DE102015012844A1 - Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, sowie Kammervorrichtung für das Verfahren und die Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, das zum Ausbilden des Formkörpers schichtweise auf einer Bauplatte aufgetragen und mittels Laserstrahlschmelzen verfestigt wird, wobei ein Erwärmen des Materials und des Formkörpers auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur unter Abhängigkeit der Ist-Temperatur des formlosen Materials erfolgt und unter Berücksichtigung der aufgebrachten Schichtdicke des Formkörpers eine Heizvorrichtung relativ zu der Bauplatte verlagert wird und/oder eine Heizvorrichtung auf der Bauplatte aufgebaut wird, sowie eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus dem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, sowie eine Kammervorrichtung für das Verfahren und die Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, sowie eine Kammervorrichtung für ein Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens.
  • DE 1 964 98 65 C1 beschreibt ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere ein Laserschmelzfertigungsverfahren, bei dem ein dreidimensionaler Formkörper auf Basis eines 3D-CAD-Modelles aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial schichtweise aufgebaut und verfestigt wird. Durch einen fokussierten Laserstrahl zum Schmelzen des schichtweise aufgetragenen pulverförmigen Ausgangsmaterials aus Metall wird das Ausgangsmaterial selektiv aufgeschmolzen und erstarrt nach einer Abkühlungszeit zu einem festen Körper. Bei diesem Laserstrahlschmelzverfahren treten beim Abkühlen mit bis zu 3,5 × 106 K/s sehr hohe Temperaturgradienten im dreidimensionalen Formkörper auf. Dies führt zu starken Eigenspannungen, insbesondere Wärmespannungen, in dem dreidimensionalen Formkörper, die sich in Form von Delamination des Formkörpers von der Bauplatte, Rissbildung in dem Formkörper und/oder der Unterbaukonstruktion negativ auf den Aufbauprozess und den zu fertigenden dreidimensionalen Formkörper auswirken können. Außerdem ist die Auswahl der einsetzbaren Werkstoffe aufgrund dieses hohen Abkühlgradienten stark eingeschränkt. Beispielsweise ist bei haarrissempfindlichen, kohlenstoffhaltigen Stählen die Gefahr sehr groß, dass aufgrund der hohen Abkühlrate es beim Laserstrahlschmelzen zu einer immensen Aufhärtung des Gefüges, einer sogenannten Selbstabschreckung, kommen kann und damit die Gefahr einer Rissbildung in dem Formkörper steigt. Die Neigung zur Aufhärtung und damit zur Rissbildung wird mit steigendem Kohlenstoffgehalt größer, wobei insbesondere Stähle mit Kohlenstoffgehalten von größer als 0,3 Masse% betroffen sind.
  • Der bekannte Stand der Technik bietet für eine Verhinderung derartiger Ausbildungen von Wärmespannungen in dem auszubildenden Werkstück nur unzureichende Lösungen.
  • DE 10 104 732 C1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der in der Bauplatte eine induktive Heizung integriert ist, mit der der metallische Formkörper und die Vorrichtung auf eine Temperatur bis zu 500°C erwärmt werden können, um die Gefahr einer Rissbildung zu verhindern. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die erzielbaren Temperaturen im starken Maße von der Formkörpergeometrie, vom Volumen des dreidimensionalen Formkörpers, von der Formkörperausdehnung in Aufbaurichtung sowie von den Isoliereigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Werkstoffs abhängig ist und die Verteilung der Wärmeausdehnung im Formkörper nicht exakt steuerbar ist.
  • DE 102 00 60 55 053 A1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Vorheizen eines Pulvers und insbesondere eine neu aufgetragene Pulverschicht über einen oder mehrere Heizstrahler erfolgt, die oberhalb oder seitlich des Bauraums einer Prozesskammer angeordnet sind. Hierbei ist es notwendig, den generativen Fertigungsprozess für das Vorwärmen durch die Strahler (z. B. Infrarotstrahler) für eine vorbestimmte Zeit zu unterbrechen, bis die neu aufgetragene Pulverschicht ausreichend vorgewärmt ist. Dies ergibt eine Verlängerung der Gesamtbauzeit, wodurch das Verfahren in seiner Wirtschaftlichkeit entschieden eingeschränkt wird.
  • DE 2005 022 308 A1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der der Beschichter mit einer Heizung versehen ist. Die Heizung kann als induktive Heizung oder als Strahlungsheizung ausgebildet sein. Der Nachteil einer Heizung am Beschichter ist, dass die Kontaktzeit des aufzutragenden Pulvers mit dem vorgewärmten Beschichter nur wenige Sekunden umfasst und dadurch ein gleichmäßiges und vollständiges Vorwärmen des Pulvers nicht sichergestellt werden kann.
  • DE 101 08612 C1 beschreibt Heizungselemente, die in den Wänden der jeweiligen Prozess- oder Vorratskammer integriert sind. Dies hat jedoch den Nachteil, dass neben den Wänden auch andere Maschinenkomponenten beheizt werden. Außerdem sind die Heizelemente mit einem relativ großen Abstand zu dem erhitzten Formkörper bzw. Pulver angeordnet, was die Effektivität der Heizung über die Wände herabsetzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens anzugeben, mit dem das formlose Material bzw. der Formkörper kontrolliert auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt werden kann, ohne dass es hierbei zu starken Temperaturschwankungen zum Vermeiden einer Rißbildung in dem Formkörper durch Wärmespannungen kommt, unabhängig davon welche Materialien zum Aufbau des Formkörpers verwendet werden.
  • Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Formkörpers aus einem formlosen Material anzugeben, mit der das formlose Material bzw. der Formkörper kontrolliert auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt werden kann, ohne dass es hierbei zu starken Temperaturschwankungen zum Vermeiden einer Rißbildung in dem Formkörper durch Wärmespannungen kommt, unabhängig davon welche Materialien zum Aufbau des Formkörpers verwendet werden.
  • Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kammervorrichtung für ein Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers anzugeben, die zum Vermeiden einer Rißbildung in dem Formkörper durch Wärmespannungen eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur in dem Formkörper und/oder dem formlosen Material aufrechterhalten kann, unabhängig von dem verwendeten Material zum Aufbau des Formkörpers.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens gelöst, das zum Ausbilden des Formkörpers schichtweise auf einer Bauplatte aufgetragen und mittels Laserstrahlschmelzen verfestigt wird, wobei ein Erwärmen des Materials und des Formkörpers auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur unter Abhängigkeit der Ist-Temperatur des formlosen Materials erfolgt und unter Berücksichtigung der aufgebrachten Schichtdicke des Formkörpers eine Heizvorrichtung relativ zu der Bauplatte verlagert wird und/oder eine Heizvorrichtung auf der Bauplatte aufgebaut wird. Dies hat den Vorteil, dass bei der Ausbildung des Formkörpers eine ständige Überwachung der Ist-Temperatur gewährleistet wird und eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur in dem formlosen Material und dem Formkörper aufrechterhalten werden kann, so dass es zu keiner zu starken Abkühlen des Formkörpers kommt und keine extremen Wärmspannungen aufgebaut werden. Unter einer Vorwärmtemperatur ist hierbei eine Temperatur zu verstehen, bei der das formlose Material zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers verarbeitbar bleibt und schichtweise aufgetragen werden kann. Das formlose Material ist bevorzugt pulverförmig, kann aber auch streifen oder bandförmig sein. Unter einer Heizvorrichtung ist hierbei ein verstellbares Heizelement, das elektrisch, induktiv, und/oder über einen Wärmeträger betreibbar ist und/oder eine generativ, schichtweise auszubildende Heizwand zu verstehen.
  • Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird das formlose Material vor dem, bei dem und/oder nach dem Aufschmelzen mittels Laserstrahlschmelzen auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt oder gehalten. Dies hat den Vorteil, dass ohne Zeitverzögerung neue Schichten des Formkörpers aufgebaut werden können.
  • Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das formlose Material in einer Dosierkammer, in der das formlose Material bevorratet wird, vor dem Aufschmelzen auf die Vorwärmtemperatur erwärmt und dann mit einer vorbestimmten Schichtdicke in der Prozesskammer verteilt. Dies hat den Vorteil, dass das formlose Material bereits mit einer optimalen Temperatur bereitgestellt wird und gegebenenfalls weniger Wärmeenergie durch den Laserstrahl zum Verfestigen des formlosen Materials eingebracht werden muss.
  • Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Abschnitt oder ein Heizelement der Heizvorrichtung gemäß der Konturänderung des Formkörpers und/oder um den Zuwachs der Schichtdicke des aufgeschmolzenen Materials des Formkörper in seiner Lage verändert, während, bevor oder nachdem eine neue Schichtfolge aufgetragen. Durch die konturtreue Nachfolge der Heizelemente bzw. der Heizvorrichtung kann eine genauere und schichtbezogene Erwärmung nach der Gestalt des Formkörpers sicher gestellt werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Lage des Heizelements durch Änderung der Position des Heizelements in einer Prozesskammer verändert wird, in dem das Heizelement bevorzugt in entgegengesetzter Richtung der Formkörperaufbaurichtung verlagert. Dies hat den Vorteil, dass eine stufenfreie Verteilung einer neun Schicht aus formlosem Material möglich ist
  • Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Heizvorrichtung durch generatives Ausbilden einer Heizwand auf der Bauplatte in der Prozesskammer aufgebaut, wobei die Heizwand zusammen mit dem herzustellenden Formkörper schichtweise ausgebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Heizwand zusammen mit dem Formkörper wächst und der Wärmeeintrag an den Formkörper an dessen Schichtdicke anpassbar ist.
  • Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur in der Prozesskammer und/oder in einer Dosierkammer gemessen und die Vorwärmtemperatur der Heizvorrichtung basierend auf der gemessenen Temperatur eingestellt wird, so dass die vorbestimmte Vorwärmtemperatur in dem Material aufrechterhalten und/oder ausgebildet wird.
  • Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens gelöst, wobei die Vorrichtung aufweist, eine Kammervorrichtung mit wenigstens einer Prozesskammer mit einer Bauplatte und einer in ihrer Lage relativ zur Bauplatte veränderbaren Heizvorrichtung, wobei die Lage der Heizvorrichtung in Abhängigkeit von der auf der Bauplatte aufgebrachten Schichtdicke des formlosen Materials einstellbar ist oder die Heizvorrichtung gemeinsam mit dem Formkörper durch Verschmelzen des formlosen Materials aufbaubar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Lage der Heizvorrichtung an den Aufbaufortschritt des Formkörpers anpassbar ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Bauplatte in der Prozesskammer in Baurichtung des Formkörpers verstellbar angeordnet, wobei die Bauplatte wenigstens eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die sich ein Heizelement der Heizvorrichtung hindurch in den Aufbauraum der Prozesskammer hinein erstreckt.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist das Heizelement von einer steuerbaren und/oder regelbaren Positioniervorrichtung gehalten, die abhängig von der aufgebrachten Schichtdicke aus pulverförmigen Material das Heizelement verstellt oder freigibt und in einer neuen Position hält, so dass eine neue Schicht aus pulverförmigen Material stufenfrei aufbringbar ist, und/oder die Positioniervorrichtung und die Bauplatte zueinander beabstandet sind und zwischen denselben eine Dichtung angeordnet ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Bauplatte eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf, in denen eine Mehrzahl von Heizelementen verschiebbar gelagert ist, die mittels der Positioniervorrichtung individuell in Formkörperaufbaurichtung hin und her bewegbar ist, wobei die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen radial, matrixartig und/oder in Spalten und Zeilenform mit konstantem oder unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet ist und/oder nur die Heizelemente verstellt werden, die in Kontakt mit dem Formkörper stehen.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung weist das Heizelement ein Abstandselement auf, das formschlüssig, kraftschlüssig und/oder lösbar an einem Endabschnitt des Heizelements montiert ist, der der Prozesskammer zugewandt ist, wobei das Abstandelement im Wesentlichen das gleiche Material aufweist, aus dem der Formkörper ausgebildet wird, wie beispielsweise Bronze, Nickel, Titan, Kupfer, Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Edelmetall und deren Legierungen und Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen, und andere Metalle und Metalllegierungen, sowie nicht-metallische Materialien, die beispielsweise Keramik und/oder Kunststoff aufweisen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Bauplatte wenigsten eine Ausnehmung auf, in das ein elektrisch leitendes Einsetzelement zum Aufbau des Formkörpers oder der Heizvorrichtung einsetzbar ist, wobei das Einsetzelement für die Heizvorrichtung wenigstens teilweise isoliert ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Einsetzelement im Kontaktbereich mit dem auszubildenden Formkörper gegenüber der Bauplatte nicht elektrisch isoliert, wobei das Einsetzelement außerhalb des Ausbildungsbereichs des Formkörpers elektrisch isoliert ist. Dies hat den Vorteil, dass der elektrische Strom zum Beheizen der Heizvorrichtung nicht in die Bauplatte abgeführt wird. Unter einem Ausbildungsbereich kann hierbei der Grundriss des Formkörpers verstanden werden, auf dem der Formkörper ausgebildet wird. Die isolierten Einsetzelemente bestimmen hierbei bevorzugt den Verlauf der Heizvorrichtung auf der Bauplatte, wobei ein Verschmelzen des formlosen Materials entlang des Verlaufs der isolierten Einsetzelemente zum Ausbilden der Heizvorrichtung erfolgt.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung ist jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten der Bauplatte eine elektrische Stromzufuhrvorrichtung zum Anlegen eines Stromflusses an gegenüberliegenden Endabschnitten der generativ hergestellten Heizvorrichtung ausgebildet. Unter einer Stromzufuhrvorrichtung ist hierbei eine Vorrichtung zu verstehen, die eine elektrische Bestromung der schichtweise ausgebildeten Heizvorrichtung bei jeder neu aufgebauten Schicht der Heizvorrichtung erlaubt.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Kammervorrichtung erfindungsgemäß mit einer Kammervorrichtung für ein Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens mit den Merkmalen nach Anspruch 16 gelöst.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Kammervorrichtung erfindungsgemäß mit einer Kammervorrichtung für ein Verfahren und Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens gelöst, wobei die Kammervorrichtung wenigstens eine Prozesskammer aufweist, in der eine bewegbare Bauplatte angeordnet ist, auf der ein Formkörper ausbildbar ist, wobei die Bauplatte eine Heizvorrichtung aufweist, die in der Bauplatte bewegbar gelagert ist oder die Heizvorrichtung auf der Bauplatte zusammen mit dem Formkörper schichtweise ausbildbar ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Kammervorrichtung weist die Bauplatte wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, in der ein Heizelement der Heizvorrichtung bewegbar gelagert ist.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Kammervorrichtung ist das Heizelement mittels einer Positioniervorrichtung gegenüber der Bauplatte bewegbar, wobei das Heizelement unter Abhängigkeit der aufgebauten Schichtdicke des Formkörpers mittels der Positioniervorrichtung absenkbar ist, und/oder die Heizvorrichtung wenigstens ein zweites Heizelement aufweist, entlang dem die Bauplatte verschiebbar ist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Kammervorrichtung ist benachbart zu der Prozesskammer eine Dosierkammer angeordnet, die eine bewegbare Dosierplatte aufweist, die eine Heizvorrichtung aufweist, wobei die Heizvorrichtung wenigstens ein Heizelement aufweist, dass in einer Durchgangsöffnung der Dosierplatte bewegbar geführt ist und/oder die Dosierplatte entlang dem Heizelement verschiebar ist.
  • Nach einer Ausführungsform der Kammervorrichtung ist in der die Bauplatte eine Mehrzahl von Ausnehmungen ausgebildet, in die Einsetzelemente einsetzbar sind, wobei die Einsetzelemente teilweise elektrisch isoliert sind.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Kammervorrichtung sind die Einsetzelemente thermisch und/oder elektrisch gegen die Bauplatte wenigstens abschnittsweise mit einer elektrischen und/oder thermischen Isolierung isoliert, wobei die Isolierung des isolierten Einsetzelements Keramik, Basalt und/oder Karbon aufweist.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Kammervorrichtung ist in der Bauplatte an zwei gegenüberliegenden Stellen eine Stromzufuhrvorrichtung ausgebildet, die jeweils derart in der Bauplatte angeordnet ist, dass ein in Kontakt mit dem formlosen Material möglich ist, das zum Ausbilden der Heizvorrichtung vorgesehen ist, und oder die Bauplatte eine Stecker-Buchsen-Vorrichtung aufweist, über die die Stromzufuhrvorrichtung mit elektrischen Strom versorgbar ist.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens, der Vorrichtung und der Kammervorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
  • 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kammervorrichtung für eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Formkörpers aus einem formlosen Material, wobei die Kammervorrichtung eine Prozesskammervorrichtung und eine Dosierkammervorrichtung aufweist
  • 2 eine Draufsicht auf die in 1 gezeigten Kammervorrichtung,
  • 3 eine Schnittansicht gemäß der Schnittführung B-B aus 2 der Kammervorrichtung von 1,
  • 4 eine Schnittansicht gemäß der Schnittführung A-A aus 2 der Kammervorrichtung aus 1, wobei zusätzlich schematische eine Laserstrahlvorrichtung zum selektiven Laserschmelzen des formlosen Materials und eine Beschichtungsvorrichtung zum Bereitstellen einer wenigstens abschnittweise mittels der Laserstrahlvorrichtung zu verfestigenden Schicht aus formlosem Material,
  • 5 eine schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Kammervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Prozesskammervorrichtung zusammen mit einer konventionellen Dosierkammervorrichtung,
  • 6 eine Draufsicht auf die in 5 gezeigte Kammervorrichtung,
  • 7 eine Schnittansicht gemäß der Schnittführung C-C der Bearbeitungskammer und der Dosierkammer gemäß 6 der in 5 dargestellten Kammern zusammen mit einer Laserstrahlvorrichtung zum selektiven Laserschmelzen des formlosen Materials und eine Beschichtungsvorrichtung zum Bereitstellen einer wenigstens abschnittweise mittels der Laserstrahlvorrichtung zu verfestigenden Schicht aus formlosem Material, und
  • 8 eine vergrößerte Detailansicht aus 7 gemäß der kreisförmigen Schnittführung X in 7.
  • Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen hinsichtlich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Kammervorrichtung 10 mit einer Prozesskammervorrichtung 3 und einer Dosierkammervorrichtung 2 für eine generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens beschrieben.
  • Zur besseren Orientierung und zum besseren Verständnis ist in den nachfolgenden Figuren jeweils ein positives X-Y-Z-Bezugssystem dargestellt, das die Wirkung und Lage der jeweilige Vorrichtungselemente relativ zueinander angibt, wobei die Z-Richtung im Wesentlichen die Höhe der Vorrichtung, die Y-Richtung die Breite der jeweiligen Vorrichtung und die X-Richtung die Länge der jeweiligen Vorrichtung definiert.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und der erfindungsgemäßen Kammervorrichtung 10 ist es möglich, Spannungsspitzen aufgrund hoher Temperaturgradienten in einem schichtweise, generativ herzustellenden Formkörper 100 zu verhindern, in dem die Temperatur in einer Prozesskammer 30 und/oder einer Dosierkammer 20 der Kammervorrichtung 10 und damit die Temperatur des in dem generativen Fertigungsverfahren zu bearbeiten, schichtweise aufgetragenen, formlosen Materials überwacht und gegebenenfalls auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt wird, wobei dies unabhängig vom verwendeten Material unter Berücksichtigung der vorliegenden Ist-Temperatur des formlosen Materials bzw. ausgebildeten Formkörpers 100 und der jeweils aufgebrachten Schicht erfolgt wobei eine Heizvorrichtung 4 an die sich durch die Schichtauftragung ergebende Konturänderung des Formkörpers 100 angepasst wird.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäße Kammervorrichtung 10 mit einer Laservorrichtung 901, 902 und einer Verteilvorrichtung 903 zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers 100 aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens beschrieben.
  • 1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Kammervorrichtung 10, die eine Prozesskammervorrichtung 3 und eine Dosierkammervorrichtung 2 aufweist.
  • Die Dosierkammervorrichtung 2 weist eine Dosierkammer 20 auf, in der das schichtweise aufzutragende und in der Prozesskammervorrichtung 3 zu bearbeitende bzw. zu verschmelzende formlose Material bevorratet und dosiert wird. Die Dosierkammer 20 wird seitlich von den seitlichen Wandabschnitten der Wandung 24 und in negativer Z-Richtung von einer in Z-Richtung hin und her bewegbaren Dosierplatte 6 begrenzt. Das Volumen der Dosierkammer 20 nimmt mit der Verstellung der Dosierplatte 6 in negativer Z-Richtung zu und nimmt mit Verstellung in positiver Z-Richtung ab.
  • Die Prozesskammervorrichtung 3 weist eine Prozesskammer 30 auf, in der das aus der Dosierkammervorrichtung 2 zugeführte, schichtweise aufgetragene formlose Material mittels einer generativen Fertigungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung 901 mit einem Laserscanner 902, an vorbestimmten Positionen zum Ausbilden eines dreidimensionalen Formkörpers 100 schichtweise verfestigt wird, insbesondere gesteuert oder geregelt nach einem 3-D-Modell.
  • Ferner sind die Prozesskammer 30 und die Dosierkammer 20 seitlich mit einer thermischen Isolierung 12 versehen, um eine Wärmeübertragung auf die angrenzenden Bauteile und Wandungen der Prozesskammervorrichtung und der Dosierkammervorrichtung 3, 2 zu verhindern oder wenigstens abzumindern.
  • Die Prozesskammer 30 wird seitlich von den seitlichen Wandabschnitten 34 und in negativer Z-Richtung von einer in Z-Richtung hin und her bewegbaren Bauplatte 8 begrenzt. Das Volumen der Prozesskammer 30 nimmt mit der Verstellung der Bauplatte 8 in negativer Z-Richtung zu und nimmt mit Verstellung in positiver Z-Richtung ab.
  • In 1 ist zum besseren Verständnis der Funktionsweise einer Heizvorrichtung 4 der Erfindungsgemäßen Kammervorrichtung 10 bereits ein Formkörper 100 dargestellt, der durch ein schichtweises Aufbringen und Verfestigen des formlosem Materials aus der Dosierkammer 20 ausgebildet worden ist.
  • Die Dosierkammervorrichtung 2 und die Prozesskammervorrichtung 3 weisen jeweils separate Heizvorrichtungen 4 auf. Die Heizvorrichtung 4 der Prozesskammervorrichtung 3 weist wenigstens ein Prozesskammerheizelement 43 auf, das relativ zur aufgebauten Schichtdicke und der Bauplatte 8 verschiebbar gelagert ist. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Heizvorrichtung 4 der Dosierkammervorrichtung 2 ein Mehrzahl von Dosierkammerheizelementen 42 und die Heizvorrichtung 4 der Prozesskammervorrichtung 3 ein Mehrzahl von Prozesskammerheizelementen 43 auf.
  • Die Prozesskammerheizelemente 43 der Prozesskammer 30 und die Dosierkammerheizelemente 42 der Dosierkammer 20 sind bevorzugt matrixartig, wie beispielsweise in 2 dargestellt, in Zeilen und in Reinform in der jeweiligen Kammer angeordnet. Die Prozesskammerheizelemente 43 und die Dosierkammerheizelemente 42 können aber auch je nach Gestalt der jeweiligen Kammer 20, 30 auch in anderen Anordnungen, wie beispielsweise radial oder sternförmig, angeordnet sein.
  • Die Prozesskammerheizelemente 42 und die Dosierkammerheizelemente 43 sind vorzugsweise elektrisch betriebene Heizelemente. Die Heizelemente 42, 43 könne aber auch als Heizelemente ausgebildet sein, die einzeln oder gemeinsam mit Wärmeträgern, wie beispielsweise Öl, Heißwasser, Dampf etc. betrieben werden.
  • Die Prozesskammerheizelemente 43 der Prozesskammer 30 sind relativ zu der Bauplatte 8 verschiebbar gelagert, so dass die Erstreckungslänge zb des jeweiligen Prozesskammerheizelements 43 in Z-Richtung einstellbar ist. D. h. das jeweilige Prozesskammerheizelement 43 ist in der Bauplatte 8 verschiebbar gelagert und kann optional relativ zur Oberfläche der Bauplatte 8 in deren Aufbauraum hinein verstellt werden.
  • Die Dosierkammerheizelemente 42 der Dosierkammervorrichtung 2 sind gegenüber der Dosierplatte 7 nur verschiebbar geführt und werden bezüglich der Wandung 21 der Dosierkammervorrichtung 2 stationär von einer Haltevorrichtung 55 an Ort und Stelle gehalten.
  • 2 zeigt eine Draufsicht der in 1 dargestellten Kammervorrichtung 10, aus der die matrixartige Anordnung der Heizelemente 4 der Prozesskammervorrichtung 3 und der Dosierkammervorrichtung 2 ersichtlich ist.
  • Ferner ist sowohl in 1 als 2 die Lage eines bereits ausgebildeten Formkörpers 100 in der Prozesskammer 30 dargestellt, wobei die Prozesskammerheizelemente 43 der Prozesskammervorrichtung 3 um die bereits aufgebrachte Schichtdicke zf des Formkörpers 100 abgesenkt worden sind.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Prozesskammerheizelemente 43, die mit dem Formkörper 100 bzw. die mittels eines Laserstrahls zu verfestigten Schichten, in Kontakt stehen nach jedem Verfestigungsschritt um die jeweilige Höhe der aufgebauten Schichtdicke zf1 abgesenkt, so dass wieder eine plane Ebene zum Ausbilden einer neuen Schicht ausbildbar ist. Die ursprüngliche Lage der Prozesskammerheizelemente 43, die nicht in Kontakt mit dem Formkörper 100 sind, wird beibehalten.
  • Dies gilt auch für die Dosierkammerheizelemente 42. Die Dosierkammerheizelement 42 sind in einer nicht dargestellten Ausführungsform wie die Prozesskammerheizelemente 43 verschiebbar gelagert, wobei die jeweilige Position der Dosierkammerheizelement 42 mit einer Klemmvorrichtung (nicht dargestellt) gehalten und verstellt werden kann.
  • Bevorzugt werden nur die Prozesskammerheizelemente 43 in negativer Z-Richtung weg von dem Aufbauraum verlagert, mit denen der Grundriss des Formkörper 100 in Kontakt steht, wobei diese Prozesskammerheizelemente 43 konturgetreu gemäß der bodenseitigen Gestalt des Formkörpers verlagert werden. Somit wird hiermit eine der unteren Formkörperkontur des auszubildenden Formkörpers 100 folgende Verlagerung der Prozesskammerheizelemente 43, die in z-Richtung mit den Formkörper 100 in berührenden Kontakt stehen, und des daran angrenzenden Pulverbettes aus formlosem Material gewährleistet. Dies erlaubt eine genauere und geregelte Beheizung von vorbestimmten Abschnitten des Formkörpers 100 bzw. der Prozesskammer 30.
  • Die nicht verschobenen seitlich zu dem Formkörper 100 angrenzenden Prozesskammerheizelemente 43 erwärmen zusätzlich den Formkörper 100 auch an den der Bodenseite seitlichen angrenzenden Seitenflächen und das dem Formkörper 100 angrenzende Pulverbett aus formlosen Material. Hiermit wird sichergestellt, dass eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur in der Prozesskammer 30 bzw. dem darin angeordneten Material aufrechterhalten wird und ein zu schnelles und ungewolltes Abkühlen des Formkörpers 100 vermieden werden kann, wenn kein Wärmeeintrag aus dem Laserstrahl 90 in das zu verfestigende, formlose Material erfolgt.
  • Ferner zeigt 2 unterschiedliche Schnittführungen, deren Schnittansichten jeweils in 3 und 4 gezeigt ist.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Prozesskammervorrichtung 3 gemäß der Schnittführung B-B aus 2 und 4 zeigt eine Längsschnittansicht durch die Kammervorrichtung 10 gemäß der Schnittführung A-A aus 2.
  • Die Prozesskammer 30 ist über eine Seitenlasche 33 mittels einer lösbaren Schraubverbindung 80 an einem oberen Endabschnitt der Umfangsseitenwand 31 der Prozesskammervorrichtung 3 lösbar montiert.
  • Die Seitenlasche 33 erstreckt sich umfänglich und mit einem vorbestimmten Abstand von der Prozesskammer 30 weg und weist die Seitenwandungen 33 auf, die sich über eine vorbestimmte Länge parallel entlang der Innenseite der Wandungen 31 der Prozesskammervorrichtung 3 erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform sind die Seitenwandungen 33 mit einer thermischen Isolierschicht 12 und Temperatursensoren 11 versehen.
  • Mit den Temperatursensoren 11 wird die jeweilige Temperatur in unterschiedlichen Höhenabschnitten in Z-Richtung, insbesondere im Außenebereich der Prozesskammer 30 erfasst.
  • Mittels einer Steuerungs– und/oder Regelungsvorrichtung (nicht dargestellt) wird die gemessene Ist-Temperatur in der Prozesskammer 30 bzw. des darin vorliegenden Materials sowohl in der Prozesskammer 30 und der Dosierkammer 20 erfasst und per Soll-Ist-Vergleich mit einer vorbestimmten Vorwärmtemperatur verglichen. Die Vorwärmtemperatur wird abhängig vom verwendeten formlosen Material eingestellt. Bei dem formlosen Material handelt es sich bevorzugt um ein pulverförmiges, metallisches Material, das mittels Laserstrahl verfestigt werden kann, wie beispielsweise Bronze, Nickel, Titan, Kupfer, Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Edelmetall und deren Legierungen und Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen, und andere Metalle und Metalllegierungen. Es können jedoch auf nicht-metallische formlose Materialien, die Keramik oder Kunststoff aufweisen, verwendet werden.
  • Die thermische Isolierung 12 ist sowohl in der Wandung 34 der Prozesskammer 30 als auch in der Wandung 24 der Dosierkammer 20 ausgebildet. Hiermit wird eine unerwünschte Wärmeeinwirkung an umliegende Vorrichtungskomponenten, wie Antriebe, Führungen, etc. vermieden.
  • Die Wandungen 33 der Prozesskammer 30 definieren einen im Querschnitt im Wesentlichen rechteckigen Durchgangsraum, in dem die Bauplatte 8 in Richtung der Formkörperaufbaurichtung des Formkörpers 1 verschiebbar gelagert ist.
  • Die Bauplatte 8 ist, wie mit dem Doppelpfeil Z schematisch angezeigt, hin und her bewegbar. Die Bauplatte 8 ist mit einer Arbeitsplatte 6, wie beispielsweise einer Schraubverbindung, lösbar verbunden, so dass auch unterschiedliche formlose Materialien aus unterschiedlichen Werkstoffen verwendet werden können, da das Material der Bauplatte 8 aus dem gleichen Material wie der auszubildende Formkörper 100 bestehen sollte.
  • Die Bauplatte 8 ist über ein Hubgetriebe in positiver und negativer Z-Richtung in dem Durchgangsraum der Prozesskammervorrichtung hin und her bewegbar.
  • Die Arbeitsplatte 6 ist über eine Stütze 114 mit einer Montageplatte 113 lösbar verbunden, die gegen eine Hubplatte 112 mittels einer elektrischen und/oder thermischen Isolierung 13 elektrisch und/oder thermisch isoliert ist, wie beispielsweise mittels einer Platte, die Keramik aufweist. Die Hubplatte 112 ist über eine Hubstange 111 in der Formkörperaufbaurichtung Z um die jeweils aufgebrachte Schichtdicke höhenverstellbar, insbesondere absenkbar.
  • Wie aus 4 ersichtlich weist das Hubgetriebe für die Bauplatte 8 und die Dosierplatte 7 jeweils eine Hubstange 111 auf, die in Z-Richtung schichtweise verfahrbar ist, an deren Endabschnitt, der der jeweiligen Kammer zugewandt ist, mit der Hubplatte 112 versehen ist, auf der eine elektrisch isolierende Schicht 113 montiert ist, um eine Montageplatte 113 von der Hubplatte 112 elektrisch zu isolieren. An der Montageplatte 113 ist eine Stütze 114 lösbar montiert, die die Arbeitsplatte 6 mit einem festen Abstand zu der Prozesskammer 30 bzw. in der Dosierkammer 20 hält. An der Arbeitsplatte 6 ist jeweils die Bauplatte 8 bzw. die Dosierplatte 7 austauschbar montiert. Angrenzend zu der Arbeitsplatte 6 seitlich an der Stütze 114 ist eine Dichtungsplatte 14 vorgesehen, die ein Austreten von Pulvermaterial bzw. formlosen Material aus der jeweiligen Kammer 20, 30 hin zu der Hubplatte 112 verhindert.
  • Die Prozesskammerheizelemente 43 weisen an ihren Endabschnitten Abstandselemente 40 auf, die bevorzugt aus demselben Material wie das Material sind, aus dem Formkörper 100 aufgebaut wird. Dasselbe gilt für die Bauplatte 8, die beispielsweise, wenn der Formkörper 100 aus einem Aluminiumpulver hergestellt wird, ebenfalls aus Aluminium ausgebildet ist, um den Aufbauprozess zu ermöglichen und zu vereinfachen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Abstandselemente als Abstandkappen 40 ausgebildet, die formschlüssig auf die Endabschnitte der Prozesskammerheizelemente 43 aufsteckbar sind. Die Abstandskappen 40 sind hierbei notwendig, um eine stoffliche Verbindung der Heizelemente mit dem Formkörper zu verhindern. Die Abstandskappen 40 erleichtern das Demontieren des endgültig ausgebildeten Formkörpers 100. Das Abstandselement 40 kann auch auf andere Weise an dem Endabschnitt des Prozesskammerheizelements 43 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder lösbar montiert sein.
  • Sowohl die Bauplatte 8 als auch die Arbeitsplatte 6 weisen ein zueinander komplementäres Lochmuster auf, durch das sich die jeweiligen Heizelemente 43 hindurch erstrecken und hierdurch geführt werden und verschiebbar gehalten sind, wie sich dies aus der Zusammenschau der 2, 3 und 4 ergibt. Die Lage und Position der Prozesskammerheizelemente 43 ist über eine Positioniervorrichtung 5 einstellbar ist.
  • Die Positioniervorrichtung 5 ist in der dargestellten Ausführungsform eine Klemmvorrichtung 5 Bevorzugt ist die Klemmvorrichtung 5 mittels eines Stellmotors 51 derart einstellbar, dass durch die Gewichtskraft, die durch das erzeugte Formkörperelement 100 erzeugt wird, die Heizelemente 43, die in Kontakt mit dem Formkörper 100 oder dessen Schicht stehen, gemäß der Höhe und/oder von der von der neuen Schichtdicke des Formkörperelements 100 aufgebrachten Gewichtskraft in ihrer Position derart verschoben werden, bis die Schichtdicke des Formkörperelements 100 wieder bündig mit der Oberkante der Prozesskammer 30 ist, so dass eine neue Schichtfolge aus formlosem Material für eine weitere, wenigstens teilweisen Verfestigung dieser Schicht aufgebracht werden kann.
  • Zusätzlich oder ausschließlich können zu der einer mechanischen Klemmvorrichtung 5 entsprechende elektrisch angetriebene Stellmotoren, wie ein Schneckengetriebe mit steuer- und/oder regelbarem Antrieb, vorgesehen werden, die das jeweilige Heizelement 43, das in Kontakt mit dem Formkörper bzw. dessen Schicht steht, entsprechend der aufgebrachten Schichtdicke absenken, um das der Formkörper 100 schichtweise ergänzt wird/wurde. Die Steuerung der jeweilig abzusenkenden Heizelemente 43 erfolgt mit Hilfe eins computergenerierten 3D-Modells des auszubildenden Formkörpers 100, aus dem sich der erforderliche Betrag zum Absenken des jeweiligen Heizelements 43 ergibt. Dies kann in einer anderen Ausführungsform über Meßsensoren zur Messung der Lage der Schichtdicke überprüft und gegebenenfalls nachgeregelt werden.
  • Wie aus 3 ersichtlich, werden nur die Prozesskammerheizelement 4 abgesenkt, auf denen der Formkörper 100 ausgebildet wird, um beispielsweise einen im Querschnitt L-förmigen Formkörper 100 auszubilden. Abhängig von Grundriss und der Schichtdicke des Formkörpers 100 werden nur die mit dem Formkörper 100 in Kontakt stehenden Prozesskammerheizelement 4 abgesenkt.
  • Die Dosierkammervorrichtung 2 ist im Wesentlichen baugleich zu der Prozesskammervorrichtung 3, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Prozesskammerheizelemente 43 bezüglich der Bauplatte 8 verlagerbar und/oder verschiebbar sind und von der Klemmvorrichtung 5 verlagerbar bzw. verschiebbar gehalten werden.
  • Bei der Dosierkammervorrichtung 2 sind die Dosierkammerheizelemente 42 an Ort und Stelle fest gehalten, wobei lediglich die Dosierplatte 7 entlang der Dosierkammerheizelemente 42 verschiebbar gelagert ist, wobei die Prozesskammerheizelemente 43 ihre Position nicht ändern.
  • Ferner ist die Prozesskammer 20 und die Dosierkammer 30 sowie deren Hubgetriebe für die Bauplatte 8 und die Dosierplatte 7 jeweils baugleich ausgebildet und die Prozesskammer 3 und die Dosierkammern 20 sind jeweils mit ihrer umlaufenden Wandung 24, 34 über die Seitenlaschen an der Wandung 31, 21 befestigt.
  • In 4 ist eine Schnittansicht der Kammervorrichtung 10 gemäß der Schnittführung B-B aus 2 dargestellt.
  • Angrenzend zu der Prozesskammervorrichtung 3 ist die Dosierkammervorrichtung 2 angeordnet, wobei die jeweiligen Oberflächen, die benachbart zu der Dosierkammer 20 bzw. der Prozesskammer 30 der jeweiligen Wandungen 21, 31 der Dosierkammervorrichtung 2 und der Prozesskammervorrichtung 3 positioniert sind, stufenlos gegeneinander anschließen, so dass mittels einer Verteilvorrichtung 903, beispielsweise ein Rakel, eine vorbestimmte Schichtdicke aus formlosem Material aus der Prozesskammer 20 hinzu und auf der Bauplatte 8 der Prozesskammervorrichtung 3 mit einer vorbestimmten Schichtdicke aufgebracht und verteilt werden kann. Die zuvor aufgetragene Schicht wird an vorbestimmten Positionen gemäß eines 3D-Modells mittels der Schmelzvorrichtung aus einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung 901 und einer Laserablenkvorrichtung 902 verfestigt, um schichtweise den Formkörper 100 auszubilden.
  • Die Dosierkammervorrichtung 2 weist wie die Prozesskammervorrichtung 3 eine Tragstruktur aus Wandungen 21 auf, in der die Dosierplatte 7 in Z-Richtung verschiebbar angeordnet ist.
  • Die Dosierplatte 7 ist in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel lösbar an der Arbeitsplatte 6 montiert, die über eine Stützsäule 114 mit einer Hebeplatte 112 verbunden ist, die über eine Hebestange 111 in Z-Richtung um eine vorbestimmte Schichthöhe aus dem in der Dosierkammer 20 gelagerten formlosen Material verstellbar ist.
  • Die Dosierplatte 7 ist wie Bauplatte 8 über eine Schraubverbindung 80 mit der Arbeitsplatte 6 lösbar verbunden, so dass die Dosierplatte 7 je nach verwendetem formlosem Material und/oder nach einer gewissen Benutzungszeit ausgewechselt werden kann.
  • Sowohl die Bauplatte 8 als auch die Dosierplatte 7 weisen Durchgangsöffnungen 88, 77 zum Führen bzw. Halten der jeweiligen Heizelemente 42, 43 auf. In der Arbeitsplatte 6 und in der Platte der Positioniervorrichtung 5 sind ebenfalls Durchgangsöffnungen zum Führen bzw. Halten der Heizelemente 42, 43 komplementär zu der Position der Durchgangsöffnungen 88, 77 in der Bauplatte 8 bzw. der Dosierplatte 7 ausgebildet.
  • Die Dosierkammer 20 wird von den Wandungen 24 und der Dosierplatte 7 definiert, wobei das Volumen der Dosierkammer 20 durch ein Verstellen der Dosierplatte 7 variabel einstellbar ist. Die Verteilvorrichtung 903 führt eine vorbestimmte Menge des formlose Material zur Prozesskammer 30, und glättet das formlose Material auf eine vorbestimmte Schichtdicke, die dann an vorbestimmten Positionen von der Laserstrahlvorrichtung 901, 902 zum Ausbilden einer Schicht des 3D-Formkörpers 100 verfestigt wird.
  • Die Wandungen 24 der Dosierkammer 20 sind wie die Wandungen 34 der Prozesskammer 30 mit einer thermischen Isolierung 12 und mit Thermosensoren 11 versehen.
  • Optional sind die Wandungen 22 auf der Seite, die der Wandung 21 der Dosierkammervorrichtung 2 zugewandt sind, zusätzlich mit Kühlkanälen 70 versehen, um eine zu starke Erwärmung der angerenzenden Bauteile an die Kammervorrichtung 10 zu verhindern und eine entsprechende Temperierung durchführen zu können.
  • Derartige Kühlkanäle 78 sind optional auch in den Wandungen 34 der Prozesskammer 30 ausgebildet.
  • Die in 4 gezeigten Kühlkanäle 78 der Prozesskammer 30 und der Dosierkammer 20 sind nicht obligatorisch und können bei einer anderen Ausführungsform der Kammervorrichtung 10 bei der Prozesskammer 30 und/oder der Dosierkammer 20 entfallen.
  • Mittels der Temperatursensoren 11 wird die Heizleistung der Heizelemente 4, 24 zum Erwärmen des in der Dosierkammer 20 gelagerten formlosen Materials kontrolliert, um das formlose Material auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur vorzuwärmen und auf dieser Vorwärmtemperatur zu halten.
  • Optional kann zusätzlich in der Dosierplatte 7 ein zusätzlicher Temperatursensor (ohne Bezugszeichen) bereitgestellt werden, um zusätzlich zu der seitlichen Temperaturerfassung in den Wandungen der jeweiligen Kammern 20, 30 auch eine Temperaturerfassung auf der Bodenseite der Dosierplatte 7 zu erhalten.
  • Dieser zusätzliche Temperatursensor kann auch in der Bauplatte 8 der Prozesskammervorrichtung 3 zur Verbesserung der Temperaturerfassung in der Prozesskammer 30 vorgesehen werden.
  • In den 5 bis 8 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kammervorrichtung 10 in unterschiedlichen Ansichten dargestellt.
  • Ein wesentlicher Unterschied zu der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kammervorrichtung 10 ist, dass die Heizvorrichtung 4 an einer anderen Position bezüglich der Bauplatte 8 angeordnet ist und zusammen mit dem Formkörper 100 schichtweise aufgebaut wird. Außerdem weist die Bauplatte 8 der zweiten Ausführungsform keine Durchgangsöffnungen zum Aufnehmen von Heizelementen 4 sondern Ausnehmungen 81 auf, in die Einsetzelemente 70, 71 formschlüssig einsetzbar sind, die unterschiedliche elektrische Stromführungseigenschaften aufweisen.
  • Die Bauplatte 8 der zweiten Ausführungsform der Prozesskammervorrichtung 3 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 81 auf, die bevorzugt sacklochartig ausgebildet sind, und einen vorbestimmten konstanten Durchmesser aufweisen, so dass hierin elektrisch leitende, zylindrisch geformte Einsetzelemente 70, 71 lösbar eingesetzt werden können, die abhängig von der Position zu dem Grundriss des schichtweise auszubildenden Formkörpers 100 und der schichtweise auszubildenden Heizvorrichtung 4, beispielsweise eine Heizwand 19, mit oder ohne einer elektrischen Isolierung gegen die Bauplatte 8 versehen sind.
  • Die schichtweise auszubildende Heizwand 19 kann vollflächig oder mit Ausnehmungen und/oder Durchgangsöffnungen, beispielsweise wandartig oder gitterartig, ausgebildet werden. Wesentlich ist hierbei, dass ein elektrischer Stromfluss zwischen in der Bauplatte 8 vorhandenen Stromzuleitungen 50, 60 über die Heizwand 19 wenigsten abschnittsweise möglich ist. Zur Vergrößerung der Heizfläche kann die Heizwand 19 auch einen zick-zackartigen Verlauf in X-Y-Richtung (Länge und Breite) aufweisen. Außerdem können zur Verbesserung der Heizleistungen eine Mehrzahl von Heizwänden 19 ausgebildet werden, die beispielsweise den Formkörper 100 beabstandet umlaufen.
  • Die Einsetzelemente 71 zum Aufbauen der generativ auszubildenden Heizvorrichtung 4 bzw. Heizwand 19 weisen einen Kern 72 aus einem elektrischen Strom leitenden Material auf und sind gegen die Ausnehmungen 81 in der Bauplatte 8 mit einer elektrischen Isolierung 73 teilweise isoliert. Die Einsetzelemente 70 zum generativen Aufbauen des Formkörpers 100 sind nicht gegen die Bauplatte 8 isoliert, sondern stehen in einem direkten elektrische leitenden Kontakt mit der Bauplatte 8.
  • In den Ausnehmungen der Bauplatte 8, die bevorzugt aus zumindest demselben Material wie das formlose Material ist, werden zum Ausbilden des Formkörpers 100 und zum Ausbilden der generativ hergestellten Heizwand 19 jeweils die Einsatzelemente 70 und 71 eingesetzt.
  • Das Einsatzelement 70 für den Formkörper ist aus einem Material, das dem Material des formlosen Materials entspricht, und weist keine zusätzliche Isolierung auf, wobei das Einsetzelement 71 zum Ausbilden der generativen Heizvorrichtung 4, einen Kern 72 aufweist, der dem Material des formlosen Materials entspricht, aber auf allen Seiten, bis auf der Seite, die der auszubildenden Heizung zugewandt ist, und mit einer Isolierung 73 versehen ist. Die Isolierung 73 ist eine elektrische Isolierung, was im Detail in einer vergrößerten Schnittansicht X in 8 dargestellt ist. Die einstückig und durchgängig aus einem Material ausgebildeten Einsetzelemente 70 sind ohne Isolierung werden vorab in dem Bereichen eingesetzt, wo die Sockelgrundfläche bzw. Stützstrukturen für den Formkörper 100 generativ aufgebaut werden.
  • Die Bauplatte 8 ist über eine universelle Steckverbindung 300, 310 für eine elektrische Verbindung der elektrischen Stromzufuhrvorrichtung 50 und 60 an einer Arbeitsplatte 6 lösbar montiert, so dass eine elektrische Stromverbindung zu einem in der Bauplatte 8 integriertem Leitungssystem (nicht dargestellt) von der Stromzufuhrvorrichtung 50, 60 herstellbar ist.
  • Die Bauplatte 8 der zweiten Ausführungsform der Prozesskammervorrichtung 3 weist neben der Mehrzahl von Ausnehmungen 81 an ihrem jeweiligen Umfangsrand eine erste Stromzufuhrvorrichtung 50 und eine zweite Stromzufuhrvorrichtung 60 auf, die an vorbestimmten Abschnitten voneinander beabstandet sind, um einen elektrischen Stromfluss zwischen den Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 und einer auf der Bauplatte 8 aufgebrachten formlosen Materialschicht bereitstellen zu können. Bei der jeweiligen Stromzufuhrvorrichtung 50, 60 kann es sich beispielsweise um eine C-förmige Stromschiene handeln, wie in 6 in der Draufsicht gezeigt. Die erste Stromzufuhrvorrichtung 50 und eine zweite Stromzufuhrvorrichtung 60 sind gegensätzlich gepolt und können sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom betrieben werden.
  • Die eine erste Stromzufuhrvorrichtung 50 und eine zweite Stromzufuhrvorrichtung 60 der Bauplatte 8 sind gegenüberliegende in der Bauplatte 8 in einer Ausnehmung angeordnet, und an der Unterseite und an beiden Seite gegen die Bauplatte 8 U-förmig elektrisch isoliert, wobei der nicht isolierte Bereich mit seiner Oberfläche bündig mit der gedachten Ebene der Bauplatte 8 abschließt, so dass ein elektrischer Stromfluss mittels der aufgebrachten Schichtdicke durch das verschmolzene Material, welches vorher formlos war, möglich ist und das Rakel 903 bei der Verteilung des formlosen Materials durch die Stromzufuhrvorrichtung 50, 60 nicht behindert wird.
  • Wie in 5 und 6 dargestellt, ist der von der ersten Stromzufuhrvorrichtung 50 und der zweite Stromzufuhrvorrichtung 60 begrenzte Bereich der Bauplatte 8 sehr engmaschig, d. h. zeilen- und spaltenartig eng benachbart zueinander, mit den Ausnehmungen 81, bevorzugt Sacklochbohrungen, versehen, in die die Isolier-Einsetzelemente 71 parallel zur Kontur des zu fertigenden Formkörpers 100 bzw. individuell zur benötigten Tragstruktur für die generative auszubildende Heizvorrichtung 4 eingesetzt werden können. Die massiven nicht isolierten Einsetzelemente 70 werden in den Ausnehmungen 81 eingesetzt, wo die Sockelgrundfläche bzw. Stützstrukturen für den Formkörper 100 generativ aufgebaut werden soll.
  • Die Heizvorrichtung 4 ist hierbei also eine schichtweise ausgebildete Heizwand 19, die zusammen in Formkörperhöhe mit dem Formkörper 100 wächst, wobei durch die Stromschienen 50, 60 in der Heizwand 19 ein Heizwiderstand erzeugt wird, der dafür sorgt, dass der benachbarte Formkörper 100 und das angrenzende formlose Material auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt wird.
  • Mit anderen Worten wird mit dem Formkörper 100 zeitgleich eine dünnwandige Heizwand 19, die die Heizvorrichtung 4 ausbildet, konturnah aber seitlich beabstandet zum Formkörper 100, schichtweise generiert.
  • Die Heizwand 19 mit der Funktion der Beheizung des Pulvers bzw. des Formkörpers 100 mittels elektrischen Stroms wird so ausgebildet, dass die beiden Endabschnitte der Heizwand 19 auf den bestrombaren Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 generiert werden können. Um sicherzustellen, dass der elektrische Strom nicht direkt über die Bauplatte 8 geleitet wird, sondern nur durch die Heizwand 19, wird der schichtweise, generative Aufbau der Heizwand 19 nur auf der jeweiligen Stromzufuhrvorrichtung 50, 60 und auf den Isoliereinsetzelementen 71 durchgeführt.
  • Die Beheizung mit der hierbei generativ ausgebildeten Heizwand 19 erfolgt nach dem Prinzip des Widerstandsheizverfahrens über die seitlich an der Bauplatte 8 eingelassenen Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60, so dass ein Stromfluss von der einen Stromzufuhrvorrichtung 50, 60 zu der anderen Stromzufuhrvorrichtung 60, 50 zum Beheizen des in der Prozesskammer 30 vorhandenen formlosen und geschmolzenen Materials erfolgt, um eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur dieses Materials aufrechtzuerhalten, so dass Spannungsspitzen vermieden werden können.
  • Da das formlose Material durch die in dem Porenraum des formlosen Materials eingeschlossenen Luft einen viel höheren elektrischen Widerstand hat als die generativ aufgebaute Heizwand 19 fließt der elektrische Strom im Wesentlichen nur durch die Heizwand 19. Wegen der elektrischen Verbindung, die durch eine Bestromung der beiden Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 erfolgt, fließt ein elektrischer Strom durch die jeweils gerade generierte Schicht der Heizwand 19, die dem elektrischen Strom einen Widerstand bietet und sich somit erwärmt. Der erforderliche elektrische Strom wird mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung so eingestellt, dass sich eine definierte vorbestimmte Vorwärmtemperatur im Prozessraum 30 einstellt. Für die Regelung der elektrischen Stromzufuhr an die Stromzufuhrvorrichtungen 50,60 wird hierbei ein Soll-Ist-Vergleich mit der gegenwärtigen Ist-Temperatur im Prozessraum 30 und der vorbestimmten Vorwärmtemperatur durchgeführt, wobei die Ist-Temperatur-Erfassung mittels der Temperatursensoren 11 erfolgt.
  • Die Wandung 31 der Prozesskammervorrichtung 3 definiert auch den Raum der Prozesskammer und kann mit einem umlaufenden Kühlkanal 70 versehen sein (wie in 7 dargestellt), um eine Erhitzung der angrenzenden Vorrichtungen, wie beispielsweise der Dosierkammervorrichtung 200, zu vermeiden oder wenigstens abzumildern, da üblicherweise diese Wandung 31 aus wärmeleitenden Materialien, wie beispielsweise Metall, ausgebildet sind.
  • Zusätzlich ist die Innenseite der Wandung 31, die der Hubstange 111 zugewandt ist, mit einer thermischen Isolierung 12 versehen, wobei in der Isolierung zusätzlich in Z-Richtung der Prozesskammervorrichtung 3 zueinander beabstandete Temperatursensoren 11 vorgesehen sind, über die der Ist-Temperaturzustand des in der Prozesskammer 30 vorliegenden Materials (formloses Material, Formkörper 100) ermittelt wird.
  • Zusätzlich zu den Temperatursensoren 11 können entsprechend verlegte Sensoren in der Bauplatte 8 vorgesehen werden, um eine genaue Temperaturerfassung der Ist-Temperatur in der Prozesskammer 30 ermitteln zu können, so dass die Vorwärmtemperatur exakt über die generativ ausgebildete Heizvorrichtung 19 auf eine bestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt werden kann.
  • 7 zeigt in einer schematischen Schnittansicht gemäß der Schnittführung C-C aus 7 eine erfindungsgemäße Kammervorrichtung 10 zusammen mit einer Laserschmelzvorrichtung mit einer Lasererzeugungsvorrichtung 901 und einem Laserscanner 902 zum gezielten Ausrichten eines Laserstrahls 90, mit dem eine mittels der Verteilvorrichtung 903 aufgebrachte formlose Materialschicht an vorbestimmten Positionen verschmolzen wird, um den Formkörper 100 auszubilden.
  • Bei der in 7 gezeigten Dosierkammervorrichtung 200 sind keine zusätzlichen Heizvorrichtungen in Form von Heizelementen 4 für den Dosierraum 20 vorgesehen. Der Dosierraum 20 kann aber auch mit den Heizelementen 4 und dem Dosierraum 20 der ersten Ausführungsform versehen werden.
  • Die Dosierkammervorrichtung 200 weist lediglich Wandungen 21 auf, wobei auf der Seite der Wandung, die der Dosierplatte 7 zugewandt ist zusätzlich isolierende Materialschichten 12 vorgesehen sind, die mit Temperatursensoren 11 versehen sind.
  • Ferner ist der Abschnitt der Wandung 21, die der Außenseite der Dosierkammervorrichtung 200 zugewandt ist, mit Kühlkanälen 70 versehen, um eine Temperierung der Dosierkammervorrichtung 200 und eine Wärmeübertragung an angrenzende Vorrichtungen zu verhindern oder auszuschließen. Die Kühlkanäle 78 sind jedoch nur optional und können auch weggelassen werden.
  • Die Verteilervorrichtung 903 in Form eines Rakels ist in ihrer Verteilposition gezeigt. Das Rakel 903 ist zwischen der Dosierkammervorrichtung 200 und der erfindungsgemäßen Prozesskammervorrichtung 3 zum Ausbilden einer durch den Laserstrahl teilweise zu verfestigten Schichtlage verfahrbar und glättet die in der Prozesskammer 30 überführte Schichtlage aus formlosem Material, wie auch in der ersten Ausführungsform.
  • 8 zeigt eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Eckabschnitts der erfindungsgemäßen Prozesskammervorrichtung 3 an einer seitlichen Stelle der Bauplatte 8 der Prozesskammer 30. Die Bauplatte 8 ist über eine Steckerbuchsenverbindung 300, 310 kraft- und formschlüssig mit der unter der Bauplatte 8 angeordneten Arbeitsplatte 6 verbunden, die an ihrem seitlichen Randabschnitt eine Pulverisolierung 13 und einen lösbaren Rahmen 130 zum Sichern der Pulverisolierung 13 aufweist.
  • Zur Abdichtung und elektrischen Isolierung kann in der Arbeitsplatte 6 auch eine umlaufende Dichtungen 13 vorgesehen, wobei die Dichtung 13 die Bauplatte gegen das formlose Material, das bevorzugt pulverförmig ist, abdichtet, so dass kein formloses Material bzw. pulverförmiges Material in den Hubraum der Hubstange 111 gelangen kann. Die Dichtung 13 wird von einem umlaufenden Rahmen 130 oder einer Fixierschiene gesichert.
  • In der Arbeitsplatte 6 ist eine elektrische Leitung 52 ausgebildet, über die der elektrische Strom für die generativ auszubildende Heizvorrichtung 4, 19 zugeführt wird. Die elektrische Leitung 52 ist elektrisch mit einer Buchse 310 verbunden, in die ein Stecker 300 lösbar einsteckbar ist, der über eine elektrische Leitung 52 mit der Stromschiene 60 verbunden ist. Es sind jedoch auch andere elektronische Kopplungs-Verbindungen zum Erstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der Stromschiene 60 der Bauplatte 8 möglich. Beispielsweise können gegenüberliegende Kontaktschienen in der Bauplatte 8 und der Arbeitsplatte 6 vorgesehen sein, wobei eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung durch eine lösbare Schraubverbindung erzielt wird.
  • Die Hubstange 111 ist ein Teil des Hubgetriebes, das die Arbeitsplatte 6 und somit die Bauplatte 8 in eine bestimmte Position versetzt, bevorzugt jeweils um eine Schichtdicke aus aufgebrachten, formlosen Material, wobei dies über eine Regel- und/oder Steuerungsvorrichtung erfolgt.
  • Die Bauplatte 8 weist, wie in 8 dargestellt, nebeneinander ausgebildete Ausnehmungen 81 auf, die teilweise einen regelmäßigen und aber auch unregelmäßigen Abstand zueinander aufweisen.
  • In einer Schienen-Ausnehmungen ist die Stromschiene 60, 50, teilweise umgeben von einer elektrischen Isolierung 61, eingebettet.
  • In die zur Mitte der Bauplatte 8 angeordneten Ausnehmungen werden je nach Gestalt und Lage des auszubildenden Formkörpers 100 nicht isolierte Einsetzelemente 70 eingesetzt.
  • Für die Ausbildung der Heizvorrichtung bzw. Heizwand 19 werden elektrisch leitfähige, aber seitlich isolierte Einsetzelements 71 eingesetzt, die gegen die Wandung der Ausnehmung 81 elektrisch isoliert sind, um zu verhindern, dass der Stromfluss direkt durch die Bauplatte 8 geht bzw. der Stromfluss nicht zwischen den Stromschienen 60 und 50 entlang der vorgesehenen Heizwand 19 erfolgt. Außerdem wirkt die Isolierung 73 des Einsetzelements 71 auch als thermische Isolierung gegen die Bauplatte 8, um einen Wärmeabfluss aus der Heizwand 19 zu vermeiden. Die Isolierung 73 weist ein keramisches Material auf. Es sind jedoch auch andere Materialien möglich, wie z. B. auf Glas, Basalt und/oder Karbon basierende Isolierungen, die sowohl eine elektrische als auch eine thermische Isolierung ermöglichen.
  • Durch die isolierten Einsetzelemente 71 findet ein Stromfluss nur an der Oberfläche der Bauplatte statt, so dass der dort ausgebildete Heizwandabschnitt 19 durch den über die Stromschienen 50, 60 aufgebrachten Strom und den ausgebildeten elektrischen Widerstand in dem Heizwandabschnitt 19 den Formkörper 100 und das darin bereits aufgebrachte formlose Material auf der Vorwärmtemperatur erwärmt bzw. aufrechterhält.
  • Für den Formkörper 100 werden unisolierte Einsetzelemente 71 in einem Bereich in den Ausnehmungen 81 eingesetzt, der die Gestalt der Grundfläche des Formkörpers abdeckt, um den Formkörper 100 schichtweise auszubilden.
  • Die Einsetzelemente 70 weisen eine komplementäre Querschnittsform zu den Ausnehmungen 81 in der Bauplatte 8 auf, so dass diese bevorzugt formschlüssig lösbar in den Ausnehmungen 81 der Bauplatte 8 montierbar sind. Je nach Gestalt des Formkörpers 100 und der Lage der generativen Heizvorrichtung 4, 19 werden entsprechend des Verlaufs der generativ ausgebildeten Heizvorrichtung 4 und der Grundfläche des Formkörpers entweder die isolierten Einsetzelemente 71 und die unisolierten Einsetzelemente 70 in die entsprechenden Ausnehmungen 81 gesetzt, so dass einerseits der Formkörper 100 und andererseits eine generative ausgebildete Heizvorrichtung 19 zwischen den Stromschienen 50, 60 ausgebildet werden kann.
  • Dass es zu einer Ausbildung der generativen Heizvorrichtung 19 zwischen den Stromschienen kommt, setzt voraus, dass der Formkörper 100 bzw. der hierfür zu verwendende unisolierte Einsetzkörper 70 einen Mindestabstand zur benachbarten oder angrenzenden Stromschiene hat, wie es im Detail in 8 dargestellt ist.
  • Die Lage eines möglichen Formkörpers 100 ist in Strichlinien dargestellt, wobei der Mindestabstand des Außenumfangs des Formkörpers 100 zur Stromschiene 60 mit d1 gekennzeichnet ist.
  • Abhängig von den Abmessungen der Ausnehmung 81 bzw. dem einzusetzenden Einsetzelement 71 ergibt sich hierbei ein Mindestmaß des Mindestabstandes d1, wobei der Abstand des Mindestmaßes sich aus dem Abstand zwischen der Isolierung 61 der Stromschiene 60 und der Isolierung 73 eines übernächsten Isolier-Einsetzelements 71, das benachbarten zu der Stromschiene 60 ist, ergibt. Das heißt, zwischen dem Formkörper 100 und der Stromschiene muss mindestens ein isolierter Einsetzkörper 71 angeordnet sein, um einen elektrischen Stromfluss direkt zwischen Formkörper 100 und der Stromschiene 60 zu verhindern.
  • Ferner ist aus 8 zu erkennen, dass aufgrund der isolierten Einsetzkörper 71 die generative Heizwand 19 sich nur an der Oberfläche der unisolierten Bereiche der Einsetzkörper ausbildet, was durch den wellen- oder zackenförmigen Verlauf an der Unterseite der generativen Heizwand 19 angezeigt ist. Der zackenförmige Wellenbereich an der Unterseite der Heizwand 19 wird durch eine Spitzenabschnitt 190 und einen Talabschnitt 191 definiert, wobei sich der Talabschnitt 191 daraus ergibt, dass hier kein Material verfestigt wurde. Der Verlauf des zackenförmigen Wellenbereichs an der Unterseite der Heizwand 19 kann auch eine andere Gestalt haben. Die Unterseite der Heizwand 19, die der Bauplatte 8 zugewandt ist, soll nur den unisolierten Bereich des isolierten Einsetzelements 71 berühren und darf keinen Kontakt zu der Bauplatte 8 haben, da ansonsten der elektrische Strom zum Versorgen der Heizwand 19 über die Bauplatte 8 abgeleitet wird.
  • Nachfolgend werden jeweils Verfahren für die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens mit verstellbarer Heizvorrichtung 4, 42, 43 bzw. mit schichtweise ausbildbarer Heizvorrichtung 4, 19 beschrieben.
  • Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers mit den verstellbaren Heizelementen 42, 43 wird eine vorbestimmte Menge von formlosem Material mittels der Verteilvorrichtung 903 aus der Dosierkammer 20 hin zu und auf der Prozesskammer 30 verteilt.
  • Nach dieser Ausführungsform des Verfahrens wird gegebenenfalls das formlose Material bereits in der Dosierkammer 20 mittels der Heizvorrichtung 4, die eine Mehrzahl von Heizelementen 42 aufweist, auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt.
  • Die Vorerwärmung des formlosen Materials in der Dosierkammer 20 findet insbesondere dann statt, wenn bereits eine erste Schicht in der Prozesskammer 30 aufgebracht worden ist, die wenigstens teilweise mittels eines Laserstrahls 90 verfestigt worden ist, um schichtweise einen Formkörper 100 auszubilden.
  • Die Schicht wird mittels der Verteilvorrichtung 903, insbesondere einem Rakel, mit der vorbestimmten Schichtdicke auf der Bauplatte 8 oder einer zuvor aufgebrachten verteilten Schicht aus formlosem Material, die wenigstens teilweise verfestigt ist, verteilt. Die Heizelemente 4, die in der Bauplatte 8 der Prozesskammer 30 verschiebbar gelagert sind, werden an den Positionen in entgegengesetzter Richtung der Bauteilrichtung herabgefahren, an denen der Formkörper 100 ausgebildet wird, und zwar um die Abmessung in Z-Richtung der aufgebauten und verfestigten Schichtdicke des Formkörpers 100.
  • Die Heizelemente 4, die in Kontakt mit dem Formkörper 100 kommen oder stehen, werden jeweils um die mittels der Laserstrahlvorrichtung befestigten Schichtdicke herabgefahren, so dass eine bodenseitige Erwärmung und Aufrechterhaltung der vorbestimmten Vorwärmtemperatur an diesen Bereichen des Formkörpers 100 möglich ist. Die Heizelemente 4 werden am Grundriss des Formkörpers nach der Kontur des Grundrisses in Z-Richtung um die jeweils neu aufgetragene bzw. vorhandende Schichtdicke des Formkörpers 100 herabgesenkt, indem eine Positioniervorrichtung 5 das jeweils betroffene Heizelement 4 freigibt bzw. um die entsprechende Schichtdicke in negativer Z-Richtung verschiebt, um den dadurch entstandenen Höhenunterschied in der verfestigten Schicht auszugleichen.
  • Das jeweils herabzusenkende Heizelement 4, dass in Kontakt mit der Schicht des Formkörpers 100, wird über das CAD-Modell des Formkörpers 100 ermittelt, mit welchem auch die jeweilige Position der zu verfestigenden Schicht des formlosen Materials ermittelt wird. Das jeweilige Heizelement 4 kann auch über die erhöhte Gewichtskraft, die sich aus der Verfestigung der Schichtdicke ergibt, verstellt werden. Hierbei ist die Positioniervorrichtung 5 eine Klemmvorrichtung 5, die das betroffene Heizelement 4 freigibt, so dass das jeweilige Heizelement 4 um den Betrag der Schichtdicke gewichtsbedingt sich absenken kann bzw. abgesenkt werden kann. Das Absenken kann auch durch entsprechende Antriebe unterstütz oder gefördert werden.
  • Die obengenannten Schritte des Aufbringens und Verfestigens und Absenkens der Heizelemente in der Prozesskammer werden solange durchgeführt, bis der von dem 3D-Modell festgelegte Formkörper 100 ausgebildet worden ist.
  • Hiernach wird das Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, bei der die Heizvorrichtung 4 schichtweise zusammen mit dem Formkörper 100 in einem generativen Laserschmelzverfahren ausgebildet wird, beschrieben.
  • Bei dem Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Körpers aus einem formlosen Material wird die Heizvorrichtung 4 zeitgleich mit dem Formkörper 100 auf der Bauplatte 8 ausgebildet.
  • Hierfür ist in der Prozesskammer 30 eine Bauplatte 8 mit Ausnehmungen 81 bereitgestellt. In die Ausnehmungen 81 werden gemäß der Lage des Formkörpers 100 und der generativ auszubildenden Heizvorrichtung 4 an vorbestimmten Positionen isolierte und nicht isolierte Einsetzelemente 70, 71 in vorbestimmte Ausnehmungen 81 eingesetzt, je nach Lage des auszubildenden Formkörpers 100 und der auszubildenden Heizvorrichtung 4.
  • Die isolierten Einsetzelemente 71 werden an den Stellen bzw. Ausnehmungen 81 der Bauplatte 8 eingesetzt, an denen die Heizvorrichtung 4, bzw. die Heizwand 19 ausgebildet werden soll, wobei deren Anordnung zwischen in der Bauplatte 8 jeweils endseitig getrennt voneinander angeordnete Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 verläuft, so dass eine Strombrücke zwischen den Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 über die generative ausgebildete Heizvorrichtung 4 ausgebildet werden kann.
  • An der Stelle, an der der Formkörper 100 auf der Bauplatte 8 ausgebildet wird, werden Einsetzelemente 70 aus einem massiven, leitenden Material, das im Wesentlichen identisch mit dem formlosen Material ist, das zum Aufbau des Formkörpers 100 verwendet wird, eingesetzt.
  • Hiernach erfolgt auf der Bauplatte 8 der generative Aufbau des Formkörpers 100 auf den nicht isolierten Einsetzelementen 70 und der Aufbau der generativen Heizvorrichtung 4, 19 auf den isolierten Einsetzelementen 71, wobei der Formkörpers 100 und die Heizvorrichtung 4 zusammen generativ aufgebaut werden. Die Bauplatte 8 wird dann um die jeweils neu aufgebaute Schichtdicke abgesenkt.
  • Zum Aufrechterhalten der Vorwärmtemperatur in der Prozesskammer 30 wird dann, die generativ ausgebildete Heizvorrichtung 4, die bevorzugt eine Heizwand 19 bildet, über die Stromzufuhrvorrichtungen 50, 60 unter Strom gesetzt. Der durch die Heizvorrichtung bzw. Heizwand 19 fließende Strom erzeugt durch den Widerstand in der durch das Lasersintern verfestigten Heizwand 19 eine Vorwärmtemperatur in der Prozesskammer 30.
  • Hierbei findet eine ständige Kontrolle der Ist-Temperatur in der Prozesskammer 30 mittels Temperatursensoren statt.
  • Infolge der Beheizung bzw. Vorerwärmung des formlosen Materials können die Temperaturgradienten im Aufbauprozess des Formkörpers 100 im Vergleich zum Stand der Technik stark reduziert werden. Dadurch entstehen geringere Eigenspannungen im Formkörper 100. Durch die Reduzierung der Eigenspannung im Formkörper 100 kann die Herstellungssicherheit gesteigert werden, weil die Gefahren einer Delamination von der Bauplatte 8, einer Rißbildung im Formkörper 100, eines Verzuges des Formkörpers 100, etc. verhindert werden können, in dem aktiv die Vorwärmtemperatur des formlosen Materials und des Formkörpers 100 in der Prozesskammer 30 und/oder in der Dosierkammer 20 erfasst und entsprechend der Messung der Ist-Temperatur geregelt auf eine vorbestimmte oder variierte Vorwärmtemperatur erwärmt wird.
  • Außerdem ermöglicht die speziellere Erwärmung auf eine materialabhängige Vorwärmtemperatur die Verarbeitung neuer Werkstoffe und die Erschließung neuer Anwendungsgebiete des generativen Laserschmelzverfahrens.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben aufgeführten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens der zweiten Ausführungsform mit der Dosierkammervorrichtung 3 der ersten Ausführungsform kombiniert werden. Die erste Ausführungsform der zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens ist insbesondre auch zum Nachrüsten bestehender generativer Laserschmelzvorrichtungen zum Ausbilden von Formkörpern vorgesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19649865 C1 [0002]
    • DE 10104732 C1 [0004]
    • DE 102006055053 A1 [0005]
    • DE 2005022308 A1 [0006]
    • DE 10108612 C1 [0007]

Claims (22)

  1. Verfahren zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers (100) aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, das zum Ausbilden des Formkörpers (100) schichtweise auf einer Bauplatte (8) aufgetragen und mittels Laserstrahlschmelzen verfestigt wird, wobei ein Erwärmen des Materials und des Formkörpers (100) auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur unter Abhängigkeit der Ist-Temperatur des formlosen Materials erfolgt und unter Berücksichtigung der aufgebrachten Schichtdicke des Formkörpers (100) eine Heizvorrichtung (4, 42, 43) relativ zu der Bauplatte (8) verlagert wird und/oder eine Heizvorrichtung (4, 19) auf der Bauplatte (8) aufgebaut wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das formlose Material vor dem, bei dem und/oder nach dem Aufschmelzen mittels Laserstrahlschmelzen auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt oder gehalten wird.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das formlose Material in einer Dosierkammer (20), in der das formlose Material bevorratet wird, vor dem Aufschmelzen auf die Vorwärmtemperatur erwärmt wird und dann mit einer vorbestimmten Schichtdicke in der Prozesskammer (30) verteilt wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (19) oder ein Heizelement (43) der Heizvorrichtung (4) gemäß der Konturänderung des Formkörpers (100) und/oder um den Zuwachs der Schichtdicke des aufgeschmolzenen Materials des Formkörper (100) in seiner Lage verändert wird, während, bevor oder nachdem eine neue Schichtfolge aufgetragen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Heizelements (4) durch Änderung der Position des Heizelements (4) in einer Prozesskammer (30) verändert wird, in dem das Heizelement (4) bevorzugt in entgegengesetzter Richtung der Formkörperaufbaurichtung verlagert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (4) durch generatives Ausbilden einer Heizwand (19) auf der Bauplatte (8) in der Prozesskammer (30) aufgebaut wird, wobei die Heizwand (19) zusammen mit dem herzustellenden Formkörper (100) schichtweise ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Prozesskammer (30) und/oder in einer Dosierkammer (20) gemessen wird und die Vorwärmtemperatur der Heizvorrichtung (4, 19) basierend auf der gemessenen Temperatur eingestellt wird, so dass die vorbestimmte Vorwärmtemperatur in dem Material aufrechterhalten und/oder ausgebildet wird.
  8. Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers aus einem formlosen Material mittels Laserstrahlschmelzens, insbesondere für ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung aufweist, eine Kammervorrichtung (10) mit wenigstens einer Prozesskammer (3) mit einer Bauplatte (8) und einer in ihrer Lage relativ zur Bauplatte (8) veränderbaren Heizvorrichtung (4, 19), wobei die Lage der Heizvorrichtung (4, 19) in Abhängigkeit von der auf der Bauplatte (8) aufgebrachten Schichtdicke einstellbar ist oder die Heizvorrichtung (4, 19) gemeinsam mit dem Formkörper (100) durch Schmelzen des formlosen Materials aufbaubar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplatte (8) in der Prozesskammer (30) in Baurichtung (Z) des Formkörpers (100) verstellbar angeordnet ist, wobei die Bauplatte (8) wenigstens eine Durchgangsöffnung (88) aufweist, durch die sich ein Heizelement (42, 43) der Heizvorrichtung (4) hindurch in den Aufbauraum der Prozesskammer (30) hinein erstreckt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) von einer steuerbaren und/oder regelbaren Positioniervorrichtung (5) gehalten ist, die abhängig von der aufgebrachten Schichtdicke aus pulverförmigen Material (2) das Heizelement (4) verstellt oder freigibt und in einer neuen Position hält, so dass eine neue Schicht aus pulverförmigen Material stufenfrei aufbringbar ist, und/oder die Positioniervorrichtung (5) und die Bauplatte (8) zueinander beabstandet sind und zwischen denselben eine Dichtung (14) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplatte (8) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (88) aufweist, in denen eine Mehrzahl von Heizelementen (43) verschiebbar gelagert ist, die mittels der Positioniervorrichtung (5) individuell in Formkörperaufbaurichtung (Z) hin und her bewegbar ist, wobei die Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (88) radial, matrixartig und/oder in Spalten und Zeilenform mit konstantem oder unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnet ist und/oder nur die Heizelemente (43) verstellt werden, die in Kontakt mit dem Formkörper stehen.
  12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (43) ein Abstandselement (40) aufweist, das formschlüssig, kraftschlüssig und/oder lösbar an einem Endabschnitt des Heizelements (43) montiert ist, der der Prozesskammer (30) zugewandt ist, wobei das Abstandelement (40) im Wesentlichen das gleiche Material aufweist, aus dem der Formkörper (100) ausgebildet wird, wie beispielsweise Bronze, Nickel, Titan, Kupfer, Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Edelmetall und deren Legierungen und Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen, und andere Metalle und Metalllegierungen, sowie nicht-metallische Materialien, die beispielsweise Keramik und/oder Kunststoff aufweisen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplatte (8) wenigsten eine Ausnehmung (81) aufweist, in das ein elektrisch leitendes Einsetzelement (70, 71) zum Aufbau des Formkörpers oder der Heizvorrichtung (4, 19) einsetzbar ist, wobei das Einsetzelement (71) für die Heizvorrichtung (4, 19) wenigstens teilweise isoliert ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzelement (70) im Kontaktbereich mit dem auszubildenden Formkörper (100) gegenüber der Bauplatte (8) nicht elektrisch isoliert ist, wobei das Einsetzelement (71) außerhalb des Ausbildungsbereichs des Formkörpers (100) elektrisch isoliert ist.
  15. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils an gegenüberliegenden Endabschnitten der Bauplatte (8) eine elektrische Stromzufuhrvorrichtung (50, 60) zum Anlegen eines Stromflusses an gegenüberliegenden Endabschnitten der generativ hergestellten Heizvorrichtung (19) ausgebildet ist.
  16. Kammervorrichtung (10) für ein Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Vorrichtung nach wenigsten einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die Kammervorrichtung (10) wenigstens eine Prozesskammer (30) aufweist, in der eine bewegbare Bauplatte (8) angeordnet ist, auf der ein Formkörper (100) ausbildbar ist, wobei die Bauplatte (8) eine Heizvorrichtung (4) aufweist, die in der Bauplatte (8) bewegbar gelagert ist oder die Heizvorrichtung (4, 19) auf der Bauplatte (8) zusammen mit dem Formkörper (100) schichtweise ausbildbar ist.
  17. Kammervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplatte (8) wenigstens eine Durchgangsöffnung (88) aufweist, in der ein Heizelement (43) der Heizvorrichtung (4) bewegbar gelagert ist.
  18. Kammervorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) mittels einer Positioniervorrichtung (5) gegenüber der Bauplatte (8) bewegbar ist, wobei das Heizelement (4) unter Abhängigkeit der aufgebauten Schichtdicke des Formkörpers (100) mittels der Positioniervorrichtung (5) absenkbar ist, und/oder die Heizvorrichtung wenigstens ein zweites Heizelement (4) aufweist, entlang dem die Bauplatte (8) verschiebbar ist.
  19. Kammervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der Prozesskammer (30) eine Dosierkammer (20) angeordnet ist, die eine bewegbare Dosierplatte (7) aufweist, die eine Heizvorrichtung (4) aufweist, wobei die Heizvorrichtung (4) wenigstens ein Heizelement (43) aufweist, dass in einer Durchgangsöffnung (77) der Dosierplatte (7) bewegbar geführt ist und/oder die Dosierplatte (7) entlang dem Heizelement (42) verschiebar ist.
  20. Kammervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der die Bauplatte (8) eine Mehrzahl von Ausnehmungen (81) ausgebildet ist, in die Einsetzelemente (70, 71) einsetzbar sind, wobei die Einsetzelemente teilweise elektrisch isoliert sind.
  21. Kammervorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsetzelemente (71) thermisch und/oder elektrisch gegen die Bauplatte (8) wenigstens abschnittsweise mit einer elektrischen und/oder thermischen Isolierung (73) isoliert sind, wobei die Isolierung (73) des isolierten Einsetzelements (71) Keramik, Basalt und/oder Karbon aufweist.
  22. Kammervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bauplatte (8) an zwei gegenüberliegenden Stellen eine Stromzufuhrvorrichtung (50, 60) ausgebildet ist, die jeweils derart in der Bauplatte (8) angeordnet ist, dass ein in Kontakt mit dem formlosen Material möglich ist, das zum Ausbilden der Heizvorrichtung (4, 1) vorgesehen ist, und oder die Bauplatte (8) eine Stecker-Buchsen-Vorrichtung (300, 310) aufweist, über die die Stromzufuhrvorrichtung (50, 60) mit elektrischen Strom versorgbar ist.
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