammenhängenden
Bereichen zu verfestigen, die sich mit entsprechend verfestigten
Bereichen an der jeweils darunter liegenden Schicht verbinden.
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Als
besonders interessant hat sich jedoch in den letzten Jahren ein
anderes Arbeitsprinzip beim ortsselektiven Verfestigen von Pulver
herausgestellt, nämlich das Verfestigen durch Umschmelzen
oder ggf. durch Sintern des Pulvers durch Energieeintrag durch Strahlung,
insbesondere Laserstrahlung. Die Arbeitsweise des Umschmelzens des
Pulvers wird in der vorliegenden Anmeldung als selektives Laserschmelzen
bezeichnet. Das selektive Laserschmelzen wird eingesetzt, um Formkörper
aus metallischen Pulvern oder/und keramischen Pulvern herzustellen.
Die dazu verwendeten Vorrichtungen werden auch als SLM-Vorrichtungen
bezeichnet und sind in diversen Varianten bekannt, so z. B. aus
der
DE 10 2004
041 633 A1 , der
DE
102 36 907 A1 , der
DE 199 05 067 A1 , der
DE 10 112 591 A1 oder der
WO98/ 24574 A1 .
Diese SLM-Vorrichtungen werden benutzt, um einen Formkörper
entsprechend Geometriedaten, insbesondere CAD-Daten, des Formkörpers
durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem
oder keramischem Werkstoff herzustellen, wobei nacheinander mehrere
Pulverschichten übereinander aufgebracht werden und jede
Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht
mit einem fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich,
der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Formkörpers entspricht,
erhitzt wird. Der Laserstrahl wird dabei jeweils entsprechend den
CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs
des Formkörpers oder daraus abgeleiteter Daten über
die jeweilige Pulverschicht geführt. Durch den Energieeintrag der
Laserstrahlung wird das Werkstoffpulver im Bereich der Auftreffstelle
des Laserstrahls ortsselektiv umgeschmolzen, so dass zusammenhängende
Bereiche möglichst homogen umgeschmolzenen Materials in
der jeweiligen Schicht entstehen. Übereinander liegende
umgeschmolzene Bereiche zweier aufeinander folgender Schichten verbinden
sich, so dass der Formkörper Schicht für Schicht
zusammenhängend entsteht.
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Die
Qualität der Präparation der auf der Bauplattform
aufeinander folgenden Pulverschicht im Sinne des Einhaltens einer
jeweiligen vorbestimmten Schichtdicke und des Schaffens einer jeweiligen
ebenen Pulverschichtoberfläche spielt eine wesentliche Rolle
beim selektiven Laserschmelzen, da sie die Homogenität
des aus dem Pulver erschmolzenen und wiedererstarrten Materials
des Formkörpers bestimmt. Dies gilt sowohl für
die Herstellung eines Formkörpers nach dem Prinzip des
selektiven Laserschmelzens als auch bei der Herstellung eines Formkörpers
nach dem Prinzip des selektiven Lasersinterns, bei dem das Pulvermaterial
nicht vollständig durchgeschmolzen, sondern an den bestrahlten
Stellen gesintert wird. Dabei kommen üblicherweise Mehrkomponenten-Pulvermaterialien
zum Einsatz, die unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen.
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Die
Präparation einer jeweils neuen Pulverschicht auf der Bauplattform
sollte in jedem Fall ungeachtet des zum Einsatz kommenden Pulververfestigungsprinzips
möglichst wenig Zeit beanspruchen, damit der Bauprozess
des Formkörpers insgesamt möglichst schnell erfolgen
kann. Um diesen Anforderungen zu genügen, nämlich
dem raschen Herstellen einer homogenen ebenen Pulverschicht der
gewünschten Pulverschichtdicke, sind verschiedene Schichtenpräparierungseinrichtungen
vorgeschlagen worden.
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Bei
der Vorrichtung gemäß der
DE 102 36 907 A1 weist
die Schichtenpräparierungseinrichtung einen Pulverspender
in Form eines Patronengehäuses mit einer Kammer zur Aufnahme
einer Vorratsmenge an Pulver auf. Der Pulverspender ist mitbewegter
Teil eines Glättungsschiebers und hat an seiner Unterseite
einen durchgehenden Pulverausgabespalt und zwei Pulverglättungsleisten
aus Silikon oder dgl. Die Pulverglättungsleisten verlaufen
parallel zueinander und bilden eine gemeinsame unterste Ebene der
Schichtenpräparierungseinrichtung. Der Pulverausgabespalt
verläuft zwischen den beiden Glättungsschiebern.
Zur Präparierung einer Pulverschicht wird zunächst
der Abstand zwischen den unteren Flächen der beiden Glättungsschieber
zu der zuletzt bearbeiteten. Schicht auf das Maß der gewünschten
herzustellenden Pulverschichtdicke eingestellt. Dann wird die Schichtenpräparierungseinrichtung
unter Einhaltung dieses Abstandsmaßes über die
Bauplattform und somit über die zuletzt bearbeitete Schicht
hinwegbewegt. Dabei wird aus dem mitbewegten Pulverspender durch
den unteren Abgabespalt hindurch Pulver ausgegeben und mittels der
Glättungsschieberleiste verteilt und eingeebnet. Die pro
Schicht bereitgestellte Pulvermenge wird durch eine im Pulverspender
mitgeführte Dosierwelle jeweils vorgegeben.
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Bei
der Weiterentwicklung der hier insbesondere betrachteten Technologie
des selektiven Laserschmelzens (SLM) und der Ausdehnung des Verfahrens
auf die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Pulvermaterialien,
wie z. B. Gold, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom usw., hat es sich
gezeigt, dass die Pulvermaterialien z. B. höchst unterschiedlich fließfähig
oder rieselungsfähig sind und dass insbesondere in Bezug
auf die Fließeigenschaften einiger Pulvermaterialien noch
Optimierungsbedarf bei den Mitteln zur Schichtenpräparierung
besteht. Einige Pulver haben sich als sehr gut fließfähig
gezeigt, so dass bei Schichtenpräparierungseinrichtungen
ohne Einzeldosierungsmittel gelegentlich zu große Mengen
solcher Pulver bei jedem Schichtenpräparierungsschritt
ausgegeben wurden. Andere Pulvermaterialien zeigten demgegenüber
eine Tendenz zur Verklumpung im Pulverspendergehäuse, so
dass über den bekannten Ausgabespalt solcher Schichtenpräparierungseinrichtungen
kein gleichmäßiger Pulverstrom ausgegeben werden
konnte. Dies hat die Qualität der präparierten
Schichten beeinträchtigt.
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Es
sind im Stand der Technik auch Lösungen vorgeschlagen worden,
bei denen ein größerer Vorrat an Werkstoffpulver
auf einem Hubkolben in einem Zylinderloch des Prozessraumbodens
für den Bauprozess eines Formkörpers deponiert
wird, wobei der Hubkolben jeweils synchron mit der Absenkbewegung
der Bauplattform nach der ortsselektiven Verfestigung der jeweils vorausgegangenen
Pulverschicht um ein entsprechendes Maß angehoben wird,
um eine kleine Pulvermenge über das Höhenniveau
der Basisebene des Prozessraumbodens zu heben, wobei diese Pulvermenge
dann von einem Glättungsschieber zur Bauplattform geschoben
und dort zu einer gleichmäßigen Schicht verteilt
wird. Dieses Prinzip der Pulverzuführung durch einen mit
der Absenkbewegung der Bauplattform korrespondierenden Kolbenhub
im Pulvervorratszylinder hat sich als wenig flexibel in Bezug auf
etwaig gewünschte Variationen der jeweils zugeführten
Pulvermenge pro Pulverpräparationsschritt und hinsichtlich
der zeitlichen Optimierung erwiesen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art mit einer neuartigen Schichtenpräparierungseinrichtung
bereitzustellen, welche zur Präparierung von Schichten
aus Pulvermaterialien unterschiedlicher Fließfähigkeiten
mit gutem Ergebnis betreffend die Qualität der jeweiligen
Schichten verwendbar ist, einen einfachen Aufbau hat und eine rasche
Durchführung der jeweiligen Schichtenpräparation
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einer Pulverversorgungseinrichtung ausgestattet
wird, die einen an einem außerhalb des Prozessraumes vorgesehenen
Pulvervorratsbehälter angeschlossenen bzw. anschließbaren
Pulverzuführungskanal und einen Förderer zum Fördern
von Pulver in dem Pulverzuführungskanal, insbesondere während
der Phasen, in denen die Pulververfestigungseinrichtung zur ortsselektiven
Verfestigung von Pulver der jeweils zuletzt auf der Bauplattform
präparierten Pulverschicht aktiviert ist, aufweist, wobei
der Pulverzuführungskanal an wenigstens einer zwischen
der Bauplattform und einer der Umkehrstellen der Pulverglättungsleiste
liegenden Pulvereinlassstelle in den Prozessraum einmündet,
um Pulver unmittelbar zu dem Prozessraumboden zu leiten.
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Der
Pulverzuführungskanal leitet das von dem Förderer
geförderte Pulver unmittelbar zu dem Prozessraumboden.
Ein Pulverspender als mitbewegter Bestandteil des Glättungsschiebers,
wie etwa aus der
DE
102 36 907 A1 bekannt, ist bei der Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Dies hat den Vorteil,
dass der Glättungsschieber eine erheblich geringere Masse
und somit eine erheblich geringere Trägheit aufweist, so
dass er mit einem vergleichsweise schwachen Bewegungsantrieb rasch über
die Bauplattform hinweg verfahren werden kann, um eine neue Pulverschicht zu
präparieren. Der zeitlichen Optimierung kommt auch zugute,
dass die Pulverzufuhr zum Prozessraumboden in den Phasen stattfinden
kann, in denen die Pulververfestigungseinrichtung zur ortsselektiven Verfestigung
der jeweils zuletzt auf der Bauplattform präparierten Pulverschicht
aktiviert ist. Unmittelbar nach Abschluss des Pulververfestigungsschrittes oder
ggf. sogar etwas eher kann der Glättungsschieber bereits
in Bewegung gesetzt werden, um das ja schon vor der Pulverglättungsleiste
bereitliegende Pulver über die zwischenzeitlich um das
Maß der gewünschten Pulverschichtdicke abgesenkte
Bauplattform zu verteilen. Die Zwangsförderung des Pulvers durch
den Pulverzuführungskanal bietet einen störungsfreien
Nachschub der jeweils gewünschten Pulvermenge für
den aktuellen Schichtenpräparierungsschritt, und zwar im
Wesentlichen ungeachtet der Art und der Fließfähigkeit
des verwendeten Pulvers.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
mündet der Pulverzuführungskanal an einer zwischen
der Bauplattform und einer der Umkehrstellen der Pulverglättungsleiste
liegenden Pulvereinlassstelle von unten her in den Prozessraumboden.
In diesem bevorzugten Fall drückt der Förderer
somit die jeweils gewünschte Pulvermenge von unten her
in den Prozessraum. Der daraufhin in Bewegung versetzte Glättungsschieber nimmt
das Pulver dann mittels der Pulverglättungsleiste zur Bauplattform
mit, um es dort in einer gleichmäßigen Schicht
der gewünschten Dicke abzulegen.
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Für
die Pulverförderung in dem Pulverführungskanal
in Richtung zum Prozessraum hat sich ein Schneckenförderer
als besonders geeignet erwiesen, der eine in dem Pulverzuführungskanal
vorgesehene Förderschnecke aufweist. Der Pulverzuführungskanal
kann z. B. ein Rohr oder ggf. einen Pulverzuführungsschlauch
aus flexiblem Material umfassen.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der Vorrichtung nach der Erfindung um eine SLM-Vorrichtung,
bei der die Pulververfestigungseinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung
mit einer Strahlungsquelle, insbesondere Laserstrahlungsquelle aufweist,
deren Strahlung ortsselektiv auf die Bauplattform zu richten ist,
um Pulver einer jeweils zuletzt darauf präparierten Pulverschicht
zu zusammenhängenden Bereichen umzuschmelzen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung
so ausgestaltet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens
des selektiven Lasersinterns verwendbar ist.
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Vorzugsweise
ist die Bauplattform relativ zur Basisebene des Prozessraumbodens
jeweils um das Maß einer gewünschten Pulverschichtdicke
in eine neue Absenkstellung absenkbar, um eine jeweilige neue Pulverschicht
aufzunehmen, wobei ferner die Unterseite der Pulverglättungsleiste
im Wesentlichen auf der Höhe der Basisebene des Prozessraumbodens
angeordnet ist, insbesondere mit letzterer Kontakt hat. Wie später
noch erläutert ist, kann die Bauplattform nach einer jeweiligen
Präparation einer Pulverschicht noch gesteuert vertikal
bewegt werden, um die Größe des Strahlauftreffpunktes
im Falle der Bestrahlung mit einem fokussierten Laserstrahl auf der
Pulverschicht einzustellen und/oder ggf. sogar während
des Bestrahlungsvorgangs zu variieren.
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Hinsichtlich
der Ausgestaltung des Glättungsschiebers hat sich eine
Ausführungsform als besonders geeignet herausgestellt,
wobei diese Ausführungsform des Glättungsschiebers
eine weitere Pulverglättungsleiste aufweist, die in horizontalem Abstand
zu der ersten Pulverglättungsleiste auf gleicher Höhe
mit dieser verläuft, so dass die Pulverglättungsleisten
einen zum Prozessraumboden offenen Zwischenraum begrenzen, wobei
der Glättungsschieber mit seinen Pulverglättungsleisten
in eine Pulvernachfüllwartestellung neben der Bauplattform so
positionierbar ist, dass die Pulvereinlassstelle in den Zwischenraum
einmündet. Auch für diesen Fall gilt, dass eine
besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine
Pulvereinlassstelle hat, die im Prozessraumboden vorgesehen ist,
um das Pulver von unten her in den Prozessraum und insbesondere
in den Zwischenraum zwischen den Pulverglättungsleisten
einzubringen. Bei der Hin- und Herbewegung des Glättungsschiebers
verbleibt überschüssiges, nicht auf der Bauplattform
abgelegtes Pulver zumindest größtenteils in dem
Zwischenraum zwischen den Pulverglättungsleisten und ist
somit daran gehindert, den Prozessraum unkontrolliert zu verschmutzen.
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Die
Pulvereinlassstelle kann ein z. B. rundes Mündungsloch
des Pulverzuführungskanals mit relativ kleinem Durchmesser
sein. Insbesondere für diesen Fall wird es vorgeschlagen,
dass die Pulverglättungsleisten in Draufsicht die Form
von Bögen haben, die in der Pulvernachfüllwartestellung
des Glättungsschiebers in Richtung zur Bauplattformachse konvex
sind. Eine solche besonders bevorzugte Lösung hat den Vorteil,
dass bei der Bewegung des Glättungsschiebers aus der Pulvernachfüllwartestellung
heraus in Richtung zur Bauplattform die zunächst im Wesentlichen
auf das Gebiet der relativ kleinen Pulvereinlassstelle konzentrierte
nachgelieferte Pulvermenge rasch über einen breiteren Bereich
der nachlaufenden Glättungsleiste verteilt wird, so dass
sich die Glättungsleiste auf hinreichender Breite Pulvermaterial über
der Bauplattform verteilen kann.
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Bei
der Rückfahrbewegung des Glättungsschiebers wird
aufgrund der Bogenform der Glättungsschieberleisten überschüssiges
Pulver wieder tendenziell auf einen schmaleren Scheitelbereich des
dann nachlaufenden Glättungsschiebers gesammelt. Auch dies
ist eine Maßnahme, die unkontrollierte Verschmutzung des
Prozessraums durch überschüssiges Pulver zu vermeiden.
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Der
Pulverförderer ist mit einer elektronischen Steuereinrichtung
der Vorrichtung vorzugsweise so steuerbar, dass er eine jeweilige
vorbestimmte Menge Pulver für die Präparierung
einer jeweiligen nachfolgend zu verfestigenden Pulverschicht in
den Prozessraum einbringt. Dabei sollte die Pulvermenge so dosiert
sein, dass sie für die Präparation der betreffenden
Pulverschicht gerade ausreicht, so dass wenig überschüssiges
Pulver im Prozessraum zu handhaben ist. Wie oben schon erwähnt,
erfolgt die Pulverzufuhr vorzugsweise dann, wenn der Glättungsschieber
in seiner Pulvernachfüllwartestellung ist, und zwar in
einer jeweiligen Phase der Pulververfestigung mittels der Pulververfestigungseinrichtung; im
Falle selektiven Laserschmelzens während der Bestrahlungsphasen
der Pulverschicht.
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In
Bezug auf die Problematik eines möglichst sauberen Pulver-Handlings
im Prozessraum wird gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt
vorgeschlagen, dass bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 oder bei einer Vorrichtung nach einem
der Ansprüche 1–8 eine Pulverabsaugeinrichtung
zur Absaugung von überschüssigem Pulver von der
Bauplattform nach Fertigstellung eines betreffenden Formkörpers
vorgesehen ist, wobei die Absaugeinrichtung eine Saugglocke umfasst, die
im Prozessraum über die Bauplattform stülpbar ist
und die über Absaugleitungen mit einem externen Sammelbehälter
verbunden ist. Zum Absaugen wird eine Pumpe aktiviert, welche den
erforderlichen Unterdruck in der Saugglocke erzeugt und das Pulver über
die Absaugleitungen absaugt. Dies kann bedarfsweise in Schutzgasatmosphäre
erfolgen. Das Innenvolumen der Saugglocke kann im Vergleich mit dem
Innenvolumen des Prozessraumes normalerweise klein gehalten werden.
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Vorzugsweise
ist die Bauplattform bei darübergestülpter Absaugglocke
zumindest näherungsweise auf die Basisebene des Prozessraumbodens oder
darüber hinaus anhebbar, insbesondere während
eines Pulverabsaugvorganges, um so einen betreffenden Formkörper
in die Absaugglocke einzubringen und ihn von Überschusspulver
zu befreien.
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Es
kann eine Pulverauflockerungseinrichtung vorgesehen sein, um das
abzusaugende Pulver auf der Bauplattform aufzulockern. Die Pulverauflockerungseinrichtung
kann z. B. eine die Bauplattform in Vibration versetzende Rütteleinrichtung,
insbesondere Ultraschall-Rütteleinrichtung sein.
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Nach
Beendigung eines Absaugvorgangs sollte der hergestellte Formkörper
von überschüssigem Pulver an seiner Außenseite
weitestgehend befreit sein. Die Absaugglocke kann dann wieder gelüftet
oder ggf. mit Schutzgas befällt werden, um einen Druckausgleich
mit der Umgebung im Prozessraum herzustellen. Die Handhabung der
Absaugglocke kann manuell z. B. unter Verwendung eines einen Durchgriff
durch eine Prozessraumgehäusewandöffnung gestattenden
Dichthandschuhs erfolgen. Alternativ kann die Handhabung der Absaugglocke
auch automatisch, z. B. mittels einer Robotereinrichtung oder dgl.
erfolgen.
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Dem
Aspekt der Pulverabsaugung mittels einer Pulverabsaugglocke kommt
ggf. selbständige Bedeutung zu.
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Dies
gilt auch für den nachfolgenden Erfindungsaspekt der Variation
der Höheneinstellung der Bauplattform zum Zwecke der Modifikation
der Größe der Strahlauftrittsstelle des fokussierten
Laserstrahls auf der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht.
Diesbezüglich wird eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 1 bis 12
vorgeschlagen, bei der die Pulververfestigungseinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung
mit einer Strahlungsquelle, insbesondere Laserstrahlungsquelle aufweist,
deren Strahlung ortsselektiv auf die Bauplattform zu richten ist,
um Pulver einer jeweils zuletzt darauf präparierten Pulverschicht
zu zusammenhängenden Bereichen umzuschmelzen oder zu versintern,
wobei die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Strahlung der Strahlungsquelle in Form
eines fokussierten Strahls, insbesondere fokussierten Laserstrahls,
auf die Bauplattform zu richten ist, wobei die Bauplattform mittels
der steuerbaren Antriebseinheit zwischen unmittelbar aufeinander
folgenden Pulverschichtenpräparierungsvorgängen
relativ zum Brennpunkt bzw. der Brennebene des fokussierten Strahls
vertikal verstellbar ist, um die Größe des Strahlauftreffpunktes
auf der zuletzt auf der Bauplattform präparierten Pulverschicht
zu variieren. Durch Variation der Größe des Strahlauftreffpunkts kann
die jeweilige Energiedichte, also die pro Flächeneinheit
und Zeiteinheit an der Auftreffstelle auftreffenden Strahlung variiert
werden. Die höchste Energiedichte wird üblicherweise
erhalten, wenn die Oberfläche der präparierten
Pulverschicht in der Brennebene des fokussierten Strahls liegt.
In diesem Fall sind am Strahlauftreffpunkt rasch sehr hohe Temperaturen
erreichbar. Der Strahlauftreffpunkt hat jedoch eine äußerst
geringe Ausdehnung. Insbesondere bei niedrig schmelzenden Pulvermaterialien
ist es gar nicht erforderlich, eine derart hohe Energiedichte beim
Abscannen der Pulverschichten mit dem fokussierten Strahl an den
zu verfestigenden Stellen zu verwenden. Vielmehr kann es Sinn machen,
mit einem etwas ”defokussierten” Strahl die Pulverschicht
abzutasten. Dieser Strahl hat dann eine etwas größere
Ausdehnung des Strahlauftreffpunktes, so dass beim Abtasten der
Pulverschicht jeweils eine breitere Abtastspur erzeugt werden kann.
Davon ist auch in der Vergangenheit bereits Gebrauch gemacht worden.
Allerdings hat man zur Realisierung dieser Fokussierungs- bzw. Defokussierungsmöglichkeiten
verstellbare optische Elemente, insbesondere Linsen im Strahlengang
der Bestrahlungseinrichtung vorgesehen und diese optischen Elemente dann
so gesteuert, dass sie die Größe des Strahlauftreffpunktes
auf der zuletzt auf der Bauplattform präparierten Pulverschicht
in gewünschter Weise einstellen.
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Die
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kommt ohne eine solche
zusätzliche Steuerung optischer Komponenten aus, indem
sie die ohnehin vorhandene steuerbare Antriebseinheit für
den Vertikalantrieb der Bauplattform nutzt, um zur Fokussierung/Defokussierung
des Pulververfestigungsstrahles die Bauplattform in gewünschter
Weise einzustellen. Dies kann jeweils unmittelbar vor Start des
Bestrahlungsvorganges erfolgen.
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Bedarfsweise
kann die Bauplattform mittels der steuerbaren Antriebseinheit relativ
zum Brennpunkt bzw. der Brennebene des Strahles jedoch auch während
des Vorgangs der ortsselektiven Bestrahlung der zuletzt auf der
Bauplattform präparierten Pulverschicht gesteuert verstellbar
sein, um die Größe des Strahlauftreffpunktes je
nach den Koordinaten des Strahlauftreffpunktes auf der Pulverschicht
in gewünschter Weise zu variieren. Diese Möglichkeit
hat sich als besonders vorteilhaft für einen raschen und gleichmäßigen
Bauprozess eines Formkörpers erwiesen. Die Erfindung ist
somit auch unter dem Verfahrensaspekt der Fokalverstellung aufgrund
der variierbaren Höheneinstellung der Bauplattform interessant.
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Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung nach der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme
auf die Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
in einer Perspektivdarstellung eine SLM-Vorrichtung nach der Erfindung
in Außenansicht.
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2a und 2b zeigen
in grob schematischer Weise eine Momentaufnahme während
des Vorgangs der Bestrahlung der zuletzt präparierten Pulverschicht
auf der Bauplattform.
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3a und 3b zeigen
in einer grob schematischen Darstellung eine Pulverabsaugglocke über
der Bauplattform bei unterschiedlichen Höheneinstellungen
der Bauplattform.
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4a, 4b und 4c zeigen
in einer perspektivischen Darstellung das Prozessraumabteil der
Vorrichtung aus 1 in einem weitgehend auseinander
gebauten Zustand, um den Blick auf eine Schichtenpräparierungseinrichtung
freizugeben, die in den 4a–4c in
unterschiedlichen Einstellungen gezeigt ist.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf eine Schichtenpräparierungseinrichtung
und den Prozessraumboden einer SLM-Vorrichtung nach der Erfindung.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Schichtenpräparierungseinrichtung
für eine SLM-Vorrichtung nach der Erfindung in einer Perspektivansicht,
wie sie ähnlich auch in den 4a–4c verwendet
wurde.
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7 zeigt
eine SLM-Vorrichtung der in 6 dargestellten
Bauart, jedoch mit abgewandelter Form der Pulverglättungsleisten.
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1 zeigt
als Beispiel für eine SLM-Vorrichtung ein SLM-Tischgerät,
welches z. B. zur Herstellung von Zahnersatzteilen, Schmuck, kleinen
Maschinenteilen usw. verwendet werden kann und insbesondere auch
für den Bereich der Erforschung von Vorgängen
beim selektiven Laserschmelzen (SLM) oder ggf. beim selektiven Lasersintern
(SLS) geeignet ist.
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Die
SLM-Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 3 mit
einem Prozessraumabteil 5 und einem Versorgungsabteil 7 auf.
In dem Prozessraumabteil 5 befindet sich der Prozessraum 9 mit
seinem Prozessraumboden 11 und der darin eingelassenen
Bauplattform 13, wie dies durch das Sichtfenster 15 in
der vorderen Gehäusewand des Prozessraumabteils 5 zu
erkennen ist. Ein Stereomikroskop 17 kann genutzt werden,
um den SLM-Bauprozess zu beobachten und/oder die Einstellung bestimmter
Parameter, wie z. B. Die Fokaleinstellung des verwendeten Laserstrahls
zu prüfen. In den einander entgegengesetzten Seitenwänden
des Prozessraumabteils 5 sind Durchgriffsöffnungen 19 vorgesehen,
die von einem daran vorgesehenen Durchgriffshandschuh (nicht erkennbar)
nach außen hin abgedichtet sind. Das Prozessraumabteil 5 ist
somit als Handschuhbox ausgebildet und erlaubt den manuellen Zugriff
auf Komponenten in dem Prozessraum 9 von außen
her. Während des Bauprozesses eines Formkörpers herrscht
in dem Prozessraum 9 vorzugsweise Schutzgasatmosphäre.
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In
dem Versorgungsabteil 7 sind unter anderem Komponenten
für die Schutzgasversorgung, Komponenten der elektronischen
Steuerung des Gerätes sowie elektrische Komponenten vorgesehen.
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In 2a ist
in einer grob schematischen Weise eine Momentaufnahme während
der Bestrahlung einer zuletzt auf der Bauplattform 13 präparierten
Pulverschicht 21 dargestellt. Ausgehend von einer ersten
Pulverschicht, die auf einer Substratplatte 25 präpariert
worden ist, hat der Bauprozess des Formkörpers 23 begonnen
und ist dann Schicht für Schicht bis zu der in 2a angedeuteten
Momentaufnahme fortgesetzt worden. Das verwendete Pulver ist z.
B. Metallpulver oder ggf. Keramikpulver. Nach der Präparation
einer jeweiligen Pulverschicht auf der Bauplattform 13 wird
diese mittels eines Laserstrahls 27 ortsselektiv an den
Stellen bestrahlt, an denen das Pulver zu zusammenhängend
verfestigten Bereichen umgeschmolzen werden soll. Der Laserstrahl 27 tastet
die aktuell zu bestrahlende Schicht 21 in gesteuerter Weise
ab, wobei hierzu z. B. ein X-Y-Galvanoscanner 29 zum Einsatz
kommt. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung die Einschalt-/Ausschaltphasen
des Laserstrahls 27.
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Gemäß 2a ist
der Laserstrahl 27 so fokussiert, dass sein Brennpunkt 31 an
der Oberfläche der Pulverschicht 21 liegt. Der
Strahlauftreffpunkt 37 ist somit an dieser Stelle äußerst
klein und die Energiedichte das Laserstrahls im Strahlauftreffpunkt
ist sehr hoch.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Größe
des Strahlauftreffpunktes 37 und somit dessen Energiedichte
dadurch variiert werden, dass die in einer Zylinderführung 33 entlang
der vertikalen Achse 35 gesteuert bewegbare Bauplattform 13 in
ihrer Höheneinstellung variiert wird. 2b zeigt
den Beispielsfall, dass die Bauplattform 13 nach der Präparierung
der aktuell zu bestrahlenden Schicht 21 um ein Absenkmaß Y
gegenüber dem Brennpunkt 31 des Laserstrahls 27 abgesenkt
worden ist, so dass der Laserstrahl 27 am Strahlauftreffpunkt 37 auf
der Oberseite der zu bestrahlenden Pulverschicht 21 wieder
etwas aufgeweitet ist im Vergleich zu der Situation gemäß 2a.
Der Strahlauftreffpunkt 37 auf der zu bestrahlenden Pulverschicht 21 in 2b ist
somit größer geworden und hat pro Flächeneinheit
eine geringere Energie als der dem Brennpunkt entsprechen de Strahlauftreffpunkt 37 in 2a.
Durch entsprechende Höheneinstellung der Bauplattform 13 kann
somit die Größe des Strahlauftreffpunktes auf
der zu bestrahlenden Pulverschicht 21 während
des Bestrahlungsvorgangs variiert werden, sofern dies erwünscht
ist. Andererseits ist es auch möglich, dass jeweils zu
Beginn eines Schichtenbestrahlungsvorganges diese Fokaleinstellung bzw.
Defokussierung durch entsprechende Höheneinstellung der
Bauplattform 13 erfolgt.
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In
den 4a–4c ist
der Prozessraumbereich der in 1 gezeigten
SLM-Vorrichtung erkennbar, wobei das Gehäuse 3 im
weitgehend auseinandergebauten Zustand dargestellt ist, um den Blick
auf die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 41 freizugeben.
Diese umfasst einen Glättungsschieber 43, welcher
als ein Schwenkarm ausgebildet ist, der um eine vertikale Schwenkachse 45 zwischen
der in 4a gezeigten ersten Umkehrstellung
und der in 4c gezeigten zweiten Umkehrstellung
hin- und herschwenkbar ist. Bei einer solchen Schwenkbewegung überstreicht
der Glättungsschieber 43 die Bauplattform 13 im
Prozessraumboden 11, um eine glatte Pulverschicht auf der
Bauplattform 13 zu erzeugen. Der Glättungsschieber
hat zu diesem Zweck zwei Pulverglättungsleisten 47, 49 aus
Silikon oder dgl., deren Unterseiten auf der Basisebene 51 des
Prozessraumbodens 11 liegen. Die beiden Pulverglättungsleisten 47, 49 begrenzen
zwischen sich einen nach unten offenen Zwischenraum 53,
in dem der Glättungsschieber 43 Pulver zur Bauplattform 13 transportieren
kann. Das Pulver wird mittels einer Pulverversorgungseinrichtung
in den Prozessraum 9 gefördert. Das zugeführte
Pulver wird durch eine Pulvereinlassöffnung oder Pulvereinlassstelle 55 im
Prozessraumboden 11 von unten her in den Prozessraum 9 eingebracht.
Die Pulvereinlassöffnung 55 befindet sich an einer
Stelle zwischen der Bauplattform 13 und der in 4a gezeigten
Umkehrstelle der Glättungsleiste 49. Genauer gesagt,
liegt die Pulvereinlassöffnung 55 exakt unter
dem Zwischenraum 53 zwischen den Pulverglättungsleisten 47, 49,
wenn der Glättungsschieber 43 in der in 4a gezeigten Umkehrstellung
ist, die auch eine Pulvernachfüllwartestellung des Glättungsschiebers 43 ist.
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Nach
der Zufuhr einer dosierten Menge Pulvers in den Zwischenraum 53 veranlasst
die Steuerung der SLM-Vorrichtung den Glättungsschieber 43 dazu,
von der in 4a gezeigten Umkehrstellung
in die in 4c gezeigte Umkehrstellung zu
verschwenken, so dass das dabei von der nachlaufenden Pulverglättungsleiste 49 vorgeschobene
Pulver zu der Bauplattform 13 gelangt. Die Bauplattform 13 ist
zuvor um das Maß der gewünschten Pulverschichtdicke
in ihrer Zylinderführung 33 abgesenkt worden.
Da die Glättungsleisten 47, 49 mit ihren
Unterseiten auf der Basisebene 51 des Prozessraumbodens 11 liegen,
wird beim Überstreichen der Bauplattform 13 somit
eine geglättete Pulverschicht der gewünschten
Dicke erzeugt. Der Glättungsschieber 43 fährt
dann zurück in die Pulvernachfüllwartestellung
(Umkehrstellung) gemäß 4a, und
es kann der Bestrahlungsvorgang zur ortsselektiven Verfestigung
der zuvor präparierten Pulverschicht beginnen.
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Während
des Bestrahlungsvorgangs kann bereits wieder eine nächste
Pulverdosis durch die Pulvereinlassstelle 55 in den Zwischenraum 53 des Glättungsschiebers 43 für
die Präparation der nächsten Pulverschicht auf
der Bauplattform 13 gefördert werden. Das Pulver
wird hierzu aus einem externen Vorratsbehälter 57 der
Pulvereinlasstelle 55 zugeführt, wobei ein unterhalb
des Prozessraumbodens 11 verlaufender Pulverzuführungskanal
die Pulvereinlassstelle 55 mit dem Vorratsbehälter 57 verbindet.
In dem Pulverzuführungskanal ist eine Förderschnecke
drehbar aufgenommen, die von einem gesteuert betreibbaren Elektromotor 59 zur
Drehung angetrieben wird, um das Pulver aus dem Vorratsbehälter 57 heraus
zur Pulvereinlasstelle 55 zwangszufördern.
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Die
Vorgänge der Pulverschichtenpräparierung auf der
Bauplattform 13 und der orstsselektiven Verfestigung durch
Bestrahlung des Pulvers wiederholen einander, bis der gewünschte
Formkörper 23 fertiggestellt ist. Die Führung
des Laserstrahls 27 bei dessen Abtastbewegung über
die Bauplattform 13 erfolgt in bekannter Weise nach Maßgabe
von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers jeweils betreffend
die aktuell bestrahlte Schicht.
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In
den 4a–4c ist
ein weiteres Loch 61 in dem Prozessraumboden 11 erkennbar.
Dieses dient dazu, überschüssiges Pulver vom Prozessraumboden 11 abzuführen.
Dies kann manuell unter Verwendung der Dichthandschuhe (nicht gezeigt)
an den Durchgriffsöffnungen 19 mit einem Fegewerkzeug
oder dgl. erfolgen.
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In 5 ist
eine Draufsicht auf den Prozessraumboden 11 und den Glättungsschieber 43 einer SLM-Vorrichtung
nach der Erfindung gezeigt, die nur in Nuancen, die für
die vorliegende Beschreibung unbedeutend sind, von der SLM-Vorrichtung
nach den 4a–4c abweicht.
Elemente in 5, die Elementen in den 4a–4c gegenständlich oder
funktional entsprechen, sind mit korrespondierenden Bezugszeichen
gekennzeichnet, so dass zum Verständnis der SLM-Vorrichtung
in 5 weitgehend auf die Beschreibung der SLM-Vorrichtung gemäß 4a–4c zurückgegriffen
werden kann. In 5 ist mit gestrichelten Linien
der vom Prozessraumboden verdeckte Pulverzuführungskanal 63 angedeutet.
Er mündet mit der Pulvereinlassstelle 55 von unten
her in den Prozessraumboden 11. Der Glättungsschieber 43 befindet
sich in 5 in der Umkehrstellung bzw.
Pulvernachfüllwartestellung, so dass die Pulvereinlassstelle 55 exakt
in den Zwischenraum 53 zwischen den Pulverglättungsleisten 47 und 49 führt.
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Die
Pulverglättungsleisten 47 und 49 haben in
der Draufsicht gemäß 5 die Form
von Bögen, die in der gezeigten Pulvernachfüllwartestellung
des Glättungsschiebers in Richtung zur Bauplattform 13 konvex
sind. Aufgrund dieser Bogenform kommt es zu einer raschen Verteilung
des über die relativ enge Pulvereinlassstelle 55 zugeführten
Pulvers längs der Pulverglättungsleiste 49,
wenn der Glättungsschieber 43 in Richtung zur
Bauplattform 13 verschwenkt wird. Wenn der Glättungsschieber 43 nach
dem relativ kleinen Schwenkwinkel die Bauplattform 13 erreicht
hat, ist das Pulver in dem Zwischenraum 53 bereits gut
vorverteilt, so dass es gleichmäßig über
der Bauplattform 13 bei der weiteren Schwenkbewegung des
Glättungsschiebers 43 verstrichen werden kann. Bei
der Zurückbewegung des Glättungsschiebers 43 kommt
dann die bogenförmige Krümmung der Pulverglättungsleiste 47zur
Wirkung, indem sie etwaiges überschüssiges Pulver
tendenziell wieder zu dem unmittelbar auf die Pulvereinlassstelle 55 zulaufenden
Scheitelbereich des Bogens hin sammelt. Das überschüssige
Pulver kann auf diese Weise gut in dem Zwischenraum 53 gehalten
werden, so dass eine unkontrollierte Verschmutzung des Prozessraumbodens 11 mit überschüssigem
Pulver während des Bauprozesses weitestgehend vermieden
werden kann.
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Die
Pulverschichtenpräparierungseinrichtung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nach den 4a–4c und 5 erlaubt
eine zuverlässige Zuführung von Pulver zum Prozessraum,
unabhängig von der Art und Fließfähigkeit
des Pulvers. Ferner gewährleistet sie eine schnelle und
qualitativ hochwertige Pulverschichtenpräparation auf der
Bauplattform 13.
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In
den 6 und 7 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele
einer SLM-Vorrichtung nach der Erfindung in Teildarstellung gezeigt.
Abweichend von den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
mündet der Pulverzuführungskanal 63a in
den Beispielen der 6 und 7 nicht
von unten her in den Prozessraum 9, sondern an einer Stelle
oberhalb des Prozessraumbodens 11. Ein oberer Pulverzuführungskanal 63a ist
abgedichtet durch eine Öffnung in der Gehäuserückwand 64 geführt.
Die Pulvereinlassstelle 55a ist durch ein vertikal von
dem rohrförmigen Pulverzuführungskanal 63a nach
unten abstehendes Röhrchen definiert, welches von oben her
in den oben offenen Zwischenraum 53 zwischen den beiden
Pulverglättungsleisten 47, 49 mündet, wenn
der Glättungsschieber 43 in der in den 6 und 7 gezeigten
Pulvernachfüllwartestellung ist. Nach Abgabe einer dosierten
Pulvermenge in den Zwischenraum 53 wird der Glättungsschieber 43 über
die Bauplattform 13 hinwegverschwenkt, um eine betreffende
Pulverschicht zu präparieren, wie dies bereits unter Bezugnahme
auf die vorausgegangenen Ausführungsbeispiele erläutert
wurde.
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Bei
der Vorrichtung nach 6 sind die Pulverglättungsleisten 47, 49 in
der unter Bezugnahme auf 5 bereits beschriebenen Weise
gekrümmt, während die Vorrichtung nach 7 zwei
geradlinige und parallel zueinander verlaufende Pulverglättungsleisten 47, 49 aufweist.
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Zur
Erläuterung eines weiteren Erfindungsaspektes wird auf
die 3a und 3b Bezug
genommen. Darin ist schematisch gezeigt, wie nach Fertigstellung
eines Formkörpers 23 eine Pulverabsaugglocke 69 über
die Bauplattform 13 gestülpt ist. Die Pulverabsaugglocke 69 ist
teilweise aufgebrochen dargestellt, um das Innenvolumen erkennbar
zu machen. In 3a befindet sich die Bauplattform 13 noch
in einem abgesenkten Zustand, in dem die zuletzt präparierte
Pulverschicht 21 im Wesentlichen bündig mit der
Basisebene 51 des Prozessraumbodens 11 liegt.
In 3b ist die Bauplattform 13 in einem angehobenen
Zustand gezeigt, wobei das darauf liegende Pulver und der aufgebaute
Formkörper 23 in dem Innenvolumen der Saugglocke 69 aufgenommen
sind. Das den Formkörper 23 außen umgebende überschüssige
Pulver kann so effizient abgesaugt werden. Dies erfolgt über
die Absaugleitung 71, die an einer Absaugpumpe angeschlossen
ist. Das abgesaugte Pulver gelangt in eine Siebvorrichtung. Das
gesiebte Pulver gelangt dann in einen Vorratsbehälter zur
Wiederverwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004041633
A1 [0003]
- - DE 10236907 A1 [0003, 0006, 0011]
- - DE 19905067 A1 [0003]
- - DE 10112591 A1 [0003]
- - WO 98/24574 A1 [0003]
