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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionale 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, insbesondere SLM(Selektive-Laser-Melting)-Verfahren. Dazu wird eine Vorrichtung vorgesehen, die eine innerhalb einer Baukammer höhenverlagerbare Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes, eine Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildet Schicht sowie eine Bestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials umfasst.
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Derartige Verfahren sind unter den Begriffen Lasersinter- oder Laserschmelz-Verfahren bekannt. Zur Durchführung der bekannten Verfahren kommen Vorrichtungen zum Einsatz, die in der Regel Tragevorrichtungen aufweisen, welche innerhalb einer Baukammer höhenverlagerbar gelagert sind. Beim schichtweisen Aufbau des Objekts wird die Tragevorrichtung sukzessive nach unten gefahren, bis das Objekt fertiggestellt ist.
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Die Herstellung der einzelnen Schichten des Objekts erfolgt durch Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials mittels Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung. Somit wird zunächst mittels einer Beschichtungsvorrichtung das pulverartige Baumaterial auf die Tragevorrichtung oder einer zuvor gebildeten Schicht aufgebracht, die anschließend mittels einer Bestrahlungsvorrichtung an denjenigen Stellen bestrahlt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen. Dazu wird die Strahlung mittels einer Abtastvorrichtung geführt, die den Laser- oder Elektronenstrahl in Abhängigkeit von Baudaten führt, die das herzustellende Objekt charakterisieren. Durch Einwirkung des Laser- bzw. Elektronenstrahls wird ein lokaler Sinter- oder Schmelzvorgang initiiert, der zur einer Verfestigung der Schicht und ggf. zu einer Verbindung mit der darunter angeordneten Schicht des Baumaterials führt. Dieser Vorgang wird für jede Schicht durchgeführt, wobei die Tragevorrichtung innerhalb der Baukammer sukzessive abgesenkt wird.
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Herkömmliche generative Herstellungsverfahren sehen vor, dass nach Abschluss des Bauvorgangs die Tragevorrichtung in einer oberen Stellung positioniert wird, um ein Entfernen des nicht verfestigten Aufbaumaterials und eine Entnahme des hergestellten Objekts zu ermöglichen. Derartige herkömmliche Verfahren bzw. Vorrichtungen ermöglichen somit lediglich eine sequentielle Herstellung von Objekten, bei der der Bauprozesse nach Fertigstelltung eines Objekts oder einer Gruppe von Objekten unterbrochen werden muss.
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Zur Verbesserung der wirtschaftlichen Rentabilität solcher Herstellungsverfahren wurden bereits kontinuierliche Verfahren vorgeschlagen, bei denen die hergestellten Objekte über eine im unteren Bereich der Baukammer angeordneten Entnahmeöffnung aus der Baukammer entfernt werden können. Dies hat den Vorteil, dass der Entnahmevorgang zeitgleich mit der generativen Herstellung eines weiteren Objekts bzw. Struktur in der Baukammer erfolgen kann.
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Ein derartig kontinuierlich arbeitendes generatives Herstellungs- und Entnahmeverfahren ist aus
DE 10 2011 122 141 A1 bekannt. Jedoch ist das dort beschriebene Verfahren dahingehend eingeschränkt, dass entweder die herzustellenden Objekte in generativ aufzubauenden Gehäusen anzuordnen sind oder die herzustellenden Objekte selbst im Wesentlichen stangenartige Formkörper bilden.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kontinuierliches Verfahren zur generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten anzugeben, das eine effiziente Herstellung von einer Vielzahl beliebig geformter Objekte ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Als Kern der Erfindung wird es angesehen, übereinanderliegende einzelne Objekte über eine generativ aufgebaute Stützstruktur mit wenigstens einem Stützelement miteinander zu verbinden. Hinsichtlich der äußeren Form der herzustellen Objekte bestehen keine Anforderungen. Die Stützstruktur trägt ausgehend von einem oder mehreren Einsatzpunkten eines bereits hergestellten Objekts ein oder mehrere darüber angeordnete Objekte. Die über die Stützstruktur verbundenen Objekte sind durch eine Entnahmeöffnung, die im unteren Bereich der Baukammer angeordnet ist, entnehmbar. Entsprechend ist sichergestellt, dass die stangenähnliche, seitlich zumindest teilweise offene Struktur, die aus Objekten und Stützstruktur gebildet ist, synchron mit dem Bauprozess aus der Baukammer herausgefahren werden kann. Dies ermöglicht, dass das zumindest bereichsweise Aufbrechen der Stützstruktur und die Entnahme der hergestellten Objekten zeitgleich mit einem in der Baukammer stattfindenden generativen Herstellungsprozesses stattfinden kann. Zum leichten Abtrennen der Stützstruktur von den Objekten können Trenn- bzw. Sollbruchstellen vorgesehen sein.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden generativ aufgebaute Stützböden zur Abstützung von darüber angeordneten pulverartigem Aufbaumaterial eingebaut. Dazu ist ein Querschnitt des Stützbodens den inneren Abmessungen der Baukammer angepasst, sodass der Stützboden mit den Wandungen der Baukammer partikeldicht abschließt.
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Auch die Stützböden umfassende Stützstruktur und die damit verbundenen Objekte bilden eine offene Struktur, die generell seitlich zugänglich ist. Es wird somit vermieden, die Objekte innerhalb von generativ aufzubauenden Gehäuseabschnitten anzuordnen, da ein solches Vorgehen zeit- und materialaufwendig ist. Ferner hat es sich gezeigt, dass solche generativ hergestellte dosenartign Gehäuseabschnitte nur schlecht auftrennbar sind und zudem nach Entnahme des Objekts aus Gründen der Materialeinsparung oft aufwendig recycelt werden müssen.
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Vorzugsweise werden Stützböden nach einem oder mehreren Objekt bzw. Objekten generativ eingebaut. Sollen mehrere Objekte des gleichen Typs bzw. der gleichen Bauart hergestellt werden, so bietet es sich an, einen Stützboden erst nach einer Tranche derartiger Objekte einzuziehen.
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Die herzustellenden Objekte können insbesondere Schmuckteile, Formteile für Spritzgussformen, Zahnersatz wie Kronen oder Brücken oder dentale Implantate umfassen.
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Die Stützböden sind vorzugsweise mit der Stützstruktur verbunden und/oder werden von der Stützstruktur getragen. Stützböden, Stützstruktur und Objekte bilden somit in derartigen Ausführungsformen eine zusammenhängende offene Struktur, die insbesondere einen seitlichen Zugang ermöglicht. Dies kann dazu genutzt werden, noch bereits vor dem Auftrennen der Stützstruktur Nachbereitungsschritte durchzuführen. So kann beispielsweise eine Pulverentnahme erfolgen und/oder eine Oberflächenbehandlung der hergestellten Objekte durchgeführt werden, noch bevor eine Auftrennung der die Objekte verbindende Stützstruktur erfolgt.
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Besonders bevorzugt werden Stützböden zwischen zwei oder mehreren übereinliegenden Objekten oder Objektgruppen angeordnet. Somit ist ein zwischen den Stützböden liegender Abschnitt partikeldicht innerhalb der Baukammer höhenverlagerbar geführt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht beispielsweise die Entnahme des nicht verfestigten pulverförmigen Aufbaumaterials aus dem Abschnitt über eine weitere unterhalb der Beschichterebene liegenden Entnahmeöffnung noch bevor der Abschnitt das untere Ende der Baukammer erreicht.
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Die Stützböden werden vorzugsweise von einem darunter angeordneten generativ aufgebauten Objekt oder eine Objektgruppe durch eine generativ aufgebaute Stützstruktur getragen. Stützböden, Objekte bzw. Objektgruppen und Stützstruktur bilden somit eine zusammenhängende Struktur, die synchron mit dem Bauvorgang nach unten aus der Baukammer herausfahrbar ist.
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Entsprechend ist durch die Ausbildung der Objekte und der dazwischenliegenden Stützstruktur entsprechend einer offenen Struktur ermöglicht, dass das unter einem oder mehreren Stützböden angeordnete pulverartige Aufbaumaterial abgeführt, insbesondere abgesaugt wird, während im oberen Bereich der Baukammer eine generative Herstellung eines weiteren Objekts erfolgt. Insbesondere kann diese Absaugung durch eine Absaugöffnung erfolgen, die unterhalb der Beschichterebene angeordnet ist. Somit wird pulverartiges Aufbaumaterial, welches unterhalb eines Stützbodens angeordnet ist, schon entfernt, bevor dieses die im unteren Bereich der Baukammer angeordnete Entnahmeöffnung erreicht. Das abgesaugte Aufbaumaterial wird vorzugsweise einem der Beschichtungsvorrichtung zugeordneten Dosier- oder Vorratsbehälter zugeführt, um den zur Herstellung der Objekte notwendigen Materialeinsatz zu minimieren.
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Die Pulverentnahme erfolgt vorzugsweise seitlich und zeitgleich mit dem generativen Aufbau einer Struktur in der Baukammer.
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Zusätzlich ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass eine Kühlung und/oder eine Oberflächenbehandlung zumindest eines Teils der mittels der Stützstruktur verbundenen Objekte nach der Pulverentnahme erfolgt. Dies kann insbesondere durch Beaufschlagung mit einem Kühlmittel erfolgen, welches durch eine weitere seitliche Einlassöffnung in die Baukammer geleitet wird, wobei die Einlassöffnung zwischen der Absaugöffnung und der unteren Entnahmeöffnung angeordnet ist. Ein derartiges Vorgehen minimiert den Aufwand für die Nachbehandlung der Objekte und ermöglicht zudem eine zeitnahe Entnahme der Objekte nach deren Herstellung, sodass Produktionskapazitäten optimal genutzt werden können.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt während des Herstellungsprozesses ein generativer Aufbau einer schienenförmigen Transportstruktur. Die schienenförmige Transportstruktur ist im Randbereich der Baukammer angeordnet und dient zum Transport der mittels der Stützstruktur verbundenen Objekte. Dazu ist die schienenförmige Transportstruktur derart ausgebildet, dass diese mit einem motorischen Antriebsmittel, welches beispielsweise Reibräder oder Ähnliches aufweist, zusammenwirkt. Alternativ dazu kann die schienenförmige Transportstruktur auch eine gezahnte Oberfläche aufweisen, die mit einem motorisch angetriebenen Zahnrad des Antriebsmittels zusammenwirkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungsfiguren gezeigt sind, näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zum generativen Herstellen dreidimensionaler Objekte;
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2 eine zusammenhängende Struktur aus generativ hergestellten Objekten mit einer die Objekte verbindende Stützstruktur, die Stützböden umfasst;
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3 eine weitere Struktur aus Objekten, Stützstruktur und Stützböden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Einander entsprechende Teile sind bei allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten 2. Zur Herstellung der Objekte 2 ist pulverförmiges Aufbaumaterial 3 auf eine eine Trägerplatte aufweisende Tragevorrichtung 4 aufbringbar. Die Tragevorrichtung 4 ist innerhalb einer Wandungen 5 aufweisende Baukammer 6 höhenverlagerbar angeordnet.
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Zur lokalen Verfestigung des Aufbaumaterials 3 an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen, ist eine Bestrahlungseinrichtung 7 vorgesehen. Die Bestrahlungseinrichtung 7 erzeugt einen Energiestrahl 8, der entsprechend alternativer Ausführungsbeispiele als Elektronen- oder als Laserstrahl ausgeführt ist. Der Energiestrahl 8 ist mittels einer Abtastvorrichtung 9 steuerbar, sodass der Fokuspunkt des Energiestrahls 8 zur Verfestigung des Aufbaumaterials an die entsprechenden Stellen geführt werden kann. Dazu ist die Abtastvorrichtung 9 mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden, die eine nicht näher dargestellte Speichereinheit aufweist, auf der das Objekt 2 beschreibende Baudaten hinterlegbar sind. Die Steuereinrichtung 10 steuert somit über die Abtastvorrichtung 9, die beispielsweise entsprechende optische Einrichtungen, wie Linsen und Spiegel aufweist, die Auslenkung des Energiestrahls 8.
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Zur schichtweisen Auftragung von pulverförmigen Aufbaumaterial 3 auf der Tragevorrichtung 4 ist eine Beschichtungsvorrichtung 11 vorgesehen, welcher in nicht dargestellter Weise ein Dosier- oder Vorratsbehälter zur Bevorratung von pulverförmigen Aufbaumaterial 3 zugeordnet ist.
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In einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Beschichtungsvorrichtung 11 ein Beschichtermesser zur Auftragung des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung.
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Zur Herstellung des Objekts 2, eines Stützelementes 19 oder eines Stützbodens 18 wird zunächst eine Schicht Aufbaumaterial 3 auf die Tragevorrichtung 4 aufgetragen, die anschließend mittels des Energiestrahls 8 zur Verfestigung des Aufbaumaterials bestrahlt wird. Anschließend wird die Tragevorrichtung 4 etwas abgesenkt, um die Auftragung der nächsten Schicht zu ermöglichen. Durch eine lokale Bestrahlung wird eine Verfestigung an den gewünschten Stellen erreicht, wobei sich die gerade bestrahlte Schicht mit der darunter angeordneten Schicht verbindet. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Objekt 2, das Stützelement 19 bzw. der Stützboden 18 vollständig hergestellt ist. Entsprechend wird die Tragevorrichtung während des Herstellungsprozesses sukzessiv nach unten abgesenkt. Die Vorrichtung 1 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nach unten hin offen ausgebildet, sodass das Objekt 2 bzw. eine Struktur, die ggf. mehrere Objekte 2 und eine diese Objekte 2 verbindende Stützstruktur aus Stützelementen 19 und Stützböden 18 umfasst, nach unten hin aus der Baukammer 6 herausfahrbar ist. Im unteren Bereich der Baukammer 6 ist eine Entnahmeöffnung 12 angeordnet, durch die, ggf. nach Auftrennen der die Objekte verbindende Stützstruktur, die Objekte 2 aus der Baukammer 6 entnehmbar sind.
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Somit ist durch die Vorrichtung 1 ein Herstellungsverfahren zur generativen Herstellung von Objekten 2 ermöglicht, bei dem eine Entnahme zuvor hergestellter Objekte über die Entnahmeöffnung 12 simultan zu einem im oberen Bereich der Baukammer 6 stattfindenden generativen Herstellungsprozess ermöglicht ist. Die Vorrichtung 1 ermöglicht somit einen quasi kontinuierlichen Herstellungsprozess.
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Ferner ist die Vorrichtung 1 dazu ausgebildet, zur weiteren Verbesserung des Herstellungsverfahrens eine Weiterbehandlung der soeben hergestellten Objekte 2 zu ermöglichen, noch bevor diese von der Stützstruktur getrennt werden und das untere Ende der Baukammer 6 erreichen. Dazu weist zumindest eine der Wandungen 5 der Baukammer 6 weitere seitliche Öffnungen auf. So ist unterhalb der Beschichterebene eine Absaugöffnung 13 angeordnet, die mit einer Absaugeeinrichtung 14 zum Absaugen von pulverförmigen Aufbaumaterial aus der Baukammer 6 verbunden ist. Die Absaugeeinrichtung 14 ist ferner mit dem Dosier- oder Vorratsbehälter der Beschichtungsvorrichtung 11 verbunden, sodass unmittelbar nach dem Herstellungsprozess nicht verfestigtes Aufbaumaterial 3 dem Herstellungsprozess gleichsam in einem maschineninternen Kreislauf zurückführbar ist. Dies minimiert den zur Herstellung notwendigen Materialeinsatz deutlich. Zwischen der Absaugöffnung 13 und der Entnahmeöffnung 12 ist seitlich an der Baukammer 6 eine Einlassöffnung 15 vorgesehen, welche mit einer Einlassöffnung 16 in Wirkverbindung steht. Über die Einlasseinrichtung 16 und die Einlassöffnung 15 ist beispielsweise ein Kühlmittel in die Baukammer 6 einleitbar, sodass eine zeitnahe Abkühlung der hergestellten Objekte 2 erreicht werden kann. Ferner ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel vorgesehen, über die Einlassöffnung 15 und die Einlasseinrichtung 16 Mittel zur Oberflächenbehandlung der hergestellten Objekte 2 einzuleiten.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer offenen Struktur 17, die aus Objekten 2, Stützböden 18 und dazwischenliegende Stützelemente 19 gebildet ist. Die Struktur 4 ist zusammenhängend und offen ausgebildet und innerhalb der Baukammer 6 höhenverlagerbar angeordnet. Die Stützböden 18 liegen dabei eng an den Wandungen 5 der Baukammer 6 an und bilden mit dieser einen partikeldichten Abschluss.
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Die Stützelemente 19 bilden eine Stützstruktur welche astartige Verzweigungen zum Tragen der darüber angeordneten Objekten 2 bzw. Objektgruppen aufweisen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Struktur 17, welche durch eine Vielzahl von Stützböden 18, Stützelementen 19 und Objekten 2 gebildet ist. Zudem ist randseitig an der Baukammer 6 eine mit der Struktur 17 verbundene Transportstruktur 20 angeordnet, welche während des Herstellungsprozesses generativ aus dem Aufbaumaterial 3 gebildet wird. Die schienenartig ausgebildete Transportstruktur 20 wirkt mit einem motorisch angetriebenen Antriebsmittel 21 der Vorrichtung 1 zusammen, um eine Höhenverlagerung der in der Baukammer 6 angeordneten Struktur 17 zu ermöglichen. Ferner kann die Transportstruktur 20 eine Führung der Struktur 17 innerhalb der Baukammer 6 bewirken.
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Die Stützböden 18 trennen Bereiche der Struktur 17 ab, zwischen denen das pulverförmige Aufbaumaterial 2 über die Absaugöffnung 13 abgesaugt werden kann, ohne einen zeitgleich im oberen Bereich der Baukammer 6 stattfindenden Herstellungsprozess negativ zu beeinflussen. Somit ist vorgesehen, zeitgleich zur Herstellung von Objekten 2, Stützelementen 19 oder Stützböden 18 im oberen Bereich der Kammer 6 ein Absaugen von Aufbaumaterial 3 über die Absaugöffnung 13 aus Bereichen, die zwischen Stützböden 18 angeordnet sind, vorzunehmen. Dieses abgesaugte Aufbaumaterial 3 wird dem Herstellungsprozess unmittelbar zurückgeführt.
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In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird über die Einlassöffnung 15 ein Kühlmittel zur Kühlung der hergestellten Objekte 2 in die Baukammer 6 eingeleitet. Dieser Vorgang erfolgt noch bevor das zu kühlende Objekt 2 das untere Ende der Baukammer 6 erreicht.
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Alternativ oder zusätzlich wird durch die Einlassöffnung 15 ein gasförmiges Fluid zur Oberflächenbehandlung der hergestellten Objekte 2 eingeleitet.
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In einem abschließenden Verfahrensschritt wird die Stützstruktur aus Stützelementen 19 zumindest teilweise aufgetrennt und das hergestellte Objekt 2 über die Entnahmeöffnung 12 aus der Baukammer 6 entfernt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Objekt
- 3
- Aufbaumaterial
- 4
- Tragevorrichtung
- 5
- Wandung
- 6
- Baukammer
- 7
- Bestrahlungseinrichtung
- 8
- Energiestrahl
- 9
- Abtastvorrichtung
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Beschichtungsvorrichtung
- 12
- Entnahmeöffnung
- 13
- Absaugöffnung
- 14
- Absaugeeinrichtung
- 15
- Einlassöffnung
- 16
- Einlasseinrichtung
- 17
- Struktur
- 18
- Stützböden
- 19
- Strukturelemente
- 20
- Transportstruktur
- 21
- Antriebsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011122141 A1 [0006]
