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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
DE 10 2013 210 242 A1 bekannt. Mittels der bekannten Vorrichtung lassen sich beispielsweise zur Herstellung von Prototypen dienende Werkstücke durch selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren von Metallpulver mittels einer Laserstrahleinrichtung erzeugen. Die bekannte Vorrichtung weist eine in einer senkrechten Achse drehbar gelagerte Trägereinrichtung auf, die einen topfförmigen Aufbaubehälter für das Material bzw. Pulver ausbildet. Ein der Ausbildung einer Pulverschicht in dem Aufbaubehälter dienender Pulververteiler mit integriertem Pulvervorratsbehälter erstreckt sich in radialer Richtung von der senkrechten Achse der Trägereinrichtung und ist gegenüber der Trägereinrichtung ortsfest, jedoch höhenverstellbar zur senkrechten Achse angeordnet. Dadurch lässt sich eine gewünschte Dicke der Pulverschicht einstellen. Diese Pulverschicht wird bei der Drehung des Aufnahmebehälters um die senkrechte Achse in dem Aufnahmebehälter auf die zuletzt eingebrachte Pulverschicht bzw. auf das Material des Werkstücks durch den Pulververteiler aufgebracht und gelangt bei der weiteren Drehung des Aufnahmebehälters in den Arbeitsbereich eines Laserstrahls, um dort zur Ausbildung des Werkstücks selektiv aufgeschmolzen zu werden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung ermöglicht es somit, während einer vollständigen Drehung des Aufnahmebehälters um die senkrechte Achse die in den Aufnahmebehälter durch die Pulververteiler eingebrachte Schicht aufzuschmelzen.
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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 mit möglichst geringem vorrichtungstechnischen Aufwand eine Erhöhung der Leistung der Vorrichtung erzielbar ist. Gleichzeitig soll die Vorrichtung auch dazu geeignet sein, Werkstücke unter Verwendung von unterschiedlichen Materialen im generativen Herstellverfahren ausbilden zu können.
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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 das Bereitstellen von wenigstens zwei Vorratsbehältern für das Material bzw. Pulver, aus dem die Werkstücke hergestellt werden und wenigstens einem Aufbaubehälter in der Trägereinrichtung, die mit einem gemeinsamen Verteilerelement für das Material bzw. Pulver zusammenwirken, es zu ermöglichen, entweder in den wenigstens zwei Vorratsbehältern unterschiedliche (pulverförmige) Materialien zu bevorraten, die mittels des Verteilerelements in einen Aufbaubehälter abwechselnd schichtweise eingebracht werden können, um damit Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Materialen herzustellen, oder aber bei Verwendung von beispielsweise zwei Vorratsbehältern und zwei Aufbaubehältern, bei denen in den Vorratsbehältern jeweils das gleiche Material bevorratet ist, während einer vollständigen Drehung der Trägereinrichtung mehrere Werkstücke herstellen zu können. Vorzugsweise sind der wenigstens eine Aufbaubehälter und/oder der wenigstens eine Vorratsbehälter in Richtung einer senkrechten Achse, die parallel zu einer Drehachse verläuft, verstellbar zueinander angeordnet. Darüber hinaus wird der erfindungsgemäß gewünschte, relativ einfache Aufbau der Vorrichtung dadurch ermöglicht, dass sowohl die wenigstens zwei Vorratsbehälter, als auch der wenigstens eine Aufbaubehälter innerhalb der Trägereinrichtung in Bezug zur Drehachse des Verteilerelements ortsfest an definierten Winkelpositionen angeordnet sind. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Trägereinrichtung – im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik – sich nicht um eine Drehachse dreht, sondern lediglich das Verteilerelement. Dadurch wird der Antrieb für die Höhenverstellbarkeit der Aufbau- und Vorratsbehälter insofern vereinfacht, da die Behälter nicht um die Drehachse bewegt werden, und die Höhenverstellung ortsfest an der Vorrichtung angeordnet werden kann.
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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 für das Verteilerelement die jeweils zum Aufbau der nächsten Schicht in den Aufbaubehälter benötigte Menge an Pulver bereitzustellen, und andererseits ohne eine Höhenverstellung des Verteilerelements das Eindosieren bzw. Abgeben der entsprechenden Menge in den Aufbaubehälter zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass sowohl die wenigstens zwei Vorratsbehälter als auch der wenigstens eine Aufbaubehälter in Richtung der senkrechten Achse verstellbar angeordnet sind. Konkret bedeutet dies, dass zum Dosieren einer Pulverschicht in einen Aufbaubehälter der Vorratsbehälter beispielsweise um den Hub für eine gewünschte Schichtdicke angehoben wird, während gleichzeitig der Aufbaubehälter um den Hub für die Schichtdicke abgesenkt wird.
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Um Fehldosierungen, insbesondere Überdosierungen von Pulver in den Aufbaubehälter zu vermeiden, die entstehen könnten, falls das Verteilerelement nach dem Überstreichen eines Aufbaubehälters noch mit anhaftendem Pulver versehen ist, wird vorgeschlagen, dass zwischen einem Vorratsbehälter und einem Aufbaubehälter ein Abstreifelement für das Verteilerelement vorgesehen ist. Im Bereich dieses Abstreifelements ist darüber hinaus vorteilhafterweise gleichzeitig ein Pulverablauf vorgesehen, um das von dem Verteilerelement gelöste Pulver aus den Bereich der Vorrichtung zu entfernen, damit ein Zusetzen bzw. Verschmutzen der Vorrichtung mit dem Pulver vermieden werden kann.
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Um einerseits einen relativ einfachen Aufbau des Verteilerelements zu ermöglichen, und es andererseits zu vermeiden, dass sich im Bereich der Trägereinrichtung an dem radial äußerem Bereich des Verteilerelements Pulver ansammelt, das während des Betriebs der Vorrichtung nach und nach die Funktionsfähigkeit bzw. Genauigkeit bei der Verteilung des Pulvers beeinträchtigt, wird vorgeschlagen, dass das Verteilerelement zumindest im Wesentlichen als eine sich von der Drehachse radial erstreckende Verteilerleiste ausgebildet ist, und dass das Verteilerelement an einem der Drehachse abgewandten Endbereich einen in Drehrichtung weisenden Mitnehmer für das Pulver aufweist, der in Wirkverbindung mit einer dem Verteilerelement zugewandten Stirnfläche einer radial umlaufenden Begrenzungswand der Trägereinrichtung angeordnet ist.
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Vorzugsweise wird ein Aufbaubehälter mit einer runden Querschnittsfläche verwendet. Ein derartiger Aufbaubehälter ist relativ einfach herstellbar und auch relativ preisgünstig in der Herstellung. In Verbindung mit einem derartigen, eine runde Querschnittsfläche aufweisenden Aufbaubehälter wird es zur Ermöglichung einer gleichmäßigen Schichtdicke bzw. homogenen Verteilung des Pulvers in den Aufbaubehälter mittels des Verteilerelements vorgeschlagen, dass die wenigstens zwei Vorratsbehälter im Querschnitt eine unregelmäßige Form aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass beim Überstreichen durch das Verteilerelement von diesem in radialer Richtung betrachtet im Bereich eines Teilkreisdurchmessers, auf dem der Mittelpunkt des wenigstens einen Aufbaubehälters angeordnet ist, die größte Menge an Pulver von dem Verteilerelement mitgenommen wird, und dass die Menge an mitgenommenem Pulver, ausgehend von dem Teilkreisdurchmesser, sich radial in beide Richtungen verringert, derart, dass in dem wenigstens einem Aufbaubehälter nach dem Überstreichen des Verteilerelements eine gleichmäßige Pulverschichtdicke und Pulverschichtdichte erzeugbar ist.
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Da das Verteilerelement in Überdeckung mit der Trägereinrichtung angeordnet ist, ist es zum einfachen Austausch der Aufbaubehälter von Vorteil, wenn der wenigstens eine Aufbaubehälter in einer senkrecht zur Drehachse des Verteilerelements verlaufenden Richtung aus der Trägereinrichtung entnehmbar und in diese einführbar ist.
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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:
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1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken,
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2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß der 1 und
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3 eine ebenfalls vereinfachte Draufsicht auf eine gegenüber den 1 und 2 modifizierte Vorrichtung, die insbesondere zum Ausbildung von Werkstücken geeignet ist, die aus unterschiedlichen Materialien bzw. Pulvern bestehen.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 10 dient zum generativen Herstellen von lediglich in der 1 dargestellten Werkstücken 1 mittels eines Bearbeitungsstrahls 2, der als Laserstrahl zum selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)) und/oder als Elektronenstrahl zum Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting (EBM)) ausgebildet ist, und der von wenigstens einer Strahlungsquelle 5 erzeugt wird. Das Herstellen der Werkstücke 1 erfolgt in an sich bekannter Art und Weise durch selektives Aufschmelzen von pulverförmigem Material 3, insbesondere von metallischem Pulver, und anschließendem Erstarren des Materials 3. Der Aufbau bzw. das Herstellen der Werkstücke 1 erfolgt dabei schichtweise.
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Die Vorrichtung 10 weist eine Trägereinrichtung 11 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel topfförmig ausgebildet ist und einen Boden 12 und eine in Bezug zu einer senkrecht gegenüber der Umgebung angeordneten Drehachse 13 radial umlaufende (äußere) Begrenzungswand 14 hat. Radial innerhalb der Begrenzungswand 14 weist die Vorrichtung 10 zwei Aufbaubehälter 16, 17 sowie zwei Vorratsbehälter 18, 19 für das Material 3 auf, die jeweils für sich identisch ausgebildet sind. Die Aufbaubehälter 16, 17 sowie die Vorratsbehälter 18, 19 sind in Bezug zur Drehachse 13 jeweils um 180° versetzt zueinander angeordnet, wobei sich die beiden Vorratsbehälter 18, 19 zwischen den beiden Aufbaubehältern 16, 17 befinden, und wobei zwischen den jeweiligen Aufbaubehältern 16, 17 und den Vorratsbehältern 18, 19 in Drehrichtung um die Drehachse 13 betrachtet jeweils Lücken 21 ausgebildet sind.
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Die Aufbaubehälter 16, 17, innerhalb deren die Werkstücke 1 mittels der Bearbeitungsstrahlen 2 hergestellt werden, weisen jeweils einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser d auf. Die Mittelpunkte der Aufbaubehälter 16, 17 sind auf einem Teilkreisdurchmesser 22 mit einem Radius r um die Drehachse 13 angeordnet. Eine radial umlaufende Begrenzungswand 23 der Aufbaubehälter 16, 17 ist vorzugsweise mit höchstens geringem Abstand zur Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 angeordnet und weist zur Drehachse 13 einen Abstand auf. Radial innerhalb der Begrenzungswand 23 des Aufbaubehälters 16, 17 ist jeweils ein mit einer Säule 24 verbundener Boden 25 angeordnet, der mittels eines nicht dargestellten Antriebs während der Fertigung der Werkstücke 1 aus einer angehobenen Position um jeweils die Dicke einer in den Aufbaubehälter 16, 17 einzubringenden Schicht an Material 3 in Richtung des Pfeils 26 bzw. parallel zur Drehachse 13 schrittweise absenkbar ist.
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Die beiden Vorratsbehälter 18, 19 weisen jeweils eine äußere Begrenzungswand 28 auf, innerhalb der ein mit einer Säule 31 verbundener Boden 32 angeordnet ist. Während der Fertigung der Werkstücke 1 wird zum Bereitstellen einer bestimmten Menge von Pulver bzw. Material 3 der Boden 32 jeweils um einen Hub in Richtung des Pfeils 33 bzw. parallel zur Drehachse 13 angehoben, der der Menge des in einen Aufbaubehälter 16, 17 zu dosierenden Materials 3 angepasst ist.
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Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, weisen die beiden Vorratsbehälter 18, 19 im Querschnitt eine unregelmäßige geformte Begrenzungswand 28 auf. Die Form der Begrenzungswand 28 ist derart an den runden Querschnitt der beiden Aufbaubehälter 16, 17 angepasst, dass beim Dosieren einer bestimmten Menge an Pulver bzw. Material 3, wie nachfolgend noch erläutert, innerhalb des Aufbaubehälters 16, 17 eine konstante Schichtdicke sowie eine konstante Schichtdichte erzeugbar ist.
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Die dem Boden 12 der Trägereinrichtung 11 abgewandten Stirnflächen 41 und 42 der beiden Aufbaubehälter 16, 17 und der Vorratsbehälter 18, 19 schließen bündig mit der Stirnfläche 43 der Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 ab. Zwischen den Aufbaubehältern 16, 17 und den Vorratsbehältern 18, 19 ist darüber hinaus eine bündig mit den Stirnflächen 41 bis 43 verlaufende (geschlossene) Deckplatte 44 angeordnet. Weiterhin ist in der 1 anhand der Doppelpfeile 45, 46 erkennbar, dass die Aufbaubehälter 16, 17 in einer senkrecht zur Richtung der Drehachse 13 verlaufenden Richtung aus der Trägereinrichtung 11 entnehmbar bzw. in diese einführbar sind. Hierzu weist die Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 entsprechende Klappen oder ähnliche konstruktive Merkmale (nicht dargestellt) auf.
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Die Aufbaubehälter 16, 17 bzw. die Vorratsbehälter 18, 19 wirken mit einem Verteilerelement 50 zusammen. Das Verteilerelement 50 ist in der Drehachse 13 drehbar gelagert und mittels eines nicht dargestellten Antriebs in Richtung des Pfeils 51 (2) im Uhrzeigersinn drehbar. Das Verteilelement 50 ist im Wesentlichen stab- bzw. leistenförmig ausgebildet und schließt mit seiner Unterseite mit den Stirnflächen 41, 42 der Aufbaubehälter 16, 17 bzw. der Vorratsbehälter 18, 19 sowie der Stirnfläche 43 der Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 und der Deckplatte 44 bündig ab. Das Verteilerelement 50 weist auf der der Drehachse 13 abgewandten Seite an seinem radial äußeren Endbereich einen in Drehrichtung ragenden Mitnehmer 52 auf, der auf der Stirnfläche 43 der Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 aufliegt oder in geringem Abstand zu dieser abgeordnet ist. Weiterhin ist zwischen dem Aufbaubehälter 16 und diesem in Drehrichtung des Verteilerelements 50 betrachtet nachfolgenden Vorratsbehälter 18 sowie zwischen dem Aufbaubehälter 17 und dem in Drehrichtung des Verteilerelements 50 betrachtet nachfolgenden Vorratsbehälter 19 jeweils ein sich radial im Wesentlichen von der Drehachse 13 bis zur Begrenzungswand 14 der Trägereinrichtung 11 erstreckendes Abstreifelement 53 mit integriertem Pulverablauf 54 vorgesehen, das derart ausgebildet ist, dass beim Überstreichen durch das Verteilerelement 50 an diesem anhaftendes Pulver bzw. Material 3 über das Abstreifelement 53 gelöst wird und über den Pulverablauf 54 aus dem Bereich der Vorrichtung 10 entfernt wird.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 10 wird wie folgt erläutert: Zum Herstellen von Werkstücken 1 aus jeweils demselben Pulver bzw. Material 3 wird das Verteilerelement 50 in Richtung des Pfeils 51 vorzugsweise kontinuierlich gedreht. Dabei nimmt das Verteilerelement 50 bei zuvor angehobenem Boden 32 eines Vorratsbehälters 18, 19 die zum Einbringen in einen der Aufbaubehälter 16, 17 erforderliche Menge an Material 3 durch Schieben mit und überführt das Material 3 in den betreffenden Aufbaubehälter 16, 17, dessen Boden 25 zuvor um die Höhe der Schichtdicke abgesenkt wurde. Anschließend gelangt das Verteilerelement 50 in Wirkverbindung mit dem Abstreifelement 53, und anschließend in Wirkverbindung mit dem nächsten, in Drehrichtung des Verteilerelements 50 angeordneten Vorratsbehälter 18, 19. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass das Verteilerelement 50 nach dem Dosieren jeweils einer Pulverschicht bzw. des Materials 3 in die beiden Aufbaubehälter 16, 17 in einer Zwischenposition stoppt, um nachfolgend das selektive Aufschmelzen des Materials 3 in den Aufbaubehältern 16, 17 durch die Bearbeitungsstrahlen 2 nicht zu behindern. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsstrahlen 2 so angesteuert werden, dass diese nicht mehr in dem Bereich eines Aufbaubehälters 16, 17 wirken, sobald sich das Verteilerelement 50 zum Einbringen der nächsten Pulverschicht dem jeweiligen Aufbaubehälter 16, 17 nähert bzw. in dessen Bereich ist.
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In der 3 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 10a dargestellt, die sich von der Vorrichtung 10 gemäß den 1 und 2 dadurch unterscheidet, dass die beiden Vorratsbehälter 18a, 19a, in ähnlicher Art und Weise wie die Aufbaubehälter 16 und 17, einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, wobei die Querschnitte der Vorratsbehälter 18a, 19a bzw. deren Durchmesser derart an die Aufbaubehälter 16, 17 angepasst sind, dass die benötigte homogene Schichtdichte und Schichtdicke in den Aufbaubehältern 16, 17 innerhalb der geforderten Toleranzen erzielt werden kann. Weiterhin ist erkennbar, dass der eine Aufbaubehälter 17 entweder deaktiviert ist, oder aber in der Trägereinrichtung 11 nicht montiert ist, was durch die gestrichelte Darstellung des Aufbaubehälters 17 verdeutlicht sein soll. Weiterhin sind zwei Endpositionen 56, 57 des Verteilerelements 50a dargestellt, die Umkehrpositionen des Verteilerelements 50a darstellen, von denen aus das Verteilerelement 50a jeweils entgegen seiner ursprünglichen Drehrichtung des Doppelpfeils 58 bewegt wird. Weiterhin ist auch erkennbar, dass der Mitnehmer 52a aufgrund der Beweglichkeit des Verteilerelements 50a in beide Drehrichtungen des Verteilerelements 50a ausgebildet ist.
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Die Vorrichtung 10a eignet sich insbesondere zum Ausbilden eines Werkstücks 1 innerhalb des Aufbaubehälters 16, dessen übereinander angeordnete Schichten aus unterschiedlichen Materialen 3a, 3b bzw. Pulvern besteht. Hierzu ist es vorgesehen, dass in den beiden Vorratsbehältern 18a, 19a die unterschiedlichen Materialen 3a, 3b gespeichert bzw. bevorratet sind. Das Erzeugen eines Werkstücks 1 aus den unterschiedlichen Materialen 3a, 3b erfolgt dadurch, dass das Verteilerelement 50a zunächst beispielsweise beginnend von der Endposition 56 gegen den Uhrzeigersinn bewegt wird und dabei aus dem Vorratsbehälter 19a die entsprechende Menge an Material 3b in den Aufbaubehälter 16 eindosiert. Dann überstreicht das Verteilerelement 50a bei noch nicht angehobenem Boden 32 des Vorratsbehälters 18a den Vorratsbehälter 18a, bis die andere Endposition 57 erreicht ist. Währenddessen oder beim Erreichen der Endposition 57 wird durch den Bearbeitungsstrahl 2 in dem Aufbaubehälter 16 das Material 3b selektiv aufgeschmolzen. Dann wird der Boden 32 des Vorratsbehälters 18a angehoben, und das Verteilerelement 50a anschließend im Uhrzeigersinn bewegt, um das Material 3a für die nächste Schicht in den Aufbaubehälter 16 von dem Vorratsbehälter 18a in den Aufbaubehälter 16 zu dosieren. Das Verteilerelement 50a bewegt sich daraufhin wieder bis in seine zuerst eingenommene Endposition 56 (bei noch nicht angehobenen Boden 32 des Vorratsbehälters 19a), worauf sich die Vorgänge wie oben beschrieben wiederholen.
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Die Vorrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210242 A1 [0002]
