DE102016107769A1

DE102016107769A1 - Pulvertransportvorrichtung und Verfahren zur additiven Herstellung

Info

Publication number: DE102016107769A1
Application number: DE102016107769.0A
Authority: DE
Inventors: David Richard Barnhart
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-11-03
Also published as: US10391556B2; FR3035606A1; FR3035606B1; CN106077637B; US20160318102A1; CN106077637A

Abstract

Eine additive Herstellungsvorrichtung (10) enthält: einen Tisch (12), der eine ebene Arbeitsoberfläche (34) mit einer Öffnung (36) darin definiert, wobei die Öffnung (36) mit einem Aufbaugehäuse (34) kommuniziert, das eine vertikal verschiebbare Aufbauplattform (26) darin aufweist; und einen ersten Schieber (20) mit einem ersten Pulvertransportfenster (46) darin, wobei der erste Schieber (20) über die Arbeitsoberfläche (34) zwischen einer von der Öffnung (36) entfernten Beladungsposition, in der das erste Pulvertransportfenster (46) freigelegt ist, um Pulver zu empfangen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das erste Pulvertransportfenster (46) über der Öffnung (36) ausgerichtet ist.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein additive Herstellung und insbesondere Handhabungsmechanismen zur additiven Herstellung.
„Additive Herstellung“ ist ein Begriff, der hierin verwendet wird, um einen Prozess zu beschreiben, der einen schichtweisen Aufbau oder eine additive Fertigung umfasst (im Gegensatz zum Materialabtrag, wie bei herkömmlichen maschinellen Herstellungsprozessen). Derartige Prozesse können auch als „Rapid Manufacturing Processes“ („Schnelle Herstellungsprozesse“) bezeichnet werden. Zu additiven Herstellungsprozessen gehörigen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein: Direct Metall Laser Melting (DMLM, direktes Metalllaserschmelzen), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM, Laser Endgestaltherstellung), Elektronenstrahlsintern, Selektives Lasersintern (SLS), 3D-Drucken, beispielsweise mittels Tintenstrahlen oder Laserstrahlen, Stereolithographie (SLA), Elektron Beam Melting (EBM, Elektronenstrahlschmelzen), Laser Engineered Net Shaping (LENS, mittels Laser ausgeführte Endformung) und Direct Metall Deposition (DMD, Direkte Metallabscheidung).
Es ist gezeigt worden, dass derzeit Pulverbett-Technologien das beste Auflösungsvermögen von den herkömmlichen metallbasierten additiven Herstellungstechnologien haben. Da jedoch der Aufbau in dem Pulverbett erfolgen muss, verwenden herkömmliche Maschinen eine große Pulvermenge, wobei zum Beispiel eine Pulverladung über 130 kg (300 Pfund) wiegen kann. Dies ist kostspielig, wenn eine Fabrikumgebung mit vielen Maschinen betrachtet wird. Das Pulver, das nicht unmittelbar in das Teil eingeschmolzen, sondern in dem benachbarten Pulverbett aufbewahrt wird, ist problematisch, weil es das Gewicht für Hebesysteme erhöht, Abdichtungen und Kammerdruckprobleme erschwert, für die Teileentnahme am Ende des Teileaufbaus schädlich ist und in großen Bettsystemen, die derzeit für große Komponenten erwogen werden, nicht handhabbar wird.
Außerdem sind derzeit verfügbare additive Herstellungssysteme auf eine Prototypherstellung und eine Herstellung von sehr geringen Mengen ausgerichtet. Es können beträchtliche Unterschiede von Teil zu Teil vorliegen. Einige Elemente derzeitiger Systeme sind aufgrund des Gewichts schwierig zu handhaben und können übermäßige praktische, manuelle Wechselwirkung erfordern.
Demgemäß bleibt ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zur additiven Herstellung, die Teile in großen Mengen mit beständiger Qualität erzeugen können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieser Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung angegangen, die ein Pulvertransportsystem bereitstellt, das einen oder mehrere Schieber enthält, die seitlich bewegbar sind, um eine feste Menge an Pulver von einem Pulverzuführsystem zu einem Aufbaugehäuse zu übertragen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine additive Herstellungsvorrichtung: einen Tisch, der eine ebene Arbeitsoberfläche mit einer Öffnung darin definiert, wobei die Öffnung mit einem Aufbaugehäuse kommuniziert, das eine vertikal verschiebbare Aufbauplattform darin aufweist; und einen ersten Schieber, der ein erstes Pulvertransportfenster darin aufweist, wobei der erste Schieber über die Arbeitsoberfläche zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das erste Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition, in der das erste Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist, bewegbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner einen zweiten Schieber mit einem zweiten Pulvertransportfenster in diesem, wobei der zweite Schieber oben auf dem ersten Schieber positioniert und zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das zweite Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition, in der das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist, bewegbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner einen Kompaktierer mit einem Kompaktiererkolben, der wahlweise durch das erste Pulvertransportfenster hindurch ausfahrbar ist, um das in dem Aufbaugehäuse enthaltene Pulver zu kompaktieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner eine gerichtete Energiequelle, die eingerichtet ist, um auf der Aufbauplattform freigelegtes Pulver aufzuschmelzen und zu verfestigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner ein Pulverhandhabungssystem mit einem Pulverzuführabschnitt, der eingerichtet ist, um Pulver dem ersten Pulvertransportfenster in der Beladungsposition zuzuführen, und einem Pulverrückgewinnungsabschnitt, der eingerichtet ist, um unverbrauchtes Pulver aufzunehmen, das durch den ersten Schieber von der Aufbauplattform abgestreift wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner: einen zweiten Schieber, der oben auf dem ersten Schieber positioniert und zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das zweite Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist; einer Kompaktiererplattform, die über dem zweiten Schieber liegt und eine Kompaktiereröffnung, die mit der Öffnung der Arbeitsoberfläche ausgerichtet ist, eine Pulverzuführöffnung, die von der Kompaktiereröffnung seitlich beabstandet ist, aufweist; einen Kompaktierer, der auf der Kompaktiererplattform angeordnet ist, wobei der Kompaktierer einen Kompaktiererkolben enthält, der wahlweise durch das erste Pulvertransportfenster hindurch ausfahrbar ist, um ein in dem Aufbaugehäuse enthaltenes Pulver zu kompaktieren; ein Pulverhandhabungssystem mit einem Pulverzuführabschnitt, der an der Kompaktiererplattform in Strömungsverbindung mit der Pulverzuführöffnung positioniert ist, einem Pulverrückgewinnungsabschnitt, der unter einer Pulverrückgewinnungsöffnung des Tisches positioniert ist, die mit der Pulverzuführöffnung der Kompaktiererplattform ausgerichtet ist; und eine gerichtete Energiequelle, die eingerichtet ist, um auf der Aufbauplattform freigelegtes Pulver aufzuschmelzen und zu verfestigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kompaktierer zwischen einer Nichtgebrauchsposition von der Öffnung entfernt und einer Gebrauchsposition, die mit der Öffnung ausgerichtet ist, seitlich bewegbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Pulverrückgewinnungsabschnitt ein Ventil, das unterhalb der Pulverrückgewinnungsöffnung positioniert und zwischen einer geschlossenen Stellung, die ein Pulver daran hindert zu fließen, und einer offenen Stellung bewegbar ist, die einem Pulver ermöglicht zu fließen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind das erste und das zweite Pulvertransportfenster in der Beladungsposition unterhalb des Pulverzuführabschnitts ausgerichtet, während in der Zuführposition das erste und das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zur Herstellung eines Teils die Schritte: Verwenden einer Vorrichtung, die aufweist: einen Tisch, der eine ebene Arbeitsoberfläche und eine Öffnung darin definiert; und einen ersten bewegbaren Schieber, der ein erstes Pulvertransportfenster enthält; Beladen eines Pulvers in das erste Pulvertransportfenster in einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition und Durchlaufen des Tisches mit dem ersten Schieber von einer Beladungsposition zu einer Zuführposition, in der das erste Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist; Zuführen von Pulver aus dem ersten Pulvertransportfenster auf eine Aufbauplattform, die durch die Öffnung freigelegt ist; Bewegen des ersten Schiebers zurück zu der Beladungsposition, um so das Pulver auf der Aufbauplattform abzustreifen, um eine Pulverinkrementschicht zu bilden; Richten eines Strahls aus einer gerichteten Energiequelle, um die Pulverinkrementschicht in einem Muster, das einer Querschnittsschicht des Teils entspricht, zu verschmelzen; Absenken der Aufbauplattform um die Inkrementschicht; und Widerholen der Schritte des Beladens, Zuführens, Bewegens, Verschmelzens und Absenkens in einem Arbeitszyklus, um das Teil Schicht für Schicht aufzubauen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner den Schritt eines Kompaktierens des Pulvers, nachdem dieses der Aufbauplattform zugeführt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner die Schritte: Verwenden eines Pulverzuführabschnitts eines Pulverhandhabungssystems, um Pulver in das erste Pulvertransportfenster zu laden, während sich der erste Schieber in der Beladungsposition befindet; und Verwenden eines Pulverrückgewinnungsabschnitts des Pulverhandhabungssystems, um durch den ersten Schieber abgestreiftes Pulver aufzunehmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner ein Schließen eines Ventils, das unterhalb des Pulverzuführabschnitts positioniert ist, um einen Fluss von Pulver aus dem ersten Schieber heraus zu verhindern, während das Pulver in das erste Pulvertransportfenster geladen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner ein Öffnen des Ventils, um einem Pulver zu ermöglichen, aus dem ersten Schieber heraus und in den Pulverrückgewinnungsabschnitt hinein zu fließen, nachdem das Pulver abgestreift worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner einen zweiten Schieber mit einem zweiten Pulvertransportfenster in diesem, wobei das Verfahren ferner die Schritte enthält: Laden von Pulver in das zweite Pulvertransportfenster gleichzeitig mit dem Laden von Pulver in das erste Pulvertransportfenster; Bewegen des zweiten Schiebers in abgestimmter Weise mit dem ersten Schieber über den Tisch von der Beladungsposition zu der Zuführposition; Zuführen von Pulver aus dem zweiten Pulvertransportfenster auf die Aufbauplattform gleichzeitig mit dem Zuführen von Pulver aus dem ersten Pulvertransportfenster; Kompaktieren des der Aufbauplattform zugeführten Pulvers; und Bewegen des zweiten Schiebers zurück zu der Beladungsposition, um so auf dem ersten Schieber verbleibendes Pulver abzustreifen, nachdem der erste Schieber das Pulver auf der Aufbauplattform abgestreift hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner die Schritte: Verwenden eines Pulverzuführabschnitts eines Pulvertransportsystems, um Pulver in das erste und das zweite Pulvertransportfenster zu laden; und Verwenden eines Pulverrückgewinnungsabschnitts eines Pulvertransportsystems, um durch den ersten und den zweiten Schieber abgestreiftes Pulver aufzunehmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren ferner ein Kompaktieren des Pulvers, nachdem es der Aufbauplattform zugeführt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Schritt des Kompaktierens: Bewegen des Kompaktierers von einer Nichtgebrauchsposition von der Öffnung entfernt in Seitenrichtung zu einer Gebrauchsposition, die über dem ersten und dem zweiten Pulvertransportfenster und der Öffnung ausgerichtet ist; Ausfahren eines Kompaktiererkolbens des Kompaktierers in das zweite Pulvertransportfenster, um das zugefügte Pulver zu kompaktieren; Halten des Kompaktiererkolbens in dem zweiten Pulvertransportfenster, während der erste Schieber das Pulver abstreift, um die Pulverinkrementschicht zu bilden; Zurückziehen des Kompaktiererkolbens aus dem zweiten Pulvertransportfenster, nachdem der erste Schieber die Pulverinkrementschicht gebildet hat; und Bewegen des Kompaktierers aus der Gebrauchsposition zu der Nichtgebrauchsposition, bevor der zweite Schieber zurück zu der Beladungsposition bewegt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält eine additive Herstellungsvorrichtung: einen Tisch, der eine ebene Arbeitsoberfläche mit einer Öffnung in dieser definiert, wobei die Öffnung mit einem Aufbaugehäuse kommuniziert, das eine vertikal verschiebbare Aufbauplattform in diesem aufweist; und einen ersten Schieber, der ein erstes Pulvertransportfenster in ihm aufweist, wobei der erste Schieber über die Arbeitsoberfläche zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das erste Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das erste Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner einen zweiten Schieber mit einem zweiten Pulvertransportfenster in diesem, wobei der zweite Schieber oben auf dem ersten Schieber positioniert und zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das zweite Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner eine Kompaktiereinrichtung zur Kompaktierung von Pulver, das in dem Aufbaugehäuse enthalten ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Kompaktiereinrichtung einen Kompaktierer mit einem Kompaktiererkolben auf, der wahlweise durch das erste Pulvertransportfenster hindurch ausfahrbar ist, um so ein in dem Aufbaugehäuse enthaltenes Pulver zu kompaktieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner eine gerichtete Energiequelle, die eingerichtet ist, um auf der Aufbauplattform freigelegtes Pulver aufzuschmelzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner Pulverhandhabungsmittel zur Zuführung von Pulver zu dem ersten Pulvertransportfenster zur Rückgewinnung unverbrauchten Pulvers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthalten die Pulverhandhabungsmittel ein Pulverhandhabungssystem mit einem Pulverzuführabschnitt, der eingerichtet ist, um Pulver dem ersten Pulvertransportfenster in der Beladungsposition zuzuführen, und einem Pulverrückgewinnungsabschnitt, der eingerichtet ist, um unverbrauchtes Pulver aufzunehmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Vorrichtung ferner: einen zweiten Schieber, der oben auf dem ersten Schieber positioniert und zwischen einer von der Öffnung entfernten Beladungsposition, in der das zweite Pulvertransportfenster freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet ist; eine Kompaktiererplattform, die über dem zweiten Schieber liegt und eine Kompaktiereröffnung, die mit der Öffnung der Arbeitsoberfläche ausgerichtet ist, und eine Pulverzuführöffnung aufweist, die von der Kompaktiereröffnung seitlich beabstandet ist; einen Kompaktierer, der auf der Kompaktiererplattform angeordnet ist, wobei der Kompaktierer einen Kompaktiererkolben enthält, der wahlweise durch das erste Pulvertransportfenster hindurch ausfahrbar ist, um so ein in dem Aufbaugehäuse enthaltenes Pulver zu kompaktieren; ein Pulverhandhabungssystem, das einen Pulverzuführabschnitt, der an der Kompaktiererplattform in Strömungsverbindung mit der Pulverzuführöffnung positioniert ist, einen Pulverrückgewinnungsabschnitt, der unterhalb einer Pulverrückgewinnungsöffnung des Tisches positioniert ist, die mit der Pulverzuführöffnung der Kompaktiererplattform ausgerichtet ist, aufweist; und eine gerichtete Energiequelle enthält, die eingerichtet ist, um auf der Aufbauplattform freigelegtes Pulver aufzuschmelzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kompaktierer zwischen einer von der Öffnung entfernten Nichtgebrauchsposition und einer Gebrauchsposition, die mit der Öffnung ausgerichtet ist, in Seitenrichtung bewegbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Pulverrückgewinnungsabschnitt ein Ventil, das unterhalb der Pulverrückgewinnungsöffnung positioniert und zwischen einer geschlossenen Stellung, die Pulver am Fließen hindert und einer offenen Stellung bewegbar ist, die ein Fließen von Pulver zulässt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind das erste und das zweite Pulvertransportfenster in der Beladungsposition unterhalb des Pulverzuführabschnitts zueinander ausgerichtet, während in der Zuführposition das erste und das zweite Pulvertransportfenster über der Öffnung ausgerichtet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren verstanden werden, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer additiven Herstellungsvorrichtung, die gemäß einem Aspekt der Erfindung aufgebaut ist, in einer Beladungsposition;
2 eine schematische Darstellung der additiven Herstellungsvorrichtung nach 1 in einer Zuführposition;
3 eine schematische Darstellung der additiven Herstellungsvorrichtung nach 2 unter Veranschaulichung, wie ein Pulver gerade kompaktiert wird;
4 und 5 schematische Darstellungen der additiven Herstellungsvorrichtung nach 3, die zeigen, wie das kompaktierte Pulver abgestreift wird; und
6 eine schematische Darstellung der additiven Herstellungsvorrichtung nach 5 unter Veranschaulichung, wie das abgestreifte Pulver von einer gerichteten Energiequelle aufgeschmolzen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen die gleichen Elemente durch die verschiedenen Ansichten hinweg bezeichnen, veranschaulicht 1 eine additive Herstellungsvorrichtung 10 zur Ausführung des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Zu den Grundkomponenten zählen ein Tisch 12, ein Pulverhandhabungssystem 14 mit geschlossener Schleife, das einen Pulverzuführabschnitt 16 und einen Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 aufweist, ein erster und ein zweiter Schieber 20 und 22, ein Aufbaugehäuse 24, das eine Aufbauplattform 26 umgibt, eine gerichtete Energiequelle 28, eine Strahllenkvorrichtung 30 und ein Kompaktierer 32. Jede dieser Komponenten ist in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben.
Der Tisch 12 ist eine steife Struktur, die eine ebene Arbeitsoberfläche 34 bereitstellt. Die Arbeitsoberfläche 34 ist mit einer virtuellen Arbeitsebene koplanar und definiert diese. In dem veranschaulichten Beispiel enthält sie eine Öffnung 36, die mit dem Aufbaugehäuse 24 kommuniziert und die Aufbauplattform 26 freilegt, und eine Pulverrückgewinnungsöffnung 38, die mit dem Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 des Pulverhandhabungssystems 14 kommuniziert. Optional ist eine betätigte Tür 40 oder ein Ventil innerhalb der Pulverrückgewinnungsöffnung 38 positioniert, um die Pulverrückgewinnungsöffnung 38 zu öffnen und zu verschließen. Das Ventil 40 kann durch Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, Kugelgewindetriebe oder elektrische Linearaktuatoren usw. betätigt sein.
Der erste und der zweite Schieber 20 und 22 sind steife, plattenartige Strukturen, die unabhängig voneinander durch Aktuatoren 42 bzw. 44 betätigt werden, die betreibbar sind, um den ersten und den zweiten Schieber 20 und 22 wahlweise zwischen einer Beladungsposition (1) und einer Zuführposition, 2, zu bewegen. Wie veranschaulicht, liegt der erste Schieber 20 auf der Arbeitsoberfläche 34, und er enthält ein erstes Pulvertransportfenster 46, und der zweite Schieber 22 liegt auf dem ersten Schieber 20 zwischen dem ersten Schieber 20 und einer Kompaktiererplattform 50 und enthält ein zweites Pulvertransportfenster 48. Der erste Schieber 20 streift über die Arbeitsoberfläche 34, und der zweite Schieber 22 streift über den ersten Schieber 20. Die Aktuatoren 42 und 44 sind in 2 schematisch dargestellt, wobei verstanden wird, dass Vorrichtungen, wie beispielsweise pneumatische oder hydraulische Zylinder, Kugelgewindetriebe oder elektrische Linearaktuatoren usw., für diesen Zweck verwendet werden können.
Das Pulverhandhabungssystem 14 kann eines mit geschlossener Schleife sein. Der Pulverzuführabschnitt 16 lässt ein Pulver „P“ in das erste und das zweite Pulvertransportfenster 46 und 48 hinein fallen oder beschickt das Pulver „P“ in diese, wenn das erste und/oder das zweite Pulvertransportfenster mit dem Pulverzuführabschnitt 16 ausgerichtet sind (Beladungsposition). Ein Pulver, das in dem Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 rückgewonnen wird, wird zu dem Pulverzuführabschnitt 16 zurückgeführt. Geeignete Mittel zur Überführung des Pulvers P zu dem Zuführabschnitt 16 und von dem Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 aus sind im Stand der Technik bekannt und liegen jenseits des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Als nicht beschränkende Beispiele können diese von pneumatischer oder mechanischer Art sein. Es sollte erkannt werden, dass das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Pulver ein beliebiges Pulver sein kann, das in der Lage ist, auf eine Aufbauplattform geladen und unter Verwendung von Strahlenenergie zusammengeschmolzen zu werden. Zum Beispiel kann das Pulver metallisch, polymerisch oder keramisch sein.
Die Aufbauplattform 26 ist eine plattenartige Struktur, die in einer Aufbaukammer 52 des Aufbaugehäuses 24 unter der Öffnung 36 vertikal verschiebbar ist. Die Aufbauplattform ist an einem Aktuator 54 gesichert, der betrieben werden kann, um die Aufbauplattform 26 wahlweise aufwärts oder abwärts zu bewegen. Der Aktuator 54 ist in 1 schematisch dargestellt, wobei verstanden wird, dass die Vorrichtungen, wie beispielsweise Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, Kugelgewindetriebe oder elektrische Linearaktuatoren usw., für diesen Zweck verwendet werden können.
Die gerichtete Energiequelle 28 kann eine beliebige bekannte Vorrichtung aufweisen, die betrieben werden kann, um einen Strahl eines geeigneten Pulvers oder mit anderen Betriebseigenschaften zu erzeugen, um das Pulver während des Aufbauprozesses, der in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist, aufzuschmelzen und zu verschmelzen. Zum Beispiel kann die gerichtete Energiequelle 28 ein Laser sein. Andere gerichtete Energiequellen, wie beispielsweise Elektronenstrahlkanonen, sind geeignete Alternativen zu einem Laser.
Die Strahllenkvorrichtung 30 weist ein/eine/einen oder mehrere Spiegel, Prismen und/oder Linsen auf und ist mit geeigneten Aktuatoren versehen und derart eingerichtet, dass ein Strahl „B“ aus der gerichteten Energiequelle 28 auf eine gewünschte Fleckgröße fokussiert und zu einer gewünschten Position in einer mit der Arbeitsoberfläche 34 zusammenfallenden X-Y-Ebene gelenkt werden kann.
Der Kompaktierer 32 liegt auf der Kompaktiererplattform 50 und ist eingerichtet, um durch den ersten und den zweiten Schieber 20 und 22 der Aufbauplattform 26 zugeführtes Pulver zu kompaktieren. Die Kompaktiererplattform 50 enthält eine Kompaktiereröffnung 56, die mit der Öffnung 36 ausgerichtet ist, um einem Kompaktiererkolben 58, wie beispielsweise einem Stößel, des Kompaktierers 32 zu ermöglichen, sich durch die Kompaktiereröffnung 56 zu erstrecken und das zugeführte Pulver zu kompaktieren, und eine Pulverzuführöffnung 64, um Pulver zu ermöglichen, von dem Pulverzuführabschnitt 16 in das erste und das zweite Pulvertransportfenster 46 und 48 hinein zu fließen. Ein Aktuator 60 ist eingerichtet, um den Kompaktiererkolben 58 zwischen einer eingefahrenen Position, 2, und einer ausgefahrenen Position, 3, zu betätigen. Ein Aktuator 62 ist eingerichtet, um den Kompaktierer 32 entlang der Kompaktiererplattform 50 in Seitenrichtung zwischen einer Nichtgebrauchsposition, von der Öffnung 36 entfernt, 1, und einer Gebrauchsposition, die mit der Öffnung 36 ausgerichtet ist, 2, zu bewegen.
Der Aufbauprozess zum Aufbau eines Teils unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 10 ist wie folgt. Die Aufbauplattform 20 wird zu einer anfänglichen hohen Position durch den Aktuator 54 bewegt, wobei das Ventil 40 (falls vorhanden) in einer geschlossenen Stellung gehalten wird und der erste und der zweite Schieber 20 und 22 zu der Beladungsposition überführt werden, so dass das erste und das zweite Pulvertransportfenster 46 und 48 mit der Pulverzuführöffnung 64 und dem Pulverzuführabschnitt 16 ausgerichtet sind, 1. Die anfängliche hohe Position befindet sich um ein ausgewähltes Schichtinkrement unter der Arbeitsoberfläche 34. Das Schichtinkrement beeinflusst die Geschwindigkeit des additiven Herstellungsprozesses und die Auflösung des Teils. Als ein Beispiel kann das Schichtinkrement in etwa 10 bis 50 Mikrometer (0,003 bis 0,002 Zoll) betragen.
Wenn das erste und das zweite Pulvertransportfenster 46 und 48 mit dem Pulverzuführabschnitt 16 ausgerichtet sind, wird Pulver aus dem Pulverzuführabschnitt 16 in das erste und das zweite Pulverzuführfenster 46 und 48 fallen gelassen oder in sonstiger Weise eingespeist. Falls es verwendet wird, hält das Ventil 40 das Pulver davon ab, frei aus dem Pulverzuführabschnitt 16 durch das erste und das zweite Pulverzuführfenster 46 und 48 hindurch und in den Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 hinein zu fallen. Abhängig von der speziellen Art des verwendeten Pulverzuführ- und -rückgewinnungssystems ist es möglich, dass der Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 kontinuierlich eine Menge Pulver darin aufnehmen würde, wobei in diesem Fall das Ventil 40 nicht notwendig wäre. Die Aktuatoren 42 und 44 bewegen den ersten und den zweiten Schieber 20 und 22 in abgestimmter Weise zu der Zuführposition, 2, in der ein Pulver P dann über der Aufbauplattform 20 abgelagert wird. Der Aktuator 62 bewegt den Kompaktierer 32 von der Nichtgebrauchsposition zu der Gebrauchsposition, so dass der Kompaktiererkolben 58 mit der Kompaktiereröffnung 56 ausgerichtet ist, 2. Der Aktuator 60 bewegt den Kompaktiererkolben 58 in vertikaler Richtung nach unten von der eingefahrenen Position zu der ausgefahrenen Position, um das in dem ersten und dem zweiten Zuführfenster 46 und 48 enthaltene Pulver auf der Aufbauplattform 26 zu kompaktieren, 3.
Der Aktuator 42 beginnt, den ersten Schieber 20 von der Zuführposition aus zurück in die Beladungsposition, 4, zu bewegen, und der Aktuator 60 bewegt den Kompaktiererkolben 58 vertikal nach oben von der ausgefahrenen Position aus zu der eingefahrenen Position, 5, wodurch der Kompaktiererkolben 58 aus einem Wechseleingriff mit dem zweiten Schieber 22 entfernt wird. Sobald der Kompaktiererkolben 58 zu der eingefahrenen Position überführt wird und bevor der erste Schieber 20 sich vollständig zu der Beladungsposition bewegt hat, bewegt der Aktuator 44 den zweiten Schieber 22 von der Zuführposition aus zurück in die Beladungsposition, und der Aktuator 62 bewegt den Kompaktierer 32 von der Gebrauchsposition zu der Nichtgebrauchsposition, 6.
Wie in den 4 und 5 veranschaulicht, streifen bei einer Bewegung von der Zuführposition zu der Beladungsposition der erste und der zweite Schieber 20 und 22 über die Arbeitsoberfläche 34, um nicht benötigtes Pulver von der Aufbauplattform 26 zu entfernen. Das nicht benötigte Pulver ist in dem ersten und dem zweiten Pulverzuführfenster 46 und 48 enthalten. Wenn das erste und das zweite Zuführfenster 46 und 48 mit der Pulverrückgewinnungsöffnung 38 ausgerichtet sind, wird das Ventil 40 (falls vorhanden) geöffnet, und das nicht benötigte Pulver wird zur Wiederverwertung in den Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 fallengelassen. Nachdem das nicht benötigte Pulver in den Pulverrückgewinnungsabschnitt 18 fallengelassen worden ist, schließt das Ventil 40, und das erste und das zweite Pulverzuführfenster 46 und 48 werden erneut mit Pulver P beladen. Wie vorstehend erwähnt, könnte das Ventil 40 in Abhängigkeit von den speziellen Mitteln, die zur Zuführung und Rückgewinnung des Pulvers P verwendet werden, gegebenenfalls nicht benötigt werden, wobei in diesem Fall das nicht benötigte Pulver P einfach durch die Pulverrückgewinnungsöffnung 38 strömt.
Mit dem Kompaktierer 32 in der Nichtgebrauchsposition sowie dem ersten und zweiten Schieber 20 und 22 in der Beladungsposition wird die gerichtete Energiequelle 28 dazu verwendet, einen zweidimensionalen Querschnitt oder eine Schicht eines Teils, das gebildet wird, aufzuschmelzen, 6. Die gerichtete Energiequelle 28 sendet einen Strahl „B“ aus, und die Strahllenkvorrichtung 30 wird dazu verwendet, den Fokuspunkt „S“ des Strahls B über die freigelegte Pulveroberfläche im einen geeigneten Muster zu lenken. Die beaufschlagte Schicht des Pulvers P wird durch den Strahl B auf eine Temperatur erhitzt, die diesem ermöglicht, aufzuschmelzen, zu fließen und sich zu verfestigen. Dieser Schritt kann als Verschmelzen des Pulvers P bezeichnet werden.
Die Aufbauplattform 26 wird anschließend vertikal abwärts um das Schichtinkrement bewegt, und es wird eine weitere Schicht des Pulvers P mit einer ähnlichen Dicke aufgebracht, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf die 1–5 beschrieben ist. Die gerichtete Energiequelle 28 sendet erneut einen Strahl B aus, und die Strahllenkvorrichtung 30 wird dazu verwendet, den Fokuspunkt S des Strahls B über die freigelegte Pulveroberfläche in einem geeigneten Muster zu lenken. Die beaufschlagte Schicht des Pulvers P wird durch den Strahl B auf eine Temperatur erhitzt, die diesem ermöglicht, zu schmelzen, zu fließen und sich sowohl innerhalb der oberen Schicht als auch gemeinsam mit der unteren, zuvor verfestigten Schicht, zu vereinigen, 6.
Dieser Arbeitszyklus des Bewegens der Auflaufplattform 20, des Zuführens des Pulvers P, des Kompaktierens des Pulvers P, des Abstreifens und des anschließenden Aufschmelzens des Pulvers P wird widerholt, bis das gesamte Teil fertiggestellt ist.
In einer Alternative könnte der additive Herstellungsprozess unter Verwendung einer vereinfachten Version der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 10 ausgeführt werden. Zum Beispiel könnte der zweite Schieber 22 beseitigt werden, und ein Pulver könnte von dem Pulverhandhabungssystem 14 zu der Aufbaukammer 52 übertragen und anschließend mit lediglich dem ersten Schieber 20 abgestreift werden. Dies kann mit der oder ohne die Verwendung des Kompaktierers 32 bewerkstelligt werden. Falls der Kompaktierer 32 mit einem einzigen Schieber verwendet wird, würde dieser vollständig eingefahren werden, bevor der erste Schieber 20 bewegt werden würde, um das Niveau des Pulvers P abzustreifen.
Die Vorrichtung und das Verfahren, wie sie vorstehend beschrieben sind, weisen verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Sie beseitigen den Bedarf nach einem großen Pulverbett, um ein kleines Teil herzustellen, mit dem begleitenden Bedarf, große, schwere Pulvervolumina von Hand zu handhaben. Sie reduzieren und eliminieren weitgehend die Notwendigkeit einer manuellen Reinigung von Pulver nach einem Teileaufbauzyklus. Sie sind ferner mit einem zentralen Pulveraufbewahrungs- und -transportsystem vereinbar, was eine maßstäbliche Vergrößerung eines additiven Herstellungsprozesses durch den parallelen Einsatz mehrerer Maschinen in einer Anlage ermöglicht.
Das Vorstehende beschreibt eine additive Herstellungsvorrichtung und ein additives Herstellungsverfahren. All die Merkmale, die in dieser Beschreibung (einschließlich jeglicher begleitender Ansprüche, der Zusammenfassung und den Zeichnungen, offenbart sind, und/oder all die Schritte eines beliebigen so offenbarten Verfahrens oder Prozesses können in einer beliebigen Kombination miteinander kombiniert werden, mit der Ausnahme von Kombinationen, bei denen wenigstens einige solcher Merkmale und/oder Schritte sich gegenseitig ausschließen.
Jedes in dieser Beschreibung (einschließlich jeglicher begleitender Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen) offenbarte Merkmal kann durch alternative Merkmale, die dem gleichen, einem äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen, ersetzt werden, sofern nicht was anderes ausdrücklich angegeben ist. Somit stellt jedes offenbarte Merkmal, sofern nichts anderes ausdrücklich angegeben wird, lediglich ein einzelnes Beispiel für eine generische Reihe äquivalenter oder ähnlicher Merkmale dar.
Die Erfindung ist nicht auf die Details der vorstehenden Ausführungsform(en) beschränkt. Die Erfindung erstreckt sich auf jedes beliebige einzelne neue oder jede beliebige neue Kombination der Merkmale, die in dieser Beschreibung (einschließlich jeglicher begleitender Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen) offenbart sind, oder auf jeden beliebigen einzelnen neuen oder jede beliebige neue Kombination der Schritte jedes beliebigen Verfahrens oder Prozesses, die so offenbart sind.
Eine additive Herstellungsvorrichtung 10 enthält: einen Tisch 12, der eine ebene Arbeitsoberfläche 34 mit einer Öffnung 36 darin definiert, wobei die Öffnung 36 mit einem Aufbaugehäuse 34 kommuniziert, das eine vertikal verschiebbare Aufbauplattform 26 darin aufweist; und einen ersten Schieber 20 mit einem ersten Pulvertransportfenster 46 darin, wobei der erste Schieber 20 über die Arbeitsoberfläche 34 zwischen einer von der Öffnung 36 entfernten Beladungsposition, in der das erste Pulvertransportfenster 46 freigelegt ist, um Pulver zu empfangen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das erste Pulvertransportfenster 46 über der Öffnung 36 ausgerichtet ist.
Bezugszeichenliste

10: Additive Herstellungsvorrichtung
12: Tisch
14: Pulverhandhabungssystem
16: Pulverzuführabschnitt
18: Pulverrückgewinnungsabschnitt
20: Erster Schieber
22: Zweiter Schieber
24: Aufbaugehäuse
26: Aufbauplattform
28: Gerichtete Energiequelle
30: Strahllenkvorrichtung
32: Kompaktierer
34: Arbeitsoberfläche
36: Öffnung
38: Pulverrückgewinnungsöffnung
40: Tür
42: Aktuator
44: Aktuator
46: Erstes Pulvertransportfenster
48: Zweites Pulvertransportfenster
50: Kompaktiererplattform
52: Aufbaukammer
54: Aktuator
56: Kompaktiereröffnung
58: Kompaktiererkolben
60: Aktuator
62: Aktuator
64: Pulverzuführöffnung

Claims

Additive Herstellungsvorrichtung (10), die aufweist: einen Tisch (12), der eine ebene Arbeitsoberfläche (34) mit einer Öffnung (36) in dieser definiert, wobei die Öffnung (36) mit einem Aufbaugehäuse (24) kommuniziert, das eine vertikal verschiebbare Aufbauplattform (26) darin aufweist; und einen ersten Schieber (20), mit einem ersten Pulvertransportfenster (46) in diesem, wobei der erste Schieber (20) über die Arbeitsoberfläche (34) zwischen einer von der Öffnung (36) entfernten Beladungsposition, in der das erste Pulvertransportfenster (46) freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das erste Pulvertransportfenster (46) über der Öffnung (36) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen zweiten Schieber (22) mit einem zweiten Pulvertransportfenster (48) in diesem enthält, wobei der zweite Schieber (22) oben auf dem ersten Schieber (20) positioniert und zwischen einer von der Öffnung (36) entfernten Beladungsposition, in der das zweite Pulvertransportfenster (48) freigelegt ist, um Pulver aufzunehmen, und einer Zuführposition bewegbar ist, in der das zweite Pulvertransportfenster (48) über der Öffnung (36) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Kompaktierer (32) mit einem Kompaktiererkolben (58) enthält, der wahlweise durch das erste Pulvertransportfenster (46) ausfahrbar ist, um so ein in dem Aufbaugehäuse (24) enthaltenes Pulver zu kompaktieren.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine gerichtete Energiequelle enthält, die eingerichtet ist, um auf der Aufbauplattform (26) freigelegtes Pulver aufzuschmelzen und zu verschmelzen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Pulverhandhabungssystem mit einem Pulverzuführabschnitt, der eingerichtet ist, um in der Beladungsposition Pulver dem ersten Pulvertransportfenster (46) zuzuführen, und einen Pulverrückgewinnungsabschnitt enthält, der eingerichtet ist, um unverbrauchtes Pulver aufzunehmen, das durch den ersten Schieber (20) von der Aufbauplattform (26) abgestreift wird.
Verfahren zur Herstellung eines Teils, das die Schritte aufweist: Verwenden einer Vorrichtung, die aufweist: einen Tisch (12), der eine ebene Arbeitsoberfläche (34) und eine Öffnung (36) in dieser definiert; und einen ersten bewegbaren Schieber, der ein erstes Pulvertransportfenster (46) enthält; Laden von Pulver in das erste Pulvertransportfenster (46) in einer von der Öffnung (36) entfernten Beladungsposition und Durchlaufen des Tisches (12) mit dem ersten Schieber (20) von einer Beladungsposition zu einer Zuführposition, in der das erste Pulvertransportfenster (46) über der Öffnung (36) ausgerichtet ist; Zuführen von Pulver aus dem ersten Pulvertransportfenster (46) auf eine Aufbauplattform (26), die durch die Öffnung (36) freigelegt ist; Bewegen des ersten Schiebers (20) zurück zu der Beladungsposition, um das Pulver auf der Aufbauplattform (26) abzustreifen, um eine Pulverinkrementschicht zu bilden; Richten eines Strahls aus einer gerichteten Energiequelle, um die Pulverinkrementschicht in einem Muster, das einer Querschnittsschicht des Teils entspricht, zu verschmelzen; Absenken der Aufbauplattform (26) um das Schichtinkrement; und Widerholen der Schritte des Ladens, des Zuführens, des Bewegens, des Verschmelzens und des Absenkens in einem Arbeitszyklus, um das Teil Schicht für Schicht aufzubauen.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner den Schritt eines Kompaktierens des Pulvers enthält, nachdem dieses der Aufbauplattform (26) zugeführt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, das ferner die Schritte enthält: Verwenden eines Pulverzuführabschnitts eines Pulverhandhabungssystems, um Pulver in das erste Pulvertransportfenster (46) zu laden, während der erste Schieber (20) sich in der Beladungsposition befindet; und Verwenden eines Pulverrückgewinnungsabschnitts des Pulverhandhabungssystems, um durch den ersten Schieber (20) abgestreiftes Pulver aufzunehmen.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 6–8, wobei die Vorrichtung ferner einen zweiten Schieber (22) mit einem zweiten Pulvertransportfenster (48) in diesem enthält, wobei das Verfahren ferner die Schritte enthält: Laden von Pulver in das zweite Pulvertransportfenster (48) gleichzeitig mit dem Laden von Pulver in das erste Pulvertransportfenster (46); Bewegen des zweiten Schiebers (22) in abgestimmter Weise mit dem ersten Schieber (20) über den Tisch (12) von der Beladungsposition zu der Zuführposition; Zuführen von Pulver aus dem zweiten Pulvertransportfenster (48) auf die Aufbauplattform (26) gleichzeitig mit dem Zuführen von Pulver aus dem ersten Pulvertransportfenster (46); Kompaktieren des Pulvers, das der Öffnung (36) über der Aufbauplattform (26) zugeführt wurde; und Bewegen des zweiten Schiebers (22) zurück zu der Beladungsposition, um auf dem ersten Schieber (20) verbleibendes Pulver abzustreifen, nachdem der erste Schieber (20) das Pulver in der Öffnung (36) über der Aufbauplattform (26) abgestreift hat.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Kompaktieren des Pulvers, nachdem dieses der Aufbauplattform (26) zugeführt worden ist, unter Verwendung der folgenden Schritte aufweist: Bewegen des Kompaktierers in Seitenrichtung von einer von der Öffnung (36) entfernten Nichtgebrauchsposition zu einer Gebrauchsposition, die über dem ersten und dem zweiten Pulvertransportfenster (48) und der Öffnung (36) ausgerichtet ist; Ausfahren eines Kompaktiererkolbens (58) des Kompaktierers (32) in das zweite Pulvertransportfenster (48) hinein, um das zugefügte Pulver zu kompaktieren; Halten des Kompaktiererkolbens (58) in dem zweiten Pulvertransportfenster (48), während der erste Schieber (20) das Pulver abstreift, um die Pulverinkrementschicht in der Öffnung (36) über der Aufbauplattform (26) zu bilden; Zurückziehen des Kompaktiererkolbens (58) aus dem zweiten Pulvertransportfenster (48), nachdem der erste Schieber (20) die Pulverinkrementschicht gebildet hat; und Bewegen des Kompaktierers (32) von der Gebrauchsposition zu der Nichtgebrauchsposition, bevor der zweite Schieber (22) zurück zu der Beladungsposition bewegt wird.