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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, umfassend einen Bauraum, der umfänglich durch eine Wandung begrenzt ist und eine konstante Querschnittsfläche aufweist, eine Bauplattform, die innerhalb des Bauraums aufwärts und abwärts bewegbar ist und an ihrer Oberseite eine Bauteilaufnahmefläche definiert, einen Werkstoffvorratsraum, der zur Aufnahme eines pulverförmigen Werkstoffs ausgelegt ist, eine mit dem Werkstoffvorratsraum verbundene Werkstoffzuführeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, dem Bauraum chargenweise Werkstoff aus dem Werkstoffvorratsraum zuzuführen, eine Werkstoffverteileinrichtung, die innerhalb des Bauraums derart beweglich angeordnet ist, dass sie dem Bauraum zugeführten Werkstoff gleichmäßig in Form einer dünnen Schicht über die Bauteilaufnahmefläche der Bauplattform verteilt, und eine Strahlungsquelle, die derart eingerichtet ist, dass sie einen entsprechend einer Bauteilschicht des zu fertigenden Bauteils geformten Bereich der verteilten Werkstoffschicht durch Schmelzen verfestigt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.
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Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen der Fertigung von Bauteilen durch schichtweises Verfestigen eines pulverförmigen Werkstoffs mittels Strahlung, wobei als Strahlungsquelle normalerweise eine Lasereinrichtung oder eine Elektronenstrahleinrichtung eingesetzt wird.
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Zur Fertigung eines Bauteils wird in einem ersten Schritt der Werkstoffvorratsraum mit einem pulverförmigen metallischen Werkstoff gefüllt, aus dem das Bauteil hergestellt werden soll. Daraufhin wird die Bauplattform innerhalb des Bauraums in eine Ausgangsstellung im oberen Bereich des Bauraums bewegt. In einem weiteren Schritt wird dem Bauraum über die Werkstoffzuführeinrichtung eine Charge des Werkstoffs aus dem Werkstoffvorratsraum zugeführt. Der zugeführte, beispielsweise in Form einer Raupe angeordnete Werkstoff wird dann mit der Werkstoffverteileinrichtung derart über der Bauteilaufnahmefläche der Bauplattform verteilt, dass auf der Bauteilaufnahmefläche eine gleichmäßig dünne Werkstoffschicht gebildet wird. Gebräuchlich sind Schichtdicken zwischen 20 µm und 100 µm. Entsprechend der Form des zu fertigenden Bauteils werden bestimmte Bereiche der verteilten Werkstoffschicht anschließend durch Bestrahlung mit der Strahlungsquelle geschmolzen. Der geschmolzene Werkstoff verfestigt sich bei der Abkühlung und bildet eine Schicht des zu fertigenden Bauteils. Daraufhin wird die Bauplattform in einem weiteren Schritt entsprechend der Dicke der verfestigten Werkstoffschicht abgesenkt, woraufhin eine weitere Pulverschicht in der zuvor beschriebenen Weise aufgetragen und selektiv verfestigt wird. Diese Schrittfolge wird wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist.
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Aufgrund der Tatsache, dass der Bauraum der Vorrichtung definierte Abmessungen aufweist, muss bei der Fertigung kleiner Bauteile, welche nur einen geringen Anteil der Querschnittsfläche des Bauraums einnehmen, sehr viel überschüssiger Werkstoff eingesetzt werden, um den Zwischenraum zwischen dem Bauteil und der Wandung des Bauraums auszufüllen. Auch wenn dieser überschüssige Füllwerkstoff nach der Fertigung des Bauteils grundsätzlich zur Fertigung eines weiteren Bauteils erneut verwendet werden könnte, sieht man hiervon häufig ab, da der Werkstoff meist mit einer neuen Werkstoffcharge gemischt werden muss, was zu einer unerwünschten Inhomogenität des neu gefertigten Bauteils führen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein alternatives Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils zu schaffen, bei denen während der Fertigung kleiner Bauteile weniger Werkstoff benötigt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bauteilaufnahmefläche der Bauplattform kleiner als die Querschnittsfläche des Bauraums ist, und dass eine ortsfest positionierte Abdeckung vorgesehen ist, deren Oberseite in einer Ausgangsstellung der Bauplattform, in der sich die Bauplattform in einem oberen Bereich des Bauraums befindet, eine zwischen der Wandung des Bauraums und dem Rand der Bauteilaufnahmefläche verbleibende Freifläche abdeckt und flächenbündig mit der Bauteilaufnahmefläche angeordnet ist.
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Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Anordnung kommt dann zum Tragen, wenn kleine Bauteile gefertigt werden, die nur einen geringen Teil der Querschnittsfläche des Bauraums einer vorhandenen Vorrichtung einnehmen, da ein zwischen der Wandung des Bauraums und dem entsprechenden Bauteil vorhandener Zwischenraum nicht vollständig mit pulverförmigem Werkstoff gefüllt werden muss. So kann beispielsweise gleichzeitig mit dem Bauteil eine das Bauteil umgebende Trennwand gefertigt werden, die verhindert, dass pulverförmiger Werkstoff beim Absenken der Bauplattform in den Zwischenraum zwischen der Wandung und der Trennwand gelangen kann, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird. Auf diese Weise lässt sich bei der Fertigung kleiner Bauteile viel Werkstoff einsparen, wodurch die Kosten der Fertigung reduziert werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Ausgangsstellung zwischen der Bauteilaufnahmefläche der Bauplattform und der Oberseite der Abdeckung ein Spalt ausgebildet, der kleiner als 2 mm ist, vorteilhaft kleiner als 1,0 mm, insbesondere kleiner als 0,5 mm.
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Vorteilhaft ist an der Abdeckung ein Dichtungselement angeordnet, das den Spalt abdichtet. Entsprechend wird verhindert, dass der pulverförmige Werkstoff den Spalt durchdringen kann, was insbesondere hinsichtlich der Reinigung und Instandhaltung der Vorrichtung von Vorteil ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Dichtungselement ringförmig ausgebildet und in einer an der Abdeckung ausgebildeten umlaufenden Nut aufgenommen, wodurch sich ein einfacher Aufbau ergibt.
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Vorteilhaft ist das Dichtungselement aus einem Material hergestellt, das wenigstens bis zu einer Temperatur von 300°C, bevorzugt bis zu einer Temperatur von 327°C temperaturbeständig ist. Entsprechend kann das Dichtungselement den während des Betriebs der Vorrichtung vorherrschenden Temperaturen problemlos standhalten.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung umfasst die Bauplattform eine Basisplatte, deren Querschnittsfläche im Wesentlichen der Querschnittsfläche des Bauraums entspricht, und einen aufwärts von der Basisplatte vorstehenden Vorsprung, der die Bauteilaufnahmefläche definiert. Dabei ist der Vorsprung insbesondere lösbar an der Basisplatte befestigt. Entsprechend lassen sich verschiedene Vorsprünge mit unterschiedlich großen Bauteilaufnahmeflächen wahlweise an der Basisplatte befestigen, so dass sich die Ausbildung der Bauplattform problemlos an die Größe des zu fertigenden Bauteils anpassen lässt.
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Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung fasst die Abdeckung die Bauteilaufnahmefläche ein, wobei sich ausgehend von der die Bauteilaufnahmefläche einfassenden Kante der Abdeckung abwärts ein rohrförmiger Schacht erstreckt, der an der Abdeckung befestigt ist und in dem die Bauplattform aufwärts und abwärts bewegbar ist. In diesem Fall kann darauf verzichtet werden, gleichzeitig mit dem Bauteil eine Trennwand aufzubauen, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird, da der rohrförmige Schacht die Trennwand ersetzt.
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Bei der Strahlungsquelle handelt es sich bevorzugt um eine Lasereinrichtung oder eine Elektronenstrahleinrichtung.
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Zu Lösung der eingangs genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem gleichzeitig mit dem Bauteil eine das Bauteil umgebende Trennwand gefertigt wird.
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Bevorzugt wird die Trennwand mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 2 mm gefertigt, wobei grundsätzlich auch andere Dicken möglich sind.
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Vorteilhaft wird die Trennwand entlang des Randes der Bauteilaufnahmefläche der Bauplattform gefertigt, also unmittelbar benachbart zur Abdeckung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils mittels selektiven Laserschmelzens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
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1 eine geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine geschnittene Vorderansicht des Bauraums der in 1 dargestellten Vorrichtung;
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3 eine vergrößerte Ansicht des in 1 mit dem Bezugszeichen III bezeichneten Detailausschnitts;
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4 eine schematische seitliche Querschnittsansicht einer Bauplattform der in 1 dargestellten Vorrichtung, die sich vorliegend in einer Ausgangsstellung befindet;
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5 eine vergrößerte Ansicht des in 4 mit dem Bezugszeichen V bezeichneten Detailausschnitts;
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6 eine perspektivische Ansicht einer in den 1 und 2 gezeigten Trennwand; und
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7 eine geschnittene Vorderansicht eines Bauraums einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 bis 6 zeigen eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Bauraum 3, der umfänglich durch eine Wandung 4 begrenzt ist und eine konstante Querschnittsfläche aufweist. Innerhalb des Bauraums 3 ist eine Bauplattform 5 mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung aufwärts und abwärts bewegbar, die an ihrer Oberseite eine Bauteilaufnahmefläche 6 definiert. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen Werkstoffvorratsraum 7, der zur Aufnahme eines pulverförmigen Werkstoffs ausgelegt ist, und eine mit dem Werkstoffvorratsraum 7 verbundene Werkstoffzuführeinrichtung 8, die dazu ausgelegt ist, dem Bauraum 3 chargenweise Werkstoff aus dem Werkstoffvorratsraum 7 zuzuführen. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Werkstoffverteileinrichtung 9 in Form einer Rakel, die innerhalb des Bauraums 3 derart beweglich angeordnet ist, dass sie dem Bauraum 3 zugeführten Werkstoff gleichmäßig in Form einer dünnen Schicht über die Bauteilaufnahmefläche 6 der Bauplattform 5 verteilt. Schließlich umfasst die Vorrichtung 1 als Strahlungsquelle eine Lasereinrichtung 10, die derart eingerichtet ist, dass sie einen entsprechend einer Bauteilschicht des zu fertigenden Bauteils 2 geformten Bereich der verteilten Werkstoffschicht durch Schmelzen verfestigt. Alternativ kann aber auch eine Elektronenstrahleinrichtung als Strahlungsquelle verwendet werden.
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Die Bauplattform 5 weist eine Basisplatte 11, deren Querschnittsfläche im Wesentlichen der Querschnittsfläche des Bauraums 3 entspricht, und einen aufwärts von der Basisplatte 11 vorstehenden Vorsprung 12 auf, der die Bauteilaufnahmefläche 6 definiert. Vorliegend sind die Basisplatte 11 und der Vorsprung 12 einteilig ausgebildet. Alternativ kann der Vorsprung 12 aber auch als ein plattenförmiges Element vorgesehen sein, das auf die Basisplatte 11 aufgesetzt sowie lösbar an dieser befestigt ist. Die Befestigung kann mittels Schrauben erfolgen, um nur ein Beispiel zu nennen. Eine solche mehrteilige Ausbildung ist dahingehend von Vorteil, dass die Geometrie der Bauplattform 5 unter Verwendung einer einzigen Basisplatte 11 und mehrerer Vorsprünge 12 mit verschieden großen Bauteilaufnahmeflächen 6 variabel ist.
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Ferner ist eine ortsfest positionierte Abdeckung 13 vorgesehen, die vorliegend einteilig ausgebildet ist, aber auch mehrteilig ausgebildet sein kann. Die Oberseite der Abdeckung 13 deckt in einer Ausgangsstellung der Bauplattform 5, in der sich die Bauplattform 5 in einem oberen Bereich des Bauraums 3 befindet, eine zwischen der Wandung 4 des Bauraums 3 und einem Rand 14 der Bauteilaufnahmefläche 6 verbleibende Freifläche ab. In der Ausgangsstellung der Bauplattform 5 ist die Oberseite der Abdeckung 13 mit der Bauteilaufnahmefläche 6 in einer gemeinsamen Ebene und entsprechend flächenbündig mit dieser angeordnet.
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An der Abdeckung 13 ist ein Dichtungselement 15 vorgesehen, das einen Spalt 16 abdichtet, der in der Ausgangsstellung zwischen der Bauteilaufnahmefläche 6 der Bauplattform 5 und der Oberseite der Abdeckung 13 ausgebildet ist. Das Spaltmaß des Spaltes 16 beträgt vorteilhaft weniger als 2 mm, wobei ein Spaltmaß kleiner als 1 mm und insbesondere kleiner als 0,5 mm bevorzugt ist. Das Dichtungselement 15 ist ringförmig ausgebildet und in einer umlaufenden Nut 17 aufgenommen, die an der Abdeckung 13 ausgebildet ist. Das Dichtungselement 15 ist aus einem Material hergestellt, das wenigstens bis zu einer Temperatur von 300°C, bevorzugt bis zu einer Temperatur von 327°C temperaturbeständig ist. Auf diese Weise kann es den während der Fertigung des Bauteils 2 herrschenden Temperaturen problemlos standhalten.
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Zur Fertigung eines Bauteils 2, dessen Abmessungen nur einen geringen Anteil der Querschnittsfläche des Bauraums 3 einnehmen, wird die Größe des Bauraums 3 in einem ersten Schritt an die Abmessungen des zu fertigenden Bauteils 2 angepasst, indem in dem Bauraum eine Bauplattform 5 eingesetzt wird, deren Bauteilaufnahmefläche 6 nach Möglichkeit nur geringfügig größer als die Abmessungen des zu fertigenden Bauteils 2 sind, so dass das Bauteil 2 nach seiner Herstellung nicht seitlich über die Bauteilaufnahmefläche 6 übersteht. Zu diesem Zweck können unterschiedliche Bauplattformen 5 mit verschieden großen Bauteilaufnahmeflächen 6 bereitgestellt werden. Wenn die Bauplattform 5 mehrteilig ausgebildet ist, kann an der Basisplatte 11 ein Vorsprung 12 mit einer Bauteilaufnahmefläche 6 geeigneter Größe befestigt werden. In einem weiteren Schritt wird der Werkstoffvorratsraum 7 mit einem pulverförmigen metallischen Werkstoff gefüllt, aus dem das Bauteil 2 hergestellt werden soll. Daraufhin wird die Bauplattform 5 innerhalb des Bauraums 3 in eine in 4 dargestellte Ausgangsstellung im oberen Bereich des Bauraums 3 bewegt, in der die Oberseite der Abdeckung 13 und die Bauteilaufnahmefläche 6 der Bauplattform 5 flächenbündig angeordnet sind. Anschließend wird dem Bauraum 3 über die Werkstoffzuführeinrichtung 8 eine Charge des Werkstoffs aus dem Werkstoffvorratsraum 7 zugeführt. Der zugeführte, beispielsweise in Form einer Raupe auf der Abdeckung 13 angeordnete Werkstoff wird dann mit der Werkstoffverteileinrichtung 9 derart über der Bauteilaufnahmefläche 6 der Bauplattform 5 verteilt, dass auf der Bauteilaufnahmefläche 6 eine gleichmäßig dünne Werkstoffschicht gebildet wird. Gebräuchlich sind Schichtdicken zwischen 20 µm und 100 µm. Entsprechend der Form des zu fertigenden Bauteils 2 werden bestimmte Bereiche der verteilten Werkstoffschicht anschließend durch Bestrahlung mit der Lasereinrichtung 10 geschmolzen. Der geschmolzene Werkstoff verfestigt sich bei der Abkühlung und bildet eine Schicht des zu fertigenden Bauteils 2. Daraufhin wird die Bauplattform 5 entsprechend der Dicke der verfestigten Werkstoffschicht aus der in 4 dargestellten Ausgangsstellung abgesenkt. In weiteren Fertigungsschritten werden weitere Pulverschichten in der zuvor beschriebenen Weise auf die Bauteilaufnahmefläche 6 aufgetragen und jeweils selektiv verfestigt, bis das Bauteil 2 fertiggestellt ist.
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Gleichzeitig mit dem Bauteil 2 wird entlang des Randes 14 der Bauteilaufnahmefläche 6 eine das Bauteil 2 umgebende Trennwand 18 mit einer bevorzugten Dicke im Bereich zwischen 1 mm und 2 mm gefertigt. Die Trennwand 18 definiert gemeinsam mit der Wandung 4 des Bauraums 3 und der Abdeckung 13 einen Zwischenraum, in den in Abhängigkeit von der Qualität und des Zustands des Dichtungselements 15 kein oder nur wenig pulverförmiger Werkstoff eindringen kann. Entsprechend wird nur der Teil des Bauraums 3 oberhalb der Bauteilaufnahmefläche 6 mit Werkstoff gefüllt.
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7 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Abdeckung 13 die Bauteilaufnahmefläche 6 einfasst und sich ein rohrförmiger Schacht 20 von einer die Bauteilaufnahmefläche 6 einfassenden Kante 21 abwärts erstreckt. Die Abdeckung 13 und der Schacht 20 sind vorliegend einteilig ausgebildet. Sie können jedoch auch aneinander befestigt sein, beispielsweise mittels Schweißen. Die Formen der Bauplattform 5 und des Schachts 20 sind derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Bauplattform 5 vollständig innerhalb des Schachts 20 anordnen und aufwärts und abwärts bewegen lässt, wobei zwischen der Bauplattform 5 und dem Schacht 20 ein möglichst geringer Spalt verbleibt, der analog zur vorangegangenen Ausführungsform mit einem Dichtungselement abgedichtet sein kann.
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Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform kann auf das gleichzeitige Fertigen einer Trennwand 18 verzichtet werden, da deren Funktion von dem Schacht 20 übernommen wird. Der Schacht 20 kann einteilig mit der Abdeckung 13 oder separat ausgebildet und an der Abdeckung 13 befestigt sein.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch das Fertigen einer Trennwand 18 zeitgleich zum Bauteil bzw. das Einsetzen eines Schachts 20 in den Bauraum 3 eine effektive Verkleinerung des mit dem Werkstoff zu füllenden Raums bzw. des effektiven Bauraums erreicht wird. Dadurch lassen sich auch kleine Bauteile 2 additiv fertigen, ohne unnötig Werkstoff zu verschwenden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass eine bereits vorhandene Vorrichtung problemlos erfindungsgemäß umgerüstet werden kann.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
