DE102018200802A1

DE102018200802A1 - Dosiervorrichtung, Vorrichtung und Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102018200802A1
Application number: DE102018200802.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Jelin
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-07-18
Also published as: WO2019141762A1

Abstract

Eine Dosiervorrichtung dient als Aus- oder Nachrüstsatz für eine Vorrichtung (1) zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) an den dem Querschnitt (28) des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen, wobei die Vorrichtung (1) einen über ein Baufeld (8) in Beschichtungsrichtung (H) bewegbaren Beschichter (16, 16') zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) auf das Baufeld (8) umfasst und wobei die Dosiervorrichtung einen Dosierbehälter (18) zum Bevorraten des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) aufweist und wobei zumindest eine Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') in einem im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld (8) zugewandten Ausgabebereich (19) des Dosierbehälters (18) zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) vorgesehen ist. Die Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') ist zumindest in einer sich im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Beschichtungsrichtung (H) erstreckenden Bewegungsrichtung (A, A', A'') über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs (19) hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials und auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials in einer derartigen Vorrichtung, insbesondere auf eine in dieser Vorrichtung enthaltene und bei diesem Verfahren verwendete Dosiervorrichtung.
Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials mittels eines über ein Baufeld verfahrenden Beschichters aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
Ein Beschichter zum Aufbringen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials in einer derartigen Vorrichtung ist beispielsweise in EP 3 036 087 B1 beschrieben. Der Beschichter umfasst eine als Längsschlitz ausgebildete Öffnung zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials, wobei die längliche Öffnung durch Schließelemente in Querrichtung teilweise oder vollständig verschließbar ist. So kann die Öffnung in Abhängigkeit einer Verfahrgeschwindigkeit des Beschichters teilweise verschlossen werden oder die Öffnung kann beispielsweise bei einer beschichtungsfreien Fahrt vollständig verschlossen werden.
DE 10 2015 213 103 A1 beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, wobei in einem Bereich der Arbeitsebene abschnittsweise aktiv gesteuert die Menge des aufgebrachten pulverförmigen Aufbaumaterials verringert oder gar kein pulverförmiges Aufbaumaterial aufgebracht wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, insbesondere bevorzugt eine in dieser Vorrichtung enthaltene und bei diesem Verfahren verwendete Dosiervorrichtung bereitzustellen, mit der für einen Schichtauftrag bereichsweise unterschiedliche Pulvermengen bereitgestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Dosiervorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung dient als Aus- oder Nachrüstsatz für eine Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen. Die Vorrichtung umfasst einen über ein Baufeld in Beschichtungsrichtung bewegbaren Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials auf das Baufeld. Die Dosiervorrichtung weist einen Dosierbehälter zum Bevorraten des pulverförmigem Aufbaumaterials auf und zumindest eine Öffnung ist in einem im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld zugewandten Ausgabebereich des Dosierbehälters zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials vorgesehen, wobei die Öffnung zumindest in einer sich im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Beschichtungsrichtung erstreckenden Bewegungsrichtung über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar ist.
Der Begriff „ausdehnbar“ umfasst hier neben dem Vergrößern auch das Verringern der Querschnittsfläche der Öffnung, d.h. der Querschnittsfläche ist somit variierbar. Der Ausgabebereich des Dosierbehälters kann der Behälterboden sein. Er kann jedoch auch ein anderer Bereich des Dosierbehälters z.B. in der Nähe des Behälterbodens sein, der im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld im Wesentlichen zugewandt ist. Der bestimmungsgemäße Einsatz der Dosiervorrichtung meint dabei einen Zustand und/oder eine Anordnung bzw. Ausrichtung der Dosiervorrichtung in der Vorrichtung, in dem bzw. der die Dosiervorrichtung dazu geeignet ist, pulverförmiges Aufbaumaterial zum Aufbringen einer Schicht auszugeben, d.h. beispielsweise wenn sie wie unten beschrieben in einer Befüll- und/oder Ruheposition des Beschichters in der Vorrichtung angeordnet ist und/oder mit dem Beschichter über das Baufeld verfahren wird.
Mit einer derartigen Dosiervorrichtung kann beispielsweise auf einfache Art und Weise pulverförmiges Aufbaumaterial für den Beschichter bereitgestellt werden, der dieses dann zu einer gleichmäßigen Pulverschicht auszieht. Dadurch, dass die Öffnung über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar ist, d.h. dass die Öffnung als eine „wandernde“ Öffnung ausgebildet ist, die sich nicht stationär an einer Stelle des Dosierbehälters befindet, ist es beispielsweise möglich, die Menge des abgegebenen pulverförmigen Aufbaumaterials lokal zu steuern und so bereichsweise unterschiedliche Mengen des pulverförmigen Aufbaumaterials für das Aufbringen einer Pulverschicht bereitzustellen. Dadurch, dass die Bewegungsrichtung der Öffnung im Wesentlichen quer bzw. senkrecht zur Beschichtungsrichtung verläuft, ist es beispielsweise möglich, sowohl in als auch quer zu der Beschichtungsrichtung lokal unterschiedliche Pulvermengen in dem Baufeld aufzubringen.
Damit kann die Gestalt des Beschichtungsbereichs, in welchem tatsächlich ein Schichtauftrag erfolgt, beispielsweise von einer rechteckigen Form abweichen. Der Beschichtungsbereich kann dabei beispielsweise an eine Geometrie und/oder Lage des bzw. der herzustellenden Objekts bzw. Objekte angepasst werden oder an eine Form einer Bauplattform, auf der das dreidimensionale Objekt herstellbar ist.
Dies ermöglicht es beispielsweise, die für einen Schichtauftrag benötigte Pulvermenge gegenüber einem (gedachten) rechteckigen Beschichtungsbereich zu verringern und somit den Herstellungsprozess kostengünstiger und zeiteffizienter zu gestalten. Die Einsparung bei der Pulvermenge kann z.B. bei der Verwendung von Edelmetallpulvern oder anderen relativ teuren Pulverarten besonders vorteilhaft sein.
Neben einem Pulverauftrag in einem nicht-rechteckigen Beschichtungsbereich ist es beispielsweise auch möglich, mit der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung eine Zusatzpulvermenge an Stellen bereitzustellen, an denen sich durch die durch den Verfestigungsvorgang bewirkte Verdichtung des Aufbaumaterials Einsenkungen ausbilden.
Da die Dosiervorrichtung als ein Aus- bzw. Nachrüstsatz bereitgestellt ist, können auch bereits vorhandene Herstellvorrichtungen auf einfache Art und Weise damit aus- bzw. nachgerüstet werden.
Vorzugsweise weist der Ausgabebereich zumindest eine sich im Wesentlichen in der Bewegungsrichtung der Öffnung, welche vorzugsweise eine Längsrichtung des Ausgabebereichs ist, erstreckende Ausnehmung und/oder Aussparung auf, wobei die zumindest eine Öffnung durch zumindest ein, vorzugsweise zwei, an der Ausnehmung angeordnete bewegbare Reduzierelement(e) gebildet ist, vorzugsweise wobei die Öffnung als Blendenöffnung ausgebildet ist. Somit gibt die Ausnehmung bzw. Aussparung im Wesentlichen die Bewegungsrichtung der zumindest einen Öffnung vor. Mittels der Reduzierelemente sind der Öffnungsquerschnitt und/oder die Position der Öffnung in dem Ausgabebereich einstellbar. Durch die an der Ausnehmung bzw. Aussparung angeordneten Reduzierelemente kann somit beispielsweise eine einfache und/oder gut zu steuernde Ausbildungsform einer Öffnung zur Ausgabe des pulverförmigen Aufbaumaterials bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich zu den Reduzierelementen können auch Regulationselemente vorgesehen sein, insbesondere vor den Reduzierelementen in Richtung der Pulverausgabe, um beispielsweise eine Vergrößerung des Öffnungsquerschnitts zu ermöglichen bzw. zu erleichtern.
Vorzugsweise ist eine geometrische Form und/oder zumindest eine Abmessung der Querschnittsfläche der zumindest einen Öffnung veränderbar. Damit ist es beispielsweise möglich, den Öffnungsquerschnitt zu verändern und so die durch die Öffnung auszugebene Pulvermenge zu verändern, da die Größe der Öffnung (d.h. die Öffnungsquerschnittsfläche) ein Maß für die Menge des ausgegebenen Pulvers ist.
Vorzugsweise weist der Ausgabebereich zumindest zwei Öffnungen auf, wobei weiter bevorzugt zumindest zwei Öffnungen entlang derselben Raumrichtung, vorzugsweise entlang der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten, besonders bevorzugt entlang derselben Geraden bewegbar sind und/oder wobei zumindest zwei Öffnungen entlang verschiedener Raumrichtungen, vorzugsweise entlang der kürzesten Verbindung jeweils zweier Punkte, besonders bevorzugt entlang verschiedener Geraden bewegbar sind und die Raumrichtungen bzw. die kürzesten Verbindungen bzw. die Geraden vorzugsweise parallel zueinander sind. Beispielsweise können die zumindest zwei Öffnungen durch (mehr als zwei) Reduzier- und/oder Regulationselemente an derselben Ausnehmung des Ausgabebereichs gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die zumindest zwei Öffnungen beispielsweise auch durch Reduzier- und/oder Regulationselemente an verschiedenen (d.h. mehreren) in dem Ausgabebereich vorgesehenen Ausnehmungen gebildet sein. Durch mehrere (d.h. zumindest zwei) Öffnungen zur Ausgabe des pulverförmigen Aufbaumaterials ist beispielsweise eine verbesserte, insbesondere schnellere und/oder genauer einstellbare, lokal unterschiedliche Ausgabe von pulverförmigem Aufbaumaterial möglich.
Vorzugsweise weist der Ausgabebereich zumindest zwei Öffnungen auf und der Dosierbehälter weist zumindest zwei Vorratskammern zum Bevorraten von pulverförmigem Aufbaumaterial auf und jeder Vorratskammer ist zumindest eine Öffnung zum Ausgeben von pulverförmigem Aufbaumaterial zugeordnet. Dadurch ist es beispielsweise möglich, unterschiedliche Öffnungen durch unterschiedliche Vorratskammern zu speisen. Beispielsweise können unterschiedliche Vorratskammern mit unterschiedlichen pulverförmigen Aufbaumaterialien gefüllt sein, so dass durch unterschiedliche Öffnungen unterschiedliche Aufbaumaterialien für die gleichzeitige Herstellung verschiedener Objekte und/oder Objektbereiche ausgegeben werden.
Vorzugsweise umfasst die Dosiervorrichtung weiter zumindest eine Ablenkeinrichtung zur gerichteten Abgabe des pulverförmigen Aufbaumaterials. Damit kann beispielsweise die Genauigkeit der Pulverabgabe weiter verbessert werden, da durch die Ablenkeinrichtung ein genauer Auftreffort des Pulvers auf dem Baufeld bzw. in der Arbeitsebene definiert ist. Dies ist insbesondere für o.g. Ausführung der Dosiervorrichtung mit zwei Öffnungen vorteilhaft.
Vorzugsweise weist die Dosiervorrichtung zumindest eine weitere Öffnung auf, wobei die zumindest zwei Öffnungen derart angeordnet sind, dass auszugebendes pulverförmiges Aufbaumaterial zuerst einen größeren und anschließend einen kleineren Öffnungsquerschnitt passiert. Dadurch kann beispielsweise eine bessere Ausgabe des pulverförmigen Aufbaumaterials erzielt werden, da das Pulver zur Ausgabe wie bei einem Trichter zunehmend kleinere Öffnungsquerschnitte passiert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen umfasst einen über ein Baufeld in Beschichtungsrichtung bewegbaren Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials auf das Baufeld und eine oben beschriebene erfindungsgemäße Dosiervorrichtung. Damit können die oben mit Bezug auf die Dosiervorrichtung beschriebenen Wirkungen auch in einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts erzielt werden. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, für einen Schichtauftrag lokal unterschiedliche Pulvermengen in dem Baufeld aufzubringen und somit u. a. den Herstellungsprozess kostengünstiger und zeiteffizienter zu gestalten.
Vorzugsweise ist die Verfahrgeschwindigkeit des Beschichters einstellbar. Dadurch kann beispielsweise die Menge des, vorzugsweise lokal unterschiedlich, aufgebrachten pulverförmigen Aufbaumaterials gesteuert werden.
Vorzugsweise ist die Dosiervorrichtung mit dem Beschichter über das Baufeld hinweg bewegbar in der Vorrichtung angeordnet und/oder die Dosiervorrichtung ist in einer bestimmungsgemäßen Ruhe- und/oder Befüllposition des Beschichters in der Vorrichtung angeordnet. Insbesondere wenn die Dosiervorrichtung mit dem Beschichter über das Baufeld hinweg bewegbar in der Vorrichtung angeordnet ist, d.h. integral mit dem Beschichter gebildet ist, können beispielsweise im Wesentlichen beliebige, d.h. insbesondere nicht rechteckige, Beschichtungsbereiche realisiert werden. Auch bei einer Anordnung der Dosiervorrichtung in einer Ruhe- und/oder Befüllposition des Beschichters können beispielsweise durch die Dosiervorrichtung lokal unterschiedliche Pulvermengen bereitgestellt werden, die dann von dem Beschichter zu einer Pulverschicht, insbesondere in einem nicht rechteckigen Beschichtungsbereich, ausgezogen werden.
Vorzugsweise umfasst der Beschichter zumindest ein Beschichtungselement, welches dazu ausgebildet ist pulverförmiges Aufbaumaterial zu einer gleichmäßigen Schicht auszuziehen, wobei sich das Beschichtungselement vorzugsweise im Wesentlichen in einer Richtung quer, weiter bevorzugt senkrecht, zu einer bestimmungsgemäßen Bewegungsrichtung des Beschichters erstreckt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, von dem Dosiermodul lokal differenziert abgegebenes pulverförmiges Aufbaumaterial zu einer Pulverschicht auszuziehen.
Vorzugsweise weist das Baufeld winkelig, insbesondere quer, zur Beschichtungsrichtung des Beschichters, insbesondere wenn dieser zusammen mit der Dosiervorrichtung über das Baufeld verfahrbar ist, d.h. die Dosiervorrichtung integral mit dem Beschichter ausgebildet ist, unterschiedliche Abmessungen entlang der Beschichtungsrichtung auf. Da die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung dazu geeignet ist lokal unterschiedliche Pulvermengen abzugeben, ist es damit beispielsweise möglich, den Pulverauftrag im Wesentlichen auf ein derartiges Baufeld zu beschränken, d.h. außerhalb des Baufelds im Wesentlichen kein Pulver aufzutragen und somit den Beschichtungsbereich an die Lage und/oder Form des Baufelds anzupassen und somit die Menge des für einen Schichtauftrag benötigten Aufbaumaterials gegenüber einem Schichtauftrag in einem rechteckigen Baufeld zu verringern.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufbringen einer Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials wird im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen durchgeführt. Bei dem Verfahren wird die Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials mittels eines in einer Beschichtungsrichtung über ein Baufeld fahrenden Beschichters auf das Baufeld aufgebracht und der Beschichter umfasst eine Dosiervorrichtung und/oder das pulverförmige Aufbaumaterial wird dem Beschichter aus einer Dosiervorrichtung zugeführt, wobei die Dosiervorrichtung einen Dosierbehälter zum Bevorraten des pulverförmigem Aufbaumaterials aufweist und wobei zumindest eine Öffnung in einem im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld zugewandten Ausgabebereich des Dosierbehälters zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials vorgesehen ist, wobei die Öffnung zumindest in einer sich im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Beschichtungsrichtung erstreckenden Bewegungsrichtung über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar ist. Mit einem derartigen Verfahren zum Aufbringen einer Pulverschicht können die oben mit Bezug auf die Dosiervorrichtung bzw. die Herstellvorrichtung beschriebenen Wirkungen erzielt werden.
Vorzugsweise wird in dem Verfahren eine Querschnittsfläche bzw. Ausdehnung der zumindest einen Öffnung in Abhängigkeit von einem Ziel-Abgabevolumen, d.h. einem vorab festgelegten abzugebenden Volumen, und/oder einer Ziel-Abgabemenge, d.h. einer vorab festgelegten abzugebenden Menge, und/oder eine Ziel-Abgabemasse, d.h. einer vorab festgelegten abzugebenden Masse, des pulverförmigen Aufbaumaterials, insbesondere ortsabhängig, eingestellt. Damit können beispielsweise lokal unterschiedliche Pulvervolumen bzw. Pulvermengen bzw. Pulvermassen für den Schichtauftrag bereitgestellt werden.
Vorzugsweise gibt die Dosiervorrichtung das pulverförmige Aufbaumaterial entlang der Bewegungsrichtung der Öffnung, welche vorzugsweise eine Längsrichtung des Ausgabebereichs ist, lokal unterschiedlich ab, wobei die lokal unterschiedlich abgegebenen Mengen des pulverförmigen Aufbaumaterials an eine Geometrie des Baufelds angepasst sind. Damit ist es beispielsweise möglich, den Pulverauftrag auf einen an die Geometrie des Baufelds angepassten Beschichtungsbereich zu beschränken.
Vorzugsweise wird das pulverförmige Aufbaumaterial zumindest in einem Abschnitt der Dosiervorrichtung und/oder des Beschichters fluidisiert. Damit ist es beispielsweise möglich, die Fließfähigkeit des Pulvers zu verbessern, so dass das Pulver leichter und/oder gleichmäßiger aus der Öffnung austritt und/oder nachfließt.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer als Beschichter ausgebildeten Dosiervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3a bis 3c sind schematische Draufsichten (in drei unterschiedlichen Betriebszuständen) auf den in 2 gezeigten Beschichter und eine Arbeitsebene von oben.
4 ist eine schematische Schnittansicht einer ersten Weiterbildung des in 2 gezeigten Beschichters.
5 ist eine schematische Schnittansicht einer zweiten Weiterbildung des in 2 gezeigten Beschichters.
6 ist eine schematische Schnittansicht durch einen Abschnitt des in 2 gezeigten Bechichters gemäß einer dritten Weiterbildung.
7 ist eine schematische Draufsicht auf eine als Beschichter ausgebildete Dosiervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Draufsicht auf eine als Beschichter ausgebildete Dosiervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Draufsicht auf einen Beschichter und eine Arbeitsebene von oben gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 15. In der mit Bezug auf 9 beschriebenen vierten Ausführungsform der Erfindung ist der Vorratsbehälter 14 als erfindungsgemäße Dosiervorrichtung ausgebildet. Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 einen in einer horizontalen Richtung H, welche im Folgenden auch als Beschichtungsrichtung bezeichnet wird, bewegbaren Beschichter 16, 16' zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb eines Bereichs der Arbeitsebene 7, welcher im Folgenden auch als Beschichtungsbereich (in 1 nicht gezeigt) bezeichnet wird. Der Beschichter 16, 16' wird unten mit Bezug auf die 2-9 näher beschrieben.
Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 15 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 2 eine erste Ausführungsform einer als Beschichter 16 ausgebildeten Dosiervorrichtung beschrieben.
Der in 2 gezeigte Beschichter 16 umfasst einen Dosierbehälter 18 zum Bevorraten von pulverförmigem Aufbaumaterial 15 mit einem als Behälterboden 19 ausgebildetem Ausgabebereich. Der Behälterboden 19 erstreckt sich im Wesentlichen in eine Längsrichtung über eine Länge L und in eine Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung über eine Breite B. In dem Behälterboden 19 ist eine als Schlitz 30 ausgebildete Ausnehmung vorgesehen, die sich im Wesentlichen in eine Längsrichtung über eine Länge L' und in eine Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung über eine Breite B' erstreckt. Vorzugsweise sind die Längsrichtungen und die Querrichtungen des Behälterbodens 19 und des Schlitzes 30 jeweils parallel zueinander. Weiter ist die Breite B' des Schlitzes 30 vorzugsweise kleiner als die Breite B des Behälterbodens 19 und die Länge L' des Schlitzes 30 ist kleiner als oder gleich groß wie die Länge L des Behälterbodens 19. Die Länge L' des Schlitzes ist jedoch vorzugsweise zumindest so groß wie eine Erstreckung des zu beschichtenden Beschichtungsbereichs senkrecht zu der Beschichtungsrichtung H.
An dem Schlitz 30 sind zwei Reduzierelemente 32, 33 angeordnet, welche beispielsweise als Schieber ausgebildet sind, und die dazu geeignet sind, eine als Ausgabeöffnung 31 ausgebildete Öffnung zu bilden, d.h. den Schlitz 30 teilweise zu verschließen, so dass lediglich ein der Ausgabeöffnung 31 entsprechender Abschnitt des Schlitzes 30 offen ist. Die Ausgabeöffnung 31 bildet somit eine Öffnung in dem Behälterboden 19, durch die in dem Dosierbehälter 18 bevorratetes pulverförmiges Aufbaumaterial 15 aus diesem nach unten, d.h. zur Arbeitsebene 7 hin, austreten kann.
Die Reduzierelemente 32, 33 sind dabei in Längsrichtung des Schlitzes 30 stufenlos, d.h. kontinuierlich verschiebbar an diesem angeordnet, so dass die Größe des Querschnitts der Ausgabeöffnung 31 (d.h. der der Ausgabeöffnung 31 entsprechende Längenabschnitt des Schlitzes 30 in dessen Längsrichtung) und die Position der Ausgabeöffnung 31 in dem Behälterboden 19 (d.h. die Position in dem Schlitz 30) durch die Reduzierelemente 32, 33 einstellbar sind. Die Ausgabeöffnung 31 ist somit senkrecht zur Beschichtungsrichtung H über den Behälterboden 19 hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar. Der Begriff „ausdehnbar“ umfasst auch das Verringern der Querschnittsfläche der Ausgabeöffnung.
Alternativ kann auch nur ein Reduzierelement an dem Schlitz 30 vorgesehen sein. Die Ausgabeöffnung 31 kann dann beispielsweise durch das Reduzierelement und einen Rand des Behälterbodens 19 bzw. einer Wandung des Dosierbehälters 18 begrenzt sein.
Sowohl der Behälterboden 19 als auch der Schlitz 30 können von der in 2 gezeigten rechteckigen Form abweichen.
Zusätzlich zu den in 2 gezeigten Reduzierelementen 32, 33 können noch weitere in 2 nicht gezeigte Reduzierelemente an dem Schlitz 30 vorgesehen sein, um den Öffnungsquerschnitt des Schlitzes 30 in seine Querrichtung zu verringern, d.h. die Breite B' der Ausgabeöffnung 31 einzustellen.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Der Beschichter 16 fährt zunächst zu dem Vorratsbehälter 14 und nimmt aus ihm eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 15 auf. Dann fährt er über einen Bereich der Arbeitsebene 7, vorzugsweise über das Baufeld 8, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterial 15 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es optional zu einer Pulverschicht aus. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 15 mittels einer Strahlungsheizung 17 auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 15 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Das Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 15 wird im Folgenden mit Bezug auf 3a-3c näher beschrieben.
3a zeigt den Schritt des Befüllens des Beschichters 16. Der Beschichter ist in einer Befüllposition x₀ unterhalb des Vorratsbehälters 14 (in 3a nicht gezeigt) außerhalb des gezeigten Bereichs der Arbeitsebene 7 in der Lasersintervorrichtung 1 angeordnet und in Beschichtungsrichtung H entlang der x-Achse über den Bereich der Arbeitsebene 7 bzw. des Baufelds 8 verfahrbar. Der in 3a gezeigte Bereich der Arbeitsebene 7 umfasst ein kreisförmiges Baufeld 8 mit einem darin liegenden bereits verfestigten Objektquerschnitt 28 der vorhergehenden Schicht, wobei sich das kreisförmige Baufeld 8 in x-Richtung zwischen einer Anfangsposition x_A und einer Endposition x_B erstreckt. Während dem Beschichter 16 in der Befüllposition x₀ pulverförmiges Aufbaumaterial 15 zugeführt wird ist die Ausgabeöffnung 31 des Dosierbehälters 18 vorzugsweise durch die Reduzierelemente 32, 33 vollständig verschlossen.
Zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 15 fährt der Beschichter in Beschichtungsrichtung H über den Bereich der Arbeitsebene 7 wie in 3b und 3c gezeigt. Dabei werden die Reduzierelemente 23, 33 abhängig von der Position des Beschichters 16 so gesteuert, dass pulverförmiges Aufbaumaterial 15 durch die Ausgabeöffnung 31 ausgegeben und in einem Beschichtungsbereich in der Arbeitsebene 7 aufgebracht wird.
Soll beispielsweise bei der in 3a gezeigten Anordnung das pulverförmige Aufbaumaterial 15 lediglich in dem Bereich des kreisförmigen Baufelds 8 aufgebracht werden, so wird die Ausgabeöffnung 31 des Beschichters 16 lediglich dann geöffnet, wenn sich der Beschichter 16 in einem Bereich zwischen der Anfangsposition x_A und der Endposition x_B befindet. In Beschichtungsrichtung H vor der Anfangsposition x_A und hinter der Endposition x_B ist die Ausgabeöffnung vorzugsweise im Wesentlichen vollständig verschlossen.
Dabei kann die Ausgabeöffnung 31 beispielsweise wie in 3b gezeigt so eingestellt werden, dass für eine Position x₁ des Beschichters 16 zwischen der Anfangsposition x_A und der Endposition x_B über dem Baufeld 8 die Länge der Ausgabeöffnung, d.h. ihre Abmessung in Richtung der Längsrichtung L' des Schlitzes 30, der Erstreckung des Baufelds 8 senkrecht zur Beschichtungsrichtung H an der Stelle x₁ entspricht. Mit anderen Worten wird die Größe der Ausgabeöffnung 31 jeweils an den sich zu dem jeweiligen Zeitpunkt unter dem Schlitz 30 befindlichen Baufeldbereich angepasst, die Ausgabeöffnung 31 ist also über den Behälterboden 19 hinweg ausdehnbar. Der Beschichter 16 wird dabei beispielsweise mit konstanter Geschwindigkeit in Beschichtungsrichtung H über das Baufeld 8 verfahren.
Alternativ dazu kann, wie in 3c gezeigt, die Größe der Ausgabeöffnung 31 während der Beschichterfahrt konstant gehalten werden und die Ausgabeöffnung 31 in eine Bewegungsrichtung A, die in 3b durch einen Doppelpfeil dargestellt ist, entlang der Längsrichtung L' des Schlitzes 30, d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Beschichtungsrichtung H, hin und her bewegt werden. An der Stelle x₁ zwischen der Anfangsposition x_A und der Endposition x_B überfährt die Ausgabeöffnung 31 also den Bereich des Schlitzes 30, der der Erstreckung des Baufelds 8 senkrecht zur Beschichtungsrichtung H an der Stelle x₁ entspricht. Die Ausgabeöffnung 31 ist also über den Behälterboden 19 hinweg bewegbar, insbesondere hin und her bewegbar. Dazu kann der Beschichter 16 mit konstanter Geschwindigkeit über das Baufeld 8 verfahren werden, wobei die Geschwindigkeit des Beschichters 16 kleiner ist als in dem mit Bezug auf 3b beschriebenen Beispiel, oder der Beschichter 16 wird diskontinuierlich und/oder schrittweise über das Baufeld 8 verfahren, wobei er an Stellen, an denen das Baufeld 8 eine größere Erstreckung senkrecht zur Beschichtungsrichtung H aufweist, langsamer verfahren wird als an Stellen, an denen das Baufeld 8 eine größere Erstreckung senkrecht zur Beschichtungsrichtung H aufweist. Der Beschichter kann auch angehalten werden, während die Ausgabeöffnung 31 die Erstreckung des Baufelds 8 in Bewegungsrichtung A abfährt.
Die mit Bezug auf die 3b und 3c beschriebenen Möglichkeiten zum Verfahren des Beschichters 16 bzw. zur Steuerung der Ausgabeöffnung 31 sind auch untereinander kombinierbar, d.h. die Ausgabeöffnung 31 kann über den Behälterboden 19 hinweg verfahren und gleichzeitig ausgedehnt werden. Der Begriff „ausgedehnt“ bzw. „ausdehnen“ umfasst hier auch das Verringern der Querschnittsfläche der Ausgabeöffnung.
Dabei kann der Beschichtungsbereich, in dem pulverförmiges Aufbaumaterial aufgebracht wird, auch ein von dem Baufeld 8 abweichender Bereich in der Arbeitsebene 7 sein. Beispielsweise kann das pulverförmige Aufbaumaterial auch lediglich in dem Bereich eines zu verfestigenden Objektquerschnitts 28 aufgebracht werden.
Die Menge des aufgebrachten pulverförmigen Aufbaumaterials 15 an einer Stelle des Beschichtungsbereichs kann dabei unter anderem durch die Verfahrgeschwindigkeit des Beschichters 16 in Beschichtungsrichtung H und/oder die Breite der Ausgabeöffnung 31 in die Querrichtung B' des Schlitzes 30 und/oder die Verfahrgeschwindigkeit der Ausgabeöffnung 31 in deren Bewegungsrichtung A und/oder der Anzahl von Überfahrten der Ausgabeöffnung 31 über diese Stelle eingestellt werden.
In einer in 4 gezeigten ersten Weiterbildung des oben beschriebenen Beschichters 16 ist an einer Unterseite des Dosierbehälters 18 in Beschichtungsrichtung H hinter dem Schlitz 30 ein als Abziehelement 43 ausgebildetes Beschichtungselement vorgesehen. Senkrecht zur Zeichenebene erstreckt sich das Abziehelement 43 bevorzugt zumindest über die Länge L' des Schlitzes 30 in dessen Längsrichtung. Das Abziehelement 43 ist vorzugsweise flexibel ausgebildet, beispielsweise als eine Gummilippe.
Nach dem Aufbringen und selektiven Verfestigen einer Pulverschicht 40 wird mittels Verfahren des Beschichters 16 in Beschichtungsrichtung H eine weitere Pulverschicht 41 aufgetragen, indem pulverförmiges Aufbaumaterial 15 aus der Ausgabeöffnung 31 des Dosierbehälters 18 auf die vorherige Schicht 40 aufgebracht wird. Das dabei durch die Ausgabeöffnung 31 ausgegebene Pulver bildet eine Anhäufung 42 in Beschichtungsrichtung H vor dem Abziehelement 43 und wird dann von diesem zu einer gleichmäßigen Schicht 41 ausgezogen. Da das flexible Abziehelement 43 einen gleichmäßigen Druck bzw. eine gleichmäßige Kraft auf die Schicht 41 ausübt, wird diese gleichzeitig verdichtet. Die Dicke der aufgebrachten Schicht 41 ist dabei durch den Abstand des der Schicht 41 zugewandten Endes des Abziehelements 43 von der Unterseite des Behälterbodens 19 des Dosierbehälters 18 bestimmt.
Alternativ kann das Beschichtungselement auch als eine Klinge und/oder Walze und/oder Bürste ausgebildet sein.
In einer in 5 gezeigten zweiten Weiterbildung des oben beschriebenen Beschichters 16 ist an einer Unterseite des Dosierbehälters 18 eine Ablenkeinrichtung 44 vorgesehen. Die Ablenkeinrichtung 44 erstreckt sich vorzugsweise von einem in Beschichtungsrichtung H vor dem Schlitz 30 an der Unterseite des Dosierbehälters 18 befestigten ersten Ende 44a schräg nach unten zu einem freien zweiten Ende 44b, welches zumindest unterhalb des Schlitzes 30, vorzugsweise in Beschichtungsrichtung H hinter dem Schlitz 30, unterhalb des Dosierbehälters 18 von diesem beabstandet vorgesehen ist. Senkrecht zur Zeichenebene erstreckt sich die Ablenkeinrichtung 44 zumindest über die Länge L' des Schlitzes 30 in dessen Längsrichtung.
Durch die Ausgabeöffnung 31 ausgegebenes pulverförmiges Aufbaumaterial gelangt zuerst auf die Ablenkeinrichtung 44 und rutscht dann aufgrund der Schwerkraft zu dem zweiten Ende 44b hin, von wo aus es auf die Arbeitsebene 7 gelangt. Somit wird dem über die Breite B' des Schlitzes 30 abgegebenen pulverförmigen Aufbaumaterial ein Auftreffort in der Arbeitsebene zugeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Beschichter 16 wie unten mit Bezug auf 8 beschrieben zwei in Beschichtungsrichtung H hintereinander angeordnete Schlitze mit Ausgabeöffnungen aufweist.
In einer in 6 gezeigten dritten Weiterbildung des oben beschriebenen Beschichters sind an dem Behälterboden 19 erste Reduzierelemente 32a, 33a vorgesehen, die eine erste Öffnung mit einer Querschnittsabmessung (Länge oder Breite) C bilden, sowie zweite Reduzierelemente 32b, 33b, die eine zweite bzw. dritte Öffnung mit einer Querschnittsabmessung (Länge oder Breite) D bzw. E bilden. Die Querschnittsabmessung C der ersten Öffnung ist dabei größer als die Querschnittsabmessung D der zweiten Öffnung und diese ist wiederum größer als die Querschnittsabmessung E der dritten Öffnung. Die ersten Reduzierelemente 32a, 33a sind oberhalb, d.h. in Pulverausgaberichtung vor den zweiten Reduzierelementen 32b, 33b angeordnet und die zweiten Reduzierelemente 32b, 33b bilden einen trichterförmigen Schacht mit von der zweiten zur dritten Öffnung hin abnehmender Querschnittsfläche.
Aus dem Dosierbehälter auszugebendes pulverförmiges Aufbaumaterial 15 passiert somit zuerst die große Öffnung zwischen den ersten Reduzierelementen 32a, 33a, dann die kleinere zweite Öffnung und wird anschließend durch die kleinste dritte Öffnung ausgegeben. Dadurch wird ein besseres Rieseln des Pulvers und somit eine bessere, insbesondere homogenere Pulverausgabe erzielt.
Die Ausgabeöffnung 31 des Dosierbehälters ist somit durch die dritte Öffnung mit Querschnittsabmessung E zwischen den unteren Enden der zweiten Reduzierelemente 32b, 33b gebildet. Zumindest die zweiten Reduzierelemente 32b, 33b sind verschiebbar an dem Schlitz 30 angeordnet, so dass die Ausgabeöffnung 31 über den Behälterboden hinweg ausdehnbar und/oder verfahrbar ist. Die ersten Reduzierelemente 32a, 33a können ebenfalls verschiebbar an dem Schlitz 30 angeordnet sein, so dass die erste Öffnung ebenfalls über den Behälterboden hinweg ausdehnbar und/oder verfahrbar ist. Vorzugsweise werden die ersten Reduzierelemente 32a, 33a koordiniert mit den zweiten Reduzierelemente 32b, 33b verschoben, so dass die erste (größere) Öffnung mit der Ausgabeöffnung, d.h. der kleineren Öffnung, mitfahrend ausgebildet ist.
Die drei in 6 gezeigten Öffnungen können sich in Längsrichtung oder auch in Querrichtung des Schlitzes 30 erstrecken.
Die zweiten Reduzierelemente 32b, 33b können auch wie die ersten Reduzierelemente 32a, 33a nicht trichterförmig sondern stufenförmig ausgebildet sein bzw. können die ersten Reduzierelemente 32a, 33a auch wie die zweiten Reduzierelemente 32b, 33b trichterförmig ausgebildet sein. Eine Verjüngung der Querschnittsfläche in Pulverausgaberichtung kann auch lediglich mit den zweiten trichterförmigen Reduzierelementen 32b, 33b erzielt werden. Es können auch mehr als die gezeigten vier Reduzierelemente vorgesehen sein.
Optional können die zweiten Reduzierelemente 32b, 33b Gaseintrittsöffnungen aufweisen um das in dem Zwischenraum zwischen ihnen befindliche pulverförmige Aufbaumaterial durch Einleiten eines Gases zu fluidisieren. Dadurch kann die Pulverausgabe weiter verbessert werden, insbesondere eine noch homogenere Pulverausgabe erzielt werden.
Eine zweite Ausführungsform einer als Beschichter 16 ausgebildeten Dosiervorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 7 beschrieben. Dabei zeigt 7 eine Aufsicht auf den Behälterboden 19 des Beschichters von oben.
Die zweite Ausführungsform des Beschichters unterscheidet sich von der oben beschriebenen ersten Ausführungsform darin, dass an der als Schlitz 30 ausgebildeten Ausnehmung drei Reduzierelemente 45, 46, 47 angeordnet sind, wobei eine erste Ausgabeöffnung 31a zwischen dem ersten Reduzierelement 45 und dem zweiten Reduzierelement 46 gebildet ist und eine zweite Ausgabeöffnung 31b zwischen dem zweiten Reduzierelement 46 und dem dritten Reduzierelement 47, d.h. die Reduzierelemente 45, 46, 47 verschließen den Schlitz 30 teilweise, so dass lediglich zwei den Ausgabeöffnungen 31a bzw. 31b entsprechende Abschnitte des Spaltes 30 offen sind.
Die Reduzierelemente 45, 46, 47 sind dabei in Längsrichtung des Schlitzes 30 stufenlos, d.h. kontinuierlich verschiebbar an diesem angeordnet, so dass die Größe der Querschnitte der Ausgabeöffnungen 31a, 31b (d.h. die den Ausgabeöffnungen entsprechenden Längenabschnitte des Schlitzes 30 in dessen Längsrichtung) und die Position der Ausgabeöffnungen 31a, 31b in dem Behälterboden 19 (d.h. die Positionen in dem Schlitz 30) durch die Reduzierelemente 45, 46, 47 einstellbar sind. Die Ausgabeöffnungen 31a, 31b sind somit senkrecht zur Beschichtungsrichtung H über den Behälterboden 19 hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar.
Mit dem gezeigten Beschichter mit zwei Ausgabeöffnungen 31a, 31b ist es unter anderem möglich, einen Pulverauftrag in einer zu beschichtenden Fläche schneller durchzuführen als mit einem Beschichter mit lediglich einer Ausgabeöffnung. Zudem können mit dem gezeigten Beschichter mit zwei Ausgabeöffnungen 31a, 31b beispielsweise zwei voneinander getrennte, sich in Beschichtungsrichtung H erstreckende Beschichtungsbereiche in der Arbeitsebene 7 aufgebracht werden. Dabei kann das Aufbaumaterial für den Pulverauftrag in jedem der beiden Beschichtungsbereiche durch je eine Ausgabeöffnung ausgegeben werden.
Alternativ kann/können auch nur ein oder zwei Reduzierelement(e) an dem Schlitz 30 vorgesehen sein. Die Ausgabeöffnungen 31a, 31b können dann beispielsweise durch das Reduzierelement 46 und einen Rand des Behälterbodens 19 bzw. einer Wandung des Dosierbehälters 18 begrenzt sein. Es können auch mehr als drei Reduzierelemente bzw. mehr als zwei Ausgabeöffnungen in dem Schlitz 30 vorgesehen sein.
Sowohl der Behälterboden 19 als auch der Schlitz 30 können von der in 7 gezeigten rechteckigen Form abweichen.
Zusätzlich zu den in 7 gezeigten Reduzierelementen 45, 46, 47 können noch weitere in 7 nicht gezeigte Reduzierelemente an dem Schlitz 30 vorgesehen sein um den Öffnungsquerschnitt des Schlitzes 30 in seine Querrichtung zu verringern, d.h. die Breite der Ausgabeöffnungen 31a, 31b einzustellen.
Eine dritte Ausführungsform einer als Beschichter 16 ausgebildeten Dosiervorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 8 beschrieben. Dabei zeigt 8 eine Aufsicht auf den Behälterboden 19 des Beschichters von oben.
Die dritte Ausführungsform des Beschichters unterscheidet sich von den oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen darin, dass zwei als Schlitze 30', 30'' ausgebildete Ausnehmungen in dem Behälterboden 19 vorgesehen sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Schlitze 30', 30'' parallel zueinander entlang der Längsrichtung L des Behälterbodens. An dem ersten Schlitz 30' sind zwei Reduzierelemente 33', 32' vorgesehen, welche in Längsrichtung des Schlitzes 30' stufenlos, d.h. kontinuierlich verfahrbar sind und eine erste Ausgabeöffnung 31' bilden. An dem zweiten Schlitz 30'' sind zwei Reduzierelemente 33'', 32'' vorgesehen, welche in Längsrichtung des Schlitzes 30'' stufenlos, d.h. kontinuierlich verfahrbar sind und eine zweite Ausgabeöffnung 31'' bilden. Die Ausgabeöffnungen 31', 31'' sind somit in einer Bewegungsrichtung A' bzw. A'' senkrecht zur Beschichtungsrichtung H über den Behälterboden 19 hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar.
Vorzugsweise werden die Austrittsöffnungen 31', 31'' während der Beschichter 16 zum Aufbringen einer Schicht über die Arbeitsebene 7 fährt gegenläufig verfahren bzw. ausgedehnt wie in 8 gezeigt, d.h. während sich die erste Ausgabeöffnung 31' in die erste Bewegungsrichtung A' bewegt bzw. ausdehnt bewegt sich die zweite Ausgabeöffnung 31'' in die zweite Bewegungsrichtung A'' entgegengesetzt zu der ersten Bewegungsrichtung A' bzw. dehnt sich aus.
Mit dem in 8 gezeigten Beschichter mit zwei parallel bzw. antiparallel zueinander verfahrbaren und/oder ausdehnbaren Ausgabeöffnungen 31', 31'', die in Beschichtungsrichtung H hintereinander angeordnet sind, ist es unter anderem möglich, einen Pulverauftrag in einer zu beschichtenden Fläche schneller durchzuführen als mit einem Beschichter mit lediglich einer Ausgabeöffnung. Insbesondere kann der Beschichter mit dem Merkmal der in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen zweiten Weiterbildung weitergebildet sein, d.h. an einer Unterseite des Beschichters ist vorzugsweise eine Ablenkeinrichtung vorgesehen, die sich in horizontale Richtung über beide Schlitze 30' und 30'' erstreckt. Damit wird den beiden Schlitzen 30', 30'' ein gemeinsamer Auftreffort für das abgegebene pulverförmige Aufbaumaterial in der Arbeitsebene 7 zugeordnet.
Alternativ kann an zumindest einem Schlitz 30', 30'' auch nur ein Reduzierelement vorgesehen sein. Die Ausgabeöffnung 31', 31'' kann dann beispielsweise durch ein Reduzierelement und einen Rand des Behälterbodens 19 bzw. einer Wandung des Dosierbehälters 18 begrenzt sein. Es können auch mehr als drei Schlitze in dem Behälterboden 19 mit entsprechenden Ausgabeöffnungen vorgesehen sein.
Sowohl der Behälterboden 19 als auch die Schlitze 30', 30'' können von der in 8 gezeigten rechteckigen Form abweichen.
Zusätzlich zu den in 8 gezeigten Reduzierelementen 32', 33', 32'', 33'' können noch weitere in 8 nicht gezeigte Reduzierelemente an den Schlitzen 30', 30'' vorgesehen sein um den Öffnungsquerschnitt der Schlitze 30', 30'' in Querrichtung zu verringern, d.h. die Breite der Ausgabeöffnungen 31', 31'' einzustellen.
In den oben beschriebenen ersten drei Ausführungsformen ist die Dosiervorrichtung integral mit dem Beschichter ausgebildet, d.h. der Beschichter 16 umfasst den Dosierbehälter 18, und wird mit diesem zum Aufbringen einer Schicht über den Beschichtungsbereich bzw. über das Baufeld 8 verfahren.
Alternativ dazu können die Dosiervorrichtung und der Beschichter auch separat voneinander in der Lasersintervorrichtung 1 angeordnet sein. Die Dosiervorrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise fest in der Vorrichtung 1 angeordnet, z.B. in einer Befüll- oder Ruheposition des Beschichters 16' oberhalb des Beschichters 16', also anstelle des Vorratsbehälters 14 in 1.
9 zeigt eine Aufsicht auf einen Bereich der Arbeitsebene 7 von oben mit einer in einem Beschichtungsbereich 27 aufgebrachten Pulverschicht und einem Beschichter 16' in einer Ruhe- bzw. Befüllposition außerhalb des gezeigten Bereichs der Arbeitsebene 7.
Zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials nimmt der Beschichter 16' aus der Dosiervorrichtung eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 15 auf. Dann fährt er über den Beschichtungsbereich 27, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterial 15 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es zu einer Pulverschicht aus. Dabei kann die von der Ausgabeöffnung der Dosiervorrichtung abgegebene Pulvermenge entlang der Längsrichtung L des Beschichters lokal unterschiedlich sein, so dass die Pulverschicht in einem nicht-rechteckigen Beschichtungsbereich 27 aufgebracht wird. Wie in 9 gezeigt kann der Beschichtungsbereich 27 an die Form und/oder Lage des Baufelds 8 in der Arbeitsebene 7 angepasst sein. Alternativ dazu kann der Beschichtungsbereich auch an einen Objektquerschnitt des herzustellenden Objekts 2 und/oder an eine räumliche Verteilung mehrerer herzustellender Objekte angepasst sein.
Die Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können, soweit möglich, miteinander kombiniert werden. Auch können die Merkmale der ersten, zweiten und dritten Weiterbildung, welche mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurden, miteinander und/oder mit einer der anderen Ausführungsformen kombiniert werden.
Bei einem Beschichter bzw. einer Dosiervorrichtung mit mehreren Ausgabeöffnungen, also insbesondere bei einem Beschichter bzw. einer Dosiervorrichtung gemäß 7 und 8, kann der Dosierbehälter 18 auch mehr als eine Vorratskammer zum Bevorraten von pulverförmigem Aufbaumaterial aufweisen, wobei vorzugsweise jeder Vorratskammer zumindest eine Öffnung zum Ausgeben von pulverförmigem Aufbaumaterial zugeordnet ist. Die verschiedenen Vorratskammern können beispielsweise mit verschiedenen Aufbaumaterialien gefüllt sein.
Zum Aufbringen aufeinanderfolgender Pulverschichten kann der Beschichter 16 gemäß der ersten, zweiten und/oder dritten Ausführungsform und/oder der Beschichter 16' gemäß der vierten Ausführungsform jeweils in Beschichtungsrichtung H über den Beschichtungsbereich bzw. das Baufeld bewegt werden, also z.B. jeweils von der linken zur rechten Seite in 1. Um den Beschichter für den nächsten Schichtauftrag wieder in seine Ausgangsposition unterhalb des Vorratsbehälters 14 bzw. der Dosiervorrichtung zu bringen, wird dieser vorzugsweise außerhalb des Baufelds bzw. des Beschichtungsbereichs wieder zurückgeführt.
Hierzu kann ein auf einer Kreisbahn geführter rotierender Beschichter verwendet werden. Alternativ dazu kann die Beschichtung auch durch ein Beschichtungselement (z.B. zwei parallel geführte Klingen) realisiert werden, die nach der Beschichtung nach oben oder seitlich weggeführt werden und in einem geschlossenen Kreislauf, vorzugsweise in einem Fördersystem, vor dem Vorratsbehälter bzw. der Dosiervorrichtung wieder eingekoppelt werden. Hierzu können auch mehrere Beschichtungselemente, insbesondere Beschichterklingen, in einer Warteposition, vorzugsweise der Ruhe- und/oder Befüllposition des Beschichters bereitgestellt sein, so dass auch während der Rückführung eines Beschichtungselements bereits ein nächstes Beschichtungselement für einen Schichtauftrag bereitsteht.
Dies hat den Vorteil, dass während des selektiven Verfestigens einer aufgebrachten Pulverschicht das Aufbaumaterial für die darauf folgende Pulverschicht bereits bereitgestellt bzw. aufgebracht werden kann, was die Herstellungszeit verkürzt.
Alternativ dazu kann der Beschichter 16, 16' nach dem Schichtauftrag zum Aufbringen einer darauf folgenden Pulverschicht auch über das Baufeld bzw. den Beschichtungsbereich zurückgeführt werden, d.h. in einer der ursprünglichen Beschichtungsrichtung H entgegengesetzten Richtung. Hierzu kann ein zweiter Vorratsbehälter bzw. eine zweite Dosiervorrichtung auf der rechten Seite der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 angeordnet sein (nicht gezeigt), der dem in 1 auf der linken Seite dargestellten Vorratsbehälter bzw. Dosiervorrichtung entspricht.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials angewendet werden.
Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das pulverförmige Aufbaumaterial zu verfestigen. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden.
Insbesondere kann die Erfindung auch auf das Laserauftragschweißen (auch als Laser-Cladding bezeichnet) angewendet werden, bei dem ein Strahl des pulverförmigen Aufbaumaterials durch eine Düse selektiv auf einen Arbeitspunkt des Laserstrahls gerichtet wird. Die Düse kann dabei als bewegbare und/oder ausdehnbare Öffnung der Dosiervorrichtung ausgebildet sein.
Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines pulverförmigen Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das pulverförmige Aufbaumaterial verfestigt wird.
Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3036087 B1 [0003]
DE 102015213103 A1 [0004]

Claims

Dosiervorrichtung als Aus- oder Nachrüstsatz für eine Vorrichtung (1) zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) an den dem Querschnitt (28) des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen, wobei die Vorrichtung (1) einen über ein Baufeld (8) in Beschichtungsrichtung (H) bewegbaren Beschichter (16, 16') zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) auf das Baufeld (8) umfasst und wobei die Dosiervorrichtung einen Dosierbehälter (18) zum Bevorraten des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) aufweist und wobei zumindest eine Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') in einem im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld (8) zugewandten Ausgabebereich (19) des Dosierbehälters (18) zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') zumindest in einer sich im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Beschichtungsrichtung (H) erstreckenden Bewegungsrichtung (A, A', A'') über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs (19) hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ausgabebereich (19) zumindest eine sich im Wesentlichen in der Bewegungsrichtung (A, A', A'') der Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31''), welche vorzugsweise eine Längsrichtung (L) des Ausgabebereichs ist, erstreckende Ausnehmung (30, 30', 30'') aufweist, wobei die zumindest eine Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') durch zumindest ein, vorzugsweise zwei, an der Ausnehmung (30, 30', 30'') angeordnete bewegbare Reduzierelement(e) (32, 33, 32', 33', 32'', 33'', 32a, 33a, 32b, 33b, 45, 46, 47) gebildet ist, vorzugsweise wobei die Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') als Blendenöffnung ausgebildet ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine geometrische Form und/oder zumindest eine Abmessung der Querschnittsfläche der zumindest einen Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') veränderbar ist.
Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ausgabebereich (19) zumindest zwei Öffnungen (31a, 31b; 31', 31'') aufweist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 4, wobei zumindest zwei Öffnungen (31', 31'') entlang derselben Raumrichtung, vorzugsweise entlang der kürzesten Verbindung zwischen zwei Punkten, besonders bevorzugt entlang derselben Geraden bewegbar sind und/oder wobei zumindest zwei Öffnungen (31', 31'') entlang verschiedener Raumrichtungen, vorzugsweise entlang der kürzesten Verbindung jeweils zweier Punkte, besonders bevorzugt entlang verschiedener Geraden bewegbar sind und die Raumrichtungen bzw. die kürzesten Verbindungen bzw. die Geraden vorzugsweise parallel zueinander sind.
Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ausgabebereich (19) zumindest zwei Öffnungen (31a, 31b; 31', 31'') aufweist und der Dosierbehälter zumindest zwei Vorratskammern zum Bevorraten von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) aufweist und jeder Vorratskammer zumindest eine Öffnung (31a, 31b; 31', 31'') zum Ausgeben von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) zugeordnet ist.
Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit weiter zumindest einer Ablenkeinrichtung (44) zur gerichteten Abgabe des pulverförmigen Aufbaumaterials (15).
Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zumindest einer weiteren Öffnung, wobei die zumindest zwei Öffnungen derart angeordnet sind, dass auszugebendes pulverförmiges Aufbaumaterial (15) zuerst einen größeren Öffnungsquerschnitt (C) und anschließend einen kleineren Öffnungsquerschnitt (D, E) passiert.
Vorrichtung zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) an den dem Querschnitt (28) des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen mit einem über ein Baufeld (8) in Beschichtungsrichtung (H) bewegbaren Beschichter (16, 16') zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) auf das Baufeld (8) und einer Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 8.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Dosiervorrichtung mit dem Beschichter (16) über das Baufeld (8) hinweg bewegbar in der Vorrichtung (1) angeordnet ist oder wobei die Dosiervorrichtung in einer bestimmungsgemäßen Ruhe- und/oder Befüllposition des Beschichters (16') in der Vorrichtung (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Beschichter (16, 16') zumindest ein Beschichtungselement (43) umfasst, welches dazu ausgebildet ist pulverförmiges Aufbaumaterial (15) zu einer gleichmäßigen Schicht (40, 41) auszuziehen und wobei sich das Beschichtungselement (43) vorzugsweise im Wesentlichen in einer Richtung quer, weiter bevorzugt senkrecht, zur Beschichtungsrichtung (H) des Beschichters (16, 16') erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Baufeld (8) winkelig, insbesondere quer, zur Beschichtungsrichtung (H) des Beschichters (16, 16') unterschiedliche Abmessungen entlang der Beschichtungsrichtung (H) aufweist.
Verfahren zum Aufbringen einer Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials (15) im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen zumindest eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von pulverförmigem Aufbaumaterial (15) an den dem Querschnitt (28) des herzustellenden Objekts (2) in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen, wobei die Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) mittels eines in einer Beschichtungsrichtung (H) über ein Baufeld (8) fahrenden Beschichters (16, 16') auf das Baufeld (8) aufgebracht wird und der Beschichter (16) eine Dosiervorrichtung umfasst und/oder wobei das pulverförmige Aufbaumaterial dem Beschichter (16') aus einer Dosiervorrichtung zugeführt wird, wobei die Dosiervorrichtung einen Dosierbehälter (18) zum Bevorraten des pulverförmigem Aufbaumaterials (15) aufweist und wobei zumindest eine Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') in einem im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Einsatz der Dosiervorrichtung dem Baufeld (8) zugewandten Ausgabebereich (19) des Dosierbehälters (18) zum Ausgeben des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') zumindest in einer sich im Wesentlichen quer, vorzugsweise senkrecht, zu der Beschichtungsrichtung (H) erstreckenden Bewegungsrichtung (A, A', A'') über zumindest einen Abschnitt des Ausgabebereichs (19) hinweg bewegbar und/oder ausdehnbar ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Querschnittsfläche und/oder eine Ausdehnung der zumindest einen Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31'') in Abhängigkeit von einem Ziel-Abgabevolumen und/oder einer Ziel-Abgabemenge und/oder eine Ziel-Abgabemasse des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Dosiervorrichtung das pulverförmige Aufbaumaterial (15) entlang der Bewegungsrichtung (A, A', A'') der Öffnung (31, 31a, 31b, 31', 31''), welche vorzugsweise eine Längsrichtung (L) des Ausgabebereichs (19) ist, lokal unterschiedlich abgibt, wobei die lokal unterschiedlich abgegebenen Mengen des pulverförmigen Aufbaumaterials (15) an eine Geometrie des Baufelds (8) angepasst sind.