DE102011121568A1

DE102011121568A1 - Verfahren und Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials

Info

Publication number: DE102011121568A1
Application number: DE102011121568A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Sebastian Bernmen
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch Verfestigen eines pulverförmigen, Aufbaumaterials mittels Laserstrahlung an den dem jeweiligen Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen sieht eine Bauvorrichtung vor, die eine von Seitenwandungen begrenzte Baukammer und eine innerhalb der Baukammer höhenverlagerbar angeordnete Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes aufweist und eine Beschichtungsvorrichtung hat, mit der Aufbaumaterial auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht aufgetragen werden können. Nach dem Verfahren wird eine Bauzelle durch generativen Aufbau wenigstens einer Bauzellenwandung gebildet, die entweder mit wenigstens einer Seitenwandung der Baukammer oder weiteren Bauzellenwandungsabschnitten das zu bauende Objekt eng umgibt sowie das Beschichtervolumen und die Fläche des Beschichterauftrages derart reduziert, dass überwiegend nur der Bereich innerhalb der Bauzelle mit einem Pulverauftrag beschichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere gebündelter Strahlung wie Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen, mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Derartige Verfahren sind bekannt und werden regelmäßig in Laser-Sinter- oder Schmelzanlagen durchgeführt und als Laser-Sinterverfahren (SLS) oder Laser-Schmelzverfahren (SLM) bezeichnet. Die Bauvorrichtungen, die in solchen Verfahren verwendet werden, haben eine von Seitenwandungen begrenzte Baukammer, der Boden der Baukammer bildet eine Tragevorrichtung zum Tragen des herzustellenden Objektes. Darüber hinaus ist eine Beschichtungsvorrichtung vorgesehen, mit der sukzessive Schichten des pulverförmigen Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete und bereits zumindest teilweise verfestigte Schicht aufgetragen werden können. Eine Bestrahlungseinrichtung, zum Beispiel ein Laser, dient zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials an dem den jeweiligen Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen, wobei der Laserstrahl über eine Scannervorrichtung geführt wird, mit der der auf das Pulver auftreffende Strahl entsprechend vorhandener Baukoordinaten geführt und gelenkt wird.
Darüber hinaus ist es grundsätzlich bekannt, beim Bauvorgang eine Baukammer aufzubauen, d. h. neben dem herzustellenden Objekt eine Wandung schrittweise mit hochzuziehen, die nach Abschluss des Bauvorganges das eigentliche hergestellte Objekt umschließt. Dies dient dazu, das Objekt aus der Baukammer umschlossen entnehmen zu können und abkühlen zu lassen.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren sind insofern nachteilig, als der Pulverauftrag immer über die gesamte Fläche der vorhandenen Baukammer gezogen wird, um das Objekt und gegebenenfalls das Objekt umgebende Wandungen aufzubauen. Dies ist nicht nur zeitaufwendig, weil der Beschichtungsprozess einen nicht unwesentlichen Teil der gesamten Bauzeit ausmacht, sondern auch nachteilig hinsichtlich der für jeden Beschichtungsvorgang erforderlichen Pulvermenge. Die durch den Beschichter zu transportierende Pulvermenge wird definiert durch die Schichtdicke und die zu beschichtende Fläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Bauprozess beschleunigt und Baumaterial eingespart werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, innerhalb der vorhandenen Baukammer eine Bauzelle aufzubauen, die entweder mit wenigstens einer Seitenwandung der Baukammer oder weiteren Bauzellenwandungsabschnitten das zu bauende Objekt eng umgibt und zugleich das Beschichtervolumen und die Fläche des Beschichterauftrages derart zu reduzieren, dass überwiegend nur der Bereich innerhalb der Bauzelle beschichtet wird und außerhalb der Bauzelle liegende Bereiche der Baukammer vom eigentlichen Beschichtungsvorgang ausgenommen werden, sondern allenfalls als Überlaufbereich dienen.
Die Erfindung basiert somit auf der Kombination zweier grundsätzlicher Gedanken. Zum einen wird innerhalb der Baukammer eine Bauzelle errichtet, die das zu bauende Objekt eng umgeben soll, wobei die Bauzellenwandung vorzugsweise an wenigstens eine Seitenwandung der Baukammer anschließt. Der zweite Gedanke fußt auf einer Reduzierung des Beschichtungsvolumens und der Fläche des Beschichterauftrages, was letztlich durch einen Beschichter durchführbar ist, dessen Beschichtungsbreite an die frei wählbare Bauzellenbreite (Erstreckung der Bauzelle rechtwinklig zur Auftragsrichtung des Beschichters) angepasst werden kann. Ein für das Verfahren einsetzbarer Beschichter kann beispielsweise mit ausziehbaren oder ausklappbaren Beschichterseitenteilen versehen sein, die die Beschichterbreite definieren.
Das Verfahren ist insofern besonders vorteilhaft, als eine große Baukammer „generativ verkleinert” werden kann, d. h. die Baukammer einer relativ großen Anlage, in der relativ großvolumige Objekte hergestellt werden können, kann durch Einziehen einer generativ mit dem Objekt aufgebauten Bauzellenwandung so verkleinert werden, dass nur wenig Baumaterial eingesetzt werden muss. Es ist zwar grundsätzlich so, dass nicht verfestigtes Baumaterial wiederverwendbar ist, allerdings erfordert dies eine Siebung des Baumaterials, das das eigentliche Objekt umgibt, da beim Schmelzvorgang immer Schmelzespritzer auf den Oberflächenbereich der das eigentliche Objekt umgebende Pulverschicht fallen und dort mit der Schmelzeschicht eine mehr oder weniger feste Verbindung eingehen. Deswegen ist ein Teil des insgesamt in der Baukammer zur Beschichtung verwendeten Pulvers nicht mehr einsetzbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird damit Pulver in nicht unerheblichem Maße eingespart. Weil die zu beschichtende Fläche der Bauzelle deutlich kleiner ist als die Gesamtfläche der Baukammer, beschleunigt sich auch das Verfahren, was insgesamt zu kürzeren Bauzeiten führt.
Grundsätzlich ist es möglich, den Volumenbereich zwischen der Außenseite der Bauzelle und der Innenseite wenigstens einer Baukammerinnenwandung als Überlaufbereich zu nutzen. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, den innerhalb der Baukammer, aber außerhalb der Bauzelle liegenden Bereich durch eine mit einer Öffnung versehenen Blende abzudecken, die unter dem Beschichter bzw. unter der Beschichterebene angeordnet ist. Die Öffnung der Blende entspricht im Wesentlichen der Fläche der Bauzelle. Sie kann etwas größer bemessen sein, sodass durch einen Spalt überschüssiges Baumaterial in den als Überlauf dienenden Bereich der Baukammer verbracht werden kann.
Die Kontur der Bauzelle kann variabel gestaltet sein, d. h. die Wände können so geformt und gelegt werden, dass sie das herzustellende Bauteil möglichst eng umschließen.
Die Bauzelle wird in vorteilhafter Weise innerhalb der Baukammer so angeordnet, dass sie an eine Baukammerwandung grenzt, von der aus der Beschichtungsvorgang beginnt. Der Beschichter wird dann von der Dosierkammer pulverartiges Baumaterial in den Bereich der Bauzelle schieben können, ohne dass vorher Baumaterial in einen nicht zu beschichtenden Bereich gebracht wird.
Mit Vorteil ist es auch möglich, dass das in den Volumenbereich zwischen der Außenseite der Bauzelle und der Innenseite der Baukammerwandungen eindringende Pulver während des Bauprozesses in eine Dosierkammer wieder zurückgefördert wird. Dies kann kontinuierlich geschehen oder immer vor einem Belichtungsvorgang.
Wird eine Blende verwendet, um den nicht für den eigentlichen Bauvorgang benötigten Bereich der Baukammer abzudecken, dann ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung der Blende an die Kontur der Bauzelle angepasst ist.
In Weiterbildung dieses Gedankens ist es aber auch möglich, die Öffnung der Blende aktiv zu steuern, sodass sie der gerade aktuellen Kontur der Bauzellenoberseite angepasst wird. Dann ist es nämlich möglich, der Bauzelle während des Bauvorganges unterschiedliche Querschnitte zu geben, um eine noch bessere Anpassung der Bauzelle an die Kontur des Bauteils zu ermoglichen.
Der Steuerungscomputer, der das Verfahren steuert, hat die Möglichkeit, das für einen Beschichtungsvorgang erforderliche Volumen des Baumaterials zu errechnen und ist damit in der Lage, das Beschichtervolumen Bauzellen-Beschichtungsflächenabhängig festzulegen. Mit anderen Worten nimmt der Beschichter aus der Dosierkammer nur soviel Baumaterial auf, wie er für den Beschichtungsvorgang benötigt. Darüber hinaus kann der variable Beschichter so angesteuert werden, dass er das im Beschichter vorhandene Material im Wesentlichen nur auf einer Breite aufträgt, die der aktuellen Bauzellenbreite im Wesentlichen entspricht.
Die Bauzelle kann aus wenigstens einer Baukammerwand und einer generativ aufgebauten Bauzellenwandung bestehen. Die Bauzellenwandung kann gerade, rund, polygonal oder ansonsten beliebig ausgebildet sein. Zum Beispiel ist es möglich, zwei winkelig aneinanderstoßende Baukammerwandungen und wenigstens eine generativ aufgebaute Bauzellenwandung zur Bildung der Bauzelle heranzuziehen. Die Bauzelle kann eine in Beschichtungsrichtung verlaufende, von einer ersten Baukammerwandung zu einer zweiten Baukammerwandung reichende Bauzellenwandung umfassen, um zum Beispiel die Baukammer in einen Baubereich und in einen Überlaufbereich aufzuteilen.
Besonders vorteilhaft ist es, generativ im Übergangsbereich zwischen einer Baukammerwand und einer Bauzellenwandung eine mit der Baukammerwandung zusammenwirkende Dichtung aufzubauen, die insbesondere nach Art einer Labyrinthdichtung ausgebildet sein kann.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine Darstellung der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik;
2 eine Darstellung einer ersten Vorgehensweise nach der Erfindung;
3 eine Darstellung einer weiteren Vorgehensweise gemäß der Erfindung;
4 eine Darstellung einer dritten Vorgehensweise gemäß der Erfindung;
5 eine Darstellung einer vierten Vorgehensweise nach der Erfindung;
6 eine Darstellung einer fünften Vorgehensweise nach der Erfindung;
7 eine Darstellung einer sechsten Vorgehensweise gemäß der Erfindung;
8 eine Darstellung einer siebten Vorgehensweise gemäß der Erfindung;
9 eine Darstellung eines Beschichters zum Einsatz in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
9a Beschichterklinge nach dem Stand der Technik;
9b Beschichterklinge gemäß der Erfindung;
10 den Einsatz des Beschichters gemäß 9b und die Darstellung der Bewegungsrichtungen des Pulvers innerhalb des Beschichters;
Bauvorrichtungen 1 nach dem Stand der Technik weisen eine von Seitenwandungen 2 begrenzte Baukammer 3 auf, in welcher der Bauvorgang abläuft. Baumaterial wird aus einer Dosierkammer 4 über eine Beschichterklinge zugeführt, die in Pfeilrichtung 5 verfahren wird und Baumaterial auf eine Tragevorrichtung fördert, die den Boden der Baukammer 3 bildet. Nicht benötigtes Baumaterial wird durch den Beschichter in einen Überlauf 6 verbracht.
Gemäß 2 wird erfindungsgemäß nur ein reduzierter Teil der Baukammer 3 als Bauzelle 10 genutzt, der Teil 3b dient neben dem Überlauf 6 als Überlaufbereich 20.
Zur Trennung zwischen Bauzelle 10 und Überlaufbereich 20 dient eine Bauzellenwandung 30, die bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel rechtwinklig zur Beschichterrichtung mittig durch die Baukammer führt. Bei den Zeichnungsfiguren 3–8 sind andere Verläufe der Bauzellenwandung 30 vorgesehen. Bei dem mit 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden zwei rechtwinklig aneinanderstoßende Bauzellenwandungsabschnitte 30a und 30b zusammen mit der Baukammerwandung 2 die Bauzelle 10. Bei dem mit 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Bauzellenwandungsabschnitte 30a, 30b und 30c vorgesehen, die trapezartig verlaufen und wiederum zusammen mit der Baukammerwandung 2 die Bauzelle 10 bilden. Bei dem mit 5 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Bauzellenwandung 30 einen insgesamt polygonalen Verlauf.
Bei dem mit 6 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Bauzellenwandung 30 in Beschichterrichtung und trennt (in Beschichtungsrichtung gesehen) die Baukammer 3 in einen rechten Überlaufbereich 20 und einen linken Bauzellenabschnitt 10.
Bei dem mit 7 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen zwei Bauzellenwandungen 30 parallel in Beschichtungsrichtung und bilden damit zwei seitliche Überlaufbereiche 20, die beidseitig an die Bauzelle 10 angrenzen.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Bauzellenwandungen 30 ähnlich wie in 7, erstrecken sich aber eicht bis zur gegenüberliegenden Baukammerwandung 2, sondern sind durch einen Bauzellenendabschnitt 30e miteinander verbunden.
Das in 9b dargestellte Ausführungsbeispiel eines variablen Beschichters zeigt eine Beschichterklinge 50, deren seitliche Endbereiche 51 einklappbar ausgebildet sind, sodass unterschiedliche Beschichterbreiten 52 eingestellt werden können, um die Beschichtungsbreite 52 der aktuellen Breite 53 der Bauzelle 10 gem. 10 anzupassen.
Grundsätzlich ist es möglich, eine Blende 60 vorzusehen, die in 8b dargestellt ist und die dazu verwendet werden kann, die Überlaufbereiche 20 gem. 8 abzudecken. Die Blende hat eine Öffnung 61 (in 8b als Ausschnitt dargestellt). Diese Öffnung ist an die Oberfläche der Bauzelle 10 angepasst oder alternativ variabel ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Bauvorrichtung
2: Seitenwandung
3: Baukammer
4: Dosierkammer
5: Pfeilrichtung
6: Überlauf
10: Bauzelle
20: Überlaufbereich
30a, b, c: Bauzellenwandung
50: Beschichterklinge
51: Endbereich
52: Beschichtungsbreite
53: aktuelle Breite
60: Blende
61: Öffnung

Claims

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere gebündelter Strahlung wie Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung, verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen, mit folgenden Merkmalen, – Vorsehen einer Bauvorrichtung (1), die eine von Seitenwandungen (2) begrenzte Baukammer (3) und eine innerhalb der Baukammer (3) höhenverlagerbar angeordnete Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes aufweist und – Vorsehen einer Beschichtungsvorrichtung (4) zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht sowie – Vorsehen einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials an dem den jeweiligen Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte – Aufbau einer Bauzelle (10) durch generativen Aufbau wenigstens einer Bauzellenwandung (11), die entweder mit wenigstens einer Seitenwandung (2) der Baukammer (3) oder weiteren Bauzellenwandungsabschnitten (11) das zu bauende Objekt eng umgibt und – Reduzierung des Beschichtervolumens und der Fläche (20) des Beschichterauftrages derart, dass überwiegend nur der Bereich innerhalb der Bauzelle (10) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Nutzung des Volumenbereiches zwischen der Außenseite der Bauzelle (10) und wenigstens einer Baukammerinnenwandung (2) als Überlaufbereich (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb der Baukammer (3), aber außerhalb der Bauzelle (10) liegende Volumenbereich durch eine mit einer Öffnung versehenen Blende (22) abgedeckt wird, die unter dem Beschichter (4) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Bauzelle (10) variabel ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Bauzelle (10) im Wesentlichen der Kontur des zu bebauenden Objekts folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Volumenbereich zwischen der Außenseite der Bauzelle (10) und der Innenseite der Baukammerwandungen (2) (Überlaufbereich (20)) eindringende Pulver während des Bauprozesses in eine Dosierkammer (4) zurückgefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Blende (22) an die Kontur der Bauzelle (3) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Blende (22) derart gesteuert wird, dass sie der aktuellen Kontur der Bauzellenoberseite angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtervolumen Bauzellen-Beschichtungsflächenabhängig gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauzelle (10) aus wenigstens einer Baukammerwand (2) und einer generativ aufgebauten Bauzellenwandung (11) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauzelle (10) zwei Baukammerwandungen (2) und wenigstens eine generativ aufgebaute Bauzellenwandung (11) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauzelle (10) wenigstens eine in Beschichtungsrichtung verlaufende, von einer ersten Baukammerwandung (2a) zu einer zweiten Baukammerwandung (2b) reichende Bauzellenwandung (11) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (30) mit variablen seitlichen Begrenzungselementen (31) zur Reduzierung des beschichtervolumens versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (40) zwischen einer Baukammerwand (2) und einer Bauzellenwandung (11) eine mit der Baukammerwandung (2) zusammenwirkende Dichtung (41) generativ aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (41) nach Art einer Labyrinthdichtung aufgebaut ist.