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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bauraum zur Herstellung von Werkstücken im Schichtbauverfahren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trennen eines im Schichtbauverfahren hergestellten Werkstücks von dem pulverförmigen Ausgangsmaterial.
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Zur Herstellung von Bauteilen in geringer Stückzahl, wie dies bspw. in der Prototypenfertigung vorkommt, werden heutzutage Rapid-Prototyping-Verfahren eingesetzt, die auch als additive Fertigungsverfahren oder generative Schichtbauverfahren bekannt sind. Additive Fertigungsverfahren für die Herstellung von Bauteilen sind zum Beispiel in Form von Sinterverfahren grundsätzlich bekannt. Dabei wird durch Energieeintrag, z. B. mit Hilfe einer Laserlichtquelle, ein sinterfähiges Material durch einen Sinterprozess teil-weise verbunden, sodass in schichtweise aufbauender Weise Fahrzeugbauteile oder andere Bauteile hergestellt werden können. Als Sintermaterial können dabei Kunststoffmaterialien oder Metallmaterialien eingesetzt werden. Zu den schichtbau Verfahren zählen insbesondere das selektive Laser-Schmelzen (SLM) sowie das selektive Laser-Sintern (SLS). Bei diesen Verfahren werden in einem geschlossenen Bauraum, der an seiner Unterseite durch eine Bauplatte begrenzt wird, einzelne Pulverschichten aufgebracht und anschließend zumindest abschnittsweise verfestigt. Nachdem ein Abschnitt einer Pulverschicht verfestigt wurde, wird eine weitere Schicht darüber aufgetragen und der Verfestigungsschritt für diese Schicht wiederholt. Es werden so viele Schichten aufgetragen, bis das herzustellende Bauteil bzw. Werkstück vervollständigt wurde. Je nach geometrischen Abmaßen des Werkstücks ist der Bauraum bei der Vollendung des Werkstücks mehr oder weniger mit unverfestigtem Pulver gefüllt. Das fertige Werkstück liegt dabei in unverfestigtem Pulver eingebettet. Nach Beendigen des Fertigungsprozesses muss das Pulver aus dem Bauraum entfernt werden, um die Bauteile entnehmen zu können. Dies geschieht bei SLS-Verfahren zum Teil halbautomatisch in Auspackstationen, in denen der Boden des Bauraums, d. h. die Bauplatte, sukzessive maschinell nach oben gefördert wird, wodurch der Pulverkuchen ebenfalls aus dem Bauraum gedrückt wird. Beim Herausdrücken des Pulverkuchens aus dem Bauraum, werden unverfestigte Pulverbereiche von Hand abgestriffen oder von Hand abgesaugt und die darin eingebetteten Bauteile entnommen. Dieser Vorgang ist allgemein als Auspacken bekannt. Das überschüssige Pulver wird über Siebanlagen und Förderanlagen zur Weiterverarbeitung geleitet und somit recycelt. Zum Befüllen der Siebanlagen wird unverfestigtes Pulvermaterial von der Auspackstation in die Siebanlage überführt.
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Bei den SLM-Verfahren geschieht das Entpacken prinzipiell sehr ähnlich. Nicht aufgeschmolzenes Pulver wird auch hier von oben durch Absaugen automatisch oder manuell entfernt. Die Trennung des Pulvers von den Bauteilen erfolgt in der Anlage selbst oder außerhalb in sog. Modulen. Alternativ zum Absaugen kann das Pulver auch weggeschaufelt werden, was ausschließlich manuell geschieht.
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Das oben beschriebene Auspacken ist ein sehr personal- und zeitintensiver Prozess. Ein erheblicher Anteil des Zeitbedarfs ist darauf zurückzuführen, dass die Bauplatte mit daran angeordnetem Pulverkuchen nur schrittweise aus dem Bauraum herausgedrückt werden kann, um das Pulver von oben zu entnehmen und somit die Bauteile von dem Pulver zu befreien. Im SLS-Verfahren können die Bauteile auf einer unverfestigten Pulverschicht generiert werden. Dadurch sind die Bauteile nicht mit der Bauplattform bzw. der Bauplatte verbunden und schweben in dem Pulverkuchen. Im Unterschied dazu ist ein im SLM-Verfahren hergestelltes Bauteil immer mit der Bauplattform verbunden. Bestimmte Geometrien, die bspw. einen spitzeren Winkel, kleiner 45° mit der Oberfläche der Bauplatte einnehmen, müssen durch sog. Support-Strukturen gestützt werden. Ein spezielles Problem des SLM-Verfahrens liegt darin, dass immer Pulver zwischen den Support-Strukturen des Bauteils und der Bauplatte verbleibt und nicht abgesaugt werden kann. Dieses Pulver von dem Bauteil bzw. der Support-Struktur zu trennen und zu recyceln ist sehr zeitaufwändig und personalintensiv. Dies führt dazu, dass ein höherer Zeitbedarf notwendig ist, um die Bauplattform für einen nachfolgenden Bauprozess zurück zu rüsten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen Bauraum anzugeben sowie ein Verfahren, mit dem unverfestigtes pulverförmiges Ausgangsmaterial besonders zeit- und kostensparend von dem Werkstück getrennt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Bauraum gemäß dem Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß dem Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Bauraum zur Herstellung von Werkstücken im Schichtbauverfahren vor, wobei der Bauraum mit einem Pulver befüllbar ist. Der Bauraum weist eine Platte als Boden auf, auf der das Werkstück ausbildbar ist. Darüber hinaus kann die Bauplatte eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen aufweisen. Die durchgehenden Öffnungen können den Bauraum mit der Umgebung verbinden. Dies bietet den Vorteil, dass unverfestigtes Pulver nach unten hin aus dem Bauraum fließen kann. Dabei wirkt die Gewichtskraft auf das Pulver und befördert dieses selbsttätig aus dem Bauraum hinaus.
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Darüber hinaus können die durchgehenden Öffnungen mit einer Verschlusseinrichtung abschließbar sein, so dass die Verbindung des Bauraums mit der Umgebung durch die durchgehenden Öffnungen unterbunden wird. Damit kann auf besonders einfache Weise der Bauraum nach unten hin abgeschlossen werden, so dass während des Bauprozesses das Pulver in dem Bauraum verbleibt.
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Die Verschlusseinrichtung kann dabei auf einer Seite der Bauplatte angeordnet sein, die dem Bauraum gegenüber liegt. Mit anderen Worten die Verschlusseinrichtung liegt auf einer Außenseite der Bauplatte, bezogen auf den Bauraum. Dies bietet den Vorteil, dass die Geometrie des Bauraums unverändert bleibt, unabhängig davon, ob die Verschlusseinrichtung in einer geschlossenen oder einer geöffneten Position ist.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die Verschlusseinrichtung als eine Grundplatte ausgebildet sein, die aus einer Schließposition, in der die durchgehenden Öffnungen verschlossen sind, in eine Offenposition, in der Pulver aus dem Bauraum durch die durchgehenden Öffnungen entweichen kann und umgekehrt überführbar ist.
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In einer ersten Ausführungsform kann die Verschlusseinrichtung durch eine Dreh-, Kipp- und/oder Schwenkbewegung zwischen der Schließposition und der Offenposition bewegbar sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Verschlusseinrichtung nur einen sehr geringen Bedarf an Bauraum benötigt, um zwischen den zwei Positionen bewegt zu werden.
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Weiterhin kann die Verschlusseinrichtung in der Offenposition als Pulverleiteinrichtung fungieren. Vorteilhafterweise kann eine Funktionsintegration analysiert werden, indem die Verschlusseinrichtung bzw. die Grundplatte in ihrer geöffneten Stellung das aus dem Bauraum strömende Pulver auffängt und bspw. zu einem Pulver-Reservoir umleitet.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Verschlusseinrichtung durch eine translatorische Bewegung aus einer Schließposition in eine Offenposition und umgekehrt überführbar sein. Darüber hinaus ist in dieser Ausführungsform eine separate Pulverleiteinrichtung vorgesehen. Durch Vorsehen einer translatorischen Bewegung der Verschlusseinrichtung kann auf eine äußerst einfache Kinematik zurückgegriffen werden und die Komplexität des gesamten Aufbaus des Bauraums reduziert werden.
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Zusätzlich kann in beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen in Fließrichtung des Pulvers nach der Bauplatte eine Ultraschallfiltereinrichtung vorgesehen sein. In einer ersten Variante befindet sich die Ultraschallfiltereinrichtung in Fließrichtung zwischen der Bauplatte und der Pulverleiteinrichtung. In einer zweiten Variante kann die Ultraschallfiltereinrichtung auch nach der Pulverleiteinrichtung angeordnet sein. Das Vorsehen einer Ultraschallfiltereinrichtung bietet den Vorteil, dass durch Ultraschallschwingungen die Filterung beschleunigt werden kann und dadurch das Abfließen unverfestigten Pulvermaterials aus dem Bauraum beschleunigt wird.
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Weiterhin kann an dem Bauraum eine Ultraschalleinrichtung vorgesehen sein, mit der der gesamte Bauraum in Schwingungen versetzbar ist. Auch hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das unverfestigte Pulvermaterial besonders schnell aus dem Bauraum abfließen kann.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trennen eines im Schichtbauverfahren hergestellten Werkstücks von dem pulverförmigen Ausgangsmaterial in einem Bauraum wie im Vorhergehenden beschrieben, mit den Schritten Erfassen der Fertigstellung des Werkstücks, Öffnen des Bauraums durch Überführen einer Verschlusseinrichtung in eine Offenposition und Abfließen des Pulvers aus dem Bauraum durch Öffnungen in einer Bodenplatte des Bauraums.
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Weiterhin kann zumindest während des Abfließens des Pulvers der Bauraum mit Hilfe einer Ultraschalleinrichtung in Schwingung versetzt werden, um die Abfließgeschwindigkeit des Pulvers zu erhöhen.
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Darüber hinaus kann zumindest während des Abfließens des Pulvers eine Filtereinrichtung, durch die das Pulver fließt, mit Ultraschall betrieben werden. Dadurch kann auf besonders einfache Weise das Recyceln des Pulvermaterials beschleunigt werden.
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Weiterhin kann nach dem Abfließen des Pulvers aus dem Bauraum die Verschlusseinrichtung in eine Schließposition überführt werden. Dadurch kann in kürzester Zeit die Bauplatte wieder einsetzbar gemacht werden und somit der Bauraum für einen Folgeprozess zur Verfügung gestellt werden.
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Weiterhin kann während des Trennens des Pulvers von dem Werkstück der Bauraum mit einer Abdeckeinrichtung verschlossen werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine Verunreinigung der Umwelt mit Staub, der aus dem Bauraum hinaustritt, vermieden werden kann, während das Pulver aus dem Bauraum abfließt.
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Durch Vorsehen einer gelochten Bauplatte gepaart mit einer Verschlusseinrichtung, die nach Prozessende leicht entfernbar ist und die nach dem Ende des Abfließens des Pulvers wieder in eine Schließposition überführbar ist, kann ein Bauraum geschaffen werden, bei dem das Trennen des unverfestigten Pulvers von dem Werkstück auf besonders zeit- und ressourcensparende Art und Weise realisiert werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Beschreibung, die Figuren und die Ansprüche enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die an weitere Einsatzzwecke der Erfindung angepasst sind.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 eine erste Ausführungsform der Erfindung und
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2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
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In beiden Figuren sind einzelne Bauteile schaffiert dargestellt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um Schnittdarstellungen, die Schraffur soll lediglich die Unterscheidung der einzelnen Bauteile erleichtern.
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In 1 ist ein Bauraum 10 gezeigt. Dieser Bauraum 10 weist eine äußere Wandung 19 auf, die den Bauraum 10 in lateraler Richtung begrenzt. Der Boden des Bauraums 10 ist durch eine Bauplatte 11 dargestellt, die diesen nach unten hin begrenzt. Die Wandung 19 und die Bodenplatte 11 definieren einen inneren Hohlraum, in dem Werkstücke oder Bauteile 21 im Schichtbauverfahren hergestellt werden. Hierzu wird schichtweise ein Pulver 20 aufgetragen, das schichtweise verfestigt wird zu dem Bauteil 21. Die Bodenplatte 11 ist in vertikaler Richtung relativ zu der Wandung 19 beweglich. Dadurch kann nach der Verfestigung einer oder mehrerer Schichten die Bauplatte 11 abgesenkt werden, damit weitere Pulverschichten 20 einbringbar sind. In den 1 und 2 ist die Bodenplatte 11 in ihrer tiefsten Postion dargestellt, in der das Bauteil 21 fertiggestellt ist.
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Die Bauplatte 11 ist mit durchgehenden Öffnungen 12 versehen. Durch diese Öffnungen 12 kann Pulver aus dem Inneren des Bauraums durchfließen. Um das Herausfließen des Pulvers 20 während des Bauprozesses zu verhindern, ist der Bauraum durch eine Verschlusseinrichtung 13 abgeschlossen. Dies bedeutet, dass am Anfang eines Bauprozesses zunächst Pulvermaterial 20 in den Bauraum eingebracht wird, das die durchgehenden Öffnungen 12 füllt. Anschließend kann der schichtweise Auftrag beginnen, um das Werkstück 21 auszubilden. Die Verschlusseinrichtung 13 ist an einer Außenseite der Bodenplatte 11 angebracht. Durch eine lineare Verschiebung kann die Bodenplatte 13 aus einer geschlossenen Position 13 in eine geöffnete Position 13' überführt werden. Wenn die Verschlusseinrichtung 13 in der Position 13' verweilt, kann Pulver aus dem Bauraum entweichen, in 1 nach unten hin. Das Pulver fließt, angetrieben durch die Gewichtskraft, selbsttätig ab. Unterhalb des Bauraums 10 ist eine Pulverleiteinrichtung 14 dargestellt, die als eine Art Pulverrutsche bezeichnet werden kann. Das herausfließende Pulver fließt auf diese Pulverleiteinrichtung 14 auf und wird von der Leiteinrichtung 14 umgelenkt bzw. umgeleitet zu einem Pulver-Reservoir 18.
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In einer ersten Variante der ersten Ausführungsform ist eine Ultraschallfiltereinrichtung 15 vorgesehen, die unmittelbar nach der Bauplatte 11 angeordnet ist. Durch Versetzen in Ultraschallschwingungen kann die Filtereinrichtung 15 das aus dem Bauraum 10 strömende Pulvermaterial 20 filtern. Dabei wird verbrauchtes Pulvermaterial, das zumindest teilweise verfestigt oder angeschmolzen ist, herausgefiltert. Unverbrauchtes Pulvermaterial fließt über die Pulverleiteinrichtung 14 in das Pulver-Reservoir 18 oder Pulver-Depot 18 und kann einem nachfolgenden Bauprozess zur Verfügung gestellt werden.
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In einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform ist die Ultraschallfiltereinrichtung 15 zwischen der Pulverleiteinrichtung 14 und dem Pulver-Depot 18 angeordnet. Die Pulverfließrichtung verläuft dabei von dem Bauraum 10 durch die durchgehenden Öffnungen 12 der Bodenplatte 11 über die Pulverleiteinrichtung 14 in das Pulver-Depot 18.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, wird die Verschlusseinrichtung 13 aus der geschlossenen Position 13 in die geöffnete Position 13' durch eine translatorische Bewegung in 1 zur Seite hin dargestellt, überführt.
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An der Wandung 19 ist eine Ultraschalleinrichtung 16 vorgesehen. Mit der Ultraschalleinrichtung 16 kann der Bauraum 10 in Ultraschallschwingungen versetzt werden, wodurch das Abfließen des unverfestigten Pulvermaterials 20 aus dem Bauraum 10 beschleunigt wird. Die obere Begrenzung des Bauraums 10 ist durch einen Deckel 17 verschließbar. Dieser Deckel ist ebenfalls durch eine translatorische Bewegung aus einer verschlossenen Position 17 in eine geöffnete Position 17' überführbar. Während des Bauprozesses ist der Deckel in einer geöffneten Position 17', damit Pulvermaterial 20 schichtweise in den Bauraum 10 eingebracht werden kann. Nur zum luftdichten Abschließen wird der Deckel 17 in seine geschlossene Position überführt, um zu verhindern, dass Staub beim Abfließen des Pulvers 20 aus dem Bauraum 10 durch die obere Öffnung des Bauraums 10 entweichen kann. Dies bringt Vorteile hinsichtlich der Arbeitssicherheit, da das Pulvermaterial 20 lungengängig ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das Pulver durch Werker eingeatmet wird oder sich in der Umgebung der Rapid-Prototyping-Maschine niederschlägt.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei der Einfachheit halber gleiche Bauteile wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen aufweisen.
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Im Folgenden soll zur Verkürzung nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen eingegangen werden. In dieser Alternative wird die Verschlusseinrichtung 13 durch eine Dreh-, Kipp- und/oder Schwenkbewegung aus ihrer geschlossenen Position 13 in eine geöffnete Position 14 überführt. Somit übernimmt die Verschlusseinrichtung 13, wenn sie sich in ihrer geöffneten Position 14 befindet, die Funktion der Pulverleiteinrichtung. Dadurch kann auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden und der Aufbau des Bauraums 10 vereinfacht sich. Wie bereits zur 1 erläutert, kann auch in der Ausführungsform gemäß 2 die Ultraschallfiltereinrichtung wahlweise in Pulverfließrichtung nach der Bauplatte 11 oder nach der Pulverleiteinrichtung 14 angeordnet sein.
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In beiden gezeigten Ausführungsformen ist eine gelochte Bauplatte 11 über einer geschlossenen Grundplatte 13 montiert. Die Grundplatte 13 dient als Pulverstütze und kann linear verfahrbar oder kipp- bzw. klappbar ausgeführt sein. Die Grundplatte kann starr als ein bspw. Blech oder eine Platte ausgebildet sein. Alternativ dazu kann sie auch als roll- oder raffbares Element bspw. aus Stoff, Folie oder Blech ausgebildet sein. Entscheidend ist dabei, dass sie temperaturbeständig ist und während des Bauprozesses das Abfließen des Pulvers bevorzugt bis zu 100% verhindern kann. Hierzu ist wichtig, dass die Verschlusseinrichtung 13 einen gasdichten Abschluss der Bauplatte erzeugen kann.
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Unterhalb der Verschlusseinrichtung 13 befindet sich eine Abfließmöglichkeit, am Einfachsten durch die Schwerkraft oder über zusätzliche Pumpen und Absaugeinrichtungen, die es dem Pulver erlauben, in ein Pulver-Depot 18 überführt zu werden. Dieses Pulver-Depot 18 kann integral als Teil der Schichtbauanlage ausgebildet sein. Alternativ dazu kann es jedoch auch separat als ein zusätzliches Modul ausgebildet sein. in einer weiteren Ausbildung kann das Pulver-Depot 18 als ein Tank vorgesehen sein, der einzeln unter dem Bauraum 10 positionierbar bzw. wieder entfernbar ist. In einer weiteren Alternative kann das Pulver-Depot 18 ein zentraler Tank sein. Alle Ausführungsformen bieten den Vorteil, einer besonders kurzen Rüstzeit, so dass der Bauraum 10 sehr schnell einem nachfolgenden Bauprozess zur Verfügung steht.
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Im Folgenden soll der Ablauf des Trennverfahrens beschrieben werden, bei dem unverbrauchtes Pulver von den Werkstücken 21 getrennt wird. Ausgangssituation ist die Feststellung, dass der Bauprozess beendet ist. Dies kann bspw. von einer Steuereinrichtung erfasst werden. Danach wird der Deckel 17 aus der geöffneten Position 17' in die geschlossene Position überführt, so dass der Bauraum 10 nach oben hin verschlossen wird. Die Verschlusseinrichtung 13 wird aus ihrer geschlossenen Position in eine geöffnete Position 13' überführt, so dass die durchgehenden Öffnungen 12 freigängig sind. Optional wird das Ultraschallgerät 16 am Bauraum 10 eingeschalten, um den Pulverabfluss zu beschleunigen. Dadurch fließt das unverfestigte Pulver 20 durch die Öffnungen 12 ab. Die Ultraschallfiltereinrichtung 15 wird ebenfalls eingeschalten, um eine Filterung des Pulvers 20 zu realisieren. Wenn das Pulvermaterial 20 vollständig abgeführt ist, fährt der Deckel 17 wieder in seine geöffnete Position 17' und die Verschlusseinrichtung 13 in ihre geschlossene Position 13. Die gelochte Bauplatte 11 fährt mit der daran angeordneten Verschlusseinrichtung 13 in vertikaler Richtung in den 1 und 2 nach oben hin, damit die Werkstücke 21 aus dem Bauraum entnommen werden können.
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Die Bohrungen in der Bauplatte können einen Durchmesser aufweisen im Bereich von 1,5 bis 3 mm, wobei die Randwerte als mit umfasst gelten sollen. Der zum Bauraum weisende Randbereich der Bohrungen kann mit einer Phase im Winkel von 45° oder mit einem Radius versehen sein, um das Abfließen des Pulvers zu erleichtern. Die Bohrungsmittelabstände der durchgehenden Öffnungen 12 können einen Abstand von 3 bis 5 mm aufweisen. Die Rasterung der Bauplatte 11 kann in dem Generierungsprogramm der Schichtbaumaschine hinterlegt sein, so dass Support-Strukturen für das SLM-Verfahren nicht oberhalb durchgehender Öffnungen 12 erzeugt werden, sondern immer auf der Bauplatte 11, d. h. in einem Zwischenbereich zwischen den Bohrungen 12. Diese Support-Struktur kann nach einer experimentell zu bestimmenden Höhe automatisch geschlossen werden zu einem massiveren Support.
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Für die Generierung einer ersten Schicht werden die Löcher der Bauplatte 12 automatisch mit Pulver 20 befüllt. Hierfür ist in den ersten ein bis drei Schichten ein erhöhter Beschichtungsfaktor nötig.
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Zusammenfassend sollen hier nochmals die Vorteile der Erfindung dargelegt werden. Nach Ende des Bauprozesses wird das unverfestigte Pulver 20 nach Entfernung der Verschlusseinrichtung 13 nach unten abgeleitet, durch die Schwerkraft. Dadurch kann der manuelle Prozess des Auspackens automatisiert werden, genauso wie die Zuführung des Pulvers 20 zur Siebeinheit 15. Darüber hinaus kann die Abführung des Pulvers aus dem Bauraum 10 und die Rückführung des Pulvers 20 zu einem Pulver-Depot 18 automatisiert werden. Alle Teilvorgänge sind in einem geschlossenen, automatisierten System integrierbar. Dadurch kann zum einen die Arbeitssicherheit erhöht werden, da die Mitarbeiter weniger direkten Kontakt mit dem Pulver 20 haben. Darüber hinaus müssen die Mitarbeiter die Bauteile nicht einzeln auspacken, so dass die Maschine nach sehr kurzer Rüstzeit wieder zur Verfügung steht.
