DE102014206176A1

DE102014206176A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102014206176A1
Application number: DE102014206176.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Baumann
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen enthält eine Bauplattform (7), auf der das Objekt (2) aufgebaut werden soll, einen Adapter (10) zur Aufnahme der Bauplattform (7) und eine Trägervorrichtung (11) zum Halten des Adapters (10). Der Adapter (10) enthält ein steifes, gasdurchlässiges Innenteil (102). Die Vorrichtung enthält weiter eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks auf der der Bauplattform (7) gegenüberliegenden Seite des Adapters (10), so dass die Bauplattform (7) an dem Adapter (10) gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines Baumaterials.
Bekannte Vorrichtungen zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Verfestigen eines Baumaterials weisen einen Bauraum auf, in dem das herzustellende Objekt auf einer Bauplattform hergestellt wird. Das zu verfestigende Material wird als Schicht auf der Bauplattform aufgetragen und mittels Energieeintragung an den dem Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen verfestigt. Daraufhin wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht aufgetragen und verfestigt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Objekt vollständig hergestellt ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 195 11 772 C2 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine höhenverstellbare Trägervorrichtung, sowie eine vorgefertigte Bauplattform, die auf der Trägervorrichtung befestigt ist. Das herzustellende Objekt wird direkt auf der Bauplattform hergestellt. Da das Aufbaumaterial bei der Verfestigung an der Bauplattform anhaftet, ist das herzustellende Objekt mit dieser verbunden. Nach Beendigung des Bauvorganges wird die Bauplattform von dem Träger gelöst. Das Objekt wird von der Bauplattform getrennt, oder die Bauplattform bildet einen Bestandteil des Objekts. Da durch die Bauplattform eine stabile Basis für die ersten Objektschichten gegeben ist, wird der Verzug bzw. die Verformung des Objektes reduziert.
Insbesondere bei der Verwendung von Edelmetallen als Aufbaumaterial kann die Verwendung einer Bauplattform mit möglichst geringer Dicke vorteilhaft sein, da dies die Herstellungskosten reduziert. Bei der Verwendung einer sehr dünnen Bauplattform auf der Trägervorrichtung der DE 195 11 772 C2 können die durch die Befestigungselemente hervorgerufenen Kräfte zu einem Verzug oder im schlimmsten Falle sogar zu einer Beschädigung der dünnen Bauplattform führen. Ein auf einer verformten Bauplattform hergestelltes Objekt würde sich schon während des Bauvorganges ebenfalls verformen und somit von seiner Sollform abweichen.
DE 10 2007 047 326 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, bei der eine folienartige Unterlage, die auf Rollen bevorratet ist, nahezu kontinuierlich über die Oberseite eines Trägers eingefahren werden kann. Alternativ zur Ausgestaltung der Unterlage als Folie kann auch eine flexible Platte als einfahrbare Unterlage verwendet werden. Vorzugsweise wird die Unterlage mittels Unterdruck an dem Träger befestigt. Die Art und Weise dieser Befestigung ist jedoch nicht näher beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, in denen auch bei Verwendung einer sehr dünnen Bauplattform, beispielsweise einer Folie, sichergestellt ist, dass die Bauplattform sicher an dem Träger gehalten wird, ohne dass eine Verformung oder ein Verzug der Bauplattform auftritt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8.
In der Vorrichtung und dem Verfahren ist ein Adapter vorgesehen, der die Stabilität der eingesetzten Bauplattform erhöht und somit auch die Verwendung von dünnen Bauplattformen erlaubt, die in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik nicht verwendbar sind. Insbesondere wenn als Aufbaumaterial ein Edelmetall, wie z. B. Gold, Silber, Palladium oder Platin, verwendet wird und die Bauplattform ebenfalls aus diesem Edelmetall, einer Legierung aus diesem Edelmetall oder einem mit diesem Edelmetall gut verträglichen Material gefertigt ist, kann durch Verwenden einer dünnen Bauplattform wie zum Beispiel einer Folie eine deutliche Verringerung der Material- und damit der Herstellungskosten erzielt werden. Durch das gleichmäßige Ansaugen der Bauplattform an den Adapter mittels des durch das steife, gasdurchlässige Innenteil wirkenden Unterdrucks wird bewirkt, dass auch eine dünne, an sich mechanisch nicht stabile Bauplattform sicher gehalten wird, ohne sich durchzubiegen oder anderweitig zu verformen.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das herzustellende Objekt auf der Bauplattform hergestellt und ist fest mit dieser verbunden. Falls die Bauplattform Bestandteil des herzustellenden Objekts ist, kann dieses nach Beendigung des Bauvorganges auf der Bauplattform verbleiben und muss nicht von dieser getrennt werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einer Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts am Beispiel einer Laser-Sintermaschine.
2a zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Mittelebene einer Ausführungsform eines Adapters für eine Bauplattform.
2b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Mittelebene des in 2a gezeigten mit Adapters aufgesetzter Bauplattform.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Trägervorrichtung mit eingesetztem Adapter.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung beschrieben, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 mit einem nicht dargestellten Maschinengehäuse, in dem das herzustellende Objekt 2 auf einer vorgefertigten Bauplattform 7 schichtweise hergestellt wird. Ein Rahmen 3 bildet die Seitenwand eines nach oben offenen Behälters, in dem der Bauvorgang stattfindet. Die Bauplattform 7 ist auf einem in 1 schematisch dargestellten Adapter 10 angeordnet, welcher den Boden des nach oben offenen Behälters bildet. Der Adapter 10 ist auf einer Trägervorrichtung 11 befestigt. Zwischen dem Adapter 10 und der Trägervorrichtung können noch weitere, in 1 nicht gezeigte Elemente angeordnet sein.
Des Weiteren ist ein Vertikalantrieb 12 vorgesehen, der die Höhenverfahrbarkeit der Trägervorrichtung 11 gewährleistet und somit der Einstellung der vertikalen Position des Adapters 10 mit der darauf angeordneten Bauplattform 7 dient. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die unterste Stellung der Bauplattform 7 nach vollständiger Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts 2 dargestellt.
Oberhalb des nach oben offenen Behälters ist eine Ablenkvorrichtung 4 eines Lasers 5 angeordnet, um den Laserstrahl 6 abzulenken und auf die Bauplattform 7 bzw. darauf geschichtetes pulverförmiges Material zu fokussieren, welches schichtweise auf die Bauplattform 7 durch einen Beschichter 9 aufgetragen wird. Das pulverförmige Material wird dem Beschichter 9 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter zugeführt.
Des Weiteren ist eine Steuervorrichtung 8 vorgesehen, welche mit dem Laser 5, der Ablenkvorrichtung 4, dem Beschichter 9 und dem Vertikalantrieb 12 verbunden ist und den Bauvorgang steuert.
Die vorliegende Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn als pulverförmiges Material ein Edelmetall, wie zum Beispiel Gold, Silber, Palladium oder Platin, oder ein eine Edelmetalllegierung enthaltendes Pulver verwendet wird. Um ein gutes Haften des herzustellenden Objekts 2 sicherzustellen, besteht die Bauplattform 7 aus dem gleichen Material wie das Aufbaumaterial, aus welchem das herzustellende Objekt 2 gefertigt wird, oder aus einer Legierung des Aufbaumaterials, oder aus einem mit diesem gut verträglichen Material.
2a zeigt eine Ausführungsform des Adapters 10, welcher mittels Schraubverbindung, Klebeverbindung oder einer anderen bekannten Befestigungsvorrichtung auf der Trägervorrichtung 11 befestigbar ist. Alternativ kann der Adapter 10 auch, wie in 3 gezeigt, in eine entsprechend geformte Trägervorrichtung 11 eingesetzt werden.
Der Adapter 10 weist eine feste Berandung 101 und ein durch diese Berandung 101 begrenztes Innenteil 102 auf. Das Innenteil 102 schließt an der Oberseite der Berandung 101 bündig mit dieser ab.
Die Berandung 101 ist aus einem formstabilen, gasundurchlässigen Werkstoff, wie z. B. massivem Aluminium oder Stahl, gefertigt. Sie umgibt das Innenteil 102 seitlich und hat im Querschnitt ein L-förmiges Profil, so dass sie sich unter einen Randbereich des Innenteils 102 erstreckt und eine Auflagefläche für das Innenteil 102 bildet. Durch eine Öffnung 103 in dem unteren Teil der Berandung 101 liegt das Innenteil 102 nach unten frei.
Das Innenteil 102 ist aus einem steifen, offenporigen und somit gasdurchlässigen Medium gefertigt. Offenporig bedeutet, dass in dem festen Werkstoff des Mediums eine Vielzahl miteinander verbundener Hohlräume existiert, durch die Gas von einer Seite des Innenteils 102 zu der gegenüberliegenden Seite durchtreten kann.
Gut geeignet für das Innenteil 102 ist beispielsweise ein offenporiger Aluminiumguss. Das Innenteil 102 ist dazu geeignet, Kräfte in senkrechter Richtung aufzunehmen, ohne sich zu verformen. Da die Berandung 101 und das Innenteil 102 des Adapters 10 nicht in direkten Kontakt mit dem herzustellenden Objekt 2 kommen, ist es nicht erforderlich, dass sie aus einem mit dem pulverförmigem Material gut verträglichen Material gefertigt sind.
Die Form des Adapters 10 in der Draufsicht hängt von ihrer Befestigungsweise an der Trägervorrichtung 11 ab. Bei Aufsetzen des Adapters 10 auf die Trägervorrichtung 11 kann die Form des Adapters 10 beliebig gebildet sein, bei Einsetzen des Adapters 10 in eine Ausnehmung in der Trägervorrichtung 11 muss sie an die Form der Ausnehmung angepasst sein. Der Adapter 10 kann beispielsweise eine kreisförmige oder eine rechteckige Kontur bzw. Oberfläche aufweisen, jedoch ist auch jede andere Form denkbar.
2b zeigt den Adapter 10 mit aufgesetzter Bauplattform 7. Die Bauplattform 7 ist dabei vorzugsweise auf die Berandung 101 des Adapters 10 aufgelegt.
Die Bauplattform 7 ist aus einer sehr dünnen Platte gefertigt, die eine Dicke von nur 0,5–2 mm aufweisen kann. Beispielsweise kann die Bauplattform 7 aus einer Folie oder einem Blech ausgebildet sein. Die Dicke der Bauplattform 7 ist jedoch nicht auf diese Werte beschränkt, die Bauplattform 7 kann auch dicker oder dünner sein.
3 zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung des Adapters 10 auf einer Trägervorrichtung 11 und die Befestigung der Bauplattform 7 auf dem Adapter 10. Der Adapter 10 ist in eine Ausnehmung der Trägervorrichtung 11 eingesetzt.
Unter dem Adapter 10 ist ein Hohlraum 13 angeordnet, in dem mittels einer nicht gezeigten Vorrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks, beispielsweise einer Vakuumpumpe, ein Unterdruck erzeugbar ist. Als Verbindung zwischen dem Hohlraum 13 und der Vorrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks dient eine Unterdruckverbindung 14. Eine Dichtung 15 zwischen der Trägervorrichtung 11 und der festen Berandung 101 des Adapters 10 sorgt dafür, dass der Hohlraum 13 nach außen abgedichtet ist.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts 2 am Beispiel der Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben.
Die den Unterdruck erzeugende Vorrichtung, welche beispielsweise als Vakuumpumpe ausgestaltet sein kann, wird an der Unterdruckverbindung 14 angeschlossen. Durch Einschalten der Unterdruck erzeugenden Vorrichtung wird in dem Hohlraum 13 ein Unterdruck erzeugt. Nun kann die Bauplattform 7 auf den Adapter 10, der an der Trägervorrichtung 11 angebracht ist, aufgesetzt werden. Der in dem Hohlraum 13 erzeugte Unterdruck wirkt durch die Öffnung 103 der festen Berandung 101 und durch das Innenteil 102 auf die Unterseite der Bauplattform 7 und saugt diese gegen die Oberseite des Innenteils 102 an.
Dabei muss das Innenteil 102 hinreichend steif sein, um die durch das Ansaugen der Bauplattform 7 gegen den Adapter 10 entstehenden Kräfte in senkrechter Richtung aufzunehmen, ohne sich zu verformen.
Da der Unterdruck durch die Poren des Innenteils 102 gleichmäßig auf die Bauplattform 7 einwirkt und das Innenteil 102 zudem in vertikaler Richtung eine stabilisierende Wirkung auf die Bauplattform 7 hat, kann eine dünne Bauplattform 7, beispielsweise eine Folie oder ein dünnes Blech, verwendet werden, ohne dass sie sich durchbiegt oder anderweitig verformt. Wenn die Bauplattform 7 wie in 2b gezeigt allseitig über das Innenteil 102 hinausragt und auf der festen Berandung 101 aufliegt, dichtet sie den Innenteil 102 nach oben ab, wodurch der Unterdruck besonders effizient auf die Bauplattform 7 einwirken kann.
Nach Einsetzen der Bauplattform 7 wird die Trägervorrichtung 11 mittels Vertikalantrieb 12 mit dem darauf befestigten Adapter 10, und der Bauplattform 7 in die oberste Position gefahren. Der Beschichter 9 verteilt eine erste Lage des pulverförmigen Materials auf der Bauplattform 7. Mittels Energieeintrag durch den Laser 5 wird das pulverförmige Material an den dem Querschnitt des Objekts 2 entsprechenden Stellen verfestigt und die Bauplattform 7 dann mit dem Vertikalantrieb 12 um die Dicke einer Pulverschicht nach unten gefahren. Anschließend wird eine zweite Pulverschicht aufgetragen und an den dem Querschnitt des Objekts 2 entsprechenden Stellen verfestigt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Bauvorgang beendet ist. Durch das Absenken der Bauplattform 7 um den Betrag einer Schichtdicke nach dem Verfestigen einer Schicht befindet sich die Pulveroberfläche während des ganzen Bauvorganges auf derselben Ebene.
Zum Entnehmen des hergestellten Objekts 2 wird die den Unterdruck erzeugende Vorrichtung ausgeschaltet, und Luft oder ein anderes Gas strömt in den Hohlraum 13 ein, so dass sich im Hohlraum 13 wieder Normaldruck einstellt. Anschließend wird das das Objekt 2 umgebende unverfestigt gebliebene pulverförmige Material abgesaugt oder mittels eines anderen Verfahrens entfernt. Die Bauplattform 7 kann nun mit dem hergestellten Objekt 2 entnommen werden.
Der Behälter, in dem das herzustellende Objekt aufgebaut wird, kann auch als Wechselbehälter gebildet sein, der in den Bauraum einsetzbar und aus ihm entnehmbar ist.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden. Der Laser kann beispielsweise ein Gas- oder Festkörperlaser, eine Laserdiode. Es kann auch ein Linienbelichter verwendet werden, der beispielsweise ein Array von Laserdioden enthält. Allgemein kann jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das Absorptions- bzw. Inhibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden.
Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch anders erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird, beispielsweise auch auf das 3D-Drucken.
Des Weiteren ist das pulverförmige Material nicht auf ein Edelmetall beschränkt. So kann das pulverförmige Material beispielsweise ein Kunststoffpulver, ein Metallpulver, ein Keramikpulver oder ein Pulver aus kunststoffbeschichteten Sanden sein. Es sind jedoch auch alle anderen verfestigbaren pulverförmigen Materialien möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19511772 C2 [0003, 0004]
DE 102007047326 B4 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen mit: einer Bauplattform (7), auf der das Objekt (2) aufgebaut werden soll, einem Adapter (10) zur Aufnahme der Bauplattform (7) und einer Trägervorrichtung (11) zum Halten des Adapters (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (10) ein steifes, gasdurchlässiges Innenteil (102) enthält und die Vorrichtung weiter eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung enthält zum Erzeugen eines Unterdrucks auf der der Bauplattform (7) gegenüberliegenden Seite des Adapters (10), so dass die Bauplattform (7) an dem Adapter (10) gehalten wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Adapter (10) eine Berandung (101) aus einem formstabilen, gasundurchlässigen Werkstoff enthält, die das Innenteil (102) umgibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Berandung (101) des Adapters (10) ein L-förmiges Profil aufweist, dessen erster Schenkel das Innenteil (102) umgibt und dessen zweiter Schenkel eine Auflagefläche für einen Randbereich des Innenteils (102) bildet, wobei das Innenteil (102) durch eine Öffnung auf der Seite des zweiten Schenkels freiliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Innenteil (102) aus einem offenporigen Medium gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Innenteil (102) aus offenporigem Aluminiumguss gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Bauplattform (7) aus einer Folie oder einem Blech gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Dicke der Bauplattform (7) 0,5–2 mm beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch aufeinanderfolgendes schichtweises Verfestigen eines verfestigbaren pulverförmigen Materials an den dem Querschnitt des Objekts (2) entsprechenden Stellen in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (7) auf den Adapter (10) aufgesetzt wird und ein Unterdruck auf der der Bauplattform (7) gegenüberliegenden Seite des Adapters (10) erzeugt wird, so dass die Bauplattform (7) an dem Adapter (10) gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als Aufbaumaterial ein Edelmetallpulver oder ein Pulver aus einer ein Edelmetall enthaltenden Legierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Bauplattform (7) verwendet wird, die aus demselben Material gebildet ist wie das Aufbaumaterial oder aus einer Legierung, die dieses Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Bauplattform (7) verwendet wird, die aus einem Material gebildet ist, das mit dem Material, aus dem das Aufbaumaterial gebildet ist, gut verträglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie oder ein Blech als Bauplattform (7) verwendet wird.