DE102018106706A1

DE102018106706A1 - Vorrichtung zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102018106706A1
Application number: DE102018106706.2A
Authority: DE
Inventors: Raimund Volk
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Eine Vorrichtung 2 zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen weist ein Materialreservoir 4 zur Aufnahme eines mittels einer Schmelzeinrichtung schmelzbaren pulverförmigen Metallmateriales, wobei das Material in dem Materialreservoir ein Pulverbett 6 bildet, und Bearbeitungmittel zum Bearbeiten der Oberfläche des Pulverbetts auf. Erfindungsgemäß sind Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 vorgesehen, die derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass die dreidimensionale Topographie der Oberfläche durch Gewinnung von Oberflächentiefeninformation der Oberfläche ermittelbar ist oder ermittelt wird, wobei die Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 derart in Signalübertragungsverbindung mit den Bearbeitungmitteln stehen, dass die Oberfläche des Pulverbetts in Abhängigkeit von die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 repräsentierenden Ausgangssignalen der Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 durch die Bearbeitungmittel bearbeitbar ist oder bearbeitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen.
Derartige Vorrichtungen, die auch als 3D-Drucker bezeichnet werden, sind allgemein bekannt und dienen dazu, dreidimensionale Werkstücke aufzubauen. Der Aufbau der Werkstücke erfolgt schichtweise computergesteuert unter Verwendung wenigstens einen pulverförmigen metallischen Werkstoffs. Zum Aufbau einer dreidimensionalen Struktur finden physikalische Schmelzprozesse statt. Die Vorrichtungen sind insbesondere zum Bilden komplexer geometrischer Strukturen geeignet.
Die bekannten Vorrichtungen weisen ein Materialreservoir zur Aufnahme eines Schmelzen eines schmelzbaren pulverförmigen Metallmateriales auf, wobei das Material in dem Materialreservoir ein Pulverbett bildet und mittels einer Schmelzeinrichtung selektiv entsprechend dem Querschnitt des zu generierenden Bauteils geschmolzen wird.
Ferner weisen die bekannten Vorrichtungen ein Abziehelement zum Formen der Oberfläche des Pulverbetts auf, wobei das Abziehelement nach Art einer Rakel ausgebildet ist und eine Abziehkante definiert. Das Abziehelement ist an einem beweglichen Träger angeordnet, wobei der Träger derart ausgebildet ist, dass die Abziehkante zum Abziehen der Oberfläche des Pulverbetts relativ zu derselben in einer Abziehebene beweglich ist.
Während der Fertigung eines Bauteiles wird die Oberfläche des Pulverbetts vor der Durchführung eines Schmelzvorganges mittels des Abziehelementes geglättet. Daran anschließend wird das pulverförmige Metallmaterial mittels der Schmelzeinrichtung, die beispielsweise durch einen Laser gebildet ist, selektiv geschmolzen entsprechend dem Querschnitt des zu fertigenden Bauteils.
Nach einem entsprechenden Schmelzvorgang wird zur Vorbereitung eines darauffolgenden Schmelzvorganges erneut eine Pulverschicht aufgetragen, indem zusätzliches Pulver in das Materialreservoir eingebracht und mittels des Abziehelementes entlang der Oberfläche des Pulverbetts verteilt und geglättet wird. Damit sich während des Fertigungsvorganges die Oberfläche des Pulverbetts stets in derselben Ebene befindet, der selektive Schmelzvorgang sich also ebenfalls stets in ein und derselben Ebene vollzieht, ist das Bauteil zusammen mit dem Materialreservoir an einer Halterung angeordnet, die senkrecht zur Oberfläche des Pulverbetts beweglich ist. Die Halterung mit dem Bauteil und dem Pulverbett wird nach jedem Schmelzvorgang um einen Betrag absenkt, der der Dicke der in dem Schmelzvorgang generierten Metallschicht entspricht.
Vorrichtungen zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen sind beispielsweise durch DE 195 33 960 A1 und DE 10 2014 222 159 A1 bekannt.
Durch EP 2 942 130 A1 ist eine Vorrichtung zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Beim Aufbau von Werkstücken aus Metall wird als umformbares Material ein Metall insbesondere in Pulverform verwendet, das in einen Materialreservoir aufgenommen ist. Das Metallpulver bildet ein Pulverbett, das entsprechend dem zu bildenden Werkstück bzw. der zu bildenden dreidimensionalen Struktur mit einem Laser oder einer anderen Schmelzeinrichtung bestrahlt wird. Durch die Laserstrahlung wird das Material selektiv geschmolzen, wobei sich beim Erstarren des geschmolzenen Materiales das gewünschte Werkstück bzw. die gewünschte dreidimensionale Struktur schichtweise bildet. Nach dem Schmelzen und Erstarren einer Schicht ist es erforderlich, zur Vorbereitung der nächsten Schicht wieder ein Pulverbett mit für den nachfolgenden Schmelzvorgang geeigneter, insbesondere gleichmäßiger Oberfläche zu schaffen. Zum Glätten und Vergleichmäßigen der Oberfläche kann insbesondere ein Werkzeug nach Art einer Rakel verwendet werden, das über die Pulveroberfläche geführt wird.
Die Erfindung löst sich von dem der EP 2 942 130 A1 zugrundeliegenden Gedanken, mittels einer Messvorrichtung die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des schichtweise erzeugten Werkstücks zu vermessen, um auf diese Weise Defekte an dem Werkstück zu erkennen
Der Erfindung liegt vielmehr der Gedanke zugrunde, die Funktionssicherheit und Funktionsgenauigkeit der Vorrichtung dadurch zu verbessern, dass auf insbesondere optischem Wege die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts, also dessen dreidimensionale Struktur, in einem Inprozess-Verfahren ermittelt wird und in Abhängigkeit von dem Ergebnis mittels der Oberflächenbearbeitungsmittel die Oberfläche des Pulverbetts bearbeitet, insbesondere geglättet oder strukturiert wird. Sofern bei der Ermittlung der Topographie der Oberfläche festgestellt wird, dass eine hinreichend gleichmäßige und für einen anschließenden Schmelzvorgang geeignete Oberfläche vorliegt, so kann der Schmelzvorgang entsprechend ausgeführt werden. Falls eine entsprechende Oberfläche nicht vorliegt, kann die Oberfläche in der erforderlichen Weise bearbeitet, beispielsweise strukturiert, insbesondere geglättet werden.
Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ex post Fehler an den Schichten des Werkstücks detektiert werden, kann bei der Erfindung ex ante, also vor einem Schmelzvorgang, die Oberfläche des Pulverbetts so bearbeitet werden, dass von einer nicht geeigneten, insbesondere ungleichmäßigen Oberfläche des Pulverbetts herrührende Fehler bei der Generierung des Bauteils von vornherein vermieden werden.
Auf diese Weise ist die Funktionssicherheit und Funktionsgenauigkeit einer entsprechenden Vorrichtung wesentlich verbessert.
Die Erfindung ermöglicht damit eine Inprozess- Kontrolle und ggf. -Bearbeitung der Qualität der Pulverbettoberfläche während des des laufenden Herstellungsprozesses. Bei Verwendung entsprechender Messverfahren ermöglicht die Erfindung eine Erkennung auch kleiner kontrastarmer Oberflächenabweichungen sowie eine hohe Messgenauigkeit.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Einsatz entsprechender Messverfahren eine hohe laterale Auflösung und eine hohe Messgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Entsprechend den jeweiligen Anforderungen kann die Oberfläche des Pulverbetts durch die Bearbeitungsmittel in beliebiger Weise bearbeitet, beispielsweise strukturiert, insbesondere geglättet werden, um eine für den nachfolgenden Schmelzvorgang geeignete Oberfläche bereitzustellen.
Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts in der Vorrichtung fest installiert und steuerungstechnisch in eine Steuerungseinrichtung der Vorrichtung eingebunden, wie dies eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht. Unter eine steuerungstechnischen Einbindung in eine Steuerungseinrichtung der Vorrichtung wird erfindungsgemäß verstanden, dass Vorgänge in der Vorrichtung in Abhängigkeit von der erfindungsgemäß vorgesehenen Topographie-Ermittlung erfolgen. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein Schmelzvorgang während eines schichtweisen Aufbaus eines metallischen Bauteiles erst dann freigegeben oder ausgelöst wird, wenn die erfindungsgemäß vorgesehene Topographieermittlung ergeben hat, dass die Oberfläche des Pulverbetts für die einwandfreie Durchführung des Schmelzvorganges hinreichend glatt ist oder nach der Messung durch die Bearbeitungsmittel geglättet worden ist. Die steuerungstechnische Einbindung kann beispielsweise auch so ausgestaltet sein, dass der Schmelzvorgang unterbunden und/oder ein Fehlersignal ausgegeben wird, wenn die Topographieermittlung ergibt, dass die Oberfläche des Pulverbetts für eine einwandfreie Durchführung des Schmelzvorganges nicht hinreichend glatt oder eben ist.
Die Ermittlung der Topographie der Oberfläche kann nach einem beliebigen geeigneten Funktions- oder Messprinzip erfolgen, wobei beispielsweise und insbesondere aus der Fertigungsmesstechnik bekannte Messverfahren eingesetzt werden können, beispielsweise eine pneumatische Abstandsmessung nach DIN2271 oder eine Laufzeitmessung von Schall oder Licht. Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäß optische Messverfahren, die berührungslos arbeiten, schnell durchführbar sind und eine hohe Messgenauigkeit haben. In diesem Sinne sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts optische Mittel aufweisen, die derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts durch Gewinnung von Oberflächentiefeninformationen ermittelbar ist oder ermittelt wird. Hierbei können beliebige geeignete optische Messverfahren verwendet werden, beispielsweise eine Abstandsmessung mit einem konfokal chromatischen Abstandssensor, eine Musterprojektion sowie beispielsweise auch Verfahren der Weißlichtinterferometrie und Deflektrometrie.
Um den Schmelzvorgang schnell, einfach und präzise ausführen zu können, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Schmelzeinrichtung wenigstens einen Laser und/oder wenigstens eine Elektronenstrahlschmelzeinrichtung aufweist, dessen Laserstrahl bzw. deren Elektronenstrahl gesteuert durch eine Steuerungseinrichtung zum selektiven Schmelzen des pulverförmigen Materiales entlang der Oberfläche des Pulverbetts beweglich und in seiner Intensität veränderbar ist.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Oberflächenbearbeitungsmittel wenigstens eine Glättungseinrichtung zum Glätten der Oberfläche des Pulverbetts aufweisen. Die Ausgestaltung einer entsprechenden Glättungseinrichtung ist dem Fachmann für sich genommen allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts zur Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet und eingerichtet und weisen wenigstens eine 3D-messfähige Messvorrichtung auf. Bei dieser Ausführungsform wird die Topographie der Oberfläche durch Vermessung derselben ermittelt.
Bei der vorgenannten Ausführungsform können beliebige geeignete Messvorrichtungen bzw. Messverfahren verwendet werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Messvorrichtung als optische Messvorrichtung ausgebildet ist oder eine optische Messvorrichtung aufweist. Entsprechende Messvorrichtungen ermöglichen berührungslos mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit eine Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts und sind damit zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche besonders geeignet.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die optische Messvorrichtung wenigstens einen optischen Sensor aufweist, der mit einer Auswertungseinrichtung in Datenübertragungsverbindung steht, die derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass aus den Ausgangssignalen des Sensors mittels eines 3D-Rekonstruktionsvefahrens die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts rekonstruierbar ist oder rekonstruiert wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein Sensor verwendet, dessen Ausgangssignale eine 3D-Rekonstruktion der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts ermöglichen.
Erfindungsgemäß kann ein relativ zu dem Materialreservoir und damit zu dem Pulverbett ortsfester Sensor verwendet werden, der das Pulverbett beispielsweise linienförmig oder entlang mehrerer Linien erfasst, insbesondere in Bereichen, die sich hinsichtlich einer Glättung als besonders problematisch erweisen. Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der optische Sensor für eine Abtastung der Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine vollständige und lückenlose Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts ermöglicht. Dadurch ist die Funktionssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der optische Sensor an einem relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts beweglichen Träger angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.
Als Sensoren können bei der Ausführungsform mit dem optischen Sensor beliebige geeignete Sensoren verwendet werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass der optische Sensor als Zeilensensor ausgebildet ist und eine zeilenförmige Anordnung von Sensorelementen aufweist. Entsprechende Zeilensensoren stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung und ermöglichen eine hohe Messgenauigkeit. Insbesondere können Zeilensensoren verwendet werden, unter Umständen mit integrierter Beleuchtungseinrichtung, wie sie von Flachbettscannern allgemein bekannt ist.
Eine Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Träger sieht vor, dass der Träger relativ zu dem Materialreservoir linear beweglich ist. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der beweglichen Teile.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Träger relativ zu dem Materialreservoir drehbeweglich, insbesondere scheibenwischerartig.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Pulverbetts wenigstens in einem von dem Sensor erfassten Bereich vor.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Beleuchtungseinrichtung für eine Beleuchtung der Oberfläche des Pulverbetts unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln ausgebildet und eingerichtet ist und dass die Auswertungseinrichtung für eine Auswertung von bei Beleuchtung unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln enthaltenen Ausgangssignalen des optischen Sensors nach dem Shape-from-Shading-Verfahren ausgebildet und eingerichtet ist. Das Shape-from-Shading-Verfahren ist allgemein bekannt und ermöglicht auf relativ einfachem Wege eine Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der optische Sensor für eine Betrachtung einer Messstelle an der Oberfläche des Pulverbetts unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln ausgebildet und eingerichtet ist. Auf diese Weise ist die Ermittlung der Topographie auf besonders einfachem Wege mit geeigneten 3D-Rekonstruktionsverfahren ermöglicht. Dabei kann die Betrachtung einer Messstelle unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln dadurch erfolgen, dass der Sensor relativ zu einer bzw. jeder Messstelle bewegt und in jeder Position die Messstelle betrachtet bzw. abgebildet wird. Es ist jedoch auch möglich, jede Messstelle durch Einzeldetektoren eines optischen Sensors unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln zu betrachten. Hierzu bietet sich insbesondere ein Zeilensensor an, wobei jede Messstelle von zwei Einzeldetektoren des Zeilensensors unter unterschiedlichen Winkeln betrachtet und die Ausgangssignale der Detektoren entsprechend ausgewertet werden.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Auswertungseinrichtung für eine Auswertung von Ausgangssignalen des optischen Sensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist. Das Stereo-Triangulationsverfahren ermöglicht auf schnelle und hochpräzise Weise die Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts.
Erfindungsgemäß sind jedoch auch andere optische Messverfahren verwendbar. So sieht eine alternative Ausführungsform vor, dass der optische Sensor als punktförmig messender Abstandssensor ausgebildet ist und die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts durch Ermittlung des Abstandes zwischen dem Sensor und der Oberfläche an der jeweiligen von dem Sensor erfassten Messstelle ermittelt wird.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor mit der Beleuchtungseinrichtung zu einer Sensor/Beleuchtungseinheit integriert ist. Entsprechende Sensor/Beleuchtungseinheiten stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbaugruppen zur Verfügung. Insbesondere können Sensor/Sensorbeleuchtungseinheiten verwendet werden, wie sie von Flachbettscannern bekannt sind. Im Unterschied zu der Anwendung bei Flachbettscannern, bei denen ausschließlich ein Bild eines zu scannenden Objektes erzeugt wird, können bei der Verwendung einer entsprechenden Sensor/Beleuchtungseinheit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich zu einem Bild auch Oberflächentiefenformationen gewonnen werden, indem beispielsweise, wie oben ausgeführt, jede Messstelle an der Oberfläche des Pulverbetts mittels wenigstens zwei Einzeldetektoren des Zeilensensors unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln betrachtet wird und die Ausgangssignale der Einzeldetektoren entsprechend ausgewertet werden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensor/Beleuchtungseinheit an dem Träger angeordnet ist.
Sofern die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des nach dem Aufbringen einer neuen Pulverschicht und dem Glätten der Oberfläche des Pulverbetts vermessen wird, so kann durch die Auswertungseinrichtung beispielsweise festgestellt werden, ob die Oberfläche des Pulverbetts in der erforderlichen Weise eben bzw. glatt ist. Falls demgegenüber die Topographie der Oberfläche nach einem Schmelzvorgang und vor dem Aufbringen einer neuen Pulverschicht ermittelt wird, so enthalten die der Auswertungseinrichtung übermittelten Ausgangssignale des insbesondere optischen Sensors in den Bereichen, in denen die Oberfläche durch geschmolzenes und erstarrtes Metall gebildet wird, eine Information über die betreffende Querschnittsfläche des zu fertigenden Bauteils. Dementsprechend sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Auswertungseinrichtung für eine Prüfung und/oder Vermessung einer durch Aufschmelzen des Pulvers gebildeten Querschnittsfläche des zu fertigenden Bauteils anhand der Ausgangssignale des optischen Sensors ausgebildet und eingerichtet ist.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die für sich genommen in Kombination mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 auch ohne die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 eine eigenständige erfinderische Bedeutung besitzt, sieht vor, dass die Oberflächenbearbeitungmittel wenigstens ein Abziehelement zum Formen der Oberfläche des Pulverbetts aufweisen, wobei das Abziehelement nach Art einer Rakel ausgebildet ist und eine Abziehkante definiert, wobei das oder jedes Abziehelement an einem beweglichen Träger angeordnet ist und wobei der Träger derart ausgebildet ist, dass die Abziehkante zum Abziehen der Oberfläche des Pulverbetts relativ zu derselben in einer Abziehebene beweglich ist, wobei das oder jedes Abziehelement entlang einer zu der Abziehebene senkrechten Verstellachse relativ zu dem Träger verstellbar an demselben angeordnet ist zur Einstellung einer Abziehposition der Abziehkante, wobei die Abziehposition relativ zu dem Träger während des Abziehvorganges wenigstens phasenweise fest oder entsprechend einer hochfrequenten Schwingung um eine Nulllage veränderlich ist und wobei der Verstellachse eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist.
Der Grundgedanke dieser Ausführungsform besteht darin, die Vorrichtung so auszugestalten, dass die Oberfläche des Pulverbetts entsprechend einer gewünschten Topographie geformt werden kann, um damit gezielt Prozessparameter des Fertigungsverfahrens beeinflussen zu können. Dieser Grundgedanke wird erfindungsgemäß dadurch verwirklicht, dass das oder jedes Abziehelement relativ zu dem Träger senkrecht zu der Abziehebene beweglich ist.
Durch Verstellung der Position der Abziehkante entlang der Verstellachse kann die Oberfläche des Pulverbetts bei jedem Schichtauftrag von Pulver entsprechend einer gewünschten Topographie geformt bzw. strukturiert werden.
Da die Verstellung entlang der Verstellachse mittels einer Antriebseinrichtung erfolgt, ist eine automatische Verstellung des Abziehelementes oder der Abziehelemente ermöglicht, so dass der Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter automatisierbar ist.
Aufgrund der erfindungsgemäß ermöglichten Formung der Oberfläche des Pulverbetts ist der Gestaltungsspielraum der Prozessparameter für den Schmelzvorgang erweitert.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform mit dem Abziehelement besteht darin, dass die Ersteinrichtung der Vorrichtung sowie auch eine Neueinrichtung, beispielsweise nach einer Beschädigung, vereinfacht sind.
Im Ergebnis ist die Produktivität der Vorrichtung noch einmal wesentlich erhöht.
Die Abziehposition der Abziehkante relativ zu dem Träger kann während des Abziehvorganges wenigstens phasenweise fest sein. Dies bedeutet, dass die Abziehposition während des gesamten Abziehvorganges unverändert bleiben kann und somit eine Pulverschicht im Wesentlichen konstanter Dicke aufgetragen wird. Es ist jedoch auch möglich, die Abziehposition relativ zu dem Träger während des Abziehvorganges phasenweise zu verändern, so dass die Dicke der aufgetragenen Pulverschicht entsprechend der Veränderung der Abziehposition moduliert wird.
Es ist jedoch auch möglich, das in der Abziehposition befindliche Abziehelement entsprechend einer hochfrequenten Schwingung um eine Nulllage zu verändern, das Abziehelement also in Vibration zu versetzen. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung definiert die Nulllage die eigentliche Schichtdicke der Pulverschicht, während durch die hochfrequente Schwingung die Rieselfähigkeit des Pulvers verbessert wird.
Die Funktionsweise einer entsprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gegenüber dem Stand der Technik bereits dadurch verbessert, dass das oder jedes Abziehelement entlang einer zur Abziehebene senkrechten Verstellachse relativ zu dem Träger verstellbar ist, wie von der Erfindung vorgesehen.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement sieht vor, dass die Abziehkante durch wenigstens zwei in Längsrichtung der Abziehkante nebeneinander und aneinander angrenzend angeordneten Abziehelemente gebildet ist, wobei die Abziehkante vorzugsweise durch eine Vielzahl von in Längsrichtung der Abziehkante nebeneinander und aneinander angrenzend angeordneten Abziehelementen gebildet ist, wie dies eine Weiterbildung vorsieht.
Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, die Dicke der aufgetragenen Pulverschicht zu verändern oder in Abziehrichtung zu modulieren. Es ist vielmehr zusätzlich ermöglicht, die Dicke der Pulverschicht auch in Längsrichtung der Abziehkante, also quer zur Abziehrichtung, entsprechend einem gewünschten Verlauf einzustellen. Dadurch kann die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts innerhalb weiter Grenzen entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Dabei ist eine desto feinere Formung bzw. Strukturierung der Oberfläche der Pulverschicht ermöglicht, je mehr Abziehelemente vorgesehen sind. Die nebeneinander und aneinander angrenzend angeordneten Abziehelemente bilden miteinander die Abziehkante, die entsprechend der jeweiligen Abziehposition (Höhenposition) der einzelnen Abziehelemente strukturiert ist, so dass sich während des Abziehvorganges eine entsprechend der Struktur der Abziehkante geformte Oberfläche des Pulverbetts bildet. Hierbei ist auch es möglich, die Abziehelemente während des Abziehvorganges relativ zueinander zu verstellen , so dass an jeder Stelle des Pulverbetts ein individuell gestalteter Pulverauftrag ermöglicht ist. Damit kann die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts entsprechend den jeweiligen Anforderungen fein strukturiert werden, wobei die Feinstrukturierung grundsätzlich desto besser ist, je größer die Anzahl der Abziehelemente ist.
Im Sinne einer voneinander unabhängigen Verstellung der Abziehelemente sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass wenigstens zwei Abziehelementen, vorzugsweise jedem der Abziehelemente, eine separate, unabhängig ansteuerbare Antriebseinrichtung zugeordnet ist.
Bei der jeweiligen Antriebseinrichtung kann es sich um eine beliebige motorische Antriebseinrichtung handeln. Beispielsweise kann wenigstens eine Antriebseinrichtung als Piezoaktor oder -motor ausgebildet sein.
Im Sinne eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus der Vorrichtung sieht eine Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement vor, dass wenigstens eine Antriebseinrichtung als Piezoaktor ausgebildet ist. Entsprechend Piezoaktoren stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung. Insbesondere sind auch Aktorenmodule in Form von Aktorenleisten bekannt und kommerziell erhältlich, die mehr als 80 eng nebeneinander angeordnete Aktoren aufweisen.
Zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung bzw. der Antriebseinrichtungen ist zweckmäßigerweise eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, wie dies eine andere Weiterbildung der Erfindung vorsieht. Durch entsprechende Programmierung der Steuereinrichtung kann während des Abziehvorganges die Topographie der Oberfläche entsprechend den jeweiligen Anforderungen beeinflusst und die Oberfläche des Pulverbetts damit entsprechend geformt werden.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement sieht eine Messvorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts vor. Bei einer entsprechenden Ausführungsform kann die Pulveroberfläche mittels der Messvorrichtung zunächst vermessen und dann während des Abziehvorganges entsprechend den jeweiligen Anforderungen geformt bzw. strukturiert werden. Damit kann die Oberfläche des Pulverbetts an jeder Stelle mit großer Sicherheit entsprechend den jeweiligen Erfordernissen geformt werden. Dadurch, dass die Topographie der Pulveroberfläche nicht nur gezielt beeinflusst, sondern auch vermessen werden kann, ist die Prozesssicherheit der Vorrichtung auf diese Weise wesentlich erhöht. Dabei kann vor dem Auftrag einer neuen Pulverschicht mittels der Messvorrichtung festgestellt werden, an welcher Stelle des Pulverbetts welcher individuelle Pulverauftrag erforderlich ist, um eine gewünschte Topographie zu erzielen. Es ist jedoch auch möglich, nach dem Auftragen einer Pulverschicht mittels der Messvorrichtung zu prüfen, ob eine gewünschte Topographie der Pulveroberfläche erreicht ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Messvorrichtung derart in Signalübertragungsverbindung mit der Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung bzw. Antriebseinrichtungen steht, dass die Antriebseinrichtung bzw. die Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung ansteuerbar ist bzw. sind oder angesteuert wird bzw. werden. Auf diese Weise erfolgt der Pulverauftrag in Abhängigkeit von dem Messergebnis, das die Messvorrichtung liefert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht in diesem Sinne vor, dass die Steuerungseinrichtung für eine automatische Ansteuerung der Antriebseinrichtung bzw. der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung programmiert ist, derart, dass eine gewünschte Topographie der Oberfläche des Pulverbetts automatisch gebildet wird.
Das Messprinzip der Messvorrichtung ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Messvorrichtung als optische Messvorrichtung ausgebildet ist. Entsprechende optische Messvorrichtungen ermöglichen eine Vermessung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts mit hoher Geschwindigkeit und großer Genauigkeit.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement sieht vor, dass das Abziehelement oder die Abziehelemente an einem Abziehelementmodul angeordnet sind.
Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass das Abziehelementmodul oder ein Teil des Abziehelementmoduls lösbar mit dem Träger verbindbar oder verbunden ist. Auf diese Weise ist ein Austausch des Abziehelements bzw. der Abziehelemente vereinfacht, beispielsweise im Rahmen eines turnusmäßigen Austausches oder eines Austausches nach einer Beschädigung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsformen sieht vor, dass das Abziehelementmodul ein passives Abziehkantenmodul, an dem nebeneinander eine Mehrzahl von unabhängig voneinander in Richtung entlang der Verstellachse beweglichen Abziehkantenelementen angeordnet ist, und ein aktives Aktorenmodul aufweist, an dem eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktoren angeordnet ist, von denen jeder einem der Abziehkantenelemente zur Verstellung desselben entlang der Verstellachse zugeordnet ist. Ein entsprechender modulartiger Aufbau ermöglicht beispielsweise und insbesondere einen separaten Austausch des Abziehkantenmoduls, während das Aktorenmodul an dem Träger verbleibt. Auf diese Weise ist das Ersetzen des Abziehkantenmoduls, beispielsweise nach Verschleiß oder Beschädigung, besonders einfach gestaltet.
Bei den Ausführungsformen mit dem Abziehkantenmodul kann dasselbe entsprechend den jeweiligen Anforderungen in beliebiger geeigneter Weise ausgestaltet sein. Um das Abziehkantenmodul besonders einfach und kostengünstig herstellbar zu gestalten, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass das Abziehkantenmodul einen Streifen aus Blech oder einem anderen elastisch verformbaren Material aufweist, der winkelartig geformt ist und einen ersten Schenkel aufweist, der durch entlang der Längsrichtung der Abziehkante zueinander beabstandete Einschnitte in zungenartige Abziehkantensegmente unterteilt ist, dessen anderer Schenkel mit dem Träger oder einem mit dem Träger verbundenen Bauteil verbindbar oder verbunden ist, wobei jedes der Abziehkantensegmente durch einen zugeordneten Aktor entlang der Verstellachse beweglich ist.
Um während des Abziehvorganges die Rieselfähigkeit des Pulvers zu verbessern, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement eine Vibrationseinrichtung zur Beaufschlagung des Abziehelementes oder der Abziehelemente mit hochfrequenten Schwingungen vor.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit dem Abziehelement sieht vor, dass der Träger für eine translatorische Bewegung entlang einer linearen Abziehachse ausgebildet und eingerichtet ist.
Eine Bewegung des Abziehelements entlang der Verstellachse kann dadurch erzielt werden, dass das Abziehelement entlang der Verstellachse translatorisch bzw. linear bewegt wird, beispielsweise mittels eines Linearantriebs. In diesem Sinne sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass wenigstens ein Abziehelement zur Verstellung entlang der Verstellachse translatorisch beweglich ist.
Eine Bewegung des Abziehelements entlang der Verstellachse kann jedoch auch durch eine Drehbewegung des Abziehelements um eine zu der Verstellachse quer verlaufende (tatsächliche oder virtuelle) Drehachse erzielt werden. In diesem Sinne sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass wenigstens ein Abziehelement zur Verstellung entlang der Verstellachse um eine Drehachse drehbeweglich ist. Beispielsweise kann den in Längsrichtung gelegenen Enden eines länglichen Abziehelements jeweils ein Aktor zugeordnet sein, so dass das Abziehelement durch gleichmäßige Betätigung beider Aktoren translatorisch beweglich und durch unterschiedliche Betätigung der Aktoren drehbar bzw. kippbar ist.
Eine andere außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die für sich genommen in Kombination mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 auch ohne die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 eine eigenständige erfinderische Bedeutung besitzt, sieht vor, dass die Oberflächenbearbeitungsmittel Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil vor.
Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen, bei der zur Generierung des Bauteiles das in dem Pulverbett aufgenommene Pulver selektiv entsprechend dem Querschnitt des zu generierenden Bauteiles aufgeschmolzen wird, metallische Schmelzpartikel entstehen, die in unerwünschter Weise in das Pulverbett eintreten oder sich an das Bauteil anlagern. Die metallischen Schmelzpartikel stören einerseits den weiteren Verfahrensablauf, weil sie die Oberfläche es Pulverbetts unterbrechen. Andererseits können an das Bauteil angelagertes metallische Schmelzpartikel bei nachfolgenden Schmelzvorgängen zu Schmelzungen undefinierter Geometrie und damit zu Defekten an dem Bauteil führen. Durch beides wird die Qualität der generierten Bauteile beeinträchtigt und der Verfahrensablauf gestört.
Hiervon ausgehend liegt dieser Ausführungsform der Gedanke zugrunde, die Qualität der Bauteile dadurch zu verbessern und den Verfahrensablauf dadurch prozesssicher zu gestalten, dass entsprechende metallische Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper, nachfolgend auch als Anomalien bezeichnet, aus dem Pulverbett und ggf. von dem Bauteil entfernt werden.
Diese Ausführungsform bietet insbesondere die Möglichkeit, metallische Schmelzpartikel (Metallspritzer) aus dem Pulverbett bzw. von dem Bauteil zu entfernen, so dass eine Beeinträchtigung nachfolgender Schmelzvorgänge durch entsprechende Partikel zuverlässig vermieden ist.
Auf diese Weise ist die Zuverlässigkeit des 3D-Drucks durch Vermeidung von spritzerbedingten Fehlstellen verbessert.
Durch die gesteigerte Zuverlässigkeit des Verfahrensablaufs erweitert die Erfindung die Möglichkeit, eine pulverbettbasierte generative Fertigung von metallischen Bauteilen (3D-Druck von metallischen Bauteilen) ohne Aufsicht durchzuführen und damit weiter zu automatisieren.
Im Ergebnis resultiert daraus eine höhere Produktivität des 3D-Druckers. Dies spart in nennenswertem Umfang Zeit und Kosten.
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, Metallspritzer in dem Pulverbett bzw. an dem Bauteil zu erkennen bzw. zu lokalisieren, beispielsweise durch Abbildung oder Vermessung des Pulverbetts und des Bauteiles. Lokalisierte Schmelzpartikel können dann durch geeignete Mittel selektiv aus dem Pulverbett entfernt werden.
Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, eine die Oberfläche des Pulverbetts bildende Pulverschicht insgesamt abzutragen und dadurch zu entfernen, wobei gleichzeitig auch Schmelzpartikel und ggf. andere unerwünschte Fremdkörper aus dem Pulverbett entfernt werden.
Unter einem Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von den Bauteilen wird erfindungsgemäß verstanden, dass Material aus demjenigen Bereich des Pulverbetts entfernt wird, der für die Fertigung des Bauteiles relevant ist und im Rahmen des Fertigungsvorganges beispielsweise mit Laserstrahlung beaufschlagt wird. Dementsprechend sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder vom dem Bauteil für eine Verlagerung von Material entlang der Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet und eingerichtet sind. Bei einer entsprechenden Ausführungsform wird der für den Fertigungsvorgang relevante Bereich der Oberfläche des Pulverbetts von Metallpartikeln und anderen unerwünschten Fremdkörpern freigehalten, die dazu in einen anderen Bereich an der Oberfläche des Pulverbetts verlagert werden, beispielsweise in den Randbereich des Pulverbetts, der für die Fertigung des Bauteiles nicht relevant ist. Das verlagerte Material stört dann den Ablauf des Fertigungsverfahrens nicht und kann zu einem späteren Zeitpunkt aus dem Pulverbett entfernt werden.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil sieht vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil für ein Entfernen von Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern ausgebildet und eingerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform werden Schmelzpartikel und andere Fremdkörper aus dem Pulverbett entfernt, so dass sie nachfolgende Schmelzvorgänge nicht mehr stören. Die Schmelzpartikel können dabei selektiv, d.h. unter Beibehaltung der Oberfläche des Pulverbetts im Wesentlichen entfernt werden. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, die Schmelzpartikel zusammen mit einer Oberflächenschicht des Pulvers zu entfernen.
Dementsprechend sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil für ein Entfernen von Pulver aus dem Pulverbett ausgebildet und eingerichtet sind. Erfindungsgemäß kann hierbei Pulver mitsamt Schmelzpartikeln oder anderen Anomalien aus dem Pulverbett entfernt werden. Es ist jedoch auch möglich, Pulver aus mit Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern nicht beaufschlagten Bereichen des Pulverbetts aus demselben zu entfernen, sofern dies im Rahmen des Fertigungsvorganges erforderlich oder wünschenswert ist.
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil sieht Mittel zur Erkennung und/oder Lokalisierung von Schmelzpartikeln in dem Pulverbett und/oder an dem Bauteil vor. Bei dieser Ausführungsform werden Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper in dem Pulverbett lokalisiert, so dass sie in einem anschließenden Verfahrensschritt entfernt werden können. Diese Ausführungsform ermöglicht ferner eine Feststellung, ob überhaupt Schmelzpartikel oder Fremdkörper in dem Pulverbett oder an dem Bauteil vorhanden sind und ob dementsprechend überhaupt Schritte zum Entfernen der Metallspritzer oder dergleichen unternommen werden müssen.
Eine andere außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil sieht eine Messvorrichtung zur Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts und/oder des Bauteils vor. Durch insbesondere dreidimensionale Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts und des Bauteils können exakte Aussagen über den jeweils momentanen Zustand des Pulverbetts und des Bauteils getroffen werden, so dass exakt beurteilt werden kann, ob sich der Fertigungsvorgang exakt in der gewünschten Weise vollzieht oder ob vielmehr korrigierende Eingriffe in den Fertigungsvorgang erforderlich sind.
Bei der vorgenannten Ausführungsform können beliebige geeignete Messvorrichtungen verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit der Messvorrichtung sieht vor, dass dieselbe eine optische Messvorrichtung ist. Entsprechende optische Messvorrichtungen ermöglichen eine insbesondere dreidimensionale Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts und des Bauteiles mit hoher Genauigkeit und großer Geschwindigkeit. Dabei können beliebige geeignete optische Messvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise Messvorrichtungen, mit denen sich die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts vermessen lässt. Es ist auch möglich, eine abbildende optische Messvorrichtung zu verwenden und anhand von aufgenommenen Bildern unter Anwendung von Verfahren der Bilderkennung und Mustererkennung festzustellen, ob sich in dem Pulverbett oder an dem Bauteil Anomalien befinden. Es ist auch möglich, die Messvorrichtung nach Art einer Thermokamera auszubilden und insbesondere Schmelzpartikel die sich an der Oberfläche des Pulverbetts befinden, zu lokalisieren
Eine andere außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil sieht vor, dass die Messvorrichtung in Datenübertragungsverbindung mit einer Auswertungseinrichtung steht, die für eine Erkennung und/oder Lokalisierung von Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern in dem Pulverbett und/oder an dem Bauteil ausgebildet und programmiert ist, derart, dass die Auswertungseinrichtung anhand der Messdaten Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper erkennt und so die Mittel zur Erkennung und/oder Lokalisierungvon Schmelzpartikeln in dem Pulverbett und/oder an dem Bauteil bildet. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Erkennung bzw. Lokalisierung von Anomalien (Schmelzpartikeln oder dergleichen) in dem Pulverbett bzw. an dem Bauteil automatisch.
Um den Verfahrensablauf des Fertigungsverfahrens weiter zu automatisieren, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Auswertungseinrichtung in Datenübertragungsverbindung mit einer Steuerungseinrichtung steht und derselben Auswertungsdaten übermittelt, die die Position von in dem Pulverbett und/oder an dem Bauteil erkannten Metallspritzern oder anderen Fremdkörpern repräsentieren, wobei die Steuerungseinrichtung für eine Ansteuerung der Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil derart ausgebildet und programmiert ist, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil erkannte Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper aus dem Pulverbett bzw. von dem Bauteil entfernen.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil wenigstens einer an einem Träger angeordnete Einrichtung zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil aufweisen, wobei der Träger relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts beweglich ist. Hierbei sind Anzahl, Ausgestaltung und Funktionsprinzip der Einrichtung bzw. dr Einrichtungen entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar.
Um eine entsprechende Einrichtung besonders einfach im Aufbau und funktionssicher zu gestalten, sieht eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil wenigstens eine als Ansaugeinrichtung mit wenigstens einer Ansaugdüse ausgebildete Einrichtung aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird Material aus dem Pulverbett staubsaugerartig abgesaugt. Bei entsprechender Ausgestaltung der Ansaugeinrichtung und des verwendeten Unterdrucks kann dabei Material schnell und mit hoher Präzision aus dem Pulverbett entfernt werden.
Sofern das zu entfernende Material magnetisierbar ist, können die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil beispielsweise eine Magneteinrichtung aufweisen, so dass das Material magnetisch „abgesaugt“ wird.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsform mit den Mitteln zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil sieht vor, dass die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil wenigstens eine bürstenartig ausgebildete Einrichtung aufweisen. Eine als Bürste ausgebildete Einrichtung kann insbesondere verwendet werden, um Metallspritzer oder andere Fremdkörper von dem Bauteil abzubürsten. Aufgrund der nach dem Schmelzvorgang hohen Temperatur des Bauteiles wird hierzu zweckmäßigerweise eine Bürste aus temperaturbeständigem Material verwendet. Mit einer entsprechenden Einrichtung ist es jedoch auch möglich, Pulver entlang der Oberfläche des Pulverbetts durch „wegbürsten“ zu verlagern. Eine entsprechende Bürste kann auch verwendet werden, um Material aus dem Pulverbett „herauszubürsten“, beispielsweise dadurch, dass das Material durch Bürsten über einen Rand des Materialreservoirs befördert wird.
Bei den Ausführungsformen mit der Ansaugeinrichtung sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass wenigstens eine Ansaugdüse für eine punktartige Ansaugung ausgebildet ist. Eine entsprechende Ansaugdüse ermöglicht ein selektives Ansaugen von Material, wobei die außerhalb des Ansaugbereiches liegende Oberfläche des Pulverbetts im Wesentlichen unangetastet bleibt. Damit können lokalisierte Anomalien lokal begrenzt aus dem Pulverbett abgesaugt werden. Hierbei ist grundsätzlich eine einzelne Ansaugdüse ausreichend. Anzahl und Ausgestaltung der Ansaugdüsen sind jedoch doch entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar.
Wenn nicht lokal begrenzt einzelne Anomalien angesaugt werden sollen, sondern vielmehr eine vollständige Schicht an der Oberfläche des Pulverbetts abgesaugt werden soll, so ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Ansaugdüse für eine linienartige oder flächige Ansaugung ausgebildet ist, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht.
Um eine komplette Schicht an der Oberfläche des Pulverbetts abzusaugen, ist es zweckmäßig, wenn wenigstens eine Ansaugeinrichtung für ein Absaugen von Pulver aus dem Pulverbett ausgebildet ist, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung vorsieht. Beim Absaugen einer Schicht von der Oberfläche des Pulverbetts kann die Dicke der abgesaugten Schicht entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen gewählt werden. Möglich ist hierbei sowohl ein rein oberflächliches Absaugen mit einer Schichtdicke in einer Größenordnung von einer Partikelgröße oder mehreren Partikelgrößen des Pulvers. Es ist jedoch auch eine weiter in die Tiefe gehende Absaugung mit entsprechend größerer Tiefe möglich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsformen mit der Ansaugeinrichtung sieht vor, dass wenigstens einer Ansaugeinrichtung eine Filtereinrichtung zum Filtern von abgesaugtem Material nachgeordnet ist. Auf diese Weise können in dem abgesaugten Material beispielsweise Schmelzpartikel von Pulver getrennt und letzteres recycelt werden. Falls in dem Pulverbett Pulver unterschiedlichen Materials vorhanden ist, so können nach der Absaugung unterschiedliche Pulverarten voneinander getrennt werden, um das Pulver zu recyceln.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger geeigneter Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
Zum Gegenstand und Offenbarungsgehalt der Anmeldung gehören auch Unterkombinationen der Ansprüche, bei denen wenigstens ein Merkmal des jeweiligen Anspruchs weggelassen oder durch ein anderes Merkmal ersetzt ist.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele das jeweilige Ausführungsbeispiel für sich genommen, also unabhängig von den anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels, weiterbilden. Zum Offenbarungsgehalt der Anmeldung gehören auch Kombinationen der Merkmale der Ausführungsbeispiele untereinander, so dass jedes Merkmal eines Ausführungsbeispiels unabhängig von den anderen Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels auch auf die anderen Ausführungsbeispiele übertragbar ist.
Es zeigt:

1 in einer stark schematisierten Perspektivansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen,
2 eine weitere schematisierte Perspektivansicht der Vorrichtung gemäß 1,
3 in einer perspektivischen Prinzipskizze ein Abziehelement eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 in gleicher Darstellung wie 3 ein zweites Ausführungsbeispiel,
5 zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels gemäß 4 eine weitere schematische Prinzipskizze,
6 in einer stark schematisierten Prinzipskizze eine Ausführungsform eines Abziehkantenmoduls,
7 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8 eine schematische Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Bauteil aufweist,
9 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung gemäß 8 und
10 eine schematische Prinzipskizze einer Schichtung von unterschiedlichen Pulverarten bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 6 wird die Erfindung nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In 1 ist stark schematisiert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen dargestellt, die ein lediglich schematisch dargestelltes Materialreservoir 4 zur Aufnahme eines mittels einer Schmelzeinrichtung schmelzbaren metallischen Pulvermateriales aufweist, das in dem Materialreservoir 4 ein Pulverbett 6 bildet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schmelzvorrichtung einen Laser 8 auf, dessen Laserstrahl 10 gesteuert durch eine Steuerungseinrichtung 12 zum selektiven Schmelzen des pulverförmigen Metallmateriales entlang der Oberfläche des Pulverbetts 6 beweglich und in seiner Intensität veränderbar ist. Durch Pfeile 14, 16 ist in der Zeichnung angedeutet, dass der Laserstrahl 10 relativ zu dem Pulverbett 6 zweidimensional in seiner Position veränderbar ist, so dass innerhalb des Pulverbetts 6 beliebige Positionen angefahren werden können.
Zum Glätten der Oberfläche des Pulverbetts 6 sind Oberflächenbearbeitungsmittel zum Bearbeiten der Oberfläche des Pulverbetts 6 vorgesehen, die im einfachsten Fall eine eine Einrichtung zum Formen, insbesondere Glätten, der Oberfläche des Pulverbetts 6 aufweist, die jedoch aus Gründen der Vereinfachung in 1 lediglich schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet ist ist.
Vorrichtungen und Verfahren zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen sind im Übrigen dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert, soweit ihre Details nicht erfindungsspezifisch sind.
Erfindungsgemäß sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel optische Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 vorgesehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen diese optischen Mittel eine 3D-messfähige optische Messvorrichtung 18 mit einem optischen Sensor auf, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Zeilensensor ausgebildet ist und an einem Sensorträger 20 angeordnet ist, der relativ zu dem Pulverbett 6 entlang einer linearen Achse beweglich ist, wie in der Zeichnung durch einen Pfeil 22 angedeutet. Der Zeilensensor erstreckt sich über die volle Breite des Pulverbetts 6, so dass durch lineares Verfahren des Sensors in Richtung des Pfeiles 22 jede Stelle der Oberfläche des Pulverbetts 6 abgetastet werden kann.
Der Zeilensensor weist eine zeilenförmige Anordnung von Sensorelementen und eine integrierte Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Pulverbetts 6 in dem von dem Zeilensensor erfassten Bereich auf. Der Zeilensensor ist mit der Beleuchtungseinrichtung zu einer Sensor/Beleuchtungseinheit integriert.
Die Ausgangssignale des Zeilensensors werden einer Auswertungseinrichtung 24 zugeführt.
Mittels der zeilenartig angeordneten Sensorelemente des Zeilensensors kann jeder Punkt der Oberfläche des Pulverbetts 6 unter unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden, wie in der Zeichnung beispielhaft für einen Punkt 26 durch zwei gestrichelte Linien 28, 30 angedeutet. Die Auswertungseinrichtung 24 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Auswertung der Ausgangssignale des Zeilensensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet. Die Funktionsweise des Stereo-Triangulationsverfahrens ist allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Die Sensor/Beleuchtungseinheit kann grundsätzlich insbesondere so aufgebaut sein, wie es von Flachbettscannern bekannt ist. Im Unterschied zu Flachbettscannern ist die Auswertungseinrichtung 24 jedoch zur Auswertung von Ausgangssignalen des Zeilensensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren ausgebildet und programmiert, so dass aus den Ausgangssignalen des Zeilensensor einerseits ein Bild der abgetasteten Oberflächen des Pulverbetts 6 gewonnen wird, wie es von Flachbettscannern bekannt ist. Andererseits wird in der Auswertungseinrichtung 24 aus den Ausgangssignalen des Zeilensensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren Oberflächentiefeninformation der Oberfläche des Pulverbetts 6 gewonnen, so dass auf diese Weise die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 rekonstruiert wird.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 ist wie folgt:
Im Rahmen eines Verfahrens zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen wird die Oberfläche des Pulverbetts 6 vor einem Schmelzvorgang mittels einer Einrichtung 17 geglättet. Nach dem Glätten wird die Oberfläche des Pulverbetts 6 mittels der des Sensor/Beleuchtungseinheit durch Verfahren des Sensorträgers 20 entlang der linearen Achse 22 abgetastet, wobei die Ausgangssignale des Zeilensensors zu der Auswertungseinrichtung 24 übertragen werden. In der Auswertungseinrichtung 24 werden die Ausgangssignale des Zeilensensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren ausgewertet, wobei anhand der Ausgangssignale des Zeilensensors die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 rekonstruiert wird.
Anhand der Rekonstruktion kann dann festgestellt werden, ob die Oberfläche des Pulverbetts für den nachfolgenden Schmelzvorgang hinreichend geglättet ist. Falls eine ausreichende Glättung festgestellt wird, so kann die Steuerungseinrichtung 12 den Laser 8 zum Durchführen des nächsten Schmelzvorganges ansteuern. Im Falle einer unzureichenden Glättung kann die Steuerungseinrichtung 12 die Oberflächenbearbeitungsmittel (Einrichtung 17) für eine erneute Glättung der Oberfläche des Pulverbetts 6 ansteuern, wobei nach der erneuten Glättung die Oberfläche des Pulverbetts 6 erneut mittels des Zeilensensors abgetastet wird. Für den Fall, dass danach eine hinreichende Glättung vorliegt, kann der Schmelzvorgang ausgeführt werden. Andernfalls kann eine Ansteuerung des Lasers 8 unterbleiben und eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
Falls gewünscht oder erforderlich können außerdem die Ausgangssignale, die der Zeilensensor während der Abtastung ausgibt, zu einem optischen Bild der Oberfläche des Pulverbetts 6 zusammengesetzt werden.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die in der Auswertungseinrichtung ermittelten Topographien der Oberfläche des Pulverbetts 6 abzuspeichern, um bei einer Kontrolle des hergestellten Werkstücks zu einem späteren Zeitpunkt Anhaltspunkte darüber zu haben, in welcher Schicht des Werkstücks möglicherweise ein Werkstückfehler vorliegt.
Um nicht nur die Oberfläche des Pulverbetts 6 vermessen zu können, sondern darüber hinaus das Bauteil während dessen Fertigung ist die Auswertungseinrichtung 24 für eine Prüfung und/oder Vermessung einer durch Aufschmelzen des Pulvers gebildeten Querschnittsfläche des zu fertigenden Bauteils anhand der Ausgangssignale des optischen Sensors ausgebildet und eingerichtet .
2 zeigt in einer weiteren schematischen Perspektivansicht die Vorrichtung 2. Die Oberflächenbearbeitungsmittel zum Berabeiten der Oberfläche des Pulverbetts 6 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel ein Abziehelement 32 auf, das nach Art einer Rakel ausgebildet ist und eine Abziehkante 34 (vgl. 3) definiert. Das Abziehelement 32 ist an einem in der Zeichnung lediglich schematisch angedeuteten beweglichen Träger 36 angeordnet. Der Träger 36 ist derart ausgebildet, dass die Abziehkante 34 zum Abziehen der Oberfläche des Pulverbetts 6 relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts 6 in einer Abziehebene (x-y-Ebene in 3) beweglich ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 36 für eine translatorische Bewegung entlang einer linearen Abziehachse ausgebildet und eingerichtet, wobei die lineare Abziehachse in 3 der x-Achse entspricht. Die resultierende Abziehrichtung ist in 3 durch einen Pfeil 37 gekennzeichnet.
Andere Kinematiken der Bewegung des Trägers 26 zum Abziehen der Oberfläche des Pulverbetts 6 mittels des Abziehelementes 32, beispielsweise eine scheibenwischerartige Bewegung, sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
In 3 entspricht die Abziehebene der x-y-Ebene. Erfindungsgemäß ist das Abziehelement 32 entlang einer zu der Abziehebene senkrechten Verstellachse relativ zu dem Träger 36 verstellbar an demselben angeordnet zur Einstellung einer Abziehposition der Abziehkante 34. In 3 entspricht die Verstellachse der z-Achse, wie in 3 durch einen Doppelpfeil 38 angeordnet. Der Verstellachse ist eine Antriebseinrichtung 40 zugeordnet, die in 3 rein schematisch dargestellt ist.
Erfindungsgemäß ist damit mittels der Antriebseinrichtung 40 die Position des Abziehelementes 32 und damit der Abziehkante 34 entlang der Verstellachse (z-Achse) verstellbar. Es ist ersichtlich, dass durch entsprechende Einstellung des Abziehelementes 32 relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts 6 einstellbar ist, welche Schichtdicke eine aufzutragende Pulverschicht hat. Damit kann erfindungsgemäß die Oberfläche des Pulverbetts 6 entsprechend einer gewünschten Topographie geformt werden.
Bei Betrieb der Vorrichtung 2 wird nach Durchführung eines Schmelzvorganges zum Bilden einer Schicht des zu generierenden Werkstücks eine neue Pulverschicht aufgetragen. Damit ein darauffolgender Schmelzvorgang wieder in derselben Ebene ausgeführt wird wie der vorangegangene Schmelzvorgang, wird hierzu zunächst ein Träger (Grundplatte), an dem das Materialreservoir mit dem Pulverbett 6 sowie das zu generierende Werkstück angeordnet sind, abgesenkt und zwar um eine Höhe, die der Dicke der in dem vorangegangenen Schmelzvorgang generierten Schicht des Bauteils entspricht.
Daran anschließend wird weiteres pulverförmiges Metallmaterial, das nachfolgend auch kurz als Pulver bezeichnet wird, in das Materialreservoir eingebracht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die x-Achse derjenigen linearen Achse, entlang derer sich das Abziehelement 32 bei einem Abziehvorgang bewegt (Abziehachse). Befindet sich das Abziehelement 32 beispielsweise in der in 2 dargestellten Position, so wird das Pulver in Abziehrichtung vor dem Abziehelement 32 in das Materialreservoir eingebracht, so dass sich das eingebrachte Pulver während des Abziehvorganges, also bei einer Bewegung des Abziehelementes 32 entlang der x-Achse in 2 bzw. 3 von links nach rechts, in Form einer „Bugwelle“ vor dem Abziehelement 32 bewegt, wie in 3 bei dem Bezugszeichen 40 angedeutet. Durch Einstellung einer entsprechenden Abziehposition der Abziehkante 34 entlang der Verstellachse (z-Achse) ist einstellbar, welche Schichtdicke eine während dieses Abziehvorganges aufgetragene Pulverschicht hat.
Die Abziehposition kann relativ zu dem Träger 36 während des Abziehvorganges fest sein, so dass bei einer Bewegung der Abziehkante 34 über die gesamte Oberfläche des Pulverbetts 6 eine Pulverschicht gleichmäßiger Schichtdicke (entsprechend der Abziehposition der Abziehkante) aufgetragen wird.
Es ist jedoch auch möglich, die Abziehposition während des Abziehvorganges zu verändern, so dass die Schichtdicke der Pulverschicht während des Abziehvorganges, also entlang der Oberfläche des Pulverbetts 6, entlang der Abziehachse (x-Achse) variiert. Die Einstellung der Abziehposition erfolgt gesteuert durch die Steuerungseinrichtung 12 durch entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtung 40 (vgl. 3 und 7).
Um die Rieselfähigkeit des Pulvers zu verbessern, ist es jedoch auch möglich, die Abziehkante 34 während des Abziehvorganges entsprechend einer hochfrequenten Schwingung um eine Nulllage zu bewegen. Die Nulllage definiert dann die Abziehposition, also mit anderen Worten der Breite des Spaltes zwischen der Abziehkante 34 und der Oberfläche des Pulverbetts 6.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform ermöglicht damit eine Beeinflussung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 durch strukturierende Bearbeitung der Oberfläche des Pulverbetts 6.
Nach Durchführung eines Abziehvorganges kann mittels der Messvorrichtung 18 geprüft werden, ob die Oberfläche des Pulverbetts die gewünschte Topographie hat. Falls der Abziehvorgang zu der gewünschten Topographie, beispielsweise einer entlang der gesamten Oberfläche des Pulverbetts 6 ebenen Pulverschicht, geführt hat, so kann die Steuerungseinrichtung 12 nach der Messung den Laser 8 zum Durchführen des nächsten Schmelzvorganges ansteuern.
Die entsprechenden Vorgänge laufen dabei vollautomatisch ab, bis das Bauteil in der gewünschten Weise generiert ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dadurch unterscheidet, dass die Abziehkante 34 durch wenigstens zwei in Längsrichtung der Abziehkante 34 nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnete Abziehelemente gebildet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips rein exemplarisch und symbolisch vier Abziehelemente 44, 46, 48, 50 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass entsprechend den jeweiligen Anforderungen eine Vielzahl von in Längsrichtung der Abziehkante 34 nebeneinander und aneinander angrenzend angeordneten Abziehelementen möglich und im Sinne einer räumlich möglichst fein aufgelösten Strukturierbarkeit der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 wünschenswert ist.
Jedem der Abziehelemente 44 bis 50 ist eine separate, unabhängig ansteuerbare Antriebseinrichtung zugeordnet, wobei die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen durch die Steuerungseinrichtung 12 (vgl. 7) erfolgt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede der Antriebseinrichtungen durch einen Piezoaktor ausgebildet.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine entlang der Abziehachse (z-Achse) räumlich aufgelöste Strukturierung der Oberfläche des Pulverbetts 6 möglich ist, ermöglicht das Ausführungsbeispiel gemäß 4 darüber hinaus eine in Längsrichtung der Abziehkante 34 und damit quer zur Abziehachse, also entlang der y-Achse, räumlich aufgelöste Strukturierung der Oberfläche des Pulverbetts 6. Die räumliche Auflösung der Strukturierung ist dabei desto höher, je mehr Abziehelemente vorgesehen sind. Durch eine entsprechende Anzahl der Abziehelemente 44 bis 50 ist damit prinzipiell eine hohe Auflösung erreichbar.
Durch entsprechende Ansteuerung der den Abziehelementen 44-50 zugeordneten Antriebseinrichtungen ist damit im Rahmen der gegebenen räumlichen Auflösung jede gewünschte Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 einstellbar.
Falls die Abziehkante 34 relativ zu einer Grundplatte, auf der das Pulverbett 6 aufliegt, schief gestellt ist, so kann eine entlang der y-Achse unterschiedliche Höheneinstellung der Abziehelemente 44-50 dazu genutzt werden, die Schiefstellung der Abziehkante 34 gegenüber der Grundplatte auszugleichen, wie in 5 bei dem Bezugszeichen 51 angedeutet.
Zur Strukturierung der Oberfläche des Pulverbetts 6 entsprechend einer gewünschten Topographie wird zunächst die Topographie der Pulveroberfläche mittels der Messvorrichtung 18 dreidimensional vermessen. Die Messvorrichtung 18 steht derart in Signalübertragungsverbindung mit der Steuerungseinrichtung 12 zur Ansteuerung der Antriebseinrichtungen, dass die Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung 18 angesteuert werden. Hierbei ist die Steuerungseinrichtung 12 für eine automatische Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung programmiert, derart, dass bei dem Abziehvorgang eine gewünschte Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 automatisch gebildet wird.
Falls über die gesamte Ausdehnung der Oberfläche des Pulverbetts 6 in x-Richtung eine gleichmäßige Schichtdicke erwünscht ist, so wird die durch die Steuerungseinrichtung 12 eingestellte Position der Abziehelemente 44-50 (Abziehposition) während des Abziehvorganges beibehalten.
Falls demgegenüber eine in x-Richtung variierende Topographie gewünscht oder erforderlich ist, so steuert die Steuerungseinrichtung 12 die Antriebseinrichtungen der Abziehelemente 44 bis 50 während des Abziehvorganges entsprechend an.
Auf diese Weise ist eine im Rahmen der möglichen räumlichen Auflösung und der Eigenschaften des Pulvers nahezu beliebige Strukturierung der Oberfläche des Pulverbetts 6 entsprechend den jeweiligen Anforderungen ermöglicht, so dass der Gestaltungsspielraum für die Prozessparameter des pulverbettbasierten generativen Fertigungsverfahrens erweitert ist. Insbesondere ist eine automatische Einstellung der Abziehkante 34 zu der Grundplatte, auf der das Pulverbett 6 aufliegt, hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung ermöglicht.
Insbesondere sind sowohl eine Ersteinrichtung als auch eine Neueinrichtung der Abziehkante 34 nach Beschädigung automatisch möglich. Weiterhin kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Pulververbrauch minimiert werden.
Insgesamt ergibt sich dadurch eine höhere Produktivität der Vorrichtung 2.
Die Abziehelemente 44-50 können an einem Abziehelementmodul angeordnet sein, wobei das Abziehelementmodul oder ein Teil des Abziehelementmoduls lösbar mit dem Träger 36 verbindbar oder verbunden ist.
Hierbei kann das Abziehelementmodul vorzugsweise ein passives Abziehkantenmodul, an dem nebeneinander eine Mehrzahl von unabhängig von der in Richtung entlang der Verstellachse beweglichen Abziehkantenelementen angeordnet ist, und ein aktives Aktorenmodul aufweisen, an dem eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktoren als Antriebseinrichtungen angeordnet ist, von denen jeder einem der Abziehkantenelemente zur Verstellung desselben entlang der Verstellachse zugeordnet ist.
In 6 ist beispielhaft eine Ausgestaltung eines entsprechenden Abziehkantenmoduls 52 dargestellt, das einen Streifen 54 aus Blech aufweist, der winkelartig geformt ist und einen ersten Schenkel 56 aufweist, der durch entlang der Längsrichtung der Abziehkante 34 zueinander beabstandete Einschnitte in zungenartigen Abziehkantensegmente unterteilt ist. In 6 sind exemplarisch zwei Einschnitte mit den Bezugszeichen 58, 60 und zwei Abziehkantensegmente mit den Bezugszeichen 62, 64 bezeichnet.
Der zweite Schenkel 66 des Streifens 54 ist an dem Träger 36 angeordnet. Die Beweglichkeit der als Abziehkantensegmente 62, 64 fungierenden Blechkanten wird durch elastische Verbiegung des bei 68 eingespannten Schenkels 66 erzielt.
Die Blechdicke des Streifens 54 und die Breite der Einschnitte 58, 60, die durch Schneiden mit einem Ultrakurzpuls-Laser oder durch Ätzen erzeugt werden können, sind so abgestimmt, dass sich die einzelnen Abziehkantensegmente 62, 64 in ihrem unteren Bereich im Wesentlichen parallel zueinander in z-Richtung bewegen, zumindest für die relativ kleinen Auslenkungen im Vergleich zur Cantilever-Länge. Dadurch ist sichergestellt, dass möglichst wenig Pulver der „Bugwelle“ durch die Zwischenräume zwischen den Abziehkantensegmenten 62, 64 gelangen kann.
Hierbei ist es wünschenswert, dass das Pulver das Abziehkantenmodul 52 soweit wie möglich ausschließlich unterhalb der die Abziehkante 34 definierenden Teile der Abziehkantensegmente 62 passiert. Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich, kann elastisches Dichtungsmaterial verwendet werden, wie bei 72 angedeutet. Die Höhenausdehnung und die Viskosität des Dichtungsmaterials werden so eingestellt, dass einerseits eine relativ freie Bewegung der einzelnen Abziehkantensegmente 62, 64 in z-Richtung möglich bleibt. Andererseits soll durch das Dichtungsmaterial 72 eine Passage von Pulver zwischen den Abziehkantensegmenten 62, 64 soweit wie möglich unterbunden werden. Als Nebeneffekt kann sich das elastische Dichtungsmaterial 72 auch als Schwingungsdämpfer bemerkbar machen, was einer schnellen Höheneinstellbarkeit der Abziehkantensegmente 62, 64 zu Gute kommt.
Die Abziehrichtung ist in 6 durch einen Pfeil 74 gekennzeichnet.
Um die Abziehkantensegmente 62, 64 und die weiteren Abziehkantensegmente unabhängig voneinander betätigen zu können, ist jedem Abziehkantensegment eine unabhängig betätigbare Antriebsvorrichtung zugeordnet, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Piezoaktor gebildet ist. Ein dem Abziehkantensegment 62 zugeordneter Piezoaktor ist in 6 rein schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 76 versehen. Eine Auftreffachse des Aktors 76 ist in 5 mit einer gestrichelten Linie 78 bezeichnet. Aus Darstellungsgründen sind in 5 der Piezoaktor 76 und das zugehörige Abziehkantensegment 62 relativ weit voneinander entfernt dargestellt. In der Praxis liegt der Piezoaktor im Sinne eines kurzen Betätigungsweges an dem Abziehkantensegment 62 an, so dass dieses bei einer Betätigung des Piezoaktors entlang der Verstellachse ausgelenkt wird, wie in 6 durch einen Doppelpfeil 80 angedeutet.
Typische Maße für eine Realisierung des Abziehkantenmodules 52 sind in 6 in Millimetern eingetragen.
Als Piezoaktoren können Piezoelemente in Stapel- oder Bimorph-Bauweise verwendet werden. Diese Aktoren haben für die beabsichtigte Anwendung Vorteile, weil sie einerseits schnell moduliert werden können und für das Halten einer bestimmten Position kaum weitere Energie benötigen. Entsprechende Aktorenmodule sind auch aus anderen Produkten bekannt und etabliert. Aktorenleisten mit mehr als 80 eng beieinander liegenden Aktoren sind kommerziell erhältlich.
In Montageposition an dem Abziehkantenmodul 52 ist das Aktorenmodul vorzugsweise mit einer gewissen mechanischen Vorspannung entlang der Verstellachse (z-Achse) auf das passive Abziehkantenmodul 52 geklemmt. Die Vorspannung der einzelnen Aktoren verschiebt den Arbeitsbereich der Piezos von einer symmetrischen Lage im Zug-Druckbereich hin zu einer in näher im Druckbereich positionierten Lage.
Aufgrund von Bauteiltoleranzen im passiven oder aktiven Modul wird es dabei in der Regel zu einer unterschiedlichen Grundauslenkung der Abziehkantensegmente 62, 64 kommen. In Verbindung mit einem messenden 3D-Topographiesystem (Messvorrichtung 18) kann ein erster Probeabzug im Pulverbett durchgeführt werden. Die resultierende unterschiedliche Höhe der Pulverbettstreifen wird mittels der Messvorrichtung 18 gemessen und im anschließenden regulären Betrieb als Offset kompensiert. Durch Wiederholung des Vorgangs für eine bzw. mehrere andere Auslenkungen der Piezos kann bedarfsweise für jedes Abziehkantensegment 62, 64 der Empfindlichkeitsfaktor (in Auslenkung pro angelegter Spannung) auch als Nichtlinearität ermittelt und anschließend kompensiert werden.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung 2, die sowohl in Kombination mit dem mittels einer Antriebseinrichtung entlang einer Verstellachse beweglichen Abziehelement, jedoch auch unabhängig davon eine eigenständige erfinderische Bedeutung hat, sieht eine Einrichtung 82 (vgl. 6) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder Verlagern von Material innerhalb des Pulverbetts 6 vor. Die Einrichtung 82 wird durch die Steuerungseinrichtung 12 angesteuert und ist bei diesem Ausführungsbeispiel als nach Art eines Staubsaugers wirkende Absaugvorrichtung ausgebildet. Die Einrichtung 82 dient dazu, selektiv Material aus dem Pulverbett zu entfernen. Wird bei der optischen Vermessung des Pulverbetts mittels der optischen Messvorrichtung 18 festgestellt, dass sich beispielsweise Schmelzrückstände, die bei einem vorangegangenen Schmelzvorgang entstanden sind, in dem Pulverbett befinden, so können diese Schmelzrückstände mittels der Einrichtung 82 gezielt aus dem Pulverbett entfernt werden. Dadurch ist verhindert, dass die Schmelzrückstände das weitere generative Fertigungsverfahren beeinträchtigen und insbesondere zu Fehlern an dem zu fertigenden Bauteil führen.
Die Einrichtung 82 kann zusammen mit dem Abziehelement 32 an dem beweglichen Träger 36 angeordnet sein.
Um während des Abziehvorganges jede Stelle an der Oberfläche des Pulverbetts 6 erreichen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung 82 nicht nur (vorzugsweisezusammen mit dem Abziehelement 82) in Abziehrichtung (x-Richtung) beweglich ist, sondern darüber hinaus auch quer zur Abziehrichtung, also in y-Richtung.
Im Sinne eines einfachen Aufbaus ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung 82 zusammen mit dem Abziehelement 32 an dem beweglichen Träger 36 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Einrichtung 82 an einem separaten Träger anzuordnen, mittels dessen die Einrichtung 82 entlang der Oberfläche des Pulverbetts 6, also zumindest in x, vorteilhafterweise jedoch in x- und y-Richtung beweglich ist.
Die Einrichtung 82 kann erfindungsgemäß auch dazu dienen, selektiv Pulver aus dem Pulverbett zu entfernen.
Eine andere Weiterbildung der Vorrichtung 2, die in Kombination mit den vorgenannten Ausführungsformen, jedoch auch unabhängig davon eine eigenständige erfinderische Bedeutung hat, sieht eine durch die Steuerungseinrichtung 12 ansteuerbare Einrichtung 84 zum selektiven Einbringen von Pulvermaterial in das Pulverbett vor.
Wie weiter oben beschrieben, vollzieht sich das Auftragen einer neuen Pulverschicht derart, dass das Pulver in Abziehrichtung vor der Abziehkante 34 eingebracht und während des Abziehvorganges in Form einer gleichmäßigen Schicht der Oberfläche des Pulverbetts verteilt wird. Mittels der Einrichtung 84, die vorzugsweise zweidimensional entlang der Oberfläche des Pulverbetts, also in x- und y-Richtung beweglich ist, kann hiervon unabhängig Pulver selektiv an Oberflächenstellen des Pulverbetts 6 eingebracht werden, falls dies erforderlich ist. Die Einrichtung 84 kann dabei beispielsweise nach Art einer Austrittsdüse 84 ausgebildet sein. Die Einrichtung 84 kann an dem Träger 36 des Abziehelementes 32 angeordnet sein, so dass die Einrichtung 84 zusammen mit dem Abziehelement bewegt wird. Um den Abziehvorgang (Abziehelement 32) von dem Vorgang des selektiven Einbringens von Pulver (Einrichtung 84) zu entkoppeln, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Einrichtung 84 an einem separaten, entlang der Oberfläche des Pulverbetts beweglichen Träger angeordnet ist.
Um die Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung 2 weiter zu verbessern, weisen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberflächenbearbeitungsmittel Mittel 82 zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil vorgesehen. Diese Mittel werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 näher erläutert.
8 zeigt eine stark schematisierte Prinzipskizze. Das Materialreservoir 4, in dem das Pulverbett 6 aufgenommen ist, ist an einem Pulverbettträger 84 angeordnet, der in Richtung eines Doppelpfeiles 86 senkrecht zur Oberfläche des Pulverbetts 6 beweglich ist.
In bekannter Weise wird der Pulverbettträger 68 nach Durchführung eines Schmelzvorganges um einen Betrag abgesenkt, der der Dicke der in dem Schmelzvorgang gebildeten Schicht des Bauteils senkrecht zur Oberfläche des Pulverbetts 6 entspricht. Auf diese Weise findet beim schichtweisen Aufbau des Bauteils der Schmelzvorgang stets in der gleichen Ebene statt. Das Bauteil ist in 8 und 9 schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 88 bezeichnet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mittel 82 zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil 88 zum Entfernen von Pulver aus dem Pulverbett 6 ausgebildet und eingerichtet.
Die Mittel 82 weisen eine als Ansaugeinrichtung 90 mit wenigstens einer Ansaugdüse 92 ausgebildete Einrichtung auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ansaugdüse 92 über die gesamte Breite des Pulverbetts (vgl. 9).
Die Ansaugeinrichtung 90 ist an dem Träger 36 angeordnet, an dem auch das Abziehelement 32, das in 8 und 9 als einzelnes Abziehelement dargestellt und lediglich schematisch angedeutet ist, angeordnet ist.
Der Träger 36 ist entlang eines Doppelpfeiles 94 entlang der Oberfläche des Pulverbetts 6 beweglich, um an jeder gewünschten Stelle des Pulverbetts 6 Pulver absaugen zu können.
Die Mittel 82 zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil 88 weisen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine bürstenartig ausgebildete Einrichtung 96 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine einzelne rotierende Bürste 98 aufweist, der ein nicht näher dargestellter Drehantrieb zugeordnet ist.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 2 mit dem Mitteln 82 zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil 88 ist wie folgt:
Nach Durchführung eines Schmelzvorganges wird die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts 6 und des Bauteils 88 mittels der optischen Messvorrichtung 18 vermessen, und die zugehörigen Messdaten werden zu der Auswertungseinrichtung 24 übermittelt. In der Auswertungseinrichtung wird dann anhand der Messdaten ermittelt, ob sich das Fertigungsverfahren in der gewünschten Weise vollzieht oder ob korrigierende Eingriffe in den Verfahrensablauf erforderlich sind. Insbesondere kann anhand der Messdaten festgestellt werden, ob und in welchem Maße sich Schmelzpartikel (Metallspritzer), die sich bei dem Schmelzvorgang gebildet haben, in dem Pulverbett 6 befinden oder sich an dem Bauteil 88 angelagert haben.
Wird in der Auswertungseinrichtung 24 festgestellt, dass keine Schmelzpartikel oder andere Anomalien, die den darauffolgenden Schmelzvorgang stören könnten, in dem Pulverbett 6 bzw. an dem Bauteil 88 vorhanden sind, so kann entsprechend dem allgemeinen Verfahrensablauf der Pulverbettträger 68 abgesenkt und eine neue Pulverschicht auf die Oberfläche des Pulverbetts 6 aufgetragen werden.
Das Auftragen einer neuen Pulverschicht kann sich dabei so vollziehen, wie anhand der 2 bis 7 beschrieben.
Wird durch Auswertung der Messdaten festgestellt, dass im Pulverbett 6 bzw. an dem Bauteil 88 Schmelzpartikel oder andere Anomalien vorhanden sind, die den darauffolgenden Schmelzvorgang stören könnten, so können diese Schmelzpartikel oder Anomalien mittels der Mittel 82 aus dem Pulverbett 6 bzw. von dem Bauteil 88 entfernt werden.
Die Auswertung der Messdaten der Messvorrichtung 18 ermöglicht es dabei ohne weiteres, einzelne Anomalien zu lokalisieren, so dass die Anomalien anschließend gezielt entfernt werden können.
Demgegenüber vollzieht sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Entfernen von Anomalien dadurch, dass die oberste Schicht bzw. die obersten Schichten des Pulverbetts 6 abgesaugt werden.
Hierzu bewegt sich der Träger 36 mit der Ansaugeinrichtung 90 in 9 beispielsweise von links nach rechts über die gesamte Ausdehnung des Pulverbetts 6. Während dieser Bewegung wird mittels der Ansaugeinrichtung nach Art eines Staubsaugers die Oberflächenschicht des Pulverbetts 6 abgesaugt.
Das abgesaugte Pulver nebst Metallspritzern, Fremdkörpern oder anderen Anomalien kann entsorgt werden. Vorteilhafterweise wird das abgesaugte Material jedoch in einer Filtereinrichtung 100 gefiltert, um beispielsweise Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper von dem eigentlichen Pulver abzutrennen. Das auf diese Weise gereinigte Pulver kann dann einem Pulverreservoir 102 zugeführt und im Rahmen des weiteren Fertigungsverfahrens wieder verwendet werden. Falls Pulver unterschiedlicher Pulversorten in dem Pulverbett 6 vorhanden ist, so können diese Pulversorten in der Filtereinrichtung 100 ebenfalls voneinander getrennt werden.
An dem Bauteil 88 anhaftende Schmelzpartikel oder andere Schmelzkörper können bei der Bewegung des Trägers 36 entlang der Oberfläche des Pulverbetts von dem Bauteil 88 mittels der Bürste 98 von dem Bauteil gelöst werden. Die gelösten Schmelzpartikel oder anderen Fremdkörper werden dabei mittels der Ansaugeinrichtung 90 abgesaugt.
Nachdem somit die Oberflächenschicht des Pulverbetts 6 abgesaugt und dadurch Schmelzpartikel, andere Fremdkörper oder sonstige Anomalien, die den darauffolgenden Schmelzvorgang stören könnten, aus dem Pulverbett 6 entfernt worden sind, kann eine neue Pulverschicht aufgetragen werden. Das Auftragen der Pulverschicht kann sich so vollziehen, wie weiter oben anhand der 2 bis 7 beschrieben.
Hierbei kann das Absaugen der Oberflächenschicht und das Auftragen einer neuen Oberflächenschicht in zwei Durchläufen bei der Bewegung des Trägers 36 entlang der Oberfläche des Pulverbetts erfolgen, indem bei einer Hinbewegung in einer Richtung des Doppelpfeiles 94 zunächst die Oberflächenschicht abgesaugt und bei einer Rückbewegung des Trägers 36 in der entgegengesetzten Richtung des Doppelpfeiles 94 eine neue Oberflächenschicht aufgetragen wird.
Es ist jedoch auch möglich, das Absaugen der Oberflächenschicht und das Auftragen einer neuen Oberflächenschicht in einem einzigen Durchlauf, also bei einer einzigen Bewegung des Trägers 36 entlang der Oberfläche des Pulverbetts 6 durchzuführen. Beispielsweise kann bei einer Bewegung 6 des Trägers 36 in 8 nach rechts mittels den Einrichtungen 90, 96 Material aus dem Pulverbett 6 bzw. von dem Bauteil 88 entfernt werden. Mittels einer der Einrichtung 90 nachgeordneten Zuführung kann während der Bewegung des Trägers 36 Pulver in den Zwischenraum zwischen der Einrichtung 90 und dem Abziehelement 32 eingebracht und das eingebrachte Pulver mittels des Abziehelementes 32 geformt, insbesondere geglättet werden. Nach dem Entfernen und Wiederauftragen der Oberflächenschicht in einem einzigen Durchlauf der Bewegung des Trägers 36 kann der Träger mit erhöhter Geschwindigkeit zurück in die Ausgangsposition bewegt werden.
Die Schichtdicke der abgesaugten Oberflächenschicht ist entsprechend den jeweiligen Anforderungen innerhalb weiter Grenzen wählbar. Das Gleiche gilt für die Schichtdicke der neu aufzutragenden Oberflächenschicht.
Anhand von 10 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen näher erläutert, wobei in der bereits beschriebenen Weise schmelzbares Metallmaterial in dem Materialreservoir vorgehalten wird, wobei das Metallmaterial in dem Metallreservoir 4 ein Pulverbett bildet. In das pulverförmige Metallmaterial wird mittels der Schmelzeinrichtung 8 entsprechenden Querschnitt 1 zu generierenden Bauteils selektiv geschmolzen.
Erfindungsgemäß sind Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil 88 vorgesehen, mittels derer zur Vorbereitung eines Schmelzvorganges während des Ablaufs des Fertigungsverfahrens Material aus dem Pulverbett 6 und/oder von dem Bauteil 88 entfernt wird. Das Entfernen von Material kann sich so vollziehen, wie anhand der 8 und 9 weiter oben näher erläutert.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 und das erfindungsgemäße Verfahren sind die Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit bei der pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen wesentlich erhöht. Außerdem ist die Qualität der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung generierten Bauteile wesentlich verbessert.
Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 9 das Pulverbett durch eine einzige Pulversorte gebildet wird, ist das Pulverbett 6 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 der Schichtung einer Bauteilpulverschicht 102, die die Oberfläche des Pulverbetts 6 bildet und aus zur Generierung des Bauteiles 88 schmelzbarem Bauteilpulver gebildet wird, und einer unter der Bauteilpulverschicht 104 angeordneten Füllpulverschicht 106 gebildet. Hierbei dient die Bauteilpulverschicht 104 zum Generieren des Bauteiles 88, während die Füllpulverschicht 106 zur Ableitung von während des Schmelzens des Bauteilpulvers 104 entstehender Wärme dient. Dementsprechend ist das Pulver der Füllpulverschicht 106 zur Optimierung der Ableitung von während des Schmelzens von Bauteilpulver entstehender Wärme ausgewählt und weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Bauteilpulver auf. Beispielsweise kann das Bauteilpulver aus Titan und das Füllpulver aus Kupfer bestehen.
Vorteilhafterweise befindet sich auf einer im Sinne einer effektiven Wärmeableitung relativ dicken Füllpulverschicht 106 eine relativ dünne Bauteilpulverschicht 104. Auf diese Weise ist die Wärmeableitung während des Fertigungsverfahrens wesentlich verbessert, das sowohl die Prozesssicherheit des Fertigungsverfahrens als auch die Qualität der gefertigten Bauteile wesentlich verbessert sind.
Um den Vorteil verbesserter Wärmeableitung während des gesamten Fertigungsverfahrens beizubehalten, wird nach einem Schmelzvorgang die Bauteilpulverschicht entfernt. Das Entfernen der Bauteilpulverschicht kann sich dabei so vollziehen, wie weiter oben anhand der 8 und 9 beschrieben.
Nach dem Entfernen der Bauteilpulverschicht 104 wird zum Aufbau der Füllpulverschicht 106 weiteres Füllpulver aufgetragen. Das Auftragen der Füllpulverschicht 106 kann dabei grundsätzlich so erfolgen, wie weiter oben anhand der 1 bis 7 beschrieben mit der Maßgabe, dass an die Formung der Oberfläche der Füllpulverschicht 106 keine besonders hohen Anforderungen zu stellen sind, weil die Füllpulverschicht 106 an dem eigentlichen Schmelzvorgang nicht teilnimmt und vielmehr im Betriebszustand der Vorrichtung 2 von der Bauteilpulverschicht 104 bedeckt ist.
Nach dem Auftragen weiteren Füllpulvers wird daran anschließend eine neue Bauteilpulverschicht 104 aufgetragen, wobei das Auftragen der neuen Bauteilpulverschicht 104 ebenfalls so erfolgen kann, wie weiter oben anhand der 2 bis 7 näher erläutert.
Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das Fertigungsverfahren beendet und das Bauteil 88 gefertigt ist.
Alle zuvor beschriebenen Vorgänge können gesteuert durch die Steuerungseinrichtung 12 vollautomatisch ablaufen, so dass sich eine Überwachung der Vorrichtung 2 in weitgehendem Maße erübrigt. Auf diese Weise ist die Produktivität bei der Fertigung von Bauteilen wesentlich erhöht.
Im Ergebnis stellt somit die Erfindung in vielfältiger Hinsicht Verbesserungen der bekannten Vorrichtungen bzw. Fertigungsverfahren bereit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19533960 A1 [0007]
DE 102014222159 A1 [0007]
EP 2942130 A1 [0008, 0012]

Claims

Vorrichtung (2) zur pulverbettbasierten generativen Fertigung von metallischen Bauteilen, mit einem Materialreservoir (4) zur Aufnahme eines mittels einer Schmelzeinrichtung schmelzbaren pulverförmigen Metallmateriales, wobei das Material in dem Materialreservoir ein Pulverbett (6) bildet und mit Oberflächenbearbeitungmitteln zum Bearbeiten der 0-berfläche des Pulverbetts (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) aufweist, die derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass die dreidimensionale Topographie der Oberfläche durch Gewinnung von Oberflächentiefeninformation der Oberfläche ermittelbar ist oder ermittelt wird und dass die Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) derart in Signalübertragungsverbindung mit den Oberflächenbearbeitungsmitteln stehen, dass die Oberfläche des Pulverbetts in Abhängigkeit von die dreidimensionale Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) repräsentierenden Ausgangssignalen der Mittel zur Ermittlung der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) vor Durchführung eines Schmelzvorgangs durch die Oberflächenbearbeitungsmittel bearbeitbar ist oder bearbeitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts in der Vorrichtung (2) fest installiert und steuerungstechnisch in eine Steuerungseinrichtung der Vorrichtung (2) eingebunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts optische Mittel aufweisen, die derart ausgebildet und eingerichtet sind, dass die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) durch Gewinnung von Oberflächentiefeninformation ermittelbar ist oder ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzeinrichtung wenigstens einen Laser (8) und/oder wenigstens eine Elektronenstrahlschmelzeinrichtung aufweist, dessen Laserstrahl (10) bzw. deren Elektronenstrahl gesteuert durch eine Steuerungseinrichtung (12) zum selektiven Schmelzen des pulverförmigen Metallmateriales entlang der Oberfläche des Pulverbetts (6) beweglich und in seiner Intensität veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbearbeitungsmittel wenigstens eine Glättungseinrichtung (17) zum Glätten der Oberfläche des Pulverbetts (6) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Mittel zur Ermittlung der Topographie der Oberfläche zur Vermessung der Oberfäche des Pulverbetts ausgebildet und eingerichtet sind und wenigstens eine 3D-messfähige Messvorrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Messvorrichtung als optische Messvorrichtung ausgebildet ist oder eine optische Messvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messvorrichtung wenigstens einen optischen Sensor aufweist, der mit einer Auswertungseinrichtung (24) in Datenübertragungsverbindung steht, die derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass aus den Ausgangssignalen des Sensors mittels eines 3D-Rekonstruktionsverfahrens die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) rekonstruierbar ist oder rekonstruiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor für eine Abtastung der Oberfläche des Pulverbetts (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor an einem relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts (6) beweglichen Träger (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor als Zeilensensor (18) ausgebildet ist und eine zeilenförmige Anordnung von Sensorelementen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (20) relativ zu dem Materialreservoir (4) linear beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (20) relativ zu dem Materialreservoir (4) drehbeweglich ist, insbesondere scheibenwischerartig.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Pulverbetts (6) wenigstens in einem von dem Sensor erfassten Bereich vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung für eine Beleuchtung der Oberfläche des Pulverbetts (6) unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln ausgebildet und eingerichtet ist und dass die Auswertungseinrichtung für eine Auswertung von bei Beleuchtung unter unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln erhaltenen Ausgangssignalen des optischen Sensors nach dem Shape-from-Shading-Verfahren ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor für eine Betrachtung einer Messstelle an der Oberfläche des Pulverbetts (6) unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (24) für eine Auswertung von Ausgangssignalen des optischen Sensors nach dem Stereo-Triangulationsverfahren ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein optischer Sensor als punktförmig messender Abstandssensor ausgebildet ist und die Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) durch Ermittlung des Abstandes zwischen dem Sensor und der Oberfläche an der jeweiligen von dem Sensor erfassten Messstelle ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit der Beleuchtungseinrichtung zu einer Sensor/Beleuchtungseinheit integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor/Beleuchtungseinheit an dem Träger angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (24) für eine Prüfung und/oder Vermessung einer durch Aufschmelzen des Pulvers gebildeten Querschnittsfläche des zu fertigenden Bauteils anhand der Ausgangssignale des optischen Sensors ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder dem Oberbegriff eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbearbeitungsmittel wenigstens ein Abziehelement (32) zum Formen der Oberfläche des Pulverbetts (6), wobei das Abziehelement (32) nach Art einer Rakel ausgebildet ist und eine Abziehkante (34) definiert, wobei das oder jedes Abziehelement (32) an einem beweglichen Träger (36) angeordnet ist und wobei der Träger (36) derart ausgebildet ist, dass die Abziehkante (34) zum Abziehen der Oberfläche des Pulverbetts (6) relativ zu derselben in einer Abziehebene (x-y-Ebene, 3) beweglich ist, wobei das oder jedes Abziehelement (32) entlang einer zu der Abziehebene senkrechten Verstellachse (z-Achse, 38) relativ zu dem Träger (36) verstellbar an demselben angeordnet ist zur Einstellung einer Abziehposition der Abziehkante (34), wobei die Abziehposition relativ zu dem Träger (36) während des Abziehvorganges wenigstens phasenweise fest oder entsprechend einer hochfrequenten Schwingung um eine Nulllage veränderlich ist und wobei der Verstellachse (38) eine Antriebseinrichtung (40) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Abziehkante (34) durch wenigstens zwei in Längsrichtung der Abziehkante (34) nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnete Abziehelemente (44-50) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Abziehkante (34) durch eine Vielzahl von in Längsrichtung der Abziehkante (34) nebeneinander aneinander angrenzend angeordneten Abziehelementen (44-50) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, wobei wenigstens zwei Abziehelementen (44-50), vorzugsweise jedem der Abziehelemente (44-50), eine separate, unabhängig ansteuerbare Antriebseinrichtung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei wenigstens eine Antriebseinrichtung als Piezoaktor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, mit einer Steuerungseinrichtung (12) zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung bzw. der Antriebseinrichtungen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, mit einer Messvorrichtung (18) zur dreidimensionalen Vermessung der Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6).
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Messvorrichtung (18) derart in Signalübertragungsverbindung mit der Steuerungseinrichtung (12) zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung (40) bzw. der Antriebseinrichtungen steht, dass die Antriebseinrichtung (40) bzw. die Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung (18) ansteuerbar ist bzw. sind oder angesteuert wird bzw. werden.
Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Steuerungseinrichtung (12) für eine automatische Ansteuerung der Antriebseinrichtung (40) bzw. der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von dem Messergebnis der Messvorrichtung (18) programmiert ist, derart, dass eine gewünschte Topographie der Oberfläche des Pulverbetts (6) automatisch gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, wobei die Messvorrichtung (18) als optische Messvorrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 31, wobei das Abziehelement (32) oder die Abziehelemente (44-50) an einem Abziehelementmodul angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei das Abziehelementmodul oder ein Teil des Abziehelementmoduls lösbar mit dem Träger (36) verbindbar oder verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, wobei das Abziehelementmodul ein passives Abziehkantenmodul (52), an dem nebeneinander eine Mehrzahl von unabhängig voneinander in Richtung entlang der Verstellachse (38) beweglichen Abziehkantenelementen angeordnet ist, und ein aktives Aktorenmodul aufweist, an dem eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Aktoren angeordnet ist, von denen jeder einem der Abziehkantenelementen zur Verstellung desselben entlang der Verstellachse (38) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei das Aktorenmodul fest und das Abziehkantenmodul (52) lösbar mit dem Träger (36) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, wobei das Abziehkantenmodul (52) einen Streifen (54) aus Blech oder einem anderen elastisch federnden Material aufweist, der winkelartig geformt ist und einen ersten Schenkel (56) aufweist, der durch entlang der Längsrichtung der Abziehkante (34) zueinander bebstandete Einschnitte (58, 60) in zungenartige Abziehkantensegmente (42, 64) unterteilt ist und dessen anderer Schenkel mit dem Träger (36) oder einem mit dem Träger (36) verbundenen Bauteil verbindbar oder verbunden ist, wobei jedes der Abziehkantensegmente (62, 64) durch einen zugeordneten Aktor (76) entlang der Verstellachse beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 36, mit einer Vibrationseinrichtung zur Beaufschlagung des Abziehelements (32) oder der Abziehelemente (44-50) mit hochfrequenten Schwingungen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 37, wobei der Träger (36) für eine translatorische Bewegung entlang einer linearen Abziehachse ausgebildet und eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 38, wobei wenigstens ein Abziehelement (32) zur Verstellung entlang der Verstellachse translatorisch beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 39, wobei wenigstens ein Abziehelement (32) zur Verstellung entlang der Verstellachse um eine Drehachse drehbeweglich ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder dem Oberbegriff eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die s Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) für eine Verlagerung von Material entlang der Oberfläche des Pulverbetts (6) ausgebildet und eingerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, wobei die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Werkstück (88) für ein Entfernen von Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil ausgebildet und eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, wobei die Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett und/oder von dem Werkstück für ein Entfernen von Pulver aus dem Pulverbett ausgebildet und eingerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, mit Mitteln zur Erkennung und/oder Lokalisierung von Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern in dem Pulverbett (6) und/oder an dem Werkstück (88).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 45, mit einer Messvorrichtung (18) zur Vermessung der Oberfläche des Pulverbetts (6) und/oder des Bauteils (88).
Vorrichtung nach Anspruch 46, wobei die Messvorrichtung (18) eine optische Messvorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, wobei die Messvorrichtung (18) in Datenübertragungsverbindung mit einer Auswertungseinrichtung (24) steht, die für eine Erkennung und/oder Lokalisierung von Schmelzpartikeln und anderen Fremdkörpern in dem Pulverbett (6) und/oder an dem Bauteil (88) ausgebildet und programmiert ist, derart, dass die Auswertungseinrichtung (24) anhand der Messdaten Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper erkennt und so die Mittel zur Erkennung und/oder Lokalisierung von Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern in dem Pulverbett (6) und/oder an dem Werkstück (88) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 48, wobei die Auswertungseinrichtung (24) in Datenübertragungsverbindung mit einer Steuerungseinrichtung (12) steht und derselben Auswertungsdaten übermittelt, die das Vorhandensein und/oder die Position von in dem Pulverbett (6) und/oder an dem Bauteil (88)) erkannten Schmelzpartikeln oder anderen Fremdkörpern repräsentieren, wobei die Steuerungseinrichtung (12) für eine Ansteuerung der Mittel zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) derart ausgebildet und programmiert ist, dass die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) erkannte Schmelzpartikel oder andere Fremdkörper aus dem Pulverbett (6) bzw. von dem Bauteil (88) entfernen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 49, wobei die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) wenigstens eine an einem Träger (36) angeordnete Einrichtung (90, 96) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) aufweisen, wobei der Träger (36) relativ zu der Oberfläche des Pulverbetts (6) beweglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88)wenigstens eine als Ansaugeinrichtung (90) mit wenigstens einer Ansaugdüse (92) ausgebildete Einrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 50 oder 51, wobei die Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) wenigstens eine bürstenartige Einrichtung (96) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 52, wobei die bürstenartige Einrichtung (96) wenigstens eine rotierende Bürste (98) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 51 bis 53, wobei wenigstens eine Ansaugdüse für eine punktartige Ansaugung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 51 bis 54, wobei wenigstens eine Ansaugdüse (92) für eine linienartige oder flächige Ansaugung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 51 bis 55, wobei wenigstens eine Ansaugeinrichtung (90) für ein Ansaugen von Pulver aus dem Pulverbett ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 51 bis 56, wobei wenigstens einer Ansaugeinrichtung (90) eine Filtereinrichtung (100) zum Filtern von angesaugtem Material nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 51 bis 57, wobei wenigstens eine Einrichtung (90, 96) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88) zusammen mit einer Einrichtung zum Einbringen von Pulver in das Pulverbett an einem gemeinsamen, entlang der Oberfläche des Pulverbetts (6) beweglichen Träger angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 58, mit einer Steuerungseinrichtung (12) zur automatischen Ansteuerung der Mittel (82) zum Entfernen von Material aus dem Pulverbett (6) und/oder von dem Bauteil (88).