DE102018007813A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung der Bauraumgeometrie bei Selektivem Laserschmelzen ode Selektivem Lasersintern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Anpassung der Bauraumgeometrie bei Selektivem Laserschmelzen ode Selektivem Lasersintern Download PDF

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Abstract

Es wird ein verbesserter Beschichter für das SLM- oder SLS- Verfahren beschrieben.Die Verbesserung bezieht sich auf die Anpassung der Bauraumgeometrie (3a, 3b) an die Größe der zu bauenden Formteilen. Bei verschiedenen Formteilen kann die Form und Große des Bauraums in einfacher Weise variiert werden. Auch wird ein Verfahren zur angepassten Pulverversorgung bei angepasster Bauraumgeometrie beschrieben.Die Vorteile einer solchen Beschichters liegen in geringerem Pulverumlauf und höherer Geschwindigkeit bei Bauprozessen mit verkleinertem Vorratsraum.

Description

  • Stand der Technik und Definition von wichtigen Begriffen für die Beschreibung
  • Das Selektive Laserschmelzverfahren (SLM) oder Selektive Lasersinterverfahren (SLS) ist ein generatives Fertigungsverfahren. Bei dem Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Substratplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff (auch kurz „das Pulver“) wird mittels elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Laserstrahlung) lokal angeschmolzen (bei SLS) bzw. vollständig umgeschmolzen (bei SLM) und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Substratplatte um die Dicke einer Schicht abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten angeschmolzen bzw. umgeschmolzen sind. Der fertige Formkörper wird vom überschüssigen Pulver gereinigt und kann danach verwendet werden.
  • Mögliche pulverförmige Werkstoffe sind pulverförmige Metalle (Kupfer, Stahl, Kobalt-Chrom, Titan, Wolfram, Aluminium, Gold) und andere Stoffe (Glas, Keramik, Kunststoff).
  • Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass auch sehr harte Werkstoffe (Kobalt-Chrom, Titan) verarbeitet werden können, bei denen alternative Verfahren (z.B. Fräsen) wegen hohen Werkzeugverschleißes bei harten Werkstoffen wenig wirtschaftlich sind.
  • Eine Anlage für SLM oder SLS (im Folgenden „Anlage“) beinhaltet als wichtige Komponenten eine Rechen- und Auswerteeinheit, eine Bestrahlungseinheit, eine Spiegelablenkeinheit und einen Beschichter.
  • Die Erfindung befasst sich ausschließlich mit dem Beschichter. Die Aufgabe des Beschichters ist das Absenken der Substratplatte und daraufhin der gleichmäßige und ebene Auftrag einer neuen Pulverschicht.
  • Ein solcher Beschichter gemäß dem Stand der Technik ist in dargestellt.
  • In wird eine Aufsicht auf den Beschichter gezeigt (unten links). In dieser Aufsicht sind zwei Schnittebenen (13a,b) dargestellt. Ferner ist in oben links und oben rechts je ein Schnittbild zu sehen. Das Schnittbild oben links bezieht sich auf den Schnitt (13a) der Aufsicht. Das Schnittbild oben rechts bezieht sich auf den Schnitt (13b).
  • Der Beschichter weist einen Bauraum (3) und häufig einen Vorratsraum (3) auf. In der Aufsicht ist die Bauraum-Grundfläche bzw. die Vorratsraum-Grundfläche zu sehen.
  • Der Bauraum und ggf. der Vorratsraum haben immer senkrechte Wände. Als „Bauraum-Grundfläche“ bzw. „Vorratsraum-Grundfläche“ wird die Projektion des Bauraums in die X-Y-Ebene verstanden, die „Höhe des Bauraums“ bzw. „Höhe des Vorratsraums“ ist deren Ausdehnung in Z-Richtung. Die maximale Höhe eines herstellbaren Formkörpers ist durch die Höhe des Bauraums abzüglich der Dicke der Substratplatte gegeben.
  • Der Bauraum und ggf. Vorratsraum sind seitlich durch eine Trennwand, Querwände und Längswände begrenzt. Die Trennwand, die Querwände und die Längswände bilden einen starren Rahmen, der als „Grundrahmen“ (10) bezeichnet wird.
  • Der Pulverauftrag erfolgt durch den Auftrag einer Pulverschicht aus dem pulverförmigen Werkstoff (6) (im Folgenden auch als „Pulver“ bezeichnet) in den Bauraum.
  • Der Bauvorgang eines Formkörpers verläuft in mehreren Zyklen. In jedem Zyklus erfolgt der Auftrag einer Pulverschicht (1) aus dem Pulver (6) im Bauraum. Bei diesem Vorgang wird bei jeder Schicht der Bodenblock des Bauraums (5) abgesenkt. Häufig wird entsprechend auch der Bodenblock des Vorratsraumes (4) angehoben. Das Absenken und Anheben geschieht üblicherweise mit Linearverstellern, welche üblicherweise unterhalb der Böden des Bauraums bzw. des Vorratsraums angebracht sind.
  • Der Auftrag der Pulverschicht erfolgt mit Hilfe einer Rakel (8), welche bei der primären Bewegung der Rakel (15) zum Bauraum eine Pulveransammlung (7) für die nächste Schicht vor sich herschiebt und im Bauraum ablagert. Neben der primären Bewegung der Rakel gibt es noch eine sekundäre Bewegung der Rakel, die dazu dient, die Rakel wieder in die Ausgangsposition zurückzufahren.
  • Bei anderen Beschichtern nach dem Stand der Technik wird nicht der Bodenblock des Vorratsraumes angehoben, sondern es wird eine Pulvermenge aus einer Dosierschnecke abgegeben. Das Pulver fällt auf eine Sammelebene, wird dort von der Rakel erfasst und im Bauraum abgelagert.
  • Der Vorgang wird im Folgenden als „Pulvertransfer“ oder „Transfer“ bezeichnet. Er bezieht sich auf genau einen Zyklus und eine Pulverschicht.
  • Beim Vorgang des Rakelns können geringe Mengen an Pulver überschüssig sein. Sie werden mit der Rakel in ein Pulverüberlaufgefäß (11) verbracht. Nach Überstreichen des Pulverüberlaufgefäßes kehrt die Rakel um und fährt zurück an den Zyklus-Startpunkt jenseits des Vorratsraums oder jenseits der Zone, aus der Pulver von den Dosierschnecken herabfällt.
  • Die Unterkante der Rakel überstreicht bei jedem Zyklus eine Fläche, die als „Fahrbereichsfläche“ (18) bezeichnet wird.
  • Das Aufschmelzen findet in der obersten Pulverschicht (1) des Bauraums statt. Unterhalb dieser befinden sich ein oder mehrere bereits teilweise gebaute und in Pulver eingebettete Formkörper (14) auf der Substratplatte (12).
  • Nachdem der Formkörper oder die Formkörper fertiggestellt sind, werden diese an der Substratplatte mit den Formkörpern aus dem Bauraum entnommen. Die Größe des Bauraums ist ausschlaggebend für die maximale mögliche Größe der Formkörper.
  • Danach wird der Formkörper von der Substratplatte getrennt. Außerdem wird das verbleibende lose Pulver aus dem Bauraum entfernt. Dieses verbleibende Pulver ist durch Spritzer des vormals flüssigen Materials mit größeren Partikeln verunreinigt.
  • Das Pulver wird üblicherweise entweder einem Wiederverwertungsbetrieb zugeführt, wobei wieder feines Pulver hergestellt wird, oder es wird ausgesiebt.
  • Im Fall des Aussiebens kann die durch die Siebe fallende feine Pulverkomponente unter Sauerstoffausschluss gelagert und bei einem späteren Bauvorgang wiederverwendet werden. Nur die ausgesiebten größeren Pulverpartikel werden dem Wiederverwertungsbetrieb zugeführt.
  • zeigt eine stark vereinfachte Darstellung, die die Basis für die weiteren Erläuterungen sein wird: Es wird nur der Grundrahmen (10), der Bauraum (3), der Vorratsraum (2), die Fahrbereichsfläche (18) und der Ausschnitt für das Pulverüberlaufgefäß gezeigt.
  • Als X-Dimension, auch als „Länge“ (Ziffer 24 in ), wird die Raumrichtung parallel zur Vorschubrichtung der Rakel bezeichnet. Jedoch sind die Überlegungen nicht auf eine linear bewegte Rakel beschränkt. Im Falle einer kreisförmig bewegten Rakel erhält X den Charakter eines (azimutalen) Winkels (Ziffer 24 in ). Alle Überlegungen sind auch auf eine kreisförmig bewegte Rakel übertragbar.
  • Als Y-Dimension, auch als „Breite“ (Ziffer 25 in ), wird die waagrechte Abmessung senkrecht zur Vorschubrichtung bezeichnet. Im Falle einer Kreisbewegung der Rakel ist Y die radiale Koordinate (Ziffer 25 in ).
  • Als Z-Dimension (Höhe) (26) wird die senkrechte Richtung bezeichnet.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 2.1. Ziel der Erfindung ist die Anpassung der Form der Bauraum-Grundfläche eines Beschichters für SLS oder SLM an das oder die zu bauenden Teile.
    Gleichzeitig soll bei einer Anpassung der Bauraum-Grundfläche die Höhe des Bauraums nicht oder nur in sehr geringem Umfang beeinträchtigt werden, damit die Fertigungsmöglichkeiten in der Höhe nicht oder nur in sehr geringem Umfang eingeschränkt werden.
  • Die Anpassung der Form der Bauraum-Grundfläche hat folgende Vorteile:
    • • Die Menge des für einen Bauprozess benötigten Pulvers des verbleibenden losen Pulvers im Bauraum wird reduziert. Dies führt
      • - bei teuren Werkstoffen zu einer Reduzierung der Kapitalbindung in Form von Werkstoffpulver. Ein Beispiel ist der Werkstoff Gold.
      • - zu einem geringeren Umlauf von Pulver, welches in vielen Fällen zu einem Wiederverwertungsbetrieb zurückgesandt wird und wieder neu erworben werden muss,. Dadurch ergibt sich eine Kosteneinsparung.
      • - zu geringerem Lagerbestand von Pulver, dies führt zu geringeren Lagerkosten und geringerem Risiko im Falle des Diebstahls von teurem gelagerten Pulver
      • - zu einem reduzierten Arbeitsaufwand bei der Entnahme des Formkörpers und beim Aussieben, weil weniger loses Pulver im Bauraum verbleibt und von dort entfernt und ausgesiebt werden muss.
    • • Es ergeben sich Kosteneinsparungen bei den Substratplatten, weil Substratplatten kleinerer Fläche verwendet werden können.
    • • Die Geschwindigkeit des Bauprozesses erhöht sich bei einigen Konfigurationen.
  • Ein Zahlenbeispiel zur Quantifizierung der Effekte erfolgt am Ende der Beschreibung.
  • Anpassung der Bauraumgeometrie
  • Punkt A der Zusammenfassung (am Ende der Beschreibung) betrifft einen Beschichter für SLM oder SLS, bei welchem verschiedenen Bauraum-Grundflächen konfiguriert werden können.
  • Mit dem Begriff „konfigurieren“ ist eine Umrüstung oder Umstellung der Anlage vor Beginn des Bauprozesses gemeint. Diese Umrüstung oder Umstellung kann manuell oder automatisch erfolgen.
  • Die Anzahl der konfigurierbaren Bauraum-Grundflächen wird mit der Variablen N bezeichnet. N ist größer oder gleich zwei.
  • Eine Möglichkeit einer automatischen Umstellung besteht darin, dass ein Beschichter beispielweise motorisch verstellbare Wände des Bauraums aufweist. Durch motorisches Verstellen dieser Wände kann der Bauraum konfiguriert, also vergrößert oder verkleinert werden. Die motorische Verstellung erfolgt vor Beginn des Bauprozesses.
  • Eine andere Möglichkeit der Konfigurierung besteht darin, Bauraum-Passstücke zu verwenden. Ein Passstück ist ein zur Anlage mitgelieferter, starrer Körper einer bestimmten Form.
  • Der Grundrahmen weist einen Bauraumausschnitt (30) auf, welcher größer oder gleich dem durch die Wände des Bauraums definiertem Ausschnitt ist. In wurden exemplarisch die erfindungsgemäßen Veränderungen bei Verwendung von Bauraum-Passtücken eingezeichnet.
    • • In der oberen Darstellung ist ein Bauraum-Passstück A (31a) dargestellt, dessen innere Wände den Bauraum 1 (3a) bilden.
    • • In der untern Darstellung ist ein Bauraum-Passstück B (31b) dargestellt, dessen innere Wände den kleineren Bauraum 2 (3b) bilden.
  • Durch Einsetzen eines Bauraum-Passstücks wird dieser Bauraumausschnitt verkleinert.
    Das Bauraum-Passstück hat vorzugsweise einen inneren Ausschnitt, welcher vorzugsweise den Seitenwänden (dem Rand) eines Bauraums entspricht. Das Bauraum-Passstück berandet (bildet der Rand) den Bauraum ganz oder teilweise. Im Beispiel der beranden die Bauraum-Passtücke den Bauraum vollständig. Ein Beispiel für Bauraum-Passtücke, die den Bauraum nur teilweise beranden wird unter Punkt M gezeigt.
  • Zur Aufnahme der Bauraum-Passstücke dient eine Aussparung im Grundrahmen. Dieser wird als Bauraum-Ausschnitt bezeichnet.
  • Außerdem weist ein Bauraum-Passstück vorzugsweise einen Formschluss zum Bauraumausschnitt auf. Das Bauraum-Passstück steht in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Bauraumausschnitt fest, wird also nicht mit dem Bodenblock des Bauraums mitbewegt.
  • Der Zustand der Fixierung relativ zum Bauraumausschnitt kann erreicht werden etwa durch Festschrauben am Grundrahmen, durch magnetische Befestigung, durch Aufsetzen auf Passstifte. Die Fixierung kann auch durch Zusammenstecken des Bauraum-Passstücks in den Bauraumausschnitt mit einem Formschluss oder durch das Gewicht des Bauraum-Passstücks erfolgen.
  • Damit der Beschichter funktionieren kann, darf am Bodenblock es Bauraums weder Pulver austreten noch der Bodenblock mit verkleinerten Bauraumwänden kollidieren. Das erscheint schwierig angesichts der Tatsache, dass der Bauraumausschnitt einerseits einen beweglichen Bodenblock aufweist, andererseits die Größe und Form der Wände des Bauraums nunmehr konfigurierbar ist, also wechseln kann.
  • Einer der Möglichkeiten der Kollisionsvermeidung besteht darin, anstelle eines Objektes mit der Funktion eines Bodenblocks nur einen Bauraum-Bodenkern (Ziffer 44 in ) mit einer reduzierten Grundfläche zu bewegen. Diese Grundfläche liegt innerhalb der Bauraum-Grundfläche (Ziffer 3a in ) des kleinsten Bauraums. Wenn das der Fall ist, wird ein solcher Bauraum-Bodenkern mit keinem Bauraum-Passstück in bestimmungsgemäßer Einbaulage kollidieren.
  • Allerdings wird dann bei einigen Konfigurationen (ausgenommen möglicherweise die Konfiguration mit dem kleinsten Bauraum) Pulver austreten, weil der Bodenblock nicht eng schließt.
  • Dieses Problem kann beispielsweise dadurch gelöst werden, dass die Dichtigkeit gegen den Pulveraustritt nicht durch den Bodenblock, sondern durch verschiedene Substratplatten (Ziffer 12 in ) gewährleistet wird, deren Form der zugehörigen Bauraum-Grundfläche angepasst sind und sich mit einem sachgerechten Spaltmaß in zugehörigen Bauraum bewegen lassen.
  • Allerdings besteht auch bei einem sachgerechten Spaltmaß weiterhin ein Problem mit austretendem Pulver, z.B. wegen der Fertigungstoleranzen der beteiligten Bauteile oder den Toleranzen der Fixierung des Bauraum-Passstücks.
  • In der Ausführungsform nach Punkt 8 der Zusammenfassung wird dieses Problem gelöst. Es handelt es sich um einen Beschichter nach Punkt A, bei dem durch Spalten eines konfigurierten Bauraums herabfallendes Pulver in einem Pulverauffanggefäß gesammelt wird.
  • Erfindungsgemäß befindet sich ein Pulverauffanggefäß unterhalb des Bauraums, in welches Pulver, welches durch die Ritze dringt hineinfällt. Dieses Pulverauffanggefäß kann vorzugsweise leicht entnommen werden, insbesondere ohne dass das Bauraum-Passstück entfernt werden muss.
  • Ein zusätzliches Merkmal ist die Einführung eines absichtlichen Spalts in einem Bauraum-Passstück zwischen dem Bauraum und dem Pulverauffanggefäß. Dieses erstreckt sich über die gesamte Breite des Bauraums. Es dient als Pulverfalle und ersetzt somit das Pulverauffanggefäß in dieser Konfiguration. Der Spalt muss hinreichend groß sein, damit alles Pulver durch ihn in das Pulverauffanggefäß fällt.
  • Ein Beispiel für einen absichtlichen Spalt ist in dargestellt. Dort hat der absichtliche Spalt die Ziffer 33. Bei Verwendung eines absichtlichen Spalts kann die Fahrbereichsfläche (18a bzw. 18b) reduziert werden. Die primäre Bewegung der Rakel kann nämlich bereits nach Überstreichen des absichtlichen Spalts und nicht erst nach Überstreichen des Pulverüberlaufgefäßes umgedreht werden, um an den Zyklus-Startpunkt zurückzufahren. Dadurch reduziert sich der Fahrweg und bei angenommener konstanter Fahrgeschwindigkeit die Fahrzeit der Rakel. Die Fahrzeit der Rakel ist ein Bestandteil des Zeitbedarfs für den Bauprozess, der somit vorteilhaft insgesamt beschleunigt wird. Um den Effekt zu steigern, sollte ein verkleinerter Bauraum möglichst nicht zentriert im der Mitte des größeren Vorratsraum angeordnet werden, sondern möglichst nahe zum Vorratsraum hin. Auch der zwischen Bauraum und Pulverüberlaufgefäß befindliche Spalt sollte möglichst nahe zum Bauraum hin angeordnet werden.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird unter Punkt C gezeigt.
  • Die Ausführungsform nach Punkt B ist wesentlich für die Erfindung, weil erst diese eine Ausführung mit Passtücken erlaubt. Auch der absichtliche Spalt ist wichtig, weil er bei kleinen Bauräumen eine erhebliche Zeiteinsparung ermöglicht.
  • Die Ausführungsform nach Punkt C beschreibt einen Beschichter nach Punkt B, bei dem es sich bei dem Pulverauffanggefäß um das einzige aktive Pulverauffanggefäß am Beschichter handelt.
  • Ein Beispiel zu dieser Ausführungsform ist in dargestellt. Die Darstellungsrichtungen und Schnitte entsprechen der Darstellung von . Hier ist ein relativ großes Pulverauffanggefäß (49) mit dem im Beschichter notwendigen Pulverüberlaufgefäß (11 in ) kombiniert; es handelt sich um dasselbe Gefäß. Das Auffanggefäß befindet sich unterhalb der Außenkanten des Grundrahmens und hat, um das herabfallende Pulver aufzunehmen, eine Breite, welche über die Breite des Grundrahmens hinausgeht. Dadurch entsteht eine Pulverfalle (43), in die das überschüssige Pulver gerakelt wird.
  • Pulver welches sich nach dem Überstreichen des Bauraums (3) noch auf der Rakel (8) befindet, fällt durch die Pulverfalle (43) in das Pulverauffanggefäß. Die Linearversteller und die zugehörigen Motoren (42) zur Bewegung des Bodenblocks des Bauraums sind vorzugsweise nicht unterhalb des Bodenblocks, sondern seitlich neben den Grundrahmen verlegt; die Motorkräfte werden mit Hilfe geeigneter Winkelkonstruktionen (40) auf den Bodenblock des Bauraums übertragen. Dadurch sind alle Bauteile unterhalb des Bodenblocks unempfindlich gegen herabfallendes Pulver (48), welches aus der Spalte zwischen dem Bauraum-Passstück (31) und der Substratplatte (12) oder aus der Spalte zwischen dem Bauraumausschnitt (30) und dem Bauraum-Passstück herabfallen könnte. Weiterhin ist der Weg des herabfallenden Pulvers nicht durch Motoren, Getriebe oder Kabel gestört, so dass das Pulver sich dort nicht ablagern kann.
    Das Pulverauffanggefäß ist leicht zu entnehmen. Es gibt im Beispiel der eine Aufhängekonstruktion (41) zum Herausnehmen des Pulverauffanggefäßes nach einem Bauprozess. Der Vorgang ist sogar einfacher als bei einem Pulverüberlaufgefäß (11) gemäß . Auch ist der Beschichter insgesamt leicht von Pulver zu reinigen, da der Grundrahmen zum Reinigen zugänglich ist.
  • Eine Anlage kann mit mehreren Pulverauffanggefäßen ausgeliefert werden, von denen jedoch immer nur eines aktiv ist. Die anderen Pulverauffanggefäße könnten z.B. zur Lagerung von Pulver aus dem vorhergehenden Bauprozess dienen und in einem Unterschrank eingehängt werden.
  • Im Übrigen gilt die am gleichen Tage der Anmeldung dieser Erfindung vom gleichen Anmelder eingereichte Beschreibung zur Erfindung „Beschichter für Selektives Lasersintern oder Selektives Laserschmelzen“ als vollumfänglich in dieser Beschreibung enthalten.
  • Die Ausführungsform nach Punkt D beschreibt einen Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-C,
    • - welcher einen Bauraumausschnitt aufweist, dessen Grundfläche größer als die des größten Bauraums ist und
    • - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passstücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen.
  • Wie in dargestellt und bereits erläutert, gibt es für jeden Bauraum (3a, 3b) mindestens ein Bauraum-Passstück (31a, 31b). Im Beispiel von ist die Anzahl der konfigurierbaren Bauräume N gleich 2 und es gibt zwei Bauraum-Passtücke.
  • Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass die Befestigung der Passtücke am Grundrahmen in Bereichen (Ziffer 34 in ) außerhalb des Fahrbereichs der Rakel erfolgen kann. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Befestigung auch mit nach oben stehenden Befestigungsmitteln, z.B. Druckknöpfen, Zylinderkopfschrauben. Ebenso können Befestigungsmittel verwendet werden, welche nicht mit Pulver verschmutzt werden sollen, weil z.B. bei Eindringen von Pulver sich die Lage des Bauraum-Passstücks verändern würde.
  • Eine andere (in nicht dargestellte) Ausführungsform der Befestigung besteht in einer „verketteten Befestigung“. Hier passt das Bauraum-Passstück 2 mit Formschluss in das Bauraum-Passstück 1. Bauraum-Passstück 1 würde nicht entfernt, sondern dient als Verbindung zwischen dem Grundrahmen und dem Bauraum-Passstück 2.
  • Der Ausführungsform nach Punkt E beschreibt einen Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-C,
    • - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passtücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen
    • - bei dem zur Konfiguration des größten Bauraums kein Passstück eingesetzt wird
  • In dieser Ausführungsform gibt es N Bauräume und vorzugsweise N-1 Bauraum-Passtücke. Der Bauraumausschnitt ist identisch zum größten Bauraum, welcher als Bauraum Nr. 1 bezeichnet wird.
  • Ein beispielhafter Bauraum hierzu ist in dargestellt. Hier ist N=2, es gibt also nur ein Bauraum-Passstück (31), welches rechts oben in Seitenansicht und gleich darunter in Aufsicht dargestellt ist. Die Linien (52) dienen zur Verdeutlichung der Durchzeichnung zwischen Seitenansicht und Aufsicht.
  • Links unten ist der Bauraumausschnitt (30) zu sehen, welcher in diesem Fall selbst einen Bauraum (3a) bildet. Dieser.Bauraum wird willkürlich als Bauraum Nummer 1 bezeichnet.
  • Rechts unten ist zu sehen, wie das Bauraum-Passstück (31) mit Formschluss in den Bauraumausschnitt (30) eingebracht wird und am Grundrahmen (10) befestigt ist. Auf diese Weise entsteht der Bauraum 2 (3b).
  • Im Beispiel der erfolgt die Befestigung mit einem Formschluss, welcher das Bauraum-Passstück aber zunächst nicht vor einer senkrechten Bewegung abhält. Zusätzlich ist ein Halter gegen Abrutschen (50) des Bauraum-Passstücks ein Bestandteil des Bauraum-Passstücks, mit dessen Hilfe der Formschluss vervollständigt wird.
  • Die Fixierung erfolgt beispielsweise durch Schwerkraft, durch Verklemmung oder durch Senkkopf-Schrauben, welche von oben durch den Halter (50) in den Grundrahmen geschraubt werden.
  • Dieser Halter (50) benötigt eine Aussparung am Grundrahmen. Ein Kompensationsteil (51) füllt diese Aussparung bei nicht eingesetztem Bauraum-Passstück.
  • Nun kommen wir zu den Möglichkeiten, die Dichtigkeit gegen austretendes Pulver herzustellen:
    • Infolge der Überlegung nach Punkt F entsteht ein Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-E,
      • - wobei der Beschichter einen Bodenblock aufweist, welcher mit dem größten Bauraum eine eng schließende Bauraumeinheit bildet und
      • - je ein auf den Bodenblock aufgesetztes Bauraumboden-Passstück mit einem der verbleibenden Bauräume eine eng schließende Bauraumeinheit bildet.
  • Von nun an diskutieren wir Passstücke, welche an unterschiedlichem Ort befestigt sind:
    • - am Grundrahmen oder
    • - am Bauraumboden.
    Die beiden Passstück-Gruppen gleiten gegeneinander.
  • Der Beschichter weist nach dieser Überlegung einen Bodenblock (Ziffer 5 in ) auf, welcher für den größten Bauraum (Bauraum Nr. 1) ausgelegt ist.
  • Mit dem Begriff „eng schließende Bauraumeinheit“ wird ein Bauraum und ein dazu passender Bodenkonstruktion eines Bauraums bezeichnet. Diese bilden nur dann eine eng schließende Bauraumeinheit, wenn ihre Form zueinander passt, d. h. die Bodenkonstruktion des Bauraums muss mit einem sachgerechten Spaltmaß im Bauraum nach oben und unten gleiten.
  • Ein Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt F und Punkt E ist in dargestellt. Im Beispiel ist N=2; es gibt ein Bauraumboden-Passstück und ein Bauraum-Passstück.
    Das Bauraum-Passstück (31) ist rechts oben dargestellt. Das Bauraumboden-Passstück (60) ist links oben dargestellt.
  • Unten links ist die eng schließende Bauraumeinheit 1 dargestellt. Im Beispiel der wird Bauraum 1 (3a) nach Punkt E alleine durch den Bauraumausschnitt (30) gebildet. Der Beschichter ist ohne jedes Passstück betriebsbereit in der Konfiguration der Bauraumeinheit 1.
  • Unten rechts ist die eng schließende Bauraumeinheit 2 dargestellt. Bauraum 2 (3b) wird durch das Bauraum-Passstück 1 (31) gebildet, welches am Grundrahmen (10) befestigt ist. Der Bodenkörper des Bauraums 2 wird hier durch den Bodenblock (5) und das Bauraumboden-Passstück 1 (60) gebildet.
  • Die Passstücke sind im Beispiel jeweils mit Schraubverbindungen (73) am Grundrahmen bzw. am Bodenblock befestigt.
  • Diese Konfiguration ist ungewöhnlich. Es wäre nämlich eine Kollision während des Bauprozesses des (großen) Bodenblocks des Bauraums 1 mit dem Bauraum-Passstück 1 zu erwarten, welches den Bauraum reduziert.
  • Eine Kollision des Bodenblocks (5) mit einem Bauraum-Passstück (31) während des Bauprozesses kann durch eine besondere Maßnahme vermieden werden:
    • Die Höhe der Bauraum-Passstücke und die Höhe des Bauraumboden-Passstücke ergeben in Summe die Höhe des Bauraums, vorzugsweise indem jedes der Passtücke die halbe Höhe des Bauraums aufweist. Der Bodenblock wird beim Bauprozess nur im vertikalen Intervall zwischen dem unteren Ende des Bauraums 1 und der Unterkante der Bauraum-Passstücke bewegt. Dadurch reduziert sich die Höhe der Bauräume Nr. 2 bis N auf maximal die Hälfte der Höhe des Bauraums 1. Dieser maximale Fall wird genau dann erreicht, wenn die Höhe der Passtücke jeweils ebenfalls die Hälfte der Höhe des Bauraums 1 beträgt.
  • Im Beispiel gibt es zwei Bauraume. Die Höhe des Bauraums 1 ist mit der Ziffer 71 dargestellt; die halbe Höhe mit der Ziffer 72.
  • In dieser Überlegung gibt es keinen Bauraumboden-Kern wie unter Punkt A beschrieben. Die Reduzierung der Höhe der verkleinerten Bauräume ist nachteilig. Dieser Beschichter steht im Gegensatz zu der eingangs postulierten Anforderung, nachdem sich die Höhe des Bauraums nicht reduzieren soll.
  • Die Ausführungsform nach Punkt G beschreibt einen Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-E, wobei
    • - der Beschichter einen Bauraum-Bodenkern aufweist und
    • - verschiedene Formen des Bodenblocks des Bauraums durch Bauraumboden-Passstücke konfiguriert werden können welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Bauraum-Bodenkern fest stehen.
  • Nach dieser Ausführungsform werden dem Bauraum angepasste Bodenblöcke des Bauraums gebildet. Dabei wird der Bauraum-Bodenkern mit Bauraumboden-Passtücken jeweils zu einem Bodenblock ergänzt.
    Ausführungsbeispiele werden unter Punkt H und I gezeigt.
  • In einer Variante dieser Ausführungsform wird ein dem Bauraum angepasster Bodenblock gebildet, wobei der Bauraum-Bodenkern mit N Bauraumboden-Passtücken jeweils zu N Bodenblöcken des Bauraums ergänzt werden. Zu jedem der N Bodenblöcke des Bauraums gibt es einen zugehörigen Bauraum.
  • Die Ausführungsform nach Punkt H beschreibt einen Beschichter nach Punkt G,
    • - bei dem der Bauraum-Bodenkern mit dem kleinsten Bauraum eine eng schließende Bauraumeinheit bildet.
  • In dieser Ausführungsform gibt es N Bauräume und mindestens N-1 Bauraumboden-Passtücke.
  • Der Bauraum-Bodenkern selbst bildet den Bodenblock des kleinsten Bauraums. Wir bezeichnen diesen Bauraum als Bauraum Nr. N. Jedes Bauraumboden-Passstück bildet mit dem Bauraum-Bodenkern und einem der verbleibenden Bauräume (also nicht dem kleinsten) eine eng schließende Bauraumeinheit.
  • Ein Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt G und Punkt E ist in dargestellt. Hier ist N=2, es gibt also nur ein Bauraum-Passstück (31), welches links oben dargestellt ist und nur ein Bauraumboden-Passstück (60), welches rechts oben dargestellt ist.
  • Unten links ist die eng schließende Bauraumeinheit 1 dargestellt. Bauraum 1 (3a) wird alleine durch den Bauraumausschnitt (30) gebildet, weil es sich in diesem Beispiel um eine von Punkt E abhängige Ausführungsform handelt. Der Bodenblock (3a) des Bauraums 1 wird gebildet durch den Bauraum-Bodenkern (44) in Kombination mit dem am Bauraum-Bodenkern befestigten Bauraumboden-Passstück (60)
  • Unten rechts ist die eng schließende Bauraumeinheit 2 dargestellt. Bauraum 2 (3b) wird durch das Bauraum-Passstück (31) gebildet, welches am Grundrahmen (10) befestigt ist. Der Bodenblock (3b) des Bauraums 2 wird hier alleine durch den Bauraum-Bodenkern (44) gebildet.
  • In der erfolgt nicht nur die Befestigung des Bauraum-Passstücks, sondern auch die des Bauraumboden-Passstücks mit einem Formschluss: Es ist zusätzlich auch ein Halter gegen Abrutschen (61) als Bestandteil des Bauraumboden-Passstücks vorgesehen. Dadurch wird der Formschluss vervollständigt.
  • Die Fixierung erfolgt wiederum beispielsweise durch Schwerkraft, durch Verklemmung oder durch Senkkopf-Schrauben, welche von oben durch die Halter (50) oder (61) in den Grundrahmen bzw. den Bauraum-Bodenkern geschraubt werden.
  • Die Dicke des Halters gegen Abrutschen des Bauraumboden-Passstücks kann beim Bauprozess dadurch kompensiert werden, dass der Bauraum-Bodenkern bei jedem Schritt um ein Stück tiefer gesetzt wird. Der Höhe dieses Versatzes entspricht die Dicke des Halters.
  • Die Ausführungsform nach Punkt 1 ist ein
    Beschichter nach Punkt G oder H,
    wobei es sich bei mindestens einem der Bauraum-Passstücke und einem der Bauraumboden-Passstücke um dasselbe Teil handelt.
  • In dieser Ausführungsform dient mindestens eines der Passstücke in einer Konfiguration als Bauraum-Passstück und in einer anderen Konfiguration als Bauraumboden-Passstück. Ein solches Passstück wird als „Doppelfunktionspassstück“ bezeichnet.
  • In wird ein Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt I, Punkt H und Punkt E mit N = 2 gegeben.
    Oben links ist ein Doppelfunktionspassstück (80) dargestellt. Es dient in Konfiguration 1, welche unten links dargestellt ist, als Bauraumboden-Passstück. Außerdem dient dasselbe Passstück in Konfiguration 2, welche unten rechts dargestellt ist, als Bauraum-Passstück.
    Ein Doppelfunktionspassstück wird in einer Konfiguration fest relativ zum Grundrahmen fixiert und in einer anderen Konfiguration fest relativ zum Bauraum-Bodenkern.
  • Zur Befestigung eines Doppelfunktionspassstücks kommen die im Folgenden beschriebenen Möglichkeiten in Frage:
  • A Befestigung von der Seite
  • Zur Befestigung des Doppelfunktionspassstücks am Bauraum-Bodenkern oder an weiteren mit dem Bauraum-Bodenkern verbundenen Doppelfunktions-Passtücken wird der Bauraum-Bodenkern vorzugsweise über die Oberfläche des Grundrahmens hinaus-gefahren, wozu vorzugsweise ein nach oben verlängerter Z-Fahrweg dient. Der Bodenblock ist dann von der Seite frei zugänglich. Zur Befestigung deines Doppelfunktionspassstücks am Grundrahmen oder an weiteren mit dem Grundrahmen verbundenen Doppelfunktionspasstücken andererseits wird der Bodenblock vorzugsweise zum unteren Anschlag gefahren, damit die Innenseite der Wände des Grundrahmens frei zugänglich ist. Damit kann die seitliche Befestigung erfolgen:
  • A1 Die seitliche Befestigung kann beispielsweise mit Senkschrauben geschehen. Dazu müssen im Doppelfunktionspassstück, im Bauraum-Bodenkern und in den Wänden des Grundrahmens passende Bohrungen oder Gewinde vorgesehen sein.
  • A2 Eine schneller zu bedienende Möglichkeit ist in dargestellt. Sie besteht darin, das Doppelfunktions-Passstück ganz oder teilweise aus einem ferromagnetischen Material, z. B. Eisen, zu fertigen. Zusätzlich wird im Grundrahmen (10) und im Bauraum-Bodenkern (44) ein schaltbarer Elektromagnet integriert. Ein aktiver Elektromagnet mit Stromfluss ist der Ziffer 82 dargestellt; ein nicht-aktiver Elektromagnet ohne Stromfluss mit der Ziffer 81. Wird der Elektromagnet im Grundrahmen aktiv geschaltet, so haftet das Doppelfunktionspassstück am Grundrahmen. ( unten links) Wird hingegen der Elektromagnet im Bauraum-Bodenkern aktiv geschaltet, so haftet das Doppelfunktionspassstück am Bauraum-Bodenkern. ( unten rechts)
  • B Befestigung durch Drehung des Passstücks
  • Das Bauraum-Passstück aus ist quadratisch und kann auch um 90°, 180° und 270° gedreht eingesetzt werden. Diese Verdrehung kann zur Befestigung hin zum Grundrahmen oder hin zum Bauraum-Bodenkern genutzt werden, z. B. indem in der Mitte von zwei gegenüberliegenden Wänden des Doppelfunktionspassstücks Zylinder aus einem ferromagnetischen Material, z. B. Eisen, eingesetzt werden. Die Zylinder reichen von der Außenseite des Doppelfunktionspassstücks bis zu seiner Innenseite. Zusätzlich werden zwei gegenüberliegende Wände des Grundrahmens jeweils in der Mitte der Wand mit Festmagneten ausgestattet. Weiterhin erhalten auch zwei gegenüberliegende Wände des Bodenkerns Festmagneten, wobei bei einer rechteckigen Geometrie diejenigen Wände gewählt werden, die zu den mit Scheiben versehenen Wänden des Grundrahmens um 90° versetzt sind. Ein Doppelfunktionspassstück wird dann, je nachdem mit welcher 90°-Verdrehung es eingesetzt wird, durch Magnetkräfte entweder relativ zum Grundrahmen oder relativ zum Bodenköper fixiert.
  • Bei der der Ausführungsform nach Punkt J handelt es sich um einen Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-I, wobei mindestens eine der Bauraum-Grundflächen der Geometrie eines Formkörpers von bestimmender Größe angepasst ist.
  • Bei einer „angepassten Form“ handelt es sich um eine komplexe Form, also weder um ein Rechteck noch um ein Rechteck mit abgerundeten Ecken noch um eine Kreisform.
  • Als „Grundfläche eines Formkörpers“ wird die Projektion des Formkörpers auf die X-Y-Ebene bezeichnet.
  • Beispielsweise könnte ein Hersteller von Armbanduhrengehäusen die Form der Bauraum-Grundfläche an die Grundfläche des Uhrengehäuses anpassen.
  • Im Folgenden wird ein Weg aufgezeigt, wie man eine solche Anpassung vornehmen kann:
    • Zunächst benötigt man die Grundfläche des Formkörpers. Diese wird vorzugsweise seinen CAD-Daten entnommen. Ein anderer Weg zur Ermittlung der Grundfläche des Formkörpers besteht darin, den Formkörper physisch zu beschaffen, ihn auf Papier zu legen, dessen Umriss auf das Papier zu zeichnen und so die Grundfläche zu erhalten. Wenn Formkörperbereiche einen hohen Abstand von dem Papier haben, kann die Grundfläche auch durch Abzeichnung des Schattenwurfs, mit Hilfe einer senkrecht über dem Objekt stehenden, weit entfernten Lichtquelle ermittelt werden.
  • Danach ermittelt man die Außenränder der angepassten Form: Diese entstehen vorzugsweise, indem man diese Abzeichnung von außen mit Linien oder Bogenstücken umgibt, welche aneinander anschließen. Dabei soll die entstehende Form vorzugsweise konvex sein. Abgesehen von der etwaigen Überbrückung von konkaven Bereichen sollen die Abstände der Linien oder Bogenstücke von der Abzeichnung vorzugsweise an keiner Stelle mehr als 25 % des Umkreisdurchmessers der Form der Grundfläche des Formkörpers betragen.
    Dies geschieht, um zu den ursprünglichen Formteilen ähnliche andere Formteile mit Hilfe des gleichen Bauraum-Passstücks fertigen zu können.
    Somit ist die angepasste Form ermittelt. Entsprechend dieser angepassten Form wird die Bauraum-Grundfläche gestaltet.
  • In wird als Beispiel die Ermittlung der Grundfläche der angepassten Form aus einem dentalen Kiefermodells gezeigt. Die Grundfläche eines dentalen Kiefermodells umschließt die größten im Dentalbereich vorkommenden Formkörper und ist deswegen bei SLS- oder SLM-Anlagen im Dentalbereich geeignet zur Definition des größten Bauraums.
  • Um eine dem menschlichen Kiefer angepasste Form zu ermitteln, geht man wie beschrieben vor: Ein Kiefermodell wird auf Papier gelegt. Die Außenform des Zahnbogens (90) wird umfahren. Die Außenränder der angepassten Form entstehen, indem man diese Abzeichnung von außen mit Linien (91) oder Bogenstücken (92) umgibt, welche verbunden sind. Die Übergänge zwischen Linien und Bogenstücken sind in der Abbildung zur Verdeutlichung mit Rauten (93) versehen. Abgesehen von den konkaven Bereichen der Abzeichnung betragen die Abstände der Linien oder Bogenstücke von der Umrisszeichnung vorzugsweise an keiner Stelle mehr als 25% des Umkreisdurchmessers der Abzeichnung.
  • Versorgung mit Pulver
  • Im Folgenden befassen wir uns mit der Zuführung von Pulver an den konfigurierbaren Bauraum. Es ist das Ziel der Erfindung, die Menge des für einen Bauprozess benötigten Pulvers zu reduzieren. Also sollte ein Bauraum beim Transferprozess nicht mit mehr Pulver als notwendig versorgt werden, weil dieses Pulver nur im Pulverüberlaufgefäß landen würde und den Pulverumlauf nachteilig erhöht.
  • Wir betrachten als Beispiele ein Trapez (100) als Bauraum-Grundfläche 1 und eine Kreuzform als Bauraum-Grundfläche 2 ( ).
  • Das Pulver wird mit einer Rakel in diese Trapezform bzw. Kreuzform bei etwas abgesenktem Bodenblock des Bauraums eingerakelt, indem die Rakel eine akkumulierte Pulveranhäufung in X-Richtung vor sich herschiebt.
  • Im Beispiel solle es einen Vorratsraum geben, der entsprechend der Trapezform (100) gestaltet ist. Wenn der Bauraum in der gleichen Trapezform konfiguriert ist, entspricht die Versorgung mit Pulver dem Bedarf.
    Im Folgenden wird die Vorgehensweise erläutert, wenn aber der Bauraum in einer anderen Form, z.B. in der Kreuzform konfiguriert ist.
  • Im Allgemeinen bezeichnen wir den Funktionsverlauf in Y-Richtung für die Pulvermenge, die notwendig ist, um eine bestimmte Bauraum-Grundfläche exakt mit Pulver zu füllen als Pulverbedarfsfunktion P(Y). Das Integral über Y der Funktion P(Y) gibt das benötigte Pulvervolumen an; es entspricht dem Produkt aus dem Flächeninhalt der Bauraum-Grundfläche mit dem Vorschub des Bauraum-Bodenblocks dzB. Die Pulverbedarfsfunktion P(Y) selbst berechnet sich als Länge der Ausdehnung des Bauraums in X-Richtung, multipliziert mit der Schichtdicke dzB. Die Länge der Ausdehnung in X-Richtung wird bei einem bestimmten Wert der Y-Koordinate (also längs der entsprechenden Linie mit konstantem Y-Wert) gemessen.
  • Als Beispiel ist die Länge (105) des Bauraums 2 am Ort Y0 (106) in eingezeichnet. Auch ist die Pulverbedarfsfunktion der Bauraum-Grundfläche 1 (100) mit der Ziffer 102 dargestellt, in einem Koordinatensystem (104) bei dem die Y-Achse nach rechts und die Pulverbedarfsfunktion nach oben weist. Die Pulverbedarfsfunktion zu der Bauraum-Grundfläche 2 (101) ist mit der Ziffer 103 bezeichnet.
  • Die Pulverbedarfsfunktion (103) der Bauraum-Grundfläche 2 ist, soweit sie von Null verschieden ist, stets kleiner als die Pulverbedarfsfunktion (102) der Bauraum-Grundfläche 1. Das muss so sein, denn die Bauraum-Grundfläche 2 (101) liegt überall innerhalb der Bauraum-Grundfläche 1 (100); also ist ihre Länge in x-Richtung an jedem Ort Y kleiner als die Länge der Bauraum-Grundfläche 1.
  • Um einen Bauraum mit nicht zu viel und nicht zu wenig Pulver zu versorgen, ist der Pulverbedarf P(Y) mit der Pulverversorgungsfunktion Q(Y) gleichzusetzen. Die Pulverversorgungsfunktion Q(Y) kann interpretiert werden als jene Pulvermenge, welche die Rakel am Ort Y der Rakelkante vor sich herschiebt.
  • Nun muss die Aufgabe gelöst werden, eine der Funktion P(Y) entsprechende Pulverversorgungsfunktion Q(Y) auf der Rakel zu schaffen, oder wenigstens eine Pulverversorgungsfunktion, die der Funktion P(Y) nahekommt.
  • Wenn die Pulverversorgungsfunktion Q(Y) die Pulverbedarfsfunktion an einem Ort Y übersteigt, wird das überschüssige Pulver in das Pulverüberlaufgefäß abgerakelt. Wenn aber die Pulverbedarfsfunktion die Pulverversorgungsfunktion an einem Ort Y übersteigt, so fehlt das Pulver in der entsprechenden Schicht und der Bauprozess wird fehlerhaft. Also darf die Pulverversorgungsfunktion die Pulverbedarfsfunktion an keiner Stelle unterschreiten. Ein Überschreiten ist relativ unproblematisch aber nicht erwünscht, um nicht zu viel Pulver ins Pulverüberlaufgefäß zu rakeln.
  • Das nach Punkt K zusammengefasste Verfahren besteht in der Skalierung der Pulverversorgung je nach Bauraum, anzuwenden bei einem Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J.
  • Ein Weg zur Schaffung einer angenäherten Pulverversorgungsfunktion besteht darin, die Pulverversorgung bei einem Beschichter zu skalieren:
    • Üblicherweise weist ein Beschichter einen Hardware-Parameter auf, der die Pulverversorgungsfunktion multiplikativ verändert.
  • Hierzu zwei Beispiele:
    • - Wenn die Pulveranhäufung über das Ausrakeln aus einem Versorgungsraum entsteht, so kann der Vorschub dzv des Bodenblocks des Vorratsraumes angepasst werden.
    • - Im Falle der Pulverversorgung mit einer Dosierungsschnecke erfolgt die Skalierung der Pulverversorgung durch Änderung der Winkelverstellung der Dosierungsschnecke pro Zyklus.
  • Die Skalierung erfolgt für jede Bauraum-Grundfläche getrennt.
  • Eine multiplikative Veränderung mit einem Skalierungsfaktor ist jeweils so vorzunehmen, dass die Pulverversorgungsfunktion möglichst klein ist, aber die Pulverbedarfsfunktion an keiner Stelle unterschreitet.
  • Der Skalierungsfaktor kann berechnet werden, indem die Funktionen Q(y) und P(y) an einer großen Anzahl von Stützstellen yi tabelliert werden. Es werden auch die Quotienten P(yi)/Q(yi) mit tabelliert, und zwar nur an allen Orten y, an denen Q(yi) ungleich Null ist. Der Maximalwert dieser Quotienten ist der gesuchte Skalierungsfaktor s. Die skalierte Pulverversorgungsfunktion ist dann s*Q(y).
  • In ist ein Beispiel für Skalierung gezeigt. In diesem Beispiel hat der Vorratsraum ebenfalls die Form des Bauraums 1, ist also trapezförmig. Die Pulverversorgungsfunktion Q(y) und die Pulverbedarfsfunktion P1(y) sind für den Bauraum 1 gleich; hier ist der bestmögliche Zustand bereits erreicht. Die Pulverversorgungsfunktion ist mit der Nummer (102) in dargestellt.
  • Für den Bauraum 2 erfolgt im Beispiel nun die Skalierung der Pulverversorgungsfunktion Q(y) (102) auf die Pulverbedarfsfunktion (103) durch Multiplikation von Q(y) mit einem Faktor s, so dass P2(y) zwar erreicht, aber nie unterschritten wird. Die Funktionswerte Q(yi) und P2(yi) werden tabelliert. Diese sind im Bereich des Mittelplateaus (112) maximal, weil dort P2(y) relativ groß ist. Der Quotient aus den Abszissenwerten im Bereich des Mittelplateaus P2 (108) und Q1 (107) hat in diesem Beispiel einen Wert von 0,8, der Skalierungsfaktor s erhält somit diesen Wert.
  • Der Vorschub des Bodenblocks des Vorratsraums dzv wird im Verglich zum Vorschub für Bauraum 1 um den Faktor s = 0.8 reduziert. Diese Maßnahme ergibt eine skalierte Pulverversorgungsfunktion s*Q(y), welche mit dem Bezeichner (111) dargestellt ist. Die proportionale Herunterskalierung der Funktion (102) in die skalierte Pulverversorgungsfunktion(111) wird symbolisch mit proportionalen Skalierungsfeilen (110) zum Ausdruck gebracht.
  • Eine im Vergleich zur Skalierung noch genauere Anpassung der Form der Pulverversorgungsfunktion an die Pulverbedarfsfunktion kann durch andere, weitergehende Maßnahmen erreicht werden:
    • Beim Einsatz einer Dosierschnecke für die Pulverversorgung besteht ein Weg zur Schaffung einer angenäherten Pulverversorgungsfunktion darin, den Austritt der Dosierschnecke in Y-Richtung gesteuert zu bewegen. In Bereichen mit hohem Funktionswert der Pulverbedarfsfunktion verbleibt der Pulveraustritt der Dosierschnecke länger als in Bereichen mit niedrigem Funktionswert der Pulverbedarfsfunktion.
  • Ein anderer Weg, nämlich die Ausführungsform nach Punkt L besteht in einem Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J, bei dem verschiedene Vorratsraum-Grundflächen konfiguriert werden können.
  • Analog zur Vorgehensweise beim Bauraum können in dieser Ausführungsform verschiedene Vorratsraum-Grundflächen konfiguriert werden, um eine beabsichtigte Pulverversorgungsfunktion zu erreichen.
  • In einer Variante sind die Bauraum-Grundflächen und die Versorgungsraum-Grundflächen dabei gleich, ebenso sind die Vorschübe dzV und dzB. Das hat vorteilhaft zur Konsequenz, dass die Pulverversorgungsfunktion gleich der Pulverbedarfsfunktion ist. In anderen Varianten erfolgt eine Skalierung und die Vorschübe werden entsprechend Punkt M angepasst.
  • Die Überlegungen zur Konfiguration des Bauraums gemäß Punkt A-J sind auf die Konfiguration des Vorratsraums übertragbar. Insbesondere
    • - kann, analog zu Punkt B, aus Spalten des Vorratsraumes herabfallendes Pulver mit einem Pulverauffanggefäß aufgefangen werden,
    • - kann, analog zu Punkt B, dieses Pulverauffanggefäß das einzige Pulverauffanggefäß am Beschichter sein,
    • - kann, analog zu Punkt D oder E die Konfiguration durch Vorratsraum-Passtücke erfolgen,
    • - können, analog zu Punkt G, verschiedene Formen des Vorratsraumbodenblocks durch an einem Vorratsraum-Bodenkern befestigte Vorratsraumboden-Passstücke konfiguriert werden,
    • - kann, analog zu Punkt I, es sich bei mindestens einem der Vorratsraum-Passstücke und einem der Vorratsraumboden-Passstücke um dasselbe Teil handeln.
  • Ein Beispiel ist in gezeigt. In der oberen Bildhälfte ist der Bauraum 1 (31a) und der Vorratsraum 1 (2a) mit Hilfe des Vorratsraum-Passstücks 1 (38a) konfiguriert, in der unteren Bildhälfte dagegen ist der Bauraum 2 (31b) und der Vorratsraum 2 (2b) mit Hilfe des Vorratsraum-Passstücks 2 (38b) konfiguriert.
  • Ein verkleinerter Vorratsraum sollte möglichst nicht zentriert in der Mitte des größeren Vorratsraums angeordnet werden, sondern möglichst nahe zum Bauraum hin. Das hat den Vorteil, dass der Zyklus-Startpunkt der Rakel weiter zum Bauraum hin verlegt werden kann und somit die Fahrbereichsfläche (18a bzw. 18b) weiter reduziert wird. Dadurch reduziert sich der Fahrweg und bei angenommener konstanter Fahrgeschwindigkeit die Fahrzeit der Rakel, so dass der Bauprozess vorteilhaft insgesamt schneller wird.
  • Ein Beschichter mit konfigurierbarem Vorratsraum kann unter Umständen vereinfacht werden. Das ist dann der Fall, wenn, wie In Punkt M zusammengefasst, bei einem Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J oder L, die Pulverbedarfsfunktionen von mindestens zwei Bauraums-Grundflächen im Verhältnis zueinander konstant sind.
  • Immer wenn die Pulverbedarfsfunktionen von mindestens zwei Bauraum-Grundflächen im Verhältnis zueinander konstant sind kann eine der Konfigurationen der Vorratsraum-Grundfläche eingespart werden.
  • Falls nämlich die Pulverbedarfsfunktionen von zwei Bauraum-Grundflächen im Verhältnis zueinander konstant sind, ist es ausreichend, wenn nur eine der beiden Bauraum-Grundflächen als entsprechende Vorratsraum-Grundfläche realisiert wird.
  • Die Pulverversorgung bei Konfiguration der anderen Bauraum-Grundflächen kann mit Hilfe der gleichen Vorratsraum-Grundfläche durch Skalierung des Vorschubs dzV im Verhältnis der beiden Pulverbedarfsfunktionen gewonnen werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in dargestellt:
    • • Die Bauraum-Grundfläche 1 (3a) ist kreisförmig,
    • • Die Bauraum-Grundfläche 2 (3b) ergibt sich aus der Bauraum Grundfläche 1 durch Halbierung des Kreises mit einem Schnitt in Y-Richtung. Die Pulverbedarfsfunktion der Bauraum-Grundfläche 2 ist halb so groß wie die von Bauraum-Grundfläche 1. Die Konfigurierung geschieht mit Hilfe eines halbkreisförmigen Passstücks 1.
    • • Die Bauraum-Grundfläche3 (3c) ergibt sich aus der Bauraum Grundfläche 2 durch lineare Stauchung in X-Richtung mit dem Faktor 0.5. Die Pulverbedarfsfunktion von Bauraum-Grundfläche 2 ist also ein viertel so groß wie die von Bauraum-Grundfläche 1. Die Konfigurierung geschieht mit einem sichelförmigen Bauraum-Passstück 2 (31 b) zusätzlich zu Bauraum-Passstück 1.
  • Also sind alle drei Pulverbedarfsfunktionen in ihrem Verhältnis zueinander konstant. Entsprechend fallen zwei Konfigurationen für die Vorratsraum-Grundfläche weg. Die Zahl der Vorratsraum-Grundflächen reduziert sich von 3 auf 1.
  • Damit ist vorteilhaft kein Vorratsraum-Passstück notwendig. Es reicht bereits eine Vorratsraum-Geometrie aus. Die im Beispiel realisierte Vorratsraum-Grundfläche entspricht der Bauraum-Grundfläche drei. Die Konfiguration 2 zur Bauraum-Grundfläche 2 wird mit einer Verdoppelung des Vorschubs dzV betrieben, die Konfiguration 1 zur Bauraum-Grundfläche 1 wird mit einer Vervierfachung des Vorschubs dzV.
  • Übertragung der Überlegungen zur Pulverversorgung auf eine kreisförmige Bewegung der Rakel
  • Die Überlegungen sind auch im Falle einer kreisförmigen Bewegung der Rakel anstelle einer Linearbewegung anwendbar. Wir übertragen dann die Überlegungen in ein nicht-kartesisches Koordinatensystem, dessen Ursprung der Mittelpunkt der Rakelbewegung ist. Wir definieren eine X-Koordinate als azimutale Winkelkoordinate in diesem Koordinatensystem, eine Y-Koordinate als entsprechende radiale Koordinate. Die Z-Koordinate bleibt unverändert die senkrechte Richtung. Die Pulverversorgung findet dann längs kreissektor-förmiger Bogenstücke statt anstelle von Linien. Entsprechend müssen die Weglängen X im Bauraum zur Pulverabgabe und die im Vorratsraum zur Pulveraufnahme als Winkel am Mittelpunkt der Drehbewegung gemessen werden.
  • Ein Beispiel ist in dargestellt. Die X-Koordinate ist die Winkelkoordinate (24), gemessen am Mittelpunkt der Drehbewegung. Die Y-Koordinate ist die radiale Koordinate (25), gemessen ebenfalls vom Mittelpunkt der Drehbewegung. Der Dreh-Versteller ist mit der Ziffer 55 eingezeichnet. Der Bauraum hat eine Winkelausdehnung X1 (57), der Vorratsraum hat eine Winkelausdehnung X2 (58). Im Beispiel sind beide Winkelausdehnungen gleich groß, die Vorschübe dZV und dZB ebenfalls gleich groß, so dass die Pulverversorgungsfunktion Q(Y) und die Pulverbedarfsfunktion P(Y) gleich sind. Beide Funktionen sind Rechtecksfunktionen, welche zwischen den Radius-Werten Y1 (58) und Y2(59) einen konstanten, von Null verschieden Wert aufweisen, nämlich das Produkt aus der Winkelausdehnung X1 und dem Vorschub dzV.
  • Zahlenbeispiel zur Quantifizierung der Vorteile der Erfindung
  • Die wichtigsten Vorteile der Erfindung werden dadurch erreicht, dass möglichst wenig Pulver in das Pulverüberlaufgefäß gelangt.
  • Investitionskosten
  • Hierzu ein Beispiel:
    • Der Bauraum 1 einer Anlage habe ein Volumen von 100*100*20 mm, der Bauraum 2, der bei Verwendung der Erfindung konfiguriert werden kann, habe ein Volumen von 15*15*20 mm. Wenn der Anwender nicht den kompletten Bauraum 1 mit Goldpulver füllen muss, sinkt sein Investitionsbedarf.
  • Wenn ein Bauraum vom (X*Y*Z) von beispielsweise 100mm *100mm *20 mm für den Einsatz von Goldpulver 15mm*15mm*20mm reduziert wird, so sinkt der Investitionsbedarf von Goldpulver von 200 cm3 auf 4,5 cm3, also um ca. 98%. Die eingesparten ca. 195,5 cm3 Goldpulver haben einen Markpreis von ca. EUR 100.000 (Stand September 2018).
  • Laufende Kosten
  • Auch die Substratplatte, welche aus dem gleichen Material (im Beispiel Gold) sein muss, verkleinert sich entsprechend, hier von 100 cm2 auf 2,25 cm2. Während das Pulver nach dem Aussieben wiederverwendet werden kann, sind die Substratplatten nach dem Abtrennen des Formkörpers nicht mehr brauchbar und werden entsorgt oder zur Materialwiederverwertung gegeben. Der Neukauf oder Wiederankauf von wiederaufbereiteten Platten ist teuer (hohe Preisdifferenz). Die Kosten werden bei Verwendung kleinerer Substratplatten erheblich gesenkt.
  • Teilweise wird, nach Stand der Technik, auch das Pulver aus dem Pulverüberlaufgefäß vollständig entsorgt oder einem Wiederverwertungsbetrieb zugeführt, um nur Pulver höchster Qualität zu verarbeiten. Dann bezieht sich die hohe Preisdifferenz auch auf das Pulver im Bereich der laufenden Kosten. Das erhöht die laufenden Kosten zusätzlich. Entsprechend groß ist das Einsparpotential.
  • Die laufenden Kosten sinken ferner durch den geringeren Lagerbestand von unter Sauerstoffausschluss zu lagerndem Pulver und wegen des geringeren Diebstahl-Risikos.
  • Geschwindigkeit des Bauprozesses
  • Der Zeitbedarf für einen Bauprozess setzt sich im Wesentlichen aus der Bestrahlungszeit und den Fahrzeiten für die Rakel und für die Bodenblöcke des Bauraums und ggf. des Versorgungsraums zusammen. Hierzu ein Beispiel in drei Schritten:
    1. 1. Die Bauraum-Grundfläche und die Vorratsraum-Grundfläche einer Anlage seien jeweils 100mm*100mm. Ein quaderförmiges Formteil aus Stahl der Größe (X*Y*Z) 95mm*95mm*15mm soll in Schichten von 25µm gebaut werden. Im inneren des Bauteils wird eine Wabenstruktur gebaut. Die Bestrahlungszeit für eine Schicht beträgt (limitiert durch die Leistung des Lasers) 20 Sekunden. Die Bewegungsstrecke der Rakel sei 18 cm. Die Zeit für die primäre und sekundäre Bewegung der Rakel über diese Strecke beträgt insgesamt 4 Sekunden. Der Bodenblock des Vorratsraums wird während der Bestrahlungszeit angehoben. Der Bodenblock des Bauraums wird gleichzeitig mit der sekundären Bewegung der Rakel abgesenkt. ->Pro Zyklus wird eine Zeit von 24 Sekunden benötigt. Die Zahl der Schichten beträgt 800. Die Bauzeit insgesamt beträgt 5 h 20 min.
    2. 2. In dieser Anlage werde ein zweites quaderförmiges Formteil der Größe 10mm*10mm*15mm, ebenfalls mit Wabenstruktur, gebaut. ->Die Bestrahlungszeit für eine Schicht verkürzt sich proportional zur bestrahlenden Fläche von 22 Sekunden auf 22*(95*95)/(10*10)=0,221 Sekunden. Die Zeit für die primäre und sekundäre Bewegung der Rakel über die unveränderte Strecke von 18 cm bleibt bei 4 Sekunden. Somit wird pro Zyklus eine Zeit von 4,221 Sekunden benötigt. Die Bauzeit beträgt insgesamt 56 min 17 sec.
    3. 3. Nun werde das zweite Formteil mit einem erfindungsgemäßen Beschichter nach Punkt C und Punkt D gebaut, in einer Konfiguration mit einer Bauraum-Grundfläche von 15mm*15mm und einer Vorratsraum-Grundfläche von ebenfalls 15mm*15mm. Der Vorratsraum und der Bauraum haben einen Abstand von 10mm. Das Bauraum-Passstück hat einen Spalt, so dass das Pulver direkt in ein Pulverauffanggefäß nach Punkt 2 fällt. Der Fahrweg der Rakel verkürzt sich auf 5,0 cm. -> Die Bestrahlungszeit für eine Schicht liegt wie unter (2) bei 0,221 Sekunden. Die Zeit für die primäre und sekundäre Bewegung der Rakel über die verkürzte Strecke von 5cm verkürzt sich auf 1,111 Sekunden. Somit wird pro Zyklus eine Zeit von 1,332 Sekunden benötigt. Die Bauzeit beträgt dann insgesamt 17 min 46 sec anstelle von 56 min 17 sec infolge eingesparter Zeiten zur Bewegung der Rakel.
  • Die Erfindung führt zu einer erheblich verkürzten Bauzeit bei kleinen Baufeldern. Dies geschieht selbst dann, wenn, wie im Beispiel, bei voller Ausnutzung des Baufeldes nicht die Bewegungszeit für die Rakel, sondern die Leistung des Lasers die Bestrahlungszeiten limitiert.
  • Die Einsparung im Beispiel beträgt fast 40 Minuten. Dazu kommen noch einmal ca. 3 Minuten Zeitersparnis bei einer manuellen Tätigkeit, weil nämlich die Pulvermenge die manuell ausgesiebt werden muss, um 98 % reduziert ist.
  • Anhang 1: Zusammenfassung wichtiger Schritte der erfindungsgemäßen Überlegungen
    1. A Beschichter für SLM oder SLS, bei welchem verschiedenen Bauraum-Grundflächen konfiguriert werden können
    2. B Beschichter nach Punkt A, bei dem durch Spalten eines konfigurierten Bauraums herabfallendes Pulver in einem Pulverauffanggefäß gesammelt wird
    3. C Beschichter nach Punkt B, bei dem es sich bei dem Pulverauffanggefäß um das einzige aktive Pulverauffanggefäß am Beschichter handelt
    4. D Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-C,
      • - welcher einen Bauraumausschnitt aufweist, dessen Grundfläche größer als die des größten Bauraums ist und
      • - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passstücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen
    5. E Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-C,
      • - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passtücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen
      • - bei dem zur Konfiguration des größten Bauraums kein Passstück eingesetzt wird
    6. F (außerhalb der Systematik) Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-E,
      • - wobei der Beschichter einen Bodenblock aufweist, welcher mit dem größten Bauraum eine eng schließende Bauraumeinheit bildet und
      • - je ein auf den Bodenblock aufgesetztes Bauraumboden-Passstück mit einem der verbleibenden Bauräume eine eng schließende Bauraumeinheit bildet
    7. G Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-E, wobei
      • - der Beschichter einen Bauraum-Bodenkern aufweist und
      • - verschiedene Formen des Bodenblocks des Bauraums durch Bauraumboden-Passstücke konfiguriert werden können welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Bauraum-Bodenkern fest stehen
    8. H Beschichter nach Punkt G,
      • - bei dem der Bauraum-Bodenkern mit dem kleinsten Bauraum eine eng schließende Bauraumeinheit bildet
    9. I Beschichter nach Punkt G oder H, wobei es sich bei mindestens einem der Bauraum-Passstücke und einem der Bauraumboden-Passstücke um dasselbe Teil handelt
    10. J Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-I, wobei mindestens eine der Bauraum-Grundflächen der Geometrie eines Formkörpers von bestimmender Größe angepasst ist
    11. K Skalierung der Pulverversorgung je nach Bauraum, anzuwenden bei einem Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J.
    12. L Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J, bei dem verschiedene Vorratsraum-Grundflächen konfiguriert werden können
    13. M Beschichter nach einem oder mehreren der Punkte A-J oder L, bei dem die Pulverbedarfsfunktionen von mindestens zwei Bauraums-Grundflächen im Verhältnis zueinander konstant sind
  • Figurenliste
    • : Beschichter nach dem Stand der Technik
    • : Grundrahmen, Vorratsraum, Bauraum und Fahrbereichsfläche nach Stand der Technik
    • : Grundrahmen, Vorratsraum, Bauräume, Bauraum-Passtücke entsprechend Punkt D
    • : Beispiel zur Ausführungsform nach Punkt C
    • : Beispiel für einen Bauraum entsprechend Punkt E
    • : Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt G und Punkt E
    • : Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt F und Punkt E
    • : Beispiel für eine Bauraumeinheit entsprechend Punkt I, Punkt H und Punkt E
    • : Beispiel zur Ermittlung der angepassten Form
    • : Beispiel für eine Pulverbedarfsfunktion
    • : Beispiel Skalierung der Pulverversorgungsfunktion
    • : Beispiel für einen Grundrahmen entsprechend Punkt L, Punkt D und Punkt C
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    oberste Pulverschicht im Bauraum
    2
    Vorratsraum
    3,3a,3b,3c
    Bauraum
    4
    Bodenblock des Vorratsraums
    5
    Bodenblock des Bauraums
    6
    pulverförmiger Werkstoff, schraffiert dargestellt
    7
    Pulveransammlung
    8
    Rakel
    9
    Beschichter
    10
    Grundrahmen
    11
    Pulverüberlaufgefäß
    12
    Substratplatte
    13a, 13b
    Schnittebene
    14
    ein Formkörper oder mehrere Formkörper
    15
    primäre Bewegung der Rakel
    18
    Fahrbereichsfläche
    24
    X-Dimension
    25
    Y-Dimension
    26
    Z-Dimension
    30
    Bauraumausschnitt
    31, 31a, 31b, 31c
    Bauraum-Passstück
    33
    absichtlicher Spalt
    34
    bevorzugte Befestigungszone am Bauraum-Passstück
    38a, 38b
    Vorratsraum-Passstück
    40
    Winkelkonstruktion
    41
    Aufhängehakenkonstruktion
    42
    Linearversteller mit Motor
    43
    Pulverfalle
    44
    Bauraum-Bodenkern
    48
    herabfallendes Pulver
    49
    kombiniertes Pulverauffang- und Pulverüberlaufgefäß
    50
    Halter gegen Abrutschen des Bauraum-Passstücks
    51
    Kompensationsteil
    52
    Linien für die Durchzeichnung zwischen Seitenansicht und Aufsicht
    55
    Dreh-Versteller für die Rakel
    56
    Winkelbereich des Vorratsraumes
    57
    Winkelbereich des Bauraums
    58
    Radiuswert Y1
    59
    Radiuswert Y2
    60, 60a
    Bauraumboden-Passstück
    61
    Halter gegen Abrutschen des Bauraumboden-Passstücks
    71
    Höhe des Bauraums
    72
    halbe Höhe des Bauraums
    73
    Schraubverbindung
    80
    Doppelfunktionspassstück
    81
    Elektromagnet, inaktiv
    82
    Elektromagnet, aktiv
    90
    Umriss-Zeichnung
    91
    Linie
    92
    Bogenstück
    93
    Endpunkt einer Linie oder eines Bogenstücks
    100
    Bauraum-Grundfläche 1
    101
    Bauraum-Grundfläche 2
    102
    Pulverversorgungsfunktion zur Bauraum-Grundfläche 1
    103
    Pulverversorgungsfunktion zur Bauraum-Grundfläche 2
    104
    Koordinatensystem: nach rechts Y, nach oben die Pulverbedarfsfunktion
    105
    Länge des Bauraums 2 am Ort y0
    106
    Ort y0
    107
    Funktionswert Q1
    108
    Funktionswert P1
    110
    Skalierungspfeile
    111
    skalierte Pulverversorgungsfunktion
    112
    Mittelplateau

Claims (10)

  1. Beschichter für SLM oder SLS, bei welchem verschiedenen Bauraum-Grundflächen konfiguriert werden können
  2. Beschichter nach Anspruch 1, bei dem durch Spalten eines konfigurierten Bauraums herabfallendes Pulver in einem Pulverauffanggefäß gesammelt wird.
  3. Beschichter nach Anspruch 1 oder 2, - welcher einen Bauraumausschnitt aufweist, dessen Grundfläche größer als die des größten Bauraums ist und - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passstücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen
  4. Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, - bei dem die Konfiguration durch Bauraum-Passtücke erfolgt, welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Grundrahmen des Beschichters fest stehen - bei dem zur Konfiguration des größten Bauraums kein Passstück eingesetzt wird
  5. Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, wobei - der Beschichter einen Bauraum-Bodenkern aufweist und - verschiedene Formen des Bodenblocks des Bauraums durch Bauraumboden-Passstücke konfiguriert werden können welche in bestimmungsgemäßer Einbaulage relativ zum Bauraum-Bodenkern fest stehen.
  6. Beschichter nach Anspruch 5, - bei dem der Bauraum-Bodenkern mit dem kleinsten Bauraum eine eng schließende Bauraumeinheit bildet
  7. Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei mindestens eine der Bauraum-Grundflächen der Geometrie eines Formkörpers von bestimmender Größe angepasst ist.
  8. Skalierung der Pulverversorgung je nach Bauraum, anzuwenden bei einem Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7.
  9. Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, bei dem verschiedene Vorratsraum-Grundflächen konfiguriert werden können.
  10. Beschichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7 oder 9, bei dem die Pulverbedarfsfunktionen von mindestens zwei Bauraums-Grundflächen im Verhältnis zueinander konstant sind.
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