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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers.
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Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
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Zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials ist in
DE 10 2006 055 052 A1 eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Objekts mit einem drehbaren Beschichter beschrieben. Der Beschichter wird so angetrieben, dass ein Beschichtungselement zum Auftragen von Schichten zwischen einer ersten Endposition auf einer ersten Seite eines Baufeldes und einer zweiten Endposition auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Baufeldes auf einer Kreisbahn hin und her bewegt wird.
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DE 10 2014 218 639 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Objekts mit einer Plattform und einem Verfestigungsmittel zum schichtweisen Aufbauen des Objekts auf der Plattform durch lokales Verfestigen von schütt- oder fließfähigem Material, wobei die Plattform und das Verfestigungsmittel relativ zueinander um eine Rotationsachse, insbesondere um mehr als 360°, drehbar sind. In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein Beschichtungsmittel zum schichtweisen Anordnen des Materials, wobei die Plattform und das Schichtmittel relativ zueinander um die Rotationsachse drehbar sind. Vorzugsweise weist das Beschichtungsmittel eine Kante zum Begrenzen einer Schichtdicke des zu verfestigenden Materials auf, deren Vorderseite in einer Rotationsrichtung der Plattform relativ zu dem Beschichtungsmittel konvex ist.
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Bei Verwendung eines solchen Rotationsbeschichters kann es zu Entmischungstendenzen beim Ausziehen eines pulverförmigen Aufbaumaterials kommen, wobei gröbere Partikel dazu neigen, sich in den äußeren, von einer Rotationsachse des Rotationsbeschichters entfernteren Bereichen anzureichern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, bei denen ein Beschichtungselement und eine zum Aufbau des Objekts dienende Plattform relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar sind, wobei insbesondere die Entmischungstendenzen des Aufbaumaterials verringert sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 1, eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 12, ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 13 und ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehenden bzw, in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
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Der erfindungsgemäße Aus- oder Nachrüstsatz für eine Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers, enthält eine Bauunterlage, auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht. Der Beschichter enthält ein Beschichtungselement, das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht in der Lage ist, Die Bauunterlage und das Beschichtungselement sind so angeordnet, dass sie relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar sind. Das Beschichtungselement ist so ausgebildet und angeordnet, dass bei der relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Je nach der (unten beschriebenen) Art der Weiterbildung der Erfindung wird diese Kraft, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist, mittels des Beschichtungselements selber und/oder durch die auf das Pulver wirkende Schwerkraft verwirklicht werden. Mittels eines solchen Aus- oder Nachrüstsatzes kann beispielweise eine Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts so aus- oder nachgerüstet werden, dass bei einem Beschichtungsvorgang eine unregelmäßige Verteilung der in dem Aufbaumaterial enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert wird. Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Anstelle von Pulver können auch andere geeignete Materialien als Aufbaumaterial verwendet werden.
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Die relative Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement kann dadurch verwirklicht werden, dass das Beschichtungselement sich mittels einer Rotationsbewegung über die Bauunterlage bewegt. Alternativ dazu kann auch die als Bauunterlage dienende Bauplattform oder Grundplatte bei stillstehendem Beschichtungselement gedreht werden. Als weitere Alternative können sowohl der Beschichter als auch die Bauunterlage gedreht werden. Als Drehrichtung des Beschichtungselements wird in dieser Anmeldung jedoch immer die relative Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage bezeichnet. Im Falle eines rotierenden Beschichtungselements und einer stillstehenden Bauunterlage ist die relative Drehrichtung des Beschichtungselements gleich der absoluten Drehrichtung des Beschichtungselements. Im Falle eines stillstehenden Beschichtungselements und einer rotierenden Bauunterlage ist die relative Drehrichtung des Beschichtungselements jedoch entgegengesetzt zu der absoluten Drehrichtung der Bauunterlage gegenüber dem Beschichter, wie sie beispielsweise in der eingangs genannten
DE 10 2014 218 639 A1 angegeben ist.
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Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegende Vorderfläche in einer Draufsicht auf die Bauunterlage zumindest abschnittsweise einen Normalenvektor hat, der eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Dabei wird unter der in der relativen Rotationsrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegenden Vorderfläche derjenige Bereich einer Oberfläche des Beschichtungselements verstanden, welcher bei einer Rotation des Beschichters das Aufbaumaterial über das Baufeld schiebt bzw. gegen die bei einer Rotation der Bauunterlage das Aufbaumaterial geschoben wird. Draufsicht bedeutet hier und im Folgenden immer eine Ansicht senkrecht von oben, nicht eine schräge Draufsicht. Dadurch kann beispielsweise bei einer ebenen Bauunterlage durch das Beschichtungselement selbst auf das Aufbaumaterial eine Kraft mit einer Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin ausgeübt werden.
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Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegende Vorderfläche zumindest in ihrem unteren, näher an der Bauunterlage liegenden Abschnitt, in der Draufsicht zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist, in weiter bevorzugter Weise zumindest abschnittsweise in Form einer Spirale und in noch weiter bevorzugter Weise in Form einer logarithmischen Spirale, bei der ein Winkel zwischen einem Normalenvektor der Vorderfläche und ihrer momentanen Bewegungsrichtung tangential zu der von ihr beschriebenen Kreisbahn konstant ist, wobei der Winkel mindestens 0,5°, vorzugsweise mindestens 1,5°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder höchstens 80°, vorzugsweise höchstens 45°, besonders bevorzugt höchstens 30° beträgt. Dadurch kann beispielsweise einfach erreicht werden, dass der Normalenvektor eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Konkav in der Draufsicht bedeutet, dass bei einer parallel zu der Bauunterlage verlaufenden Linie auf der Vorderfläche des Beschichtungselements ein Linienabschnitt zwischen zwei Punkten dieser Linie in der relativen Drehrichtung D hinter der geraden Verbindungsstrecke zwischen diesen beiden Punkten liegt.
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Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine Unterkante zu der Rotationsachse hin nach unten geneigt ist und mit dem von der Bauunterlage aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse einen Winkel kleiner 90° bildet. Dadurch kann beispielsweise ein trichterförmiges Baufeld erzielt werden, bei dem durch die Schwerkraft eine radiale Kraft in Richtung zur Rotationsachse hin auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird. Bevorzugt ist die Neigung der Bauunterlage bzw. des Baufelds zu einer Horizontalen immer gleich, sodass das Verhältnis von Schwerkraft und Reibungskraft, welches auf eine Bewegung der Pulverpartikel einwirkt, über das gesamte Baufeld hinweg einheitlich ist.
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Vorzugsweise ist der Neigungswinkel der Unterkante konstant und/oder einstellbar. Dadurch kann beispielsweise die Beschichtung flexibel auf das verwendete Aufbaumaterial und/oder die gewünschte Schichtdicke eingestellt werden.
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Vorzugsweise ist in einem Schnitt durch eine Vorderfläche des Beschichtungselements in einer Ebene, die mit dem von der Bauunterlage aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse denselben Winkel bildet wie die Unterkante des Beschichtungselements, eine Schnittkante der Vorderfläche in einer Draufsicht auf die Bauunterlage gerade. Dadurch kann die vorliegende Erfindung beispielsweise mit gängigen Beschichtungselementen ausgeführt werden.
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Vorzugsweise weist das Beschichtungselement eine um ihre Längsachse drehbare Beschichterwalze auf, wobei vorzugsweise die Beschichterwalze eine zylindrische Walze ist, deren Längsachse im Betrieb parallel zu einer durch die Beschichterwalze überdeckten Oberfläche der Bauunterlage liegt. Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichterwalze eine kegel- oder kegelstumpfförmige Walze, deren Radius vorzugsweise proportional zu einem Abstand von der Rotationsachse zunimmt, um die die Bauunterlage und das Beschichtungselement relativ zueinander drehbar sind. Alternativ oder zusätzlich liegt eine Kontaktfläche der Beschichterwalze, die im Betrieb auf die Bauunterlage aufgetragenes Pulver berührt, parallel zur Bauunterlage bzw. zu einer zuvor aufgetragenen Schicht, Dies umfasst die Möglichkeit einer dreidimensional strukturierten bzw. gegliederten Ausprägung der Kontaktfläche der Beschichterwalze.
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Dadurch können beispielsweise die Vorteile walzenförmiger Beschichtungselemente in der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
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Vorzugsweise weist das Beschichtungselement eine Beschichterklinge und/oder eine Bürste auf. Dadurch kann beispielsweise eine einfache Form eines Beschichtungselements für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers, enthält einen erfindungsgemäßen Aus- oder Nachrüstsatz und eine Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen. Die Herstellvorrichtung ist weiter ausgebildet und/oder gesteuert, die Schritte des Aufbringens und des selektiven Verfestigens zu wiederholen, bis das Objekt fertiggestellt ist. Mittels einer solchen Herstellvorrichtung kann beispielsweise bei einem Beschichtungsvorgang eine unregelmäßige Verteilung der in dem Pulver enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert und dadurch die Qualität des hergestellten Produkts verbessert werden.
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Vorzugsweise ist die Verfestigungsvorrichtung ebenfalls relativ zu der Bauunterlage drehbar angeordnet. Dadurch können beispielsweise im Wesentlichen zeitgleich eine Beschichtung und eine Verfestigung durchgeführt und dadurch der Herstellvorgang verkürzt werden.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren dient zum Aufbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials in einer Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers. Die Herstellvorrichtung enthält eine Bauunterlage, auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht. Zum Aufbringen der Schicht des Aufbaumaterials werden die Bauunterlage und ein in dem Beschichter enthaltenes Beschichtungselement relativ zueinander um eine Rotationsachse gedreht. Das aufgebrachte Aufbaumaterial wird durch das Beschichtungselement zu einer Schicht ausgezogen. Bei der relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung wird eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse aufweist. Mittels eines solchen Beschichtungsverfahrens kann beispielsweise eine unregelmäßige Verteilung der in dem Pulver enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert werden.
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Vorzugsweise wird ein Winkel zwischen einem Normalenvektor einer Vorderfläche des Beschichtungselements, die im Betrieb in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegt, und einer momentanen Bewegungsrichtung des Beschichtungselements tangential zu der von ihm beschriebenen Kreisbahn und/oder ein Winkel zwischen einer Unterkante des Beschichtungselements und der Rotationsachse in Abhängigkeit von einander und/oder von mindestens einem der folgenden Kriterien gewählt:
- - Fließfähigkeit eines jeweils bei dem generativen Herstellen eines Objekts verwendeten Aufbaumaterials, insbesondere Rieselfähigkeit eines Pulvers,
- - Geschwindigkeit einer relativen Drehung der Bauunterlage und des Beschichtungselements zueinander im Betrieb der Herstellvorrichtung,
- - Geometrie des Beschichtungselements in einer Höhenerstreckung des Beschichtungselements ausgehend von einer Position des Beschichtungselements relativ zur Bauunterlage im Betrieb der Herstellvorrichtung, Damit ist beispielsweise der Anstellwinkel einer Beschichterklinge oder eine andere Art der dreidimensionalen Ausformung des Beschichtungselements gemeint.
Dadurch kann beispielsweise das Beschichtungsverfahren flexibel auf die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Als Geschwindigkeit können unterschiedliche Geschwindigkeitswerte verwendet werden, da die Relativgeschwindigkeit von Bauunterlage und Beschichtungselements entlang des Radius nach außen hin stark zunimmt.
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Das erfindungsgemäße Herstellverfahren dient zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers, auf einer von einer Haltevorrichtung gehaltenen Bauunterlage. Das Verfahren enthält die Schritte Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht mittels eines Beschichters und Verfestigen der aufgebrachten Schicht selektiv an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung. Die Schritte des Aufbringens und des Verfestigens werden wiederholt. Das Aufbringen der Schicht wird mittels eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens durchgeführt. Mittels eines solchen Herstellverfahrens kann beispielsweise die Qualität des hergestellten Produkts verbessert werden.
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Es ist auch möglich, das Verfestigen zeitgleich mit dem Ausziehen des Pulvers zu einer Pulverschicht durchzuführen. Dabei wird der Laserstrahl auf die Stellen des Baufelds gelenkt, an denen der Beschichter das Pulver bereits zu einer Schicht ausgezogen hat. Die Belichtungseinheit kann auch gemeinsam mit dem Beschichter oder unabhängig von ihm drehbar angeordnet sein, was besonders für einen Zeilenbelichter vorteilhaft ist.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
- 1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine schematische Darstellung eines bei einem Beschichtungsvorgang eintretenden Effekts, wobei 2a eine teilweise geschnittene Ansicht von der Seite und 2b eine Draufsicht zeigt.
- 3a bis d sind verschiedene schematische perspektivische Ansichten eines in der in 1 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Baufelds.
- 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines in einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenen Baufelds.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht des in 4 gezeigten Baufelds bei Verwendung einer zylinderförmigen Walze als Beschichtungselement.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht des in 4 gezeigten Baufelds bei Verwendung einer kegelstumpfförmigen Walze als Beschichtungselement.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
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In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
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In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
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Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Beschichter 16 um eine vertikale Achse A drehbar über dem Baufeld 8 angeordnet.
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Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
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Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
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Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann.
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Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Dann wird pulverförmiges Aufbaumaterial 13 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht aufgebracht und durch eine Rotation des Beschichters 16 um die Rotationsachse A im Baufeld 8 zu einer Pulverschicht ausgezogen. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 13 mittels einer Strahlungsheizung 17 auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
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Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
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2 ist eine schematische Darstellung eines bei einem Beschichtungsvorgang auftretenden Effekts. Dabei zeigt 2a eine teilweise geschnittene Ansicht von der Seite und 2b eine Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zu der Bauunterlage 11, 12 bzw. dem Baufeld 8. Der Beschichter enthält ein Beschichtungselement 30, das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht 33 in der Lage ist. In 2a ist ein Beschichtungselement in Form einer Klinge im Schnitt dargestellt, es können aber auch andere Elemente, beispielsweise in Form einer Bürste oder einer Walze, verwendet werden. Das Beschichtungselement 30 und/oder eine in dessen Drehrichtung D (in 2b gegen den Uhrzeigersinn), die zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dient, vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 weist vorzugsweise eine horizontale Erstreckung auf, die zumindest im Betrieb eine horizontale Erstreckung der Bauunterlage 11, 12 bzw. des Baufelds 8 im Wesentlichen vollständig überdeckt. Bei einer relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement um 360° wird also eine obere Fläche der Bauunterlage im Wesentlichen vollständig vom Beschichtungselement überstrichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Beschichtungselement 30 so ausgebildet und angeordnet, dass bei der Drehung des Beschichters 16 um die vertikale Rotationsachse A in der Drehrichtung D eine Kraft auf das Aufbaumaterial 13 ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse A hin aufweist.
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Bei der Rotation des Beschichters 16 über das Baufeld 8 in der Drehrichtung D schiebt das Beschichtungselement 30 das pulverförmige Aufbaumaterial 13 vor sich her, wodurch dieses aufgehäuft wird. Dabei bildet sich vor dem Beschichtungselement 30 eine Anhäufung des Aufbaumaterials aus. Das Pulver 13 in dieser Anhäufung wird dabei so lange durch die Bewegung des Beschichtungselementes 30 und die Reibung des zu beschichtenden Pulvers mit dem Pulverbett (den bereits aufgebrachten und evtl. bereits selektiv verfestigten Pulverschichten in dem Baufeld 8) weiter aufgehäuft, bis eine sich auf der dem Beschichtungselement 30 abgewandten Seite der Pulverschüttung bildende Schräge so steil wird, dass das Pulver 13 die Schräge in der Bewegungsrichtung R2 hinabrieselt.
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Wie in 2b gezeigt, hat die in der Drehrichtung D des Beschichters gegenüber dem Baufeld 8 vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in einer Draufsicht (senkrecht von oben) auf die Bauunterlage zumindest abschnittsweise einen Normalenvektor N, der eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist, so dass ein Winkel α zwischen dem Normalenvektor N der Vorderfläche 31 und ihrer momentanen Bewegungsrichtung R1 (tangential zu der von ihr beschriebenen Kreisbahn, in 2b durch einen gestrichelten Kreis dargestellt) größer als 0° ist. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass die Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in der Draufsicht nicht wie bei einem geraden Beschichtungselement radial verläuft, sondern zu dem Radius einen Winkel größer 0° einschließt. Im Querschnitt, wie er in 2a dargestellt ist, verläuft die Vorderfläche 31 vorzugsweise senkrecht zum Baufeld, d.h. in einem Winkel von 90°, so dass der Normalenvektor N parallel zu der Ebene des Baufelds 8 verläuft, d.h. in einem Winkel von 0°. Die Vorderfläche 31 kann aber auch schräg verlaufen, beispielsweise in einem Winkel zwischen 70° und 90° zum Baufeld 8, so dass ein Winkel zwischen dem Normalenvektor N und der Ebene des Baufelds 8 zwischen 0 und 20° liegt.
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Diese Radialkomponenten des Normalenvektors N in Richtung zur Rotationsachse A hin bewirken, dass auf das vor dem Beschichtungselement 30 hergeschobene aufgehäufte Pulver 13 eine Kraftkomponente in Richtung zur Rotationsachse A, also zum Inneren des Baufelds 8 hin ausgeübt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Anfangsgeschwindigkeit eines in der Bewegungsrichtung R2 herunterrieselnden Partikels anfangs nicht tangential zu der Kreisbahn ist, sondern ebenfalls eine nach innen gerichtete Komponente aufweist. Durch geeignete Wahl des Winkels kann der unerwünschte Effekt, dass größere Partikel dazu neigen, sich in den äußeren, von der Rotationsachse A entfernteren Bereichen anzureichern, somit kompensiert oder zumindest verringert werden.
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Durch die Radialkomponenten des Normalenvektors N in Richtung zur Rotationsachse A hin weist die in der zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung D vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 (zumindest in ihrem unteren, näher an dem Baufeld 8 liegenden Abschnitt) in der Draufsicht eine konkave Krümmung auf. Vorzugsweise hat diese Krümmung die Form einer Spirale, in weiter bevorzugter Weise einer logarithmischen Spirale, bei der ein Winkel zwischen der Vorderfläche und ihrer Bewegungsrichtung konstant ist.
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3 zeigt vier Beispiele für solche logarithmischen Spiralen. Das Beschichtungselement 30a hat dabei bei seiner Drehbewegung über das Baufeld 8 an jeder Stelle einen Winkel von 5° zwischen dem Normalenvektor seiner Vorderfläche 31a und der Tangente an der beschriebenen Kreisbahn, das Beschichtungselement 30b einen Winkel von 10°, das Beschichtungselement 30c einen Winkel von 60° und das Beschichtungselement 30d einen Winkel von 80°.
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4 ist eine schematische Schrägansicht auf ein in einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenes Baufeld 8. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Baufeld 8 (d. h. die Oberfläche der jeweils zu verfestigenden Pulverschicht) nicht als ebene Fläche ausgebildet, sondern in Form einer Kegel- oder Kegelstumpffläche eines auf seiner Spitze stehenden Kegels. Das Baufeld 8 bildet also einen Hohlkegel(stumpf) bzw. einen Trichter. Dabei ist die in 2a gezeigte Unterkante 32 des Beschichtungselements 30, also dessen dem Baufeld zugewandte Seite, nicht parallel zu der Horizontalen H angeordnet, sondern in Richtung zu der Rotationsachse A hin nach unten geneigt bzw. in Richtung von der Rotationsachse A weg nach oben geneigt. Die Unterkante 32 bildet also mit dem von dem Baufeld 8 aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse A einen Winkel β von kleiner 90°. Demzufolge bildet auch die Oberfläche einer aufgebrachten Schicht mit diesem Abschnitt der Rotationsachse A einen Winkel von kleiner 90°. Vorzugsweise liegt die Unterkante 32 im Querschnitt im Wesentlichen parallel zum Baufeld 8, sodass beide an korrespondierenden Abschnitten ihrer Erstreckung im Wesentlichen die gleiche Neigung zur Rotationsachse aufweisen. Alternativ kann eine Steigung/Neigung auch durch ein geneigtes Pulverbett mit zunehmender Dicke in zunehmender Entfernung von der Rotationsachse erzeugt werden, indem eine aufgetragene Schicht als Bauunterlage für eine folgende Schicht dient. Anders als in der 2a gezeigt, kann die Unterkante 32 auch zum Baufeld 8 hin spitz zulaufend ausgebildet sein, wie z. B. bei einer scharfen Klinge.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform zeigt ein Baufeld 8, das sich nicht in einer Ebene erstreckt bzw. planar ausgebildet ist, sondern von einem äußeren Rand zu einem inneren Rand, d. h. in Richtung der Rotationsachse A, geneigt ist. Wenn das Beschichtungselement 30 bei seiner Rotation um die Rotationsachse A das Pulver 13 vor sich herschiebt, rieseln Pulverpartikel eine Schräge der Pulverschüttung hinab (wie in 2a gezeigt). Die Neigung der Schräge ist in diesem Fall einerseits durch die Ausrichtung der Oberfläche eines Pulvervolumens bestimmt, das sich vor der Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 aufstaut. Andererseits ist sie durch die Neigung des Baufelds 8 in Richtung der Rotationsachse A bestimmt, Zumindest gilt dies, wenn die Neigung des Baufelds 8 zu einer Horizontalen immer gleich ist, sodass das Verhältnis von Schwerkraft und Reibungskraft, welches auf eine Bewegung der Pulverpartikel einwirkt, über das gesamte Baufeld 8 hinweg im Wesentlichen einheitlich ist. Gemäß der Orientierung der Schräge liegt eine tatsächliche Bewegungsrichtung des rieselnden Pulvers also zwischen einer Bewegungsrichtung R2, die bei Annahme eines planar ausgebildeten Baufelds 8 einträte, und einer Bewegungsrichtung (nicht bezeichnet), die rein aus einer Neigung des Baufelds 8 zur Rotationsachse 8 bewirkt würde. Die in diesem Ausführungsbeispiel auf die Partikel wirkende Kraft hat also auch eine Komponente parallel zu der Oberfläche des Baufelds 8 nach innen bzw. hin zur Rotationsachse A. Zusätzlich beeinflusst die Gravitationskraft die Bewegung der Pulverpartikel umso stärker, je mehr durch das Rieseln die auf diese Partikel wirkende Reibungskraft gegenüber festsitzendem Pulver verringert ist., Somit wirkt auch in dieser Ausführungsform auf das Aufbaumaterial 13 eine Kraft, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse A hin aufweist.
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Da diese Radialkomponente allein aus der Geometrie des Baufelds 8 durch die Gravitation erzeugt wird, kann die Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in einer Draufsicht (d. h. senkrecht von oben parallel zur Rotationsachse A) auf die Bauunterlage gerade ausgebildet sein, beispielsweise als ebene Fläche oder so, dass zumindest eine Schnittkante der Vorderfläche 31 in einem Schnitt durch die Vorderfläche 31 in einem konstanten Abstand vom Baufeld 8 gerade ist, wobei die Vorderfläche 31 beispielsweise entlang eines Radius um die Rotationsachse A oder parallel zu dem Radius verlaufen kann. Der Neigungswinkel der Unterkante 32 des Beschichtungselements, kann konstant sein. „Konstant“ kann sich auf eine Längenerstreckung der Unterkante 32 beziehen; vorzugsweise umfasst der Begriff den Aspekt, dass nicht nur statisch, sondern auch im Verlauf einer Rotationsbewegung die Unterkante 32 des Beschichtungselements 30 die immer gleiche Neigung relativ zur Rotationsachse A, besonders bevorzugt relativ zum Baufeld 8 aufweist. Der Neigungswinkel kann sich aber auch abhängig vom Radius ändern, wodurch sich eine im Querschnitt gekrümmte Oberfläche des Baufelds 8 ergibt. Vorzugsweise ist dieser Neigungswinkel einstellbar, wobei die Einstellbarkeit beide oben genannten Aspekte betreffen kann.
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Die Neigung des Baufelds 8 in Richtung der Rotationsachse A ist in dieser Ausführungsform durch die Neigung der Unterkante 32 des Beschichtungselements 30 bestimmt. Auch die verwendete Bauunterlage (Grundplatte 11 und/oder Bauplattform 12) kann trichterförmig in diesem Winkel nach innen geneigt sein. Alternativ kann beispielsweise auch, wie in der ersten Ausführungsform, eine ebene Bauunterlage 11, 12 verwendet werden, auf der zunächst soviel Pulver aufgebracht wird, bis sich durch die relative Bewegung zwischen der Bauunterlage 11, 12 und dem Beschichtungselement 30 das gemäß dieser Ausführungsform trichterförmige Baufeld 8 ergibt.
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Da in dieser Ausführungsform ein gerade ausgebildetes Beschichtungselement 30 verwendet werden kann, ist es auch möglich, dass dieses eine um ihre Längsachse drehbare Beschichterwalze aufweist. Dabei liegt eine Kontaktfläche der Beschichterwalze, die im Betrieb auf die Bauunterlage aufgetragenes Pulver berührt, vorzugsweise stets parallel zur Bauunterlage bzw. zu einer zuvor aufgetragenen Schicht, also parallel zu dem Baufeld 8, sodass eine Schicht mit einer einheitlichen Schichtdicke erzeugt wird. Die Beschichterwalze ist in einer Drehung um ihre Längsachse vorzugsweise derart angesteuert, dass im Betrieb der Anordnung eine Absolutbewegung der Oberflächen von Beschichterwalze und Bauplattform (bzw. jeweils oberster Pulverschicht) erzeugt wird.
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Wie in 5 gezeigt, kann die Beschichterwalze zylinderförmig gebildet sein mit einheitlichem Radius, wobei eine Längsachse 41 der Beschichterwalze 40 im Betrieb vorzugsweise parallel zu einer durch die Beschichterwalze 40 überdeckten Oberfläche des Baufelds 8 liegt.
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Wie in 6 gezeigt, kann die Beschichterwalze aber auch unregelmäßig gebildet sein mit uneinheitlichem Radius, vorzugsweise als Kegelwalze 50, z. B. entsprechend einem Unterschied zwischen Innenumfang und Außenumfang eines ringförmigen Baufelds 8, sodass die Walze bei einer vollständigen Umdrehung entlang ihrer Erstreckung stets im Wesentlichen denselben Anteil einer Kreislinie des Baufelds 8 zurücklegt. Anders ausgedrückt, nimmt ein Radius der kegel- oder kegelstumpfförmigen Beschichterwalze 50, d. h. ein Abstand ihrer Oberfläche von ihrer Längsachse 51, vorzugsweise proportional zu einem Abstand von der Rotationsachse A der relativen Bewegung zwischen der Bauunterlage 11, 12 bzw. dem Baufeld 8 und dem Beschichtungselement 30 zu.
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Eine solche als Kegel oder Kegelstumpf ausgeformte Beschichterwalze hat vorzugsweise ein Verhältnis von geringstem zu größtem Umfang auf ihrer Oberfläche bzw. einen Verlauf zwischen dem geringsten und dem größten Umfang, welche identisch sind mit einem Verhältnis von einem geringsten zu einem größten Umfang konzentrischer Kreislinien auf einer ringförmigen Bauplattform bzw. mit einem Verlauf zwischen dem geringsten und dem größten Umfang der konzentrischen Kreislinien auf der Bauplattform. Dabei entspricht der Umfang der Beschichterwalze vorzugsweise einer Schnittlinie einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse 51 mit der Oberfläche der Beschichterwalze. Weiterhin ist der Kegel bzw. Kegelstumpf ein gerader Kreiskegel bzw. Kreiskegelstumpf. Der Verlauf zwischen den Umfängen kann linear sein und ist bevorzugt stufenlos, sodass eine Oberfläche der Beschichterwalze ebenmäßig ausgebildet ist.
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Eine lokale Drehgeschwindigkeit, d. h. eine Geschwindigkeit an einzelnen Oberflächenstellen der Beschichterwalze entlang der Erstreckung ihrer Längsachse 41, 51 ist im Betrieb der Anordnung aus Beschichterwalze und Bauplattform vorzugsweise lokal möglichst identisch mit einer radial nach außen hin zunehmenden lokalen Beschichtungsgeschwindigkeit im Zusammenwirken der Beschichterwalze mit einer ringförmigen planaren oder hohlkegeligen Bauplattform bzw. Pulveroberfläche.
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Die Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können, soweit möglich, miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann auch die Vorderfläche eines Beschichtungselements gemäß der zweiten Ausführungsform konkav gekrümmt sein, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
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Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden.
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Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen, Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden.
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Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006055052 A1 [0003]
- DE 102014218639 A1 [0004, 0009]
