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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigen, insbesondere metallischem oder keramischem Werkstoff in einem Prozessraum, mit
- - einer Prozesssteuereinrichtung,
- - einem Träger für den Schichtaufbau,
- - einer Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils aktuell zuoberst auf dem Träger präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des Formkörpers mit einer Strahlung, insbesondere fokussierten Laserstrahlung, die das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich durch Erhitzen zum Verschmelzen oder ggf. zum Versintern bringt,
- - einer Nivellier- und Glättungseinrichtung zur Präparierung einer jeweils nachfolgend zu bestrahlenden Werkstoffpulverschicht auf dem Träger, wobei die Nivellier- und Glättungseinrichtung wenigstens einen motorisch bewegbaren Glättungsschieber zur Einebnung und Nivellierung einer jeweiligen Menge an Werkstoffpulver auf dem Träger zur Bildung einer Werkstoffpulverschicht aufweist, und mit
- - einer Absaugeinrichtung, die eine Saugdüsenvorrichtung zur Absaugung von Prozessrauch aus dem Prozessraum aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet des selektiven Laserschmelzens und geht sowohl verfahrensmäßig als auch vorrichtungsmäßig von einer Technologie aus, wie sie z.B. in der
WO 2010/068327 A1 , in der
DE 199 05 067 A1 , in der
DE 101 12 591 A1 , in der
WO 98/24574 A , in der
WO 2006/024373 A2 , der
WO 2017/084781 A1 und der
DE 10 2006 014 835 A1 beschrieben ist.
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Unter den Begriffen selektives Laserschmelzen, selektives Pulverschmelzen, selektives Lasersintern und dgl., sind in jüngerer Zeit leistungsfähige Methoden zur Herstellung von Gegenständen auch komplizierterer Geometrie bekannt geworden, wobei diese häufig unter dem Begriff „Rapid Prototyping“ oder „Rapid Manufacturing“ oder „3-D-Druck“ zusammengefassten Methoden im Wesentlichen auf folgendem Prinzip basieren:
- Der herzustellende Gegenstand wird nach Maßgabe von Beschreibungsdaten, z.B. CAD-Daten bzw. von davon abgeleiteten geometrischen Beschreibungsdaten schichtweise aus einem feinkörnigen, pulvrigen Rohmaterial auf dem Träger im Prozessraum aufgebaut, indem das Rohmaterial entsprechend einem der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsmuster des Gegenstandes durch ortsselektives Bestrahlen verfestigt bzw. verschmolzen wird. Das Bestrahlen erfolgt normalerweise mittels Laserstrahlung, wobei die Steuerung einer den Laserstrahl ablenkenden Strahlablenkeinrichtung der Bestrahlungseinrichtung mittels einer Steuereinrichtung auf der Basis betreffender geometrischer Beschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstandes erfolgt. Die Steuerinformationen werden üblicherweise von einem Mikrocomputer aufbereitet und bereitgestellt.
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Der Laserstrahl zeichnet auf der aktuell zuoberst auf dem Träger präparierten Rohmaterialschicht aus Pulver das dieser Schicht zugeordnete Querschnittsmuster des Gegenstandes, um das Rohmaterial dem Querschnittsmuster entsprechend selektiv zu verschmelzen. Danach beginnt dann üblicherweise die Präparation der nächsten Werkstoffpulverschicht auf der zuletzt durch Bestrahlung selektiv und bereichsweise verschmolzenen Schicht, woraufhin dann wieder ein Bestrahlungsvorgang in der vorstehend erläuterten Weise erfolgt. Der Gegenstand entsteht somit Schicht für Schicht, wobei die aufeinanderfolgend hergestellten Querschnittsschichten des Gegenstandes so miteinander verschmolzen werden, dass sie aneinander haften. Als Pulvermaterialien kommen diverse Metalle und Legierungen infrage, darunter z.B. Stahl, Titan, Gold, Tantal, Aluminium, Inconel usw.. Auch keramisches Werkstoffpulver kann beim selektiven Laserschmelzen eingesetzt werden. Ferner sind mit der Methode des selektiven Laserschmelzens nahezu alle erdenklichen Formen von Gegenständen herstellbar, wodurch sie für die Herstellung von komplizierten Formen, Maschinenelementen, Prothesen, Schmuckstücken usw. prädestiniert ist.
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Die jeweilige Einstellung des Schichtniveaus relativ zur Strahlquelle bzw. zur Strahlablenkeinrichtung erfolgt normalerweise durch entsprechendes Absenken einer Plattform, welche den Träger bildet, auf der der Gegenstand schichtweise aufgebaut wird. Beim selektiven Laserschmelzen erfolgt das Bestrahlen des eingesetzten Werkstoffpulvers üblicherweise unter Schutzgasatmosphäre, z.B. Argon-Atmosphäre, insbesondere um Oxidationseffekte zu unterdrücken. Es ist bekannt, den Prozessraum während der Durchführung des Verfahrens des selektiven Laserschmelzens kontinuierlich mit Schutzgas zu spülen, indem an einer Seite des Prozessraums Schutzgas eingelassen wird, welches an der gegenüberliegenden Prozessraumgehäuseseite wieder moderat abgesaugt wird. Das abgesaugte Schutzgas kann in einem Kreislauf dem Prozessraum ggf. nach Filterung wieder zugeführt werden.
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Beim Umschmelzen des Werkstoffpulvers durch Bestrahlen entsteht je nach den Betriebsbedingungen mehr oder weniger Prozessrauch durch Verdampfungseffekte. Bei betreffenden Vorrichtungen des Standes der Technik steigt der Prozessrauch im Prozessraum auf und schlägt sich zumindest teilweise an den Prozessrauminnenwänden, insbesondere an der Prozessraumdecke und sonstigen im Prozessraum befindlichen Flächen als Kondensat nieder. Der Prozessraum und darin befindliche Installationen werden somit durch Kondensatabscheidung nach und nach mehr verschmutzt. Dies betrifft auch Komponenten der Bestrahlungseinrichtung, wie etwa Fenster, Linsen oder dgl.. Die Verschmutzung einer solchen Komponente der Bestrahlungseinrichtung führt dazu, dass ein Teil der Strahlung von dem Kondensatmaterial absorbiert wird und somit nicht für das Umschmelzen des Werkstoffpulvers zur Verfügung steht. Dabei können überdies unerwünschte Erhitzungseffekte an der betreffenden Komponente der optischen Bestrahlungseinrichtung durch Absorption auftreten. Auch kann Rauchgas im Strahlengang des Laserstrahls diesen in ungünstiger Weise streuen bzw. absorbieren.
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Bei der Umschmelzung bestimmter Werkstoffpulver, insbesondere bei der Umschmelzung von Titanpulver, kann Prozessrauch entstehen, dessen im Prozessraum zunächst in Schutzgasatmosphäre abgeschiedenes Kondensat bei nachfolgendem Kontakt mit Luft hochreaktiv ist und bei Ansammlung kritischer Mengen zur spontanen Selbstentzündung bzw. Flammbildung neigt.
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Beim Umschmelzen des Werkstoffpulvers entsteht üblicherweise auch Funkenflug, so dass Schmelzspritzer ggf. auf bereits zu zusammenhängenden Flächenbereichen umgeschmolzenen Pulvers und/oder auf Wänden des Prozessraumes oder auf darin befindlichen Geräten landen und dort als Festpartikel in unerwünschter Weise anhaften können, sofern keine Gegenmaßnahmen getroffen werden.
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In der
EP 1 839 781 B1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem Werkstoff beschrieben, bei welcher Maßnahmen zur Vermeidung des Niederschlags von Rauchgas an kritischen Stellen im Prozessraum getroffen sind. Diese Maßnahmen umfassen das Durchleiten von Schutzgas durch den Prozessraum mittels einer Schutzgasfördereinrichtung, welche Mittel zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer für Prozessrauch nahezu undurchdringlichen Trennzone in Form einer Schutzgasströmungsschicht zwischen dem Baufeld und der dem Baufeld oben gegenüberliegenden Seite des Prozessraumgehäuses aufweist. Der Prozessrauch wird mit Schutzgas aus dem Prozessraum ausgeleitet und einer Filterstation zugeführt, so dass das Schutzgas nach Filterung ggf. weiterbenutzt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einem flexiblen Rauchgasableitungskonzept bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest eine Saugdüse der Saugdüsenvorrichtung mittels einer Antriebseinrichtung im Prozessraum motorisch bewegbar ist und dass die Saugdüse bei ihrer Bewegung im Saugbetrieb betreibbar ist, während die Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweiligen aktuell auf dem Träger präparierten Werkstoffpulverschicht aktiv ist.
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Die Saugdüsenvorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine eigene Antriebseinrichtung zum Bewegen der mindestens einen Saugdüse aufweisen.
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Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, gemäß welcher die wenigstens eine bewegbare Saugdüse zu gemeinsamen Bewegung mit dem Glättungsschieber der Nivellier- und Glättungseinrichtung gekoppelt ist, so dass die Antriebseinrichtung der Saugdüse zugleich die Antriebseinrichtung des Glättungsschiebers ist.
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Es wird im Folgenden hauptsächlich auf diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eingegangen.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Saugdüse der Absaugeinrichtung in den meisten Fällen jeweils recht nahe an den Ort des momentanen Umschmelzens des Pulvers und somit an der Quelle des Rauchgases platziert werden. Dies bedeutet, dass das Rauchgas und auch Schmelzspritzer sogleich nach Entstehung weitgehend durch die Saugdüse abgefangen werden können und somit kaum Möglichkeiten haben, sich an Prozessraumwänden oder sonstigen Komponenten im Prozessraum abzusetzen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist mit der bewegbaren Saugdüse ein Auffangblech für Schmelzspritzer gekoppelt, welches unterhalb der Saugdüse in unmittelbarer Nähe dazu nach außen absteht. Die Saugdüse kann in vielen Fällen auch Schmelzspritzer zu dem Auffangblech hin und von diesem absaugen.
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Die Prozesssteuereinrichtung ist in einem bevorzugten Prozesssteuermodus dazu eingerichtet, die Arbeitsweise der Bestrahlungseinrichtung sowie der Nivellier- und Glättungseinrichtung und der Absaugeinrichtung so aufeinander abzustimmen, dass der jeweilige Abstand zwischen der zur Prozessrauchabsaugung aktiven Saugdüse und dem jeweiligen aktuellen Ort der Bestrahlung der Pulverschicht möglichst gering ist und einen bestimmten Maximalwert nicht überschreitet. Der Maximalwert liegt vorzugsweise zwischen 3 und 15 cm.
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Vorzugsweise umfasst auch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Schutzgassystem, welches einen Schutzgaskreislauf durch den Prozessraum hindurch während des Betriebs aufrechterhält. Die Saugdüse kann an einen Schutzgaskreislauf angeschlossen sein, so dass Rauchgas und ggf. Funkenflugkondensat mit abgesaugtem Schutzgas aus dem Prozessraum heraus - und vorzugsweise einem Filtersystem zugeführt wird, um es auszufiltern. Ein Zyklonfilter kann vorgesehen sein, um Grobteile auszufiltern.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Vorgänge des Präparierens der jeweiligen obersten Werkstoffpulverschicht einerseits und des ortsselektiven Bestrahlens der Werkstoffpulverschicht sowie des Rauchgasabsaugens andererseits gesondert und nacheinander durchführbar.
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Gemäß einer Variante der Erfindung können die Saugdüse und der Glättungsschieber beim Überstreichen des Baufeldes auf dem Träger ihre Funktionen simultan während der Bewegung ausführen, nämlich das Rauchgas absaugen einerseits und das Ebnen und Nivellieren des Pulvers andererseits. Währenddessen kann die Bestrahlungseinrichtung wirksam sein, um Werkstoffpulver in den Bereichen des Baufeldes umzuschmelzen, welches bereits unmittelbar vorher von der Nivellier- und Glättungseinrichtung eingeebnet wurde. Diese Betriebsweise erlaubt somit schnelles Arbeiten der Vorrichtung bei sehr effizienter Rauchgasabführung.
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Die wenigstens eine Saugdüse an dem Glättungsschieber ist vorzugsweise über eine bewegbar flexible Leitung oder Teleskopleitung mit einer äußeren Saugquelle der Absaugeinrichtung verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Variante hat die Saugdüse eine Breitdüsenform mit einer sich zumindest näherungsweise über die gesamte Breite des Baufeldes quer zur Bewegungsrichtung der Saugdüse erstreckenden Breite.
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Gemäß einer Ausführungsform können in der Breitdüse mehrere kleinere Düsenkanäle nebeneinander vorgesehen sein. Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform können solche Düsenkanäle einzeln oder in Gruppen gesondert unter Kontrolle der Prozesssteuereinrichtung ein- und ausgeschaltet werden.
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Die Saugdüse ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie dem Glättungsschieber bei dessen Bewegung über das Baufeld folgt.
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Vorzugsweise ist die Saugdüse auch bei Stillstand des Glättungsschiebers im Saugbetrieb betreibbar. Dabei kann der Glättungsschieber in einer Position über dem Baufeld angehalten sein. Auch kann er bei aktiver Saugdüse seitlich neben dem Baufeld geparkt sein.
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Vorzugsweise ist der Glättungsschieber so gestaltet, dass er bei Bewegung in einer ersten horizontalen Richtung über das Baufeld hinweg - und auch bei Bewegung in der der ersten Bewegung entgegengesetzten Richtung über das Baufeld hinweg zur Einebnung und Nivellierung einer jeweiligen Menge an Werkstoffpulver über der zuletzt bestrahlten Schicht betreibbar ist und dass auch die Saugdüsenvorrichtung so gestaltet ist, dass sie im Absaugbetrieb unabhängig von der Bewegungsrichtung des Glättungsschiebers betreibbar ist. Hierdurch wird die Betriebsflexibilität der Vorrichtung verbessert.
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Eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber verschiedene Glättungsschieberelemente aufweist, nämlich in Bewegungsrichtung des Glättungsschiebers beim Einebnungs- und Nivellierbetrieb aufeinanderfolgend wenigstens ein Bürstenelement, wenigstens ein Klingenelement und wenigstens ein gummiartiges Element, insbesondere Silikonelement, mit im Wesentlichen ebener horizontaler unterer Abstreiffläche. Ein solcher Glättungsschieber hat sich als sehr gut funktionierend erwiesen. Insbesondere können die Glättungsschieberelemente in einer im Wesentlichen symmetrischen Anordnung jeweils doppelt am Glättungsschieber vorgesehen sein, wobei ferner zu der wenigstens einen Saugdüse wenigstens eine weitere Saugdüse in zumindest näherungsweise symmetrischer Anordnung dazu vorgesehen ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung des Glättungsschiebers und der Saugdüsenanordnung wird erreicht, dass bei den Hin- und Herfahrten des Glättungsschiebers gleiche Bedingungen für den Einebnungsprozess und im Wesentlichen auch für den Absaugprozess eingehalten werden können. Vorzugsweise befindet sich zentral zwischen den Glättungsschieberelementen eine Pulverabgabeeinrichtung zur Ablage des Werkstoffpulvers auf den Träger während der Bewegung des Glättungsschiebers.
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Da die Saugdüsenvorrichtung während des Bestrahlungsbetriebs der Vorrichtung normalerweise nahe an dem jeweiligen Umschmelzbereich positioniert ist, eignet sie sich in besonderer Weise für die Anordnung einer Bildsensoreinrichtung, z.B. einer CCD-Sensorzeile oder einer entsprechenden Kamera, die zur Bildaufnahme dieses Umschmelzbereichs ausgerichtet ist und somit zur Analyse des Schmelzvorgangs oder/und Pulverpräparierungsvorrichtung genutzt werden kann. Dabei kann es sich z.B. um eine vorzugsweise drahtlose Web-Kamera handeln. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht wenigstens eine solche Bildsensoreinrichtung vor. Das Bild kann auf einem Bildschirmmonitor ausgegeben werden. Auch besteht die Möglichkeit die Bildinformationen beispielsweise mittels der Prozesssteuereinrichtung automatisch auszuwerten, um bei Bedarf ggf. automatische Korrekturen vornehmen zu können, etwa die Intensität der Strahlungsquelle nachzustellen. Hierzu können auch spektralauflösende Bildgebungssysteme vorhanden sein.
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Darauf hinzuweisen ist ferner, dass die Absaugeinrichtung mit ihrer Saugdüsenvorrichtung auch als Träger von Strahlungsquellen zum Aufheizen des Werkstoffpulvers geeignet ist, da sie betriebsmäßig nahe an dem Umschmelzbereich positioniert ist und somit daran angeordnete Strahlungsquellen aus geringer Entfernung den Umschmelzbereich bestrahlen und somit erwärmen können. Bei diesen Strahlungsquellen handelt es sich vorzugsweise um Zusatzstrahlungsquellen, wie etwa Hochleistungsinfrarotstrahler.
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In einer weiteren Ausbaustufe könnten solche Strahlungsquellen ggf. auch als Hauptstrahlungsquellen oder gar als einzige Strahlungsquellen für den Bauprozess an der bewegbaren Absaugeinrichtung bzw. der Baugruppe aus Saugdüsenvorrichtung und Schichtenpräparierungseinrichtung angeordnet sein, etwa als Strahlungsquellenmatritzen oder Lasereinrichtungen.
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Eine interessante Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung eine im Prozessraum motorisch bewegbare Schutzgaseinblasvorrichtung mit wenigstens einer Schutzgaseinblasdüse aufweist. Vorzugsweise ist die Schuztgaseinblasvorrichtung mit der Saugdüsenvorrichtung zur gemeinsamen Bewegung gekoppelt, so dass die wenigstens eine Schutzgasblasdüse der Schutzgaseinblasvorrichtung und die wenigstens eine Saugdüse der Saugdüsenvorrichtung einen nicht zu großen Abstand zueinander haben. Von der Saugdüse zusammen mit Prozessrauch abgesaugtes Schutzgas kann somit ganz oder teilweise mittels der Schutzgasblasdüse in dem Prozessraum ersetzt werden, so dass die dabei erzeugten Gasströme einen möglichst kleinen Bereich des Prozessraumgehäuses merklich betreffen.
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Ferner kann das eingeblasene Schutzgas, z.B. Argon, Prozessrauch von bestimmten Stellen des Prozessraums fernhalten und insbesondere zu der Saugdüse hin treiben.
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Dem Aspekt der insbesondere gemeinsam mit der Saugdüsenvorrichtung im Prozessraum motorisch bewegbaren Schutzgaseinblasvorrichtung kann selbständige erfinderische Bedeutung zukommen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung in Vorderansicht mit Blick in den Prozessraum, wobei in 1 die Nivellier- und Glättungseinrichtung in ihrem Betriebszustand der Präparierung einer neuen oberen Werkstoffpulverschicht dargestellt ist.
- 2 zeigt in einer der 1 entsprechenden Darstellungsweise die Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einem Betriebszustand, in dem die zuvor präparierte oberste Werkstoffpulverschicht ortsselektiv bestrahlt wird und eine Prozessrauchabsaugung stattfindet.
- 3 zeigt in einer der 1 bzw. 2 entsprechenden Darstellungsweise die Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einer Sonderbetriebsart, gemäß welcher das Präparieren der oberen Werkstoffpulverschicht, das Bestrahlen dieser Schicht an Stellen, an denen sie bereits fertig ist und das Absaugen von Prozessrauch simultan stattfindet.
- 4 zeigt in einer schematischen Perspektivdarstellung Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
- 5 zeigt in einer Darstellungsweise entsprechend den 1 bis 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Erläuterungsskizze gemäß 1 zeigt eine Momentaufnahme eines Pulverschichtenpräparationsschrittes im Rahmen der Herstellung eines Gegenstandes 2 durch schichtweises Aufbauen aus einem Pulver 4, z.B. Titanpulver mit einer Körnung von z.B. 10 µm bis 60 µm oder Stahlpulver entsprechender Körnung. Der Aufbau des Gegenstandes 2 erfolgt in einem Prozessraum 8, welcher von dem Prozessraumgehäuse begrenzt ist. In dem Prozessraum 8 herrscht Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise Argon-Atmosphäre, unter Aufrechterhaltung eines Schutzgaskreislaufs (nicht gezeigt) durch den Prozessraum 8. Das schichtweise Aufbauen des Gegenstandes 2 erfolgt auf einer Trägerplattform 14, welche mittels einer Vertikalantriebseinheit gesteuert vertikal bewegbar und in verschiedenen Vertikaleinstellungen positionierbar ist. Eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 mit einer Nivellier- und Glättungseinrichtung 13 dient zur Präparierung der jeweils folgenden Werkstoffpulverschicht 7 auf dem Träger 14. Die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 ist in 1 von links nach rechts und von rechts nach links über das gesamte Baufeld und somit über den gesamten Träger 14 hinweg verfahrbar. Sie weist zentral ein sich quer zur Zeichenebene über das gesamte Baufeld erstreckendes Pulverabgabereservoir 17 auf, aus welchem sie Werkstoffpulver zur Bildung einer neuen oberen Pulverschicht 7 auf dem Baufeld während der Bewegung der Schichtenpräparierungseinrichtung 12 ablegen kann. Links und rechts neben dem Pulverabgabereservoir 17 weist die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 an einem Glättungsschieber 15 in einer symmetrischen Anordnung jeweils drei verschiedene Glättungsschieberelemente 20, 22, 24 auf. Das Glättungsschieberelement 20 ist eine Kunststoffbürste. Das Glättungsschieberelement 22 ist eine metallische Klinge mit unterer Spitze. Das Glättungsschieberelement 24 ist ein Silikonquader mit unten ebener Abstreiffläche. Während eines Pulverbeschichtungsvorgangs kommen jeweils die drei Beschichtungselemente 20, 22, 24 zur Wirkung, welche dem Pulverabgabereservoir 17 in Bewegungsrichtung des Glättungsschiebers 15 folgen. Sie sorgen für eine gleichmäßige geglättete ebene Werkstoffpulveroberfläche der in Entstehung befindlichen neuen oberen Pulverschicht 7 auf dem Träger 14. Da die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 sowohl bei ihrer Bewegung von links nach rechts über das Baufeld als auch bei ihrer Bewegung von rechts nach links über das Baufeld zur Präparierung einer obersten Pulverschicht 7 betreibbar ist, kommen die Sätze von Abstreifelementen 20 - 24 je nach Bewegungsrichtung der Schichtenpräparierungseinrichtung 12 zum Einsatz.
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In der Darstellung gemäß 1 bewegt sich die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 mit dem Glättungsschieber 15 von links nach rechts und sie ist dabei, eine obere Pulverschicht 7 zu bilden.
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Mit 32 ist in den 1 - 3 eine Stütz- und Führungsschiene für die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 markiert. Diese Schiene 32 erstreckt sich horizontal längs der Rückwand des Prozessraums. Sie wirkt auch mit einer elektromotorischen Antriebseinrichtung 34 der Schichtenpräparierungseinrichtung 12 zusammen, indem sich ein Antriebsrad dieser Antriebseinrichtung 34 an der Schiene 32 abwälzen kann, um so einen Vortrieb der Schichtenpräparierungseinrichtung 12 unter Kontrolle der Prozesssteuereinrichtung 5 zu erzeugen.
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Sobald die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 über den Träger 14 hinweggefahren ist und eine Pulverschicht 7 hinterlassen hat, kann überschüssiges Pulver, welches bereits aus dem Pulverreservoir 17 herausgekommen ist, durch eine Überlauföffnung 45 in einen Pulversammelbehälter 46 fallen. Das Pulverabgabereservoir 17 kann zuvor geschlossen werden, so dass darin befindliches Pulver für einen nächsten Pulverschichtenpräparierungsvorgang bereitgehalten werden kann.
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2 zeigt die Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einem Betriebszustand, in welchem die bei ihrer Herstellung in 1 dargestellte Pulverschicht bereits fertig präpariert ist und nunmehr das ortsselektive Bestrahlen dieser Pulverschicht 7 in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des herzustellenden Gegenstandes erfolgt. Hierzu ist eine Bestrahlungseinrichtung 40, 42 vorgesehen, welche einen Laser 40 und eine steuerbare Strahlablenkungseinrichtung (Scanner) 42 umfasst. Mittels der Bestrahlungseinrichtung 40, 42 ist jeder Punkt auf dem Baufeld nach Maßgabe der Steuerung durch die Prozesssteuereinrichtung 5 für den Laserstrahl 29 der Bestrahlungseinrichtung 40, 42 erreichbar. Bei 27 befindet sich der momentane Auftreffpunkt des Laserstrahls 29 und somit der Pulverumschmelzpunkt. Dort findet das Umschmelzen des Werkstoffpulvers 4 momentan statt. Dabei entsteht üblicherweise Rauchgas 31 und ggf. Funkenflug. Zum Einfangen zumindest eines Großteils dieses Rauchgases 31 und etwaiger Funken bzw. Schmelzspritzer dient eine Saugdüsenvorrichtung 33 mit zwei an einem Rahmen 18 des Glättungsschiebers 15 angeordneten Saugdüsen 35. Die Saugdüsen 35 sind Breitdüsen, welche sich zumindest im Wesentlichen über die gesamte Breite des Baufeldes quer zur Zeichenblattebene erstrecken und seitlich außen von den Glättungsschieberelementen 20 - 24 am Rahmen des Glättungsschiebers 15 angeordnete seitlich nach außen gerichtete Düsenöffnungen 37 aufweisen. Alternativ könnten die Breitdüsen auch durch Reihen nebeneinander angeordneter einzelner Düsen ersetzt sein oder solche enthalten. Das von der Saugdüsenvorrichtung 33 aus dem Prozessraum 8 mit abgesaugte Schutzgas wird über eine (nicht gezeigte) Schutzgaszuführung laufend ersetzt. Dies kann im Rahmen eines Schutzgasfilter- und Recyclingprozesses geschehen.
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In 2 ist erkennbar, dass die auf der linken Seite des Glättungsschiebers 15 angeordnete Saugdüse 35 nahe der momentanen Umschmelzstelle 27 positioniert ist, damit sie Rauchgas 31 und etwaige Funken vom Umschmelzort abfangen kann. Die Prozesssteuereinrichtung 5 sorgt dafür, dass der Laserstrahl 29 und die Baugruppe 12, 33 aus Schichtenpräparierungseinrichtung 12 und Saugdüsenvorrichtung 33 einander nicht überschneiden, indem sie die Strahlablenkeinrichtung 42 und die Bewegung der Baugruppe 12, 33 entsprechend steuert. Die Antriebseinrichtung 34 der Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 ist zugleich auch die Antriebseinrichtung der Saugdüsenvorrichtung 33, da die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 und die Saugdüsenvorrichtung 33 über einen gemeinsamen Rahmen 18 gekoppelt sind, welcher von der Antriebseinrichtung 34 längs der Führungsschiene 32 angetrieben werden kann.
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Mit 47 ist ein jeweiliges Auffangblech für Schmelzspritzer gekennzeichnet. Das Auffangblech 47 ist unten an der jeweiligen Saugdüse 35 befestigt, so dass es über den Rand der Saugdüse 35 hinaus nach außen absteht. Es erstreckt sich mit sehr geringem Abstand von z.B. 0,5 mm - 2 mm über dem Pulverbett. Es hat sich gezeigt, dass derartige Auffangbleche sehr gut zum Aufsammeln von Schmelzspritzern geeignet sind, die durch den Sog der Saugdüse 35 in die betreffende Richtung bewegt werden.
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Mit 48 ist eine jeweilige Bildsensoreinrichtung, z.B. eine drahtlose Web-Kamera gekennzeichnet, die an der Baugruppe 12, 33 nahe der Düsenöffnung 37 angeordnet - und auf das Baufeld gerichtet ist, so dass damit der jeweilige Umschmelzbereich 27 beobachtet werden kann (Schmelzpoolanalyse). Auch kann die Qualität der Pulverschicht 7 bei deren Herstellung auf diese Weise überwacht werden.
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Nachdem der Arbeitsschritt des Bestrahlens der Werkstoffpulverschicht 7 erfolgt ist, kann der Träger 14 um das Dickenmaß der nächstfolgenden Werkstoffpulverschicht abgesenkt werden, so dass dann die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12 eine nächste oberste Werkstoffpulverschicht 7 präparieren kann, dies ggf. bei der Rückfahrt vom rechten Ende zum linken Ende des Prozessraums 8.
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Der Glättungsschieber 15 ist mittels einer (nicht gezeigten) Verschiebeeinrichtung vertikal um einen kleinen Betrag gesteuert verschiebbar. Bei der Pulverschichtenpräparierung gemäß 1 ist er in seiner abgesenkten Stellung. Bei dem Bestrahlungsvorgang gemäß 2 ist er in seiner angehobenen Stellung.
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3 zeigt einen Sondermodus, bei dem die Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einem Betriebszustand ist, in dem sie simultan die oberste Pulverschicht 7 präpariert, die Schicht an Stellen, an der sie bereits fertig ist, ortsselektiv mit dem Laserstrahl 29 bestrahlt und nahe dem jeweiligen Strahlauftreffpunkt 27 Prozessrauch 31 und ggf. Funkenflug mittels der Saugdüsenvorrichtung 33 absaugt. In 3 ist auch eine Situation gezeigt, in der sich die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 mit dem Glättungsschieber 15 von links nach rechts bewegt.
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In einem hinteren Bereich 25, den die Schichtenpräparierungseinrichtung 12 mit ihrem Glättungsschieber 15 bereits passiert hat, hat die Bestrahlungseinrichtung 40, 42 bereits mit der ortsselektiven Bestrahlung der oberen Werkstoffpulverschicht 7 begonnen und dort das Pulver 4 nach Maßgabe der Geometrievorgaben des Formkörpers 2 insoweit umgeschmolzen. Der Pulverschichtenpräparierungsprozess und das selektive Bestrahlen der obersten Schicht 7 einschließlich der Absaugung von Prozessrauch und Schmelzspritzern können somit in dem Sondermodus der Vorrichtung simultan erfolgen.
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In 4 sind einzelne Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung mit Sicht von schräg oben auf das Baufeld gezeigt. Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel ebenfalls eine motorisch bewegbare Baugruppe 112, 133 aus Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 112 und Saugdüsenvorrichtung 133. 4 zeigt diese Baugruppe in einer Schrägansicht von oben und hinten. Mit 142a - 142d sind vier verschiedene Bestrahlungssubsysteme mit einer jeweiligen Strahlablenkeinrichtung in 4 gekennzeichnet. Jedes dieser Subsysteme 142a - 142d richtet einen eigenen Laserstrahl 129a, 129b, 129c bzw. 129d auf das Baufeld, um in gesteuerter Weise Pulver einer zuvor präparierten obersten Werkstoffpulverschicht nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Gegenstandes oder ggf. der herzustellenden Gegenstände, sofern simultan mehrere Gegenstände hergestellt werden sollen, umzuschmelzen. Die Bestrahlungssubsysteme können einzeln, in Gruppen oder alle gemeinsam simultan je nach Ansteuerung durch die Prozesssteuereinrichtung betrieben werden. Dies erlaubt das zeitsparende Bearbeiten auch großer Baufelder. Auch können die Saugdüsen beiderseits der Baugruppe 112, 133, simultan betrieben werden.
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Der Betrieb des Ausführungsbeispiels gemäß 4 kann grundsätzlich entsprechend dem zuvor bereits für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung erläuterten Betrieb erfolgen, wobei jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Steuerung das Vorhandensein mehrerer Laserstrahlen zu berücksichtigen hat.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellungsweise entsprechend der Darstellungsweise der 1 - 3. Komponenten und Elemente des Ausführungsbeispiels gemäß 5, die Komponenten bzw. Elementen der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 - 3 gegenständlich oder funktional im Wesentlichen entsprechen, sind in 5 mit entsprechend gleichen Bezugszahlen und dem nachgestellten Kleinbuchstaben a gekennzeichnet, so dass im Folgenden im Wesentlichen auf die Unterschiede des Ausführungsbeispiels gemäß 5 zu den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen der 1 - 3 eingegangen werden kann, um das Ausführungsbeispiel gemäß 5 zu erläutern.
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Besonderheit des Ausführungsbeispiels gemäß 5 ist, dass die Saugdüsenvorrichtung 33a und die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12a voneinander separiert sind. 5 zeigt eine Momentaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Betriebszustand des ortsselektiven Bestrahlens der Pulverschicht 7a, die bereits vorher mittels der Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12a präpariert worden ist. Die Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 12a befindet sich in 5 in einem Parkzustand rechts neben dem Baufeld.
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Bei 27a befindet sich der momentane Auftreffpunkt des Laserstrahls 29a und somit der Pulverumschmelzpunkt. Dort findet das Umschmelzen des Werkstoffpulvers 4a momentan statt. Zum Einfangen zumindest eines Großteils des dabei entstehenden Rauchgases 31a und etwaiger Funken bzw. Schmelzspritzer dient die Saugdüsenvorrichtung 33a, welche Saugdüsen 35a mit Saugdüsenöffnungen 37a aufweist. In 5 ist angedeutet, dass sich die Saugdüsenvorrichtung 33a momentan nach rechts bewegt. Die auf der linken Seite der Saugdüsenvorrichtung 33a angeordnete Saugdüse 35a ist momentan nahe der Umschmelzstelle 27a positioniert, so dass sie Rauchgas 31a und etwaige Funken optimal abfangen kann. Die Prozesssteuereinrichtung 5a sorgt dafür, dass der Laserstrahl 29a und die Saugdüsenvorrichtung 33a einander nicht überschneiden, indem sie die Strahlablenkeinrichtung 42a und die Bewegung der Saugdüsenvorrichtung 33a entsprechend steuert.
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Eine vorteilhafte Besonderheit des Ausführungsbeispiels gemäß 5 ist eine mit der Saugdüsenvorrichtung 33a bewegbare Schutzgaseinblasvorrichtung 50. In 5 ist die bevorzugte Ausführungsform gezeigt, gemäß weleher die Schutzgaseinblasvorrichtung 50 mit der Saugdüsenvorrichtung 33a zur gemeinsamen Bewegung gekoppelt ist. In abgewandelten Ausführungsformen kann jedoch die Schutzgaseinblasvorrichtung 50 auch eigene mittels der Steuereinrichtung 5a steuerbare Antriebsmittel aufweisen und somit eigenständig bewegbar sein.
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Die Schutzgaseinblasvorrichtung 50 weist zwei Schutzgasblasdüsen 52 auf, mittels welcher Schutzgas 54 in den Prozessraum 8a einführbar ist. Dieses Schutzgas kann ganz oder teilweise das mittels der Saugdüsenvorrichtung 33a jeweils mit Prozessrauch 31a abgesaugte Schutzgas ersetzen. Es können jedoch auch noch weitere Schutzgaszuführungen, insbesondere stationäre Schutzgaszuführungen zum Prozessraum 8a vorgesehen sein. Dies gilt auch für Schutzgasableitungen.
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In der Situation gemäß 5 ist die linke, dem Strahlauftreffpunkt 27a unmittelbar benachbarte Sausdüse 35a aktiv, um Prozessrauch 31a und ggf. Schmelzspritzer abzusaugen. Gleichzeitig ist die rechte Schutzgasblasdüse 52 der Schutzgaseinblasvorrichtung 50 momentan aktiv, um Schutzgas in Richtung zu der aktiven Saugdüse 35a zu blasen. Auf diese Weise kann Rauchgas tendenziell daran gehindert werden, in den Bereich unterhalb der Baugruppe aus Saugdüsenvorrichtung 33a und Schutzgaseinblasvorrichtung 50 zu gelangen.
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Die Düsen 35a und 52 sind mittels der Steuereinrichtung 5a steuerbar, so dass je nach gewünschter Betriebsart eine, zwei, drei oder alle Düsen 35a, 52 eingeschaltet sein können.
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Es sei an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass Kombinationen der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 - 5 möglich sind. So kann eine Schutzgaseinblasvorrichtung beispielsweise zusammen mit einer Saugdüsenvorrichtung und einer Schichtenpräparierungsvorrichtung zur gemeinsamen Bewegung gekoppelt sein.
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In dem vereinfachten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist nicht gesondert dargestellt, dass die Baugruppen 33a, 50 einerseits und 12a andererseits an in einer Umschleusstelle aneinander vorbei können, so dass die Schichtenpräparierungseinrichtung 12a stets vor der Baugruppe aus Absaugvorrichtung 33a und Schutzgaseinblasvorrichtung 50 ungeachtet der Bewegungsrichtung im Prozessraum 8a aktiv werden kann. Als Schutzgas kommt insbesondere ein Edelgas infrage, beispielsweise Argon.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/068327 A1 [0002]
- DE 19905067 A1 [0002]
- DE 10112591 A1 [0002]
- WO 98/24574 A [0002]
- WO 2006/024373 A2 [0002]
- WO 2017/084781 A1 [0002]
- DE 102006014835 A1 [0002]
- EP 1839781 B1 [0009]
