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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
EP 2 878 402 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Aufnahmebehälter mit einer Trägerplattform für pulverförmiges Material zur Herstellung eines Werkstücks im generativen Verfahren auf. Die Trägerplattform ist an ihrem Umfang von einer Begrenzungswand umfasst. Weiterhin ist die Trägerplattform hubbeweglich innerhalb der Begrenzungswand angeordnet, um einen schichtweisen Aufbau des Werkstücks zu ermöglichen. Das Herstellen des Werkstücks erfolgt durch selektives Aufschmelzen der zuletzt eingebrachten Schicht des pulverförmigen Materials und anschließendem Erstarren des zuvor aufgeschmolzenen Materials. Nach dem Ausbilden des Werkstücks ist es erforderlich, das in dem Aufnahmebehälter verbliebene, zur Herstellung des Werkstücks nicht benötigte Pulver bzw. Material zu entfernen, damit dieses beispielsweise für weitere Werkstücke verwendet werden kann. In der Praxis erfolgt dies in der Regel durch manuelles Entfernen, um in dem Aufnahmebehälter das hergestellte Werkstück freizulegen. Dieser Vorgang ist recht zeitintensiv, zudem kann währenddessen die Vorrichtung keine weiteren Werkstücke herstellen. Dies hat zur Folge, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung eine relativ hohe Maschinenstillstandszeit aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine verringerte Maschinenstillstandszeit nach dem Herstellen des Werkstücks ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch in der Vorrichtung selbst integriert angeordnete pneumatische Mittel ein weitgehend automatisiertes Entfernen des in dem Aufnahmebehälter nach dem Herstellen des Werkstücks befindlichen (losen) Pulvers ohne manuelle Eingriffe zu ermöglichen. Dies wird durch im Bereich der Begrenzungswand vorgesehene pneumatische Mittel ermöglicht, die dazu ausgebildet sind, das pulverförmige Material aus dem Aufnahmebehälter zu entfernen. Es sind somit von außen keine manuellen Eingriffe erforderlich, die vorab beispielsweise einen Zugriff in eine die Vorrichtung umgebende Prozesskammer benötigen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um einerseits einen schichtweisen Aufbau des Werkstücks in dem Aufnahmebehälter zu ermöglichen, und andererseits das Einbringen des Pulvers für die jeweils nächste Schicht zu vereinfachen, ist es vorgesehen, dass die Begrenzungswand und die Trägerplattform in Richtung einer senkrechten Achse relativ zueinander verstellbar angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, nach dem Ausbilden einer Schicht und anschließendem Absenken der Trägerplattform um die Höhe der nächsten aufzubauenden Schicht das pulverförmige Material von außen her in den Aufnahmebehälter abzugeben und die Höhe der Pulverschicht durch Abrakeln über die Stirnfläche der Begrenzungswand einzustellen.
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In konkreter konstruktiver Ausgestaltung der pneumatischen Mittel weisen diese wenigstens einen mit einer Unterdruckquelle oder einer Überdruckquelle verbindbaren Kanal auf, der in der Begrenzungswand angeordnet ist und auf der dem Aufnahmeraum des Aufnahmebehälters zugewandten Seite mündet. Der Kanal mündet damit seitlich in dem Aufnahmeraum und ermöglicht es bei der Verbindung des Kanals mit einer Überdruckquelle beispielsweise das Pulver aus dem unmittelbaren Bereich des Werkstücks von diesem zu lösen und bei Verbindung des Kanals mit einer Unterdruckquelle das Pulver durch den Kanal bzw. die Begrenzungswand abzusaugen. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Druckluft zum Ausblasen loses Korn beigemischt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Entfernung des Pulvers besonders gut erfolgt, da das lose Korn einen abrasiven Effekt bei der Absaugung bewirkt.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn mehrere Kanäle in der Begrenzungswand vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, zum einen den Reinigungsprozess zu beschleunigen, und zum anderen wird eine besonders gute Zugänglichkeit für den Unterdruck bzw. den Überdruck zu allen Punkten innerhalb des Aufnahmebehälters bzw. des Werkstücks ermöglicht.
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In ganz besonders bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung der Kanäle sind in der Begrenzungswand mehrere, in Bezug zur Längsrichtung des Aufnahmebehälters bzw. der Begrenzungswand übereinander angeordnete Kanäle vorgesehen, wobei wenigstens ein in Richtung einer Einführöffnung für das Material in den Aufnahmebehälter zugewandter Kanal mit der Überdruckquelle und wenigstens ein der Einführöffnung abgewandter Kanal mit der Unterdruckquelle verbunden ist. Dies ermöglicht eine besonders effektive Entfernung des pulverförmigen Materials, da durch den mit der Überdruckquelle verbundenen Kanal ein besonders gutes Lösen von an dem Werkstück anhaftendem Pulver bzw. eine besonders gute Zugänglichkeit zu Hinterschneidungen oder ähnlichem an dem Werkstück ermöglicht wird, und durch den unterhalb des mit der Überdruckquelle verbundenen Kanals angeordneten, mit der Unterdruckquelle verbundenen Kanal das zuvor entfernte Pulver infolge der Schwerkraft besonders wirkungsvoll in den Wirkbereich des mit der Unterdruckquelle verbundenen Kanals gelangt.
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Um zu verhindern oder zumindest zu erschweren, dass das pulverförmige Material durch den aus dem Kanal austretenden Überdruck aus dem Aufnahmebehälter in den Außenbereich des Aufnahmebehälters gelangt, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass der wenigstens eine mit der Überdruckquelle verbundene Kanal in dem Aufnahmeraum in einem schrägen Winkel mündet, der entgegen der Einführöffnung gerichtet ist.
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Da die Trägerplattform relativ zur Begrenzungswand verstellbar angeordnet ist, ist die Abdichtung zwischen dem Umfang der Trägerplattform und der Innenwand der Begrenzungswand kritisch. Insbesondere bei Pulvern mit relativ geringer Korngröße kann es daher vorkommen, dass Pulver über den Spalt zwischen der Trägerplattform und der Begrenzungswand in den Bereich unterhalb der Trägerplattform gelangt. Um auch dieses Pulver, das ansonsten mit der Zeit eine Bewegung der Trägerplattform bzw. ein Absenken der Trägerplattform in eine untere Reinigungsstellung behindert, zu entfernen, ist es vorgesehen, dass von der Begrenzungswand auf der dem Aufnahmeraum abgewandten Seite der Trägerplattform ein radial nach innen ragender Bodenbereich abragt, wobei in dem Bodenbereich wenigstens ein mit einer Unterdruckquelle verbundener weiterer Kanal mündet.
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Das Entfernen des Pulvers aus dem Aufnahmeraum erfolgt nach der Herstellung des Werkstücks in einer definierten Reinigungsstellung der Trägerplattform, bei der diese relativ zur Begrenzungswand aus einer zuvor angenommenen Arbeitsstellung während der Herstellung des Werkstücks in die Reinigungsstellung absenkbar ist, bei der der wenigstens eine mit der Unterdruck- bzw. Überdruckquelle verbundene Kanal in der Begrenzungswand oberhalb der Trägerplattform angeordnet ist, und wobei in der Arbeitsstellung der wenigstens eine in der Begrenzungswand angeordnete Kanal von der Trägereinrichtung überdeckt oder unterhalb der Trägerplattform angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es während des Fertigungsprozesses des Werkstücks, dass kein Material in den Bereich der Kanäle gelangt, so dass insbesondere eine besonders homogene Materialverteilung bzw. -dichte des Pulvers innerhalb des Aufnahmebehälters ermöglicht wird.
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Um es insbesondere in der Reinigungsstellung zu ermöglichen, dass die Oberfläche der Trägerplattform besonders gut von dem Pulver befreit wird, ist es weiterhin von Vorteil, wenn in der Reinigungsstellung ein mit der Unterdruckquelle verbundener Kanal mit der Bodenfläche der Trägerplattform bündig verläuft bzw. abschließt.
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Um eine weitgehend automatisierte Reinigung der Vorrichtung nach der Herstellung der Werkstücke zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass dem Aufnahmebehälter eine Kontrolleinrichtung zur Erfassung des Aufnahmeraums und Erkennung von Material und/oder zur Gewichtserfassung zugeordnet ist. Eine derartige Kontrolleinrichtung kann beispielsweise als kamerabasierte Kontrolleinrichtung ausgebildet sein, die die Anwesenheit von pulverförmigen Material in dem Aufnahmeraum erfasst und die Reinigung solange (automatisiert oder manuell gesteuert) durchführt, bis sich noch höchstens eine bestimmte Maximalmenge von Pulver im Aufnahmeraum befindet. Eine weitere, ggf. ergänzend vorgesehene Kontrolleinrichtung kann so ausgebildet sein, dass das Gewicht der Trägerplattform zusammen mit den Werkstücken und dem Pulver erfasst wird. In Kenntnis der Gewichte der Werkstücke und der Trägerplattform kann somit auf die Menge des in dem Aufnahmeraum befindlichen Pulvers geschlossen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken.
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Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 10 dient zum generativen Herstellen von Werkstücken 1 aus pulverförmigen Material 2. Bei dem pulverförmigen Material 2 handelt es sich insbesondere um Metallpulver, das mittels eines von einer Laserstrahleinrichtung 100 erzeugten Laserstrahls 101 selektiv aufgeschmolzen wird und nach der Erstarrung das Werkstück 1 ausbildet (Selektives Laserstrahlschmelzen (Selectiv Laser Melting (SLM)). In der Figur ist der Fall dargestellt, dass zumindest nahezu gleichzeitig zwei Werkstücke 1 hergestellt werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass lediglich ein, oder aber mehr als zwei Werkstücke 1 simultan bzw. nahezu gleichzeitig hergestellt werden.
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Die Vorrichtung 10 weist eine Trägerplattform 12 mit einer beispielsweise einen runden Querschnitt aufweisenden Trägerplatte 13 auf, die auf der den Werkstücken 1 abgewandten Seite mit einer Hubstange 14 verbunden ist. Die Hubstange 14 ermöglicht ein Heben bzw. Senken der Trägerplatte 13 in Richtung einer gegenüber der Umgebung senkrechten Achse 15 in Richtung des Doppelpfeils 16.
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Die radial umlaufende Umfangswand 17 der Trägerplatte 13 ist von einer ortsfesten Begrenzungswand 20 mit lediglich einem geringem Spalt umfasst. Die Begrenzungswand 20 weist im Bereich der Hubstange 14 einen beispielhaft einstückig mit der Begrenzungswand 20 verbundenen, radial nach innen, d. h. in Richtung der Achse 15 ragenden Bodenbereich 22 mit einer Durchgangsöffnung 23 für die Hubstange 14 auf. Die Oberseite 24 der Trägerplatte 13 bildet zusammen mit der die Trägerplatte 13 umgebenden Begrenzungswand 20 oberhalb der Trägerplatte 13 einen topfartigen Aufnahmebehälter 25 mit einer Aufnahmeraum 26 für das Material 2 aus. Die Trägerplatte 13 ist aus der in der Figur gezeigten Arbeitsstellung, in der die Werkstücke 1 ausgebildet werden, in eine abgesenkte Reinigungsstellung verstellbar, bei der die Trägerplatte 13 mit ihrer Unterseite entweder auf dem Bodenbereich 22 aufsitzt oder in relativ geringem Abstand zum Bodenbereich 22 angeordnet ist.
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In der Begrenzungswand 20 sind in Richtung der Achse 15 beispielhaft drei Reihen 31 bis 33 mit jeweils mehreren Kanälen 34 bis 36 angeordnet. Dabei sind die Kanäle 34 bis 36 in Bezug zur Achse 15 vorzugsweise in jeweils gleichgroßen Winkelabständen zueinander angeordnet. Die beiden, einer Einführöffnung 37 für das Material 2 in den Aufnahmebehälter 25 zugewandten Reihen 31 und 32 mit den Kanälen 34 und 35 weisen beispielhaft jeweils im Vergleich zu den Kanälen 36 der Reihe 33 kleinen Querschnitt auf und sind jeweils mit einer Überdruckquelle 40 verbunden. Die parallel zueinander angeordneten Kanäle 34, 35 sind beispielhaft jeweils geradlinig ausgebildet und verlaufen in einem Winkel α im Bezug zur Achse 15, derart, dass die im Bereich des Aufnahmeraums 26 angeordneten Mündungen der Kanäle 34, 35 von der Einführöffnung 37 weggerichtet sind. Weiterhin sind die Mündungen der Kanäle 34, 35 in der Reinigungsstellung der Trägerplatte 13 oberhalb der Ebene der Werkstücke 1 sowie oberhalb des pulverförmigen Materials 2 angeordnet.
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Demgegenüber verlaufen die einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden Kanäle 36 der Reihe 33 nahezu senkrecht zur Achse 15. Wesentlich ist darüber hinaus, dass in der angesprochenen abgesenkten Reinigungsstellung der Trägerplatte 13 die Unterseite 38 der Kanäle 36 mit der Oberseite 24 der Trägerplatte 13 bündig abschließen. Die Kanäle 36 sind mit einer Unterdruckquelle 41 verbunden. In dem Bodenbereich 22 sind weitere Kanäle 39 angeordnet, die in dem Bodenbereich 22 münden, und die ebenfalls mit der Unterdruckquelle 41 verbunden sind.
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Oberhalb der Begrenzungswand 20 und in Höhe der Stirnfläche 42 der Begrenzungswand 20 ist eine Dosiereinrichtung 43 für das Material 2 dargstellt, die in Richtung des Doppelpfeils 44 horizontal verstellbar angeordnet ist, und die dazu ausgebildet ist, jeweils nach dem Absenken der Trägerplatte 13 um einen bestimmten Hub Material 2 in den Aufnahmeraum 26 einzudosieren, wobei durch Auflage der Dosiereinrichtung 43 an der Stirnfläche 42 ein Abrakeln der Oberfläche des Materials 2 und somit eine ebene Oberfläche des Materials 2 erzielt wird, bei der die Oberfläche 3 des Materials 2 bündig mit der Stirnfläche 42 verläuft. Erkennbar ist darüber hinaus eine verstellbare Laseroptik 102 für den Laserstrahl 101, die dazu dient, den Laserstrahl 101 beispielsweise innerhalb des Aufnahmeraums 26 an den Stellen positionieren bzw. leiten zu können, an denen das selektive Aufschmelzen des Materials 2 zum Ausbilden der Werkstücke 1 erforderlich ist.
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Die Vorrichtung 10 weist eine erste Kontrolleinrichtung 50 in Form einer kamerabasierten Aufnahmeeinrichtung 51 auf, die mit einer Steuereinrichtung 60 der Vorrichtung 10 gekoppelt ist. Die erste Kontrolleinrichtung 50 erfasst innerhalb des Aufnahmeraums 26 befindliches Material 2 bzw. die Werkstücke 1. Eine zweite Kontrolleinrichtung 52 in Form einer Waage 53, die ebenfalls mit der Steuereinrichtung 60 gekoppelt ist, erfasst das Gewicht der Trägerplatte 13 mit darauf befindlichen Werkstücken 1 und dem Gewicht des Materials 2.
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Zur Herstellung der Werkstücke 1 aus dem Material 2 wird in an sich bekannter Art und Weise das Material 2 mittels des Laserstrahls 101 selektiv schichtweise aufgeschmolzen und bildet nach dem Erstarren jeweils eine Schicht der Werkstücke 1 aus. Anschließend wird die Trägerplatte 13 um jeweils die Höhe einer darauffolgenden, aufzuschmelzenden Schicht an Material 2 abgesenkt und mittels der Dosiereinrichtung 43 die nächste Schicht an Material 2 in den Aufnahmebehälter 25 eingebracht.
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Nach der Fertigstellung des bzw. der Werkstücke 1 ist es erforderlich, das nicht für die Herstellung der Werkstücke 1 benötigte Material 2 aus dem Aufnahmeraum 26 zu entfernen. Hierzu wird die Trägerplatte 13 zunächst aus ihrer Arbeitsstellung, die während der Fertigung der Werkstücke 1 eingenommen ist, in die abgesenkte Reinigungsstellung verfahren, in der die Unterseite der Trägerplatte 13 zumindest nahe des Bodenbereichs 22 angeordnet ist. Anschließend wird beispielhaft durch eine Aktivierung der Unterdruckquelle 41 innerhalb des Aufnahmeraums 26 befindliches Pulver bzw. Material 2 abgesaugt. Nach einer gewissen Zeitspanne werden zusätzlich die Kanäle 34, 35 durch Aktivierung der Überdruckquelle 40 mit Druckluft versorgt, um ggf. von der Absaugung nicht erfasstes Material von den Werkstücken 1 oder der Begrenzungswand 20 zu lösen. Anschließend erfolgt eine weitere Phase, in der lediglich die Unterdruckquelle 41 bzw. die Kanäle 36 aktiviert sind. Anschließend kann ggf. eine weitere Phase erfolgen, bei der zusätzlich die Überdruckquelle 40 aktiviert ist.
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Während der gesamten Reinigungsphase, bei der zusätzlich auch über die Kanäle 39 Material 2 abgesaugt werden kann, wird der Aufnahmeraum 26 von der Kontrolleinrichtung 50 erfasst, um den Fortschritt der Reinigung zu überwachen. Sobald ein gewünschter Reinigungsgrad erkannt worden ist, kann die Trägerplatte 13 aus ihrer Reinigungsstellung in eine maximal angehobenen Stellung verfahren werden, die beispielsweise dazu dient, einen Trägerplattenwechsel 13 vorzunehmen bzw. die Werkstücke 1 zu entnehmen. Der gewünschte Reinigungsgrad des Aufnahmeraums 26 kann darüber hinaus alternativ bzw. zusätzlich über die zweite Kontrolleinrichtung 52 detektiert werden.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere können quadratisch und/oder rechteckig und/oder rund geformte Trägerplatten genutzt werden. Ebenfalls ist die Vorrichtung für alle pulverbettbasierten Anlagen sowie alle generativ eingesetzten, losen Pulverwerkstoffe, insbesondere Metalle und/oder Keramiken und/oder Kunststoffe, anwendbar. Alternativ oder zusätzlich zum Laserstrahl wird ein Elektronenstrahl zum Elektronstrahlschmelzen (Electron Beam Melting (EBM)) verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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