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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine und ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, insbesondere mittels fokussierter Laserstrahlung.
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Eine gattungsgemäße Maschine ist insbesondere eine Maschine zum Herstellen von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens beziehungsweise des selektiven Lasersinterns. Dabei können insbesondere Werkstoffpulver aus einem Metall, einer Metalllegierung, aus einem Kunststoff oder aus einem keramischen Material verwendet und verarbeitet werden. Zusammenfassend für die verschiedenen Arten von Maschinen zum Bearbeiten/Fertigen/Herstellen eines Werkstücks beziehungsweise eines Formkörpers mit Laserstrahlung wird im Folgenden der Begriff Laser-Werkzeugmaschine oder auch einfach Maschine verwendet.
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Mit dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens beziehungsweise Lasersinterns können Formkörper, wie etwa Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke usw. gemäß Geometriebeschreibungsdaten der entsprechenden Formkörper, durch schichtweises Aufbauen aus einem metallischen oder keramischen Werkstoffpulver beziehungsweise aus einem Kunststoffpulver hergestellt werden. Beim Herstellungsprozess wird das zu verfestigende Werkstoffpulver schichtweise auf einen Werkstücktisch aufgetragen und in Abhängigkeit der Geometriebeschreibungsdaten mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, insbesondere mit fokussierter Laserstrahlung beaufschlagt. Die Strahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich eine Verschmelzung beziehungsweise eine Versinterung des Werkstoffpulvers einer Pulverschicht, so dass bestimmte Bereiche der Pulverschicht verfestigt werden. Die verfestigten Bereiche entsprechen dem Querschnitt des herzustellenden Formkörpers der aufgetragenen Werkstoffpulverschicht. Nachdem der Querschnitt des Formkörpers in einer Werkstoffschicht verfestigt ist, wird der Werkstücktisch um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Werkstoffpulverschicht aufgetragen. Nun kann erneut ein Querschnitt des Formkörpers verfestigt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Formkörper Schicht für Schicht fertig aufgebaut ist. Eine genauere Beschreibung des Wirkprinzips des Laserschmelzens beziehungsweise des Lasersinterns kann beispielsweise der
WO 98/24574 A1 oder der
DE 199 05 067 A1 entnommen werden.
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Der Raum, in dem sich der Werkstücktisch mit den auf ihm aufgetragenen Werkstoffpulverschichten befindet wird Bauraum genannt. Der Werkstücktisch bildet den Boden des Bauraums. Der Bauraum, beziehungsweise der Werkstücktisch weisen meist eine zylindrische Form mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt auf. Der Hub, um den der Werkstücktisch maximal senkrecht zum Querschnitt des herzustellenden Formkörpers in den Bauzylinder abgesenkt werden kann bestimmt die maximale Höhe des Formkörpers.
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Nach Fertigstellen eines Herstellungsprozesses eines Formkörpers aus einer Vielzahl von Schichten von Werkstoffpulver, muss der Formkörper ausgepackt werden. Hierbei wird das nicht verfestigte Werkstoffpulver vom Formkörper getrennt und aus dem Bauraum entfernt. Beim Entfernen des nicht verfestigten Werkstoffpulvers soll möglichst kein Werkstoffpulver aus der Maschine nach außen gelangen. Außerdem kann das Werkstoffpulver aus einem wertvollen Material bestehen, so dass möglichst viel von dem nicht verfestigten Werkstoffpulver wiederverwendet werden soll. Eine gattungsgemäße Maschine umfasst daher eine Vorrichtung zum Aufbereiten des nicht verfestigten Werkstoffpulvers.
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Der Vorgang des Auspackens wird bei vielen Maschinen im Prozessraum selbst durchgeführt. Hierzu wird der Prozessraum von einer Prozesskammer mit Durchgriffsöffnungen umgeben, in denen Handschuhe zum Eingreifen in den Prozessraum abdichtend angebracht sind, so dass ein Bediener der Maschine mittels der Handschuhe in den Prozessraum eingreifen kann, ohne dass Werkstoffpulver nach außen gelangen kann beziehungsweise ohne dass eine Verunreinigung von außen in den Prozessraum gelangen können. Der Vorgang des Auspackens kann jedoch viele Arbeitsstunden in Anspruch nehmen, so dass die Maschine während dieser Zeit nicht zum Herstellen eines weiteren Formkörpers genutzt werden kann.
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Die Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2013 009 787 U1 offenbart eine Anlage zum Laserschmelzen mit einer Werkstückerzeugungssektion zum Herstellen von Werkstücken und einer Nachbehandlungssektion. In einer Prozesskammer der Werkstückerzeugungssektion ist ein Werkstücktisch (Träger) angeordnet der in eine Baukammer verschiebbar ist. Die Baukammer kann verschlossen aus der Werkstückerzeugungssektion entnommen und in die Nachbehandlungssektion überführt werden. Die Nachbehandlungssektion umfasst mehrere Stationen zwischen denen die Baukammer mittels einer Transporteinrichtung transportiert werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Maschine und ein verbessertes Verfahren zum schichtweisen Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung bereitzustellen. Insbesondere soll eine Maschine bereitgestellt werden, die es erlaubt, einen Auspackvorgang gleichzeitig mit einem Herstellungsprozess durchzuführen.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Maschine zum schichtweisen Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung gemäß Anspruch 1. Erfindungsgemäß weist die Maschine eine Transporteinrichtung auf, die konfiguriert ist, gleichzeitig einen ersten Bauzylinder von einer Betriebsposition in eine Auspackposition und einen zweiten Bauzylinder von der Auspackposition in die Betriebsposition zu überführen.
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Die Maschine umfasst eine Prozesskammer, die einen Prozessraum umgibt, und eine Auspackkammer, die einen Auspackraum umgibt. Ferner umfasst die Maschine einen ersten Bauzylinder und einen zweiten Bauzylinder, die jeweils einen Werkstücktisch für Werkstoffpulver und einen Bauraum aufweisen, wobei die Werkstücktische jeweils in den Bauraum verschiebbar sind. Darüber hinaus umfasst die Maschine eine Transporteinrichtung zum Überführen der Bauzylinder zwischen einer Betriebsposition im Prozessraum und einer Auspackposition im Auspackraum.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe gelingt ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit den Schritten: Verbinden eines Bauraums eines ersten Bauzylinders mit einem Prozessraum, Aufbringen einer Werkstoffpulverschicht auf einem Werkstücktisch, der im ersten Bauraum angeordnet ist; ortsselektives Verfestigen von Bereichen der Werkstoffpulverschicht mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung; Absenken des Werkstücktisches um die Dicke einer Werkstoffpulverschicht in den ersten Bauraum; Wiederholen der Schritte des Aufbringens, Verfestigens und Absenkens bis der Formkörper fertiggestellt ist; Ausführen einer Translationsbewegung zum Entfernen des ersten Bauzylinders vom Prozessraum; Ausführen einer Drehbewegung des ersten Bauzylinders um eine Drehachse parallel zu einer Symmetrieachse des ersten Bauzylinders; Ausführen einer Translationsbewegung zum Verbinden des ersten Bauraums mit einem Auspackraum; Entfernen und Aufbereiten des nicht verfestigten Werkstoffpulvers (P); und Entnehmen des fertigen Formkörpers (W) aus dem ersten Bauzylinder. Erfindungsgemäß wird während der erste Bauzylinder vom Prozessraum zum Auspackraum überführt wird, gleichzeitig ein zweiter Bauzylinder mit einem zweiten Bauraum vom Auspackraum zum Prozessraum überführt wird, so dass während des Auspackens des Formkörpers aus dem ersten Bauzylinder ein weiterer Herstellungsprozess im zweiten Bauzylinder durchgeführt kann.
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Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorzugsweise sind der erste Bauzylinder und der zweite Bauzylinder auf einem Träger der Transporteinrichtung angeordnet. Der Träger kann beispielsweise als drehbare Platte oder als drehbarer Körper ausgeführt sein. Der Träger weist insbesondere eine Drehachse auf, die jeweils parallel zu einer Symmetrieachse des ersten Bauzylinders beziehungsweise des zweiten Bauzylinders ausgerichtet ist. Durch eine Drehung des Trägers kann somit ein gleichzeitiges Überführen des ersten Bauzylinders und des zweiten Bauzylinders zwischen Betriebsposition und Auspackposition erfolgen. Die gemeinsame Anordnung der Bauzylinder auf dem Träger ermöglicht somit eine technisch besonders einfache und effiziente Lösung zum gleichzeitigen Überführen der Bauzylinder.
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Die Drehachse ist vorzugsweise in der Mitte des Trägers angeordnet und die Bauzylinder sind äquidistant zur Drehachse angeordnet, so dass die Drehachse im Wesentlichen am Massenmittelpunkt des Trägers angeordnet ist, so dass eine Unwucht vermieden werden kann.
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Der Träger der Transporteinrichtung kann insbesondere parallel zur Drehachse verschiebbar sein. Somit können die auf dem Träger angeordneten Bauzylinder gleichzeitig entlang der Drehachse verschoben, also insbesondere angehoben beziehungsweise abgesenkt werden. Hierdurch kann ein gasdichtes Verbinden der Bauräume der Bauzylinder mit dem Prozessraum beziehungsweise Auspackraum ermöglicht werden, da durch die Translationsbewegung ein Verschieben der Bauzylinder in Richtung einer abgedichteten Aufnahmeposition in einem Boden der Prozesskammer beziehungsweise Auspackkammer erreicht werden kann. Zum Überführen der Bauzylinder muss dann entsprechend zunächst eine Translation des Trägers in entgegengesetzter Richtung von der Aufnahme weg ausgeführt werden. Zusammen mit der bevorzugten Drehbewegung kann das Überführen der Bauzylinder zwischen Betriebsposition und Auspackposition dann als Kombination aus den Bewegungen Absenken, Drehen und Anheben des Trägers erfolgen, so dass das Überführen der Bauzylinder zwischen der Betriebsposition und der Auspackposition durch ein technisch einfaches aber effizientes Bewegungsmuster erfolgen kann.
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Die Prozesskammer und die Auspackkammer können im Wesentlichen gasdicht verschließbar sein. Der Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass die Prozesskammer und Auspackkammer derart abgedichtet sind, dass eine Diffusionsrate eines Schutzgases deutlich geringer ist als eine technisch übliche Zufuhrrate von Schutzgas. Darüber hinaus kann der Bauraum des ersten Bauzylinders und der Bauraum des zweiten Bauzylinders in der Betriebsposition beziehungsweise Auspackposition jeweils im Wesentlichen gasdicht mit der Prozesskammer beziehungsweise mit der Auspackkammer verbunden sein. Hierzu weist die Maschine insbesondere geeignete Dichtungsmittel auf, um ein gasdichtes verbinden der Bauräume mit der Prozesskammer beziehungsweise mit der Auspackkammer zu ermöglichen.
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Vorzugsweise sind der Bauraum des ersten Bauzylinders, der Bauraum des zweiten Bauzylinders, der Prozessraum und der Auspackraum beim Überführen der Bauzylinder zwischen der Betriebsposition und der Auspackposition jeweils im Wesentlichen gasdicht verschlossen. Dies bedeutet insbesondere, dass beim Überführen der Bauzylinder zwischen der Betriebsposition und der Auspackposition kein Gasaustausch mit der Außenluft beziehungsweise Schutzgasverlust an die Außenluft stattfindet.
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Die Prozesskammer und/oder die Auspackkammer weisen vorzugsweise Mittel zum Ausbilden einer Schutzgasatmosphäre auf. Diese Mittel können beispielsweise Gaszufuhrleitungen umfassen. Durch das Ausbilden einer Schutzgasatmosphäre können ungewünschte Reaktionen des Werkstoffpulvers oder des Formkörpers mit Luftsauerstoff oder anderen Luftbestandteilen verhindert werden. Insbesondere beim Laserschmelzen oder Lasersintern kann eine Reaktion mit Luftsauerstoff nachteilig sein. Durch das Aufbauen einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus reinem Stickstoff oder Argon oder einem anderen geeigneten inerten Gas, können solche unerwünschten Reaktionen vermieden werden.
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Die Prozesskammer und/oder die Auspackkammer können jeweils Mittel zum Ausbilden eines Überdrucks oder eines Unterdrucks aufweisen. Die Begriffe Überdruck beziehungsweise Unterdruck verstehen sich in Relation zu einem normalen atmosphärischen Druck in der Umgebung der Maschine. Durch das Ausbilden eines Überdrucks in der Prozesskammer beziehungsweise Auspackkammer kann ein Eindringen unerwünschter Kontamination aus der Umgebungsluft verhindert werden. Wenn beispielwese die Prozesskammer oder die Auspackkammer geöffnet werden, soll vermieden werden, dass Staub oder sonstige Partikel in die Prozesskammer oder die Auspackkammer eindringen. Andererseits kann ein Unterdruck in der Prozesskammer und/oder der Auspackkammer ausgebildet werden. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu dienen, dass Partikel, zum Beispiel gesundheitsschädlicher Schweißrauch oder Werkstoffpulver, aus dem Prozessraum oder dem Auspackraum der Maschine nach außen gelangen.
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Vorzugsweise weist die Auspackkammer Mittel zum Rückgewinnen und/oder Aufbereiten von nicht verfestigtem Werkstoffpulver auf. Diese Mittel können eine Absaugvorrichtungfür nicht verfestigtes Werkstoffpulver umfassen, mittels derer das nicht verfestigte Werkstoffpulver beim Auspacken des Formkörpers abgesaugt werden kann. Das nicht verfestigte Werkstoffpulver kann dann wiederverwendet werden. Hierzu kann es notwendig sein, das Werkstoffpulver zunächst aufzubereiten, indem beispielsweise ein Prozess des Filterns und/oder Siebens und/oder Reinigens des Werkstoffpulvers durchgeführt werden.
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Figurenliste
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
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Es zeigen schematisch:
- 1: eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laser-Werkzeugmaschine zum Herstellen eines Formkörpers mittels fokussierter Laserstrahlung.
- 2a: eine Schnittansicht durch die Symmetrieachsen der Bauzylinder und die Drehachse einer Transporteinrichtung einer Laser-Werkzeugmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 2b: eine Schnittansicht durch die Drehachse der in 2a gezeigten Transporteinrichtung senkrecht zum Schnitt der 2a.
- 3a: eine Schnittansicht einer Laser-Werkzeugmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 3b: eine Detailansicht des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
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Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine
1 zum Herstellen eines Formkörpers durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung. Die Maschine
1 umfasst einen Maschinenrahmen
8, auf dem eine Prozesskammer
2, die einen Prozessraum
3 umgibt, und eine Auspackkammer
4, die einen Auspackraum
5 umgibt, angeordnet sind. Auf der Prozesskammer
2 ist eine Laserstrahlquelle
9 angeordnet, die einen Laserstrahl erzeugt. In der Prozesskammer
2 kann ein Formkörper durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver schichtweise, insbesondere durch Laserschmelzen beziehungsweise Lasersintern, aufgebaut werden. Das Wirkprinzip des Laserschmelzens beziehungsweise Lasersinterns wird im Stand der Technik, beispielsweise in der
WO 98/24574 A1 und der
DE 19905067 A1 beschrieben.
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In der abschließbaren Prozesskammer 2 kann mittels eines Absaugsystems ein Unterdruck erzeugt werden, so dass die Umgebung der Maschine 1 und deren Benutzer vor Kontamination durch einen beim Fertigen des Formkörpers entstehenden Schweißrauch oder sonstige Partikel, zum Beispiel Werkstoffpulver, geschützt werden können. Die Prozesskammer 2 umgibt einen Prozessraum 3, der über eine Prozesskammertür 10 zugänglich sein kann.
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Die Prozesskammertür 10 kann einen Verriegelungsmechanismus aufweisen, der in Abhängigkeit des Bearbeitungsprozesses betätigt werden kann. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Prozesskammertür 10 während eines laufenden Bearbeitungsprozesses geöffnet wird. Anstatt eines Unterdrucks kann in der Prozesskammer 2 auch eine Schutzgasatmosphäre mit Überdruck aufgebaut werden. Hierzu können inerte Gase wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon verwendet werden. Die Prozesskammer 2 ist hierzu im Wesentlichen gasdicht verschließbar.
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Bei gattungsgemäßen Maschinen zum Laserschmelzen weist die Prozesskammer in der Regel Durchgriffsöffnungen auf, die es einem Benutzer erlauben, mittels abgedichteter Handschuhe in den Prozessraum 3 einzugreifen. Das Eingreifen in den Prozessraum 3 mittels abgedichteter Handschuhe erfolgt insbesondere beim Auspacken eines fertiggestellten Formstücks. Die in 1 dargestellte Maschine 1 weist jedoch keine Durchgriffsöffnungen sondern lediglich zwei Sichtfenster auf. Der Verfahrensschritt des Auspackens erfolgt erfindungsgemäß in der Auspackkammer 4. Hierzu wird, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird, der Bauzylinder mit dem fertiggestellten Formstück zum Auspacken in die Auspackkammer 4 überführt.
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Die Maschine 1 kann ferner eine Pulveraufbereitungseinrichtung umfassen, die in 1 jedoch nicht dargestellt ist. Mittels der Pulveraufbereitungseinrichtung kann nicht verfestigtes Werkstoffpulver nach dem Fertigungsprozess für eine erneute Verwendung aufbereitet werden. Hierzu kann die Pulveraufbereitungseinrichtung insbesondere mittels einer Werkstoffpulver-Absaugeinrichtung mit der Auspackkammer wirkverbunden sein. Die Pulveraufbereitungseinrichtung kann einen austauschbaren Vorratsbehälter für Werkstoffpulver aufweisen.
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Unterhalb der Prozesskammer 2 und der Auspackkammer 4 ist eine Transporteinrichtung 6 im Maschinenrahmen 8 angeordnet. Die Transporteinrichtung 6 dient dazu, einen Bauzylinder 11, 12 von einer Betriebsposition in der Prozesskammer 2 zu einer Auspackposition in der Auspackkammer 4 beziehungsweise umgekehrt zu befördern. Die Funktionsweise der Transporteinrichtung 6 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2a und 2b genauer beschrieben.
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2a zeigt eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Transporteinrichtung 6 wie sie in einer erfindungsgemäßen Maschine 1 verwendet werden kann. Der Schnitt geht durch eine Drehachse D der Transporteinrichtung 6 und durch Symmetrieachsen B1 und B2 der Bauzylinder 11, 12. In 2a sind auch eine Pulverzufuhr 17 zum Prozessraum 3 und eine Pulverrückführung 18 jeweils aus der Prozesskammer 2 und der Auspackkammer 4 dargestellt. Die Pulverrückführung 18 kann mit einer Pulveraufbereitungseinrichtung verbunden sein, die das rückgeführte Werkstoffpulver aufbereitet.
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2b zeigt einen Schnitt senkrecht zum Schnitt der 2a. Die Drehachse D liegt in der Schnittebene. Die Hubeinrichtung 16 umfasst zwei Federhubzylinder 16a, die in Bezug zu den Bauzylindern 11,12 um 90 Grad um die Drehachse D versetzt angeordnet sind. Die so ausgeführte Hubeinrichtung 16 erlaubt ein gleichmäßiges Heben und Senken des Trägers 7 der Transporteinrichtung relativ zum Maschinenrahmen 8. Eine Vielzahl von Linearführungen 16b, die zwischen dem Träger 7 und der Hubvorrichtung 16 angeordnet sind, führt die von den Hubzylindern 16a erzeugte Hubbewegung des Trägers 7.
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Die Transporteinrichtung 6 umfasst einen Träger 7, auf dem ein erster Bauzylinder 11 und ein zweiter Bauzylinder 12 angeordnet sind. Der Träger 7 ist hier als gerüstartiger Körper mit mehreren Ebenen ausgebildet und ermöglicht eine präzise mechanische Anordnung der Komponenten, insbesondere der Bauzylinder 11, 12. Eine Dreheinheit 15 ist umfänglich um den Träger 7 angeordnet und ermöglicht eine leichtgängige und zuverlässige Drehung des Trägers 7. Ein Drehantrieb kann mit der Dreheinheit 15 wirkverbunden sein, um eine Drehung des Trägers 7 zu bewirken. Über ein Drehlager kann die Dreheinheit 15 in Bezug auf den ortsfesten Maschinenrahmen 8 gelagert sein. Die Anordnung der Hubeinrichtung 16 auf (fast) gleicher Ebene wie die Bauzylinder 11, 12 führt zudem zu einer gleichmäßigen Massenverteilung der Transporteinrichtung 6. Somit kann eine geringe mechanische Beanspruchung der Drehlager der Dreheinheit 15 erreicht werden.
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Die Bauzylinder 11, 12 umgeben jeweils einen Bauraum 11b, 12b. In den Bauzylindern 11, 12 ist jeweils ein Werkstücktisch 11a, 12a angeordnet, der in den Bauraum 11b, 12b verschiebbar ist. Zum Absenken beziehungsweise Anheben des Werkstücktisches 11a, 12a im Bauraum 11b, 12b weisen die Bauzylinder 11, 12 jeweils eine Hubeinrichtung 11c, 12c auf. Die Hubeinrichtungen 11c, 12c können beispielsweise einen hydraulischen Antrieb oder einen Kugelgewindetrieb aufweisen. In dem in 2a und 2b gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Hubeinrichtungen 11c und 12c auf einer mittleren Ebene des Trägers 7 angeordnet.
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In der Darstellung der 2a und 2b ist der erste Bauzylinder 11 an einer Betriebsposition in der Prozesskammer 2 angeordnet. Der zweite Bauzylinder 12 ist an einer Auspackposition in der Auspackkammer 4 angeordnet. Prozessraum 3 und Auspackraum 5 sind in 2a jeweils im Schnitt dargestellt. In 2b verläuft die Schnittebene zwischen Prozesskammer 2 und Auspackkammer 4, so dass nur die Rückwand der Auspackkammer 4 dargestellt ist. Beim ersten Bauzylinder 11 ist der Werkstücktisch 11a in einer Ausgangsposition angeordnet.
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Auf dem Werkstücktisch 11a kann nun zunächst eine Schicht aus Werkstoffpulver aufgetragen werden. Hierzu weist die Maschine eine im Prozessraum 3 angeordnete und mit der Pulverzufuhr 17 verbundene Einrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf. Nach dem Auftragen des Werkstoffpulvers werden Bereiche der Werkstoffpulverschicht durch einen fokussierten Laserstrahl verfestigt. Die Bereiche entsprechen einem Querschnitt des aufzubauenden Formkörpers. Nach dem Verfestigen wird der Werkstücktisch 11a um die Höhe einer Werkstoffpulverschicht in den Bauraum 11b abgesenkt. Durch Wiederholen der Verfahrensschritte des Auftragens der Werkstoffpulverschicht, des Verfestigens von Bereichen und Absenken des Werkstücktisches 11a kann ein Formkörper aufgebaut werden.
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Am Ende des Fertigungsprozesses befindet sich der gefertigte Formkörper, umgeben von nicht verfestigtem Werkstoffpulver, im Bauraum 11b des ersten Bauzylinders 11. Die Stellung des Werkstücktisches 11a entspricht dann der in 2a und 2b dargestellten Stellung des zweiten Bauzylinders 12. Zum Auspacken des Formkörpers wird der ersten Bauzylinder 11 durch die Transporteinrichtung 6 in die Auspackkammer 4 überführt.
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Zum Überführen des ersten Bauzylinders 11 in die Auspackkammer 4 wird zunächst der Träger 7, auf der die Bauzylinder 11, 12 angeordnet sind, mittels einer Hubeinrichtung 16 abgesenkt. Die Hubeinrichtung 16 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, einen Hub von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern auszuführen. Nach dem Absenken des Trägers 7 wird der Träger 7 um 180 Grad gedreht. Hierzu weist die Transporteinrichtung 6 eine Drehachse D auf, um die eine Drehung durch die Dreheinheit 15 bewirkt wird. Der Träger 7 ist drehbar um die Drehachse D gelagert. Die Drehachse D steht parallel zu den Symmetrieachsen B1, B2 der Bauzylinder 11, 12. Nach dem Drehen wird der Träger 7 wieder durch die Hubeinrichtung 16 angehoben, so dass die Bauzylinder 11, 12 wieder bündig an den dafür im Prozessraum 3 und im Auspackraum 5 vorgesehenen Öffnungen angeordnet sind. Somit kann die Transporteinrichtung gleichzeitig den ersten Bauzylinder 11 von der Betriebsposition in die Auspackposition und den zweiten Bauzylinder 12 von der Auspackposition in die Betriebsposition überführen.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Maschine 1 einen vom Prozessraum 3 getrennten Auspackraum 5 aufweist, kann ein fertiger Formkörper ausgepackt werden, während in der Prozesskammer 2 bereits ein weiterer Fertigungsprozess durchgeführt wird. Da der Prozess des Auspackens viele Stunden in Anspruch nehmen kann, ist somit eine erhebliche Produktivitätssteigerung einer solchen Maschine gegenüber einer Maschine ohne getrennte Auspackposition erreichbar. Darüber hinaus kann der Prozessraum 3 deutlich kleiner dimensioniert werden, wodurch eine geringere Laserbrennweite ausreichend sein kann, so dass eine weniger komplexe Optik für den Laser verwendet werden kann. Ein kleinerer Prozessraum 3 kann zudem eine verbesserte Gasführung im Prozessraum 3 ermöglichen. Die Gasführung umfasst einerseits das Abführen von gesundheitsschädlichem Schweißrauch sowie die Zufuhr von Schutzgas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon.
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Die Umgebung der Transporteinrichtung 6 selbst ist nicht gegenüber der Außenluft abgedichtet. Trotzdem sollte während des Überführens kein Kontakt der Bauräume 11b, 12b, des Prozessraums 3 oder des Auspackraums 5 mit der Außenluft entstehen. Um dies zu gewährleisten weist die Transporteinrichtung 6 eine Dichtung 13 sowie eine mit der Dichtung in Wirkverbindung stehende seitliche Führung 14 auf, die zusammen eine Abdichtung der Bauräume 11b, 12b, des Prozessraums 3 und des Auspackraums 5 sicherstellen. Die Führung 14 ist im ersten Ausführungsbeispiel als kreisrunder Flansch ausgebildet, der an einer Unterseite einer Oberfläche angeordnet ist, die jeweils den Prozessraum 3 und den Auspackraum 5 nach unten abschließt. Die Dichtung 13 wird gleitend durch die Führung 14 gelagert. Hierzu kann die Dichtung 13 beispielsweise ein Teflon-Gleitlager aufweisen. Die kreisrunde Führung 14 ermöglicht eine Drehung des Trägers 7 um 360 Grad.
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Die Werkstücktische 11a, 12a sind vorzugsweise mittels Dichtungen gegenüber einer Innenwand der Bauzylinder 11, 12 abgedichtet. Hierdurch kann ein Entweichen von Werkstoffpulver oder Schutzgas nach außen beziehungsweise ein Eindringen von Luft oder einer Kontamination von außen in die Bauräume 11b, 12b verhindert werden.
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Auch wenn dies in den Figuren nicht dargestellt ist, versteht es sich, dass die Maschine 1 eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu konfiguriert ist, die Maschine 1 zu steuern. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung die Einrichtung zum Auftragen der Pulverschicht, die Pulveraufbereitung, die Transporteinrichtung 6 und die Hubeinrichtungen 11c, 12c.
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Im ersten Ausführungsbeispiel weisen die beiden Bauzylinder 11, 12 einen kreisrunden Querschnitt und somit jeweils kreisrunde Werkstücktische 11a, 12a auf. In alternativen Ausführungen kann der Querschnitt auch rechteckig, insbesondere quadratisch, mehreckig, oval, elliptisch oder auch asymmetrisch geformt sein. Es versteht sich, dass die Dimensionen des Bauraums 11b, 12b die maximale Größe des zu fertigenden Formkörpers bestimmen. Typische Abmessungen eines Bauraums betragen einige hundert Millimeter im Durchmesser beziehungsweise in der Höhe.
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Bei der in 2a und 2b gezeigten Transporteinrichtung 6 weist die Dreheinheit 15 ein umfängliches Drehlager auf. Mittels eines Drehantriebs kann eine Drehung des Trägers 7 bewirkt werden. Dreheinheit 15 und Träger 7 können fest miteinander verbunden sein.
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Der Träger 7 selbst ist als ein Körper ausgebildet, der als tragendes Gerüst, insbesondere für die Bauzylinder 11, 12 und die Hubeinrichtung 16 dient. Die Hubeinrichtung 16 ist ungefähr auf gleicher Ebene mit und versetzt zu den Bauzylindern 11, 12 auf dem Träger 7 angeordnet. Durch diese Anordnung der Dreheinheit 15 und der Hubeinrichtung 16 kann die Arbeitshöhe der Maschine 1 reduziert werden, so dass die Maschine 1 einfacher zu bedienen ist. Entscheidend für die Funktion der Transporteinrichtung 6 ist, dass die Drehung um die Achse D, der Hub der Werkzeugtische 11a, 12a der beiden Bauzylinder 11, 12 und der Hub durch die Hubeinrichtung 16 unabhängig voneinander ausgeführt werden können.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel als Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ist in 3a und 3b dargestellt. Die Hauptbestandteile der Maschine 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen im Wesentlichen denen der Maschine 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Auf eine erneute Darstellung aller Bezugszeichen und eine erneute Beschreibung der identischen Komponenten wird daher verzichtet.
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Der Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels zum ersten Ausführungsbeispiel liegt im Wesentlichen darin, dass auf eine Hubbewegung beim gleichzeitigen Überführen des ersten Bauzylinders 11 von der Betriebsposition in die Auspackposition und des zweiten Bauzylinders 12 von der Auspackposition in die Betriebsposition verzichtet werden kann. Dies wird erreicht, indem zwischen den Bauzylindern 11, 12 und der Prozesskammer 2 beziehungsweise zwischen den Bauzylindern 11, 12 und der Auspackkammer 4 eine Dichtung 13a angeordnet ist, die geöffnet und verschlossen werden kann. Eine bevorzugte Ausführung der verschließbaren Dichtung 13a ist eine aufblasbare Dichtung 13a, die zum Schließen mit Druckluft beaufschlagt werden kann. Zum Öffnen der aufblasbaren Dichtung 13a kann die Druckluft kontrolliert abgelassen werden. Hierzu kann die Dichtung 13a beispielsweise ein steuerbares Ventil umfassen.
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3b zeigt eine Detailansicht des mit dem in 3a gestrichelt eingezeichneten Rechteck A gekennzeichneten Bereichs. Am linken Rand der 3b ist ein Teil des ersten Werkstücktischs 11a des ersten Bauzylinders zu erkennen. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel ist die Wand des Bauzylinders 11 kürzer als der Verfahrweg des Werkzeugtischs 11a, so dass der erste Werkstücktisch 11a in der in 3b dargestellten Betriebsposition aus dem Bauzylinder 11 herausragt und bündig mit dem Boden der Prozesskammer 2 abschließt. An der Oberkante des Bauzylinders 11 ist die aufblasbare Dichtung 13a angeordnet, die mit Druckluft beaufschlagbar ist, so dass die Dichtung 13a den Bauzylinder 11 durch Druck gegen eine Dichtfläche 14a der Führung 14 im Wesentlichen gasdicht abdichtet. In gleicher Weise wird auch der zweite Bauzylinder 12 abgedichtet. Eine aufblasbare Dichtung 13a ist jeweils umfänglich entlang der oberen Kante der Bauzylinder 11, 12 angeordnet, so dass die Bauräume 11b, 12b jeweils abgedichtet werden können, um mit dem Prozessraum 3 beziehungsweise mit dem Auspackraum 5 einen nach außen abgedichteten Raum bereitzustellen.
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Ein Bauzylinderwechsel zwischen der Betriebsposition und der Auspackposition kann erfolgen, indem zunächst die Druckluft aus der aufblasbaren Dichtung 13a abgelassen wird. Hierdurch verkleinert sich das Volumen der aufblasbaren Dichtung 13a, so dass der Kontakt zwischen der Dichtung 13a und der Dichtfläche 14a aufgehoben wird. Das Ablassen der Druckluft kann beispielsweise über ein steuerbares Ventil erfolgen (nicht dargestellt).
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Anschließend kann eine Drehung der Bauzylinder 11, 12 beziehungsweise des gesamten Trägers 7 um 180 Grad, ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel um die Drehachse durchgeführt werden. Ein Hubvorgang der Transportvorrichtung 6 vor und/oder nach der Drehung ist hierbei nicht mehr erforderlich. Somit benötigt die Maschine 1 des zweiten Ausführungsbeispiels keine Hubvorrichtung 16 und der Vorgang des Überführens ist weniger komplex und kann zeitsparend erfolgen.
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Wie aus 3b ersichtlich ist, kann lediglich ein Absenken der Werkzeugtische 11a und 12a bis unter die Oberkante der Bauzylinder 11, 12 erforderlich sein, um die Drehung zu ermöglichen. Diese Oberkante weist einen kleinen Abstand zur unteren Kante der in 3b im Detail gezeigten Dichtfläche 14a auf. Nach dem Durchführen der Drehung wird die aufblasbare Dichtung 13a wieder mit Druckluft beaufschlagt, um die Bauzylinder 11, 12 wieder abzudichten.
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Während des Drehvorgangs ist die aufblasbare Dichtung 13a im Wesentlichen offen. Um dennoch einen Luft- beziehungsweise Gasaustausch mit der Umgebung zu vermeiden, kann zusätzlich eine gleitende Dichtung 13b zwischen Dreheinheit 15 und Dichtfläche 14a vorgesehen sein. Diese gleitende Dichtung 13b ist aus einem geeigneten Material, das auch bei einer Drehbewegung eine ausreichende Dichtheit der Dichtung 13b gewährleistet.
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Die Dreheinheit 15 kann beim zweiten Ausführungsbeispiel fest mit den Bauzylindern 11, 12 verbunden sein. Über eine weitere Dichtung, zum Beispiel einen umfänglich verlaufenden O-Ring 15a, wird die Dreheinheit 15 gegen die Bauzylinder 11, 12 beziehungsweise gegen den Träger 7 abgedichtet. Die umfängliche Dichtung 15a kann die Wirkung der aufblasbaren Dichtung 13a und der gleitenden Dichtung 13b weiter verbessern.
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Wie in 3b gezeigt, ist die Dreheinheit 15 mittels eines umfänglich angeordneten Drehlagers 15b gegenüber der Führung 14 gelagert. Als Drehlager 15b kann beispielsweise ein Wälzlager, insbesondere eine Drahtwälzlager verwendet werden. Hierdurch können ein besonders leichter Lauf, eine hohe Dynamik und eine kompakte Bauweise kombiniert werden.
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Die in 3b im Detail dargestellte Dreheinheit 15 weist ferner eine umfänglich verlaufende ringförmige Auskragung 15c auf, die als mechanische Schnittstelle für einen in den Figuren nicht dargestellten Drehantrieb dient. Der Drehantrieb kann eine Drehung des gesamten Trägers 7 und damit der Bauzylinder 11 und 12 bewirken.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laser-Werkzeugmaschine
- 2
- Prozesskammer
- 3
- Prozessraum
- 4
- Auspackkammer
- 5
- Auspackraum
- 6
- Transporteinrichtung
- 7
- Träger der Transporteinrichtung
- 8
- Maschinenrahmen
- 9
- Laserstrahlquelle
- 10
- Prozesskammertür
- 11
- erster Bauzylinder
- 11a
- erster Werkstücktisch
- 11b
- erster Bauraum
- 12
- zweiter Bauzylinder
- 12a
- zweiter Werkstücktisch
- 12b
- zweiter Bauraum
- 13
- Dichtung
- 13a
- aufblasbare Dichtung
- 13b
- gleitende Dichtung
- 14
- Führung
- 14a
- Dichtfläche
- 15
- Dreheinheit
- 15a
- O-Ring
- 15b
- Drehlager
- 15c
- ringförmige Auskragung
- 16
- Hubeinrichtung
- 16a
- Federhubzylinder
- 16b
- Linearführung
- 17
- Pulverzufuhr
- 18
- Pulverrückführung
- D
- Drehachse
- B1
- Symmetrieachse des ersten Bauzylinders
- B2
- Symmetrieachse des zweiten Bauzylinders
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9824574 A1 [0003, 0024]
- DE 19905067 A1 [0003, 0024]
- DE 202013009787 U1 [0007]
