DE102015010386B4

DE102015010386B4 - Vorrichtung zur generativen Fertigung dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE102015010386B4
Application number: DE102015010386.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hanreich
Original assignee: Additive 3d Training GmbH
Current assignee: Additive 3d Training De GmbH
Priority date: 2015-08-08
Filing date: 2015-08-08
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2035-08-09
Also published as: DE102015010386A1

Abstract

Vorrichtung zur generativen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Mikro-Laserauftragsschmelzen, die eine in einer Pulverkammer (2) angeordnete, auf einem Hubtisch (17) angebrachte Bauplattform (18) und eine Rakel zum schichtweisen Auftragen des aus einem Pulvervorratsbehälter (8) zugeführten Pulvers sowie eine Lasereinheit (28) zum Aufschmelzen der jeweiligen Schichtkontur des dreidimensionalen Objekts umfasst, aufweisend eine Doppelrakel (7) zum Aufbringen einer Pulverschicht bei deren Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, die ein Pulveraufnahmeteil (20) mit einem in dessen Boden (21) vorgesehenem Pulveraustrittsschlitz (25) und ein an den Boden (21) anschließendes, aus zwei parallelen Einzelrakeln (23) bestehendes Doppelrakelteil (22) mit von dem Pulveraustrittsschlitz (25) schräg nach außen verlaufenden, das aus dem Pulveraustrittsschlitz (25) austretende Pulvermaterial sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsbewegung der Doppelrakel (7) auftragenden Pulverleitflächen (24) umfasst, wobei eine Schlitzöffnung (12) eines an den Pulvervorratsbehälter (8) anschließenden Dosierkanals (11) mit einem unter Federdruck stehenden Verschlussschieber (13) verschließbar ist, der zum Freigeben der Schlitzöffnung (12) unter der Wirkung der Doppelrakel (7) in einer Position am Außenrand der Pulverkammer (2) entgegen der Federkraft verschiebbar ist, um das Pulveraufnahmeteil (20) mit Pulvermaterial zu befüllen oder den Pulvervorratsbehälter (8) in einer weiter verschobenen Stellung der Doppelrakel (7), in der sich der Pulveraustrittsschlitz (25) über einem zur Pulverreinigung führenden Transportkanal (16) befindet, zu entleeren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Mikro-Laserauftragsschmelzen, die eine in einer Pulverkammer angeordnete, auf einem Hubtisch angebrachte Bauplattform und eine Rakel zum schichtweisen Auftragen des aus einem Pulvervorratsbehälter zugeführten Pulvers sowie eine Lasereinheit Aufschmelzen der jeweiligen Schichtkontur des dreidimensionalen Objekts umfasst.
Bei einer bekannten Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch Lasersintern oder -schmelzen wird eine bestimmte, aus einem Vorratsbehälter bereitgestellte Pulvermenge mithilfe einer Rakel oder einer Walze gleichmäßig auf der Bauplattform bzw. der zuvor aufgebrachten, entsprechend der durch die Form des herzustellenden Bauteils teilweise gesinterten bzw. aufgeschmolzenen Pulverschicht gleichmäßig verteilt und dabei mechanisch vorverdichtet. Nach dem Aufbringen der Pulverschicht vor der Rakel oder Walze verbleibendes überschüssiges Pulver fällt in einen Sammelbehälter und steht nach entsprechender Aufbereitung zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Nachdem die Rakel in die Ausgangsstellung zurückgefahren wurde, wird die Pulverschicht mit dem von einer Lasereinheit erzeugten Laserstrahl entsprechend der jeweiligen Schichtkontur des Bauteils gesintert bzw. aufgeschmolzen, bevor mit der Rakel die nächste Pulverschicht aufgetragen wird.
Diese Art des Aufbringens der Pulverschicht ist insofern nachteilig, als zum einen mit der Erzeugung jeder Pulverschicht eine überschüssige Pulvermenge anfällt, die zur weiteren Verwendung nach vorhergehender Aufbereitung wieder in den Pulvervorratsbehälter zurückgeführt werden muss. Zum anderen ist mit dem Zurückführen der Rakel in die Ausgangsstellung ein sich mit der Vielzahl der aufzubringenden Schichten in erheblichem Maß summierender Zeitaufwand verbunden.
Aus der DE 44 00 523 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile bekannt, die einen Behälter als eine sich quer zur Bauplattform erstreckende Rinne mit einer oberen Öffnung zum Einfüllen von Pulver und eine untere Öffnung zum Auftragen des Pulvers aufweist. Vor und hinter der unteren Öffnung ist jeweils ein Abstreifelement vorgesehen. Die Abstreifelemente weisen eine gerade verlaufende Pulverleitfläche auf.
EP 1 270 185 A1 beschreibt ein System zum Auftragen von hochviskosen Pastenmaterialien. Die hochviskosen Pasten enthalten mindestens 50 Gew.-% Pulver und ein Bindemittel und werden mittels einer Rakel aufgetragen.
DE 31 49 295 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen einer hochviskosen Flüssigkeit wie einen Klebstoff mit einer Doppelrakel.
DE 10 2005 022 308 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Aufbringen von pulverförmigen Schichten, die einen Beschichter aufweist. Der Beschichter ist mit einer oder zwei Klingen ausgestattet und weist eine Heizeinrichtung auf, um ein Vorwärmen des Pulver vor oder während des Auftragens als Schicht zu ermöglichen.
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US 5 626 919 A beschreibt eine Solid-Imaging-Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände durch Aussetzung von Schichten einer flüssigen photoverformbaren Zusammensetzung zu aktinischer Strahlung. Die Vorrichtung weist einen Behälter, der die Zusammensetzung enthält, eine beweglich Plattform innerhalb des Behälters, eine Rakel und einen Verteiler auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung dreidimensionaler Strukturen durch Mikro-Laserauftragsschmelzen von metallischem Pulvermaterial anzugeben, mit der hohe Taktfolgen bei der Pulverbeschichtung und der Laserbestrahlung realisiert werden können und der Reinigungsaufwand für das Pulvermaterial verringert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Vorrichtung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Rakel zum Auftragen der Pulverschichten als mit einem Pulverreservoir gefüllte Doppelrakel ausgebildet ist, um bei jeder Vorwärts- und jeder Rückwärtsbewegung der Doppelrakel eine Pulverschicht zu erzeugen, die im Bereich des auf der Bauplattform aufzubauenden dreidimensionalen Objekts sofort mit dem Laser bestrahlt und verfestigt werden kann. Dadurch wird die Taktfolge erhöht und die Bauteile können in kürzerer Zeit hergestellt werden. Erfindungsgemäß umfasst die Doppelrakel ein aus einem Pulvervorratsbehälter selbsttätig befüllbares Pulveraufnahmeteil mit einem in dessen Boden vorgesehenem Pulveraustrittsschlitz und ein an den Boden anschließendes, aus zwei parallelen Einzelrakeln bestehendes Doppelrakelteil mit von dem Pulveraustrittsschlitz schräg nach außen verlaufenden Pulverleitflächen. Über die eine Pulverleitfläche wird das aus dem Pulveraustrittsschlitz austretende Pulvermaterial bei der Vorwärtsbewegung der Doppelrakel und über die andere Pulverleitfläche bei der Rückwärtsbewegung der Doppelrakel aufgetragen.
In Ausgestaltung der Erfindung können die Pulverleitflächen gerade oder gewölbt ausgebildet sein. An die Pulverleitflächen kann sich über einen gerundeten Übergang eine zur vorhergehenden Pulverschicht im Wesentlichen parallele Pulverandrückfläche anschließen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an den beiden Außenseiten der Doppelrakel jeweils eine Abstreiflippe zum Abstreifen von Verunreinigungen während des Auftragens einer neuen Pulverschicht angebracht. Dadurch wird zum einen die Qualität des dreidimensionalen Bauteils verbessert und darüber hinaus der Reinigungsaufwand bei der Aufbereitung des bereits benutzten Pulvers verringert.
Am Außenrand der Pulverkammer sind Sammelkanäle zur Aufnahme der mit den Abstreiflippen abgestreiften Verunreinigungen vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Pulveraufnahmeteil eine sich zum Pulveraustrittsschlitz hin trapez- oder V-förmig verjüngende Querschnittsfläche auf.
Eine Schlitzöffnung eines an den Pulvervorratsbehälter anschließenden Dosierkanals ist mit einem unter Federdruck stehenden Verschlussschieber selbsttätig verschließbar. Zum Freigeben der Schlitzöffnung kann der Verschlussschieber in einer Position am Außenrand der Pulverkammer unter der Wirkung der über einen Schwenkhebel angetriebenen Doppelrakel entgegen der Federkraft verschoben werden, um die Schlitzöffnung freizugeben und das Pulveraufnahmeteil mit Pulvermaterial zu befüllen. Die Befüllung des Pulveraufnahmeteils erfolgt somit bei geringem Zeitaufwand allein durch die Bewegung der Doppelrakel. In einer weiter verschobenen Stellung der Doppelrakel, in der sich der Pulveraustrittsschlitz der Doppelrakel über einem zur Pulverreinigung führenden Transportkanal befindet, kann der Pulvervorratsbehälter über den Pulveraustrittsschlitz der Doppelrakel entleert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Mikro-Laserauftragsschmelzanlage zur generativen Fertigung dreidimensionaler Objekte;
2 eine Detailansicht der Laserauftragsschmelzanlage im Bereich des Hubtisches während des Pulverauftrags;
3 eine vergrößerte Darstellung der zum Auftragen des Pulvermaterials verwendeten, mit einem Pulverreservoir ausgebildeten Doppelrakel in einer vom Pulvervorratsbehälter der Anlage weg weisenden Richtung;
4 die Doppelrakel in einer den Dosierschieberverschluss des Pulvervorratsbehälters kontaktierenden Position vor dem Befüllen der Doppelrakel;
5 die Doppelrakel bei deren Befüllung mit aus der Öffnung des Pulvervorratsbehälters fließendem Pulvermaterial; und
6 die Doppelrakel in einer zum Entleeren des Pulvervorratsbehälters vorgesehenen Position.

Wie 1 zeigt, umfasst die Laserauftragsschmelzanlage ein Gehäuse 1 mit einer in diesem ausgebildeten Pulverkammer 2 und einer zwischen zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden 3, 4 in parallelen Führungsschienen 5 geführten, entlang dem oberen Pulverkammerrand 6 verschiebbaren Doppelrakel 7. An der Außenseiten der in der Zeichnungsebene linken Gehäusewand 3 ist ein Pulvervorratsbehälter 8 mit einem dessen Auslassöffnung 9 verschließenden oder freigebenden Dosierverschluss 10 angeordnet. Die Auslassöffnung 9 des Pulvervorratsbehälters 8 mündet in einen im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Dosierkanal 11, dessen untere Schlitzöffnung 12 durch einen waagerecht beweglichen Verschlussschieber 13 verschlossen ist. Der Verschlussschieber 13 wird durch in Richtung der gegenüberliegenden - in der Zeichnungsebene rechten - Gehäusewand 4 wirkende Druckfedern (nicht dargestellt) in der Schließstellung gehalten, Die Hin- und Herbewegung der Doppelrakel 7 wird mithilfe eines mit einer Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) verbundenen Schwenkhebels 14 realisiert. An den oberen Pulverkammerrand 6 schließt beidseitig ein zu der Doppelrakel 7 parallel verlaufender Sammelkanal 15 zur Aufnahme von mittels der Doppelrakel 7 abgestreiften Verunreinigungen und restlichen Pulverpartikeln an. Der Sammelkanal 15 ist mit einem an das (nicht dargestellte) Pulverreinigungssystem der Anlage anschließenden Transportkanal 16 verbunden. Die Schlitzöffnung 12 des mit dem Pulvervorratsbehälter 8 verbundenen Dosierkanals 11 befindet sich über dem in der Zeichnungsebene linken Teil des Sammelkanals 15. In der Pulverkammer 2 ist ein Hubtisch 17 angeordnet, der mit einer Bauplattform 18 zum Aufbauen eines dreidimensionalen Objekts 19, hier beispielhaft einer aus Buchstaben gebildeten Struktur, ausgestattet ist.
Aus den 3 bis 6 ist die Ausbildung der Doppelrakel 7 ersichtlich. Die Doppelrakel 7 umfasst einen sich über deren Länge erstreckendes, im Querschnitt im Wesentlichen V-förmiges bzw. trapezförmiges, an der Oberseite offenes Pulveraufnahmeteil 20 und ein sich an dessen Boden 21 anschließendes Doppelrakelteil 22. Das Doppelrakelteil 22 umfasst zwei parallel verlaufende Einzelrakeln 23 und bildet einen zwischen zwei von einem Pulveraustrittsschlitz 25 im Boden 21 schräg nach außen abstrebenden inneren Pulverleitflächen 24 begrenzten Hohlraum, der über den Pulveraustrittsschlitz 25 mit dem Pulveraufnahmeteil 20 in Verbindung steht. Die Pulverleitflächen 24 gehen über einen gerundeten Bereich in gerade Pulverandrückflächen 26 über. An den beiden Außenflächen des Doppelrakelteils 22 ist jeweils eine Abstreiflippe 27 angebracht. Die Kontur der beiden Pulverleitflächen 24 ist so geformt, dass das aus dem Pulveraufnahmeteil 20 über den Pulveraustrittsschlitz 25 austretende und entsprechend der Bewegungsrichtung der Doppelrakel 7 entlang der einen oder der anderen Pulverleitfläche 24 fließenden Pulvermaterial gleichmäßig auf das auf der Bauplattform befindliche Material aufgebracht und mithilfe der Pulverandrückflächen 26 geglättet und vorverdichtet wird. Die vom Pulveraustrittsschlitz 25 in entgegengesetzter Richtung schräg nach außen verlaufenden Pulverleitflächen 24 sind, wie in der Zeichnung dargestellt, bei einem konvex geformten Übergang zu den Pulverandrückflächen 26 eben ausgebildet oder können auch eine konkav oder konvex gewölbte Kontur aufweisen, um in jedem Fall ein gleichmäßiges Andrücken der aufgebrachten Pulverschicht auf die vorhergehende Schicht zu bewirken.
Das Aufbringen der einzelnen Pulverschichten erfolgt mit jeder - in 2 und 3 dargestellten - Vorwärtsbewegung der mit dem Pulvermaterial gefüllten Doppelrakel 7 zur rechten Kante der Pulverkammer 2 und jeder Rückwärtsbewegung der Doppelrakel 7 zur linken Kante der Pulverkammer 2, wobei in der jeweils aufgebrachten Pulverschicht die entsprechende Bauteilkontur mithilfe einer Lasereinheit 28 belichtet und durch Mikro-Laserauftragsschmelzen verfestigt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Taktfolge beim Aufbau des dreidimensionalen Objekts realisiert werden, so dass der Zeitaufwand für dessen Herstellung deutlich verringert wird. Mit den an den Außenseiten der Doppelrakel 7 befestigten Abstreiflippen 27 werden vor jedem Pulverauftrag auf der zuvor gesinterten Schicht und dem nicht verfestigten Pulvermaterial vorhandene Verunreinigungen abgestreift, so dass eine hohe Qualität des Bauteils gewährleistet ist. Die abgestreiften Verunreinigungen werden über die rechte bzw. linke Kante der Pulverkammer 2 in die angrenzenden Sammelkanäle 15 befördert. Dadurch wird der Reinigungsaufwand bei der Aufbereitung des nach der Entnahme des fertigen Bauteils in der Pulverkammer verbleibenden, weiter verwendbaren Pulvers verringert. 5 zeigt die Doppelrakel 7 nach einem mit der Rückwärtsbewegung bewirkten Beschichtungsvorgang in einer Position der Abstreiflippe 27 an der linken Kante der Pulverkammer 2, in der die abgestreiften Verunreinigungen in den Sammelkanal 15 geschoben werden.
In der in 5 gezeigten Lage hat die Doppelrakel 7 den Verschlussschieber 13 entgegen einer Federwirkung in Richtung der linken Gehäusewand 3 zur Seite geschoben, so dass die Schlitzöffnung 12 des Dosierkanals 11 freiliegt und das Pulveraufnahmeteil 20 der Doppelrakel 7 mit Pulvermaterial aus dem Pulvervorratsbehälter 8 befüllt werden kann. Mit der anschließenden Vorwärtsbewegung der Doppelrakel 7 verschließt der Verschlussschieber 13 durch Federdruck selbsttätig die Schlitzöffnung 12 und eine neue Pulverschicht kann im Bereich der Pulverkammer 2, in der der Hubtisch 17 mit dem darauf befindlichen losen metallischen Pulver und dem bereits erzeugten Bauteilabschnitt zuvor entsprechend der zu erzeugenden Schichtdicke abgesenkt wurde, aufgebracht werden.
6 zeigt die Position der Doppelrakel 7 beim Entleeren des Pulvervorratsbehälters. In dieser Lage befindet sich die offene Seite des Pulveraufnahmeteils 20 der Doppelrakel 7 immer noch unter der Schlitzöffnung 12 des mit dem Pulvervorratsbehälter 2 verbundenen Dosierkanals 11, während der Pulveraustrittsschlitz 25 im Boden des Pulveraufnahmeteils 20 frei in dem mit der Pulveraufbereitungsanlage verbundenen Transportkanal 16 liegt. Auf diese Weise kann mithilfe der Doppelrakel 7 die Entleerung des Pulvervorratsbehälters 2 durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Pulverkammer
3: Linke Gehäusewand
4: Rechte Gehäusewand
5: Führungsschienen
6: oberer Pulverkammerrand
7: Doppelrakel
8: Pulvervorratsbehälter
9: Auslassöffnung von 8
10: Dosierverschluss von 8
11: Dosierkanal
12: Schlitzöffnung von 11
13: Verschlussschieber von 12
14: Schwenkhebel des Rakelantriebs
15: Sammelkanäle
16: Transportkanal
17: Hubtisch
18: Bauplattform
19: dreidimensionales Objekt, Bauteil
20: Pulveraufnahmeteil von 7
21: Boden von 20
22: Doppelrakelteil von 7
23: Einzelrakeln
24: Pulverleitflächen von 23
25: Pulveraustrittsschlitz von 20
26: Pulverandrückflächen von 23
27: Abstreiflippen von 7
28: Lasereinheit

Claims

Vorrichtung zur generativen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Mikro-Laserauftragsschmelzen, die eine in einer Pulverkammer (2) angeordnete, auf einem Hubtisch (17) angebrachte Bauplattform (18) und eine Rakel zum schichtweisen Auftragen des aus einem Pulvervorratsbehälter (8) zugeführten Pulvers sowie eine Lasereinheit (28) zum Aufschmelzen der jeweiligen Schichtkontur des dreidimensionalen Objekts umfasst, aufweisend eine Doppelrakel (7) zum Aufbringen einer Pulverschicht bei deren Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, die ein Pulveraufnahmeteil (20) mit einem in dessen Boden (21) vorgesehenem Pulveraustrittsschlitz (25) und ein an den Boden (21) anschließendes, aus zwei parallelen Einzelrakeln (23) bestehendes Doppelrakelteil (22) mit von dem Pulveraustrittsschlitz (25) schräg nach außen verlaufenden, das aus dem Pulveraustrittsschlitz (25) austretende Pulvermaterial sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsbewegung der Doppelrakel (7) auftragenden Pulverleitflächen (24) umfasst, wobei eine Schlitzöffnung (12) eines an den Pulvervorratsbehälter (8) anschließenden Dosierkanals (11) mit einem unter Federdruck stehenden Verschlussschieber (13) verschließbar ist, der zum Freigeben der Schlitzöffnung (12) unter der Wirkung der Doppelrakel (7) in einer Position am Außenrand der Pulverkammer (2) entgegen der Federkraft verschiebbar ist, um das Pulveraufnahmeteil (20) mit Pulvermaterial zu befüllen oder den Pulvervorratsbehälter (8) in einer weiter verschobenen Stellung der Doppelrakel (7), in der sich der Pulveraustrittsschlitz (25) über einem zur Pulverreinigung führenden Transportkanal (16) befindet, zu entleeren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverleitflächen (24) gerade oder gewölbt ausgebildet sind und einen gerundeten Übergang zu einer Pulverandrückfläche (26) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Außenseiten der Doppelrakel (7) eine Abstreiflippe (27) zum Abstreifen von Verunreinigungen vor dem Auftragen einer neuen Pulverschicht angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenrand der Pulverkammer (2) Sammelkanäle (15) zur Aufnahme der mit den Abstreiflippen (27) abgestreiften Verunreinigungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulveraufnahmeteil (20) eine sich zum Pulveraustrittsschlitz (25) hin trapez- oder V-förmig verjüngende Querschnittsfläche aufweist.