DE102014011187B4

DE102014011187B4 - Flächendeckender Heizstrahler

Info

Publication number: DE102014011187B4
Application number: DE102014011187.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Grimm; Alexander Schulze Struchtrup
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: DE102014011187A1

Abstract

System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen, aufweisend ein Pulverbett, einen Materialauftragsmechanismus, ein Formgebungselement, mindestens einen Heizstrahler (1) und mindestens ein Heizelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenbereich des Pulverbetts vollständig von mindestens einem Heizelement (2) überdeckt ist, wobei der mindestens eine Heizstrahler (1) für die Belichtungszeit des Formgebungselements aus dem Kollisionsbereich entfernbar und anschließend wieder über dem Pulverbett positionierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen, aufweisend ein Pulverbett, einen Materialauftragsmechanismus, ein Formgebungselement, mindestens einen Heizstrahler und mindestens ein Heizelement.
Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Veränderung von feinkörnigen Kunststoff-, Metall-, Formsand- oder Keramik(werk)stoffen bzw. Filamentmaterialien, die selektiv verschmolzen werden, um schichtweise solide Bauteile zu generieren, sind vom Prinzip her bekannt. Es wird grundsätzlich die Generierung aus der festen und aus der flüssigen Phase unterschieden. Das Bauteil erhält erst durch den Temperatureinfluss seine endgültigen Eigenschaften, wie Form, Härte, Festigkeit oder Temperaturleitfähigkeit, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind.
So ist in der DE 10 2005 024 790 A1 ein Sinterverfahren mit einer Strahlungsheizung und einem Laser beschrieben, die zum Heizen eines Aufbaumaterials in einer Lasersintervorrichtung verwendet wird, werden ein flächiges Wärmeabstrahlelement vorhanden ist, das aus einem Material mit einer geringen thermischen Trägheit besteht.
Ferner ist in der EP 0 764 079 B1 eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts offenbart, wobei ein Rahmen vorhanden ist, dessen oberer Abschnitt ein Baufeld umschließt; ein Träger, der in dem Rahmen angeordnet ist, welcher durch eine Hubmechanik zumindest unterhalb des Baufelds vertikal bewegbar ist, sowie eine Bestrahlungsvorrichtung, die einen Energiestrahl erzeugt, der durch eine Ablenkeinrichtung auf beliebige Punkte in dem Baufeld fokussiert wird, um in dem Baufeld befindliches Pulvermaterial selektiv zu sintern oder zu schmelzen und eine Heizvorrichtung, die zumindest der Baufeldumgebung Wärme zuführt.
Aus der DE 10 2009 015 282 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt. Dabei wird ein Pulvermaterial auf einen Träger der Vorrichtung oder einer zuvor aufgetragenen Schicht schichtweise aufgetragen, wobei der Träger eine Baufläche definiert. Das Pulvermaterial wird durch energiehaltige Strahlung an Stellen verfestigt, die dem herzustellenden Objekt entsprechen.
Entgegenhaltung DE 10 2012 212 587 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durch Energieeinbringung.
Problematisch bei den Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik ist jedoch, dass die durch die Heizelemente erzielten Oberflächentemperaturen auf dem Pulverbett Inhomogenitäten von teilweise mehr als 10 K aufweisen. Eine vorhandene Aussparung in den Heizelementen für ein Formgebungselement wie beispielsweise einen Laserstrahl, ist als eine potentielle Ursache für die inhomogene Temperaturverteilung auszumachen, welche wiederum negative Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften aufweist. Insbesondere größere Bauteile neigen bei einer inhomogenen Temperaturverteilung außerdem zu induzierten Spannungen und durch deren Abbau zu Verzug.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Temperaturverteilung auf dem Pulverbett in additiven Fertigungsanlagen, insbesondere Laser-Sinter Anlagen, grundlegend zu verbessern und Inhomogenitäten der Temperaturverteilung vor dem Sintervorgang im Prozess zu minimieren. Durch die Verwendung von Heizstrahlern und Heizelementen mit unterschiedlichen Wellenlängen, können gleichzeitig weitere positive Wechselwirkungen zwischen der Strahlungsenergie und dem Pulverbett generiert werden, welche eine bessere Schichtanbindung ermöglichen, was sich wiederum ebenfalls positiv auf die Bauteileigenschaften auswirkt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichen der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Bei der Erfindung handelt es sich um einen flächendeckenden Heizstrahler zur homogenen Einbringung der erforderlichen Prozesswärme in einem additiven Fertigungsprozess, wie z. B. dem Laser-Sintern zur schichtweisen Herstellung von Werkstücken. Es ist jedoch auch möglich, den erfindungsgemäßen Heizstrahler in einem anderen pulverbasierten Verfahren (wie z. B. dem Strahlschmelzen) oder Strangablegeverfahren (wie z. B. FLM/FDM) zu verwenden. Verglichen mit bisherigen Ausführungen, besitzt die Erfindung keine konstruktionsbedingte mittige Aussparung mehr, welche bislang in Form einer Wärmesenke zu einer inhomogenen Temperaturverteilung geführt hat.
Da der Fertigungsprozess bedingt durch die konstruktive Ausführung der Anlagen zwingend eine Zugänglichkeit von oben zum Material verlangt, kann der flächendeckende Heizstrahler mit Hilfe einer Kinematik ausgestaltet sein, wobei die Kinematik dabei zumindest in Teilbereichen ausgebildete horizontale Führungsschienen, einen Schwing-Mechanismus und/oder einem Kipp-Mechanismus umfasst und daher innerhalb der Fertigungsanlage beweglich ausgestaltet ist.
Bei dem additiven Fertigungsverfahren Laser-Sintern werden Laserstrahlen eingesetzt, um Kunststoffpulver mittels der Strahlung schichtweise und selektiv zu Bauteilen zu verschmelzen. Als Strahlungsquelle für die Laserstrahlen dienen beispielsweise CO2 Laser, die eine Aufschmelzung des Kunststoffpulvers bewirken. Als Kunststoffe können beispielhaft Polyamide, Polypropylen, thermoplastisches Polyurethan, Polyetherketon oder High Denisity Polyethylen (PA, PP, TPU, PEEK, HDPE) verwendet werden. Als Ausgangspunkt dient dabei ein Pulverbett für das Kunststoffpulver, welches durch Heizelemente bis ca. 10 K unter die spezifische Schmelztemperatur des Werkstoffes erwärmt wird. Der Laserstrahl bringt anschließend lediglich eine verhältnismäßig geringe Energiemenge bis zum Aufschmelzen in den Werkstoff ein. Der Fertigungsprozess verläuft iterativ und schichtweise, d. h. nachdem eine Pulverschicht bearbeitet wurde, wird auf diese eine neue Lage aufgetragen und durch die Heizelemente wieder vorgewärmt.
Es existieren jedoch auch andere Fertigungsverfahren wie beispielsweise das Strahlschmelzen, bei dem metallische Bauteile in dem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Als metallische Werkstoffe werden u. a. Aluminium-, Titan-, Nickel- und Eisenlegierungen eingesetzt. Auch bei diesem Verfahren bearbeitet ein Formgebungselement wie beispielsweise ein Laserstrahl (vorzugsweise ein Nd:YAG-Laser) schichtweise das Pulverbett und wird dabei von oben in die Anlage eingekoppelt. Das Strahlschmelzen arbeitet nach aktuellem Stand der Technik vorzugsweise ohne den Einsatz von Heizelementen, da der Laserstrahl die zum Aufschmelzen notwendige Energie vollständig in das Material einbringt. Die Temperaturdifferenz zwischen den gerade gesinterten Bauteilbereichen und der Prozessatmosphäre bewirkt eine signifikante Ausprägung von Eigenspannung und Verzug. Der Einsatz von Heizelementen könnte der Temperaturdifferenz entgegenwirken und auch hier die Bauteileigenschaften verbessern.
Da auch beim Strahlschmelzen eine Zugänglichkeit des Formgebungselements von oben vorhanden sein muss, stellt die vorliegende Erfindung einen Lösungsansatz für dieses Problem dar.
Bedingt durch die Anordnung weisen die ebenfalls oberhalb des Pulverbetts angeordneten Heizelemente nach aktuellem Stand der Technik eine Aussparung auf, durch welche ein Laserstrahl ungehindert auf das Pulverbett gerichtet wird. Bedingt durch die bisherige konstruktive Auslegung der Heizelemente mit der beschriebenen Aussparung lässt sich die Temperaturinhomogenität bei der Pulvererwärmung nicht vermeiden.
Die Temperaturhomogenität wird erfindungsgemäß durch einen flächendeckenden Aufbau des Systems gewährleistet, d. h. die nach dem Stand der Technik vorgesehene Aussparung ist geschlossen und das System homogen mit Heizelementen überdeckt. Als Strahlertypen können schnelle mittelwellige Infrarot-Quarz-Strahler (Wellenlängenmaximum bei 1,4 bis 1,7 μm), Karbonstrahler (Wellenlängenmaximum bei ca. 2,0 μm), kurzwellige Wolfram- bzw. Halogen-Strahler (Wellenlängenmaximum bei 1,2 bis 1,4 μm) und langwellige Keramik-Infrarotstrahler (Wellenlängenmaximum bei 3,4 bis 6,0 μm) eingesetzt werden, wobei die Aufzählung der verwendbaren Strahlertypen nur beispielhaft und nicht abschließend ist. Es können daher zur Erwärmung der Werkstoffe alle Heizstrahler verwendet werden, die einen Wellenlängenbereich umfassen, bei dem der zu erwärmende Werkstoff eine ausreichende Absorptionsfähigkeit aufweist und schmelzbar ist.
Die für das Fertigungsverfahren erforderliche Zugänglichkelt des Formgebungselements, insbesondere eines Laserstrahls, zum Pulverbett wird bei der Erfindung dadurch erreicht, dass der gesamte Heizstrahler für die Belichtungszeit mit einer Kinematik aus dem Kollisionsbereich entfernt und anschließend zur Erwärmung des Pulverbetts nach dem Pulverauftrag wieder über dem Pulverbett positioniert wird. Denkbar ist auch, dass nur ein Teil des Heizstrahlersystems, nämlich der, welcher für die Zugänglichkeit des Formgebungselements erforderlich ist, mit Hilfe der Kinematik aus dem Kollisionsbereich verfahren wird. Die Kinematik kann beispielsweise einen Motor mit einer Antriebsmechanik umfassen. Weitere Ausführungsformen insbesondere mit Blick auf die Motorausgestaltung und Kraftübertragung sind möglich, so dass die hier beschriebene Kinematik keine Beschränkung der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands darstellt.
Als Materialauftragsmechanismus ist erfindungsgemäß eine Walze oder ein Rakel verwendbar, wobei auch andere Auftragungs- oder Abstreifstrukturen in der erfindungsgemäßen Heizstrahlervorrichtung und dem Heizstrahlerverfahren anwendbar sind.
Zudem ist der Heizstrahler durch eine Vielzahl von regelbaren Zonen gekennzeichnet, um so aktiv auf die Dynamik des gesamten Bauprozesses reagieren zu können. Die Erfindung kann in allen bekannten Produktionsanlagen eingesetzt werden, beispielsweise auch in Produktionsanlagen vom Typ DTM Sinterstation 2500. Die Erfindung ist also nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt. Aufgrund der Auslegung mit unterschiedlichen Bewegungsprinzipien ist eine Adaptierung auf unterschiedliche Anlagengeometrien möglich. Eine erfolgreiche Übertragung auf andere additive Fertigungsverfahren, insbesondere dem Strahlschmelzen, ist vor dem Hintergrund der auch dort vorhandenen Verzugsproblematik ebenfalls möglich.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren nochmals erläutert.
1 zeigt einen Blick von unten auf eine mögliche Ausführung des flächendeckenden Heizstrahlers (1). Dieser ist mit Heizelementen (2, 3), d. h. mit Infrarot-Quarzglas-Strahlern unterschiedlicher Größe, Leistung, Wellenlänge und Anzahl bestückt. Die Anordnung der Heizelemente (2, 3) kann beliebig entsprechend den spezifischen Anforderungen der additiven Fertigungsanlage erfolgen. Wie zu erkennen ist sind mehrere Heizelemente zu einer Gruppe zusammen geschaltet und können gemeinsam mit einer SPS und/oder einem PID Element geregelt werden. Aber auch ein Anschluss eines jeden einzelnen Heizelementes an einen separaten Regelkreis ist möglich.
2 zeigt das Gesamtsystem des flächendeckenden und beweglichen Heizstrahlers (1) einschließlich aller zur Realisierung einer additiven Fertigungsfahrens notwendigen Komponenten. Das System mit dem Heizstrahler (1) ist auf eine Grundplatte (18) montiert, welche bereits Bestandteil der additiven Fertigungsanalage sein kann, oder nachträglich in selbige eingebaut wird. Erkennbar ist die für das Formgebungselement erforderliche Aussparung (19) in der Grundplatte (18). Zu erkennen ist auch, dass auf dem Heizstrahler (1) mit seinen Heizelementen (2, 3) ein Antriebselement in Form eines Motors (4) fest angebracht ist. Auf die Welle des Motors (4) ist ein Stirnrad (5) montiert, welches die Rotationsbewegung des Motors (4) durch Kontakt mit einer Zahnstange (6) in eine translatorische Bewegung umsetzt. Der flächendeckende Heizstrahler (1) ist einerseits durch Festlager (7) und andererseits durch Loslager (8) an zwei Führungsschienen (9) gelagert. Die Loslagerung dient dabei der Kompensation der thermischen Ausdehnung. Die für die Heizelemente (2, 3) und den Motor (4) erforderliche elektrische Energie wird über eine bewegliche Energieführungskette (10) zugeführt. Endanschläge (11) verhindern ein unbeabsichtigtes Herunterrutschen des flächendeckenden Heizstrahlers (1). Positionssensoren (12) signalisieren die jeweiligen Endpositionen des flächendeckenden Heizstrahlers (1), sofern der Motor (4) keinen Absolutwertgeber besitzt. Eine translatorische Bewegung, welche mit anderen Antriebselementen als dem Motor (4) realisiert wird, sind ebenso denkbar wie nur ein partiell beweglicher, flächendeckender Heizstrahler (1), welcher lediglich die für das Formgebungselement notwendige Aussparung schließt, währenddessen die übrigen Heizelemente (2, 3) ortsfest angebracht sind.
3 verdeutlicht das Prinzip der rotatorischen Bewegung des flächendeckenden Heizstrahlers (1), welcher hier in einer geteilten Ausführung dargestellt ist (1a, 1b), und mit entsprechenden Heizelementen (3) bestückt ist. Der rotatorische Antrieb erfolgt über Antriebselemente einschließlich einer Lagerung (13). Die Pfeile verdeutlichen die Rotationsbewegung der flächendeckenden Heizstrahler (1a, 1b). Zu erkennen ist auch die Notwendigkeit der Bewegungsmöglichkeit der Heizelemente (3), da das Formgebungselement, hier ein Laser (14), welcher von oben durch eine Zuführöffnung (15) in den Bauraum der additiven Fertigungsanlage eingekoppelt wird, ohne eine Bewegung des flächendeckenden Heizstrahlers (1) mit diesem kollidieren würde.
4 verdeutlicht das Prinzip der schwingenden Bewegung des flächendeckenden Heizstrahlers (1), welcher hier ebenfalls in einer geteilten Ausführung dargestellt (1a, 1b) und auch mit entsprechenden Heizelementen (3) bestückt ist. Der schwingende Antrieb erfolgt über Antriebselemente einschließlich entsprechender Lagerungen (13) sowie Schwingarmen (16), welche die flächendeckenden Heizstrahler (1a, 1b) einerseits halten und die kinetische Energie der Antriebselemente (13) in eine schwingende Bewegung umsetzen. Diese Bewegungsmöglichkeit wird durch die Pfeile verdeutlicht. Erkennbar ist auch hier die Notwendigkeit der Bewegungsmöglichkeit der Heizstrahler (1a, 1b), da das Formgebungselement, hier ein Laser (14), welcher von oben durch eine Zuführöffnung (15) in den Bauraum der additiven Fertigungsanlage eingekoppelt wird, ohne eine Bewegung der flächendeckenden Heizstrahler (1a, 1b) mit diesen kollidieren würde.
5 verdeutlicht noch einmal das schon in 2 dreidimensional dargestellte Prinzip der translatorischen Bewegung des beweglichen, flächendeckenden Heizstrahlers (1) mit den Heizelementen (2, 3). Zu erkennen sind ebenfalls die Führungsschienen (9) sowie ein Doppelpfeil zur Veranschaulichung der Bewegungsmöglichkeiten. Erkennbar ist auch die Notwendigkeit der Bewegungsmöglichkeit des Heizstrahlers (1) mit den Heizelementen (2, 3) der Erfindung, da das Formgebungselement, hier ein Laser (14), welcher von oben durch eine Zuführöffnung (15) in den Bauraum der additiven Fertigungsanlage eingekoppelt wird, ohne eine Bewegung der flächendeckenden Heizstrahler (1) mit diesen kollidieren würde.
6 veranschaulicht schematisch den Ansatz, dass der bewegliche Heizstrahler als partielle Ausführung (1c) mit ortsfesten Heizelementen (2, 3) in einem Lösungsansatz kombiniert wird. Die ortsfesten Heizelemente (2, 3) sind in einer Gesamtanordnung (17) unterhalb der Grundplatte (18) angebracht. Der bewegliche partielle Heizstrahler (1c) wird wiederrum über Führungsschienen (9) geführt, ist aber nur so groß dimensioniert, dass er die für das Formgebungselement (14) erforderliche Aussparung (19) in der Grundplatte (18) während der Heizphase verdeckt und so eine homogene Aufheizung des Pulverbettes ermöglicht. Dieser Lösungsansatz bietet den Vorteil, dass insgesamt weniger Masse bewegt werden muss und der Gesamtaufbau kleiner dimensioniert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Heizstrahler
1a, 1b: Geteilte Heizstrahler
1c: Partieller Heizstrahler
2, 3: Heizelemente
4: Motor
5: Stirnrad
6: Zahnstange
7: Festlager
8: Loslager
9: Führungsschienen
10: Energieführungskette
11: Endanschläge
12: Positionssensoren
13: Lagerung
14: Laser
15: Zuführöffnung
16: Schwingarme
17: Gesamtanordnung
18: Grundplatte
19: Aussparung

Claims

System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen, aufweisend ein Pulverbett, einen Materialauftragsmechanismus, ein Formgebungselement, mindestens einen Heizstrahler (1) und mindestens ein Heizelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenbereich des Pulverbetts vollständig von mindestens einem Heizelement (2) überdeckt ist, wobei der mindestens eine Heizstrahler (1) für die Belichtungszeit des Formgebungselements aus dem Kollisionsbereich entfernbar und anschließend wieder über dem Pulverbett positionierbar ist.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2) aus mehreren Segmenten besteht und bewegbar ist.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Bewegung des mindestens einen Heizelements (2) zumindest in Teilbereichen horizontale Führungsschienen (9) aufweist.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Bewegung des mindestens einen Heizelements (2) einen Schwing-Mechanismus aufweist.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Bewegung des mindestens einen Heizelements (2) einen Kipp-Mechanismus aufweist.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2) aus Infrarot-Quarz-Strahlern und/oder Karbonstrahlern und/oder Wolfram und/oder Halogen-Strahler und/oder Keramik-Infrarotstrahler besteht.
System zur generativen Schichtbauweise in additiven Fertigungsanlagen nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungselement mindestens einen Laser umfasst.
Verfahren zur schichtweisen Bauteilgenerierung in additiven Fertigungsanlagen, aufweisend ein Pulverbett, einen Pulverauftragsmechanismus, mindestens ein Formgebungselement, mindestens einen Heizstrahler (1) und mindestens ein Heizelement (2) dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenbereich des Pulverbetts vollständig von mindestens einem Heizelement (2) überdeckt ist, wobei das mindestens eine Heizelement (2) vor einer Formgebung mit einer Kinematik aus dem Kollisionsbereich für die Belichtungszeit mit einem Formgebungselement über dem Pulverbett entfernt und anschließend wieder über dem Pulverbett positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulverauftrag bei Beginn der Bewegung und/oder Positionierung des mindestens einen Heizelements über dem Pulverbett oder Abschluss der Formgebung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des mindestens einen Heizelements über eine SPS und/oder einen PID-Regler erfolgt.