DE102019131059A1 - Swap body container and device for additive manufacturing of a workpiece, process station and system for it - Google Patents
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Abstract
Bekannte Wechselbaubehälter (70; 300; 400; 504; 505) für die Additive Fertigung eines Werkstücks (104) weisen ein Gehäuse (101) auf, das einen Bauraum (19) mit einer Grundfläche (20) und einer Mantelfläche (21) umgibt, eine Bauplattform (22), die den Bauraum (19) grundflächenseitig begrenzt, und eine Heizeinrichtung (49) mit einer der Mantelfläche (21) des Bauraums (19) zugeordneten Mantel-Heizung (44). Um davon ausgehend einen Wechselbaubehälter anzugeben, in dem die Ausgangsmaterialien vorbehandelt und das Werkstück samt den restlichen Ausgangsmaterialien nachbehandelt werden können, bei dem das Risiko für eine Rissbildung oder einen Verzug des Werkstücks - insbesondere während des Transports des Wechselbaubehälters - verringert ist, wird vorgeschlagen, das Gehäuse (101) eine verschließbare Abdeckung (71; 500) aufweist und die Mantel-Heizung (44) eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder eine UV-Strahlungsquelle umfasst, wobei zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und/oder der UV-Strahlungsquelle einerseits und dem Bauraum (19) andererseits eine Trennwand (28) aus einem für Infrarot-Strahlung und/oder UV-Strahlung transparentem Material angeordnet ist.Known interchangeable containers (70; 300; 400; 504; 505) for the additive manufacturing of a workpiece (104) have a housing (101) which surrounds a construction space (19) with a base area (20) and an outer surface (21), a construction platform (22) which delimits the installation space (19) on the base side, and a heating device (49) with a jacket heater (44) assigned to the jacket surface (21) of the installation space (19). On the basis of this, to specify a swap body in which the starting materials can be pretreated and the workpiece including the remaining starting materials can be post-treated, in which the risk of cracking or warpage of the workpiece - especially during the transport of the swap body - is reduced, it is proposed that Housing (101) has a closable cover (71; 500) and the jacket heater (44) comprises an infrared radiation source and / or a UV radiation source, wherein between the infrared radiation source and / or the UV radiation source on the one hand and the Installation space (19), on the other hand, a partition (28) made of a material that is transparent to infrared radiation and / or UV radiation is arranged.
Description
Technischer HintergrundTechnical background
Die Erfindung betrifft einen Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks, aufweisend:
- - ein Gehäuse, das einen Bauraum mit einer Grundfläche und einer Mantelfläche umgibt,
- - eine Bauplattform, die den Bauraum grundflächenseitig begrenzt, und
- - eine Heizeinrichtung mit einer der Mantelfläche des Bauraums zugeordneten Mantel-Heizung.
- - a housing that surrounds an installation space with a base and a lateral surface,
- - A construction platform that delimits the installation space on the base side, and
- - A heating device with a jacket heater assigned to the jacket surface of the installation space.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer Laserstrahlquelle oder einer Elektronenstrahlquelle.The invention also relates to a device for additive manufacturing of a workpiece with a laser beam source or an electron beam source.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Prozessstation für ein mit einer Vorrichtung für die Additive Fertigung hergestelltes Werkstück.The invention also relates to a process station for a workpiece produced with a device for additive manufacturing.
Schließlich betrifft die Erfindung ein System für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks.Finally, the invention relates to a system for additive manufacturing and machining of a workpiece.
Der Begriff „Additive Fertigung“ bezeichnet ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück durch schichtweisen Aufbau hergestellt wird. Synonym verwendet werden hierfür auch die Begriffe „Additive Manufacturing“, „3D-Druck“, „Rapid Prototyping“ oder „generative Fertigung“. Der Begriff wird nachfolgend so verwendet, dass er die Herstellung des Werkstücks durch schichtweisen Aufbau umfasst, nicht aber vorausgehende oder sich eventuell hieran anschließende Verfahrensschritte, selbst wenn diese Verfahrensschritte die physikalischen und chemischen Eigenschaften des additiv gefertigten Werkstücks beeinflussen. Beispiele für begrifflich nicht erfasste Verfahrensschritte sind eine nachfolgende (Hoch-)Temperatur-behandlung des additiv gefertigten Werkstücks, ein Nachverdichten desselben durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder ein kontrollierter Abkühlprozess.The term “additive manufacturing” describes a manufacturing process in which a workpiece is manufactured by building up layers. The terms “additive manufacturing”, “3D printing”, “rapid prototyping” or “generative manufacturing” are also used synonymously. The term is used below in such a way that it includes the production of the workpiece by building it up in layers, but not preceding or possibly subsequent process steps, even if these process steps influence the physical and chemical properties of the additively manufactured workpiece. Examples of process steps that are not covered by the concept are a subsequent (high) temperature treatment of the additively manufactured workpiece, subsequent compression of the same by hot isostatic pressing (HIP) or a controlled cooling process.
Der schichtweise Aufbau des Werkstücks erfolgt in einer „Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks“. Um den Durchsatz dieser Vorrichtung zu erhöhen, können vor- und nachbearbeitende Fertigungsschritte in einer anderen Vorrichtung als der Vorrichtung für die Additive Fertigung, mithin in einer „externen“ Station durchgeführt werden; eine solche Station wird nachfolgend als „Prozessstation“ bezeichnet.The workpiece is built up in layers in a "device for additive manufacturing of a workpiece". In order to increase the throughput of this device, pre- and post-processing manufacturing steps can be carried out in a device other than the device for additive manufacturing, i.e. in an “external” station; such a station is referred to below as a “process station”.
Ein „Wechselbaubehälter“ im Sinne der Erfindung ist sowohl bei der Additiven Fertigung dreidimensionaler Werkstücke als auch bei den der Additiven Fertigung vorausgehenden oder sich hieran anschließenden Verfahrensschritten einsetzbar. Er ist so ausgestaltet, dass er in einer „Vorrichtung für die Additive Fertigung“, darüber hinaus aber auch in einer „Prozessstation“ einsetzbar ist, denn: Der Additiven Fertigung kann beispielsweise eine Vorbehandlung der zur Additiven Fertigung verwendeten Ausgangsstoffe in einer ersten Prozessstation vorausgehen oder an die Additive Fertigung kann sich eine Nachbehandlung des additiv gefertigten Werkstücks in einer zweiten Prozessstation anschließen. Ein einfaches Beispiel für eine Vorbehandlung ist eine Vortemperierung der zur Additiven Fertigung verwendeten Ausgangsstoffe. Ein einfaches Beispiel für eine Nachbehandlung ist ein kontrolliertes Abkühlen des Werkstücks im Wechselbaubehälter bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum. Ein kontrolliertes Abkühlen des Werkstücks dient dazu, thermische Spannungen durch zu schnelles Abkühlen zu vermeiden, da dies zu Rissen und Verzug des additiv gefertigten Werkstücks führen kann. Vorzugsweise erfolgt das kontrollierte Abkühlen in einer inerten Atmosphäre; es kann aber auch in einer oxydierenden Atmosphäre erfolgen, um das Werkstück sowie den wiederverwendbaren Ausgangsstoff zu passivieren.A “swap body” in the sense of the invention can be used both in the additive manufacturing of three-dimensional workpieces and in the process steps preceding or following the additive manufacturing. It is designed so that it can be used in a “device for additive manufacturing”, but also in a “process station” because: Additive manufacturing can, for example, be preceded by a pretreatment of the raw materials used for additive manufacturing in a first process station or Additive manufacturing can be followed by post-treatment of the additively manufactured workpiece in a second process station. A simple example of pretreatment is preheating of the raw materials used for additive manufacturing. A simple example of post-treatment is a controlled cooling of the workpiece in the swap body until the workpiece is removed from the installation space. A controlled cooling of the workpiece is used to avoid thermal stresses caused by too rapid cooling, as this can lead to cracks and warpage of the additively manufactured workpiece. The controlled cooling is preferably carried out in an inert atmosphere; however, it can also take place in an oxidizing atmosphere in order to passivate the workpiece and the reusable starting material.
Stand der TechnikState of the art
Additive Fertigungsverfahren werden häufig zur Herstellung dreidimensionaler Formteile aus Kunststoff, Metall oder Keramik eingesetzt. Zu den üblichen Verfahren gehören das selektive Laserstrahlsintern (SLS, Selective Laser Sintering) von Kunststoffpulvern bzw. Laserstrahlschmelzen (LBM, Laser Beam Melting; synonym auch: SLM, Selective Laser Melting) von Metallpulvern oder Keramikpulvem, aber auch das EBM (Electron Beam Melting) von Metallpulvern. Bei diesen Schichtaufbautechniken erfolgt der Werkstückaufbau schichtweise in einem Pulverbett. Nach dem Bereitstellen einer ersten Pulverschicht wird diese mit einem Laser selektiv aufgeschmolzen. Nicht belichtetes Pulver verbleibt im Bauraum; die Schicht aus selektiv aufgeschmolzenem und losem Pulver wird mit einer weiteren Pulverschicht bedeckt und diese anschließend selektiv aufgeschmolzen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis durch Schichtaufbau das Werkstück hergestellt ist. Additive manufacturing processes are often used to manufacture three-dimensional molded parts made of plastic, metal or ceramics. The usual processes include the selective laser sintering (SLS, Selective Laser Sintering) of plastic powders or laser beam melting (LBM, Laser Beam Melting; synonymous also: SLM, Selective Laser Melting) of metal powders or ceramic powders, but also the EBM (Electron Beam Melting) of metal powders. With these layer build-up techniques, the workpiece is built up in layers in a powder bed. After a first powder layer has been provided, it is selectively melted using a laser. Unexposed powder remains in the installation space; the layer of selectively melted and loose powder is covered with a further layer of powder and this is then selectively melted. This process is repeated until the workpiece is built up in layers.
Nach dem Abschluss des schichtweisen Werkstück-Aufbaus ist es notwendig, den Bauraum mit dem unverfestigten, losen Pulver und dem darin befindlichen additiv gefertigten Werkstück abkühlen zu lassen, bevor das lose Pulver entfernt und das Werkstück aus der Vorrichtung genommen werden kann. Da insbesondere bei der Herstellung metallischer und keramischer Werkstücke häufig eine hohe Bauraum-Temperatur benötigt wird, muss der Abkühlprozess langsam erfolgen. Nur so können Verzug, thermische Spannungen und Risse im Werkstück zuverlässig verhindert werden. Häufig werden definierte Abkühlraten und Haltezeiten vorgegeben. Das Werkstück verbleibt während des Abkühlprozesses in der Vorrichtung für die Additive Fertigung.After the layer-wise build-up of the workpiece has been completed, it is necessary to allow the installation space with the unconsolidated, loose powder and the additively manufactured workpiece located therein to cool before the loose powder can be removed and the workpiece can be removed from the device. Since a high installation space temperature is often required, particularly in the manufacture of metallic and ceramic workpieces, the cooling process must be slow. This is the only way to be able to Warpage, thermal tension and cracks in the workpiece can be reliably prevented. Defined cooling rates and holding times are often specified. The workpiece remains in the additive manufacturing device during the cooling process.
Ein solches Vorgehen hat aber den Nachteil, dass die Vorrichtung aufgrund der notwendigen Abkühlphase für einen gewissen Zeitraum nicht genutzt werden kann.However, such a procedure has the disadvantage that the device cannot be used for a certain period of time due to the necessary cooling phase.
Aus der
Auch in der
Die in der
Technische AufgabenstellungTechnical task
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, einen Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks anzugeben, in dem die Ausgangsmaterialien vorbehandelt und das Werkstück samt den restlichen Ausgangsmaterialien nachbehandelt werden können, bei dem das Risiko für eine Rissbildung oder einen Verzug des Werkstücks - insbesondere während des Transports des Wechselbaubehälters - verringert ist, und der darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung eines additiv gefertigten Werkstücks ermöglicht.The present invention is therefore based on the technical problem of specifying a swap body for the additive manufacturing of a workpiece in which the starting materials can be pretreated and the workpiece together with the remaining starting materials can be post-treated, with the risk of cracking or warpage of the workpiece - in particular during the transport of the interchangeable container - is reduced, and which also enables a cost-effective production of an additively manufactured workpiece.
Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks, eine entsprechende Prozessstation sowie ein System für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks anzugeben.Furthermore, the present invention is based on the object of specifying a corresponding device for additive manufacturing of a workpiece, a corresponding process station and a system for additive manufacturing and machining of a workpiece.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Hinsichtlich des Wechselbaubehälters wird diese Aufgabe ausgehend von einem Wechselbaubehälter der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine verschließbare Abdeckung aufweist und die Mantel-Heizung eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder eine UV-Strahlungsquelle umfasst, wobei zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und/oder der UV-Strahlungsquelle einerseits und dem Bauraum andererseits eine Trennwand aus einem für Infrarot-Strahlung und UV-Strahlung transparentem Material angeordnet ist.With regard to the interchangeable container, this object is achieved according to the invention on the basis of an interchangeable container of the type mentioned at the beginning in that the housing has a closable cover and the jacket heater comprises an infrared radiation source and / or a UV radiation source, with between the infrared radiation source and / or the UV radiation source on the one hand and the installation space on the other hand a partition made of a material transparent to infrared radiation and UV radiation is arranged.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die Entstehung von Ausschuss bei der Herstellung additiv gefertigter Werkstücke verringert werden kann, wenn der Wechselbaubehälter mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist, die mit hoher Leistung und einem guten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Hierdurch ist die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters nicht nur beim Transport einsetzbar, sondern darüber hinaus auch für die Durchführung weiterer Heizvorgänge geeignet, für die es ansonsten einer separaten Prozessstation mit eigener Heiz-Einheit bedurft hätte.The present invention is based on the idea that the formation of rejects in the production of additively manufactured workpieces can be reduced if the interchangeable container is equipped with a heating device that can be operated with high power and good efficiency. As a result, the heating device of the swap body container can not only be used during transport, but is also suitable for carrying out further heating processes for which a separate process station with its own heating unit would otherwise have been required.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Mantel-Heizung eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder eine UV-Strahlungsquelle umfasst. Sowohl bei Infrarot-Strahlungsquellen als auch bei UV-Strahlungsquellen erfolgt die Energieübertragung durch Strahlung. Diese Art der Energieübertragung erweist sich gegenüber anderen Arten der Energieübertragung wie Konvektion oder Wärmeleitung als vorteilhaft, da sie regelmäßig einen Betrieb der Strahlungsquellen mit hoher Leistung ermöglicht und gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad aufweist.According to the invention, it is therefore provided that the jacket heater comprises an infrared radiation source and / or a UV radiation source. With infrared radiation sources as well as with UV radiation sources, the energy transfer takes place through radiation. This type of energy transfer proves to be advantageous compared to other types of energy transfer such as convection or heat conduction, since it regularly enables the radiation sources to be operated with high power and at the same time has a good degree of efficiency.
Hinsichtlich eines Wechselbaubehälters mit einer Infrarot-Strahlungsquelle hat es sich besonders bewährt, wenn die Infrarot-Strahlungsquelle eine Leistung bezogen auf die Länge des Heizfilaments im Bereich von 20 W/cm bis 50 W/cm, besonders bevorzugt im Bereich von 25 W/cm bis 40 W/cm aufweist. In diesen Leistungsbereichen weisen Rundrohr-Infrarotstrahler mit Wolframfilamenten typischerweise Filament-Temperaturen von 1.500°C bis 2.300°C auf. Dies entspricht Peak-Wellenlängen von etwa 1,0 µm bis 1,4 µm. Aufheizversuche mit verschiedenen Metallpulvern haben gezeigt, dass insbesondere Strahlung mit Peak-Wellenlängen zwischen 1,1 µm und 1,3 µm zur effizienten Aufheizung der meisten Metallpulver, insbesondere von Metallpulvem aus Eisen, Aluminium, Titan, Nickel, Kobalt Wolfram, Tantal, Molybdän, Platin, Rhenium, Ruthen, Silber, Gold, Iridium, Niob, Magnesium und deren Legierungen, geeignet ist.With regard to an interchangeable container with an infrared radiation source, it has proven particularly useful if the infrared radiation source has an output based on the length of the heating filament in the range from 20 W / cm to 50 W / cm, particularly preferably in the range from 25 W / cm to 40 W / cm. In these performance ranges, round tube infrared emitters with tungsten filaments typically have filament temperatures of 1,500 ° C to 2,300 ° C. This corresponds to peak wavelengths of around 1.0 µm to 1.4 µm. Heating tests with various metal powders have shown that in particular radiation with peak wavelengths between 1.1 µm and 1.3 µm for efficient heating of most metal powders, in particular metal powders made of iron, aluminum, titanium, nickel, cobalt, tungsten, tantalum, molybdenum, Platinum, rhenium, ruthen, silver, gold, iridium, niobium, magnesium and their alloys, is suitable.
UV-Strahlungsquellen hingegen erweisen sich als vorteilhaft bei der Erwärmung von Pulvern, mit einem Pulveranteil an hochreflektiven Metallen von 50 Gew.% oder mehr. Hochreflektive Metalle sind beispielsweise Gold, Silber, Chrom, Nickel oder Kupfer. UV-Strahlungsquellen erweisen sich aber insbesondere vorteilhaft bei der Erwärmung von Kupferpulver oder kupferhaltigen Pulvern. Kupferpulver und kupferhaltige Pulver reflektieren auf sie auftreffende Strahlung in hohem Maße. Aufheizversuche haben gezeigt, dass ein besonders effizienter Energieeintrag in diese Pulver mit UV-Strahlung erreicht werden kann, insbesondere, wenn die UV-Strahlung Wellenlängen im Bereich von 250 nm bis 450 nm aufweist.UV radiation sources, on the other hand, prove to be advantageous when heating powders with a powder content of highly reflective metals of 50% by weight or more. Highly reflective metals are, for example, gold, silver, chromium, nickel or copper. However, UV radiation sources prove to be particularly advantageous when heating copper powder or powders containing copper. Copper powder and copper-containing powders reflect radiation incident on them to a high degree. Heat-up tests have shown that a particularly efficient introduction of energy into these powders can be achieved with UV radiation, in particular when the UV radiation has wavelengths in the range from 250 nm to 450 nm.
Ein Wechselbaubehälter mit einer solchen Heizeinrichtung hat mehrere Vorteile:
- Der erfindungsgemäße Wechselbaubehälter muss mit Energie versorgt werden, um die Heizeinrichtung betreiben zu können. Die hierfür notwendige Energie kann zwar grundsätzlich auch durch einen internen Akkumulator bereitgestellt werden. In den meisten Fällen dürfte der Wechselbaubehälter jedoch mit einer externen Stromquelle verbunden sein, insbesondere, wenn er in einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation eingesetzt ist. Darüber hinaus kann eine Bereitstellung weiterer Medien (z.B. Kühlflüssigkeit, Pulverausgangsmaterial, Prozessgas) erforderlich sein. Im einfachsten Fall erfolgt die Bereitstellung von Medien über Versorgungsleitungen, wie Kabel und Schläuche, die über lösbare Verbindungen, beispielsweise mit Steckern und Schnellkupplungen, mit dem Wechselbaubehälter verbunden werden können. Auf diese Weise kann der Wechselbauchbehälter einfach von der Vorrichtung für die Additive Fertigung gelöst und mit einer Prozessstation verbunden werden. Bei kurzen, schnellen Transportwegen erweist es sich als unproblematisch, wenn der Wechselbaubehälter während des Transportvorgangs nicht mit einer Medienversorgung verbunden ist. Anders ist die Situation aber, wenn für den Transportweg ein gewisser Zeitraum benötigt wird, beispielweise, weil die Vorrichtung für die Additive Fertigung und die Prozessstation räumlich voneinander getrennt erfolgen. Dann kann es notwendig sein, auch während des Transports einige Prozessparameter zu überwachen und gegebenenfalls auftretenden Abweichungen möglichst zeitnah entgegenzusteuern. Hierdurch kann die Entstehung von Ausschuss verringert werden. Zum Beispiel kann die Infrarot-Strahlungsquelle und/oder die UV-Strahlungsquelle während des Transports betrieben werden, um ein zu schnelles Abkühlen des im Wechselbaubehälter befindlichen Werkstücks zu vermeiden. Auch wenn für einen „normalen“ Transportvorgang die erfindungsgemäße Heizeinrichtung gewissermaßen überdimensioniert sein mag, ist es möglich, dass beispielsweise während des Transportvorgangs unerwartete zeitliche Verzögerungen auftreten können, die durch den erfindungsgemäßen Wechselbaubehälter besser kompensierbar sind. Insbesondere aber können auch Heizvorgänge, die ansonsten in der Prozessstation durchgeführt werden müssten, bereits während des Transports begonnen werden. Dies trägt sowohl zu einer Prozessbeschleunigung als auch zu einer verringerten Ausschuss-Entstehung durch Rissbildung und Verzug des Werkstücks bei. Darüber hinaus kann auf eine zusätzliche Heiz-Einheit in der Prozessstation verzichtet werden.
- The interchangeable container according to the invention must be supplied with energy in order to be able to operate the heating device. The energy required for this can in principle also be provided by an internal accumulator. In most cases, however, the interchangeable container is likely to be connected to an external power source, especially if it is used in a device for additive manufacturing of a workpiece or in a process station. In addition, it may be necessary to provide additional media (e.g. cooling liquid, powder starting material, process gas). In the simplest case, the supply of media takes place via supply lines, such as cables and hoses, which can be connected to the interchangeable container via detachable connections, for example with plugs and quick-release couplings. In this way, the swap body container can easily be detached from the device for additive manufacturing and connected to a process station. In the case of short, fast transport routes, it turns out to be unproblematic if the swap body is not connected to a media supply during the transport process. The situation is different, however, if a certain period of time is required for the transport route, for example because the device for additive manufacturing and the process station are spatially separated from one another. It may then be necessary to monitor some process parameters during the transport and to counter any deviations as soon as possible. This can reduce the formation of rejects. For example, the infrared radiation source and / or the UV radiation source can be operated during transport in order to prevent the workpiece in the swap body from cooling too quickly. Even if the heating device according to the invention may be oversized, so to speak, for a “normal” transport process, it is possible that unexpected time delays may occur during the transport process, which can be better compensated for by the swap body according to the invention. In particular, however, heating processes that would otherwise have to be carried out in the process station can already be started during transport. This contributes to both accelerating the process and reducing the formation of rejects due to the formation of cracks and distortion of the workpiece. In addition, there is no need for an additional heating unit in the process station.
Bei der Additiven Fertigung ist der Bauraum meist mit pulverförmigem Ausgangsmaterial gefüllt. Um zu vermeiden, dass die Infrarotstrahlungsquelle oder die UV-Strahlungsquelle mit dem Inhalt des Bauraums in Berührung kommen kann, ist erfindungsgemäß zwischen der Strahlungsquelle und dem Bauraum eine für Infrarotstrahlung und UV-Strahlung transparente Trennwand angeordnet. Infrarotstrahlung wird in drei Bänder (IR-A, IR-B, IR-C) eingeteilt: IR-A-Strahlung weist Wellenlängen im Bereich von 0,78 µm bis 1,4 µm auf; die Wellenlängen von IR-B-Strahlung liegen im Bereich von 1,4 µm bis 3,0 µm und die von IR-C-Strahlung im Bereich von 3 µm bis 1000 µm. UV-Strahlung erfasst gemäß DIN 5031, Teil 7 den Wellenlängenbereich von 100 nm bis 380 nm. Vorteilhafterweise ist die Trennwand aus Quarzglas oder Glaskeramik gefertigt. Die Trennwand schützt die Infrarotstrahlungsquelle vor Verschmutzungen; sie ist im Gegensatz zur Infrarotstrahlungsquelle einfach zu reinigen. Darüber hinaus erleichtert die Trennwand eine Reparatur oder einen Austausch der Strahlungsquelle. Der besondere Vorteil einer aus einem für Infrarot-Strahlung und UV-Strahlung transparenten Material gefertigten Trennwand liegt aber darin, dass es möglich ist, einen vorhandenen Wechselbaubehälter schnell umzurüsten, je nachdem, ob bei der Additiven Fertigung eine UV-Strahlungsquelle und/oder eine Infrarot-Strahlungsquelle zum Einsatz kommen soll. Dies ist nicht nur kostengünstig, sondern es dürfte auch dazu beitragen, dass eine geringere Anzahl an Wechselbaubehältern bereitgehalten werden muss. Auch ist eine Nachrüstung eines bestehenden Bauraums eines Wechselbaubehälters mit einer durch eine Trennwand separierten Infrarotstrahlungsquelle einfach und kostengünstig durchführbar.With additive manufacturing, the installation space is usually filled with powdery starting material. In order to prevent the infrared radiation source or the UV radiation source from coming into contact with the contents of the installation space, according to the invention a partition wall transparent to infrared radiation and UV radiation is arranged between the radiation source and the installation space. Infrared radiation is divided into three bands (IR-A, IR-B, IR-C): IR-A radiation has wavelengths in the range from 0.78 µm to 1.4 µm; the wavelengths of IR-B radiation are in the range of 1, 4 µm to 3.0 µm and that of IR-C radiation in the range from 3 µm to 1000 µm. According to DIN 5031, Part 7, UV radiation covers the wavelength range from 100 nm to 380 nm. The partition is advantageously made of quartz glass or glass ceramic. The partition wall protects the infrared radiation source from contamination; In contrast to the infrared radiation source, it is easy to clean. In addition, the partition makes it easier to repair or replace the radiation source. The particular advantage of a partition made of a material that is transparent to infrared radiation and UV radiation is that it is possible to quickly convert an existing swap body, depending on whether a UV radiation source and / or an infrared is used in additive manufacturing -Radiation source is to be used. This is not only cost-effective, but it should also contribute to the fact that a smaller number of swap bodies must be kept ready. It is also possible to retrofit an existing installation space of an interchangeable container with an infrared radiation source separated by a partition wall in a simple and cost-effective manner.
Dadurch, dass das Gehäuse eine verschließbare Abdeckung aufweist, sind die Ausgangsmaterialien, aber auch ein sich im Bauraum befindendes Werkstück vor äußeren Einflüssen geschützt. Vorzugsweise ist die verschließbare Abdichtung gasdicht. Gasdichtheit liegt vor, wenn die Leckrate höchstens ca. 10-7 mbar*I/s beträgt. Diese lässt sich beispielsweise mit einer Universal Schnüffel-Lecksuche oder einer Helium Lecksuche bestimmen. Die Gasdichtheit wird nach
Vorzugsweise ist der Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial ausgelegt. Der erfindungsgemäße Wechselbaubehälter ist insbesondere auch für Ausgangsmaterialien geeignet, die sich elastisch verformen lassen, bevor sie brechen, und sich durch eine hohe Sprödigkeit auszeichnen. Daher zerreißen diese Werkstoffe im Zugversuch nahe der Elastizitätsgrenze ohne oder mit nur geringer plastischer Verformung Diese Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen der Gruppen 5xxx/6xxx/7xxx, Titanlegierungen, Werkzeugstähle, Cobalt-Chrom-Legierungen, Titanaluminide, Stellite, Refraktärmetalle, Refraktärmetalllegierungen, Edelmetalle, Edelmetalllegierungen, Eisenbasislegierung, z.B. „Invar, Formgedächtnislegierungen“ lassen sich in einer herkömmlichen Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer reinen Plattform-Heizung kaum verarbeiten. Denn derart gefertigte Werkstücke weisen regelmäßig hohe Eigenspannungen auf und neigen zur Rissbildung.The interchangeable container is preferably designed for the additive manufacturing of a workpiece from a powdery starting material. The interchangeable container according to the invention is also particularly suitable for starting materials that can be elastically deformed before they break and are characterized by a high degree of brittleness. Therefore, these materials tear in the tensile test close to the elastic limit with no or only slight plastic deformation. Precious metal alloys, iron-based alloys, eg “Invar, shape memory alloys” can hardly be processed in a conventional device for additive manufacturing of a workpiece with a pure platform heater. Because workpieces manufactured in this way regularly have high internal stresses and tend to crack.
Es hat sich bewährt, wenn das pulverförmige Ausgangsmaterial ein Aluminium-, ein Edelmetall- und/oder ein Refraktärmetall-Pulver umfasst. Edelmetalle in diesem Sinne sind Gold, Platin, Iridium, Palladium, Osmium, Silber, Rhodium und Ruthenium; Refraktärmetalle sind die Metalle der 4., 5. und 6. Nebengruppe. Hierzu gehören Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram. Vorteilhafterweise ist das Aluminium-, Edelmetall- und/oder Refraktärmetall-Pulver oder eine Mischung davon die Hauptkomponente des pulverförmigen Ausgangsmaterials.It has proven useful if the powdery starting material comprises an aluminum, a noble metal and / or a refractory metal powder. Precious metals in this sense are gold, platinum, iridium, palladium, osmium, silver, rhodium and ruthenium; Refractory metals are the metals of the 4th, 5th and 6th subgroup. These include titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and tungsten. The aluminum, noble metal and / or refractory metal powder or a mixture thereof is advantageously the main component of the powdery starting material.
Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Heizeinrichtung eine der Bauplattform zugeordnete Plattform-Heizung umfasst.It has proven to be particularly advantageous if the heating device comprises a platform heater assigned to the building platform.
Ein Wechselbaubehälter mit einer zusätzlichen Plattform-Heizung bietet den Vorteil einer möglichst gleichmäßigen Beheizbarkeit des Bauraums und dessen Inhalts. Eine Mantel-Heizung beheizt den Bauraum und die im Bauraum befindlichen Teile, wie beispielsweise das Werkstück oder etwaig vorhandenes Restpulver nur von der Seite. Dies kann dazu führen, dass der äußere, der Mantelheizung zugewandte Bereich des Bauraums stärker als dessen Innenbereich erwärmt wird. Eine zusätzlich zu der Mantel-Heizung vorgesehene Plattform-Heizung wirkt diesem Phänomen entgegen.A swap body container with an additional platform heater offers the advantage that the installation space and its contents can be heated as uniformly as possible. A jacket heater heats the installation space and the parts located in the installation space, such as the workpiece or any remaining powder, only from the side. This can lead to the outer area of the installation space facing the jacket heating being heated to a greater extent than its inner area. A platform heater provided in addition to the jacket heater counteracts this phenomenon.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters ist vorgesehen, dass die Additive Fertigung des Werkstücks mindestens eine Hochtemperaturbehandlung und eine Niedertemperaturbehandlung umfasst, und dass die Heizeinrichtung derart ausgelegt ist, dass die Hochtemperaturbehandlung und die Niedertemperaturbehandlung mit ihr durchführbar sind.In a preferred embodiment of the interchangeable container according to the invention, it is provided that the additive manufacturing of the workpiece comprises at least one high-temperature treatment and one low-temperature treatment, and that the heating device is designed in such a way that the high-temperature treatment and the low-temperature treatment can be carried out with it.
Bei der Herstellung additiv gefertigter Werkstücke werden Hochtemperaturbehandlungen häufig in einer separaten Prozessstation durchgeführt, die über eine eigene Heiz-Einheit verfügt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Infrarotstrahlungsquelle kann sowohl die Hochtemperaturbehandlung als auch die Niedertemperaturbehandlung mit der Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters durchgeführt werden. Dies ist möglich, da Infrarot-Strahlungsquellen regelmäßig mit hoher Leistung betrieben werden können und gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad aufweisen. Auf eine zusätzliche Heiz-Einheit in der Prozessstation kann folglich verzichtet werden. Idealerweise ist die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters derart ausgelegt, dass mit ihr sämtliche Heizvorgänge bei der Additiven Fertigung des Werkstücks und auch die nachfolgenden Heizvorgänge bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum durchführbar sind.When manufacturing additively manufactured workpieces, high-temperature treatments are often carried out in a separate process station that has its own heating unit. By means of the infrared radiation source provided according to the invention, both the high-temperature treatment and the low-temperature treatment can be carried out with the heating device of the interchangeable container. This is possible because infrared radiation sources can be operated regularly with high power and at the same time have a good level of efficiency. As a result, there is no need for an additional heating unit in the process station. Ideally, the heating device of the interchangeable container is designed in such a way that it can be used for all heating processes during additive manufacturing of the workpiece and the subsequent heating processes can also be carried out until the workpiece is removed from the installation space.
Es hat sich bewährt, wenn das Gehäuse mit einer Kühleinrichtung versehen ist.It has proven useful if the housing is provided with a cooling device.
Die Kühleinrichtung schirmt die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters thermisch ab. Sie trägt in erster Linie dazu bei, dass die thermische Beanspruchung einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation durch einen darin eingesetzten Wechselbaubehälter möglichst geringgehalten wird. Mit Hilfe der Kühleinrichtung kann aber auch dem Bauraum Wärme entzogen werden. Die Kühlwirkung der Kühleinrichtung ist aber nicht auf den Bauraum und dessen Inhalt beschränkt: auch sämtliche Bauteile des Wechselbaubehälters können schnell und zuverlässig mit der Kühleinrichtung abgekühlt werden, bevor das Werkstück und überschüssiges Ausgangsmaterial aus dem Bauraum entfernt wird. Hierdurch wird eine Oxidation von Bauteilen des Wechselbaubehälters, aber auch des meist pulverförmigen Ausgangsmaterials verringert. Vor allem aber ermöglicht ein Wechselbaubehälter mit einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung eine beliebige Aneinanderreihung von Heiz- und Abkühlvorgängen. Hierdurch kann nicht nur die ansonsten notwendige Wartezeit verkürzt, sondern auch die Effizienz der Vorgänge verbessert werden. Insbesondere lassen sich durch die Kombination einer Infrarot-Heizeinrichtung mit einem mit der Kühleinrichtung kühlbaren Gehäuse definierte Heiz- oder Abkühlrampen sowie Haltezeiten einfach und schnell realisieren. Es versteht sich, dass das Vorsehen einer Kühleinrichtung die alternative oder parallele Durchführung anderer Abkühlverfahren nicht ausschließt. So kann der Wechselbaubehälter zusätzlich mit Kühl-Anschlüssen ausgestattet sein, über die ein fluides Medium durch den Bauraum geleitet werden kann. Ein Kühlverfahren, das ein durch den Bauraum geführtes, fluides Medium zur Kühlung nutzt, ist beispielsweise in der Druckschrift
Vorteilhafterweise ist die Bauplattform mit einer Kühleinheit versehen.The building platform is advantageously provided with a cooling unit.
Eine der Bauplattform zugeordnete Kühleinheit trägt zu einer verbesserten Einstellbarkeit der gewünschten Heiz- und Abkühlrampen bei. Sie hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie zu einer gleichmäßigen Abkühlung des Bauraums und dessen Inhalts beiträgt. Auch bei einem Abkühlvorgang kann sich das bereits oben zur Mantel-Heizung erläuterte Phänomen einstellen, dass der äußere, der Mantel-Heizung zugewandte Bereich des Bauraums eine andere Temperatur als dessen Innenbereich aufweist. Eine zusätzlich vorgesehene, der Bauplattform zugeordnete Kühleinheit wirkt diesem Phänomen entgegen.A cooling unit assigned to the building platform helps to improve the adjustability of the desired heating and cooling ramps. It also has the advantage that it contributes to an even cooling of the installation space and its contents. Even during a cooling process, the phenomenon already explained above for jacket heating can arise that the outer area of the installation space facing the jacket heating has a different temperature than its inner area. An additional cooling unit assigned to the building platform counteracts this phenomenon.
Eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Bauraums lässt sich auch dadurch erreichen, dass im Bauraum parallel zum Aufbau des Werkstücks eine zusätzliche „Hilfsstruktur“ aufgebaut wird. Da die Hilfsstruktur selbst Wärme leitet, lässt sie sich als Temperaturbrücke zum Ausgleich von Temperaturunterschieden und zur Einstellung einer gleichmäßigen Bauraum-Temperatur nutzen. Die Hilfsstruktur leitet insbesondere die von der Mantel- und/oder Plattform-Heizeinrichtung eingebrachte Wärme in das Innere des Bauraums. Aber: Die Hilfsstruktur kann nicht nur als Heizstruktur, sondern auch als Kühlstruktur verwendet werden. Besonders vorteilhaft erweist sich ein solches Vorgehen bei einem großen Bauraum-Durchmesser von mehr als 150 mm. Die Form, das Volumen und die Position der Hilfsstruktur lassen sich mit einer zuvor durchgeführten thermischen Simulation errechnen. Zusätzlich kann die Hilfsstruktur mehrmals durch die Laser- oder Elektronenstrahlquelle belichtet werden und ggf. mit Kavitäten als Strahlfallen versehen werden.A uniform temperature distribution within the installation space can also be achieved by setting up an additional "auxiliary structure" in the installation space parallel to the construction of the workpiece. Since the auxiliary structure itself conducts heat, it can be used as a temperature bridge to compensate for temperature differences and to set a uniform installation space temperature. In particular, the auxiliary structure conducts the heat introduced by the jacket and / or platform heating device into the interior of the installation space. But: The auxiliary structure can be used not only as a heating structure, but also as a cooling structure. Such a procedure proves to be particularly advantageous with a large installation space diameter of more than 150 mm. The shape, volume and position of the auxiliary structure can be calculated with a previously performed thermal simulation. In addition, the auxiliary structure can be exposed several times by the laser or electron beam source and, if necessary, provided with cavities as beam traps.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das Gehäuse einen oder mehrere Medien-Anschlüsse für die Zu-/Abführung eines Kühlfluids aufweist.It has proven to be advantageous if the housing has one or more media connections for the supply / discharge of a cooling fluid.
Eine Kühlung des Gehäuses oder der Bauplattform mit einem Kühlfluid ist einfach realisierbar. Im einfachsten Fall kann das Gehäuse, eine Montageplatte für die Bauplattform oder die Bauplattform selbst mit Kühlkanälen versehen werden. Durch die Integration der Kühlkanäle in ein bereits vorhandenes Bauteil wird wenig zusätzlicher Bauraum benötigt. Lediglich für die Medien-Anschlüsse ist zusätzlicher Bauraum vorzusehen.A cooling of the housing or the construction platform with a cooling fluid is easy to implement. In the simplest case, the housing, a mounting plate for the building platform or the building platform itself can be provided with cooling channels. By integrating the cooling channels into an existing component, little additional space is required. Additional installation space is only to be provided for the media connections.
Darüber hinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Gehäuse einen oder mehrere Gas-Anschlüsse für die Zuführung oder Abführung eines Prozessgases umfasst.In addition, it has proven to be advantageous if the housing comprises one or more gas connections for the supply or discharge of a process gas.
Häufig sind die Ausgangsmaterialien, wie sie bei der Additiven Fertigung eingesetzt werden, oxidationsempfindlich. Zusätzliche Gas-Anschlüsse ermöglichen eine Beaufschlagung des Bauraums und des damit in fluidischer Verbindung stehenden Gasraums mit einem Prozessgas. Ein Prozessgas in diesem Sinne kann daher beispielsweise ein Inertgas sein, das zu einer inerten Atmosphäre führt; es kann aber auch ein reaktives Gas sein, beispielsweise ein reduzierendes Gas. Über die Gas-Anschlüsse kann das Prozessgas dem Bauraum bzw. dem Gasraum zu- und abgeführt werden oder es kann der Bauraum und der darüber befindliche Gasraum über die Gas-Anschlüsse evakuiert werden. Mehrere Gas-Anschlüsse ermöglichen zudem ein besonders homogenes Evakuieren, Beaufschlagen oder Inertisieren des Gas- und/oder Bauraums. Mit ihnen können insbesondere Verwirbelungen im Gas- und Bauraum erzeugt werden, die dazu beitragen, ein Verbleiben bzw. einen Einschluss von Sauerstoff (sogenannte „Sauerstoffnester“) im Ausgangsmaterial zu verhindern.The raw materials used in additive manufacturing are often sensitive to oxidation. Additional gas connections enable the installation space and the fluidically connected gas space to be charged with a process gas. A process gas in this sense can therefore be, for example, an inert gas that leads to an inert atmosphere; but it can also be a reactive gas, for example a reducing gas. The process gas can be supplied to and removed from the installation space or the gas space via the gas connections, or the installation space and the gas space located above it can be supplied via the Gas connections are evacuated. Several gas connections also enable a particularly homogeneous evacuation, loading or inerting of the gas and / or installation space. In particular, they can be used to generate turbulence in the gas and construction space, which helps to prevent oxygen from remaining or being trapped (so-called “oxygen pockets”) in the starting material.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters weist das Gehäuse einen oder mehrere Pulver-Anschlüsse zur inerten Entnahme von Pulver aus dem Bauraum und/oder zur Rückführung von Pulver in den Bauraum auf.In a preferred embodiment of the interchangeable container according to the invention, the housing has one or more powder connections for the inert removal of powder from the installation space and / or for the return of powder into the installation space.
Aus EHS- und QM-Gesichtspunkten ist in der Regel eine inerte Atmosphäre innerhalb des Bauraums notwendig. Ist der Wechselbaubehälter abgekühlt, ermöglichen die Pulver-Anschlüsse eine Entnahme von Pulver aus dem Bauraum, ohne hierdurch eine vorhandene Gas-Atmosphäre zu beeinträchtigen. Anschließend kann das Werkstück unter „Normalatmosphäre“ ausgebaut und der Wechselbaubehälter neu gerüstet werden.From an EHS and QM point of view, an inert atmosphere is usually necessary within the installation space. Once the interchangeable container has cooled down, the powder connections allow powder to be removed from the installation space without affecting the existing gas atmosphere. The workpiece can then be removed in a "normal atmosphere" and the interchangeable container set up again.
Darüber hinaus ist über die Pulver-Anschlüsse auch eine Zuführung von weiterem Pulver in den Bauraum oder in einen Vorratsraum der Vorrichtung möglich, und zwar ohne hierdurch eine eventuell vorhandene Inertgasatmosphäre zu beeinträchtigen. Der Vorteil einer nachträglichen Zuführbarkeit von weiterem Pulver besteht darin, dass der Pulvervorrat im Wechselbaubehälter gering sein kann, sodass dieser nur geringen Anteil am Volumen des Wechselbaubehälters erfordert.In addition, it is also possible to feed further powder into the installation space or into a storage space of the device via the powder connections, without impairing a possibly existing inert gas atmosphere. The advantage of a subsequent supply of additional powder is that the powder supply in the interchangeable container can be small, so that it only requires a small proportion of the volume of the interchangeable container.
Vorteilhafterweise sind die Medien-Anschlüsse und/oder die Gas-Anschlüsse und/oder die Pulver-Anschlüsse mit selbstabdichtenden Schnellkupplungen versehen.The media connections and / or the gas connections and / or the powder connections are advantageously provided with self-sealing quick-release couplings.
Um den Wechselbaubehälter möglichst einfach und schnell in eine Vorrichtung zur Additiven Fertigung eines Werkstücks bzw. in einer Prozessstation einbauen und wieder ausbauen zu können, sind dessen Anschlüsse mit selbstabdichtenden Schnellkupplungen versehen. Insbesondere kann ein ausgebauter Wechselbaubehälter so schnell wieder an die Strom-, Kühlfluid-, Gas- und/oder Pulver-Versorgung einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation angeschlossen werden.In order to be able to install and dismantle the interchangeable container as easily and quickly as possible in a device for additive manufacturing of a workpiece or in a process station, its connections are provided with self-sealing quick-release couplings. In particular, a dismantled interchangeable container can be quickly reconnected to the power, cooling fluid, gas and / or powder supply of a device for additive manufacturing of a workpiece or a process station.
Die Temperatur der Mantelfläche des Bauraums kann mit außerhalb des Bauraums angeordneten Pyrometern gemessen werden. Vorteilhafterweise umfasst der Wechselbaubehälter mehrere Temperatursensoren, mit denen die Temperaturverteilung im Bauraum überwacht werden kann. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mehreren Temperatursensoren so ausgelegt sind, dass sie in den Bauraum hineingeschoben werden können. Außerdem hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn mindestens einer der Gas-Anschlüsse mit einem Gas-Sensor verbunden ist, mit dem die Atmosphäre im Gas- und/oder Bauraum des Wechselbaubehälters bzw. der darin vorhandene Sauerstoffgehalt überwacht werden kann.The temperature of the outer surface of the installation space can be measured with pyrometers arranged outside the installation space. The interchangeable container advantageously comprises several temperature sensors with which the temperature distribution in the installation space can be monitored. It has proven to be advantageous here if the multiple temperature sensors are designed in such a way that they can be pushed into the installation space. In addition, it has proven to be particularly advantageous if at least one of the gas connections is connected to a gas sensor with which the atmosphere in the gas and / or construction space of the interchangeable container or the oxygen content therein can be monitored.
Insbesondere während eines Transfers des Wechselbaubehälters ist es sinnvoll, die Prozessparameter innerhalb des Bauraums sorgfältig zu überwachen. Zu diesen Prozessparametern gehören neben der Temperatur und der Temperaturverteilung auch der Gasdruck im Gas- und/oder Bauraum und dessen zeitlicher Verlauf, die GasZusammensetzung, insbesondere aber der Sauerstoffgehalt im Gas- und/oder Bauraum. Vorzugsweise liegen ein Ausgangssignal des Gas-Sensors und/oder ein Ausgangssignal der Temperatursensoren als Eingangssignal an einer Kontroll-Einheit an, mit der in Abhängigkeit von den daran anliegenden Eingangssignalen, die Strahlungsleistung der Infrarotstrahlungsquelle verändert gesteuert oder geregelt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass Prozessabweichungen schnell und einfach erkannt und ihnen durch eine Anpassung der Strahlungsleistung der Infrarotstrahlungsquelle entgegengewirkt werden kann.In particular, during a transfer of the interchangeable container, it makes sense to carefully monitor the process parameters within the installation space. In addition to the temperature and the temperature distribution, these process parameters also include the gas pressure in the gas and / or installation space and its temporal progression, the gas composition, but in particular the oxygen content in the gas and / or installation space. An output signal from the gas sensor and / or an output signal from the temperature sensors are preferably present as an input signal to a control unit with which the radiation power of the infrared radiation source can be controlled or regulated in a changed manner depending on the input signals applied thereto. This has the advantage that process deviations can be recognized quickly and easily and counteracted by adjusting the radiation power of the infrared radiation source.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters weist das Gehäuse ein Steckverbindungselement zum Anschluss einer elektrischen Leitung auf.In a further preferred embodiment of the interchangeable container according to the invention, the housing has a plug connection element for connecting an electrical line.
Das Steckverbindungselement ermöglicht eine einfache und schnelle Verbindung des Wechselbaubehälters mit einer elektrischen Leitung. Der Begriff elektrische Leitung ist nicht auf Verbindungsleitungen mit einer Stromquelle begrenzt, sondern er umfasst alle Arten von Leitungen, über die ein elektrischer Strom fließen kann. Insbesondere fallen hierunter Datenkabel über die der Wechselbaubehälter mit anderen Vorrichtungen kommunizieren kann, aber auch Verbindungskabel, über die Bauteile des Wechselbaubehälters, wie Sensoren oder Heizelemente, mit anderen externen Einheiten, wie z.B. einer Regeleinheit, elektrisch verbunden werden können. Eine Steckverbindung ist einfach herzustellen und zu trennen; sie ermöglicht insbesondere einen reibungslosen Einbau und Ausbau des Wechselbaubehälters, beispielsweise in eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder in eine Prozessstation.The connector element enables the swap body to be connected quickly and easily to an electrical line. The term electrical line is not limited to connecting lines with a power source, but includes all types of lines through which an electrical current can flow. In particular, this includes data cables via which the interchangeable container can communicate with other devices, but also connection cables via which components of the interchangeable container, such as sensors or heating elements, can be electrically connected to other external units, such as a control unit. A plug connection is easy to establish and disconnect; it enables, in particular, a smooth installation and removal of the interchangeable container, for example in a device for additive manufacturing of a workpiece or in a process station.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wechselbaubehälter gasdicht, vorzugsweise vakuumdicht, ist.It has proven to be advantageous if the swap body container is gas-tight, preferably vacuum-tight.
Bei vielen Ausgangsmaterialien ist es notwendig, Sauerstoff aus dem Bauraum möglichst vollständig zu entfernen, um eine Oxidation des Ausgangmaterials zu vermeiden. Hierzu wird der Bauraum und der mit dem Bauraum in fluidischer Verbindung stehende Gasraum meist mit einem Inertgas beaufschlagt. Ein gasdichter Wechselbaubehälter verhindert das Eindringen von unerwünschten Umgebungs-Gasen, insbesondere von Luftsauerstoff, in den Bauraum des Wechselbaubehälters.With many starting materials, it is necessary to remove oxygen from the installation space as completely as possible in order to avoid oxidation of the starting material. For this purpose, an inert gas is usually applied to the installation space and the gas space that is in fluid communication with the installation space. A gas-tight interchangeable container prevents undesired ambient gases, in particular atmospheric oxygen, from entering the installation space of the interchangeable container.
Beim Beaufschlagen des Bauraums und des mit dem Bauraum in fluidischer Verbindung stehenden Gasraums mit einem Inertgas ist grundsätzlich auf eine möglichst homogene Verteilung des Inertgases zu achten. Lokal kann es jedoch dazu kommen, dass mit Reststauerstoff-gefüllte Zonen verbleiben. Solche Zonen werden auch als „Sauerstoffnester“ bezeichnet. Um ein homogenes Inertisieren des Wechselbaubehälters zu ermöglichen und insbesondere „Sauerstoffnester“ zu verhindern, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Wechselbaubehälter vakuumdicht ausgeführt ist. Dies ermöglicht es, dass der im Wechselbaubehälter befindliche Sauerstoff zunächst durch Evakuieren entfernt werden kann, bevor der Bauraum und/oder der Gasraum mit dem Inertgas beaufschlagt wird.When applying an inert gas to the installation space and the gas space in fluid communication with the installation space, it is essential to ensure that the inert gas is distributed as homogeneously as possible. However, locally it can happen that zones filled with residual oxygen remain. Such zones are also known as “oxygen pockets”. In order to enable a homogeneous inertization of the swap body and in particular to prevent “oxygen pockets”, it has proven to be beneficial if the swap body is made vacuum-tight. This enables the oxygen in the swap body to be removed by evacuation before the inert gas is applied to the construction space and / or the gas space.
Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Gehäuse in eine Vorrichtung für die Additive Fertigung des Werkstücks und in eine Prozessstation zur thermischen Behandlung des Werkstücks einsetzbar ist, und wenn in den Wechselbaubehälter ein technisches System integriert ist, das den Austausch von Informationen zwischen der Vorrichtung für die Additive Fertigung und der Prozessstation erlaubt.It has proven to be particularly advantageous if the housing can be used in a device for additive manufacturing of the workpiece and in a process station for thermal treatment of the workpiece, and if a technical system is integrated into the swap body that enables the exchange of information between the device allowed for additive manufacturing and the process station.
Ein solches in den Wechselbaubehälter integriertes technisches System erlaubt den Austausch von Informationen zwischen der Vorrichtung und der Prozessstation beispielsweise zu den im Wechselbaubehälter enthaltenen Materialien und Werkstücken, zur bisherigen oder geplanten Wärmebehandlung oder zum Abkühlverhalten. Dies kann beispielsweise über einen Strich- oder QR-Code in Verbindung mit einer Datenbank oder einem CAM-System realisiert sein, an dem sowohl die Vorrichtung als auch die Prozessstation angeschlossen sind. Alternativ könnten die Daten von der Vorrichtung auf ein RFID-Tag geschrieben werden und dann von der Prozessstation ausgelesen werden. Nach erfolgter thermischer Behandlung kann dies im RFID-Tag hinterlegt werden, beispielweise zur Freigabe von weiteren Prozessschritten.Such a technical system integrated into the interchangeable container allows the exchange of information between the device and the process station, for example on the materials and workpieces contained in the interchangeable container, on the previous or planned heat treatment or on the cooling behavior. This can be implemented, for example, via a bar code or QR code in connection with a database or a CAM system to which both the device and the process station are connected. Alternatively, the data could be written by the device to an RFID tag and then read out by the process station. After the thermal treatment has taken place, this can be stored in the RFID tag, for example to enable further process steps.
Hinsichtlich der Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Aufnahme für den Wechselbaubehälter aufweist.With regard to the device for additive manufacturing of a workpiece, the above-mentioned technical problem is achieved according to the invention based on a device for additive manufacturing of a workpiece of the type mentioned at the outset in that it has a receptacle for the removable container.
Eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer Aufnahme für den Wechselbaubehälter ermöglicht einen schnellen und einfachen Ein- und Ausbau des Wechselbaubehälters. Besonders bevorzugt weist die Aufnahme daher Verbindungselemente auf, die mit den Anschlüssen des Wechselbaubehälters, insbesondere den Medien-Anschlüssen und/oder den Gas-Anschlüssen und/oder Pulver-Anschlüsse, sowie deren selbstabdichtenden Schnellkupplungen, korrespondieren. Damit ist gewährleistet, dass Vorrichtung und Wechselbaubehälter einfach und schnell miteinander verbindbar sind. Ein wesentlicher Vorteil der Aufnahme liegt darin, dass der Wechselbaubehälter nicht bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum in der Vorrichtung für die Additive Fertigung verbleiben muss. Vielmehr kann der Wechselbaubehälter nach der eigentlichen Additiven Fertigung unter Aufrechterhaltung der inerten Atmosphäre aus der Vorrichtung für die Additive Fertigung entnommen und in einer externen Prozessstation abgekühlt oder weiterbehandelt werden. Dies erhöht die Produktivität der Vorrichtung für die Additive Fertigung, da diese stärker ausgelastet werden kann.A device for additive manufacturing of a workpiece with a receptacle for the interchangeable container enables the interchangeable container to be installed and removed quickly and easily. The receptacle therefore particularly preferably has connecting elements which correspond to the connections of the interchangeable container, in particular the media connections and / or the gas connections and / or powder connections, as well as their self-sealing quick-release couplings. This ensures that the device and the swap body can be connected to one another quickly and easily. A major advantage of the receptacle is that the interchangeable container does not have to remain in the device for additive manufacturing until the workpiece is removed from the installation space. Rather, after the actual additive manufacturing, the swap body can be removed from the device for additive manufacturing while maintaining the inert atmosphere and cooled or further treated in an external process station. This increases the productivity of the device for additive manufacturing, since it can be used to a greater extent.
Hinsichtlich der Prozessstation für ein mit einer Vorrichtung für die Additive Fertigung hergestelltes Werkstück wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Prozessstation der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Aufnahme für den Wechselbaubehälter aufweist.With regard to the process station for a workpiece produced with a device for additive manufacturing, the above-mentioned technical problem is achieved according to the invention based on a process station of the type mentioned at the beginning in that it has a receptacle for the interchangeable container.
Eine Prozessstation mit einer Aufnahme für den Wechselbaubehälter ermöglicht einen schnellen und einfachen Ein- und Ausbau des Wechselbaubehälters. Besonders bevorzugt weist die Aufnahme daher Verbindungselemente auf, die mit den Anschlüssen des Wechselbaubehälters, insbesondere den Medien-Anschlüssen und/oder den Gas-Anschlüssen und/oder Pulver-Anschlüssen, sowie deren selbstabdichtenden Schnellkupplungen, korrespondieren. Damit ist gewährleistet, dass Prozessstation und Wechselbaubehälter einfach und schnell miteinander verbindbar sind. Die Aufnahme ist so ausgelegt, dass beim Ein- oder Ausbau der Prozessstation die nach EHS- und QM-Gesichtspunkten notwendige inerte Atmosphäre im Bauraum aufrechterhalten werden kann. In der Prozessstation kann beispielsweise im Vorfeld einer Additiven Fertigung im Wechselbaubehälter befindliches Ausgangsmaterial für die Additive Fertigung auf eine erforderliche Zieltemperatur vorgeheizt werden oder der Bau- und/oder Gasraum des Wechselbaubehälters kann mit einem Inertgas beaufschlagt werden. Vorzugsweise ist die Prozessstation eine Konsolidierungsstation, in der in inerter Atmosphäre ein kontrolliertes Abkühlen des Bauraums mit einem darin befindlichen, additiv gefertigten Werkstück stattfinden kann, während die Vorrichtung zur Additiven Fertigung, mit der das Werkstück hergestellt wurde, unterdessen parallel für weitere Fertigungsprozesse produktiv genutzt werden kann.A process station with a receptacle for the swap body enables quick and easy installation and removal of the swap body. The receptacle therefore particularly preferably has connecting elements which correspond to the connections of the interchangeable container, in particular the media connections and / or the gas connections and / or powder connections, as well as their self-sealing quick-release couplings. This ensures that the process station and swap body can be connected to one another quickly and easily. The mounting is designed in such a way that when the process station is installed or removed, the inert atmosphere required in accordance with EHS and QM aspects can be maintained in the installation space. In the process station, for example, starting material for additive manufacturing located in the swap body in the run-up to additive manufacturing can be preheated to a required target temperature or an inert gas can be applied to the construction and / or gas space of the swap body. The process station is preferably a consolidation station in controlled cooling of the installation space with an additively manufactured workpiece located therein can take place in an inert atmosphere, while the additive manufacturing device with which the workpiece was manufactured can meanwhile be used productively in parallel for further manufacturing processes.
In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Prozessstation eine Heizeinheit zum Eintrag von Energie in den Bauraum eines in der Aufnahme angeordneten Wechselbaubehälters umfasst, wobei die Heizeinheit der Prozessstation die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters ist.In this context, it has proven to be useful if the process station comprises a heating unit for introducing energy into the installation space of an interchangeable container arranged in the receptacle, the heating unit of the process station being the heating device of the interchangeable container.
Da bereits im Wechselbaubehälter eine leistungsstarke Heizeinrichtung vorgesehen ist, benötigt die Prozessstation keine eigene Heizeinrichtung. Hierdurch ist die Prozessstation einfacher und kostengünstiger als vergleichbare Prozessstationen mit einer eigenen Heiz-Einheit.Since a powerful heating device is already provided in the swap body, the process station does not need its own heating device. This makes the process station simpler and cheaper than comparable process stations with their own heating unit.
Hinsichtlich des Systems für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das System eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks und/oder eine erfindungsgemäße Prozessstation und mindestens zwei erfindungsgemäße Wechselbaubehälter umfasst.With regard to the system for additive manufacturing and machining of a workpiece, the above-mentioned object is achieved according to the invention in that the system comprises a device according to the invention for additive manufacturing of a workpiece and / or a process station according to the invention and at least two replaceable containers according to the invention.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Wechselbaubehälter baugleich. Dies hat den Vorteil, dass ein erster der mindestens zwei Wechselbaubehälter, wenn er in die Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks eingesetzt ist; nach Abschluss der Fertigung aus der Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks entnommen und unmittelbar durch einen zweiten der mindestens zwei Wechselbaubehälter ersetzt werden kann. Die Vorrichtung für die Additive Fertigung kann somit unmittelbar für eine weitere Additive Fertigung genutzt werden.The at least two swap bodies are preferably identical in construction. This has the advantage that a first of the at least two interchangeable containers when it is inserted into the device for additive manufacturing of a workpiece; can be removed from the device for additive manufacturing after completion of the production of a workpiece and immediately replaced by a second of the at least two interchangeable containers. The device for additive manufacturing can thus be used directly for further additive manufacturing.
Es hat sich bewährt, wenn die mindestens zwei Wechselbaubehälter zur Aufnahme von pulverförmigem Ausgangsmaterial mit einer Pulver-Temperatur im Bereich von 10 °C bis 1.000 °C, bevorzugt von 10 °C bis 900 °C, besonders bevorzugt von 300 °C bis 800 °C, ausgelegt ist. Solche Wechselbaubehälter sind auch für die Verarbeitung von Ausgangsmaterialien mit einem hohen Schmelzpunkt geeignet.It has proven useful if the at least two swap bodies for holding powdery starting material with a powder temperature in the range from 10 ° C to 1,000 ° C, preferably from 10 ° C to 900 ° C, particularly preferably from 300 ° C to 800 ° C, is designed. Such swap bodies are also suitable for processing raw materials with a high melting point.
Vorteilhafterweise ist einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Fertigungsbehälter, in dem das Werkstück additiv fertigbar ist. Mit Beginn der Additiven Fertigung enthält der Fertigungsbehälter pulverförmiges Ausgangsmaterial und ein additiv gefertigtes Objekt. Das pulverförmige Ausgangsmaterial und das additiv gefertigte Objekt können warm (z.B. bei der Additiven Fertigung) oder kalt sein (z.B. nach dem Abkühlen).One of the at least two interchangeable construction containers is advantageously a production container in which the workpiece can be produced additively. With the start of additive manufacturing, the production container contains powdered starting material and an additively manufactured object. The powdery starting material and the additively manufactured object can be warm (e.g. in additive manufacturing) or cold (e.g. after cooling down).
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Pulvervorratsbehälter zur Aufnahme von pulverförmigem Ausgangsmaterial für die Additive Fertigung des Werkstücks ist. Der Pulvervorratsbehälter dient der Bereitstellung von pulverförmigem Ausgangsmaterial; er ist nur mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial befüllt. Das Ausgangsmaterial kann kalt sein (z.B. wenn der Pulvervorratsbehälter frisch befüllt ist) oder es kann warm sein (z.B. wenn es vorgeheizt ist).It has proven to be advantageous if one of the at least two interchangeable construction containers is a powder storage container for holding powdery starting material for additive manufacturing of the workpiece. The powder storage container is used to provide powdery starting material; it is only filled with the powdery starting material. The starting material can be cold (e.g. when the powder storage container is freshly filled) or it can be warm (e.g. when it is preheated).
Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, wenn einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Restpulverbehälter zur Aufnahme von überschüssigem, pulverförmigem Ausgangsmaterial ist. Der Restpulverbehälter ist im Wesentlichen leer. Der leere Restpulverbehälter kann kalt oder warm (vorgeheizt) sein.It has also proven to be advantageous if one of the at least two interchangeable construction containers is a residual powder container for receiving excess, powdery starting material. The residual powder container is essentially empty. The empty residual powder container can be cold or warm (preheated).
Das System kann mehrere Fertigungsbehälter, mehrere Pulvervorratsbehälter und/oder mehrere Restpulverbehälter umfassen. Vorzugsweise ist mindestens einer der vorgenannten Behälter in der Aufnahme der Prozessstation angeordnet.The system can comprise several production containers, several powder storage containers and / or several residual powder containers. At least one of the aforementioned containers is preferably arranged in the receptacle of the process station.
Es hat sich besonders bewährt, wenn der Prozessstation und/oder der Vorrichtung für die Additive Fertigung eine gemeinsame oder jeweils eine eigene Entnahme- und/oder Zufuhrvorrichtung zugeordnet ist, die so ausgelegt ist, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter der Aufnahme der Prozessstation bzw. der Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung zugeführt oder daraus entnommen werden kann.It has proven particularly useful if the process station and / or the device for additive manufacturing is assigned a common or a separate removal and / or supply device, which is designed so that it can be used to hold a removable container for the process station or the Recording of the device for additive manufacturing can be supplied or removed from it.
Vorteilhafterweise umfasst die Prozessstation und/oder die Vorrichtung für die Additive Fertigung eine Abkühlstation und/oder eine Vorbereitungsstation, in der ein außerhalb der jeweiligen Aufnahme angeordneter Wechselbaubehälter beheizbar ist.Advantageously, the process station and / or the device for additive manufacturing comprises a cooling station and / or a preparation station in which an interchangeable container arranged outside the respective receptacle can be heated.
Die Zufuhrvorrichtung ist besonders bevorzugt derart ausgelegt, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter von einer Vorbereitungsstation zur Aufnahme der Prozessstation und/oder zur Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung befördert werden kann.The feed device is particularly preferably designed in such a way that it can be used to convey a swap body container from a preparation station for receiving the process station and / or for receiving the device for additive manufacturing.
Die Entnahmevorrichtung ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter von der Aufnahme der Prozessstation oder der Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung zu einer Abkühlstation befördert werden kann.The removal device is advantageously designed in such a way that it can be used to convey a swap body container from the receptacle of the process station or the receptacle of the device for additive manufacturing to a cooling station.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:
-
1 einen Ausschnitt einer Temperier-Einheit, wie sie in einem erfindungsgemäßen Wechselbaubehälter einsetzbar ist, -
2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters, -
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks, -
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters, und -
5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters.
-
1 a section of a temperature control unit, as it can be used in a swap body according to the invention, -
2 a first embodiment of a swap body according to the invention, -
3 an embodiment of a system according to the invention for additive manufacturing and machining of a workpiece, -
4th a second embodiment of a swap body according to the invention, and -
5 a third embodiment of a swap body according to the invention.
In
Die Temperier-Einheit
Die Bauplattform
Die Trennwand
Die Heizeinrichtung
Die Kühleinrichtung
Das Gehäuse
Um die elektrische Kontaktierung des Wechselbaubehälters
Der Wechselbaubehälter
Die Abkühl- und Konsolidierungsstation, der insgesamt die Bezugsziffer
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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