DE102016109941A1

DE102016109941A1 - Verfahren und Anlage zur additiven Herstellung eines Objekts

Info

Publication number: DE102016109941A1
Application number: DE102016109941.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Tanja Traut
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-11-30
Also published as: US11241838B2; WO2017207127A1; CN107848214A; EP3463815A1; US20190126559A1; JP2018538163A; CN107848214B; JP6683809B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Objekts 2, insbesondere eines Hybridobjekts, auf Grundlage eines das additiv herzustellende Objekt 2 beschreibenden Datensatzes (DS) erfolgt, umfassend die folgenden Schritte:
– Bereitstellen eines das additiv herzustellende Objekt 2 beschreibenden Datensatzes (DS),
– Unterteilen des Datensatzes (DS) in wenigstens zwei Teildatensätze (TDS1, TDS2), wobei ein erster Teildatensatz (TDS1) ein einen ersten Objektteil des additiv herzustellenden Objekts 2 bildendes erstes Teilobjekt 2a beschreibt und wenigstens ein weiterer Teildatensatz (TDS2) wenigstens ein einen weiteren Objektteil des additiv herzustellenden Objekts 2 bildendes weiteres Teilobjekt 2b beschreibt,
– Ausbilden des ersten Teilobjekts 2a auf Grundlage des ersten Teildatensatzes (TDS1) in einem ersten additiven Bauprozess, und
– Ausbilden des wenigstens einen weiteren Teilobjekts 2b auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes (TDS2) in wenigstens einem gesonderten weiteren additiven Bauprozess, wobei das wenigstens eine weitere Teilobjekt 2b zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, auf dem ersten Teilobjekt 2a ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Herstellung von Objekten.
Entsprechende Verfahren und Anlagen zur additiven Herstellung von Objekten sind bekannt. Die additive Herstellung erfolgt hierbei durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten vermittels wenigstens eines Energiestrahls. Die sukzessive schichtweise selektive Verfestigung der Baumaterialschichten erfolgt auf Grundlage eines das jeweilige additiv herzustellende Objekt beschreibenden Datensatzes.
Vermittels entsprechenden Verfahren können Objekte mit unterschiedlichen Objekteigenschaften gefertigt werden. Ein Beispiel ist die Fertigung so genannter Hybridobjekte, welche aus einem ersten nicht additiv hergestellten Objektteil und einem weiteren additiv hergestellten Objektteil bestehen. Im Rahmen der Herstellung entsprechender Hybridobjekte wird der zweite Objektteil additiv auf dem ersten Objektteil „aufgebaut“.
Die Herstellung entsprechender Hybridobjekte umfasst sonach zwei prozesstechnisch unterschiedliche Herstellungsschritte, nämlich einen nicht additiven, beispielsweise spanabhebenden, Herstellungsschritt und einen diesem folgenden additiven Herstellungsschritt. Diese Abfolge aus nicht additiven und additiven Herstellungsschritten ist im Hinblick auf Effizienz und Prozessintegration des gesamten Fertigungsprozesses des Objekts verbesserungs- bzw. weiterentwicklungswürdig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur additiven Herstellung von Objekten anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anlage gemäß Anspruch 10 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche betreffen besondere Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Anlage.
Das hierin beschriebene Verfahren dient im Allgemeinen der additiven bzw. generativen Herstellung von, typischerweise dreidimensionalen, Objekten, d. h. beispielsweise technischen Bauteilen bzw. technischen Bauteilgruppen. Die additive Herstellung entsprechender Objekte erfolgt durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten, d. h. von Schichten aus verfestigbarem Baumaterial, vermittels wenigstens eines Energiestrahls. Bei dem verfestigbaren Baumaterial kann es sich um ein Metall-, Kunststoff- oder Keramikpulver handeln. Unter einem Metall-, Kunststoff- oder Keramikpulver kann auch ein Pulvergemisch unterschiedlicher Metalle, Kunststoffe oder Keramiken verstanden werden. Für ein Metallpulver gilt insofern, dass es sich hierbei auch um ein Pulver aus einer Metalllegierung handeln kann. Bei dem Energiestrahl kann es sich um einen Laserstrahl handeln. Bei dem Verfahren kann es sich entsprechend um ein selektives Laserschmelzverfahren (abgekürzt SLM-Verfahren) oder um ein selektives Lasersinterverfahren (abgekürzt SLS-Verfahren) handeln.
Die sukzessive schichtweise selektive Belichtung und die damit einhergehende sukzessive schichtweise selektive Verfestigung der zur additiven Herstellung eines Objekts jeweils selektiv zu verfestigenden Baumaterialschichten erfolgt auf Grundlage eines das additiv herzustellende Objekt beschreibenden Datensatzes. Der Datensatz beschreibt im Allgemeinen die geometrisch(-konstruktive)Gestalt des additiv herzustellenden Objekts. Bei dem Datensatz kann es sich beispielsweise um, z. B. aus CAD-Daten des additiv herzustellenden Objekts abgeleitete, Schichtdaten („Slice-Daten“), welche eine Aufgliederung des additiv herzustellenden Objekts in einzelne übereinander liegend angeordnete Schichten („slices“) enthalten, handeln bzw. kann der Datensatz solche Schichtdaten beinhalten. Der Datensatz enthält typischerweise auch Ausrichtungsdaten, welche die Ausrichtung des additiv herzustellenden bzw. hergestellten Objekts in der Prozesskammer, d. h. insbesondere relativ zu der jeweiligen Belichtungseinrichtung, einer additiven Bauvorrichtung beschreiben.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein entsprechender Datensatz bereitgestellt. Der Datensatz wird typischerweise einer Steuereinrichtung bereitgestellt, welche zur Verarbeitung des bereitgestellten Datensatzes eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung bildet typischerweise einen Bestandteil einer Anlage zur additiven Herstellung von Objekten, welche zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist, bzw. einen Bestandteil einer Funktionskomponente, wie z. B. einer additiven Bauvorrichtung, einer solchen Anlage. Der Datensatz kann der Steuereinrichtung z. B. über mobile oder stationäre Datenspeichereinrichtungen, globale oder lokale Datennetzwerke, d. h. z. B. das Internet oder ein Intranet, etc., bereitgestellt werden.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird der bereitgestellte Datensatz datenmäßig in wenigstens zwei Teildatensätze, d. h. in einen ersten Teildatensatz und in wenigstens einen weiteren Teildatensatz, unterteilt. Der erste Teildatensatz beschreibt ein einen ersten Objektabschnitt bzw. Objektteil des additiv herzustellenden Objekts bildendes erstes Teilobjekt, der wenigstens eine weitere Teildatensatz beschreibt ein einen weiteren Objektabschnitt bzw. Objektteil des additiv herzustellenden Objekts bildendes weiteres Teilobjekt. Grundsätzlich lässt sich der Datensatz in eine beliebige Anzahl an Teildatensätzen unterteilen; entsprechend lässt sich das Objekt in eine beliebige Anzahl an Objektteilen bzw. Teilobjekten unterteilen. Wie sich im Weiteren ergibt, bilden das erste Teilobjekt und das wenigstens eine weitere Teilobjekt in jedem Fall gemeinsam das additiv herzustellende Objekt (Gesamtobjekt).
Die Unterteilung des Datensatzes in die wenigstens zwei Teildatensätze kann auf Grundlage wenigstens eines vorgebbaren oder vorgegebenen Unterteilungskriteriums erfolgen.
Typischerweise erfolgt die Unterteilung des Datensatzes unter Berücksichtigung wenigstens der geometrisch(-konstruktiven)Gestalt des additiv herzustellenden Objekts. Als Unterteilungskriterium kann entsprechend die geometrisch (-konstruktive)Gestalt des additiv herzustellenden Objekts verwendet werden. Beispielsweise kann ein erster Teildatensatz einen geometrisch(-konstruktiv) definierbaren bzw. definierten ersten Objektteil und ein weiterer Teildatensatz einen geometrisch(-konstruktiv) definierbaren bzw. definierten weiteren Objektteil beschreiben. Bei einem geometrisch(-konstruktiv) definierbaren bzw. definierten Objektteil kann es sich z. B. um einen, z. B. querschnittlich betrachtet, eckigen oder runden bzw. rundlichen Objektteil handeln.
Als Unterteilungskriterium kann auch die funktionelle Gestalt des additiv herzustellenden Objekts verwendet werden. Beispielsweise kann ein erster Teildatensatz einen im Hinblick auf den Einsatz des additiv herzustellenden Objekts funktionell definierbaren bzw. definierten ersten Objektteil und ein weiterer Teildatensatz einen im Hinblick auf den Einsatz des additiv herzustellenden Objekts funktionell definierbaren bzw. definierten weiteren Objektteil beschreiben. Bei einem funktionell definierbaren bzw. definierten Objektteil kann es sich z. B. um einen Verbindungsabschnitt, über welchen sich eine Verbindungsfunktion des Objekts mit einem Verbindungspartner realisieren lässt, einen Formgebungsabschnitt, über welchen sich eine formgebende Funktion des Objekts realisieren lässt, oder um einen Werkzeugabschnitt, über welchen sich eine Werkzeugfunktion des Objekts realisieren lässt, handeln. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass ein Anwender des Verfahrens einen Datensatz nach individuellen Vorgaben in mehrere Teildatensätze unterteilt. Die Unterteilung des Datensatzes in mehrere Teildatensätze kann in jedem Fall auf Grundlage verschiedener, gegebenenfalls unterschiedlich gewichteter, Unterteilungskriterien erfolgen.
In einem dritten Schritt des Verfahrens erfolgt die Ausbildung, d. h. der additive Aufbau, des ersten Teilobjekts auf Grundlage des ersten Teildatensatzes. Die Ausbildung des ersten Teilobjekts erfolgt in einem ersten additiven Bauprozess.
In einem vierten Schritt des Verfahrens erfolgt die Ausbildung, d. h. der additive Aufbau, des wenigstens einen weiteren Teilobjekts auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes. Das weitere Teilobjekt wird dabei zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, auf dem zuvor ausgebildeten ersten Teilobjekt ausgebildet. Im Rahmen der Ausbildung des weiteren Teilobjekts erfolgt typischerweise eine stabile, gegebenenfalls stoffschlüssige, Verbindung des ersten Teilobjekts und des weiteren Teilobjekts. Die Ausbildung des weiteren Teilobjekts erfolgt in einem zu dem ersten additiven Bauprozess gesonderten weiteren additiven Bauprozess. Die Ausbildung des ersten Teilobjekts und des weiteren Teilobjekts erfolgt also nicht in demselben additiven Bauprozess. Der erste additive Bauprozess ist nach Fertigstellung des ersten Teilobjekts abgeschlossen, der weitere additive Bauprozess ist nach Fertigstellung des weiteren Teilobjekts abgeschlossen. Nach Abschluss aller weiteren additiven Bauprozesse ist das additiv herzustellende Objekt fertiggestellt.
Der beschriebene Verfahrensablauf ermöglicht die Herstellung von Objekten, welche Objektteile mit unterschiedlichen Objekteigenschaften aufweisen. Verfahrensgemäß werden sämtliche Objektteile in gesonderten additiven Bauprozessen additiv ausgebildet. Das hierin beschriebene Verfahren ist damit im Hinblick auf Effizienz und Prozessintegration des gesamten Herstellungsprozesses von Objekten mit unterschiedlichen Objekteigenschaften verbessert.
Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich insbesondere für die Herstellung der eingangs genannten Hybridobjekte, welche bis dato aus einem nicht additiv gefertigten Objektteil und einem additiv gefertigten Objektteil hergestellt wurden. Verfahrensgemäß ist es möglich, entsprechende Hybridobjekte vollständig additiv herzustellen. Mithin werden verfahrensgemäß auch diejenigen Objektteile, welche bis dato nicht additiv gefertigt wurden, additiv ausgebildet.
Das erste Teilobjekt und das wenigstens eine weitere Teilobjekt oder im Allgemeinen wenigstens ein weiteres Teilobjekt können in derselben additiven Bauvorrichtung oder in unterschiedlichen additiven Bauvorrichtungen ausgebildet werden. Mithin kann das hierin beschriebene Verfahren mit einer oder mehreren additiven Bauvorrichtungen realisiert werden. Sofern mehrere additive Bauvorrichtungen verwendet werden, kann die Anzahl der additiven Bauvorrichtungen der Anzahl der jeweils additiv auszubildenden Teilobjekte entsprechen. Das Verfahren kann (auch) bei Ausbildung des Objekts bzw. jeweiliger Teilobjekte in unterschiedlichen additiven Bauvorrichtungen problemlos durchgeführt werden, da die zur Ausbildung der jeweiligen Teilobjekte verwendeten Teildatensätze dem gleichen ursprünglichen Datensatz entspringen. In den jeweiligen Teildatensätzen sind sonach auch die dem ursprünglichen Datensatz entnehmbaren Ausrichtungsdaten, welche die Ausrichtung des Objekts bzw. jeweiliger Teilobjekte in der jeweiligen Prozesskammer, d. h. insbesondere relativ zu einer jeweiligen Belichtungseinrichtung, beschreiben, enthalten. Eine typischerweise aufwändige Neuausrichtung der jeweiligen Teilobjekte ist sonach nicht notwendig.
Sofern zur Ausbildung des ersten Teilobjekts und des wenigstens einen weiteren Teilobjekts dieselbe additive Bauvorrichtung verwendet wird, wird zweckmäßig vor der Ausbildung des weiteren Teilobjekts wenigstens ein weiter unten näher genannter Bauprozessparameter verändert.
Wie weiter oben angedeutet, kann das erste Teilobjekt mit wenigstens einem anderen Objektparameter als das wenigstens eine weitere Teilobjekt ausgebildet werden. Das erste Teilobjekt kann sich also in wenigstens einem Objektparameter von dem weiteren Teilobjekt unterscheiden. Verfahrensgemäß lassen sich sonach Teilobjekte mit unterschiedlichen Objektparametern herstellen. Unter einem Objektparameter ist grundsätzlich jedweder Parameter zu verstehen, welcher das additiv hergestellte Objekt bzw. Teilobjekt (unmittelbar) betrifft.
Als Objektparameter kann z. B. ein Geometrieparameter verwendet werden, welcher wenigstens eine geometrisch(-konstruktive)Eigenschaft des Objekts bzw. Teilobjekts beschreibt. Das erste Teilobjekt kann sich von einem weiteren Teilobjekt sonach im Hinblick auf wenigstens einen Geometrieparameter unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Geometrieparameter z. B. um die Höhe, Breite, Länge, Längs- und/oder Querschnittsgeometrie, etc. handeln. Das erste Teilobjekt kann also z. B. eine andere Höhe, Breite, Länge, eine andere Längs- und/oder Querschnittsgeometrie, etc. als das weitere Teilobjekt aufweisen.
Als Objektparameter kann z. B. auch ein physikalischer, insbesondere mechanischer, Parameter, welcher wenigstens eine physikalische, insbesondere mechanische, Eigenschaft des Objekts bzw. Teilobjekts beschreibt, verwendet werden. Das erste Teilobjekt kann sich von einem weiteren Teilobjekt sonach (auch) im Hinblick auf wenigstens einen physikalischen Parameter unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem physikalischen Parameter z. B. um die Dichte, Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Oberflächenstruktur, insbesondere Oberflächengüte bzw. Rauigkeit, etc. handeln. Das erste Teilobjekt kann also z. B. eine andere Dichte, Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Oberflächenstruktur, insbesondere Oberflächengüte bzw. Rauigkeit, etc. als das weitere Teilobjekt aufweisen.
Das hierin beschriebene Verfahren ermöglicht es weiterhin, dass das erste Teilobjekt mit wenigstens einem anderen Bauprozessparameter als das wenigstens eine weitere Teilobjekt ausgebildet wird. Der erste additive Bauprozess kann sich also in wenigstens einem Bauprozessparameter von dem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Verfahrensgemäß können sonach additive Bauprozesse mit unterschiedlichen Bauprozessparametern realisiert werden. Unter einem Bauprozessparameter ist grundsätzlich jedweder Parameter zu verstehen, welcher den jeweiligen additiven Bauprozess zur Herstellung des Objekts bzw. jeweiliger Teilobjekte (unmittelbar) betrifft. Selbstverständlich lassen sich auch diverse Objektparameter über die Wahl bestimmter Bauprozessparameter gezielt beeinflussen.
Als Bauprozessparameter kann z. B. ein wenigstens eine Eigenschaft des zur Ausbildung des jeweiligen Teilobjekts verwendeten Baumaterials beschreibender Baumaterialparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also in wenigstens einem Baumaterialparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Baumaterialparameter z. B. um die chemisch-physikalische Struktur bzw. die chemisch-physikalische Zusammensetzung, die Partikelform bzw. deren Verteilung, die Partikelgröße bzw. deren Verteilung, etc. des zur additiven Ausbildung des jeweiligen Teilobjekts verwendeten Baumaterials handeln. Mithin ist es möglich, dass in dem ersten additiven Bauprozess ein im Hinblick auf die chemisch-physikalische Struktur und/oder die Partikelform bzw. die Partikelgröße anderes Baumaterial als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess eingesetzt wird. Verfahrensgemäß können sonach z. B. Objekte hergestellt werden, welche unterschiedliche Objektteile aus unterschiedlichen Baumaterialien aufweisen.
Als Bauprozessparameter kann weiterhin ein wenigstens eine Strahleigenschaft des zur selektiven Verfestigung jeweiliger Baumaterialschichten jeweils verwendeten Energiestrahls beeinflussender Energiestrahlparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also (auch) in wenigstens einem Energiestrahlparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Energiestrahlparameter z. B. um die Strahlgeschwindigkeit, die Strahlintensität, das Strahlbewegungsmuster, etc. handeln. Mithin ist es möglich, dass in dem ersten additiven Bauprozess ein im Hinblick auf die Strahlgeschwindigkeit, die Strahlintensität bzw. das Strahlbewegungsmuster anderer Energiestrahl als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess eingesetzt wird. Verfahrensgemäß kann z. B. ein erster additiver Bauprozess z. B. mit einer hohen Strahlintensität und einer hohen Strahlgeschwindigkeit und ein nachfolgender weiterer additiver Bauprozess mit einer im Vergleich niedrigen Strahlintensität und einer im Vergleich niedrigen Strahlgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Als Bauprozessparameter kann zudem ein wenigstens eine Schichteigenschaft jeweiliger selektiv zu verfestigender Baumaterialschichten beeinflussender Schichtparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also (auch) in wenigstens einem Schichtparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Schichtparameter z. B. um die Schichtanzahl, die Schichtdichte, die Schichtdicke, die Schichtoberflächenbeschaffenheit, die Schichttemperatur, etc. handeln. Mithin ist es möglich, dass in dem ersten additiven Bauprozess im Hinblick auf deren Schichtanzahl, Schichtdichte, Schichtdicke, Schichtoberflächenbeschaffenheit bzw. Schichttemperatur andere Baumaterialschichten als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess selektiv verfestigt werden. Verfahrensgemäß können also z. B. in einem ersten additiven Bauprozess z. B. Baumaterialschichten mit anderen Schichtdicken als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess selektiv verfestigt werden.
Zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens wird eine Anlage zur additiven Herstellung von Objekten verwendet. Die Anlage ist folglich zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet.
Die Erfindung betrifft neben dem Verfahren daher auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. Die Anlage umfasst wenigstens eine Steuereinrichtung, welche zur Unterteilung eines dieser bereitgestellten, ein additiv herzustellendes Objekt beschreibenden Datensatzes in wenigstens zwei Teildatensätze, wobei ein erster Teildatensatz ein einen ersten Objektteil des additiv herzustellenden Objekts bildendes erstes Teilobjekt beschreibt und wenigstens ein weiterer Teildatensatz wenigstens ein einen weiteren Objektteil des additiv herzustellenden Objekts bildendes weiteres Teilobjekt beschreibt, eingerichtet ist, und wenigstens eine additive Bauvorrichtung, wobei die additive Bauvorrichtung zur additiven Ausbildung bzw. Herstellung des ersten Teilobjekts auf Grundlage des ersten Teildatensatzes und/oder zur additiven Ausbildung bzw. Herstellung des wenigstens einen weiteren Teilobjekts auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes eingerichtet ist.
Sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem hierin beschriebenen Verfahren gelten analog für die hierin beschriebene Anlage. Umgekehrt gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der hierin beschriebenen Anlage analog für das hierin beschriebene Verfahren.
Die der Anlage zugehörige(n) additive(n) Bauvorrichtung(en) sind jeweils mit sämtlichen zur Durchführung additiver Bauprozesse erforderlichen Funktionskomponenten ausgestattet. Zu entsprechenden Funktionskomponenten zählt beispielsweise eine Beschichtereinrichtung zur Ausbildung selektiv zu verfestigender Baumaterialschichten in einer Bauebene und eine, z. B. eine oder mehrere als Laser(dioden)elemente ausgebildete oder solche umfassende Belichtungselemente umfassende, Belichtungseinrichtung zur Belichtung einer selektiv zu verfestigenden Baumaterialschicht mit einem Energie- bzw. Laserstrahl zur selektiven Verfestigung einer vermittels der Beschichtereinrichtung in einer Bauebene ausgebildeten Baumaterialschicht. Die Funktionskomponenten sind typischerweise in einer, auch als Maschinengehäuse zu bezeichnenden bzw. zu erachtenden, gegebenenfalls inertisierbaren, Gehäusestruktur der additiven Bauvorrichtung angeordnet.
Die Anlage kann mehrere additive Bauvorrichtungen umfassen, wobei eine erste additive Bauvorrichtung oder eine Gruppe erster additiver Bauvorrichtungen (jeweils) zur Ausbildung eines ersten Teilobjekts auf Grundlage eines ersten Teildatensatzes eingerichtet ist und wenigstens eine weitere additive Bauvorrichtung oder eine Gruppe weiterer additiver Bauvorrichtungen (jeweils) zur Ausbildung wenigstens eines weiteren Teilobjekts auf Grundlage wenigstens eines weiteren Teildatensatzes eingerichtet ist.
Die Anlage umfasst kann wenigstens eine modulartige Funktionseinheit (im Weiteren „Funktionseinheit“) umfassen. Der modulartige Aufbau einer solchen Funktionseinheit ergibt sich aus einer als „Modul“ zu bezeichnenden Gehäusestruktur, in welcher die jeweiligen funktionellen Bestandteile der Funktionseinheit aufgenommen sind. Die Gehäusestruktur bestimmt die äußere geometrische Gestalt der Funktionseinheit.
Eine Funktionseinheit kann insbesondere als ein Baumodul ausgebildet sein. Ein Baumodul umfasst wenigstens eine in einem, typischerweise kammerartigen, Aufnahmeraum („Baukammer“) bewegbar, insbesondere höhenverstellbar, relativ zu einem Grundkörper des Baumoduls gelagerte Bau- oder Trägerplatte, auf welcher ein additiver Aufbau wenigstens eines Objekts erfolgen kann. Ein Baumodul dient im Rahmen der Durchführung des Verfahrens insbesondere der Lagerung eines additiv herzustellenden Objekts bzw. Teilobjekts während der Durchführung eines additiven Bauprozesses.
Eine Funktionseinheit kann auch als ein Dosiermodul ausgebildet sein. Ein Dosiermodul umfasst wenigstens einen zur Aufnahme von zu verfestigendem Baumaterial eingerichteten, typischerweise kammerartigen, Aufnahmeraum und gegebenenfalls eine Dosiereinrichtung zur Dosierung einer bestimmten Menge von zu verfestigendem Baumaterial aus dem Aufnahmeraum. Ein Dosiermodul dient im Rahmen der Durchführung des Verfahrens insbesondere der Bereitstellung (Dosierung) einer bestimmten Menge an zu verfestigendem Baumaterial, welches vermittels einer Beschichtereinrichtung unter Ausbildung einer definierten Baumaterialschicht gleichmäßig in einer Bauebene verteilt wird.
Eine Funktionseinheit kann jedoch auch als ein Überlaufmodul ausgebildet sein. Ein Überlaufmodul umfasst wenigstens einen zur Aufnahme von nicht verfestigtem Baumaterial eingerichteten, typischerweise kammerartigen, Aufnahmeraum. Das Überlaufmodul dient im Rahmen der Durchführung des Verfahrens insbesondere dazu, nicht verfestigtes aus einer Bau- oder Prozesskammer der additiven Bauvorrichtung zu entfernendes bzw. entferntes Baumaterial aufzunehmen.
Schließlich kann eine Funktionseinheit auch als ein Handhabungs- oder Handlingsmodul ausgebildet sein. Ein Handhabungs- oder Handlingsmodul umfasst wenigstens einen zur Aufnahme wenigstens eines additiv hergestellten Objekts eingerichteten, typischerweise kammerartigen, Aufnahmeraum. Über eine geeignete Schnittstelle kann eine Zugangs- oder Zugriffsmöglichkeit in den Aufnahmeraum zum „Auspacken“ des fertigen Objekts erfolgen. Der Zugang bzw. Zugriff kann über einen Bediener („Glovebox“) oder über einen Roboter erfolgen.
Unabhängig von ihrer konkreten funktionellen Ausgestaltung ist eine jeweilige Funktionseinheit bewegbar; wie sich im Weiteren ergibt, kann eine jeweilige Funktionseinheit sonach zwischen verschiedenen stationären, d. h. nicht bewegbaren, typischerweise fest mit einem Untergrund verbundenen Bestandteilen der Anlage (hin und her) bewegt werden.
Die Anlage kann eine Tunnelstruktur umfassen. Die Tunnelstruktur weist wenigstens einen Tunnelabschnitt auf, in welchem bzw. durch welchen wenigstens eine Funktionseinheit bewegbar ist. In einem jeweiligen Tunnelabschnitt ist wenigstens eine Bewegungsbahn oder -spur (im Weiteren „Bewegungsbahn“), entlang welcher eine Funktionseinheit durch den Tunnelabschnitt bewegbar ist, ausgebildet. Selbstverständlich ist es möglich, in einem Tunnelabschnitt zumindest abschnittsweise mehrere Bewegungsbahnen, d. h. z. B. benachbart, insbesondere parallel, angeordnete Bewegungsbahnen in einer oder mehreren Ebenen, auszubilden. Eine entsprechende Bewegungsbahn kann eine geführte Bewegung einer Funktionseinheit in dem bzw. durch den jeweiligen Tunnelabschnitt ermöglichen.
Ein jeweiliger Tunnelabschnitt begrenzt wenigstens einen Hohlraum, in welchem wenigstens eine Funktionseinheit bewegbar ist. Im Übrigen ist die geometrisch-konstruktive Ausgestaltung eines jeweiligen Tunnelabschnitts mit der Maßgabe, dass wenigstens eine Funktionseinheit in diesem bzw. durch diesen bewegbar ist, beliebig wählbar. Ein jeweiliger Tunnelabschnitt kann z. B. eine runde, rundliche oder eckige Querschnittsgeometrie aufweisen. Im Hinblick auf seine Längserstreckung kann ein jeweiliger Tunnelabschnitt zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, geradlinig oder zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, gebogen oder gekrümmt verlaufend ausgebildet sein. Selbstverständlich kann ein jeweiliger Tunnelabschnitt aus mehreren Tunnelabschnittsegmenten, welche unter Ausbildung des jeweiligen Tunnelabschnitts miteinander verbindbar oder verbunden sind, gebildet sein.
Ein jeweiliger Tunnelabschnitt kann in wenigstens einen weiteren, z. B. winklig zu diesem verlaufenden, Tunnelabschnitt münden. Die Tunnelstruktur kann – ähnlich einem aus dem Schienenverkehr bekannten Gleis- oder Schienensystem – mehrere an definierten Positionen ineinander mündende Tunnelabschnitte umfassen. Mehrere Tunnelabschnitte können zumindest abschnittsweise neben-, über- oder untereinander verlaufen. Die Tunnelstruktur kann sonach mehrere zumindest abschnittsweise neben-, über- oder untereinander, mithin in unterschiedlichen (horizontalen und/oder vertikalen) Ebenen verlaufende Tunnelabschnitte umfassen.
Ein jeweiliger Tunnelabschnitt kann inertisierbar sein, d. h. in diesem kann eine inerte Atmosphäre ausgebildet und aufrechterhalten werden. In analoger Weise kann in einem jeweiligen Tunnelabschnitt ein bestimmtes Druckniveau, d. h. z. B. ein Über- oder Unterdruck, ausgebildet und aufrechterhalten werden.
Um mit der Tunnelstruktur verbunden werden zu können, können einzelne, mehrere oder sämtliche stationäre Bestandteile der Anlage einen Verbindungsabschnitt aufweisen, über welchen diese mit der Tunnelstruktur verbindbar oder verbunden sind. Insbesondere weisen die der Anlage zugehörigen additiven Bauvorrichtungen jeweils wenigstens einen Verbindungsabschnitt auf, über welchen diese mit der Tunnelstruktur verbindbar oder verbunden sind. Funktionseinheiten sind entsprechend ausgehend von der additiven Bauvorrichtung in die Tunnelstruktur oder ausgehend von der Tunnelstruktur in die die der Anlage zugehörigen additiven Bauvorrichtungen bewegbar.
Es ist auch möglich, dass in jeweiligen stationären Bestandteilen der Anlage, insbesondere in additiven Bauvorrichtungen, wenigstens ein Tunnelabschnitt der Tunnelstruktur angeordnet oder ausgebildet ist, welcher über den jeweiligen Verbindungsabschnitt mit wenigstens einem außerhalb des jeweiligen stationären Bestandteils der Anlage angeordneten oder ausgebildeten Tunnelabschnitt kommuniziert.
Die Funktion der Tunnelstruktur bzw. der dieser zugehörigen Tunnelabschnitte besteht darin, wenigstens zwei unterschiedliche stationäre Bestandteile der Anlage unmittelbar oder mittelbar, d. h. z. B. unter Zwischenschaltung wenigstens eines weiteren Tunnelabschnitts und/oder eines weiteren stationären Bestandteils der Anlage, miteinander zu verbinden. Die Verbindung jeweiliger stationärer Bestandteile der Anlage ermöglicht ein hin und her Bewegen jeweiliger Funktionseinheiten zwischen jeweiligen stationären Bestandteilen der Anlage. Bewegungen jeweiliger Funktionseinheiten durch die Tunnelstruktur sind insbesondere vollautomatisiert möglich. Über einen oder mehrere Tunnelabschnitte kann z. B. eine der Anlage zugehörige erste stationäre additive Bauvorrichtung („erste Baustation“), in welcher verfahrensgemäß ein erster additiver Bauprozess zur Ausbildung eines ersten Teilobjekts durchgeführt wird oder wurde, mit einer der Anlage zugehörigen weiteren stationären additiven Bauvorrichtung („weitere Baustation“), in welcher verfahrensgemäß ein weiterer additiver Bauprozess zur Ausbildung eines weiteren Teilobjekts durchgeführt wird oder wurde, verbunden werden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Bewegungsbahn, entlang welcher eine Funktionseinheit, d. h. z. B. ein Baumodul, ausgehend von einem ersten stationären Bestandteil der Anlage zurück in einen weiteren stationären Bestandteil der Anlage bewegt wird, anders ist, als die Bewegungsbahn, entlang welcher die jeweilige Funktionseinheit ausgehend von dem ersten stationären Bestandteil in den weiteren stationären Bestandteil der Anlage bewegt wurde. Die Auswahl einer Bewegungsbahn einer Funktionseinheit zwischen jeweiligen stationären Bestandteilen der Anlage kann auf Grundlage von Priorisierungen bestimmter Funktionseinheiten erfolgen. Beispielsweise können für höher priorisierte Funktionseinheiten streckenmäßig kürzere bzw. schnellere Bewegungsbahnen ausgewählt werden als für niedriger priorisierte Funktionseinheiten. Gleichermaßen können höher priorisierte Funktionseinheiten z. B. mit einer im Vergleich zu niedriger priorisierten Funktionseinheiten höheren Geschwindigkeit bewegt werden.
Zur Bewegung jeweiliger Funktionseinheiten umfasst die Anlage wenigstens eine Fördereinrichtung. Die Fördereinrichtung kann mit einer (motorischen) Antriebseinrichtung gekoppelt sein, über welche eine wenigstens eine Funktionseinheit in eine Bewegung versetzende Antriebskraft erzeugbar ist.
Die Fördereinrichtung kann wenigstens ein tunnelstrukturseitig angeordnetes oder ausgebildetes Fördermittel umfassen, welches eingerichtet ist, eine Funktionseinheit in eine Bewegung zu versetzen. Bei einem solchen Fördermittel kann es sich z. B. um ein mechanisches Fördermittel, d. h. z. B. um einen Band-, Ketten- oder Rollenförderer, handeln, welches durch seine räumliche Erstreckung innerhalb eines jeweiligen Tunnelabschnitts eine Förderstrecke und somit eine Bewegungsbahn definiert, entlang welcher eine Funktionseinheit bewegbar ist. Ein entsprechendes Fördermittel kann z. B. boden- oder wandseitig an einer Wandung eines Tunnelabschnitts angeordnet oder ausgebildet sein.
Die oder eine Fördereinrichtung kann wenigstens ein funktionseinheitseitig angeordnetes oder ausgebildetes Fördermittel umfassen, welches eingerichtet ist, die mit diesem ausgestattete Funktionseinheit in eine Bewegung zu versetzen. Bei einem solchen Fördermittel kann es sich z. B. um eine in eine jeweilige Funktionseinheit integrierte (elektro)motorische Antriebseinrichtung handeln. Derart kann die Bewegungsfreiheit einer Funktionseinheit erweitert werden, da z. B. Rotationsbewegungen um eine vertikale Achse möglich sind.
Die Steuerung sämtlicher Bewegungen der in der Anlage, insbesondere in der Tunnelstruktur, bewegbaren bzw. bewegten Funktionseinheiten erfolgt über eine zentrale Stereinrichtung, welche eingerichtet ist, unmittelbar oder mittelbar mit jeweiligen Funktionseinheiten, z. B. funkbasiert, zu kommunizieren. Die Funktionseinheiten sind hierfür zweckmäßig mit geeigneten Kommunikationseinrichtungen ausgestattet. In der Stereinrichtung liegen zweckmäßig sämtliche für die Bewegung jeweiliger Funktionseinheiten innerhalb der Anlage bzw. der Tunnelstruktur relevanten Informationen, d. h. insbesondere jeweilige Bewegungsinformation, d. h. z. B. Geschwindigkeitsinformation, jeweilige Positionsinformation, d. h. z. B. Start- und Zielinformationen, jeweilige Priorisierungsinformationen, etc., vor. Die Steuerung der Bewegungen der in der Anlage bzw. in der Tunnelstruktur bewegten Funktionseinheiten kann vollautomatisch erfolgen.
Die Erfindung ist anhand der in den folgenden Zeichnungsfiguren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1, 2 je eine Prinzipdarstellung einer Anlage zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3 eine Prinzipdarstellung eines dreidimensionalen Objekts.
Die 1, 2, zeigen jeweils eine Prinzipdarstellung einer Anlage 1 zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte 2, d. h. beispielsweise technischer Bauteile bzw. technischer Bauteilgruppen, gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht. Bei den Anlagen 1 kann es sich um Anlagen zur Durchführung selektiver Laserschmelzverfahren (abgekürzt SLM-Verfahren) oder selektiver Lasersinterverfahren (abgekürzt SLS-Verfahren) handeln.
Die in den 1, 2 gezeigten Anlagen 1 unterscheiden sich in der Anzahl der diesen jeweils zugehörigen additiven Bauvorrichtungen 3 („Baustationen“) zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte 2; die in 1 gezeigte Anlage 1 umfasst mehrere additive Bauvorrichtung(en) 3, die in 2 gezeigte Anlage 1 umfasst nur eine additive Bauvorrichtung 3.
Die den Anlagen 1 zugehörigen additiven Bauvorrichtungen 3 umfassen jeweils sämtliche zur Durchführung additiver Bauprozesse erforderlichen Funktionskomponenten. Zu entsprechenden Funktionskomponenten zählt eine, wie in den 1, 2 durch den horizontal ausgerichteten Doppelpfeil angedeutet, bewegbar gelagerte Beschichtereinrichtung 6 zur Ausbildung selektiv zu belichtender Baumaterialschichten in einer Bauebene 7 und eine ein oder mehrere, z. B. als Laserdiodenelemente ausgebildete oder solche umfassende, Belichtungselemente 8 umfassende Belichtungseinrichtung 9 zur selektiven Belichtung einer vermittels der Beschichtereinrichtung 6 in der Bauebene 7 ausgebildeten, selektiv zu belichtenden Baumaterialschicht. Die Funktionskomponenten sind in einer eine Prozesskammer 11 definierenden Gehäusestruktur 10 der additiven Bauvorrichtung 3 angeordnet. Die Prozesskammer 11 ist inertisierbar, in der Prozesskammer 11 lässt sich sonach eine Schutzgasatmosphäre, z. B. eine Argonatmosphäre, und/oder ein bestimmtes Druckniveau ausbilden und aufrechterhalten.
Die Anlagen 1 umfassen jeweils mehrere modulartige Funktionseinheiten 12. Der modulartige Aufbau der Funktionseinheiten 12 ergibt sich aus einer als „Modul“ zu bezeichnenden, die äußere geometrische Gestalt der jeweiligen Funktionseinheit 12 (im Wesentlichen) bestimmenden Gehäusestruktur (nicht näher bezeichnet), in welcher die jeweiligen funktionellen Bestandteile der jeweiligen Funktionseinheit 12 aufgenommen sind.
Die Funktionseinheiten 12 sind insbesondere als Baumodule 12a ausgebildet. Die Baumodule 12a umfassen einen in einem auch als „Baukammer“ zu bezeichnenden, kammerartigen Aufnahmeraum (nicht näher bezeichnet) bewegbar, insbesondere höhenverstellbar, relativ zu einem Grundkörper des Baumoduls 12a gelagerte Bau- oder Trägerplatte (nicht näher bezeichnet), auf welcher ein additiver Aufbau eines dreidimensionalen Objekts 2 erfolgen kann. Die Baumodule 12a dienen sonach der Lagerung additiv herzustellender Objekte 2 während der Durchführung eines additiven Bauprozesses.
Optional können weitere Funktionseinheiten 12 als Dosiermodule 12b ausgebildet sein. Die Dosiermodule 12b umfassen einen zur Aufnahme von zu verfestigendem Baumaterial 4 eingerichteten kammerartigen Aufnahmeraum (nicht näher bezeichnet) und eine Dosiereinrichtung (nicht näher bezeichnet) zur Dosierung einer bestimmten Menge an zu verfestigendem Baumaterial 4 aus dem Aufnahmeraum. Die Dosiermodule 12b dienen der Bereitstellung (Dosierung) einer bestimmten Menge an zu verfestigendem Baumaterial 4, welches vermittels der Beschichtereinrichtung 6 unter Ausbildung einer definierten Baumaterialschicht gleichmäßig in der Bauebene 7 verteilt wird.
Weiter optional können weitere Funktionseinheiten als Überlaufmodule 12c ausgebildet sein. Die Überlaufmodule 12c umfassen einen zur Aufnahme von nicht verfestigtem Baumaterial 4 eingerichteten kammerartigen Aufnahmeraum (nicht näher bezeichnet). Die Überlaufmodule 12c dienen dazu, nicht verfestigtes aus der Prozesskammer 11 einer additiven Bauvorrichtung 3 zu entfernendes bzw. entferntes Baumaterial 4 aufzunehmen.
Schließlich können optional weitere Funktionseinheiten (nicht gezeigt) als Handhabungs- oder Handlingsmodule ausgebildet sein. Die Handhabungs- oder Handlingsmodule umfassen einen zur Aufnahme eines additiv hergestellten Objekts 2 eingerichteten kammerartigen Aufnahmeraum (nicht näher bezeichnet). Über eine geeignete Schnittstelle (nicht gezeigt) kann eine Zugangs- oder Zugriffsmöglichkeit in den Aufnahmeraum zum „Auspacken“ des Objekts 2 erfolgen. Der Zugang bzw. Zugriff kann über einen Bediener („Glovebox“) oder über einen Roboter erfolgen.
Wenngleich im Folgenden vornehmlich von den Baumodulen 12a die Rede ist, können jedwede der genannten unterschiedlichen Funktionseinheiten 12 zwischen verschiedenen stationären, d. h. nicht bewegbaren, typischerweise fest mit einem Untergrund verbundenen Bestandteilen der Anlage 1 hin und her bewegt werden.
Die Anlage 1 umfasst hierfür eine Tunnelstruktur 13. Die Tunnelstruktur 13 weist mehrere Tunnelabschnitte 14 auf, in welchen bzw. durch welche die Funktionseinheiten 12 bewegbar sind. In einem jeweiligen Tunnelabschnitt 14 ist wenigstens eine Bewegungsbahn 15, entlang welcher eine Funktionseinheit 12 durch den jeweiligen Tunnelabschnitt 14 bewegbar ist, ausgebildet. Eine Bewegungsbahn 15 ermöglicht eine geführte Bewegung einer Funktionseinheit 12 in dem bzw. durch den jeweiligen Tunnelabschnitt 14. In einem Tunnelabschnitt 14 können zumindest abschnittsweise auch mehrere Bewegungsbahnen 15 ausgebildet sein. Die Tunnelabschnitte 14 können inertisierbar sein, d. h. in diesen kann eine inerte Atmosphäre bzw. ein bestimmtes Druckniveau, d. h. z. B. ein Über- oder Unterdruck, ausgebildet und aufrechterhalten werden.
Die Funktion der Tunnelstruktur 13 bzw. der dieser zugehörigen Tunnelabschnitte 14 besteht darin, unterschiedliche stationäre Bestandteile der Anlage 1, d. h. z. B. unterschiedliche additive Bauvorrichtungen 3, unmittelbar oder mittelbar, d. h. z. B. unter Zwischenschaltung wenigstens eines weiteren Tunnelabschnitts 14 und/oder eines weiteren stationären Bestandteils der Anlage 1, miteinander zu verbinden. Die Verbindung jeweiliger stationärer Bestandteile der Anlage 1 ermöglicht das hin und her Bewegen jeweiliger Funktionseinheiten 12 zwischen jeweiligen stationären Bestandteilen der Anlage 1. Wie in 1 exemplarisch gezeigt, kann über einen Tunnelabschnitt 14 eine erste additive Bauvorrichtung 3 – hier unter Zwischenschaltung einer Auspackvorrichtung 16 („Auspackstation“) zum „Auspacken“ additiv hergestellter Objekte 2 – mit einer weiteren additiven Bauvorrichtung 3 verbunden sein.
Zur Bewegung jeweiliger Funktionseinheiten 12 umfasst die Anlage 1 eine eine (motorische) Antriebseinrichtung umfassende Fördereinrichtung 17, über welche eine eine Funktionseinheit 12 in eine Bewegung versetzende Antriebskraft erzeugbar ist. Die Fördereinrichtung 17 kann ein tunnelstrukturseitig angeordnetes oder ausgebildetes Fördermittel 18 umfassen. Das Fördermittel 18 ist eingerichtet, eine Funktionseinheit 12 – in den Fig. ein Baumodul 12a – in eine durch die jeweiligen Pfeile angedeutete Bewegung zu versetzen. Bei dem Fördermittel 18 kann es sich z. B. um ein mechanisches Fördermittel, d. h. z. B. um einen Band-, Ketten- oder Rollenförderer, handeln, welches durch seine räumliche Erstreckung innerhalb eines jeweiligen Tunnelabschnitts 14 eine Förderstrecke und somit eine Bewegungsbahn 15 definiert. Anhand der 1, 2 ist ersichtlich, dass ein tunnelstrukturseitiges Fördermittel 18 z. B. bodenseitig an einer Wandung eines Tunnelabschnitts 14 ausgebildet sein kann.
In den 1, 2 ist auch die Möglichkeit dargestellt, dass die Fördereinrichtung 17 funktionseinheitseitig ausgebildete Fördermittel 19 umfasst. Die Fördermittel 19 sind eingerichtet, die mit diesen ausgestatteten Funktionseinheiten 12 in eine Bewegung zu versetzen. Bei einem solchen Fördermittel 19 kann es sich z. B. um eine in eine jeweilige Funktionseinheit 12 integrierte (elektro)motorische Antriebseinrichtung (nicht näher bezeichnet) handeln. Derart kann die Bewegungsfreiheit einer Funktionseinheit 12 erweitert werden, da z. B. Rotationsbewegungen um eine vertikale Achse möglich sind.
Um mit der Tunnelstruktur 13 verbunden werden zu können, weisen die stationären Bestandteile der Anlage 1 Verbindungsabschnitte 21 auf, über welche diese mit der Tunnelstruktur 13 verbunden sind. In den 1, 2 sind Verbindungsabschnitte 21 additiver Bauvorrichtungen 3 sowie einer Auspackvorrichtung 16 dargestellt. Weiter ist dargestellt, dass auch in jeweiligen stationären Bestandteilen der Anlage 1 Tunnelabschnitte 14 der Tunnelstruktur 13 ausgebildet sind, welche über jeweilige Verbindungsabschnitte 21 mit außerhalb der jeweiligen stationären Bestandteile der Anlage 1 ausgebildeten Tunnelabschnitten 14 kommunizieren.
Die Steuerung sämtlicher Bewegungen der in der Anlage 1, insbesondere in der Tunnelstruktur 13, bewegbaren bzw. bewegten Funktionseinheiten 12 erfolgt über eine zentrale Stereinrichtung 20, welche eingerichtet ist, unmittelbar oder mittelbar mit jeweiligen Funktionseinheiten 12, z. B. funkbasiert, zu kommunizieren. Die Funktionseinheiten 12 sind hierfür mit geeigneten Kommunikationseinrichtungen (nicht gezeigt) ausgestattet. In der Stereinrichtung 20 liegen zweckmäßig sämtliche für die Bewegung jeweiliger Funktionseinheiten 12 innerhalb der Anlage 1 bzw. der Tunnelstruktur 13 relevanten Informationen, d. h. insbesondere jeweilige Bewegungsinformation, d. h. z. B. Geschwindigkeitsinformation, jeweilige Positionsinformation, d. h. z. B. Start- und Zielinformationen, jeweilige Priorisierungsinformationen, etc., vor. Die Steuerung der Bewegungen der in der Anlage 1 bzw. in der Tunnelstruktur 13 bewegten Funktionseinheiten 12 kann vollautomatisch erfolgen.
Mit den in den 1, 2 gezeigten Anlagen 1 lässt sich das im Folgenden beschriebene Verfahren zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte 2 implementieren.
Das Verfahren dient der additiven Herstellung von Objekten 2, d. h. beispielsweise technischen Bauteilen bzw. technischen Bauteilgruppen. Die additive Herstellung entsprechender Objekte erfolgt sonach durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten vermittels eines Energiestrahls 5. Bei dem Verfahren kann es sich um ein selektives Laserschmelzverfahren (abgekürzt SLM-Verfahren) oder um ein selektives Lasersinterverfahren (abgekürzt SLS-Verfahren) handeln.
Die sukzessive schichtweise selektive Belichtung und die damit einhergehende sukzessive schichtweise selektive Verfestigung der zur additiven Herstellung eines Objekts 2 selektiv zu verfestigenden Baumaterialschichten erfolgt auf Grundlage eines das additiv herzustellende Objekt 2 beschreibenden Datensatzes DS. Der Datensatz DS beschreibt im Allgemeinen die geometrisch(-konstruktive) Gestalt des additiv herzustellenden Objekts 2. Bei dem Datensatz DS handelt es sich um, z. B. aus CAD-Daten des additiv herzustellenden Objekts 2 abgeleitete, Schichtdaten („Slice-Daten“), welche eine Aufgliederung des additiv herzustellenden Objekts 2 in einzelne übereinander liegend angeordnete Schichten („slices“) enthalten. Der Datensatz DS enthält auch Ausrichtungsdaten, welche die Ausrichtung des additiv herzustellenden bzw. hergestellten Objekts 2 in der Prozesskammer 11, d. h. insbesondere relativ zu der jeweiligen Belichtungseinrichtung 9, einer additiven Bauvorrichtung 3 beschreiben.
In dem ersten Schritt des Verfahrens wird ein entsprechender Datensatz DS bereitgestellt. Der Datensatz DS wird einer Steuereinrichtung, d. h. z. B. der in den 1, 2 gezeigten Steuereinrichtung 20, bereitgestellt, welche zur Verarbeitung des Datensatzes DS eingerichtet ist. Der Datensatz DS kann der Steuereinrichtung z. B. über mobile oder stationäre Datenspeichereinrichtungen, globale oder lokale Datennetzwerke, d. h. z. B. das Internet oder ein Intranet, etc., bereitgestellt werden.
In dem zweiten Schritt des Verfahrens wird der bereitgestellte Datensatz DS datenmäßig in mehrere – im Folgenden beispielhaft zwei – Teildatensätze TDS1, TDS2 unterteilt. Der erste Teildatensatz TDS1 beschreibt ein einen ersten Objektabschnitt bzw. Objektteil des additiv herzustellenden Objekts 2 bildendes erstes Teilobjekt 2a, der zweite Teildatensatz TDS2 beschreibt ein einen weiteren Objektabschnitt bzw. Objektteil des additiv herzustellenden Objekts 2 bildendes zweites Teilobjekt 2b. Anhand von 3, welche eine Prinzipdarstellung des Objekts 2 zeigt, ergibt sich, dass das erste Teilobjekt 2b und das zweite Teilobjekt 2b gemeinsam das additiv herzustellende Objekt 2 (Gesamtobjekt) bilden.
Die Unterteilung des Datensatzes DS in die beiden Teildatensätze TDS1, TDS2 kann auf Grundlage wenigstens eines vorgebbaren oder vorgegebenen Unterteilungskriteriums erfolgen.
Als Unterteilungskriterium kann die geometrische Gestalt des additiv herzustellenden Objekts 2 verwendet werden. Der erste Teildatensatz TDS1 kann einen geometrisch definierbaren bzw. definierten ersten Objektteil und der zweite Teildatensatz TDS2 einen geometrisch definierbaren bzw. definierten zweiten Objektteil beschreiben. Anhand von 3 ist ersichtlich, dass es sich bei geometrisch definierbaren bzw. definierten Objektteilen um einen (querschnittlich betrachtet) eckigen Objektteil, vgl. Teilobjekt 2a, und einen querschnittlich betrachtet runden bzw. rundlichen Objektteil, vgl. Teilobjekt 2b, handeln kann.
Als Unterteilungskriterium kann auch die funktionelle Gestalt des additiv herzustellenden Objekts 2 verwendet werden. Beispielsweise kann der erste Teildatensatz TDS1 einen im Hinblick auf den Einsatz des additiv herzustellenden Objekts 2 funktionell definierten ersten Objektteil und der zweite Teildatensatz TDS2 einen im Hinblick auf den Einsatz des additiv herzustellenden Objekts 2 funktionell anders definierten weiteren Objektteil beschreiben. Bei dem funktionell definierten ersten Objektteil, vgl. erstes Teilobjekt 2a, kann es sich z. B. um einen Verbindungsabschnitt, über welchen sich eine Verbindungsfunktion des Objekts 2 mit einem Verbindungspartner realisieren lässt, handeln, bei dem funktionell definierten zweiten Objektteil, vgl. zweites Teilobjekt 2b, kann es sich z. B. um einen Formgebungsabschnitt, über welchen sich eine formgebende Funktion des Objekts 2 realisieren lässt, handeln.
In dem dritten Schritt des Verfahrens erfolgt die Ausbildung, d. h. der additive Aufbau, des ersten Teilobjekts 2a auf Grundlage des ersten Teildatensatzes TDS1. Die Ausbildung des ersten Teilobjekts 2a erfolgt in einem ersten additiven Bauprozess. Einer den ersten Bauprozess steuernden Steuereinrichtung steht der erste Teildatensatz TDS1 zur Verfügung. Der erste additive Bauprozess ist nach Fertigstellung des ersten Teilobjekts 2a abgeschlossen.
In dem vierten Schritt des Verfahrens erfolgt die Ausbildung, d. h. der additive Aufbau, des zweiten Teilobjekts 2b auf Grundlage des zweiten Teildatensatzes TDS2. Die Ausbildung des zweiten Teilobjekts 2b erfolgt in einem zu dem ersten additiven Bauprozess gesonderten zweiten additiven Bauprozess. Einer den zweiten Bauprozess steuernden Steuereinrichtung steht der zweite Teildatensatz TDS2 zur Verfügung. Der zweite additive Bauprozess ist nach Fertigstellung des zweiten Teilobjekts 2b abgeschlossen. Mit Abschluss des zweiten additiven Bauprozesses ist das insgesamt additiv herzustellende Objekt 2 fertiggestellt.
Das zweite Teilobjekt 2b wird zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, auf dem zuvor ausgebildeten ersten Teilobjekt 2a ausgebildet. Im Rahmen der Ausbildung des zweiten Teilobjekts 2b erfolgt eine stabile, gegebenenfalls stoffschlüssige, Verbindung des ersten Teilobjekts 2a und des zweiten Teilobjekts 2b.
Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich insbesondere für die Herstellung von Hybridobjekten, welche bis dato aus einem nicht additiv gefertigten Objektteil und einem additiv gefertigten Objektteil hergestellt wurden. Verfahrensgemäß ist es möglich, entsprechende Hybridobjekte vollständig additiv herzustellen. Mithin werden verfahrensgemäß auch diejenigen Objektteile, welche bis dato nicht additiv gefertigt wurden, additiv ausgebildet.
Anhand von 1 ist ersichtlich, dass das erste Teilobjekt 2a und das zweite Teilobjekt 2b in unterschiedlichen additiven Bauvorrichtungen 3 ausgebildet werden können. Das das erste Teilobjekt 2a aufnehmende Baumodul 12a wird nach Fertigstellung des ersten Teilobjekts 2a aus der ersten additiven Bauvorrichtung 3, vgl. linke additive Bauvorrichtung 3, über die Tunnelstruktur 13 in die zweite additive Bauvorrichtung 3, vgl. rechte additive Bauvorrichtung 3, bewegt. Selbstverständlich ist es möglich, dass das erste Teilobjekt 2a vor Bewegung in die zweite additive Bauvorrichtung 3 in der zwischen den beiden additiven Bauvorrichtungen 3 angeordneten Auspackvorrichtung 16 „ausgepackt“ wird.
Das Verfahren kann bei Ausbildung des Objekts 2 bzw. jeweiliger Teilobjekte 2a, 2b in unterschiedlichen additiven Bauvorrichtungen 3 problemlos durchgeführt werden, da die zur Ausbildung der jeweiligen Teilobjekte 2a, 2b verwendeten Teildatensätze TDS1, TDS2 dem gleichen ursprünglichen Datensatz DS entspringen. In den jeweiligen Teildatensätzen TDS1, TDS2 sind sonach auch die dem ursprünglichen Datensatz DS entnehmbaren Ausrichtungsdaten, welche die Ausrichtung des Objekts 2 bzw. jeweiliger Teilobjekte 2a, 2b in der jeweiligen Prozesskammer 11, d. h. insbesondere relativ zu einer jeweiligen Belichtungseinrichtung 9, beschreiben, enthalten. Eine aufwändige Neuausrichtung des Teilobjekts 2a ist sonach nicht notwendig.
Anhand von 2 ist ersichtlich, dass das erste Teilobjekt 2a und das zweite Teilobjekt 2b auch in derselben additiven Bauvorrichtung 3 ausgebildet werden können. Das das erste Teilobjekt 2a aufnehmende Baumodul 12a kann nach Fertigstellung des ersten Teilobjekts 2a über die Tunnelstruktur 13 aus der ersten additiven Bauvorrichtung 3 bewegt werden. Bevor das das erste Teilobjekt 2a aufnehmende Baumodul 12a zurück in die additive Bauvorrichtung 12a bewegt wird, um das zweite Teilobjekt 2b auszubilden, kann das erste Teilobjekt 2a in der zwischen den beiden additiven Bauvorrichtungen 3 angeordneten Auspackvorrichtung 16 „ausgepackt“ werden. Typischerweise wird in der additiven Bauvorrichtung 3 vor der Ausbildung des weiteren Teilobjekts 2b wenigstens ein Bauprozessparameter verändert. Wie sich im Weiteren ergibt, ist hierunter beispielsweise ein Wechsel des Baumaterials 4 zu verstehen.
Verfahrensgemäß ist es also möglich, dass das erste Teilobjekt 2a mit wenigstens einem anderen Bauprozessparameter als das zweite Teilobjekt 2b ausgebildet wird. Der erste additive Bauprozess kann sich also in wenigstens einem Bauprozessparameter von dem diesem nachfolgenden zweiten additiven Bauprozess unterscheiden. Unter einem Bauprozessparameter ist grundsätzlich jedweder Parameter zu verstehen, welcher den jeweiligen additiven Bauprozess zur Herstellung des Objekts 2 bzw. jeweiliger Teilobjekte 2a, 2b (unmittelbar) betrifft.
Als Bauprozessparameter kann ein eine Eigenschaft des zur Ausbildung des jeweiligen Teilobjekts 2a, 2b verwendeten Baumaterials 4 beschreibender Baumaterialparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also in einem Baumaterialparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Baumaterialparameter z. B. um die chemisch-physikalische Struktur bzw. die chemisch-physikalische Zusammensetzung, die Partikelform bzw. deren Verteilung, die Partikelgröße bzw. deren Verteilung, etc. des zur additiven Ausbildung des jeweiligen Teilobjekts 2a, 2b verwendeten Baumaterials 4 handeln. Mithin ist es möglich, dass in dem ersten additiven Bauprozess ein anderes Baumaterial als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess eingesetzt wird. Verfahrensgemäß können, wie erwähnt, sonach Objekte 2 (Hybridobjekte) hergestellt werden, welche unterschiedliche Objektteile aus unterschiedlichen Baumaterialien 4 aufweisen.
Als Bauprozessparameter kann weiterhin ein eine Strahleigenschaft des zur selektiven Verfestigung jeweiliger Baumaterialschichten jeweils verwendeten Energiestrahls 5 beeinflussender Energiestrahlparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also (auch) in einem Energiestrahlparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Energiestrahlparameter z. B. um die Strahlgeschwindigkeit, die Strahlintensität, das Strahlbewegungsmuster, etc. handeln. Verfahrensgemäß kann ein erster additiver Bauprozess z. B. mit einer hohen Strahlintensität und einer hohen Strahlgeschwindigkeit und ein nachfolgender weiterer additiver Bauprozess mit einer im Vergleich niedrigen Strahlintensität und einer im Vergleich niedrigen Strahlgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Als Bauprozessparameter kann zudem ein eine Schichteigenschaft jeweiliger selektiv zu verfestigender Baumaterialschichten beeinflussender Schichtparameter verwendet werden. Der erste additive Bauprozess kann sich also (auch) in einem Schichtparameter von einem diesem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess unterscheiden. Konkret kann es sich bei einem Schichtparameter z. B. um die Schichtanzahl, die Schichtdichte, die Schichtdicke, die Schichtoberflächenbeschaffenheit, die Schichttemperatur, etc. handeln. Verfahrensgemäß können also in einem ersten additiven Bauprozess z. B. Baumaterialschichten mit anderen Schichtdicken als in einem nachfolgenden weiteren additiven Bauprozess selektiv verfestigt werden.
Grundsätzlich kann das erste Teilobjekt 2a mit wenigstens einem anderen Objektparameter als das zweite Teilobjekt 2b ausgebildet werden. Das erste Teilobjekt 2a kann sich also in wenigstens einem Objektparameter von dem zweiten Teilobjekt 2b unterscheiden. Verfahrensgemäß lassen sich sonach Teilobjekte mit unterschiedlichen Objektparametern herstellen. Unter einem Objektparameter ist grundsätzlich jedweder Parameter zu verstehen, welcher das additiv hergestellte Objekt 2 bzw. Teilobjekt 2a, 2b (unmittelbar) betrifft.
Als Objektparameter kann ein Geometrieparameter verwendet werden, welcher wenigstens eine geometrische Eigenschaft des Objekts 2 bzw. Teilobjekts 2a, 2b beschreibt. Konkret kann es sich bei einem Geometrieparameter z. B. um die Höhe, Breite, Länge, Längs- und/oder Querschnittsgeometrie, etc. handeln. Das erste Teilobjekt kann also z. B. eine andere Höhe, Breite, Länge, eine andere Längs- und/oder Querschnittsgeometrie, etc. als das weitere Teilobjekt aufweisen. In 3 ist z. B. eine unterschiedliche Querschnittsgeometrie der beiden Teilobjekte 2a, 2b zu erkennen.
Als Objektparameter kann auch ein physikalischer, insbesondere mechanischer, Parameter, welcher wenigstens eine physikalische, insbesondere mechanische, Eigenschaft des Objekts bzw. Teilobjekts beschreibt, verwendet werden. Konkret kann es sich bei einem physikalischen Parameter z. B. um die Dichte, Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Oberflächenstruktur, insbesondere Oberflächengüte bzw. Rauigkeit, etc. handeln. Das erste Teilobjekt 2a kann also z. B. eine andere Dichte, Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Oberflächenstruktur, insbesondere Oberflächengüte bzw. Rauigkeit, etc. als das zweite Teilobjekt 2b aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Anlage
2: Objekt
2a, 2b: Teilobjekt
3: additive Bauvorrichtung
4: Baumaterial
5: Energiestrahl
6: Beschichtereinrichtung
7: Bauebene
8: Belichtungselement
9: Belichtungseinrichtung
10: Gehäusestruktur
11: Prozesskammer
12: Funktionseinheit
12a: Baumodul
12b: Dosiermodul
12c: Überlaufmodul
13: Tunnelstruktur
14: Tunnelabschnitt
15: Bewegungsbahn
16: Auspackvorrichtung
17: Fördereinrichtung
18: Fördermittel
19: Fördermittel
20: Steuereinrichtung
21: Verbindungsabschnitt

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Objekts (2), insbesondere eines Hybridobjekts, durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten vermittels wenigstens eines Energiestrahls (5), wobei die sukzessive schichtweise selektive Verfestigung der Baumaterialschichten auf Grundlage eines das additiv herzustellende Objekt (2) beschreibenden Datensatzes (DS) erfolgt, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines das additiv herzustellende Objekt (2) beschreibenden Datensatzes (DS), – Unterteilen des Datensatzes (DS) in wenigstens zwei Teildatensätze (TDS1, TDS2), wobei ein erster Teildatensatz (TDS1) ein einen ersten Objektteil des additiv herzustellenden Objekts (2) bildendes erstes Teilobjekt (2a) beschreibt und wenigstens ein weiterer Teildatensatz (TDS2) wenigstens ein einen weiteren Objektteil des additiv herzustellenden Objekts (2) bildendes weiteres Teilobjekt (2b) beschreibt, – Ausbilden des ersten Teilobjekts (2a) auf Grundlage des ersten Teildatensatzes (TDS1) in einem ersten additiven Bauprozess, und – Ausbilden des wenigstens einen weiteren Teilobjekts (2b) auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes (TDS2) in wenigstens einem gesonderten weiteren additiven Bauprozess, wobei das wenigstens eine weitere Teilobjekt (2b) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, auf dem ersten Teilobjekt (2a) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung des Datensatzes (DS) in die wenigstens zwei Teildatensätze (TDS1, TDS2) auf Grundlage wenigstens eines vorgebbaren oder vorgegebenen Unterteilungskriteriums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilobjekt (2a) mit wenigstens einem anderen Objektparameter als das wenigstens eine weitere Teilobjekt (2b) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Objektparameter ein wenigstens eine geometrische Eigenschaft des additiv herzustellenden Objekts (2) beschreibender Geometrieparameter verwendet wird, und/oder als Objektparameter ein wenigstens eine physikalische, insbesondere mechanische, Eigenschaft des additiv herzustellenden Objekts (2) beschreibender physikalischer, insbesondere mechanischer, Parameter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilobjekt (2a) mit wenigstens einem anderen Bauprozessparameter als das wenigstens eine weitere Teilobjekt (2b) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauprozessparameter ein wenigstens eine Eigenschaft des zur Ausbildung des jeweiligen Teilobjekts (2a, 2b) verwendeten Baumaterials (4) beschreibender Baumaterialparameter, und/oder ein wenigstens eine Strahleigenschaft des zur selektiven Verfestigung jeweiliger Baumaterialschichten jeweils verwendeten Energiestrahls (5) beeinflussender Energiestrahlparameter, und/oder ein wenigstens eine Schichteigenschaft jeweiliger selektiv zu verfestigender Baumaterialschichten beeinflussender Schichtparameter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilobjekt (2a) und das wenigstens eine weitere Teilobjekt (2b) in derselben additiven Bauvorrichtung (3) oder in unterschiedlichen additiven Bauvorrichtungen (3) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilobjekt (2a) und das wenigstens eine weitere Teilobjekt (2b) in derselben additiven Bauvorrichtung (3) ausgebildet werden, wobei vor der Ausbildung des wenigstens einen weiteren Teilobjekts (2b) wenigstens ein Bauprozessparameter verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Anlage (1) zur additiven Herstellung von Objekten (2), umfassend: – wenigstens eine bewegbare modulartige Funktionseinheit (12), welche einen zur Aufnahme von Baumaterial (4) eingerichteten Aufnahmeraum aufweist, – eine Tunnelstruktur (13), welche wenigstens einen Tunnelabschnitt (14) aufweist, in welchem wenigstens eine modulartige Funktionseinheit (12) bewegbar ist, und – wenigstens eine additive Bauvorrichtung (3), wobei die additive Bauvorrichtung (3) wenigstens einen Verbindungsabschnitt (13) aufweist, über welchen die additive Bauvorrichtung (3) mit der Tunnelstruktur (13) verbindbar oder verbunden ist, sodass eine modulartige Funktionseinheit (12) ausgehend von der additiven Bauvorrichtung (3) in die Tunnelstruktur (13) oder ausgehend von der Tunnelstruktur (13) in die additive Bauvorrichtung (3) bewegbar ist, verwendet wird.
Anlage (1) zur additiven Herstellung von Objekten (2), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: – wenigstens eine Steuereinrichtung (20), welche zur Unterteilung eines dieser bereitgestellten, ein additiv herzustellendes Objekt (2) beschreibenden Datensatzes (DS) in wenigstens zwei Teildatensätze (TDS1, TDS2), wobei ein erster Teildatensatz (TDS1) ein einen ersten Objektteil des additiv herzustellenden Objekts (2) bildendes erstes Teilobjekt (2a) beschreibt und wenigstens ein weiterer Teildatensatz (TDS2) wenigstens ein einen weiteren Objektteil des additiv herzustellenden Objekts (2) bildendes weiteres Teilobjekt (2b) beschreibt, eingerichtet ist, – wenigstens eine additive Bauvorrichtung (3), wobei die additive Bauvorrichtung (3) zur additiven Herstellung des ersten Teilobjekts (2a, 2b) auf Grundlage des ersten Teildatensatzes (TDS1) und/oder zur additiven Herstellung des wenigstens einen weiteren Teilobjekts (2b) auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes (TDS2) eingerichtet ist.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) mehrere additive Bauvorrichtungen (3) zur additiven Herstellung von Objekten (2) umfasst, wobei eine erste additive Bauvorrichtung (3) zur Ausbildung des ersten Teilobjekts (2a) auf Grundlage des ersten Teildatensatzes (TDS1) eingerichtet ist und wenigstens eine weitere additive Bauvorrichtung (3) zur Ausbildung des wenigstens einen weiteren Teilobjekts (2b) auf Grundlage des wenigstens einen weiteren Teildatensatzes (TDS2) eingerichtet ist.
Anlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – wenigstens eine bewegbare modulartige Funktionseinheit (12), welche einen zur Aufnahme von Baumaterial (4) eingerichteten Aufnahmeraum aufweist, – eine Tunnelstruktur (13), welche wenigstens einen Tunnelabschnitt (14) aufweist, in welchem wenigstens eine modulartige Funktionseinheit (12) bewegbar ist, wobei die wenigstens eine additive Bauvorrichtung (3) wenigstens einen Verbindungsabschnitt (21) aufweist, über welchen die additive Bauvorrichtung (3) mit der Tunnelstruktur (13) verbindbar oder verbunden ist, sodass eine modulartige Funktionseinheit (12) ausgehend von der additiven Bauvorrichtung (3) in die Tunnelstruktur (13) oder ausgehend von der Tunnelstruktur (13) in die additive Bauvorrichtung (3) bewegbar ist.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (12) als ein Baumodul (12a) ausgebildet ist, welches einen Aufnahmeraum umfasst, welcher zur Aufnahme einer bewegbar, insbesondere höhenverstellbar, relativ zu einem Grundkörper des Baumoduls (12a) gelagerten Bauplatte, auf welcher ein Objekt (2) additiv herstellbar ist, eingerichtet ist.