DE102015211538A1

DE102015211538A1 - Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte

Info

Publication number: DE102015211538A1
Application number: DE102015211538.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Pieger; Stefan Weber
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-29
Also published as: EP3313596A1; US20180133800A1; WO2016207258A1; CN107810102A

Abstract

Eine Bauzylinder-Anordnung (1) für eine Maschine (70) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (71) durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material (74), mit einem im Wesentlichen zylindermantelförmigen Grundkörper (2) und einem an einer Innenseite des Grundkörpers (2) entlang einer Zylinderachse (3) des Grundkörpers (2) verfahrbaren Kolben (4), wobei der Kolben (4) an seiner Oberseite ein Substrat (21) für das Aufwachsen der dreidimensionalen Objekte (71) aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Isolationskörper (5) umfasst, der zumindest die Innenseite des Grundkörpers (2) ausbildet, wobei der Isolationskörper (5) aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit λIK besteht, mit λIK ≤ 3 W/(m·K), dass der Kolben (4) mit einem oberen Teil (12) und einem unteren Teil (14) ausgebildet ist, wobei der obere Teil (12) das Substrat (21) umfasst, und wobei der untere Teil (14) eine Kühleinrichtung (18), insbesondere ein Kühlwasser-Kanalsystem, aufweist, und dass am unteren Teil (14) eine erste Dichtung (20) aus Elastomermaterial vorgesehen ist, mit der der untere Teil (14) des Kolbens (4) gegen die Innenseite des Grundkörpers (2) gasdicht abgedichtet ist. Der Erfindung schlägt eine Bauzylinder-Anordnung vor, mit der auch bei hohen Temperturen (etwa über 500°C) eine verbesserte gasdichte Abdichtung zwischen Kolben und Grundkörper erreichbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material,
mit einem im Wesentlichen zylindermantelförmigen Grundkörper und einem an einer Innenseite des Grundkörpers entlang einer Zylinderachse des Grundkörpers verfahrbaren Kolben,
wobei der Kolben an seiner Oberseite ein Substrat für das Aufwachsen der dreidimensionalen Objekte aufweist.
Eine solche Bauzylinder-Anordnung ist aus der EP 2 732 890 A2 bekannt geworden.
Durch das schichtweise Fertigen dreidimensionaler Objekte mittels Lasersintern oder Laserschmelzen (auch genannt „selective laser sintering” oder „selective laser melting”) können Objektgeometrien gefertigt werden, die mit herkömmlichen Techniken (die beispielweise auf einem Gießprozess oder einem Fräsen eines Vollkörpers beruhen) nicht zugänglich sind.
Dabei wird auf einem Substrat (auch Bauplattform genannt) in einem Bauzylinder (auch Baukammer genannt) eine dünne Schicht eines pulverförmigen Materials aufgetragen und dann an ausgewählten Orten mit einem Bearbeitungslaserstrahl aufgeheizt, bis das pulverförmige Material aufschmilzt oder sintert. Anschließend wird das Substrat in dem Bauzylinder um eine Schichtdicke des Pulvers abgesenkt, eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen und wiederum an ausgewählten Orten durch den Bearbeitungslaserstrahl erhitzt, und so fort. Das Auftragen und Erhitzen des pulverförmigen Materials finden meist unter Ausschluss von Luft statt, um Oxidationsprozesse zu vermeiden, insbesondere wenn ein metallisches pulverförmiges Material verarbeitet wird.
Aus der EP 2 732 890 A2 ist eine Maschine für eine solche schichtweise Fertigung dreidimensionaler Objekte bekannt geworden. An einer Prozesskammer sind eine Vorratskammer für pulverförmiges Material, eine Baukammer sowie ein Sammelbehälter angeordnet. Das pulverförmige Material kann mit einem Schieber von der Vorratskammer zur Baukammer und (bei einem Pulverüberschuss) in den Sammelbehälter gestrichen werden. Die Baukammer umfasst einen ringartigen Grundkörper, in dem eine Bauplattform verfährt, die an einer Haltestruktur befestigt ist. Die Haltestruktur ist gegen den Grundkörper abgedichtet. Zur Größenanpassung der Baukammer ist der ringförmige Grundkörper an der Maschine austauschbar.
Um mechanische Spannungen im fertigen Bauteil zu vermeiden, ist es vorteilhaft, das pulverförmige Material vor der Einwirkung des Bearbeitungslaserstrahls vorzuwärmen. Ein unbeabsichtigtes Erwärmen von anderen Bauteilen der Maschine kann jedoch die Fertigungsqualität beeinträchtigen oder gar die Maschine beschädigen.
Die WO 2011/082812 A1 beschreibt eine Maschine zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, wobei ein Bauzylinder, in welchem ein Träger mit einer Hubeinrichtung verfahrbar ist, mit einer thermischen Isolierung in einer Platte gehalten ist. Mit einer Heizvorrichtung oberhalb des Trägers kann eine frisch aufgetragene Pulverschicht vorgeheizt werden, bevor eine Lasersinterung erfolgt.
Die US 2013/0004680 A1 wird vorgeschlagen, zwischen einen schichtweise abgeschiedenen Gegenstand und einem Basisblock auf einem verschiebbaren Halter eine Brückeneinrichtung vorzusehen, die eine thermische Isolierung zwischen dem Gegenstand und dem Basisblock bewirkt.
Die EP 1 347 853 B1 offenbart eine Apparatur zur schichtweisen Fertigung von dreidimensionalen Objekten mittels Laserschmelzen, wobei in einer luftdichten Kammer eine Arbeitskammer angeordnet ist. Die Arbeitskammer ist mit einem Bauzylinder versehen. Ein Kolben im Bauzylinder wird gegen den Bauzylinder mit metallischen Kolbenringen abgedichtet. Oberhalb und unterhalb einer Zielfläche sind Heizkomponenten vorgesehen.
Beim Erwärmen des pulverförmigen Materials in einer aufgetragenen Schicht zur Vorbereitung der Laserbearbeitung werden auch das Substrat bzw. der Kolben, und in der Regel auch der Grundkörper der Bauzylinder-Anordnung, erheblich erwärmt. Bei Verwendung von pulverförmigem Material mit hohen Schmelz- bzw. Sintertemperturen, wie den meisten Metallen und Keramiken, erschwert dies eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Kolben und Grundkörper erheblich.
Die in der EP 1 347 853 B1 vorgeschlagenen metallischen Kolbenringe können auch bei hohen Temperaturen (etwa über 500°C) eingesetzt werden, müssen aber sehr exakt gefertigt werden. Temperaturgradienten können leicht zu einem Verzug des Kolbens bzw. der Kolbenringe oder auch des Grundkörpers führen, der praktisch kaum zu korrigieren ist, was Undichtigkeiten oder gar ein Verklemmen des Kolbens verursachen kann. Die metallischen Kolbenringe setzen einen ebenfalls metallischen Grundkörper mit ähnlichem Wärmeausdehnungsverhalten wie die Kolbenringe voraus, wodurch der Grundkörper im Betrieb sehr heiß wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauzylinder-Anordnung vorzuschlagen, mit der auch bei hohen Temperturen (etwa über 500°C) eine verbesserte gasdichte Abdichtung zwischen Kolben und Grundkörper erreichbar ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bauzylinder-Anordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass der Grundkörper einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Isolationskörper umfasst, der zumindest die Innenseite des Grundkörpers ausbildet,
wobei der Isolationskörper aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ_IK besteht, mit λ_IK ≤ 3 W/(m·K),
dass der Kolben mit einem oberen Teil und einem unteren Teil ausgebildet ist, wobei der obere Teil das Substrat umfasst, und wobei der untere Teil eine Kühleinrichtung, insbesondere ein Kühlwasser-Kanalsystem, aufweist,
und dass am unteren Teil eine erste Dichtung aus Elastomermaterial vorgesehen ist, mit der der untere Teil des Kolbens gegen die Innenseite des Grundkörpers gasdicht abgedichtet ist.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, die Bauzylinder-Anordnung so auszubilden, dass sie mit einer Dichtung aus Elastomermaterial abgedichtet werden kann, auch wenn im Bereich des Substrats hohe Temperaturen (etwa 500°C oder mehr, insbesondere zwischen 600°C und 1000°C) zur Erwärmung des pulverförmigen Materials eingerichtet werden.
Zum einen ist vorgesehen, den Kolben mehrteilig auszubilden. In einem oberen Teil des Kolbens, der das Substrat umfasst, wird eine hohe Tempertur gestattet (meist 500°C oder mehr im Bereich des Substrats), um eine Schicht des pulverförmigen Materials vor der Laserbearbeitung aufzuheizen. Typischerweise wird mit einer Heizeinrichtung im Kolben diese hohe Temperatur am Substrat eingestellt; es kann aber auch beispielsweise ein Heizstrahler oberhalb des Substrats vorgesehen sein. In einem unteren Teil des Kolbens wird durch eine Kühleinrichtung eine niedrigere Temperatur eingerichtet (typischerweise 45°C oder weniger, bevorzugt 30°C oder weniger). An diesem unteren Teil ist auch die erste Dichtung befestigt, die durch die Kühleinrichtung über den unteren Teil gekühlt wird. Im Kolben besteht also ein Temperaturgradient zwischen dem oberen Teil (insbesondere dem Substrat) und dem unteren Teil. Typischerweise wird die Einrichtung dieses Temperaturgradienten durch keramische Isolationsbauteile (etwa Keramikringe oder Keramikscheiben) im Kolben zwischen oberem Teil und unterem Teil unterstützt.
Zum anderen ist vorgesehen, dass der Grundkörper der Baukammer-Anordnung zumindest an seiner Innenseite mit einem Isolationskörper aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit λ_IK ≤ 3 W/(m·K) ausgebildet ist. Der Grundkörper erfährt an seiner Innenseite im Bereich des oberen Teils des Kolbens, insbesondere im Bereich des Substrats, und gegebenenfalls auch aus einem darüber liegenden Bereich, wo das dreidimensionale Objekt bereits teilweise gefertigt ist, in einem ersten axialen Abschnitt einen Wärmeeintrag. Die erste Dichtung ist jedoch am unteren Teil des Kolbens angeordnet, und erfährt einen Wärmeeintrag aus dem Grundkörper in einem zweiten axialen Abschnitt.
Dieser zweite axiale Abschnitt liegt jedoch axial unterhalb und entsprechend axial beabstandet vom ersten axialen Abschnitt. In der Praxis liegen typischerweise dem Isolationskörper radial nächstkommende oder den Isolationskörper berührende Strukturen des oberen Teils und am Isolationskörper anliegende Abschnitte der ersten Dichtung wenigstens 5 cm, und oftmals wenigstens 7 cm axial voneinander entfernt. Da die Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers an seiner Innenseite bedingt durch das Material des Isolationskörpers sehr gering ist, ist der Wärmeeintrag aus dem Grundkörper in dem ersten axialen Abschnitt in die erste Dichtung jedoch klein und kann weitestgehend durch die Kühleinrichtung kompensiert werden, so dass das Material der ersten Dichtung lediglich einer moderaten Temperatur (typischerweise maximal 200°C, bevorzugt maximal 150°C) ausgesetzt wird. Bei einer moderaten Temperatur kann die erste Dichtung aus einem Elastomermaterial gefertigt werden, ohne dass Beschädigungen der ersten Dichtung durch die einwirkende Temperatur zu erwarten sind; insbesondere sind keine Metalldichtungen nötig.
Mit der ersten Dichtung aus Elastomermaterial lässt sich eine sehr gute Gasdichtigkeit über einen großen Toleranzbereich für eine abzudichtende lokale Spaltbreite zwischen Grundkörper und Kolben einrichten. Eine besondere Fertigungsgenauigkeit für die erste Dichtung oder ihren Sitz ist nicht erforderlich, und ein üblicher Verzug durch Temperaturgradienten beeinträchtigt die Dichtigkeit nicht bzw. kann über die Elastizität des Dichtungsmaterials leicht ausgeglichen werden. Ein typisches Material für die erste Dichtung ist Silikonkautschuk (für Temperaturen bis ca. 250°C).
Mit der erfindungsgemäßen Elastomerdichtung kann eine Laserbearbeitung des pulverförmigen Materials unter Luftausschluss (unter einer Schutzgasatmosphäre wie N₂ oder Ar, oder auch im Vakuum) zuverlässig sichergestellt werden; Oxidationen am pulverförmigen Material werden vermieden. Insbesondere ist ständiger Überdruck von Schutzgas (meist in Verbindung mit einem ständigen Schutzgasdurchfluss) in der Prozesskammer nicht notwendig.
Man beachte, dass das Material des Isolationskörpers bevorzugt auch einen kleinen (linearen) Wärmeausdehnungskoeffizienten α, typischerweise mit α ≤ 3·10^–6 1/K, aufweist.
In der Maschine, in der die erfindungsgemäße Bauzylinder-Anordnung verbaut ist, ist der untere Teil an eine Hubeinrichtung zum Verfahren des Kolbens im Grundkörper gekoppelt. Der obere Teil ist direkt oder indirekt (über einen mittleren Teil) am unteren Teil gelagert, insbesondere aufliegend gelagert und typischerweise auch befestigt. Der Kolben, einschließlich des Substrats, und ausschließlich der ersten Dichtung und ggf. weiterer Dichtungen und flexiblen Kontaktelementen, ist bevorzugt mit deutlich kleinerem Außendurchmesser ausgebildet als der Innendurchmesser des Isolationskörpers, so dass es weder im kalten noch im heißen Zustand zu einem gegenseitigen Kontakt kommt (außer über die erste Dichtung und ggf. weitere Dichtungen und flexible Kontaktelemente, einschließlich Stopfbuchsen oder Stopfpackungen). Dadurch kann das Substrat innerhalb des Grundkörpers bezüglich seiner Orientierung (Verkippung) justiert werden, insbesondere im Falle von Verzug infolge von Temperaturgradienten näherungsweise eben ausgerichtet (nivelliert) werden.
Das pulverförmige Material ist typischerweise metallisch oder keramisch mit einer mittleren Korngröße (D50) zwischen 25 μm und 100 μm.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung ist das Material des Isolationskörpers eine Keramik oder ein Glas, bevorzugt Quarzglas, besonders bevorzugt opakes Quarzglas. Viele keramische Materialien und Gläser weisen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, sind ausreichend temperaturstabil und zudem gegenüber Thermoschocks gut resistent. Dies gilt im Besonderen für Quarzglas, insbesondere opaquem Quarzglas. Bevorzugt wird opaques (nicht lichtdurchlässiges) Material eingesetzt, das Infrarot-Strahlung gut reflektiert, was die Aufheizung des Isolationskörpers durch Wärmestrahlung reduziert.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Kolben eine Heizeinrichtung aufweist, mit der das Substrat beheizbar ist, insbesondere auf eine Temperatur von 500°C oder mehr, wobei die Heizeinrichtung unterhalb des Substrats und oberhalb des unteren Teils des Kolbens, welcher die Kühleinrichtung aufweist, angeordnet ist. Die Heizeinrichtung ist zwischen dem Substrat und der Kühleinrichtung angeordnet, wodurch Temperaturgradienten im Substrat klein gehalten werden können. Mit einer Temperatur des Substrats (und damit näherungsweise auch der zu bearbeitenden Schicht pulverförmigen Materials darauf) von 500°C oder mehr können viele metallische und keramische Pulver bei geringen resultierenden mechanischen Spannungen einer Laserbearbeitung (Laserschmelzen, Lasersintern) unterzogen werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Heizeinrichtung ein oder mehrere Infrarot-Heizelemente, insbesondere Heizwendel, umfasst,
dass oberhalb des einen oder der mehreren Heizelemente eine Infrarot-Absorptionsschicht mit einem Infrarot-Absorptionsvermögen von 0,8 oder mehr vorgesehen ist, insbesondere wobei die Infrarot-Absorptionsschicht aus Schwarzchrom oder Titan-Aluminium-Nitrid besteht,
und dass unterhalb des einen oder der mehreren Infrarot-Heizelemente eine Infrarot-Reflexionsschicht mit einem Infrarot-Reflexionsvermögen von 0,8 oder mehr vorgesehen ist, insbesondere wobei die Infrarot-Reflexionsschicht eine spiegelnde Metallschicht oder eine spiegelnde Keramikschicht umfasst. Durch Infrarot-Heizelemente kann auf einfache Weise Wärme in das Substrat und die darauf liegende Schicht pulverförmigen Materials eingebracht werden. Durch die Infrarot-Absorptionsschicht kann der Wärmeeintrag nach oben in Richtung des Substrats maximiert werden, und durch die Infrarot-Reflexionsschicht kann der Wärmeeintrag nach unten in den unteren Teil des Kolbens minimiert werden.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung hierzu ist vorgesehen, dass die Infrarot-Absorptionsschicht an der Unterseite des Substrats ausgebildet oder angeordnet ist, und dass die Infrarot-Reflexionsschicht an der Oberseite einer keramischen Isolationsplatte ausgebildet oder angeordnet ist. Die Anbringung der Infrarot-Absorptionsschicht an der Unterseite des Substrats ist besonders einfach. Mit der keramischen Isolationsplatte kann der Wärmeeintrag in den unteren Teil zusätzlich zur IR-Reflexionsschicht vermindert werden.
Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der am unteren Teil oberhalb der ersten Dichtung ein flexibles Kontaktelement, insbesondere eine Stopfpackung aus einem Graphitgewebe oder Graphitfilz oder eine flexible metallische Feder, vorgesehen ist, das an der Innenseite des Isolationskörpers anliegt. Durch das Kontaktelement, etwa eine Stopfpackung aus Graphitgewebe oder Graphitfilz, kann die Innenseite des Isolationskörpers lokal mittels der Kühlvorrichtung über den unteren Teil des Kolbens gekühlt werden, um die Temperatur des Isolationskörpers im Kontaktbereich zur ersten Dichtung zu reduzieren. Graphit weist eine gute Wärmeleitfähigkeit bei hoher Temperaturbeständigkeit auf. Alternativ können auch Stopfpackungen aus einem Gewebe oder Filz eines anderen Materials eingesetzt werden, wobei dieses andere Material eine gute Wärmeleitfähigkeit (bevorzugt von wenigstens der Hälfte der Wärmeleitfähigkeit von Graphit) aufweisen sollte. Weiter alternativ lässt sich auch eine flexible metallische Feder zur lokalen Wärmeübertragung von der Zylinderfläche auf das Kühlelement des Kolbens verwenden. Das flexible Kontaktelement ist typischerweise ringförmig umlaufend am unteren Teil ausgebildet. Das Kontaktelement verkantet aufgrund seiner Flexibilität nicht im Isolationskörper, auch wenn der Kolben (geringfügig) gegenüber der Zylinderachse des Grundkörpers geneigt sein sollte, etwa durch eine Nivellierungs-Justage.
Ausführungsformen betreffend die Nivellierung des Substrats
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der Kolben wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelemente aufweist, mit denen zur Nivellierung des Substrats der obere Teil gegenüber dem unteren Teil ausrichtbar ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann der obere Teil des Kolbens gegenüber dem unteren Teil des Kolbens bezüglich der Orientierung (Verkippung) justiert werden. Die Justage des oberen Teils kann von unten erfolgen, so dass die ganze Oberseite des Substrat für die Fertigung des oder der dreidimensionalen Objekte zur Verfügung steht; insbesondere sind keine Schraubenlöcher oder dergleichen an der Substratoberseite erforderlich. Die axiale (vertikale) Position des Kolbens kann über eine einfache vertikale Hubeinrichtung am relativ kalten, unteren Teil festgelegt werden. Dies ist zum einen baulich einfach und zum anderen besonders gut für eine Justage der Orientierung des Substrats im heißen Zustand (etwa 500°C oder mehr) geeignet. Bei zwei Stellelementen ist zusätzlich ein fester Auflagepunkt („passiver Auflagepunkt”) eingerichtet; bei drei Stellelementen kann (in geringem Umfang) auch die axiale Position des Substrats gegenüber dem unteren Teil justiert werden. Die Stellelemente können beispielsweise nach Art eine Piezo-Stellantriebs oder eines gekapselten Spindelantriebs ausgebildet sein.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, die vorsieht, dass der der Kolben weiterhin mit einem mittleren Teil ausgebildet ist, wobei der obere Teil am mittleren Teil gelagert ist, insbesondere aufliegend gelagert ist, und dass mittels der Stellelemente der mittlere Teil gegenüber dem unteren Teil ausrichtbar ist. Durch den mittleren Teil ist ein gut handhabbarer Aufbau realisierbar, insbesondere ist eine Aufspaltung des Kolbens bei einem Wechsel der Bauzylinder-Anordnung in der Maschine einfacher möglich. Der mittlere Teil umfasst typischerweise die Heizeinrichtung, gegebenenfalls die keramische Isolationsplatte, und eine metallische Grundplatte. Der untere Teil umfasst typischerweise einen Sockel, an dem die Hubeinrichtung angreift, und eine Kühlplatte, in der die Kühleinrichtung ausgebildet ist.
Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der die Stellelemente jeweils ein Ausdehnungselement, dessen Länge durch die Temperatur veränderlich ist, und ein elektrisches Heizelement, mit dem das Ausdehnungselement beheizbar ist, aufweisen, so dass durch Einstellung der Temperatur des Ausdehnungselements über das elektrische Heizelement und unter Einwirkung der Kühleinrichtung am jeweiligen Stellelement ein lokaler Abstand des oberen Teils zum unteren Teil oder mittleren Teil einstellbar ist, insbesondere wobei das Ausdehnungselement ein Metallstück aus einer Formgedächtnislegierung oder ein Glycerin-Dehnelement umfasst. Durch Ausdehnungselemente mit einem elektrischen Heizelement ist eine sehr feine Einstellung des lokalen Abstands zwischen unterem Teil und oberen Teil oder mittleren Teil und somit eine sehr genaue Nivellierung des Substrats möglich. Der Heizstrom kann sehr fein gesteuert werden, und es treten keine merklichen mechanischen Hysteresen auf. Das Ausdehnungselement kann insbesondere zwischen zwei Keramikscheiben angeordnet sein bzw. über Keramikscheiben an den unteren Teil und den oberen Teil oder mittleren Teil angebunden sein. Dehnstoffelemente mit einem flüssigem Ausdehnungsmittel, etwa ein Glycerin-Dehnelement, können besonders hohe Längenausdehnungen je Temperaturänderung erreichen, und vergleichsweise große Stellkräfte aufgrund der Inkompressibilität der enthaltenen Flüssigkeit bereitstellen.
Bei einer alternativen Weiterbildung umfassen die Stellelemente jeweils eine Differenzschraube, die mit einem ersten Gewindeabschnitt einer ersten Steigung in einem Gegengewinde im oberen Teil oder in einem mittleren Teil des Kolbens und mit einem zweiten Gewindeabschnitt einer zweiten Steigung in einem Gegengewinde im unteren Teil des Kolbens geführt ist, insbesondere wobei die Differenzschraube mit einem elektrischen Motor verstellbar ist. Mittels einer Differenzschraube kann auf einfache Weise eine Drehbewegung in eine Abstandsänderung entlang der Drehachse umgesetzt werden, entsprechend der Differenz der ersten und zweiten Steigung. Die Drehbewegung kann leicht motorisiert und automatisiert werden.
Ausführungsformen zu einem teilbaren Kolben und zum Herausnehmen des Grundkörpers
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der obere Teil lösbar, insbesondere aufliegend, am übrigen Kolben gelagert ist. Dadurch kann bei einem Wechsel der Bauzylinder-Anordnung in der Maschine der obere Teil (einschließlich Substrat und typischerweise einer zweiten Dichtung) im Grundkörper des Bauzylinders verbleiben, insbesondere um diesen zumindest provisorisch gegen die Umgebungsluft abzudichten, wohingegen der übrige, insbesondere untere Teil an der Maschine verbleibt und durch einen neuen oberen Teil und einen neuen Grundkörper ergänzt wird. Dadurch kann die Maschine nach Fertigstellung eines dreidimensionalen Objekts (Werkstücks) schnell für die Fertigung eines weiteren dreidimensionalen Objekts bereit gemacht werden. Der Grundkörper wird während der Fertigung des Objekts aufgrund des innenseitigen Isolationskörpers außenseitig nur geringfügig warm. Bei aufliegender Lagerung kann der übrige Teil des Kolbens leicht vom oberen Teil abgezogen werden, wenn der obere Teil im Grundkörper fixiert bzw. gehalten wird, etwa mit einem Riegelsystem.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, wobei der Kolben einen mittleren Teil aufweist, der mittels Stellelementen gegenüber dem unteren Teil ausrichtbar ist, die vorsieht,
dass der obere Teil drehfest am mittleren Teil des Kolbens aufliegend gelagert ist,
und dass der obere Teil mittels einer drehbetätigten Verspanneinrichtung auf dem mittleren Teil axial verspannbar ist. Mittels der Verspanneinrichtung kann wahlweise der obere Teil vom mittleren Teil gelöst werden, um den oberen Teil vom mittleren Teil abheben zu können, oder der obere Teil am mittleren Teil verspannt werden, um die axiale Position und Orientierung des oberen Teils für die Objektherstellung zu kontrollieren. Durch die drehfeste Auflage, etwa mittels eines Sperrstifts, wird die Drehbewegung der Verspanneinrichtung nicht auf das Substrat übertragen. Die Drehbetätigung ist in der Praxis günstig zu realisieren, insbesondere über eine von unten angreifende (am unteren Teil und/oder mittleren Teil ausgebildete) Mechanik.
Eine Weiterentwicklung zu dieser Weiterbildung sieht vor, dass die Verspanneinrichtung einen Riegel und eine Halterung umfasst,
dass im mittleren Teil des Kolbens der Riegel drehbar gelagert ist, wobei der Riegel in einer ersten Drehposition in die Halterung an der Unterseite des Substrats ein- und ausführbar ist, und wobei der Riegel in einer zweiten Drehposition die Halterung hintergreift,
und dass am Riegel und/oder an der Halterung eine oder mehrere Schrägflächen ausgebildet sind, so dass durch Drehen des Riegels in der Halterung von der ersten Position in die zweite Position das Substrat relativ zum Riegel nach unten gedrückt wird. In der ersten Drehposition kann der Riegel durch Abheben des oberen Teils vom mittleren Teil aus der Halterung herausgeführt werden, und durch Auflegen des oberen Teils auf den mittleren Teil in die Halterung eingeführt werden. In der ersten Drehposition kann somit der Kolben geteilt werden: Der meist noch heiße obere Teil verbleibt dabei typischerweise im Baukammer-Grundkörper und dichtet das Innere des zylindrischen Grundkörpers nach unten weitgehend ab; der Grundkörper mitsamt oberem Teil des Kolbens wird dann typischerweise aus der Maschine entfernt. Der mittlere Teil und der untere Teil des Kolbens verbleiben in der Maschine; nach Aufsetzen eines neuen Grundkörpers mit einem neuen oberen Teil und noch unbeschichtetem Substrat kann die Maschine rasch wieder betriebsbereit gemacht werden. In der zweiten Drehposition ist der obere Teil durch den Riegel, der in die Halterung eingedreht ist, am mittleren Teil verklemmt, und die Ausrichtung des mittleren Teils gegenüber dem unteren Teil mittels der Stellelemente bewirkt auch eine Ausrichtung des oberen Teils einschließlich des Substrats gegenüber der übrigen Maschine. Über die Riegelmechanik kann einfach und zuverlässig die Kopplung bzw. Entkopplung des oberen Teils gegenüber dem übrigen Kolben erfolgen. Der Riegel kann insbesondere näherungsweise hammerförmig (mit einem ausgreifenden Riegelkopf am oberen Ende einer Welle) ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist hierbei ein Führungselement vorgesehen, das am Riegel befestigt ist, wobei das Führungselement über ein Federelement am mittleren Teil oder unteren Teil abgestützt oder angehängt ist, und wobei das Federelement über das Führungselement den Riegel in eine axial nach unten gezogene Stellung vorspannt. Über das Federelement kann in der zweiten Drehposition des Riegels eine Mindesthaltekraft für das obere Teil, mit der dieses auf das mittlere Teil zu gezogen wird, eingerichtet werden. Der Riegel ist hierbei im mittleren Teil axial verschieblich gelagert. Es kann ein Drehanschlag für den Riegel zur Definition der zweiten Drehposition eingerichtet sein. Das Federelement ist bevorzugt eine Druckfeder, die zwischen dem Führungselement und dem mittleren Teil angeordnet ist. Das Führungselement kann als ein gerades Zahnstirnrad ausgebildet sein, das in ein Getriebe des unteren Teils zur Betätigung des Riegels eingreift, wobei ein axialer Versatz des Führungselements gegenüber dem unteren Teil infolge einer Drehbewegung des Riegels das Führungselement nicht mit dem Getriebe außer Eingriff bringt.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der die Verspanneinrichtung ein zylindrisches oder konisches erstes Gewindeelement, insbesondere gelagert am mittleren Teil, und ein konisches zweites Gewindeelement, insbesondere ausgebildet an der Unterseite des Substrats, umfasst, wobei zum Verspannen des mittleren Teils und des oberen Teils die Gewindeelemente miteinander verschraubbar sind. Mittels des mindestens einen konischen Gewindeelements ist auf einfache Weise eine Verspannung möglich, wobei der Verschraubungsweg inhärent begrenzt ist, was für die Definition einer verspannten Position genutzt wird.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der obere Teil weiterhin einen Klemmring und eine zweite Dichtung aus Filz- oder Gewebematerial, insbesondere aus keramischem Filz- oder Gewebematerial, umfasst, wobei die zweite Dichtung den oberen Teil des Kolbens gegen die Innenseite des Grundkörpers zumindest dicht für das pulverförmige Material abdichtet, und wobei der Klemmring und das Substrat fest miteinander verbunden sind, insbesondere im Presssitz, und die zweite Dichtung zwischen dem Substrat und dem Klemmring eingeklemmt ist. Mittels der zweiten Dichtung wird verhindert, dass das pulverförmige Material in den Bereich des unteren Teils des Kolbens vordringt. Zusätzlich kann die zweite Dichtung eine provisorische (aber in der Regel nicht vollständige) Abdichtung zwischen Grundkörper und Substrat gegen die Umgebungsluft bewirken, etwa bei einem Wechsel des Grundkörpers und Substrats an der Maschine. Die zweite Dichtung ist bevorzugt aus schlecht wärmeleitendem Material, etwa Al₂O₃-Fasern oder Al₂O₃-Filz, ausgebildet. Über den Klemmring kann die zweite Dichtung auf einfache Weise zuverlässig befestigt werden.
Vorteilhafter Weise ist bei einer Ausführungsform, bei der der obere Teil lösbar am übrigen Kolben gelagert ist, vorgesehen, dass am Grundkörper ein radial aus- und einfahrbares Riegelsystem ausgebildet ist, mit dem der obere Teil des Kolbens in einer Verfahrposition des Kolbens am unteren Ende des Grundkörpers untergriffen werden kann, so dass beim Lösen des oberen Teils vom übrigen Kolben der obere Teil im Grundkörper gehalten wird. Das Riegelsystem erleichtert das Separieren des Kolbens beim Wechsel von Grundkörper und Substrat in der Maschine. Das Herausfallen des oberen Teils aus dem Grundkörper wird verhindert, und der übrige Teil des Kolbens kann bei untergriffenem oberen Teil einfach nach unten abgezogen werden. Das Riegelsystem greift typischerweise zwischen dem oberen Teil und dem mittleren Teil des Kolbens ein, insbesondere unterhalb eines Klemmrings.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, die vorsieht, dass der Grundkörper einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Außenkörper umfasst, insbesondere aus Metall,
dass der Isolationskörper mittels wenigstens einer Stopfbuchse, insbesondere aus keramischem Gewebe oder Filz, im Außenkörper verklemmt ist,
und dass zumindest über einen Teil der axialen Erstreckung des Grundkörpers zwischen dem Außenkörper und dem Isolationskörper eine thermische Isolationsstruktur, insbesondere aus Keramik, angeordnet ist. Bei dieser Bauform ist eine Erwärmung der Außenseite des Grundkörpers minimiert, was den Wechsel des Grundkörpers und Substrats nach Abschluss der Fertigung eines Objekts erleichtert und beschleunigt.
Erfindungsgemäße Maschine und Ausführungsformen zur Vermessung der Substratausrichtung
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material, umfassend

– eine Prozesskammer, an der eine Vorratszylinder-Anordnung für das pulverförmige Material und eine Bauzylinder-Anordnung für ein Substrat zum Aufwachsen der dreidimensionalen Objekte angeschlossen sind, und in welcher ein Schieber zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Materials aus der Vorratszylinder-Anordnung auf einem Substrat der Bauzylinder-Anordnung angeordnet ist,
– einen Bearbeitungslaser zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls oder eine Einkoppeleinrichtung für einen Bearbeitungslaserstrahl, und
– eine Scanneroptik zum Scannen des Bearbeitungslaserstrahls über das Substrat,

₂

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine ist eine Messeinrichtung, insbesondere optische Messeinrichtung, vorhanden, mit der die Ausrichtung des Substrats gegenüber der Maschine bestimmbar ist. Dadurch kann ein Justagebedarf der Ausrichtung (insbesondere Orientierung, Verkippungslage) des Substrats erkannt werden und bevorzugt automatisiert eine entsprechende Justage über geeignete Stellelemente vorgenommen werden. Die Vermessung des Substrats erfolgt bevorzugt im heißen Zustand des Substrats, nötigenfalls auch wiederholt während der Fertigung der dreidimensionalen Objekte. Eine berührungslose optische Messung ist hierfür besonders gut geeignet. Besonders geeignet ist eine Triangulationsmessung an wenigstens zwei, bevorzugt drei Stellen des Substratrandes.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Messeinrichtung wenigstens zwei, insbesondere drei, Laserdioden umfasst, die jeweils eine Laserlinie an verschiedenen Stellen auf einen Spalt zwischen einer Referenzfläche, insbesondere einem Boden, der Prozesskammer und dem Substrat projizieren, wobei die Laserlinie unter einem spitzen Winkel,
insbesondere unter einem Winkel zwischen 15° und 60°, gegenüber der Referenzfläche der Prozesskammer projiziert wird,
und dass die Messeinrichtung ein Kamerasystem umfasst, mit dem ein Linienversatz in den jeweiligen Laserlinien erfasst werden kann. Mit Triangulationsmessung ist auf einfache Weise eine Bestimmung der Verkippung des Substrats gegenüber der Referenzfläche (etwa dem Boden) der Prozesskammer möglich. Die jeweilige Laserlinie ist bevorzugt näherungsweise senkrecht zum lokalen Spaltverlauf ausgerichtet, um den Linienversatz zu maximieren. Über eine automatische Steuereinrichtung können die Stellelemente so justiert werden, dass der Linienversatz in allen Laserlinien minimiert (oder jeweils die Differenz zu einem vorgegebenen Sollwert minimiert) wird, womit eine Nivellierung des Substrats erreicht werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung hierzu umfasst das Kamerasystem eine Kamera, deren Strahlengang durch die Scanneroptik gerichtet ist, so dass durch Umschalten einer Scanposition der Scanneroptik mit dieser Kamera die verschiedenen Stellen auf dem Spalt einzeln erfassbar sind. In diesem Fall können mit einer Kamera ohne zusätzliche Bauteile alle Linienversätze mit hoher Präzision erfasst werden. Die Scanneroptik (auch genannt Laserscanner) wird nicht nur durch den Bearbeitungslaserstrahl genutzt, sondern auch in die Lagebestimmung des Substrats integriert und somit effizient doppelt genutzt.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der für jedes Stellelement jeweils eine von einer Laserdiode projizierte Laserlinie vorgesehen ist, wobei jeweils das Stellelement und die zugehörige Laserlinie näherungsweise an derselben Winkelpositionen des Substrats angeordnet sind. Dadurch wird die Steuerung der Nivellierung des Substrats vereinfacht; jedes Stellelement kann über die zugehörige Laserlinie bzw. den dortigen Linienversatz im Wesentlichen unabhängig von der oder den anderen Linienversätzen eingestellt werden.
Zugehöriges Betriebsverfahren
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Maschine, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während und/oder nach einem Auftrag einer Schicht des pulverförmigem Materials auf dem Substrat und/oder dem teilweise gefertigten dreidimenionalen Objekt zumindest die Schicht des pulverförmigen Materials auf eine Temperatur von wenigstens 500°C aufgeheizt wird, und der Bearbeitungslaserstrahl die aufgeheizte Schicht unter Luftausschluss bearbeitet,
insbesondere wobei während mehrerer Zyklen von Absenken des Kolbens im Grundkörper um eine Schichtdicke, Auftragen einer Schicht von pulverförmigem Material und Bearbeitung der Schicht das Substrat auf eine Temperatur von wenigstens 500°C erwärmt bleibt. Mit der erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung ist es möglich, auch bei hoher Bearbeitungstemperatur eine gasdichte Abdichtung der Bauzylinder-Anordnung und damit der Prozesskammer während der Laserbearbeitung zu gewährleisten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, geschnittene Schrägansicht des oberen Endbereichs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung mit Grundkörper und Kolben;
2 eine schematische, geschnittene Schrägansicht des Kolbens von 1, dargestellt mit durchscheinendem Substrat;
3a eine schematische Schrägansicht auf eine Verspanneinrichtung des Kolbens von 1, mit einem Riegel in einer ersten Drehposition (Abhebeposition);
3b eine schematische Schrägansicht auf die Verspanneinrichtung von 3a, mit dem Riegel in einer zweiten Drehposition (Verriegelungsposition);
4 eine schematische, geschnittene Schrägansicht des unteren Endbereichs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung, wobei nur ein oberer Teil des Kolbens im Grundkörper gehalten ist;
5 einen schematische, geschnittene Teilansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung, mit einer Differenzschraub als Stellelement;
6 eine schematische, geschnittene Schrägansicht eines Glycerin-Dehnelements für eine erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung;
7 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte;
8a eine schematische Aufsicht auf ein Substrat in einer erfindungsgemäßen Maschine, während einer Triangulationsmessung;
8b eine Seitenansicht auf Substrat und Maschine von 8a;
9 eine schematische, geschnittene Teilansicht eines Kolbens für die Erfindung, mit einer flexiblen metallischen Feder als Kontaktelement.
Die 1 zeigt den oberen Endbereich einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung 1, umfassend einen im Wesentlichen zylinderrohrförmigen Grundkörper 2 und einen im Grundkörper entlang einer Zylinderachse 3 verfahrbaren Kolben 4.
Der Grundkörper 2 ist innenseitig mit einem zylinderrohrförmigen Isolationskörper 5 aus einem opaquen Quarzglas ausgebildet. Das Quarzglas weist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/(m·K) auf.
Der Isolationskörper 5 ist von einem Spannring 6 gehalten, der mit einem Kühlwasserkanal 7 ausgebildet ist und über eine Stopfbuchse 8 aus einem keramischen Gewebe (etwa Al₂O₃-Gewebe) den Isolationskörper 5 verklemmt. Der Isolationskörper 5 ist im übrigen von einem zylinderrohrförmigen Außenkörper 9, hier ausgebildet aus Stahl, umgeben. Zwischen dem Außenkörper 9 und dem Isolationskörper 5 ist eine thermische Isolationsstruktur 10, hier aus Keramikfasermatten, angeordnet.
Der Grundkörper 2 ist weiterhin mit Hakenelementen 11 ausgestattet, mit denen der Grundkörper 2 in einer Maschine zur Fertigung dreidimensionaler Objekte leicht eingehängt (und wieder ausgehängt) werden kann.
Der Kolben 4 ist hier mit einem oberen Teil 12, einem mittleren Teil 13 und einem unteren Teil 14 ausgebildet.
Der untere Teil 14 umfasst im Wesentlichen einen Sockel 15, an der eine Hubeinrichtung 16 angreift, und eine Kühlplatte 17, in der als Kühleinrichtung 18 ein Ringkanal für Kühlwasser ausgebildet ist. An der Kühlplatte 17 ist eine erste Dichtung 20 aus Elastomermaterial angeordnet, die zwischen der Kühlplatte 17 und dem Isolationskörper 5 einen gasdichten Verschluss bildet.
Der obere Teil 12 umfasst im Wesentlichen ein Substrat 21, auf dem oberseitig ein dreidimensionales Objekt (nicht dargestellt) schichtweise aufgebaut werden kann, weiter einen Klemmring 22, der radial auf dem Substrat 21 aufsitzt, und eine zweite Dichtung 23 aus einem keramischen Gewebematerial, etwa Al₂O₃-Gewebematerial. Die zweite Dichtung 23 ist hier zwischen dem Substrat 21 und dem Klemmring 22 axial eingeklemmt und drückt radial nach außen gegen den Isolationskörper 5, so dass pulverförmiges Material (nicht dargestellt), das zum Aufwachsen des dreidimensionalen Objekts auf dem Substrat 21 eingesetzt wird, zurückgehalten wird.
Der mittlere Teil 13 umfasst im Wesentlichen eine metallische Grundplatte 24, eine drauf angeordnete keramische Isolationsplatte 25 und eine Heizeinrichtung 26, hier ausgebildet mit mehreren Infrarot-Heizwendeln 27.
Die Heizeinrichtung 26 ist axial zwischen dem Substrat 21 und der keramischen Isolationsplatte 25 angeordnet. Die Unterseite des Substrats 21 ist hier mit einer Infrarot-Absorptionsschicht 28 aus Schwarzchrom versehen, mit der ca. 90% der auftreffenden IR-Strahlung der Heizwendeln 27 absorbiert werden können. Die Oberseite der Isolationsplatte 25 ist hier hingegen mit einer IR-Refektionsschicht 29, hier einer spiegelnden Metallschicht, versehen, die ca. 90% der auftreffenden IR-Strahlung reflektiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der Hauptteil der Heizleistung der Heizeinrichtung 26 das Substrat 21 erwärmt, wobei typischerweise zwischen 500°C und 1000°C erreicht werden können, und nur ein geringer Teil der Heizleistung in den unteren Teil 14 des Kolbens 4 eingebracht wird.
Zwischen den Kontaktbereichen zum Isolationskörper 5 der ersten Dichtung 20 und der zweiten Dichtung 23 liegt zur thermischen Isolation ein axialer Abstand 110 von hier ca. 5 cm; im Allgemeinen ist ein axialer Abstand 110 von 3 cm oder mehr, bevorzugt 5 cm oder mehr eingerichtet. Der axiale Abstand 110, zusammen mit dem schlecht wärmeleitenden Material des Isolationskörpers, begrenzt die Erwärmung der ersten Dichtung 20 über den Isolationskörper 5, was die Verwendung von Elastomermaterial an der ersten Dichtung ermöglicht.
Der obere Teil 12 des Kolbens 4 liegt über Keramikbauteile, hier einen Keramikring 30 und Keramikscheiben 31, auf dem mittleren Teil 13 auf, was die thermische Isolation des oberen Teils 12 weiter verbesssert.
Der obere Teil 12 ist dabei drehfest bezüglich der Zylinderachse 3 gelagert, etwa durch einen Indexierstift (nicht dargestellt). Im Fertigungsbetrieb für das dreidimensionale Objekt ist der obere Teil 12 mit dem mittleren Teil 13 verspannt, und für einen Wechsel der Bauzylinder-Anordnung 1 in der Maschine kann der obere Teil 12 vom mittleren Teil 13 abgehoben werden, wofür eine drehbetätigte Verspanneinrichtung eingesetzt werden kann.
Diese Verspanneinrichtung 32 wird zunächst anhand der 2 näher erläutert. Die Verspanneinrichtung 32 basiert auf dem Zusammenwirken eines an der metallischen Grundplatte 24 axial verschiebbaren und drehbaren Riegels 33 und einer Halterung 34, die an der Unterseite des Substrats (in 2 für eine bessere Übersichtlichkeit nicht dargestellt) ausgebildet bzw. angeordnet ist. Der Riegel 33 (in dem hier auch ein Temperaturfühler 39 angeordnet ist) ist unterenends an einem Führungselement 35 drehfest befestigt, wobei das Führungselement 35 mit einer Verzahnung versehen ist und über ein Getriebe 37 gedreht werden kann. Die Verzahnung ist gerade ausgebildet, damit das Führungsbauteil 35 axial gegenüber dem Getriebe 37 verfahrbar ist, wobei stets ein gegenseitiger Eingriff verbleibt. Das Getriebe 37 ist hier von unterhalb des unteren Teils 14 mit einem Elektromotor 38 betätigbar. Das Führungselement 35, und damit auch der Riegel 33, wird weiterhin über ein Federelement 36, hier eine Druckfeder, in eine nach unten gezogene Stellung vorgespannt. Das Federelement 36 stützt sich oberenends an der metallischen Grundplatte 24, also am mittleren Teil 13, ab.
In einer ersten Drehposition des Riegels 33, dargestellt in 3a, ist der Riegel 33 mit seinem oberen Ende (Riegelkopf) außer Eingriff mit der Halterung 34, die hier aus zwei einander gegenüberliegenden und voneinander beabstandeten Halbscheiben besteht. Bei dieser Drehposition kann der obere Teil 12 einschließlich der Halterung 34 vom übrigen Kolben, also dem mittleren Teil 13 und dem unteren Teil 14, abgehoben werden.
In einer zweiten Drehposition des Riegels 33, dargestellt in 3b, hintergreift der Riegel 33 mit seinem oberen Ende die Halterung 34. Durch eine Schrägfläche 33a ist dabei der Riegel 33 auf die Halterung 34 aufgeglitten und hat diese bei der Drehbewegung allmählich (relativ zum Riegelkopf) nach unten gedrückt.
Das Auftrennen des Kolbens in der ersten Drehposition des Riegels erfolgt typischerweise nach Fertigstellung eines dreidimensionalen Objekts auf dem Substrat 21, wenn der Kolben in einer im Grundkörper 2 axial nach unten gefahrenen Position angekommen ist, und der obere Teil 12 noch heiß ist, vgl. hierzu 4. Der mittlere und untere Teil des Kolbens soll rasch für die Herstellung eines weiteren dreidimensionalen Objekts zur Verfügung stehen, wohingegen der (innen) noch heiße Grundkörper 2 und der noch heiße obere Teil 12 abseits der Maschine abkühlen sollen, wofür der obere Teil 12 im Grundkörper 2 verbleiben soll.
An unteren Ende des Grundkörpers 2 ist ein Riegelsystem 100 mit mehreren Riegelstegen 101 vorgesehen, die über einen Ringbetätiger 102 gemeinsam radial eingeschwenkt und ausgeschwenkt werden können. Die Riegelstege 101 können bei geeigneter axialer Verfahrposition des Kolbens unter dem Klemmring 22 des oberen Teils 12 (bzw. zwischen oberem Teil 12 und unterem Teil des Kolbens) einschwenken und so den Klemmring 22 untergreifen. Der obere Teil 12 kann dann vom mittleren Teil (bei erster Drehposition des Riegels) abgehoben werden, was in der Praxis meist durch ein Absenken des mittleren und unteren Teils des Kolbens erfolgt.
In der in 4 gezeigten Situation hält das Riegelsystem 100 mit den eingeschwenkten Riegelstegen 101 den oberen Teil 12 des Kolbens im Grundkörper 2.
Die 5 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung 1, wobei vom Grundkörper 2 nur der Isolierkörper 5 und vom Kolben 4 nur ein linksseitiger Teil dargestellt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der mittlere Teil 13 des Kolbens 4 über drei Stellelemente 40 am unteren Teil 14 des Kolbens 4 gelagert; im Ausschnitt von 5 ist nur eines der Stellelemente 40 im Schnitt zu sehen.
Das Stellelement 40 ist hier als eine Differenzschraube 41 ausgebildet, die mit einem ersten Gewindeabschnitt 42 einer ersten (hier kleinen) Steigung in ein Gegengewinde 43 am mittleren Teil 13 geführt ist, und mit einem zweiten Gewindeabschnitt 44 einer zweiten (hier großen) Steigung in einem Gegengewinde 45 am unteren Teil 14 geführt ist. Durch Drehen der Differenzschraube 41 um ihre Schraubenachse 46, etwa manuell mit einem Inbusschlüssel oder automatisiert mit einem elektrischen Motor (nicht dargestellt) kann der Abstand 47 zwischen der metallischen Grundplatte 24 des mittleren Teils 13 und der Kühlplatte 17 des unteren Teils 14 im Bereich der Differenzschraube 41 eingestellt werden.
Durch eine Justage der insgesamt drei Stellelemente 40, die typischerweise gleichmäßig verteilt um die Zylinderachse der Bauzylinder-Anordnung 1 angeordnet sind, kann die Kipplage das Substrat 21 relativ zum Grundkörper 2 und relativ zur gesamten Maschine, in der das dreidimensionale Objekt gefertigt wird, ausgerichtet werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist an der Kühlplatte 17 nicht nur eine erste Dichtung 20 aus Elastomermaterial, etwa aus vulkanisiertem Naturkautschuk, vorgesehen, sondern auch als flexibles Kontaktelement eine Stopfpackung 48 aus einem Gewebe oder Filz aus Graphitfasern (oder einem anderen, hitzebeständigen und gut wärmeleitenden Material). Diese Stopfpackung 48 überträgt Kühlleistung der Kühleinrichtung 18, hier einem Kühlwasserkanal, von der Kühlplatte 17 auf den Isolationskörper 5 oberhalb der ersten Dichtung 20. Dadurch wird der Wärmeeintrag in die erste Dichtung 20 reduziert. Ein Großteil der durch die Heizeinrichtung 26 (insbesondere über das Substrat 21 und die zweite Dichtung 23) in den Isolationskörper 5 eingebrachten Wärme wird durch die Stopfpackung 48 (die zwischen erster Dichtung 20 und zweiter Dichtung 23 innenseitig am Isolationskörper 5 anliegt) dem Isolationskörper 5 wieder entzogen, bevor sie die erste Dichtung 20 bzw. deren Elastomermaterial beeinträchtigen oder beschädigen kann.
Die 6 zeigt ein Stellelement 40 für eine erfindungsgemäße Bauzylinder-Anordnung 1, das als ein Ausdehnungselement 50, hier als Glycerin-Dehnelement, ausgebildet ist. In einer Expansionskammer 51 ist eine Dehnflüssigkeit, hier Glycerin, angeordnet. Radial um die Ausdehnungskammer 51 ist ein Heizelement 52, hier eine Widerstandsheizung umfassend eine Wicklung aus Kupferdraht, angeordnet. In einer Messausnehmung 53 nahe der Expansionskammer 51 wird ein Thermoelement (nicht dargestellt, etwa vom Typ TP100) angeordnet, um die Temperatur der Dehnflüssigkeit in der Expansionskammer 51 zu kontrollieren. Je nach deren Temperatur wird ein Stempel 54, der sich endseitig an die Expansionskammer 51 anschließt, mehr oder weniger weit von der Dehnflüssigkeit axial aus dem Ausdehnungselement 50 herausgedrückt. Dadurch kann die Länge 55 des Ausdehnungselements 50 verändert werden. Die Länge 55 des Ausdehnungselements 50 kann über den elektrischen Strom an der Widerstandsheizung leicht kontrolliert werden. Typischerweise liegt am Stempel 54 das mittlere Teil oder obere Teil eines Kolbens auf, und das übrige Ausdehnungselement 50 wird im unteren Teil gehalten. Der Kontakt mit dem Kolben kann über Keramikscheiben erfolgen.
Die 7 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine 70 zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 71 (oder auch mehrerer dreidimensionaler Objekte).
Die Maschine 70 umfasst eine gasdichte Prozesskammer 72, die in nicht näher dargestellter Weise mit einem Inertgas, etwa Stickstoff oder einem Edelgas wie Argon, gefüllt und/oder gespült werden kann.
An die Prozesskammer 72 angeschlossen ist eine Vorratszylinder-Anordnung 73 für ein pulverförmiges Material 74 (gepunktet dargestellt), aus dem das dreidimensionale Objekt 71 durch Lasersintern oder Laserschmelzen gefertigt wird. Das pulverförmige Material 74 kann beispielsweise aus Metallpartikeln mit einer mittleren Korngröße (D50) von 25–100 μm bestehen. Durch schrittweises Hochfahren eines Pulver-Kolbens 75 mit einer Pulver-Hubeinrichtung 76 wird eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 74 über das Niveau des Bodens 78 der Prozesskammer 72 angehoben, so dass mit einem motorisch betätigbaren Schieber 77 diese kleine Menge zur einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung 1 (etwa ausgebildet wie in 1 dargestellt) verbracht werden kann.
Die ebenfalls an die Prozesskammer 72 angeschlossene Bauzylinder-Anordnung 1 verfügt über den Kolben 4, auf dem oberseitig (auf dem Substrat, nicht näher dargestellt) das dreidimensionale Objekt 71 aufgebaut wird. Jeweils vor der Fertigung einer neuen Schicht des dreidimensionalen Objekts 71 wird der Kolben 4 mit einer Hubeinrichtung 16 um einen Schritt abgesenkt, und eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 74 wird mit dem Schieber 77 in die Bauzylinder-Anordnung 1 gestrichen.
Sodann wird die neu aufgetragene Pulverschicht von oben mit einem Bearbeitungslaserstrahl 80 (hier aus einem lokalen Bearbeitungslaser 81 und durch ein Fenster 83 in die Prozesskammer 72 eindringend) an Stellen, die für eine lokale Verfestigung (Aufschmelzen, Aufsintern) des pulverförmigen Materials 74 vorgesehen sind, lokal beleuchtet und dadurch lokal stark erwärmt. Der Bearbeitungslaserstrahl 80 wird dabei durch eine Scanneroptik 82 (insbesondere enthaltend einen oder mehrere Spiegel, die insgesamt um wenigstens zwei Achsen verschwenkbar sind) über das Substrat geführt (gerastert).
Danach werden weitere Schichten gefertigt, bis das dreidimensionale Objekt fertiggestellt ist. Überschüssiges pulverförmiges Material 74 kann mit dem Schieber 77 in einen Sammelbehälter 74a gestrichen werden.
Nachdem das dreidimensionale Objekt 71 fertiggestellt ist, kann die Bauzylinder-Anordnung 1 (bevorzugt nach Verschluss der Zugangsöffnung der Prozesskammer 72 zur Bauzylinder-Anordnung 1 von der Prozesskammer 72 aus, um die Inertgasatmosphäre in der Prozesskammer 72 zu wahren) abgekoppelt (etwa ausgehakt) und entfernt werden, und durch eine neue Bauzylinder-Anordnung ersetzt werden. Typischerweise verbleibt dabei ein mittlerer und unterer Teil des Kolbens 4 an der Maschine 1 bzw. an der Hubeinrichtung 76 und wird auch mit der neuen Bauzylinder-Anordnung genutzt (d. h. nur der Grundkörper und der obere Teil des Kolbens der Bauzylinder-Anorndung 1 werden getauscht). Dadurch kann die Maschine 1 schnell wieder in Betrieb gehen.
Vor dem Beginn einer Laserbearbeitung des pulverförmigen Materials 74 auf dem Substrat sollte das pulverförmige Material 74 erwärmt werden, um die Bearbeitungsqualität zu erhöhen. Dabei kann es zu einem thermischen Verformen, insbesondere Verkippen, des Substrats in der Bauzylinder-Anordnung 1 kommen. Um eine solche Verformung erfassen zu können, ist in der Maschine 70 eine Messeinrichtung 84 vorgesehen, die hier im Wesentlichen eine Kamera 85 und drei Laserdioden 86 jeweils zur Erzeugung einer Laserlinie umfasst (in 7 ist zur Vereinfachung nur eine Laserdiode 86 dargestellt). Der Strahlengang 87 der Kamera 85 wird dabei unter Nutzung eines halbtransparenten Spiegels 88 teilweise parallel zum Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahl 80 geführt (wobei dann der Bearbeitungslaserstrahl 80 abgeschaltet ist), so dass die Scanneroptik 82 auch mit dem Strahlengang 87 der Kamera 85 genutzt werden kann. Durch Umschaltung der Scanposition der Scanneroptik 82 können dann verschiedene Stellen, die von den Laserdioden 86 beleuchtet werden, gezielt ausgewählt und mit der Kamera in hoher Auflösung erfasst werden.
In der 8a wird beispielhaft das angewandte Messprinzip in einer Aufsicht auf das Substrat 21 näher erläutert. Die Laserdiode 86 richtet eine Laserlinie 91 auf einen Spalt 89 zwischen dem Substrat 21 und einer Referenzfläche 90 der Prozesskammer, etwa dem Boden der Prozesskammer. Die Laserlinie 91 verläuft bevorzugt näherungsweise senkrecht zum lokalen Spalt 89. Im Falle eines Höhenversatz zwischen dem Substrat 21 und der Referenzfläche 90 weist die (projizierte) Laserlinie 91 von oben gesehen und näherungsweise parallel zur lokalen Richtung des Spalts 89 einen Linienversatz 92 auf. Dieser kann von der Kamera, wenn diese mittels der Scanneroptik auf die Stelle 93 gerichtet ist, mit einer automatischen Bilderkennung leicht erfasst werden und elektronisch verarbeitet werden, insbesondere für eine automatische Stellelementsteuerung.
Mittels weiterer Laserdioden (nicht dargestellt) wird auch an den Stellen 94, 95 jeweils ein Linienversatz in gleicher Weise bestimmt; die Stellen 93, 94, 95 auf dem Spalt 89 sind gleichmäßig (d. h. mit ca. 120° Winkelversatz) um die Zylinderachse 3 verteilt. Dadurch kann die Neigung des Substrats 21 insgesamt erfasst werden, und durch gleichzeitige Minimierung aller Linienversätze 92 eine Nivellierung des Substrats 21 (d. h. eine ebene Ausrichtung des Substrats 21, relativ zur übrigen Maschine bzw. Prozesskammer) erreicht werden.
In der gezeigten Bauform ist im Kolben, unterhalb des Substrats 21, an den Winkelpositionen, die den vermessenen Stellen 93, 94, 95 entsprechen, jeweils ein Stellelement 40 vorgesehen, so dass die Steuerung eines jeweiligen Stellelements 40 über den Linienversatz 92 der zugehörigen vermessenen Stelle 93, 94, 95 direkt erfolgen kann.
Die 8b illustriert noch einmal in einer Seitenansicht die Geometrie bei der Triangulationsmessung im Rahmen der Erfindung. Der linienhafte Messlaserstrahl 97 aus der Laserdiode 86 trifft unter einem spitzen Winkel 98 von hier ca. 45° auf den Spalt 89. Ein erster Teil der projizierten Laserlinie 91 liegt an der Oberseite des Substrats 21, und ein zweiter Teil der projizierten Laserlinie 91 liegt an der Oberfläche der Referenzfläche 90, mit einem (horizontalen) Linienversatz 92. Der Höhenversatz 96 zwischen Oberseite des Substrats 21 und der Oberseite der Referenzfläche 90 kann aus dem Linienversatz 92 und dem Winkel 98 leicht bestimmt werden, mit Höhenversatz (96) / Linienversatz (92) = tan(Winkel (98)).
Bei verschwindendem Linienversatz 92 verschwindet auch der Höhenversatz 96. Verschwindet der Höhenversatz 96 bei allen drei vermessenen Stellen, so ist das Substrat 21 nivelliert.
Man beachte, dass anstatt eines verschwindenden Höhenversatzes 96 auch ein an allen vermessenen Stellen gleicher Höhenversatz eingestellt werden kann, um das Substrat 21 zu nivellieren.
9 zeigt eine geschnittene Teilansicht eines Kolbens 4 für die Erfindung. Am unteren Teil 14 ist hier oberhalb der ersten Dichtung 20 als flexibles Kontaktelement eine umlaufende, flexible metallische Feder 120 angeordnet, mit der Kühlleistung von der Kühleinrichtung 18 (hier einem Kühlwasserkanal) durch die Kühlplatte 17 radial nach außen in den Isolationskörper (nicht dargestellt) übertragen werden kann, um die Temperatur des Isolationskörpers im Bereich der anliegenden ersten Dichtung 20 zu senken. Die flexible metallische Feder 120 ist leicht zu installieren, kostengünstig und verschleißarm.
Bezugszeichenliste

1: Bauzylinder-Anordnung
2: Grundkörper
3: Zylinderachse
4: Kolben
5: Isolationskörper
6: Spannring
7: Kühlwasserkanal
8: Stopfbuchse
9: Außenkörper
10: Isolationsstruktur
11: Hakenelemente
12: oberer Teil
13: mittlerer Teil
14: unterer Teil
15: Sockel
16: Hubeinrichtung
17: Kühlplatte
18: Kühleinrichtung
20: erste Dichtung
21: Substrat (Bauplattform)
22: Klemmring
23: zweite Dichtung
24: Grundplatte
25: keramische Isolationsplatte
26: Heizeinrichtung
27: Heizwendel
28: IR-Absorptionsschicht
29: IR-Reflexionsschicht
30: Keramikring
31: Keramikscheiben
32: Verspanneinrichtung
33: Riegel
33a: Schrägfläche
34: Halterung
35: Führungselement
36: Federelement
37: Getriebe
38: Elektromotor
39: Temperaturfühler
40: Stellelement
41: Differenzschraube
42: erster Gewindeabschnitt
43: Gegengewinde
44: zweiter Gewindeabschnitt
45: Gegengewinde
46: Schraubenachse
47: Abstand
48: Stopfpackung
50: Ausdehnungselement
51: Ausdehnungskammer
52: Heizelement
53: Messausnehmung
54: Stempel
55: Länge
70: Maschine
71: dreidimensionales Objekt
72: Prozesskammer
73: Vorratszylinder-Anordnung
74: pulverförmiges Material
74a: Sammelbehälter
75: Pulver-Kolben
76: Pulver-Hubeinrichtung
77: Schieber
78: Boden
80: Bearbeitungslaserstrahl
81: Bearbeitungslaser
82: Scanneroptik (Laserscanner)
83: Fenster
84: Messeinrichtung
85: Kamera
86: Laserdiode
87: Strahlengang der Kamera
88: halbdurchlässiger Spiegel
89: Spalt
90: Referenzfläche
91: Laserlinie
92: Linienversatz
93: Stelle
94: Stelle
95: Stelle
96: Höhenversatz
97: Messlaserstrahl
98: Winkel
100: Riegelsystem
101: Riegelstege
102: Ringbetätiger
110: axialer Abstand
120: flexible metallische Feder

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

EP 2732890 A2 [0002, 0005]
WO 2011/082812 A1 [0007]
US 2013/0004680 A1 [0008]
EP 1347853 B1 [0009, 0011]

Claims

Bauzylinder-Anordnung (1) für eine Maschine (70) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (71) durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material (74), mit einem im Wesentlichen zylindermantelförmigen Grundkörper (2) und einem an einer Innenseite des Grundkörpers (2) entlang einer Zylinderachse (3) des Grundkörpers (2) verfahrbaren Kolben (4), wobei der Kolben (4) an seiner Oberseite ein Substrat (21) für das Aufwachsen der dreidimensionalen Objekte (71) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Isolationskörper (5) umfasst, der zumindest die Innenseite des Grundkörpers (2) ausbildet, wobei der Isolationskörper (5) aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit λ_IK besteht, mit λ_IK ≤ 3 W/(m·K), dass der Kolben (4) mit einem oberen Teil (12) und einem unteren Teil (14) ausgebildet ist, wobei der obere Teil (12) das Substrat (21) umfasst, und wobei der untere Teil (14) eine Kühleinrichtung (18), insbesondere ein Kühlwasser-Kanalsystem, aufweist, und dass am unteren Teil (14) eine erste Dichtung (20) aus Elastomermaterial vorgesehen ist, mit der der untere Teil (14) des Kolbens (4) gegen die Innenseite des Grundkörpers (2) gasdicht abgedichtet ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Isolationskörpers (5) eine Keramik oder ein Glas, bevorzugt Quarzglas, besonders bevorzugt opakes Quarzglas, ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) eine Heizeinrichtung (26) aufweist, mit der das Substrat (21) beheizbar ist, insbesondere auf eine Temperatur von 500°C oder mehr, wobei die Heizeinrichtung (26) unterhalb des Substrats (21) und oberhalb des unteren Teils (14) des Kolbens (4), welcher die Kühleinrichtung (18) aufweist, angeordnet ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (26) ein oder mehrere Infrarot-Heizelemente, insbesondere Heizwendel (27), umfasst, dass oberhalb des einen oder der mehreren Heizelemente eine Infrarot-Absorptionsschicht (28) mit einem Infrarot-Absorptionsvermögen von 0,8 oder mehr vorgesehen ist, insbesondere wobei die Infrarot-Absorptionsschicht (28) aus Schwarzchrom oder Titan-Aluminium-Nitrid besteht, und dass unterhalb des einen oder der mehreren Infrarot-Heizelemente eine Infrarot-Reflexionsschicht (29) mit einem Infrarot-Reflexionsvermögen von 0,8 oder mehr vorgesehen ist, insbesondere wobei die Infrarot-Reflexionsschicht (29) eine spiegelnde Metallschicht oder eine spiegelnde Keramikschicht umfasst.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Absorptionsschicht (28) an der Unterseite des Substrats (21) ausgebildet oder angeordnet ist, und dass die Infrarot-Reflexionsschicht (29) an der Oberseite einer keramischen Isolationsplatte (25) ausgebildet oder angeordnet ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Teil (14) oberhalb der ersten Dichtung (20) ein flexibles Kontaktelement, insbesondere eine Stopfpackung (48) aus einem Graphitgewebe oder Graphitfilz oder eine flexible metallische Feder (120), vorgesehen ist, das an der Innenseite des Isolationskörpers (5) anliegt.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) wenigstens zwei, bevorzugt drei, Stellelemente (40) aufweist, mit denen zur Nivellierung des Substrats (21) der obere Teil (12) gegenüber dem unteren Teil (14) ausrichtbar ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) weiterhin mit einem mittleren Teil (13) ausgebildet ist, wobei der obere Teil (12) am mittleren Teil (13) gelagert ist, insbesondere aufliegend gelagert ist, und dass mittels der Stellelemente (40) der mittlere Teil (13) gegenüber dem unteren Teil (14) ausrichtbar ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (40) jeweils ein Ausdehnungselement (50), dessen Länge (55) durch die Temperatur veränderlich ist, und ein elektrisches Heizelement (52), mit dem das Ausdehnungselement (50) beheizbar ist, aufweisen, so dass durch Einstellung der Temperatur des Ausdehnungselements (50) über das elektrische Heizelement (52) und unter Einwirkung der Kühleinrichtung (18) am jeweiligen Stellelement (40) ein lokaler Abstand (47) des oberen Teils (12) zum unteren Teil (14) oder mittleren Teil (13) einstellbar ist, insbesondere wobei das Ausdehnungselement (50) ein Metallstück aus einer Formgedächtnislegierung oder ein Glycerin-Dehnelement umfasst.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (40) jeweils eine Differenzschraube (41) umfassen, die mit einem ersten Gewindeabschnitt (42) einer ersten Steigung in einem Gegengewinde (43) im oberen Teil (12) oder in einem mittleren Teil (13) des Kolbens (4) und mit einem zweiten Gewindeabschnitt (44) einer zweiten Steigung in einem Gegengewinde (45) im unteren Teil (14) des Kolbens (4) geführt ist, insbesondere wobei die Differenzschraube (41) mit einem elektrischen Motor verstellbar ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (12) lösbar, insbesondere aufliegend, am übrigen Kolben (4) gelagert ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (12) drehfest am mittleren Teil (13) des Kolbens (4) aufliegend gelagert ist, und dass der obere Teil (12) mittels einer drehbetätigten Verspanneinrichtung (32) auf dem mittleren Teil (13) axial verspannbar ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspanneinrichtung (32) einen Riegel (33) und eine Halterung (34) umfasst, dass im mittleren Teil (13) des Kolbens (4) der Riegel (33) drehbar gelagert ist, wobei der Riegel (33) in einer ersten Drehposition in die Halterung (34) an der Unterseite des Substrats (21) ein- und ausführbar ist, und wobei der Riegel (33) in einer zweiten Drehposition die Halterung (34) hintergreift, und dass am Riegel (33) und/oder an der Halterung (34) eine oder mehrere Schrägflächen (33a) ausgebildet sind, so dass durch Drehen des Riegels (33) in der Halterung (34) von der ersten Position in die zweite Position das Substrat (21) relativ zum Riegel (33) nach unten gedrückt wird.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Führungselement (35) vorgesehen ist, das am Riegel (33) befestigt ist, wobei das Führungselement (35) über ein Federelement (36) am mittleren Teil (13) oder unteren Teil (14) abgestützt oder angehängt ist, und wobei das Federelement (36) über das Führungselement (35) den Riegel (33) in eine axial nach unten gezogene Stellung vorspannt.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspanneinrichtung (32) ein zylindrisches oder konisches erstes Gewindeelement, insbesondere gelagert am mittleren Teil (13), und ein konisches zweites Gewindeelement, insbesondere ausgebildet an der Unterseite des Substrats (21), umfasst, wobei zum Verspannen des mitteleren Teils (13) und des oberen Teils (12) die Gewindeelemente miteinander verschraubbar sind.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil (12) weiterhin einen Klemmring (22) und eine zweite Dichtung (23) aus Filz- oder Gewebematerial, insbesondere aus keramischem Filz- oder Gewebematerial, umfasst, wobei die zweite Dichtung (23) den oberen Teil (12) des Kolbens (4) gegen die Innenseite des Grundkörpers (2) zumindest dicht für das pulverförmige Material (74) abdichtet, und wobei der Klemmring (22) und das Substrat (21) fest miteinander verbunden sind, insbesondere im Presssitz, und die zweite Dichtung (23) zwischen dem Substrat (21) und dem Klemmring (22) eingeklemmt ist.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (2) ein radial aus- und einfahrbares Riegelsystem (100) ausgebildet ist, mit dem der obere Teil (12) des Kolbens (4) in einer Verfahrposition des Kolbens (4) am unteren Ende des Grundkörpers (2) untergriffen werden kann, so dass beim Lösen des oberen Teils (12) vom übrigen Kolben (4) der obere Teil (12) im Grundkörper (2) gehalten wird.
Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Außenkörper (9) umfasst, insbesondere aus Metall, dass der Isolationskörper (5) mittels wenigstens einer Stopfbuchse (8), insbesondere aus keramischem Gewebe oder Filz, im Außenkörper (9) verklemmt ist, und dass zumindest über einen Teil der axialen Erstreckung des Grundkörpers (2) zwischen dem Außenkörper (9) und dem Isolationskörper (5) eine thermische Isolationsstruktur (10), insbesondere aus Keramik, angeordnet ist.
Maschine (70) zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte (71) durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material (74), umfassend – eine Prozesskammer (72), an der eine Vorratszylinder-Anordnung (73) für das pulverförmige Material (74) und eine Bauzylinder-Anordnung (1) für ein Substrat (21) zum Aufwachsen der dreidimensionalen Objekte (71) angeschlossen sind, und in welcher ein Schieber (77) zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Materials (74) aus der Vorratszylinder-Anordnung (73) auf einem Substrat (21) der Bauzylinder-Anordnung (1) angeordnet ist, – einen Bearbeitungslaser (81) zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls (80) oder eine Einkoppeleinrichtung für einen Bearbeitungslaserstrahl (80), und – eine Scanneroptik (82) zum Scannen des Bearbeitungslaserstrahls (80) über das Substrat (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist.
Maschine (70) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (84), insbesondere optische Messeinrichtung, vorhanden ist, mit der die Ausrichtung des Substrats (21) gegenüber der Maschine (70) bestimmbar ist.
Maschine (70) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (84) wenigstens zwei, insbesondere drei, Laserdioden (86) umfasst, die jeweils eine Laserlinie (91) an verschiedenen Stellen (93, 94, 95) auf einen Spalt (89) zwischen einer Referenzfläche (90), insbesondere einem Boden (78), der Prozesskammer (72) und dem Substrat (21) projizieren, wobei die Laserlinie (91) unter einem spitzen Winkel (98), insbesondere unter einem Winkel (98) zwischen 15° und 60°, gegenüber der Referenzfläche (90) der Prozesskammer (72) projiziert wird, und dass die Messeinrichtung (84) ein Kamerasystem umfasst, mit dem ein Linienversatz (92) in den jeweiligen Laserlinien (91) erfasst werden kann.
Maschine (70) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem eine Kamera (85) umfasst, deren Strahlengang (87) durch die Scanneroptik (82) gerichtet ist, so dass durch Umschalten einer Scanposition der Scanneroptik (82) mit dieser Kamera (85) die verschiedenen Stellen (93, 94, 95) auf dem Spalt (89) einzeln erfassbar sind.
Maschine (70) nach Anspruch 21 oder 22, mit einer Bauzylinder-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Stellelement (40) jeweils eine von einer Laserdiode (86) projizierte Laserlinie (91) vorgesehen ist, wobei jeweils das Stellelement (40) und die zugehörige Laserlinie (91) näherungsweise an derselben Winkelpositionen des Substrats (21) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Maschine (70) nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass während und/oder nach einem Auftrag einer Schicht des pulverförmigem Materials (74) auf dem Substrat (21) und/oder dem teilweise gefertigten dreidimensionalen Objekt (71) zumindest die Schicht des pulverförmigen Materials (74) auf eine Temperatur von wenigstens 500°C aufgeheizt wird, und der Bearbeitungslaserstrahl (80) die aufgeheizte Schicht unter Luftausschluss bearbeitet, insbesondere wobei während mehrerer Zyklen von Absenken des Kolbens (4) im Grundkörper (2) um eine Schichtdicke, Auftragen einer Schicht von pulverförmigem Material (74) und Bearbeitung der Schicht das Substrat (21) auf eine Temperatur von wenigstens 500°C erwärmt bleibt.