DE102012012413A1

DE102012012413A1 - Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen

Info

Publication number: DE102012012413A1
Application number: DE201210012413
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Florian Bechmann; Frank Schödel
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Herstellung dreidimensionaler Objekte 9 durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials 8 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 9 entsprechenden Stellen, mit einer Baukammer 5, einer Aufbringvorrichtung 7 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 8, das in einer Dosierkammer 4 bevorratet ist und einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials 8 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 9 entsprechenden Stellen, wobei die Aufbringvorrichtung 7 wenigstens eine angetriebene Seitenführung 20 und einem Beschichterkörper 19 aufweist, wobei die Antriebseinrichtung und die Aufbringvorrichtung 7 mittels eines oder mehrerer Kopplungsmittel verbunden sind, wobei als Kopplungsmittel im Bereich der Baukammer 5 und der Dosierkammer 4 wenigstens ein Antriebsriemen 16 angeordnet ist, die Seitenführung 20 mit dem Beschichterkörper 19 mittels eines Verbindungselements 18 verbunden ist und in einer Ausnehmung 17 der Wandung 12 oberhalb der Baukammer 5 und der Dosierkammer 4 geführt ist, die Wandung 12 eine längliche Öffnung für das Bewegen des Verbindungselements 18 aufweist und der Antriebsriemen 16 derart angeordnet ist, dass er die Öffnung der Wandung 12 im Wesentlichen aufbaumaterialdicht abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, die durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen gebaut werden. Während des Bauvorgangs wird das Aufbaumaterial von einer das Aufbaumaterial bevorratenden Dosierkammer mittels einer Aufbringvorrichtung zur Baukammer transportiert. Sowohl in der Baukammer als auch in der Dosierkammer befindet sich eine höhenverstellbare Tragevorrichtung, wobei das Aufbaumaterial in der Dosierkammer sukzessive angehoben und das Objekt samt dem nichtverfestigten Aufbaumaterial in der Baukammer sukzessive abgesenkt wird. Dabei wird nach dem Bestrahlen einer Schicht die Tragevorrichtung in der Dosierkammer angehoben, das Objekt und das Aufbaumaterial in der Baukammer abgesenkt und der entstehende Raum in der Baukammer durch das Aufbaumaterial der Dosierkammer gefüllt. Hierfür wird das über den Rand der Dosierkammer herausschauende Aufbaumaterial mittels der Aufbringvorrichtung zur Baukammer hin geschoben, die durch das Absenken des Objektes über einen entsprechenden Leerraum verfügt. Eventuell überschüssiges Aufbaumaterial wird über die Baukammer hinweg in einer von der Dosierkammer aus dahinter befindlichen Überlaufkammer abgelegt.
Bekannte Aufbringvorrichtungen werden mittels eines Antriebsmotors einseitig angetrieben, eine beidseitige Führung ist möglich. Eine derartige Aufbringvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 60 094 A1 bekannt. Diese Aufbringvorrichtung wird oberhalb der Baukammer und der Dosierkammer auf zwei Schienen geführt, wobei die Schienen gegenüber der Baukammer und der Dosierkammer offen liegen.
Bei einer derartigen Aufbringvorrichtung kann es vorkommen, dass Aufbaumaterial auf oder neben die Schienen gelangt und einerseits die Bewegung der Aufbringvorrichtung behindert und andererseits nach Ende des Bauvorgangs in der Prozesskammer verbleibt und zu einem späteren Zeitpunkt in die Dosierkammer oder Baukammer gelangt. Ist zwischen zwei Bauvorgängen das Aufbaumaterial gewechselt worden, kann das Aufbaumaterial so kontaminiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 derart auszubilden, dass sie derartige Kontaminationen verhindert. 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, zum Antrieb der Aufbringvorrichtung einen Antriebsriemen zu verwenden, der in einer Wandung oberhalb der Baukammer und der Dosierkammer geführt ist und so gleichzeitig die Führungselemente der Aufbringvorrichtung pulverdicht bzw. aufbaumaterialdicht gegenüber dem Prozesskammerinnenraum abdichtet.
Die Abdichtung muss derart beschaffen sein, dass das Aufbaumaterial, das pulverförmig ist, nicht hinter die Wandung gelangen kann. Der Grad der Dichtigkeit hängt dabei von der Beschaffenheit des Aufbaumaterials ab, wobei die Körnungsgrößen bzw. der Durchmesser der Pulverteilchen von 5 μm bis 100 μm reicht (bitte überprüfen, ganz grob geschätzte Zahlen). Je größer der Durchmesser der Körner des Aufbaumaterials ist, umso weniger Anforderungen werden an die Dichtigkeit der Antriebseinrichtung gestellt.
Flüssigkeit ist in Prozesskammern während des Bauprozesses nicht anzutreffen, das eingeleitete Inertgas ist für die Antriebsmittel bzw. Führungselemente und im Hinblick auf Kontamination nicht relevant, daher muss die Öffnung der Wandung weder wasserdicht noch gasdicht abgeschlossen sein. Es ist also beispielsweise vollkommen ausreichend, wenn etwaige Spalte zwischen dem Antriebsriemen und der Wandung kleiner sind als der Durchmesser der Körner bzw. des Pulvers des Aufbaumaterials. Ein Korn, das aufgrund der Bewegung der Aufbringvorrichtung durch ungünstige Positionierung zur Wandung hingeschleudert wird, vermag dann nicht in den Spalt zu gelangen, vielmehr fällt es auf den Boden der Prozesskammer hinunter.
Selbstverständlich kann es aufgrund von Fertigungstoleranzen, beispielsweise des Antriebsriemens vorkommen, dass dieser nicht auf der gesamten Länge so perfekt in der Wandung sitzt, dass überall der Abstand zwischen Wandung und Antriebsriemen kleiner als der Durchmesser der Körner des Aufbaumaterials ist. Dies ist insofern unproblematisch als dass lediglich vereinzelte Körner des Aufbaumaterials überhaupt auf die Wandung oberhalb der Baukammer fallen und diese in noch viel selteneren Fällen überhaupt in die Nähe des Spaltes zwischen Antriebsriemen und Wandung gelangen.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Körner des Aufbaumaterials keinen identischen Durchmesser aufweisen. Vielmehr sind die Durchmesser um einen Durchschnittsdurchmesser herum normalverteilt. Als aufbaumaterialdicht wird jede Anordnung des Antriebsriemens angesehen, bei der die Öffnung der Wandung so abgedeckt ist, dass Körner, die den Durchschnittsdurchmesser oder größer aufweisen, nicht hinter die Wandung bzw. den Antriebsriemen gelangen können. Die kleinen Körner stellen einerseits ein geringeres Problem beim Bewegen der Aufbringvorrichtung dar, andererseits kontaminiert ein Korn mit einem geringen Durchmesser und dementsprechend einem geringen Volumen auch nachfolgende Bauprozesse mit unterschiedlichem Aufbaumaterial weniger stark. Geht man davon aus, dass der bei Aufbaumaterial vorkommende geringste Durchschnittsdurchmesser bei 5 μm liegt, so ist dies gleichzeitig die untere Grenze, die hinsichtlich der Dichtigkeit zu gewährleisten ist. Bei gröberer Körnung können die Spaltabstände und damit die Dichtigkeit entsprechend größer sein.
Der Antriebsriemen ist vorzugsweise als Zahnriemen ausgebildet. Dabei weisen die Zähne vom Inneren der Prozesskammer weg, während die glatte Seite auf der Außenseite der Wandung, also zum Inneren der Prozesskammer hin, liegt. Die Seitenführung der Aufbringvorrichtung, bzw. die Seitenführungen, befinden sich dabei hinter der Wandung und prozesskammerabgewandt und sind mit einem Verbindungselement mit dem Beschichterkörper verbunden. Bei einem umlaufenden Antriebsriemen können die Enden des Antriebsriemens an der Seitenführung festgeklemmt werden, wobei das Verbindungselement derart ausgestaltet ist, dass es selbst einen geringen Abschnitt der Öffnung der Wandung abdeckt.
Das Verbindungselement kann aber auch im Bereich der Öffnung der Wandung als schmaler Verbindungssteg ausgeführt sein, der durch einen schmalen Schlitz im Antriebsriemen verläuft. Auch hier gilt, dass ein etwaiger Spalt zwischen dem Schlitz des Antriebsriemens und dem Verbindungselement aufbaumaterialdicht sein muss.
Die Wandung weist zur Aufnahme des Antriebsriemens zwei U-förmige Abschlüsse auf, in die der Antriebsriemen eingesetzt werden kann. Wird zusätzlich zur Aufbringvorrichtung auch noch eine Schleifwalze auf gleiche Art angetrieben wie die Aufbringvorrichtung, also ebenfalls mittels eines in der Wandung geführten Antriebsriemens, so ist dieser Antriebsriemen zum Antrieb der Schleifwalze oberhalb des Antriebsriemens der Aufbringvorrichtung angeordnet. Zwischen den beiden Antriebsriemen befindet sich dann ein H-förmiger Wandungsabschnitt, der mittels eines Stegs gehalten wird.
Die Aufbringvorrichtung kann selbstverständlich auch beidseitig angetrieben werden, wobei der beidseitige Antrieb vorzugsweise über einen gemeinsamen Motor erfolgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Figuren und Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Grundaufbaus einer Vorrichtung;
2 einen Abschnitt einer Prozesskammer in der Draufsicht;
3 eine Aufbringvorrichtung;
4 eine Querschnittsansicht einer Wandung;
5 einen Abschnitt einer Wandung in einer ersten Ausgestaltung;
6 einen Abschnitt einer Wandung in einer zweiten Ausgestaltung.
1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer Vorrichtung 1 zur Herstellung dreidimensionaler Objekte im Bereich der Prozesskammer 2. Als Boden der Prozesskammer 2 fungiert ein Baumodul 3 mit Dosierkammer 4, Baukammer 5, Überlaufkammer 6 sowie einer oberhalb der Baukammer 5 bewegbaren Aufbringvorrichtung 7. Mit der Aufbringvorrichtung 7 lässt sich das Aufbaumaterial 8 aus der Dosierkammer 4 zur Baukammer 5 transportieren, wo das Aufbaumaterial 8 an den entsprechenden Stellen verfestigt wird, um das Objekt 9 zu bauen. Die entsprechende Bestrahlungseinrichtung sowie die weiteren für die vorliegende Anmeldung nicht wesentlichen Teile der Vorrichtung 1 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Außerhalb des Baumoduls 3 und der Prozesskammer 2 befindet sich der Motor 10, mit dem die Aufbringvorrichtung 7 angetrieben wird. Oberhalb der Aufbringvorrichtung 7 kann eine Schleifwalze 11 bewegt und angetrieben werden. Die Schleifwalze 11 dient zum Entgraten des Objekts 9.
2 zeigt einen Teil des oberen Bereichs des Baumoduls 3, das den Prozesskammerboden bildet. Dabei ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf die Anwendung in Baumodulen beschränkt, vielmehr kann der Antriebsriemen in jeder Wandung oberhalb der Baukammer geführt werden. Das Baumodul 3 weist Seitenwandungen 12 und Frontwandungen 13 auf. Die Seitenwandung 12 besteht aus einem oberen Teil 14 und einem unteren Teil 15, die jeweils U-förmige Abschlüsse 23 und 24 aufweisen. In diesen U-förmigen Abschlüssen 23 und 24 ist der Antriebsriemen 16 geführt. Der Antriebsriemen 16 ist umlaufend geführt, der nicht in der Öffnung der Wandung 12 geführte Teil befindet sich innerhalb des Hohlraumes 17 hinter der Wandung 12. Die Enden des Antriebsriemens 16 sind an der Seitenführung 20 befestigt. Die Seitenführung 20 ist mit dem Beschichterkörper 19 der Aufbringvorrichtung 7 mittels des Verbindungselements 18 verbunden. Die vom Antriebsriemen 16 angetriebene Seitenführung 20 wird mittels der Schiene 21 geführt, die ebenfalls im Hohlraum 17 am Boden befestigt ist.
3 zeigt die Aufbringvorrichtung 7 etwas detaillierter. Das Verbindungselement 18 verbindet den Beschichterkörper 19 sowie die Seitenführung 20. Alternativ zur Befestigung am Verbindungselement 18 kann der Antriebsriemen 16 auch mittels eines Befestigungsmittels 22 an der Seitenführung 20 Seitenführung 20 werden. Dies kann beidseitig des Verbindungselementes 18 geschehen.
Durch die beidseitige Anordnung von Seitenführungen 20 ist ein beidseitiger Antrieb der Aufbringvorrichtung 7 möglich. Der beidseitige Antrieb kann mit einem einzigen Motor 10 erfolgen, wodurch der Antrieb mit einfachen Mitteln synchron erfolgen kann. Dabei können der oder die Antriebsriemen direkt am Motor 10 angekoppelt sein, es können aber auch weitere Elemente wie Getriebe zwischengeschaltet sein.
4 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wandung oberhalb der Baukammer sowie einen Teil der Aufbringvorrichtung 7. Der obere Teil 14 und der untere Teil 15 der Seitenwandung 12 enden jeweils in U-förmigen Abschlüssen 23 und 24, in denen der Antriebsriemen 16 vertikal geführt ist. Ist der Antriebsriemen 16 als Zahnriemen ausgebildet, so sind die Zähne über die gesamte Länge des Zahnriemens erstreckt und in vertikaler Richtung, also von oben nach unten, angeordnet.
5 zeigt die Wandung der Prozesskammer bzw. des Baumoduls 3 in einer weiteren Ausgestaltung. Dabei ist in der Prozesskammer 2 eine Schleifwalze 11 vorgesehen, die oberhalb der Aufbringvorrichtung 7 angeordnet ist. Daher ist der Abstand der U-förmigen Abschlüsse 23 und 24 vergrößert, dazwischen befindet sich ein H-förmiges Wandelement 27, das mittels des Steges 28 gehalten wird. Zwischen dem U-förmigen Abschluss 23 und dem H-förmigen Wandelement 27 bzw. zwischen dem H-förmigen Wandelement 27 und dem U-förmigen Abschluss 24 befinden sich jeweils Antriebsriemen 16, die in denn Ausnehmungen der Vorrichtungen 23, 24 und 25 geführt werden. Auf dem Steg 28 ist eine Schiene 21 angeordnet, auf der die Seitenführung 20 der Schleifwalze 11 geführt wird. Die Seitenführung 20 der Schleifwalze 11 kann dabei identisch zur Seitenführung 20 der Aufbringvorrichtung 7 gestaltet sein.
6 zeigt eine Ausgestaltung des U-förmigen Abschlusses 24 und/oder des H-förmigen Wandelementes 27. Dabei sind die oberen prozesskammerseitigen Abschnitte 29 und/oder 30 abgeflacht, sodass keinerlei Körner des Aufbaumaterials zum Liegen kommen können. Insbesondere werden Körner, die auf die Abschnitte 29 und 30 treffen wieder in die Prozesskammer hineingeführt, während sie ansonsten auf den Abschnitten 29 und 30 aufspringen und zu den Antriebsriemen 16 hin abprallen könnten. Durch die Abschrägung der Abschnitte 29 und 30 wird damit die Wahrscheinlichkeit, dass ein Korn des Aufbaumaterials überhaupt den Antriebsriemen 16 berührt oder in die Nähe des Spaltes zwischen Antriebsriemen 16 und Wandung 12 gelangt, weiter verringert. Die Abflachung ist so gestaltet, das der Winkel 31 zwischen der U-Innenseite und den Abschnitten 29 und 30 kleiner als 90° ist. Bevorzugt ist der Winkel 31 kleiner oder gleich 75°, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 45°.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Prozesskammer
3: Baumodul
4: Dosierkammer
5: Baukammer
6: Überlaufkammer
7: Aufbringvorrichtung
8: Aufbaumaterial
9: Objekt
10: Motor
11: Schleifwalze
12: Seitenwandung
13: Frontwandung
14: oberer Teil von 12
15: unterer Teil von 12
16: Antriebsriemen
17: Hohlraum
18: Verbindungselement
19: Beschichterkörper
20: Seitenführung
21: Schiene
22: Befestigungsmittel
23: Abschluss
24: Abschluss
25: Oberteil von 20
26: Kugelwagen
27: Wandelement
28: Steg
29: Abschnitt
30: Abschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10360094 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung dreidimensionaler Objekte (9) durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (8) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (9) entsprechenden Stellen, mit einer Baukammer (5), einer Aufbringvorrichtung (7) zum Aufbringen des Aufbaumaterials (8), das in einer Dosierkammer (4) bevorratet ist und einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials (8) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (9) entsprechenden Stellen, wobei die Aufbringvorrichtung (7) wenigstens eine angetriebene Seitenführung (20) und einem Beschichterkörper (19) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung und die Aufbringvorrichtung (7) mittels eines oder mehrerer Kopplungsmittel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Kopplungsmittel im Bereich der Baukammer (5) und der Dosierkammer (4) wenigstens ein Antriebsriemen (16) angeordnet ist, die Seitenführung (20) mit dem Beschichterkörper (19) mittels eines Verbindungselements (18) verbunden ist und in einer Ausnehmung (17) der Wandung (12) oberhalb der Baukammer (5) und der Dosierkammer (4) geführt ist, die Wandung (12) eine längliche Öffnung für das Bewegen des Verbindungselements (18) aufweist und der Antriebsriemen (16) derart angeordnet ist, dass er die Öffnung der Wandung (12) im Wesentlichen aufbaumaterialdicht abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsriemen (16) als Zahnriemen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsriemen (16) umlaufend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsriemen (16) wenigstens eine flache Seite aufweist, die zur Außenseite der Wandung (12) hin angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) zwei U-förmige Abschlüsse (23, 24) aufweist, in denen der Antriebsriemen (16) teilweise geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden oder ein Zwischenbereich des Antriebsriemens (16) am Verbindungselement (18) und/oder an einer Seitenführung (20) fixiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) und/oder Befestigungsmittel (22) so ausgestaltet sind dass sie die Öffnung der Wandung (12) in einem vom Antriebsriemen nicht vollständig abgedeckten Bereich im Wesentlichen aufbaumaterialdicht abdecken.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringvorrichtung (7) beidseitig angetrieben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der beidseitige Antrieb über einen gemeinsamen Motor (10) erfolgt, der die Antriebsriemen (16) zum Antrieb der Seitenführungen (20) synchron antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Kopplungsmittel zum Aufteilen der Antriebsleistung ein Getriebe zwischen dem Motor (10) und den Seitenführungen (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine angetriebene Schleifwalze (11) aufweist, die als Kopplungsmittel im Bereich der Baukammer (5) und der Dosierkammer (4) wenigstens einen Antriebsriemen (16) umfasst, der eine Öffnung der Wandung (12) im Wesentlichen aufbaumaterialdicht abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifwalze (11) und die Aufbringvorrichtung (7) einseitig angetrieben sind und der Antrieb mittels eines einzigen Motors (10) realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifwalze (11) und die Aufbringvorrichtung (7) beidseitig angetrieben sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baukammer (5), die Dosierkammer (4) und die Aufbringvorrichtung (7) in einem Baumodul (3) angeordnet sind und die Wandung (12) eine Wandung (12) des Baumoduls (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) zwei U-förmige Abschlüsse (23, 24) und ein H-förmiges Wandelement aufweist, wobei jeweils zwischen einem U-förmigen Abschluss (23, 24) und dem H-förmigen Wandelement ein Antriebsriemen (16) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nach oben weisender Abschnitt (29, 30) der Wandung (12) derart abgeflacht sind, dass keinerlei Körner des Aufbaumaterials (8) zum Liegen kommen können.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (31), den der nach oben weisende Abschnitt (29, 30) mit der Vertikalen, insbesondere mit einer Innenseite eines U-förmigen Abschlusses (23, 24) oder eines H-förmigen Wandelements (27), einschließt, kleiner oder gleich 75°, insbesondere kleiner oder gleich 45°, ist.