-
Die Erfindung betrifft ein System zum Auftragen von Pulver während der pulverbettbasierten additiven Fertigung wenigstens eines Bauteils. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur pulverbettbasierten additiven Fertigung.
-
Bei der pulverbettbasierten additiven bzw. generativen Fertigung wird auf einer Bauplattform schichtweise Pulver, insbesondere Metall- oder Kunststoffpulver, aufgetragen und mittels Energiestrahlung, insbesondere mittels Laserstrahl, bauteilentsprechend lokal verfestigt, wobei sich eine feste, mit der darunter befindlichen Schicht verbundene Materialschicht bildet. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht bis zum fertigen Bauteil wiederholt, wobei die Bauplattform jeweils um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt werden kann. Gängige pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren sind das Selektive Laserschmelzen (SLM-Verfahren) und das Selektive Lasersintern (SLS-Verfahren). Im Weiteren wird auf entsprechende Fachliteratur verwiesen.
-
Auf die zuvor beschriebene Weise können grundsätzlich auch Bauteile aus unterschiedlichen Materialien bzw. Werkstoffen, insbesondere unterschiedlichen Metallen, gefertigt werden, indem unterschiedliche Pulver bereitgestellt und bei der Schichtbildung entsprechend aufgetragen werden. Für das Bauteil können so spezifische Material- bzw. Werkstoffeigenschaften besser genutzt werden.
-
Die Patentschrift
CN 104001917 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Verarbeitung mehrerer Metallpulver beim SLM-Verfahren. Die Vorrichtung umfasst mehrere Pulverkartuschen, eine Pulvermischeinrichtung, in der diskontinuierlich errechnete Mengen der Pulver gemischt werden, und eine Ausbringeinrichtung, an die die jeweilige Pulvermischung übergeben wird und die diese Pulvermischung dann als Schicht ausbringt.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zum Auftragen bzw. Ablegen unterschiedlicher Pulver während der pulverbettbasierten additiven Fertigung eines Bauteils anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil vermeidet oder zumindest vermindert.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf eine Anlage zur additiven Fertigung von Bauteilen, die ein erfindungsgemäßes System aufweist, sowie auf eine bevorzugte Verwendung dieser Anlage. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung sowie der Zeichnung.
-
Das erfindungsgemäße System weist eine Auftrags- bzw. Ablegevorrichtung auf, die an einem Portal bzw. Portalgerät, Gelenkarmroboter bzw. Manipulator oder dergleichen befestigt ist, wobei das Portal oder der Gelenkarmroboter insbesondere auch Bestandteile bzw. Komponenten des erfindungsgemäßen Systems sind. Die Auftragsvorrichtung kann mithilfe des Portals bzw. Gelenkarmroboters über die Bauplattform bewegt werden und kann dabei jeweils eine Pulverschicht auftragen bzw. ablegen (bzw. kann lagenweise Pulverschichten auftragen/ablegen). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Auftragsvorrichtung mehrere (d. h. wenigstens zwei, insbesondere mehr als drei) Pulverauftragseinheiten aufweist, mit denen unterschiedliche Pulver aufgetragen bzw. abgelegt werden können (bzw. auftragbar/ablegbar sind). D. h., jede Pulverauftragseinheit kann ein anderes Pulver auftragen bzw. ablegen.
-
Die Pulverauftragseinheiten sind separat (im Sinne von einzeln bzw. voneinander getrennt) betreibbare Einrichtungen, die jeweils einen Pulvervolumenstrom eines bestimmten Pulvers ausbringen und auftragen bzw. ablegen können. Die Pulverauftragseinheiten sind insbesondere als einzelne, vorzugsweise im Wesentlichen identische, Einrichtungen ausgebildet, die jedoch zu einer gemeinsamen Auftragsvorrichtung baulich zusammengefasst sind. Daraus ergeben sich Steuerungs- und Geschwindigkeitsvorteile.
-
Die Auftragsvorrichtung kann mithilfe des Portals bzw. Roboters über die Bauplattform bewegt werden (bevorzugt mäanderförmig, wobei aber auch andere Bahnen möglich sind) und legt dabei mittels der Pulverauftragseinheiten Pulver bzw. Pulverspuren (bspw. mit einer Breite von 2 mm bis 6 mm) ab, sodass schließlich eine komplette Pulverschicht entsteht. Je nachdem welches Pulver gemäß Fertigungsvorgabe abgelegt werden soll, wird die betreffende Pulverauftragseinheit (mit dem entsprechenden Pulver) aktiviert. Bevorzugt ist immer nur eine Pulverauftragseinheit aktiviert. Somit können materialhomogene Schichten erzeugt werden, wobei das dafür verwendete Pulver von Schicht zu Schicht variiert werden kann, durch entsprechende Aktivierung der Pulverauftragseinheiten.
-
Es können aber auch innerhalb einer Schicht in verschiedenen Bereichen bzw. an verschiedenen Stellen unterschiedliche Pulver abgelegt werden. D. h., eine Schicht kann bereichs- bzw. stellenweise aus verschiedenen Pulvern gebildet werden, woraus sich dann im Bauteil entsprechende Materialstellen ergeben. Das erfindungsgemäße System kann eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Auftragsvorrichtung basierend auf Geometrie- und Werkstoffdaten des zu fertigenden Bauteils zu bewegen und dabei die Pulverauftragseinheiten derart zu aktivieren, dass innerhalb einer Pulverschicht in verschiedenen Bereichen bzw. an verschiedenen Stellen unterschiedliche Pulver abgelegt werden. Hierbei können die Pulverauftragseinheiten abwechselnd aktiviert werden, abhängig davon, wo sich die Auftragsvorrichtung gerade befindet. Die Pulverauftragseinheiten können allerdings auch nacheinander aktiviert werden, derart, dass zunächst ein erstes Pulver in den dafür vorgesehenen Bereichen (bzw. an den entsprechenden Stellen) abgelegt wird, dann ein zweites Pulver in den dafür vorgesehenen Bereichen (bzw. an den entsprechenden Stellen) abgelegt wird usw. Beide Varianten ermöglichen eine kurze Prozesszeit. Nach dem Aufbringen bzw. Ablegen der Pulverschicht oder gegebenenfalls schon während des Aufbringens kann dann mit der Verfestigung begonnen werden, wie oben beschrieben.
-
Bei den Pulvern bzw. Pulvermaterialien kann es sich um unterschiedliche Kunststoffpulver handeln, bspw. aus einem teilkristallinen Thermoplasten und einem amorphen Thermoplasten oder aus einem intransparenten, farbigen Kunststoff und einem transparenten Kunststoff. Bei den Pulvern kann es sich auch um unterschiedliche Metallpulver handeln, bspw. aus einer Kupferlegierung und einer Stahllegierung oder aus einer Aluminiumlegierung und einer Stahllegierung oder aus unterschiedlichen Legierungen des gleichen Grundmaterials (z. B. unterschiedliche Stahllegierungen oder unterschiedliche Aluminiumlegierungen). Auf diese Weise können bspw. stahlverstärkte Aluminiumbauteile oder zur erhöhten Wärmeleitung mit Kupfer durchsetzte Stahl- oder Aluminiumbauteile hergestellt werden. Die Pulverkorngrößen können bis zu 200 µm und mehr betragen.
-
Jede Pulverauftragseinheit kann ein eigenes Pulverreservoir, das bspw. über eine Versorgungsleitung aus einem externen Vorrat gespeist wird, oder eine wechselbare Pulverkartusche aufweisen. Leere Pulverkartuschen können entnommen, befüllt und wieder eingesetzt oder gegen volle Pulverkartuschen ausgewechselt werden. Ferner kann eine eingesetzte Pulverkartusche gegen eine mit anderem Pulver befüllte Pulverkartusche ausgewechselt werden, sodass mehr unterschiedliche Pulver verarbeitet werden können als Pulverauftragseinheiten vorhanden sind. Das System kann ein Wechselmagazin für Pulverkartuschen aufweisen, in dem volle und/oder mit anderem Pulver bestückte Pulverkartuschen bereitgehalten werden. Das Wechselmagazin befindet sich bevorzugt im Arbeitsbereich des Portals bzw. Roboters. Das Wechseln bzw. Auswechseln kann automatisiert erfolgen.
-
Bevorzugt ist jede Pulverauftragseinheit mit wenigstens einer Rakel ausgestattet. Unter einer Rakel wird ein Abstreif- bzw. Abstreichelement verstanden, mit dem das ausgebrachte oder abgelegte Pulver bzw. die abgelegte Pulverspur sogleich geglättet werden kann, wobei das Pulver dabei auch verdichtet und eine einheitliche bzw. homogene Schichtstärke erzeugt werden kann. Über den Abstand der Rakel zur darunter befindlichen Materialschicht bzw. -lage kann ferner auch die Schichtdicke eingestellt werden. Die Rakel kann als Klinge, elastische Lippe oder Bürste, insbesondere Streifen- oder Ringbürste, ausgeführt sein. Bevorzugt bildet die Rakel einen die Auslassöffnung der Pulverauftragseinheit umlaufenden bzw. umgebenden Rahmen, der bspw. kreisförmig oder rechteckig (d. h. mit vier Seitenteilen) gebildet ist. Dadurch kann die vorgesehene Funktion unabhängig von der jeweiligen Bewegungsrichtung der Auftragsvorrichtung bzw. der Pulverauftragseinheit optimal gewährleistet werden.
-
Bevorzugt weist jede Pulverauftragseinheit einen Auslasskanal mit einer Auslassöffnung auf. Im Bereich des Auslasskanals bzw. der Auslassöffnung kann wenigstens ein Schallerreger oder dergleichen angeordnet sein, der durch Schallanregung (d. h. durch feine Schwingungen) die Rieselfähigkeit bzw. Fließfähigkeit des Pulvers verbessert oder erst herbeiführt. Der Schallerreger ist bspw. als Ring ausgebildet, der um den Auslasskanal bzw. die Auslassöffnung herum angeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich um einen Ultraschallerreger zur Ultraschallanregung.
-
Bevorzugt weist jede Pulverauftragseinheit ein Auslassventil mit gegeneinander verdrehbaren Lochscheiben auf. Bevorzugt sind zwei Lochscheiben vorgesehen, wobei eine Lochscheibe feststehend und die andere relativ hierzu verdrehbar bzw. rotierbar ist. Die Betätigung kann mittels Stellmotor erfolgen. Dieses Ventilprinzip ist für rieselfähige Pulver besonders gut geeignet, wobei die Auslassöffnung bzw. der Auslasskanal nicht nur geöffnet und geschlossen, sondern auch der Pulvervolumenstrom verändert werden kann. Der Pulvervolumenstrom wird insbesondere so eingestellt, dass dieser gerade groß genug ist, um eine definierte Schichtdicke zu erzeugen, die mit der Rakel glatt gezogen werden kann.
-
Die Auftragsvorrichtung kann noch (wenigstens) eine weitere Pulverauftragseinheit aufweisen, mit der eine recycelte Pulvermischung aus den unterschiedlichen Pulvern (die mit den anderen Pulverauftragseinheiten abgelegt werden) aufgetragen bzw. abgelegt werden kann. Diese Pulvermischung besteht aus Resten vorheriger Baujobs. Die Auftragsvorrichtung kann bspw. drei Pulverauftragseinheiten aufweisen, nämlich eine erste Pulverauftragseinheit, mit der ein erstes Pulver (P1) abgelegt werden kann, eine zweite Pulverauftragseinheit, mit der ein zweites Pulver (P2) abgelegt werden kann, und eine dritte bzw. weitere Pulverauftragseinheit, mit der eine recycelte Pulvermischung (P1 + P2) aus dem ersten und dem zweiten Pulver abgelegt bzw. aufgetragen werden kann. Das erste Pulver (P1) und das zweite Pulver (P2) werden für den Aufbau bzw. für die Fertigung des Bauteils verwendet, wie vorausgehend beschrieben. Die Pulvermischung (P1 + P2) besteht aus Resten vorheriger Baujobs (das in vorherigen Baujobs nicht verfestigte Pulver vermischt sich untrennbar beim Freilegen der Bauteile und/oder beim Reinigen der Anlage und kann dann nicht mehr für den Aufbau eines Bauteils verwendet werden) und wird für den Aufbau eines umgebenden und stützenden Pulverbetts und/oder für den Aufbau etwaiger Stützstrukturen (mit denen z. B. Bauteilüberhänge abgestützt werden) wiederverwendet, ohne dass diese Pulvermischung einen Anteil am gefertigten Bauteil hat. Selbiges Prinzip kann auch beim Aufbau von Bauteilen aus mehr als zwei Pulvern angewendet werden. Die Stützstrukturen werden in der zuvor erläuterten Weise verfestigt und später vom Bauteil abgetrennt. Um ein einfacheres Abtrennen zu ermöglichen, können speziell gefertigte Trennstellen vorgesehen sein.
-
Die erfindungsgemäße Anlage kann übliche Einrichtungen und Komponenten aufweisen, wie z. B. eine Bauplattform, eine Lasereinrichtung (zur lokalen Verfestigung der zuvor abgelegten Pulverschichten) und/oder optional ein Steuergerät, welches insbesondere mit der Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Systems kommuniziert oder identisch ist. Insbesondere ist dies eine Anlage zur additiven Fertigung durch selektives Laserschmelzen oder selektives Lasersintern. Die Anlage weist ferner wenigstens ein erfindungsgemäßes System zum Auftragen unterschiedlicher Pulver auf.
-
Die Anlage ist entsprechend den vorausgehenden Erläuterungen bevorzugt derart ausgebildet, dass damit wenigstens ein herzustellendes Bauteil aus (mehreren, d. h. wenigstens zwei) unterschiedlichen Pulvern aufgebaut bzw. gefertigt wird/werden kann und dabei aus einer recycelten Pulvermischung dieser unterschiedlichen Pulver auch ein Pulverbett und/oder wenigstens eine Stützstruktur (für das Bauteil) aufgebaut wird/werden kann.
-
Bevorzugt ist demnach eine Anlage zur pulverbettbasierten additiven Fertigung (wenigstens eines Bauteils) vorgesehen, mit zumindest:
- - einer Bauplattform, und
- - einem System zum Auftragen von Pulver während der additiven Fertigung wenigstens eines Bauteils auf der Bauplattform, welches eine an einem Portal oder Gelenkarmroboter befestigte Auftragsvorrichtung aufweist, die über die Bauplattform bewegbar ist und dabei eine Pulverschicht ablegt bzw. schichtweise Pulver ablegt,
wobei die Auftragsvorrichtung mehrere Pulverauftragseinheiten aufweist, mit denen unterschiedliche Pulver abgelegt werden können und auch eine weitere Pulverauftragseinheit aufweist, mit der eine recycelte Pulvermischung der unterschiedlichen Pulver abgelegt werden kann.
-
Diese Anlage wird bevorzugt dazu verwendet, dass wenigstens ein herzustellendes Bauteil aus unterschiedlichen Pulvern und dabei aus einer recycelten Pulvermischung der unterschiedlichen Pulver ein Pulverbett und/oder wenigstens eine Stützstruktur gefertigt bzw. aufgebaut werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und können die Erfindung entsprechend weiterbilden bzw. ausgestalten.
- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Auftragen unterschiedlicher Pulver bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung.
- 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine zum System der 1 gehörende Pu lverauftragsei nheit.
-
Das in 1 gezeigte System 100 weist ein Portalgerät 110 auf, an dem eine Auftragsvorrichtung 120 befestigt ist. Mithilfe des Portalgeräts 110 (alternativ kann auch ein Gelenkarmroboter oder dergleichen vorgesehen sein) kann die Auftragsvorrichtung 120 über die gesamte Bauplattform 200 bewegt werden (x/y-Richtung) und kann dabei jeweils eine Pulverschicht bzw. -lage erzeugen. Die Bauplattform 200 ist Bestandteil einer Anlage zur additiven Fertigung. Das System 100 für den Pulverauftrag arbeitet mit dieser Anlage zusammen und ist insbesondere in diese Anlage integriert (sowohl baulich, als auch steuertechnisch). Zum Erzeugen einzelner Schichten kann die Bauplattform 200 abgesenkt und/oder die Auftragsvorrichtung 120 mithilfe des Portalgeräts 110 angehoben werden (z-Richtung). Aus den einzelnen Schichten wird mittels additiver Fertigung sukzessive wenigstens ein Bauteil hergestellt, wie eingangs erläutert.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Auftragsvorrichtung 120 mehrere Pulverauftragseinheiten 130, 140 aufweist, mit denen schichtweise oder auch innerhalb einzelner Schichten unterschiedliche Pulver P1, P2 ausgebracht bzw. abgelegt werden können, wie oben ausführlich erläutert. Die beiden Pulverauftragseinheiten 130, 140 sind starr an der Auftragsvorrichtung 120 befestigt und werden je nach Bedarf aktiviert. Der Versatz zwischen den Auslassöffnungen 133, 143 wird beim Umschalten (d. h. beim Deaktivieren der einen und Aktivieren der anderen Pulverauftragseinheit) durch einen entsprechenden Verfahrweg der Auftragsvorrichtung 120 berücksichtigt. Alternativ können die Pulverauftragseinheiten 130, 140 z. B. mit einem Klappmechanismus an der Auftragsvorrichtung 120 befestigt sein, sodass diese je nach Aktivierung in eine Ausgabestellung geklappt und bei Deaktivierung zurückgeklappt werden können. Bevorzugt weisen die klappbaren Pulverauftragseinheiten 130, 140 (gegebenenfalls auch 150, s. u.) dann dieselbe Ausgabestellung auf, sodass kein Versatz zwischen den Auslassöffnungen 133, 143 (und gegebenenfalls 153) besteht.
-
Die Auftragsvorrichtung 120 weist ferner bzw. weist auch eine weitere Pulverauftragseinheit 150 mit einer Auslassöffnung 153 auf, mit der eine recycelte Pulvermischung aus denselben Pulvern P1 und P2 ausgebracht bzw. abgelegt werden kann. Aus dieser Pulvermischung P1 + P2, die insbesondere aus aufbereiteten Resten vorheriger Baujobs besteht, können Stützstrukturen für das zu fertigende Bauteil gefertigt und/oder ein stützendes Pulverbett erzeugt werden.
-
2 zeigt eine der Pulverauftragseinheiten, wobei die anderen Pulverauftragseinheiten im Wesentlichen identisch ausgebildet sein können. Die Pulverauftragseinheit 130 weist ein als Pulverreservoir dienendes Gehäuse 131 auf, in dem ein Pulver P1 bevorratet ist. Das Pulver P1 kann bspw. über einen Einfülltrichter, eine Versorgungsleitung oder dergleichen in das Gehäuse 131 eingefüllt werden. Alternativ kann eine wechselbare Pulverkartusche vorgesehen sein.
-
Die Pulverauftragseinheit 130 weist einen Auslasskanal 132 auf, der in eine Auslassöffnung 133 mündet. Im Auslasskanal 132 befindet sich ein durch zwei horizontale Lochscheiben 137a, 137b gebildetes Auslassventil 136. Die obere Lochscheibe 137b kann über eine motorisch betriebene Welle 138 relativ zur feststehenden unteren Lochscheibe 137a verdreht werden, wodurch das Ventil 136 geöffnet bzw. geschlossen und der ausgebrachte Pulvervolumenstrom eingestellt werden kann. Im oberen Bereich des Auslasskanals 132 befindet sich ein ringförmig um den Auslasskanal 132 herum angeordneter Schallerreger 135, der durch Schallanregung, insbesondere mittels Ultraschall, die Rieselfähigkeit des Pulvers P1 verbessert. Die Schallanregung und die Ventilöffnung können aufeinander abgestimmt werden. Die Rieselfähigkeit kann auch durch eine schwingende Anregung der oberen Lochscheibe 137b verbessert werden. Alternativ kann auch eine motorisch angetriebene Förderschnecke oder dergleichen vorgesehen sein, um eine definierte und störungsfreie Ausbringung des Pulvers P1 zu gewährleisten.
-
Um die Auslassöffnung 133 herum ist eine ringförmige Rakel 134 angeordnet, mit der das ausgebrachte Pulver P1 nach dem Ablegen sogleich geglättet werden kann. Hierzu weist die beispielhaft als Ringbürste ausgebildete Rakel 134 z. B. aus Karbonfasern gebildete Borsten auf (die Borsten haben bspw. eine Länge von ca. 1 mm), mit denen das abgelegte Pulver P1 bzw. die ausgebrachte Pulverspur unabhängig von der Bewegungsrichtung glattgezogen und vergleichmäßigt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- System
- 110
- Portal (Roboter)
- 120
- Auftragsvorrichtung
- 130
- erste Auftragseinheit
- 131
- Gehäuse
- 132
- Auslasskanal
- 133
- Auslassöffnung
- 134
- Rakel
- 135
- Schallerreger (Vibrator)
- 136
- Auslassventil
- 137a
- Lochscheibe
- 137b
- Lochscheibe
- 138
- Welle
- 140
- zweite Auftragseinheit
- 143
- Auslassöffnung
- 150
- weitere Auftragseinheit
- 153
- Auslassöffnung
- 200
- Bauplattform
- P1
- erstes Pulver
- P2
- zweites Pulver
- x
- Raumrichtung
- y
- Raumrichtung
- z
- Raumrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
