DE102014005916A1 - Device for producing three-dimensional objects - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten 2 durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels Strahlung 3 verfestigbaren pulverartigen Baumaterials 4 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 2 entsprechenden Stellen, insbesondere SLS oder SLM Vorrichtung mit einem Gehäuse 5, in dem eine Prozesskammer 6 angeordnet ist, einer darin untergebrachten Baukammer 7, in welcher eine Tragevorrichtung 8 zum Tagen des Objekts 2 mit einem höhenverstellbaren Träger 9 angeordnet ist, einer Beschichtervorrichtung 12 zum Aufbringen von Schichten des Baumaterials 4 auf die Tragevorrichtung 8 oder eine zuvor gebildete Schicht, einer Dosiereinrichtung 11 zum Zuführen des Baumaterials 4 und einer Bestrahlungsvorrichtung 14 zum Bestrahlen von Schichten des Baumaterials 4 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 2 entsprechenden Stellen, wobei die Bestrahlungsvorrichtung wenigstens einen verfahrbaren Scanner 17 umfasst, wobei wenigstens vier Scanner 17 über dem Baufeld 20 der Baukammer 7 derart angeordnet und verfahrbar sind, dass jede Stelle des Baufeldes 20 bedarfsweise mit der Strahlung aus wenigstens drei Scannern gleichzeitig belichtbar ist, wozu die Scanner aus einer über dem Baufeld liegenden Grundposition einzeln, gemeinsam, paarweise oder in Gruppen in eine außenmittige Belichtungs-Bedarfsposition in X-, und Y-Richtung im Wesentlichen parallel zum Baufeld und/oder höhenvariabel zum Baufeld, insbesondere in Z-Richtung verfahrbar angeordnet sind.The invention relates to a device 1 for producing three-dimensional objects 2 by sequentially solidifying layers of a pulverulent building material 4 solidifiable by means of radiation 3 at the locations corresponding to the respective cross-section of the object 2, in particular SLS or SLM device with a housing 5, in which a process chamber 6, a building chamber 7 accommodated therein, in which a carrying device 8 for holding the object 2 with a height-adjustable support 9 is arranged, a coating device 12 for applying layers of the building material 4 to the carrying device 8 or a previously formed layer, a metering device 11 for feeding the building material 4 and an irradiation device 14 for irradiating layers of the building material 4 at the locations corresponding to the respective cross-section of the object 2, wherein the irradiation device comprises at least one movable scanner 17, wherein weni at least four scanners 17 are arranged and movable over the construction field 20 of the construction chamber 7 such that each position of the construction field 20 can be exposed to the radiation from at least three scanners simultaneously if necessary, to which the scanners from a basic position lying above the construction field individually, jointly, in pairs or in groups in an out-of-plane exposure demand position in the X-, and Y-direction substantially parallel to the construction field and / or variable in height to the construction field, in particular in the Z-direction are arranged movable.
Description
Die Erfindung/Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels Strahlung verfestigbaren pulverartigen Baumaterials an dem den jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, insbesondere eine selektive Lasersinter-(SIS) oder Laserschmelzvorrichtung (SLM) mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.The invention / innovation relates to a device for producing three-dimensional objects by successively solidifying layers of a radiation-hardenable powdery building material at the locations corresponding to the respective cross-section of the object, in particular a selective laser sintering (SIS) or laser melting device (SLM) with the further features of the preamble of
Derartige Vorrichtungen weisen in der Regel ein Gehäuse auf, in dem eine Prozesskammer angeordnet ist. Im Boden der Prozesskammer ist eine angrenzende Baukammer vorgesehen, in der eine Tragevorrichtung zum Tragen eines Objektes mit einem höhenverstellbaren Träger angeordnet ist. Eine Beschichtervorrichtung dient zum Auftragen von Schichten des Baumaterials auf die Tragevorrichtung oder auf eine zuvor gebildete Schicht. Das Baumaterial ist in einer Dosiereinrichtung bevorratet und wird der Beschichtervorrichtung zugeführt.Such devices generally have a housing in which a process chamber is arranged. In the bottom of the process chamber an adjacent building chamber is provided, in which a carrying device for supporting an object is arranged with a height-adjustable support. A coater apparatus is for applying layers of the building material to the support or to a previously formed layer. The building material is stored in a metering device and is supplied to the coater.
Darüber hinaus ist eine Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von Schichten des Baumaterials in der Prozesskammer vorhanden, wobei die Schichten an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen belichtet werden. Die Bestrahlungsvorrichtung weist mehrere Scanner auf.In addition, an irradiation device is provided for irradiating layers of the building material in the process chamber, the layers being exposed at the locations corresponding to the respective cross section of the object. The irradiation device has a plurality of scanners.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus
Bei der bekannten Vorrichtung ist jedem Scanner eine Laserlichtquelle zugeordnet.In the known device each scanner is associated with a laser light source.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 derart auszubilden, dass die Verfestigung einer Schicht optimiert, insbesondere beschleunigt durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Unteransprüche ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–15, Anspruch 16 beschreibt ein Verfahren, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann.The invention has the object of providing a device with the features of
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, wenigstens vier Scanner über dem Baufeld der Baukammer vorzusehen und dabei derart anzuordnen und verfahrbar zu gestalten, dass jede Stelle des Baufeldes bedarfsweise mit der Strahlung aus wenigstens zwei Scannern, vorzugsweise drei Scannern gleichzeitig belichtet werden kann, wozu die Scanner aus einer über dem Baufeld z. B. gleichverteilten Grundposition einzeln, gemeinsam, paarweise oder in Gruppen in eine außermittige Belichtungs-Bedarfsposition verfahrbar sind. Die Verfahrbarkeit ist so gestaltet, dass die Scanner sowohl in X- und Y-Richtung, d. h. im Wesentlichen parallel über dem Baufeld verfahren werden können, aber auch bedarfsweise bezüglich ihrer Höhe über dem Baufeld verfahren werden können, z. B. in Z-Richtung, d. h. rechtwinklig zum Baufeld, wobei auch schräge Verfahrrichtungen der Scanner miteinbezogen sind, z. B. dann, wenn ein Scanner gleichzeitig in X- und/oder Y-Richtung sowie in Z-Richtung verfahren wird. Dies schließt auch ein, dass eine Verfahrachse zur Höhenverstellung über dem Baufeld grundsätzlich schräg angeordnet ist.As the core of the invention, it is considered to provide at least four scanners over the construction field of the construction chamber and thereby arrange and movable so that each point of the construction field can be exposed as needed with the radiation from at least two scanners, preferably three scanners simultaneously, including the Scanner from a above the construction field z. B. equally distributed basic position individually, together, in pairs or in groups in an off-center exposure demand position are movable. The traversability is designed so that the scanners in both the X and Y direction, d. H. can be moved substantially parallel to the construction field, but can also be moved as needed with respect to their height on the construction field, z. B. in the Z direction, d. H. at right angles to the construction field, whereby oblique Verfahrrichtungen the scanner are included, z. B. when a scanner is moved simultaneously in the X and / or Y direction and in the Z direction. This also includes that a travel axis for height adjustment on the construction field is basically arranged obliquely.
Der Erfindung liegt damit folgender Gedanke zugrunde:
In der Grundposition sind die Scanner zunächst über dem Baufeld z. B. gleich verteilt, d. h. die wenigstens vier Scanner sind z. B. zentral über vier ihnen zugeordneten Quadranten des Baufeldes angeordnet und können dort ihrer Belichtungsaufgabe nachkommen, sofern Belichtungstätigkeit in allen vier Quadranten erforderlich ist.The invention is therefore based on the following idea:
In the basic position, the scanners are initially above the construction field z. B. evenly distributed, ie the at least four scanners are z. B. arranged centrally over four assigned to them quadrant of the construction field and can there fulfill their exposure task, if exposure activity in all four quadrants is required.
Verlagert sich aufgrund der Bauteilgeometrie nun die Belichtungstätigkeit in drei, zwei oder gar nur einen Quadranten des Baufeldes, dann sollen die vier Scanner entweder gemeinsam oder paarweise so verschiebbar sein, dass sie in eine Position gebracht werden können, wo beispielsweise die Scanner des ersten, des zweiten und des dritten Quadranten Belichtungsstellen im vierten Quadranten erreichen können, ohne mit Strahlen arbeiten zu müssen, die eine allzu große Winkelabweichung von einer senkrechten Linie zum Baufeld haben.If, due to the component geometry, the exposure activity now shifts to three, two or even only one quadrant of the construction field, then the four scanners should either be displaceable together or in pairs so that they can be brought into a position where, for example, the scanners of the first, the second and third quadrants can reach exposure points in the fourth quadrant without having to work with beams that have too great an angular deviation from a vertical line to the construction field.
Sobald Belichtungstätigkeit in weiteren Quadranten erforderlich ist, werden die Scanner einzeln, paarweise, in Gruppen oder gemeinsam in eine andere Position verfahren, wo sie die Belichtungsstellen ohne große Winkelabweichungen erreichen können. Wird beispielsweise dann wieder in allen vier Quadranten belichtet, dann wird eine gleich verteilte Grundposition zu bevorzugen sein und jeder Scanner bearbeitet Belichtungsstellen in dem ihm zugeordneten Quadranten. Zudem ist eine zusätzliche Höhenverfahrbarkeit wenigstens eines Scanners von Vorteil.Once exposure is required in further quadrants, the scanners are moved individually, in pairs, in groups, or together in a different position, where they can reach the exposure sites without large angular deviations. If, for example, then exposed again in all four quadrants, then an equally distributed basic position to be preferred and each scanner operates exposure points in its associated quadrant. In addition, an additional height mobility of at least one scanner is advantageous.
Durch diese erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit der geschilderten Vorgehensweise wird eine erhebliche Beschleunigung der Bauverfahren erreicht. In ihren Baufeldabschnitten nicht benötigte Scanner können von dort abgezogen und als Zusatzscanner in einem anderen Quadranten zusammen mit wenigstens einem anderen Scanner eingesetzt werden, ggf. an Stellen, die relativ nahe beieinander liegen, sofern dies aus thermischen Gründen sinnvoll ist.By this device according to the invention in conjunction with the described approach, a significant acceleration of the construction process is achieved. Scanners that are not needed in their construction field sections can be removed from there and used as additional scanners in another quadrant together with at least one other scanner, possibly at locations that are relatively close to each other, if this makes sense for thermal reasons.
Hinsichtlich der Montage und der Verfahrbarkeit der Scanner gibt es mehrere Möglichkeiten; z. B. ist es denkbar, dass wenigstens zwei der wenigstens vier Scanner immer den gleichen Abstand aufweisen und gemeinsam verfahrbar sind. Dies bedeutet, dass die Scanner paarweise auf einem Scannerträger montiert sind. Die Scannerträger können dann gesondert verfahren werden. Es ist aber auch möglich, dass die wenigstens vier Scanner gemeinsam über dem Baufeld angeordnet und verfahrbar sind, wobei die unverfahrene Grundposition der Scanner jeweils einem zentral unter ihnen liegenden Abschnitt des Baufelds, d. h. einem Quadranten im Falle von vier Scannern zugeordnet ist. There are several possibilities with regard to the mounting and traversability of the scanners; z. B. it is conceivable that at least two of the at least four scanners always have the same distance and are movable together. This means that the scanners are mounted in pairs on a scanner carrier. The scanner carrier can then be moved separately. However, it is also possible for the at least four scanners to be arranged and moved together over the construction field, wherein the unconstrained basic position of the scanners is respectively assigned to a section of the construction field located centrally below them, ie to a quadrant in the case of four scanners.
Grundsätzlich ist es möglich, jeden Einzelscanner oder Scannerträger mit einer linearen Verschiebung in X-, Y- und Z-Richtung auch um eine Hochachse zu verdrehen. Dies erhöht den Freiheitsgrad des Scanners oder der auf einem Träger montierten Scanner und damit die Einsatzmöglichkeiten der Scanner in unterschiedlichen Bereichen des Baufeldes. Grundsätzlich ist es auch möglich, die wenigstens zwei Scannerträger um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar zu lagern und ggf. auch in X- und Y-Richtung zu verschieben. Gleiches gilt für nur einen Scannerträger für alle (vier) Scanner, auch dieser kann sowohl in X- und Y-Richtung verfahrbar als auch um eine vertikale Achse verdrehbar gelagert sein. Wenn von einer X- und Y-Richtung gesprochen wird, so sind dies zwei Koordinaten, die frei über dem Baufeld definierbar sind und eine im Wesentlichen horizontale Verschiebung der Scanner definieren.In principle, it is possible to rotate each individual scanner or scanner carrier with a linear displacement in the X, Y and Z directions also about a vertical axis. This increases the degree of freedom of the scanner or the scanner mounted on a carrier and thus the possibilities of using the scanner in different areas of the construction field. In principle, it is also possible for the at least two scanner carriers to be mounted rotatably about a common axis of rotation and possibly also to be displaced in the X and Y directions. The same applies to only one scanner carrier for all (four) scanners, this also can be moved both in the X and Y directions as well as rotatable about a vertical axis. When talking about an X and Y direction, these are two coordinates which are freely definable over the construction field and define a substantially horizontal displacement of the scanners.
Eine weitere Erhöhung der Einsatzbereiche ergibt sich dann, wenn jeder in X/Y- und Z-Richtung verfahrbare und/oder um eine Vertikale Achse verdrehbare Scanner(träger) zusätzlich aus einer Horizontalstellung in eine verkippte Schrägstellung verschwenkbar ist. Dann können z. B. mehrere Scanner alleine durch Verkippen in einen äquidistanten Abstand zu einer Verfestigenden Stelle auf dem Baufeld gebracht werden. Auch kann ein schräger Einfall der Strahlung auf das Baufeld in Sonderfällen von Vorteil sein.A further increase of the fields of application results when each in X / Y and Z-direction movable and / or rotatable about a vertical axis scanner (carrier) is additionally pivotable from a horizontal position into a tilted inclined position. Then z. B. several scanners are brought by tilting alone in an equidistant distance to a solidifying point on the construction field. An oblique incidence of the radiation on the construction field may also be advantageous in special cases.
Mehrere Scanner können von einem gemeinsamen Laser mit Laserstrahlung versorgt werden, wozu entsprechende Strahlteilung eingesetzt wird. Der Laser kann dann auf dem Scannerträger montiert und mit diesem verfahren und ggf. verschwenkt werden. Natürlich ist es auch möglich, die Scanner mit dem Ausgang eines oder mehrerer Laser mit optischen Faserleitern zu verbinden.Several scanners can be supplied with laser radiation from a common laser using appropriate beam splitting. The laser can then be mounted on the scanner carrier and moved with this and possibly pivoted. Of course, it is also possible to connect the scanners to the output of one or more lasers with optical fiber guides.
Der maximale Verschiebeweg eines Scannerträgers soll derart bemessen und steuerbar sein, dass alle auf dem Scannerträger montierten Scanner zu einem im Randbereich des Baufeldes angeordneten Belichtungspunkt den gleichen Abstand aufweisen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ein gemeinsamer Scannerträger so verfahren wird, dass von vier darauf montierten Scannern wenigstens einer soweit verfahren wird, dass er in einem Bereich außerhalb des Baufeldes über diesem angeordnet ist und von dort aus quasi zurück auf das Baufeld den Randbereich bestrahlt.The maximum displacement of a scanner carrier should be dimensioned and controllable such that all scanners mounted on the scanner carrier have the same distance to an exposure point arranged in the edge region of the construction field. In other words, this means that a common scanner carrier is moved so that at least one of four scanners mounted thereon is moved so far that it is arranged in an area outside the construction field above it and from there virtually irradiates the edge region back onto the construction field ,
In Weiterbildung der Erfindung ist es mit Vorteil möglich, auch einzelne Scanner auf einem insgesamt verschiebbaren Scannerträger zueinander bezüglich ihres Abstandes verschiebbar höhenverstellbar oder verschwenkbar anzuordnen.In a further development of the invention, it is advantageously possible to arrange even individual scanners on a total of displaceable scanner carrier with respect to their distance displaceable height adjustable or pivotable.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Verfahren geschützt, das die Vorrichtung nach Anspruch 1 verwendet und folgende Verfahrensschritte aufweist:
Zunächst wird die Verteilung der zu verfestigenden Baumaterialabschnitte auf dem Baufeld innerhalb der nächsten Schicht oder Schichten bestimmt, sodann erfolgt eine gemeinsame Verschiebung mehrerer Scanner oder aller Scanner über einen Abschnitt des Baufeldes, der die größte Dichte an zu verfestigendem Baumaterialabschnitten aufweist derart, dass die zu verfestigen Baumaterialabschnitte gleichzeitig durch mehrere Scanner bearbeitet werden können und sodann Rückführung der Scanner in eine über dem Baufeld gleich verteilte Grundposition oder eine neue Verschiebungsposition. Insbesondere wird die Grundposition dann angewählt, wenn nachfolgend zu verfestigende Abschnitte auf dem Baufeld verteilt angeordnet sind, d. h. dass wenigstens ein zu verfestigender Abschnitt in jedem Quadranten des Baufeldes vorhanden ist, wenn dem Baufeld Scanner zugeordnet sind.In a development of the invention, a method is protected which uses the device according to
First, the distribution of the building material sections to be solidified on the construction field within the next layer or layers is determined, then a common displacement of multiple scanners or all scanners over a portion of the construction field, which has the highest density of building material sections to be consolidated such that the solidify Building material sections can be processed simultaneously by multiple scanners and then return the scanner in an over the construction field evenly distributed base position or a new shift position. In particular, the basic position is selected when subsequently to be solidified sections are distributed on the construction field, ie that at least one section to be solidified in each quadrant of the construction field is present when the building site scanners are assigned.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:The invention is explained in more detail with reference to an embodiment in the drawing figures. These show:
In
Das Baumaterial
Die Verfestigung des Baumaterials
Darüber hinaus ist eine Gaseindüsung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Scanner
In Zeichnungsfigur
Beim Verfahren des Scannerträgers
Ist beispielsweise im Quadranten
Die Position des Scannerträgers
In Zeichnungsfigur
Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass alle Scannerträger
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Scannerträger
Zu den
In
In
Grundsätzlich ist es möglich, den Laser
Die Erfindung ist nicht auf vier Scanner beschränkt, sondern umfasst auch eine größere Anzahl von Scannern, die auf einer größeren Anzahl von Scannerträgern montiert sein können, als in den Zeichnungsfiguren dargestellt. Bedeutungsvoll für die Erfindung ist, dass in einer Grundstellung gleichverteilte Scanner aus dieser Grundstellung herausgefahren werden können und bedarfsweise paarweise zu dritt zu viert oder in einer größeren Mehrzahl dort auf dem Baufeld eingesetzt werden können, wo sie gerade für eine Beschleunigung und Intensivierung des Bauprozesses gebraucht werden. Eine Optimierung der Position der Mehrzahl der Scanner über dem Baufeld wird abhängig davon errechnet, wie die zu belichtenden Bereiche
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Objektobject
- 33
- Strahlungradiation
- 44
- Baumaterialbuilding materials
- 55
- Gehäusecasing
- 66
- Prozesskammerprocess chamber
- 77
- BaukammerConstruction Chamber
- 88th
- Tragevorrichtungcarrying device
- 99
- Trägercarrier
- 1010
- Spindelspindle
- 1111
- Dosiereinrichtungmetering
- 1212
- BeschichtervorrichtungBeschichtervorrichtung
- 1313
- Beschichterklingeapplication blade
- 1414
- Bestrahlungsvorrichtungirradiator
- 1515
- Laserlaser
- 1616
- Strahlbeam
- 1717
- Scannerscanner
- 1818
- Gaseindüsunggas injection
- 2020
- BaufeldBaufeld
- 2222
- Grundpositionbasic position
- 2323
- BelichtungsbedarfspositionExposure required position
- 2424
- Scannerträgerscan support
- 2525
- Zentrumcenter
- 2626
- Quadrantquadrant
- 2727
- BereichArea
- 3030
- Abstanddistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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