DE102013210242A1 - Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit drehender Relativbewegung zwischen Pulverbett und Pulververteiler - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage (11) zum selektiven Laserschmelzen mit einer Prozesskammer (22). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Träger (12) für ein Pulverbett (15) topfförmig ausgebildet ist, mit einer Bodenplatte (23) als Basis für herzustellende Werkstücke (13) und einer zylinderförmigen Wandung (24). Vorteilhaft kann dieser Träger zur Erzeugung des Pulverbetts mittels eines Pulververteilers (21) und zwecks Erzeugung der Werkstücke (13) gedreht werden, ohne dass es zu einer Relativbewegung zwischen Pulverteilchen und der Wandung (24) kommt. Daher lässt sich ein Pulverbett mit einer hohen Güte herstellen, wodurch auch die erzeugten Werkstücke von hoher Qualität sind.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit einer Prozesskammer, in der ein Träger für ein herzustellendes Werkstück und ein Pulververteiler zur Erzeugung eines Pulverbettes vorgesehen sind, wobei der Pulververteiler und der Träger der Achse drehbar angeordnet sind.
- Eine derartige Anlage ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 041 284 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen, in der ein Pulververteiler in einer Prozesskammer an einer Stange aufgehängt ist, deren Symmetrieachse sich genau in der geplanten Drehachse des Pulververteilers befindet. Der Pulververteiler kann mittels eines Antriebs um diese Drehachse gedreht werden und gleichzeitig kann der Werkstück-Tisch, der als Träger für das herzustellende Werkstück dient, in der Höhe verstellt werden. Auf diese Weise lassen sich durch schrittweises Absenken des Trägers und durch Drehen des Pulververteilers und einer dahinter befindlichen Rakel, die auch als Beschichter bezeichnet werden kann, die sich ebenfalls dreht, lagenweise ein Pulverbett erzeugen, indem mittels eines Lasers Lagen eines herzustellenden Werkstücks aufgeschmolzen werden können. Dieser Herstellungsprozess wird als selektives Laserschmelzen bezeichnet. Eine Alternative für den Betrieb sieht vor, dass der Träger kontinuierlich abgesenkt wird, während sich der Pulververteiler kontinuierlich dreht. Wenn diese beiden Bewegungen aufeinander abgestimmt werden, so dass die Absenkung des Trägers bei einer Drehung des Pulververteilers um 360° gerade eine Lagendicke beträgt, lässt sich eine kontinuierliche Fertigung für die herzustellenden Werkstücke erreichen. Das heißt, dass die Bearbeitung mittels des Lasers nicht unterbrochen wird, um eine neue Lage im Pulverbett zu erzielen, sondern dass die Erzeugung des Pulverbetts und die Herstellung des Werkstücks mittels des Lasers simultan erfolgt. - Bei der Herstellung des Pulverbetts können Fehler auftreten, die dazu führen, dass die durch die Rakel hergestellte Oberfläche des Pulverbetts nicht absolut eben ist. Hierfür können unterschiedliche Ursachen genannt werden. Es können Versetzungen im Pulverbett auftreten. Bei der Laserbehandlung können Spritzer der Metallschmelze entstehen, die sich auf der Oberfläche des Pulverbetts absetzen. Die Lippe des Beschichters kann verschlissen oder verletzt werden, so dass sich die mechanischen Beschädigungen im Pulverbett abzeichnen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen, bei der eine drehende Relativbewegung zwischen Pulververteiler und Pulverbett erfolgt, dahingehend zu verbessern, dass die Ausbildung des Pulverbetts weniger fehlerbehaftet ist.
- Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Träger topfförmig aufgebaut ist, mit einer kreisförmigen Bodenplatte als Basis für das herzustellende Werkstück, und mit einer Wandung, die in Form eines Zylindermantels die Bodenplatte an ihrem Rand begrenzt. Dabei verläuft die senkrechte Achse durch den Mittelpunkt der Bodenplatte und der Pulververteiler erstreckt sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung. Der topfförmige Aufbau des Trägers bewirkt vorteilhaft, dass sich bei einer Drehung des Trägers die zylindrische Wand ebenfalls mitdreht. Daher kommt es nicht zu einer Relativbewegung zwischen der Wand der Prozesskammer, in der das Pulverbett hergestellt wird, und dem sich drehenden Boden der Prozesskammer, der als Basis für die herzustellenden Werkstücke dient. Eine solche Relativbewegung würde nämlich die Versetzungs- und Verschiebungsbewegungen von Pulverteilchen untereinander befördern und somit die Qualität der Oberfläche des Pulverbetts vermindern. Erfindungsgemäß wird das Pulver jedoch sozusagen in einen Topf eingefüllt, wo es von äußeren Einflüssen weitgehend geschützt ist. Der Pulververteiler sowie der Beschichter, der eine Glättung der Oberfläche des Pulververteilers bewirkt, werden von oben in die Öffnung des Topfes eingetaucht, wobei sich der topfförmige Träger während des Verfahrensablaufs des selektiven Laserschmelzens langsam mit Pulver füllt. Hierbei entstehen im entstehenden Pulverbett gleichzeitig durch Aufschmelzen mittels des Lasers die herzustellenden Werkstücke.
- Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger um die senkrechte Achse drehbar ist und der Pulververteiler höhenverstellbar ist. Hier werden die notwendigen Relativbewegungen zwischen Pulververteiler und Pulverbett auf die beiden Werkstücke des Trägers und des Pulververteilers aufgeteilt. Eine Abstimmung der Bewegungen untereinander erfolgt in an sich bekannter Weise, wie oben bereits beschrieben.
- Zum Pulververteiler gehört eine Dosierungseinrichtung für das Pulver und ein Beschichter. Die Dosierungseinrichtung weist bevorzugt eine schlitzförmige Öffnung auf, durch die das Pulver aus einem Pulvervorrat, also einem Behälter, vorzugsweise radial auf der Oberfläche des Pulverbettes verteilt wird. Hierdurch ist vorläufig bereits eine vergleichsweise gleichmäßige Verteilung des Pulvers möglich. Um diese Verteilung weiter zu vergleichmäßigen und insbesondere auch eine ebene Oberfläche des Pulverbettes zu erzeugen, wird das Pulverbett nach Zudosierung neuen Pulvers mittels des Beschichters (Rakel) geglättet. Der Beschichter muss sich hierzu genau auf dem Niveau der herzustellenden Oberfläche des Pulverbetts befinden. Dies wird durch die Höhenverstellung des Pulververteilers erreicht. Die Dosiereinrichtung selbst muss dabei nicht zwangsläufig höhenverstellbar sein. Dies ist jedoch von Vorteil, da eine höhenverstellbare Dosiereinrichtung immer einen konstanten Abstand zur Oberfläche des Pulverbetts hat, so dass ein gleichmäßiges Verteilungsverhalten des Pulvers beispielsweise durch ein Rieseln über den Dosierschlitz erreicht werden kann.
- Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger höhenverstellbar und um die senkrechte Achse drehbar ist. Bei dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage kann der Pulververteiler vorteilhaft ortsfest in der Anlage angeordnet sein. Hierbei entfällt der mechanische Aufwand einer drehbaren und/oder höhenverstellbaren Anordnung. Anstelle dessen wird der topfförmige Träger sowohl in seiner Höhe als auch in seiner Winkellage um die Drehachse beweglich gelagert und in geeigneter Weise angetrieben.
- Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein spindelförmiger Antrieb vorgesehen ist, wobei dieser bei einer vollständigen Drehung des Trägers eine Absenkung desselben um eine Lagendicke des Pulverbettes gewährleistet. Hierbei liegt vorteilhaft eine mechanische Kopplung vor, wie diese für einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage oben bereits genauer erläutert worden ist. Der spindelförmige Antrieb kann durch eine mechanische Kopplung erreicht werden, die tatsächlich eine Antriebsspindel verwendet. Bei dieser ist allerdings die Steigung des spindelförmigen Antriebs konstruktiv festgelegt. Das heißt, dass die Dicke des Pulverbetts bei einer vollständigen Umdrehung des Trägers feststeht. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, dass der spindelförmige Antrieb durch eine geeignete Ansteuerung unabhängiger Antriebe erfolgt. Bei dem einen Antrieb handelt es sich um einen Drehmotor, während der andere Antrieb ein Linearmotor ist. Diese beiden Motoren können unabhängig voneinander angesteuert werden, wobei eine Synchronisation der Bewegungen zu dem spindelförmigen Antrieb des Trägers führt. Vorteilhaft kann eine solche Kombination von Motoren auch verwendet werden, um die beiden erforderlichen Bewegungen voneinander zu entkoppeln und jeweils eine Absenkung des Trägers um eine Pulverbettlage zu bewerkstelligen, wenn sich der Träger einmal um 360° gedreht hat, oder wenn schon vor Abschluss einer Drehung von 360° bereits alle aufzuschmelzenden Flächen der aktuellen Lage des Pulverbettes durch den Laser bearbeitet wurden.
- Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Pulververteiler einen Pulverbehälter mit einem sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung erstreckenden Dosierschlitz aufweist. Dadurch kann das Pulverbett gleichmäßig aufgebaut werden, indem dieses radial vom Mittelpunkt zum Rand hin einen Nachschub an Pulver bekommt. Genauso ist es vorteilhaft, wenn der Pulververteiler einen sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung erstreckender Beschichter aufweist, die in Drehrichtung gesehen hinter dem Pulverbehälter angeordnet ist. Dies bewirkt, dass das soeben zudosierte Pulver sofort vergleichmäßigt werden kann, um eine ebene Oberfläche des Pulverbetts zu erhalten. Auch ist ein radialer Verlauf des Beschichters von Vorteil, weil sich ein Glattstreichen bei der erfindungsgemäß vorgesehenen drehenden Relativbewegung leicht erreichen lässt.
- Zuletzt ist es vorteilhaft, dass ein Laser vorgesehen wird, dessen Laserstrahl nur um eine Achse schwenkbar ist, derart, dass der Laserstrahl das Pulverbett ebenfalls radial auf einer die senkrechte Achse schneidenden Gerade bestreicht. Dadurch, dass durch die drehende Relativbewegung alle Punkte des Pulverbetts grundsätzlich unter einer solchen die senkrechte Achse schneidenden Geraden hindurch gefahren werden können, können in dem Pulverbett beliebige Werkstücke hergestellt werden. Hierbei kann der mechanische Aufwand einer zweiachsigen Umlenkung des Lasers eingespart werden, indem die Drehung des Pulverbetts die Schwenkung des Lasers um eine der Achsen ersetzt. Diese Lösung ist daher besonders kostengünstig und zudem vorteilhaft mit geringen Fertigungstoleranzen behaftet.
- Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, teilweise aufgeschnitten und teilweise dreidimensional dargestellt und -
2 und3 schematisch verschiedene Relativbewegungen zwischen Pulverdosierer und Träger. - In
1 ist schematisch eine Anlage11 zum Laserschmelzen dargestellt. Diese weist einen Träger12 auf, in dem ein Werkstück13 mittels eines Laserstrahls14 lagenweise in einem Pulverbett15 hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck kann der von einem Laser16 ausgesendete Laserstrahl14 über einen Umlenkspiegel17 innerhalb eines Schwenkbereiches18 umgelenkt werden, indem der Umlenkspiegel17 um eine Drehachse19 geschwenkt wird. Innerhalb des Schwenkbereichs18 kann der Laserstrahl14 damit das Pulverbett auf einer Geraden20 bestreichen, die auf einem Radius des kreisrunden Pulverbetts15 liegt. Der Verlauf der Drehachse19 und der Geraden20 ist somit senkrecht zueinander. - Der Träger
12 ist gemeinsam mit dem Laser16 , dem Umlenkspiegel17 , einem Pulverteiler21 und zwei Antriebsmotoren M1, M2 in einer evakuierbaren Prozesskammer22 untergebracht. Der Träger weist eine kreisrunde Bodenplatte23 auf, die als Bauplattform für das herzustellende Werkstück13 dient. Die Bodenplatte ist umgeben von einer Wandung24 in Form eines Zylindermantels. Diese Wandung stellt die äußere Begrenzung für das Pulverbett15 dar, so dass bei einer Drehung des Trägers12 keine Relativbewegung zwischen den äußeren Rändern des Pulverbetts und der Wandung24 auftrifft. Mittels des Motors M2 lässt sich der Träger in Richtung des Pfeils25 drehen und alternativ auch absenken und heben in Richtung des Doppelpfeils26 . Alternativ zur Linearbewegung des Trägers in Richtung des Doppelpfeils26 lässt sich mittels des Motos M1 auch der Pulververteiler21 in Richtung des Doppelpfeils27 heben und absenken. In1 sind beide linearen Bewegungsalternativen dargestellt. In der Realität ist es selbstverständlich kostengünstiger, wenn nur eine dieser beiden Bewegungsalternativen realisiert wird. - Der Pulververteiler ist mittels einer Stange
28 gehalten. Die Stange liegt genau in der Drehachse29 des Trägers12 . Der Pulververteiler weist einen Pulverbehälter30 auf, der über eine Einfüllöffnung31 mit Pulver beschickt werden kann. Am Boden des Behälters ist ein Dosierschlitz32 vorgesehen, durch den das Pulver auf das Pulverbett15 rieseln kann. Aufgrund der Drehbewegung gemäß Pfeil25 wird das Pulver wegen der radialen Ausrichtung des Dosierschlitzes32 über die gesamte Fläche des kreisrunden Pulverbetts15 verteilt. Ein Beschichter33 sorgt für die Glättung der Oberfläche des Pulverbetts15 , so dass dieses im weiteren Verlauf mittels des Laserstrahls14 bearbeitet werden kann. - Die
2 und3 zeigen die bereits beschriebenen Betriebsregime für den Träger. Gemäß2 ist es möglich, dass der Träger entsprechend Pfeil25 jeweils eine vollständige Drehung um 360° durchführt, um dann um den Betrag b der Pulverlagendicke abgesenkt zu werden. Anschließend wird wieder eine Drehung um 360° vollzogen. In2 ist durch einen wendelförmigen Pfeil angedeutet, dass die Absenkung des Pulverbetts während der Drehung auch kontinuierlich erfolgen kann. Die Steigung des wendelförmigen Pfeils beträgt ebenfalls die Dicke einer Lage des Pulverbetts b. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041284 A1 [0002]
Claims (7)
- Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit einer Prozesskammer, (
22 ) in der ein Träger (12 ) für ein herzustellendes Werkstück (13 ) und ein Pulververteiler (21 ) zur Erzeugung eines Pulverbettes (15 ) vorgesehen sind, wobei der Pulververteiler (21 ) und der Träger (12 ) um eine senkrechte Achse drehbar zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger topfförmig aufgebaut ist, mit einer kreisförmigen Bodenplatte (23 ) als Basis für das herzustellende Werkstück (13 ), und einer Wandung (24 ), die in Form eines Zylindermantels die Bodenplatte (23 ) an ihrem Rand begrenzt, wobei die senkrechte Achse durch den Mittelpunkt der Bodenplatte (23 ) verläuft und der Pulververteiler (21 ) sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung (24 ) erstreckt. - Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
12 ) um die senkrechte Achse drehbar und der Pulververteiler (21 ) höhenverstellbar sind. - Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
12 ) höhenverstellbar und um die senkrechte Achse drehbar ist. - Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein spindelförmiger Antrieb vorgesehen ist, wobei dieser bei einer vollständigen Drehung des Trägers (
12 ) ein Absenkung desselben um eine Lagendicke des Pulverbettes (15 ) gewährleistet. - Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververteiler (
21 ) einen Pulverbehälter (30 ) mit einem sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung (24 ) erstreckenden Dosierschlitz (32 ) aufweist. - Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulververteiler einen sich waagerecht von der senkrechten Achse zur Wandung (
24 ) erstreckenden Beschichter (33 ) aufweist, der in Drehrichtung gesehen hinter dem Pulverbehälter (30 ) angeordnet ist. - Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser (
16 ) mit einer Strahlführung vorgesehen ist, die den Laserstrahl (14 ) nur um eine Achse ablenken kann, derart, dass der Laserstahl (14 ) das Pulverbett radial auf einer die senkrechte Achse schneidenden Geraden bestreicht.
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