DE102012014839A1

DE102012014839A1 - Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE102012014839A1
Application number: DE201210014839
Authority: DE
Inventors: Florian Bechmann; Frank Herzog
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials 21 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, mit einer eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objekts aufweisende Baukammer 3, einer Dosierkammer 4 zum Bevorraten des Aufbaumaterials, einer Aufbringvorrichtung zum Aufbringen des Aufbaumaterials 21, sowie einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials 21 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, wobei die Vorrichtung 1. eine Vorratskammer 11 mit wenigstens einem Einlass 20 und einem Teilchenauslass 19 umfasst, wobei der Teilchenauslass 19 zur Abgabe des Aufbaumaterials 21 mit dem Innenraum der Vorrichtung 1 verbindbar ist, sowie eine Wägeeinrichtung 15 zur Bestimmung der Masse des in der Vorratskammer 11 vorhandenen Aufbaumaterials 21 sowie eine Steuerungseinrichtung zur Auswertung der von der Wägeeinrichtung 15 erzeugten Signale umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Vorrichtungen, auch als Lasersinter- (SLS) oder Laserschmelzmaschinen (SLM) bezeichnet, dienen zur Herstellung von Werkzeugteilen, Prototypen, Medizintechnikprodukten und auch Schmuck. Während des Bauvorgangs wird jeweils eine Schicht in die Baukammer mittels eines Beschichters transportiert, an den erforderlichen Stellen mittels einer Bestrahlungseinrichtung verfestigt und danach der das lose sowie das verfestigte Aufbaumaterial tragende Träger um eine Schichtdicke abgesenkt. Danach wiederholen sich die vorher skizzierten Schritte des Befüllens der Baukammer des verfestigens des Aufbaumaterials vorgegebenen Stellen sowie des Absenkens des Trägers. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist.
Die Größe des so gebauten Objekts ist dabei auf das Volumen der Baukammer beschränkt. Wenn größere Objekte gebaut werden sollen, muss die Vorrichtung eine entsprechend große Baukammer aufweisen. Die Dosierkammer ist in der Regel größer als die Baukammer, es ist aber auch bekannt, die Dosierkammer kleiner auszugestalten als die Baukammer. In diesem Fall ist ein Nachfüllen der Dosierkammer während des Bauvorgangs erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 anzugeben, bei der das Nachfüllen der Dosierkammer verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Als Kern der Erfindung gemäß Anspruch 1 wird es angesehen, dass die Lasersinter- bzw. Laserschmelzmaschine, eine Vorratskammer, mindestens eine Wägeeinrichtung und eine Steuerungseinrichtung umfasst. Das in der Vorratskammer befindliche Aufbaumaterial wird fortlaufend oder punktuell mit der Wägeeinrichtung gewogen, sodass das von der Wägeeinrichtung ausgegebene Signal ein Maß für die Masse des in der Vorratskammer befindlichen Aufbaumaterials ist. Dadurch kann das Nachfüllen der Dosierkammer bzw. einer anderen Vorratseinheit innerhalb der Prozesskammer in Abhängigkeit des Füllstandes der Vorratskammer vorgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorratskammer in einer U-förmigen Halterung aufgenommen, deren eine Seite am Gehäuse oder Rahmen der Laserschmelzmaschine bzw. Lasersintermaschine gelagert ist und deren zweite Seite die Wägeeinrichtung beaufschlagt. Bei diesem Aufbau ist die Wägeeinrichtung mit der Halterung der Vorratskammer verschmolzen, andererseits kann bei Vorsehen eines Drehgelenks auf der festgelagerten Seite der Halterung die Vorratskammer besonders leicht zu Wartungs- und Reinigungsarbeiten verstellt werden. Auch die Wägeeinrichtung bleibt für derartige Arbeiten frei zugänglich. In alternativer Ausführungsform ist es auch möglich, beide Seiten der Halterung, die auch nicht notwendigerweise U-förmig ausgebildet sein muss, sondern nur geeignet sein muss, die Vorratskammer zu tragen, mit einer Wägezelleneinrichtung zu versehen. Dann stehen zwei elektronische Signale zur Verfügung, die von der Steuerungseinrichtung zu verarbeiten sind.
Vorzugsweise ist die Vorratskammer in der Mitte der z. B. U-förmigen Halterung aufgenommen, sie kann jedoch auch zur Verringerung des Gesamtgewichts auf die Wägeeinrichtung oder auch zur Vergrößerung des auf die Wägeeinrichtung einwirkenden Gewichts zu einem Ende der U-förmigen Halterung hin verschoben angeordnet sein. In jedem Fall muss bei der Berechnung der Masse des in der Vorratskammer befindlichen Aufbaumaterils die Positionierung der Vorratskammer hinsichtlich der U-förmigen Halterung berücksichtigt werden, da bei dieser Art der Lagerung nur ein Teil des Gewichts auf die Wägeeinrichtung drückt und somit eine Korrektur bezüglich der Masse in der Vorratskammer befindlichen Aufbaumaterials vorzunehmen ist.
Mit besonderem Vorteil berücksichtigt die Steuerungseinrichtung bei der Abgabe des Aufbaumaterials nicht nur die Signale der Wägeeinrichtung, sondern auch den Füllzustand der Dosierkammer und/oder der Baukammer und/oder der Überlaufkammer.
Dadurch ist es möglich, das Nachfüllen des Aufbaumaterials bedarfsgerecht auszugestalten, d. h. einen Nachfüllvorgang nur bei einer leeren oder halbvollen Dosierkammer zu starten. Zur Ermittlung des Füllzustands der genannten Kammern können selbstverständlich ebenfalls Wägeeinrichtungen verwendet werden, es ist aber auch möglich, andere Arten von Sensoren zu verwenden. Eine Alternativlösung wäre beispielsweise ein Entfernungsmesser, der den Abstand zum Aufbaumaterial in der Dosierkammer bestimmt. Eine weitere alternative Möglichkeit besteht darin, die Höhenposition des Trägers der Dosierkammer beispielsweise mittels eines am Trägerboden angeordneten Magnetmaßbandes festzustellen und daraus den Restfüllstand der Dosierkammer abzuleiten.
Vorzugsweise weist die Vorratskammer wenigstens ein Ventil auf, mit dem die Abgabe des Aufbaumaterials regulierbar ist. Um die Nachfüllung des Aufbaumaterials vom Nachfüllen der Vorratskammer zu entkoppeln weist die Vorratskammer bevorzugt zwei Ventile auf. Dabei wird das untere der Lasersintermaschine bzw. Laserschmelzmaschine zugewandte Ventil immer geschlossen gehalten, außer wenn eine Befüllung der Dosierkammer oder der der Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung stattfinden soll. Mit einem zweiten Ventil oberhalb des ersten Ventils wird dann ein abgeschlossener Raum innerhalb der Vorratskammer geschaffen. Das obere Ventil bleibt so lange offen, bis mittels der Wägeeinrichtung ein Signal ausgegeben wird, das einen vorgegebenen Gewichtsschwellenwert anzeigt. In diesem Fall befindet sich genau die Menge Aufbaumaterial in der Vorratskammer, die für den nächsten Nachfüllvorgang notwendig ist. Bei Vorliegen dieses Signals wird dann das obere Ventil geschlossen, sodass weiter Aufbaumaterial in die Vorratskammer transportiert werden kann, ohne dass dieses beim nächsten Nachfüllvorgang in die Dosierkammer gelangt.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Vorrichtung,
2 eine U-förmige Halterung,
3 eine Vorratskammer mit zwei Ventilen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung dreidimensionaler Objekte. Diese hat einen Rahmen 2, der das Skelett der Vorrichtung 1 darstellt. In der Vorrichtung 1 befindet sich neben einer nicht gezeigten Bestrahlungseinrichtung ein Baumodul mit einer Baukammer 3, einer Dosierkammer 4 und einer Überlaufkammer 5. Die Kammern 3, 4 und 5 können auch einzeln in der Vorrichtung 1 eingebaut sein, vorzugsweise sind sie jedoch in einem Baumodul vereinigt. Zur Verringerung der Größe der Dosierkammer 4 befindet sich oberhalb der Dosierkammer 4 eine Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung 6. Zur Verbindung mit der Dosierkammer 4 weist die Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung 6 neben dem eigentlichen Vorratsraum 7 ein Ventil 8 und eine Adapterplatte 9 auf. Während des Bauvorgangs ist die Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung 6 so angeordnet, dass der Beschichter 10 zum Transport des Aufbaumaterials von der Dosierkammer zur Baukammer frei beweglich ist. Nur zum Nachfüllen der Dosierkammer 4 wird der Beschichter 10 oberhalb der Baukammer 3 oder der Überlaufkammer 5 geparkt, sodass die Adapterplatte 9 an die Dosierkammer 4 angeschlossen werden und ein Nachfüllen des Aufbaumaterials stattfinden kann. Um nun die Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung 6 selbst mit Aufbaumaterial zu versorgen, ist oberhalb der Vorrichtung 1 die Vorratskammer 11 angeordnet. Die Vorratskammer 11 ist in eine U-förmige Halterung 12 aufgenommen. Die U-förmige Halterung 12 ist auf der einen Seite mit einem Drehscharnier 13 mit einem ersten Halterungsarm 14 verbunden, während auf der anderen Seite das Ende der U-förmigen Halterung 12 frei gelagert ist.
Das freie Ende der U-förmigen Halterung 12 stützt sich auf der Wägeeinrichtung 15 ab, die auf einem zweiten Halterungsarm 14 montiert ist. Auf diese Art und Weise kann die Vorratskammer 11 sehr leicht zur Seite geklappt oder auch demontiert werden, um entweder an der Vorratskammer 11 oder an der Wägeeinrichtung 15 Reparatur- oder Wartungsarbeiten vorzunehmen.
Das Befüllen der Vorratskammer 11 wird mit einer Unterdruckerzeugungsvorrichtung vollzogen, mit der Aufbaumaterial in die Vorratskammer 11 gesaugt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die Vorratskammer 11 als Zyklon auszubilden, der geeignet ist, von einem Vorratsbereich angesaugtes Pulver von einem Luftstrom abzuscheiden oder der einlassseitig mit einem Absaugschlauch gekoppelt werden kann, der dazu dienen kann, nach einem Bauvorgang eine Vorrichtung von nicht verfestigtem Pulver zu befreien.
2 zeigt die U-förmige Halterung 12 in der Draufsicht. Die Vorratskammer 11 ist mit Haltearmen 16 an der U-förmigen Halterung 12 fest montiert, insbesondere fest geschweißt. In dieser Ausgestaltung ist die Vorratskammer 11 mittig in der U-förmigen Halterung 12 angeordnet. Diese Anordnung ist bei der Auswertung des Signals der Wägeeinrichtung 15 zu berücksichtigen, da bei diesem Aufbau nicht das volle Gewicht der Vorratskammer bzw. ihres Inhalts auf die Wagevorrichtung 15 drückt. Das halbe Gewicht lagert bei exakter Ausrichtung der Vorratskammer 11 in der Mitte der U-förmigen Halterung 12 nämlich auf dem Drehscharnier 13. Das von der Wägeeinrichtung ermittelte Gewicht ist daher mit dem Faktor 2 zu multiplizieren, um das reale Gewicht oder die reale Gewichtsdifferenz zu ermitteln.
Neben der Masse des Aufbaumaterials, das sich in der Vorratskammer 11 befindet, kann bei der Steuerung des Nachfüllens auch der Füllzustand der Baukammer 3 und/oder der Dosierkammer 4 und/oder der Überlaufkammer 5 berücksichtigt werden. Dabei ist es jedoch so, dass die Werte teilweise redundante Informationen enthalten. Beispielsweise ist das in der Baukammer befindliche Aufbaumaterial bereits durch die Schichtanzahl charakterisiert. Bei jedem Beschichtungsvorgang wird die Baukammer so befüllt, dass üblicherweise die gesamte Fläche mit einer glatten Schicht Aufbaumaterial belegt ist. Dementsprechend ist aber auch in Abhängigkeit der Schichtzahl, also der bereits gebauten Schichten, die in der Baukammer befindliche Menge Aufbaumaterial exakt bekannt. Variabel ist lediglich das in der Überlaufkammer 5 befindliche Volumen, da bei Bekanntsein dieses Volumens bzw. dieser Masse und der ja leicht zu ermittelnden Masse des Aufbaumaterials der Baukammer 3 das in der Dosierkammer 4 befindliche Restvolumen bereits festgelegt ist. Unter Berücksichtigung der Anzahl der bereits gebauten Schichten genügt also die Information beispielsweise über den Füllzustand der Überlaufkammer 5, um den Füllzustand der Dosierkammer 4 ermitteln zu können. Dies ist insofern überlegenswert, als das in der Dosierkammer 4 zum Anheben des Aufbaumaterials ein Träger vorhanden ist und oberhalb der Dosierkammer 4 der Beschichter verfahren werden muss, weshalb die Ermittlung des Füllzustandes der Dosierkammer 4 mit mehr Restriktionen verbunden ist als dies beispielsweise bei der Überlaufkammer 5 der Fall ist. Insbesondere kann die Überlaufkammer 5 während des Bauvorgangs auch geleert werden, um das darin befindliche Aufbaumaterial, also seine Menge oder sein Volumen, zu ermitteln. Etwas derartiges ist bei der Dosierkammer 4 selbstverständlich nicht möglich.
3 zeigt eine Ausgestaltung der Vorratskammer 11 mit zwei Ventilen 17 und 18. Das Ventil 17 befindet sich am Teilchenauslass 19, während das zweite Ventil 18 oberhalb des ersten Ventils 17 und damit in Richtung des Einlasses 20 angeordnet ist. Das Ventil 17 ist dabei grundsätzlich geschlossen, es wird nur geöffnet, wenn ein Nachfüllen der Dosierkammer 4 der Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung 6 vorgenommen werden soll. Das zweite Ventil 18 ist dagegen grundsätzlich offen, außer dass mittels der Wageeinrichtung 15 ein vorgegebener Gewichtsschwellwert überschritten wird, der das Erreichen einer vorgegebenen Masse signalisiert. Das weiterhin nachkommende Aufbaumaterial 21 wird dann so lange mittels des Ventils 18 zurückgehalten, bis das zwischen den Ventilen 17 und 18 befindliche Aufbaumaterial 21 entleert wurde. Danach wird das Ventil 17 wieder geschlossen und das Ventil 18 wieder geöffnet. Auf diese Art und Weise lässt sich in der Vorratskammer 11 ein separater Vorratsraum zwischen den Ventilen 17 und 18 bilden, in dem eine exakte Menge Aufbaumaterial 21 bevorratbar ist.
Die Ansteuerung der Ventile 17 und 18 erfolgt dabei in Abhängigkeit der Materialeigenschaften des Aufbaumaterials. An der Vorrichtung 1 befindet sich hierfür eine Eingabeeinrichtung, über die ein Benutzer das verwendete Aufbaumaterial spezifizieren kann. Beispielsweise in Abhängigkeit des hauptsächlich vorkommenden Elements, beispielsweise „Aluminium”. Selbstverständlich sind beliebige Aufbaumaterialien spezifizierbar. Zu jedem auswahlbaren Aufbaumaterial befindet sich in einer ebenfalls vorhandenen Speichereinrichtung ein Datensatz mit den benötigten Eigenschaften, beispielsweise der spezifischen Masse, usw. Mit diesen Informationen kann dann aus dem Signal der Wageeinrichtung 15 jeweils das in der Vorratskammer 11 befindliche Volumen oder andere Größen berechnet werden. In Abhängigkeit des Aufbaumaterials wird auch der Gewichtsschwellenwert zur Ansteuerung der Ventile 17 und 18 festgelegt. Die Steuerungseinrichtung und Eingabeeinrichtung sind in den Figuren nicht explizit dargestellt, da sie hinlänglich bekannt sind. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung ein Teil der Gesamtsteuerungseinrichtung sein, die für die Steuerung des Bauprozesses sowieso vorhanden ist. Dementsprechend wird die ebenfalls zur Bauprozess-Steuerung immer vorhandene Eingabevorrichtung auch für die Eingabe der verwendeten Aufbaumaterialien verwendet.
Darüber hinaus ist es möglich, das verwendete Aufbaumaterial auch automatisch zu bestimmen. Zur Kontrolle der Qualität des Bauprozesses ist es bekannt, optische Aufnahmesysteme wie Infrarotkameras zur Beobachtung des Bauvorgangs heranzuziehen. Die dabei gewonnenen Daten können selbstverständlich auch dazu verwendet werden, dass Material des verwendeten Aufbaumaterials zu bestimmen. Dies ist beispielsweise anhand der Größe der Aufbaumaterialkörner, der Eigenschaften der reflektierten Strahlung, usw. möglich.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Rahmen
3: Baukammer
4: Dosierkammer
5: Überlaufkammer
6: Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung
7: Vorratsraum
8: Ventil
9: Adapterplatte
10: Beschichter
11: Vorratskammer
12: U-förmige Halterung
13: Drehscharnier
14: Halterungsarm
15: Wageeinrichtung
16: Haltearm
17: Ventil
18: Ventil
19: Teilchenauslass
20: Einlass
21: Aufbaumaterial

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (21) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, mit einer eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objekts aufweisende Baukammer (3), einer Dosierkammer (4) zum Bevorraten des Aufbaumaterials, einer Aufbringvorrichtung zum Aufbringen des Aufbaumaterials (21), sowie einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials (21) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Vorratskammer (11) mit wenigstens einem Einlass (20) und einem Teilchenauslass (19) umfasst, wobei der Teilchenauslass (19) zur Abgabe des Aufbaumaterials (21) mit dem Innenraum der Vorrichtung (1) verbindbar ist, sowie wenigstens eine Wägeeinrichtung (15) zur Bestimmung der Masse des in der Vorratskammer (11) vorhandenen Aufbaumaterials (21) sowie eine Steuerungseinrichtung zur Auswertung der von der Wägeeinrichtung (15) erzeugten Signale umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (11) in einer U-förmigen Halterung (12) aufgenommen ist, deren eine Seite am Gehäuse oder Rahmen (2) der Vorrichtung (1) gelagert ist und deren zweite Seite auf die Wägeeinrichtung (15) zur Auslösung eines Wagesignals beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Abgabe des Aufbaumaterials (21) in Abhängigkeit des Wagesignals der Wägeeinrichtung (15) und/oder des Füllzustands der Dosierkammer (4) und/oder des Füllzustands der Baukammer (3) und/oder des Füllzustands einer Überlaufkammer (5) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenauslass (19) der Vorratskammer (11) mit einer oberhalb der Dosierkammer (4) angeordneten Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (11) ein Ventil (18) aufweist, mit dem der Teilchenauslass (19) teilweise und/oder zeitweise gesperrt werden kann, sodass nur eine vorgegebene Masse des Aufbaumaterials die Vorratskammer (11) durch den Teilchenauslass (19) verlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung (6) eine Aufbaumaterial-Vorratseinheit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (11) einen Luftauslass aufweist, der mit einer Gasregelungseinheit der Vorrichtung (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (11) als Zyklon ausgebildet ist, dessen Einlass (20) mit einer Absaugeinrichtung, einem externen Pulvervorrat und/oder der Überlaufkammer verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zyklon ausgebildete Vorratskammer (11) mit ihrem unteren, den Teilchenauslass (19) umfassenden Ende konisch verjüngt ist und über einen flexiblen Balg an die Dosierkammer-Nachfüllvorrichtung (6) der Vorrichtung (1) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung einen Speicher und eine Eingabeeinrichtung umfasst, wobei eine Bedienungsperson mittels der Eingabeeinrichtung das Aufbaumaterial (21) spezifizieren kann und dem Speicher Daten des Aufbaumaterials (21), insbesondere seine Dichte, entnehmbar sind, so dass die Steuerung des Füllstandes der Vorratskammer (11) in Abhängigkeit des spezifizierten Aufbaumaterials (21) erfolgt.