DE102012014840A1

DE102012014840A1 - Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sukzessives Verfestigen von Schichten

Info

Publication number: DE102012014840A1
Application number: DE201210014840
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 7 durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials 6 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 7 entsprechenden Stellen, mit einer Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes 7 mit einem höhenverstellbaren Träger 8, einer Aufbringvorrichtung 5 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 6 und einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials 6 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 7 entsprechenden Stellen, wobei der Träger 8 zur Höhenverstellung mit einer Spindelantriebseinrichtung versehen ist, wobei die Spindelantriebeinrichtung wenigstens zwei von der Trägerunterseite nach unten weisende Spindeln 10 umfasst, die in motorisch antreibbaren höhenfest gelagerten Spindelantriebsmuttern 11 geführt sind, wobei die Spindelantriebsmuttern 11 synchron über ein gemeinsames Antriebselement antreibbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen Aufbaumaterials gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Vorrichtungen sind als Lasersintermaschinen (SLS) oder Laserschmelzmaschinen (SLM) bekannt und werden zur rechnergestützten Herstellung dreidimensionaler Prototypen, Werkzeuge oder auch Medizintechnikprodukte verwendet. Im Rahmen des Bauprozesses wird dabei auf den in der Baukammer befindlichen Träger das Aufbaumaterial in einer Schicht aufgebracht, an den benötigten Stellen mittels eines Lasers verfestigt und danach der Träger in der Höhe einer Schicht abgesenkt, um eine neuerliche Schicht Aufbaumaterial aufzutragen.
Darüber hinaus ist es bekannt, bei Stereolithographiemaschinen einen Träger in der zu verfestigenden Flüssigkeit schrittweise abzusenken, wobei die jeweils an der Oberfläche befindliche Flüssigkeit an den gewünschten Stellen verfestigt wird.
Bei bekannten Lasersinter- oder Laserschmelzmaschinen wird der Träger mittels eines Spindelantriebs höhenverstellt. Dabei befindet sich eine Spindel in der Mitte der Trägerplatte, die mit einer Spindelantriebsmutter zur Variation der Höhe angetrieben wird.
Bei diesem Antrieb des Trägers in der Baukammer besteht das Problem, dass die Spindel bei der Befestigung am Träger sehr exakt zu positionieren ist, da ansonsten beim Befüllen der Baukammer mit Aufbaumaterial Kippmomente entstehen können, wodurch sich der Träger leicht verkantet und seine Bewegbarkeit eingeschränkt wird. Kippt der Träger, dann wird die Maßhaltigkeit des entstehenden Bauteils negativ beeinflusst. Darüber hinaus sind der Belastbarkeit nur einer Spindel Grenzen gesetzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 anzugeben, die ein hochpräzises und insbesondere verkantungsfreies Heben und Senken des Trägers auch bei schweren und großvolumigen Bauteilen erlaubt. 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 Spindelantriebseinrichtung wenigstens zwei von der Trägerunterseite nach unten weisende Spindeln umfasst, die in motorisch antreibbaren höhenfest gelagerten Spindelantriebsmuttern geführt sind, die synchron über ein gemeinsames Antriebselement antreibbar sind. Durch die Verwendung mehrerer Spindeln können diese abseits des Zentrums positioniert werden, wodurch Kippmomente vermieden werden. Die Verwendung mehrerer Spindeln wird allerdings erst dadurch möglich, dass die zum Antrieb verwendeten Spindelantriebsmuttern synchron über ein gemeinsames Antriebselement angetrieben werden. Dadurch werden die Spindeln automatisch synchron bewegt und eine aufwendige Regelung mittels Prozessor und Wegstreckennehmern kann entfallen. Denn auch bei der Verwendung mehrerer Spindeln ohne gemeinsames Antriebselement besteht die Gefahr des Verkantens, und zwar nicht nur im Hinblick auf den Träger, sondern auch bezüglich der Spindelantriebsmuttern.
Bevorzugt können vier Spindeln verwendet werden, die jeweils im Bereich einer Ecke des Trägers angeordnet sind. Zusätzlich kann selbstverständlich eine weitere Spindel wie bisher zentral am Träger angeordnet sein.
Als Antriebselement kann ein Zahnriemen verwendet werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die beim Bauvorgang häufigen Bewegungen bei kurzen Bewegungsstrecken einem Flachriemen vorzuziehen. Die Kraftübertragung des Zahnriemens auf die Spindelantriebsmuttern wird dabei maßgeblich vom Umschlingungswinkel bestimmt. Der Umschlingungswinkel ist der Abschnitt des Zahnriemens, der mit einer Spindelantriebsmutter in Eingriff steht. Zur Erhöhung des Umschlingungswinkels zur Verbesserung der Kraftübertragung kann daher zwischen zwei Antriebsmuttern wenigstens eine Riemenführungsrolle angeordnet sein. Die Riemenführungsrolle wirkt auf die normalerweise glatte Zahnriemenrückseite ein und erzwingt einen weiteren Weg des Zahnriemens statt der direkten Verbindung zwischen zwei Spindelantriebsmuttern. Dadurch wird andererseits der Umschlingungswinkel an der bzw. den korrespondierenden Spindelantriebsmuttern erhöht und dadurch die Kraftübertragung des Zahnriemens auf die Spindelantriebsmuttern verbessert.
Vorzugsweise befinden sich die Spindelantriebsmuttern innerhalb eines an der Unterseite des Baubehälters angeordneten Rahmens, während das gemeinsame Antriebselement außerhalb dieses Rahmens angeordnet ist. Die Spindelantriebsmuttern wie auch der größte Teil des Zahnriemens sind dadurch vor Krafteinwirkungen oder Störungen von außen besser geschützt, während der als Antriebseinrichtung verwendete Motor leicht zugänglich bleibt. Durch diesen Aufbau kann die Lebensdauer der Spindelantriebseinrichtung erhöht werden, wobei der leichte Zugang zum gemeinsamen Antriebselement gewahrt bleibt.
Mit besonderem Vorzug kann im Bereich zwischen den Antriebsspindeln ein Messaufnehmer angeordnet sein, der ein an ihm vorbeilaufendes Messelement, z. B. ein Magnetmessband abtastet, das an der Unterseite des Trägers angeordnet ist. Mittels des Messaufnehmers kann die Höhenposition des Trägers sehr exakt bestimmt werden, insbesondere lässt sich in Abhängigkeit des Signals des Messaufnehmers der Bauvorgang unterbrechen, um die Positionierung des Trägers zu korrigieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die oberen Enden der Spindeln drehfest in Spindelaufnahmeelementen an der Tragevorrichtung befestigt sind, wobei die Spindelaufnahmeelemente um einen gewissen Betrag gegenüber der Tragevorrichtung drehbar sind. Dies kann manuell geschehen, in vorteilhafter Weise aber auch durch einen motorischen Stellantrieb, beispielsweise ein kleines Stellelement. Werden die Spindelaufnahmeelemente gegenüber der Trägerplatte verdreht, dann werden auch die daran drehfest befestigten Spindeln um einen gewissen Betrag verdreht und die Platte in dem jeweiligen Bereich der Spindel etwas angehoben oder abgesenkt. In der Regel reicht eine Verdrehung von maximal 180°, um eine saubere Nivellierung der Platte zu erreichen. Die Nivellierung lässt sich über einen Steuerungsrechner messen und kann auch während eines Bauvorganges durch die Stellelemente korrigiert werden, falls sich ergibt, dass aufgrund einer einseitigen Belastung während des Bauvorganges durch ein sehr schweres Bauelement, das auf einer Seite des Trägers lastet, eine Nivellierung erforderlich wird. Unter Umständen sind zur Vermessung der Trägerplattform mehrere Messaufnehmer an der Unterseite der Tragevorrichtung angeordnet. Dies erlaubt auch eine Korrektur von nicht sehr genau übereinstimmenden Spindelsteigungen und daraus fließenden Abweichungen hinsichtlich der Nivellierung während des Bauvorganges, da es sein kann, dass über den gesamten Bauweg die Spindelsteigungen etwas voneinander abweichen und es dann zu einer Schrägstellung der Tragevorrichtung kommt, die durch die Korrekturvorrichtung ausgeglichen werden kann.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine SLS- oder SLM-Vorrichtung in einer Querschnittsansicht;
2 eine Baukammer in Querschnittsansicht;
3 die Bodenplatte einer Baukammer in Draufsicht.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung dreidimensionaler Objekte. Von der Vorrichtung 1 ist das Baumodul umfassend die Baukammer 2, die Dosierkammer 3, und die Überlaufkammer 4 sowie die Aufbringvorrichtung 5 dargestellt. Weiterer Komponenten der Vorrichtung 1 wie beispielsweise die Bestrahlungseinrichtung wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die Darstellung der Baukammer 2, der Dosierkammer 3 und der Überlaufkammer 4 als Baumodul ist rein beispielhaft, selbstverständlich können die einzelnen Kammern auch separate Elemente sein.
Während eines Beschichtungsvorgangs wird das Aufbaumaterial 6 mittels der Aufbringvorrichtung von der Dosierkammer 3 zur Baukammer 2 transportiert, das Aufbaumaterial 6 an den gewünschten Stellen zur Erzeugung des dreidimensionalen Objektes 7 verfestigt und danach der Träger 8 in der Baukammer abgesenkt bzw. der Träger 9 in der Dosierkammer 3 angehoben. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis das dreidimensionale Objekt 7 fertig gebaut ist.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass sich unterhalb des Trägers 8 mehrere Spindeln 10 befinden, die in den höhenfest gelagerten Spindelantriebsmuttern 11 geführt sind.
Die Spindelantriebsmuttern 11 können, wie 2 zeigt, an der Unterseite der Bodenplatte 12 der Baukammer 3 befestigt sein. Durch Antrieb der Spindelantriebsmuttern werden die Spindeln 10 auf- bzw. abwärts bewegt. Zur Messung der Auf- bzw. Abwärtsbewegung befindet sich an der Unterseite der Bodenplatte weiterhin ein Magnetmessmaßband 13 sowie ein Messaufnehmer 14, die eine sehr genaue Messung der Höhenverstellung des Trägers 8 erlauben.
Die Spindeln 10 sind zu den Ecken des Trägers 8 hin angeordnet, dadurch kann das Drehmoment, das im Folgenden erläutert wird, minimiert werden. Beim Befüllen der Baukammer 2 mit Aufbaumaterial 6 drückt ein immer stärker werdendes Gewicht auf die Bodenplatte B. Befindet sich nun eine einzige Spindel 10 im Zentrum der Bodenplatte 8, so ist diese sehr exakt zu positionieren, dass durch das Aufbaumaterial 6 vorhandene Gewicht kein Dreh- bzw. Kippmoment erzeug wird. Ein derartiges Kippmoment würde zu einer leichten Schrägstellung der Bodenplatte 8 in der Baukammer 2 führen, wodurch die Reibkraft zwischen dem Träger 8 und der Wand der Baukammer 2 erhöht wird. In diesem Fall ist auf die Spindelantriebsmutter 11 eine größere Kraft auszuüben, um den Träger 8 in der Höhe zu verstellen. Dadurch wird die Lebensdauer einer derartigen Spindelantriebseinrichtung erniedrigt.
Verwendet man dagegen wenigstens zwei Spindeln und entsprechende Spindelantriebsmuttern, so entsteht ein derartiges Kippmoment in einem viel geringeren Maße. Bei Verwendung von vier Spindeln und Spindelantriebsmuttern, also jeweils eine Spindel und Spindelantriebsmutter pro Ecke des Trägers 8, werden Kippmomente aufgrund des Aufbaumaterials 6 minimiert, was den Einsatz großflächiger Bauplatten ermöglicht.
Um weiterhin Kippungen aufgrund unterschiedlicher Höhenverstellung der einzelnen Spindeln zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spindelantriebsmuttern 11 gemeinsam angetrieben werden. Zum Schutz der Spindelantriebseinrichtung befindet sich unterhalb der Bodenplatte 12 ein Rahmen 15, der die Baukammer 2 unterhalb der Bodenplatte 12 umschließt. Der Rahmen kann die Verlängerung der Wandung der Baukammer 2 über die Bodenplatte 12 hinaus darstellen, so dass der Rahmen 15 lediglich den unterhalb der Bodenplatte 12 befindlichen Wandungsabschnitt der Baukammer 2 darstellt. Der Rahmen 15 schützt die Spindelantriebseinrichtung vor äußeren Einflüssen, wodurch die Lebensdauer der Spindelantriebseinrichtung weiter erhöht wird.
3 zeigt eine bevorzugte Anordnung des Motors 16 zum Antrieb der Spindelantriebsmuttern 11. Der Motor 16 befindet sich außerhalb des Rahmens 15, damit er für Wartungs- und Reparaturarbeiten frei zugänglich bleibt. In der Wandung 15 befinden sich entsprechend Öffnungen, um den Zahnriemen 17 zum Antrieb der Spindelantriebsmuttern 11 durchzulassen. Der Zahnriemen 17 ist lediglich auf der Innenseite bezahnt, so dass die Außenseite glatt ist. Die Innenseite des Zahnriemens 17 ist dabei die Seite, die zum Magnetmaßband 13 hinweist und die Außenseite die Seite, die zum Rahmen 15 gerichtet ist.
Zur Verbesserung des Umschlingungswinkels befinden sich zwischen den Spindelantriebsmuttern ein oder mehrere Spannrollen 18. Durch die Spannrollen 18 wird die Länge des Zahnriemenabschnitts, der jeweils mit einer Spindelantriebsmutter 11 in Eingriff steht, erhöht. Dadurch wird die Kraftübertragung vom Motor 16 auf die Spindelantriebsmuttern 11 verbessert.
In Zeichnungsfigur 2 ist dargestellt, dass die Spindeln 10 mit ihrem oberen Endbereich in Spindelaufnahmeelementen 20 drehfest gehalten sind, wobei die Spindelaufnahmeelemente 20 gegenüber dem Träger 8 um einen gewissen Drehbetrag verdrehbar sind. Dies kann manuell geschehen, wobei dann sichergestellt werden muss, dass die Spindelaufnahmeelemente 20 in der eingestellten Drehposition fixiert werden können, weil es ansonsten beim Bauprozess zu unbeabsichtigten Verstellungen kommen könnte.
Es ist aber genauso möglich, jedem Spindelaufnahmeelement 20 eine motorische Stellvorrichtung 21 zuzuordnen, die z. B. durch einen Hebelarm oder dgl. das Spindelaufnahmeelement 20 um einen gewissen Betrag verdreht. In der Regel reichen Verdrehungen von weniger als 180°, um das gewünschte Korrekturergebnis zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Baukammer
3: Dosierkammer
4: Überlaufkammer
5: Aufbringvorrichtung
6: Aufbaumaterial
7: Objekt
8: Träger (Baukammer)
9: Träger (Dosierkammer)
10: Spindel
11: Spindelantriebsmutter
12: Bodenplatte
13: Magnetmaßband
14: Messaufnehmer
15: Rahmen unter 12
16: Motor
17: Zahnriemen
18: Spannrolle
20: Spindelaufnahmeelement
21: Stellvorrichtung

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung dreidimensionaler Objekte (7) durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines insbesondere pulverförmigen, mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (6) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (7) entsprechenden Stellen, mit einer Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes (7) mit einem höhenverstellbaren Träger (8), einer Aufbringvorrichtung (5) zum Aufbringen des Aufbaumaterials (6) und einer Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials (6) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (7) entsprechenden Stellen, wobei der Träger (8) zur Höhenverstellung mit einer Spindelantriebseinrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelantriebeinrichtung wenigstens zwei von der Trägerunterseite nach unten weisende Spindeln (10) umfasst, die in motorisch antreibbaren höhenfest gelagerten Spindelantriebsmuttern (11) geführt sind, wobei die Spindelantriebsmuttern (11) synchron über ein gemeinsames Antriebselement antreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier in den Eckbereichen des Trägers (8) angeordnete Spindeln (10) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement ein Zahnriemen (17) ist, der die Spindelmuttern (11) in einem Umschlingungswinkel von wenigstens 90° umgreift.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Umschlingungswinkel 180° oder größer ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmotor (16) außerhalb der durch die vier Spindeln (10) aufgespannten Fläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (16) in einem gesonderten außerhalb der Kontur eines den Träger (8) aufnehmenden Baubehälters angeordneten Gehäuses angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelantriebsmuttern (11) innerhalb eines an der Unterseite des Baubehälters angeordneten Rahmens (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse außerhalb des Rahmens (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen auf den Spindelantriebsmuttern (11) angeordneten Riemenscheiben wenigstens eine die Zahnriemenrückseite beaufschlagende Riemenführungsrolle angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Riemenführungsrollen als Spannrolle (18) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen den Spindeln (10) ein Messaufnehmer (14) angeordnet ist, der ein an ihm vorbeilaufendes Messband (13) abtastet, das an der Unterseite des Trägers (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Spindeln (10) mit ihrem oberen Bereich drehfest mit einer Spindelaufnahmeeinheit verbunden ist, die den oberen Bereich der Spindel (10) an die Tragevorrichtung ankoppelt, wobei die Spindelaufnahmevorrichtung gegenüber der Tragevorrichtung drehbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei vier angeordneten Spindeln (10) wenigstens zwei Spindeln mit ihren oberen Bereichen um einen gewissen Drehbetrag verdrehbar mit dem Träger (8) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehung der an die Tragevorrichtung ankoppelnden Spindelaufnahmeelemente (20) motorisch erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die motorischen Stellvorrichtungen (21) der Spindelaufnahmeelemente (20) von einem Steuersignal angesteuert werden, welches abhängig von der Nivellierung der Bauplatte zu Justagezwecken erzeugt wird.