DE102020129419A1

DE102020129419A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials

Info

Publication number: DE102020129419A1
Application number: DE102020129419.0A
Authority: DE
Inventors: Armin Burkhardt; Christian Düformantel; Kai Etzel; Florian Schaede; Joachim Wagner; Lukas Witz
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-05-12
Also published as: EP4240549A1; US20230311415A1; WO2022096668A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (12) durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials, bei dem in zumindest einer Prozesskammer (16) auf eine Aufbauplattform (17) das Aufbaumaterial schichtweise aufgebracht wird, bei dem mit einer Strahlungsquelle (26) zumindest ein Strahl (27) zur Verfestigung des Aufbaumaterials erzeugt und mit zumindest einem Strahlführungselement (29) auf das Aufbaumaterial in der Aufbauplattform (17) zugeführt wird, bei dem mit einer Prozessunterstützungseinrichtung (21), welche ein Mittenmodul (33) und jeweils dazu ausgerichtet ein Außenmodul (34, 35) aufweist, eine Primärgasströmung entlang der Aufbauplattform (17) erzeugt wird, so dass zwischen einem Mittenmodul (33) und dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet wird, wobei das Mittenmodul (33) und/oder das zumindest eine Außenmodul (34, 35) entlang der Aufbauplattform (17) verfahrbar angesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials, bei dem in zumindest einer Prozesskammer auf eine Aufbauplattform das Aufbaumaterial schichtweise aufgebracht wird und mit einer Strahlungsquelle zumindest ein Strahl zur Verfestigung des Aufbaumaterials erzeugt und über zumindest ein Strahlführungselement auf das Aufbaumaterial in der Aufbauplattform zugeführt wird. Eine Prozessunterstützungsvorrichtung, welche ein Mittenmodul und jeweils dazu ausgerichtet ein Außenmodul aufweist, wobei das Mittenmodul und/oder das Außenmodul entlang der Aufbauplattform verfahrbar ist, erzeugt entlang der Aufbauplattform eine Primärgasströmung, so dass zwischen dem Mittenmodul und dem zumindest einen Außenmodul eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet wird.
Aus der DE 10 2017 211 657 A1 ist eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils mit Schutzgasführung sowie ein Verfahren dazu bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine Prozessunterstützungseinrichtung mit einem Mittenmodul und jeweils ein zu dem Mittenmodul ausgerichtetes Außenmodul. Das Mittenmodul ist oberhalb einer Aufbauplattform verfahrbar angesteuert. Das Mittenmodul umfasst einen Beschichter, über welchen aus einem Pulverreservoir Aufbaumaterial zugeführt wird, so dass dies während der Verfahrbewegung des Mittenmoduls auf die Aufbauplattform ausgegeben wird. Beidseitig zum Beschichter ist jeweils eine Schutzgasauslasseinrichtung vorgesehen, bei welcher die Schutzgasauslässe in Richtung auf das Außenmodul gerichtet sind. Während des Verfestigens des Aufbaumaterials wird durch eine Vielzahl der Schutzgasauslässe ein Schutzgas ausgegeben und durch das gegenüberliegende Außenmodul abgesaugt. Dieses als Absaugeinrichtung ausgebildete Außenmodul kann zum Mittenmodul synchron verfahrbar angesteuert werden, während mittels eines Laserstrahls im dazwischenliegenden Bereich das Aufbaumaterial verfestigt wird.
Aus der WO 2019/115140 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine Aufnahmeeinrichtung, zu welcher feststehend ein Mittenmodul und jeweils benachbart am äußeren Ende ein Außenmodul befestigt ist. Das Mittenmodul umfasst einen Beschichter und jeweils eine Absaugeinrichtung, die zum Außenmodul ausgerichtet ist. Während des Zuführens des Laserstrahls auf eine Aufbauplattform zwischen einem Außenmodul und dem Mittenmodul wird ein Prozessgasstrom von dem Außenmodul zu der Absaugeinrichtung am Mittenmodul erzeugt. Das gegenüberliegende Außenmodul ist bezüglich der Zuführung eines Prozessgasstromes abgeschaltet.
Aus der EP 1 137 504 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen von Aufbaumaterial zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts bekannt. Oberhalb einer Aufbauplattform wird ein Prozessgasstrom mit Argon erzeugt, der horizontal ausgerichtet ist und von einer Einsaugöffnung auf einer Seite der Prozesskammer zu einer Auslassöffnung an der gegenüberliegenden bzw. linken Wand der Prozesskammer abgesaugt. Oberhalb der Aufbauplattform nahe einem Durchtrittsfenster für den Laserstrahl sind Zuführöffnungen für einen Helium-Prozessgasstrom vorgesehen. Dieser Helium-Prozessgasstrom wird ebenfalls wie der parallel zur Aufbauplattform geführte Prozessgasstrom über die eine Auslassöffnung in der linken Wand der Prozesskammer abgesaugt. Beide in die Prozesskammer zugeführten Prozessgasströme werden durch eine an einer an der Prozesskammer vorgesehenen Auslassöffnung abgesaugt.
Aus der EP 3 147 047 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass über eine gemeinsame Gasversorgungsquelle ein erster Prozessgasstrom über eine rechte Wand der Prozesskammer zugeführt, oberhalb der Aufbauplattform entlanggeführt und über eine Auslassöffnung an der linken Prozesskammerwand abgeführt wird. Die Prozessgasversorgungsquelle führt einen zweiten Prozessgasstrom eines oberhalb der Aufbauplattform angeordneten Strömungskopfs zu, der eine Vielzahl von Auslassöffnungen aufweist, durch welche der zweite Gasstrom in Richtung Aufbauplattform zugeführt wird. Dieser über den Strömungskopf in die Prozesskammer eingeführte Prozessgasstrom wird gemeinsam mit dem ersten Prozessgasstrom über die gemeinsame Öffnung an der linken Wand der Prozesskammer abgesaugt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials vorzuschlagen, durch welches die Qualität des dreidimensionalen Objektes und die Prozesssicherheit erhöht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials gelöst, bei dem das Mittenmodul und/oder das zumindest eine Außenmodul entlang der Aufbauplattform verfahrbar angesteuert werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine individuelle Anpassung an das in der Aufbauplattform aufzubauende dreidimensionale Objekt. Darüber hinaus kann eine optimierte Prozessgasströmung entlang der Aufbauplattform und/oder in der Prozesskammer ermöglicht werden. Beispielsweise kann eine Primärgasströmung entlang der Aufbauplattform erzeugt werden, so dass zwischen einem Mittenmodul und zumindest einem Außenmodul eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet wird. Zusätzlich kann zu dieser Primärgasströmung mit einer Zuführeinrichtung oberhalb der Aufbauplattform eine Sekundärgasströmung in die Prozesskammer eingebracht und auf die Aufbauplattform ausgerichtet werden und eine Strömungsstrecke des Sekundärgases zwischen der Zuführeinrichtung und der Prozessunterstützungsvorrichtung erzeugt werden. Dies weist den Vorteil auf, dass durch die Sekundärströmung eine stetige Durchspülung der Prozesskammer erzeugt wird, so dass eine Laser-Partikel Interaktion deutlich verringert wird. Das ermöglicht einheitliche Prozessbedingungen, so dass durch die Kombination des Primärgasstromes und des Sekundärgasstromes eine verbesserte Qualität im Aufbau von dreidimensionalen Objekten und eine Erhöhung der Prozesssicherheit erzielt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die beiden Außenmodule in einer jeweiligen Endlage außerhalb der Aufbauplattform stillstehend angesteuert oder fest zugeordnet sind und das Mittenmodul zum Überfahren der Aufbauplattform angesteuert wird. Dies ermöglicht eine vereinfachte Ansteuerung der Prozessunterstützungseinrichtung, indem lediglich eine Verfahrbewegung des Mittenmoduls angesteuert wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Mittenmodul und das zumindest eine Außenmodul mit einer Verfahrbewegung entlang der Aufbauplattform angesteuert werden, wobei der Abstand zwischen dem Mittenmodul und dem zumindest einen Außenmodul konstant oder veränderbar angesteuert wird. Durch diese alternative Ausführungsform kann ermöglicht werden, dass zwischen dem Mittenmodul und dem jeweiligen Außenmodul kurze Überströmungswege gebildet werden können, innerhalb denen das Prozessgas einen homogenen Strömungsverlauf aufweist.
Vorteilhafterweise wird von jedem Außenmodul auf das Mittenmodul zugerichtet ein Primärgasstrom ausgegeben, wobei durch eine zu jedem Außenmodul ausgerichtete Absaugeinrichtung, die an dem Mittenmodul vorgesehen ist, der zugeführte Primärgasstrom abgesaugt wird. Dadurch können gleichbleibende Bedingungen bei der Verfestigung des Aufbaumaterials ermöglicht sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass von zumindest einem Außenmodul ein Primärgasstrom ausgegeben und von einer Zuführeinrichtung ein Sekundärgasstrom ausgegeben wird und dass der Primärgasstrom und der Sekundärgasstrom gemeinsam von dem Mittenmodul der Prozessunterstützungseinrichtung abgesaugt werden. Diese Ansteuerung des Mittenmoduls zur Absaugung des Primärgasstromes und des Sekundärgasstromes ermöglicht, dass beidseitig des Mittenmoduls durch den Strahl wahlweise eine Verfestigung des Aufbaumaterials ermöglicht ist, wobei das Mittenmodul entsprechend zur Aufbauplattform verfahren wird. Darüber hinaus kann eine verbesserte Spülung der gesamten Prozesskammer ermöglicht werden, um Verschmutzungen aus der Prozesskammer herauszuführen.
Während einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls oberhalb der Aufbauplattform ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Absaugeinrichtungen des Mittenmoduls zur Absaugung des Primärgasstrahles und des Sekundärgasstrahles angesteuert werden. Dies ermöglicht eine vollständige Absaugung des Prozesskammervolumens.
Bei einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls in oder aus einer Endlage benachbart zur Aufbauplattform oder bei einer Positionierung des Mittenmoduls in der Endlage wird bevorzugt eine konstante Beströmung des Primärstrahls und Sekundärstrahls angesteuert. Somit kann eine Prozesszeitoptimierung erzielt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass nur diejenige Absaugeinrichtung des Mittenmoduls zum Absaugen des Primär- und Sekundärstrahls angesteuert wird, welche zur Aufbauplattform weist. Insbesondere bei der Einnahme einer Endlage kann das Mittenmodul beispielsweise mit Aufbaumaterial befüllt werden und dennoch eine Absaugung des Primärgasstrahls und Sekundärgasstrahls erfolgen, das heißt, dass während des Befüllens eines Vorratsbehälters mit Aufbaumaterial im Mittenmodul weiterhin ein Verfestigen des Aufbaumaterials durchgeführt werden kann.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls in oder aus einer Endlage benachbart zur Aufbauplattform oder bei einer Positionierung des Mittenmoduls in der Endlage nur das Außenmodul zur Ausgabe des Primärgasstromes angesteuert wird, das dem Mittenmodul entfernt gegenüberliegt. Dadurch können störende Verwirbelungen, insbesondere durch ein Austragen von abgeführtem Aufbaumaterial in benachbart zur Aufbauplattform angeordneten Überlaufbehältern vermieden werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Größe einer Belichtungszone zwischen dem Mittenmodul und dem jeweiligen Außenmodul durch die Verfahrbewegung des Mittenmoduls und/oder des Außenmoduls angesteuert wird. Dadurch kann in Abhängigkeit der Größe des herzustellenden dreidimensionalen Objektes eine optimale Absaugung erzielt werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials gelöst, welche eine Prozessunterstützungsvorrichtung mit einem Mittenmodul und jeweils dazu ausgerichtet einem Außenmodul aufweist, wobei das Mittenmodul und/oder das zumindest eine Außenmodul entlang der Aufbauplattform verfahrbar ansteuerbar ist. Dadurch wird eine hohe Flexibilität und eine Prozessoptimierung bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die beiden Außenmodule stillstehend zur Prozesskammer bzw. fest zur Prozesskammer angeordnet sind und das Mittenmodul entlang der Aufbauplattform verfahrbar ist. Dadurch kann der Aufbau der Prozesskammer aufgrund der feststehend angeordneten Außenmodule vereinfacht sein.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Mittenmodul und das zumindest eine Außenmodul mit einer Verfahrbewegung entlang der Aufbauplattform ansteuerbar sind und vorzugsweise der Abstand zwischen dem Mittenmodul und dem zumindest einen Außenmodul gleichbleibend oder veränderbar angesteuert werden kann. Das Mittenmodul und das zumindest eine Außenmodul oder beide Außenmodule können direkt und individuell mit einer Verfahrbewegung angesteuert werden. In diesem Fall können die Außenmodule mit in der Länge veränderbaren, insbesondere teleskopierbaren, Zuführkanälen ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität bei der Herstellung von dreidimensionalen Objekten im Hinblick auf die Ausbildung von Prozessgasströmungen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Mittenmodul jeweils zum Außenmodul weisend eine Absaugeinrichtung aufweist, die sich zumindest über die Breite der Aufbauplattform, also in Y-Richtung, erstreckt. Diese Absaugeinrichtung ist bevorzugt als ein Drallrohr mit einer durchgehenden Absaugöffnung ausgebildet. Dadurch wird ermöglicht, dass das Mittenmodul beidseitig eine Absaugung des Primärgasstromes und/oder des Sekundärgasstromes ermöglicht.
Zwischen den beiden Absaugeinrichtungen des Mittenmoduls der Prozessunterstützungseinrichtung sind bevorzugt schichtförmige Vorratsbehälter für das Aufbaumaterial und dazwischen eine Beschichtungseinrichtung angeordnet. Dadurch kann eine kompakte Anordnung und Aufbau für das Mittenmodul gegeben sein, so dass gleichzeitig eine Ausgabe und Beschichtung des ausgegebenen Aufbaumaterials für die als nächstes zu verfestigende Schicht ermöglicht ist.
Vorteilhafterweise weist jedes Außenmodul eine Auslassdüse auf, die an einem Zuführkanal für das Prozessgas vorgesehen ist. Die Auslassdüse am Auslassmodul weist bevorzugt eine polynomiale Düsenform auf. Dadurch wird der aus der Auslassdüse ausströmende Primärgasstrom beschleunigt und stabilisiert, so dass eine Homogenität der Prozessgasströmung entlang des Überströmungsweges gegeben ist. Vorteilhafterweise ist der Zuführkanal in der Länge veränderbar, insbesondere teleskopierbar. Dadurch kann die Auslassdüse oberhalb der Aufbauplattform in Abhängigkeit der Position des Mittenmoduls verfahren werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen dem Mittenmodul und dem zumindest einen Außenmodul eine Überströmungsstrecke mit Primärgas zur Erzeugung einer Primärgasströmung gebildet ist und oberhalb der Aufbauplattform eine Zuführeinrichtung für eine Sekundärgasströmung vorgesehen ist, wobei durch die Zuführeinrichtung die Sekundärgasströmung von oben auf die Aufbauplattform ausgerichtet ist und eine Strömungsstrecke zwischen der Zuführeinrichtung und der Prozessgasunterstützungseinrichtung gebildet ist. Dadurch kann eine gezielte Durchströmung der Prozesskammer mit einer Primärgasströmung und einer Sekundärgasströmung aufgebaut werden, um die Prozessgaskammer frei von Verunreinigungen, Nebenprodukten oder dergleichen zu halten. Darüber hinaus kann durch die Einbringung der Sekundärgasströmung oberhalb der Aufbauplattform eine effiziente Prozesskammerspülung erfolgen, wodurch Laser-Partikelinteraktion bzw. lange Aufenthaltszeiten von Partikeln in der Prozesskammer vermieden werden.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials,
2 eine perspektivische Schnittansicht einer Prozesskammer gemäß 1,
3 eine perspektivische Ansicht auf eine Zuführeinrichtung für einen Sekundärgasstrom,
4 eine schematische Ansicht von unten auf die Zuführeinrichtung für den Sekundärgasstrom,
5 eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer mit einem Primärgasstrom und Sekundärgasstrom,
6 eine perspektivische Ansicht eines Stoßdiffusors zum Zuführen eines Primärgases oder Sekundärgases,
7 eine schematische Seitenansicht einer Prozesskammer gemäß einer alternativen Ausführungsform zu 5 während eines Verfestigens des Aufbaumaterials durch einen Strahl, und
8 eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer in einem weiteren Arbeitsschritt zu 7 für das Herstellen eines dreidimensionalen Objektes.

In 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 11 zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten 12 durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials dargestellt. Diese Vorrichtungen 11 werden auch als 3-D-Drucksysteme, selektive Lasersintermaschinen, selektive Laserschmelzmaschinen oder dergleichen bezeichnet. Die Vorrichtung 11 umfasst ein Gehäuse 14, in dem eine Prozesskammer 16 vorgesehen ist. Die Prozesskammer 16 ist nach außen hin geschlossen. Diese kann über eine nicht näher dargestellte Tür oder einen Sicherheitsverschluss zugänglich sein. In der Prozesskammer 16 ist eine Aufbauplattform 17 vorgesehen, auf der zumindest ein dreidimensionales Objekt 12 schichtweise erzeugt wird. Die Größe der Aufbauplattform 17 bestimmt ein Aufbaufeld für die Herstellung der dreidimensionalen Objekte 12. Die Aufbauplattform 17 ist in der Höhe bzw. in Z-Richtung verfahrbar. Benachbart zur Aufbauplattform 17 sind Überlaufbehälter 19 oder Auffangbehälter vorgesehen, in welche nicht benötigtes oder nicht verfestigtes Aufbaumaterial gesammelt wird. Oberhalb der Aufbauplattform 17 ist in der Prozesskammer 16 eine Prozessunterstützungseinrichtung 21 angeordnet. Diese Prozessunterstützungseinrichtung 21 ist zumindest teilweise in X-Richtung verfahrbar angesteuert.
Der Prozesskammer 16 zugeordnet oder an der Prozesskammer 16 befestigt ist eine Strahlungsquelle 26 vorgesehen, durch welche ein Strahl 27, insbesondere ein Laserstrahl, erzeugt wird. Dieser Laserstrahl wird entlang einer Strahlführung 28 geführt und über ein ansteuerbares Strahlführungselement 29 auf die Aufbauplattform 17 umgelenkt und gerichtet. Dabei tritt der Strahl 27 über eine Strahleintrittsöffnung 30 in die Prozesskammer 16 ein. Das auf der Aufbauplattform 17 aufgebrachte Aufbaumaterial kann im Auftreffpunkt 31 des Strahls 27 verfestigt werden.
Die Prozessunterstützungseinrichtung 21 umfasst ein Mittenmodul 33 sowie jeweils ein dem Mittenmodul 33 zugeordnetes Außenmodul 34, 35. In der Ausführungsform der Prozessunterstützungseinrichtung 21 gemäß 1 ist vorgesehen, dass die Außenmodule 34, 35 ortsfest zu einem Prozesskammerboden 18 vorgesehen sind. Das Mittenmodul 33 ist zwischen einer linken und rechten Endlage 34, 35 verfahrbar angesteuert. In der Ansicht gemäß 1 ist das Mittenmodul 33 in der linken Endlage 36 positioniert. Die Außenmodule 34 umfassen eine Auslassdüse 38, die an einem Zuführkanal 39 befestigt ist. Diese Auslassdüse 38 weist bevorzugt vertikal ausgerichtete Leitflächen auf. Zudem ist die Auslassdüse 38 in Austrittsrichtung verjüngt ausgebildet. Dadurch kann ein in die Prozesskammer 16 zugeführter Primärgasstrom homogenisiert und stabilisiert werden.
Das Mittenmodul 33 umfasst zwei Absaugeinrichtungen 41, die jeweils eine entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Einsaugöffnung 42 aufweisen. Zwischen den Absaugeinrichtungen 41 ist ein Vorratsbehälter 44 zur Aufnahme von Aufbaumaterial vorgesehen. Dieser Vorratsbehälter 44 weist zum Prozesskammerboden 18 gerichtet zumindest eine Öffnung oder einen Ausgabeschlitz auf, so dass beim Überfahren der Aufbauplattform 17 durch das Mittenmodul 33 eine Schicht an Aufbaumaterial ausgegeben werden kann. Zwischen zwei Vorratsbehältern 44, die benachbart zur Absaugeinrichtung 41 angeordnet sind, ist bevorzugt eine Beschichtungseinrichtung 46 vorgesehen. Bevorzugt wird der in Verfahrrichtung des Mittenmoduls 33 vorauseilende Vorratsbehälter 44 mit Aufbaumaterial befüllt. Die Beschichtungseinrichtung 46 ist nachlaufend. Insbesondere umfasst die Beschichtungseinrichtung 46 zumindest eine Beschichterlippe.
Das Mittenmodul 33 wird bevorzugt in der rechten und/oder linken Endlage 36, 37 mit Aufbaumaterial befüllt. Diesbezüglich kann der einen oder beiden Endlagen 36, 37 zugeordnet eine Dosiervorrichtung 48 vorgesehen sein. Diese Dosiervorrichtung 48 kann entlang einer Y-Achse (2) verfahren werden, so dass über die Breite des Mittenmoduls 33 eine gleichmäßige Befüllung des Vorratsbehälters 44 erfolgen kann.
Der Überlaufbehälter 19 ist ebenfalls der rechten und linken Endlage 36, 37 zugeordnet, so dass abgestreiftes Aufbaumaterial durch die Beschichtungseinrichtung 46 des Mittenmoduls 33 bei Einnahme der Endlage 36, 37 in den Überlaufbehälter 19 abgeführt werden kann.
Jedes Außenmodul 33 ist mit einer Versorgungsleitung 52 verbunden. Diese Versorgungsleitung 52 wird mit einem Primärgas durch eine nicht näher dargestellte Pumpe bzw. Primärgasquelle beaufschlagt, so dass durch die Außenmodule 34 eine Primärgasströmung in die Prozesskammer 16 ausgegeben werden kann.
Oberhalb der Prozesskammer 16 ist eine Zuführeinrichtung 55 für eine Sekundärgasströmung in die Prozesskammer 16 vorgesehen. Diese Zuführeinrichtung 55 umfasst zwei einander gegenüberliegende Zuführkanäle 56, die an die Strahleintrittsöffnung 30 angrenzend positioniert sind. Über zumindest eine Zuführöffnung 57, welche der Strahleintrittsöffnung 30 zugeordnet ist oder diese umgibt, strömt das Sekundärgas in die Prozesskammer 16 ein und wird von oben auf die Aufbauplattform 17 zugeführt.
Die Prozesskammer 16 weist seitliche Wandabschnitte 60 auf, welche die Länge der Prozesskammer 16 begrenzen. Diese Wandabschnitte 60 umfassen Strömungsflächen 62, die sich in Richtung auf die Aufbauplattform 17 erstrecken und eine Querschnittsfläche der Prozesskammer 16 verengen. Dabei ist ein Abstand 61 vorgesehen, welcher der Länge der Aufbauplattform 17, die sich in X-Richtung erstreckt, entspricht oder vorzugsweise kleiner ist, wie dies in 1 dargestellt wird. Ausgehend von dem geringsten Abstand 61 weitet sich die Strömungsfläche 62 auf. Der Wandabschnitt 60 geht in eine horizontale Begrenzungsfläche 63 über. Diese Begrenzungsfläche 63 verläuft bevorzugt parallel zum Prozesskammerboden 18 und ist in einem Abstand zum Prozesskammerboden 18 vorgesehen, so dass zwischen der Begrenzungsfläche 63 und dem Prozesskammerboden 18 die Prozessunterstützungseinrichtung 21 positionierbar ist. Durch diese Ausgestaltung der Prozesskammer 16 wird ein tulpenförmiger Querschnitt bzw. eine tulpenförmige Kontur erzielt, wodurch eine Strömungsoptimierung bei der Zuführung eines Sekundärgases von oben in die Prozesskammer 16 ermöglicht ist. Alternativ kann die Prozesskammer 16 eine konusförmige Kontur oder die Kontur eines parabelförmigen Einlauftrichters aufweisen.
Jeder Zuführkanal 56 der Zuführeinrichtung 55 wird über eine Versorgungsleitung 52 mit Sekundärgas über eine nicht näher dargestellte Sekundärgasquelle versorgt.
Anhand der nachfolgenden 2 bis 4 wird die Zuführeinrichtung 55 zum Zuführen eines Sekundärgases und zur Bildung eines Sekundärgasstromes innerhalb der Prozesskammer 16 näher beschrieben.
In dem Zuführkanal 56 ist bevorzugt ein über den Querschnitt sich erstreckendes Lochblech 71 vorgesehen. Dadurch kann bereits eine erste homogene Stromaufteilung des zugeführten Sekundärgases erzielt werden. Der Zuführkanal 56 mündet in die Zuführöffnung 57. Im Ausführungsbeispiel ist die Zuführöffnung 57 durch ein Durchströmungselement 59, wie beispielsweise ein Strömungssieb, gebildet. Dieses Durchströmungselement 59 kann beispielsweise auch als Lochblech oder als ein gasdurchlässiges Gewirke oder als ein mehrlagiges Metallgewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Die Zuführöffnung 57 umgibt vollständig die Strahleintrittsöffnung 30. Somit liegt die Zuführöffnung 57 und die Strahleintrittsöffnung 30 in einer gemeinsamen Ebene.
Zwischen dem Lochblech 71 im Zuführkanal 55 und der Zuführöffnung 57 erstrecken sich Leitbleche 72, welche den Querschnitt des Zuführkanals 55 in einen Kernstrom 74 und zwei außenliegende Seitenströme 75 untergliedern. Diese Leitbleche 72 erstrecken sich entlang der Breite der Strahleintrittsöffnung 30 jeweils über die Hälfte der Länge der Strahleintrittsöffnung 30. Gleichzeitig weist der Zuführkanal 56 eine obere gekrümmte Fläche 76 auf, um die Seitenströme 75 über die seitlichen Bereiche der Zuführöffnung 57 der Prozesskammer 16 zuzuführen.
Jeweils der Stirnseite der Strahlaustrittsöffnung 30 zugeordnet ist an der Zuführöffnung 57 eine Sperrstrom-Finne 77 vorgesehen. Diese Sperrstrom-Finne 77 ist im Abstand zur Strahleintrittsöffnung 30 innenliegend zur Prozesskammer 16 vorgesehen. Diese Sperrstrom-Finnen 77 sind nahezu horizontal ausgerichtet. Dadurch wird ein horizontaler Sperrstrom von beiden Seiten über die Zuführkanäle 56 zugeführt, die sich in der Mitte der Strahleintrittsöffnung 30 treffen und darauffolgend einen abwärts gerichteten Sekundärgasstrom erzeugen. Zwischen einer Stirnseite der Strahleintrittsöffnung 30 und dem Wandabschnitt 60 ist jeweils ein Strömungsstabilisator 78 vorgesehen. Dieser weist bevorzugt eine Krümmung entsprechend der Strömungsfläche 62 auf. Dieser Strömungsstabilisator 78 erstreckt sich über die gesamte Breite des Zuführkanals 56 bzw. Zuführöffnung 57. Diese Strömungsstabilisatoren 78 ermöglichen einen rückströmfreien und/oder gerichteten Sekundärgasstrom in dem Randbereich der Prozesskammer 16 unabhängig von der Position des Mittenmoduls 33.
In 5 ist eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer 16 gemäß 1 während eines Arbeitsschrittes zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 12 dargestellt. Der Strahl 27 ist auf das Aufbaumaterial in der Aufbauplattform 17 gerichtet und verfestigt im Auftreffpunkt 31 das Aufbaumaterial. Das Mittenmodul 33 ist beispielsweise rechts benachbart zum Auftreffpunkt 71 positioniert. Dieses Mittenmodul 33 kann den Strahl 27, der beispielsweise in Richtung auf die linke Endlage 36 zubewegt wird, nachlaufen. Gleichzeitig wird die Prozessunterstützungseinrichtung 21 mit einem Primärgas und die Zuführeinrichtung 55 mit einem Sekundärgas beaufschlagt. Dabei ist gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass ein Primärgasstrom zwischen einem linken Außenmodul 34 und dem Mittenmodul 33 sowie ein Sekundärgasstrom zwischen der Zuführeinrichtung 55 und dem Mittemodul 33 erzeugt wird. Bei dieser ersten Ausführungsform ist nur die linke Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 zur gemeinsamen Absaugung des Primärgasstroms und des Sekundärgasstroms angesteuert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass durch das linke und rechte Außenmodul 34, 35 ein Primärgasstrom ausgegeben wird, welcher durch die jeweilige linke und rechte Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 abgesaugt wird. Darüber hinaus wird gleichzeitig über die Zuführeinrichtung 55 ein Sekundärgasstrom auf das Mittenmodul 33 zugeführt. Aufgrund der in 5 dargestellten Position des Mittenmoduls 33 wird ein vergrößerter Volumenstrom des Sekundärgases der linken Absaugeinrichtung 41 zugeführt und gemeinsam mit dem Primärgasstrom abgesaugt. Ein geringerer Volumenstrom der Sekundärgasströmung kann über die rechte Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 zusammen mit dem rechten Primärgasstrom abgesaugt werden. Bei dieser Ausführungsform erfolgt über beide Absaugeinrichtungen 41 des Mittenmoduls 33 eine gemeinsame Absaugung des der Prozesskammer 16 zugeführten Primärgasstromes und Sekundärgasstromes.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auslassdüse 38 der Außenmodule 34, 35 einen Öffnungsquerschnitt im Verhältnis zu den Einsaugöffnungen 42 der Absaugeinrichtung 41 von größer 1,5, insbesondere größer 3, aufweist.
In 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Stoßdiffusors 81 dargestellt. Dieser Stoßdiffusor 81 ist zwischen der Versorgungsleitung 52 und dem Zuführkanal 39 bzw. 56 gebildet. Dabei ist vorgesehen, dass das zugeführte Prozessgas beispielsweise um 90° umgelenkt wird und gleichzeitig aufgrund der Vergrößerung des Querschnitts von der Versorgungsleitung 52 zum Zuführkanal 39, 56 eine Verzögerung in der Strömung erfährt. Die Umlenkung kann auch in einem Winkel von größer oder kleiner 90° erfolgen. Diese Verzögerung erfolgt bevorzugt nach dem Prandtl'schen Stoßdiffusorprinzip durch das Aufprallen der bevorzugt vorverzögerten Strömung auf der Bodenplatte des Stoßdiffusors. Dadurch kann eine Aufweitung des zugeführten Prozessgasstrahles in zwei Kernströme im Zuführkanal 39, 56 erzielt werden.
In 7 ist eine schematische Seitenansicht eines Arbeitsschritts der Vorrichtung 11 zur Herstellung des dreidimensionalen Objektes 12 mit einer alternativen Ausführungsform der Prozessunterstützungseinrichtung 21 dargestellt. Die 8 zeigt eine weitere mögliche Arbeitsposition gemäß der Ausführungsform in 7.
Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Prozessunterstützungseinrichtung 21 zwei verfahrbar angesteuerte Außenmodule 34, 35 aufweist. Diesbezüglich sind die Zuführkanäle 56 vorzugsweise teleskopartig ausgebildet, so dass die Auslassdüsen 38 relativ zur Aufbauplattform 17 verfahrbar sind. Die verfahrbare Ansteuerung der Außenmodule 34, 35 relativ zur Verfahrbewegung des Mittenmoduls 33 weist den Vorteil auf, dass die Überströmungsstrecke zwischen der Auslassdüse 38 und der Absaugeinrichtung 41 kurzgehalten werden kann. Dadurch kann entlang der Überströmungsstrecke die Homogenität des Primärgasstromes aufrechterhalten bleiben, wodurch eine verbesserte Absaugung erzielt werden kann. Bei der Darstellung in 7 ist vorgesehen, dass das Mittenmodul 33 in eine Endlage 36 verfahren wird. Das rechte Außenmodul 35 folgt dabei dem Mittenmodul 33, vorzugsweise mit gleichbleibendem Abstand. Gleichzeitig wird das linke Außenmodul 34 zunehmend in die linke Endlage 36 übergeführt. Durch die gleichzeitige Zuführung der Primärgasströme und des Sekundärgasstromes kann eine vollständige Spülung der Prozesskammer 16 erzielt werden. Während der in 7 dargestellten Verfahrbewegung wird bevorzugt über beide Auslassmodule 34, 35 ein Primärgasstrom ausgegeben und über beide Absaugeinrichtungen 41 des Mittenmoduls 33 eine Absaugung des Primärgasstromes und Sekundärgasstromes angesteuert.
Auch während dem Verfahren des Mittenmoduls 33 in eine Endlage 36, 37 oder in der Endlage 36, 37, wie beispielsweise die linke Endlage 36, wird der Primärgasstrom und/oder der Sekundärgasstrom aufrecht erhalten. Bevorzugt ist eine konstante Beströmung des gesamten Prozessgaskreislaufs vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017211657 A1 [0002]
WO 2019/115140 A1 [0003]
EP 1137504 B1 [0004]
EP 3147047 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (12) durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials, - bei dem in zumindest einer Prozesskammer (16) auf eine Aufbauplattform (17) das Aufbaumaterial schichtweise aufgebracht wird, - bei dem mit einer Strahlungsquelle (26) zumindest ein Strahl (27) zur Verfestigung des Aufbaumaterials erzeugt und mit zumindest einem Strahlführungselement (29) auf das Aufbaumaterial in der Aufbauplattform (17) zugeführt wird, - bei dem mit einer Prozessunterstützungseinrichtung (21), welche ein Mittenmodul (33) und jeweils dazu ausgerichtet ein Außenmodul (34, 35) aufweist, eine Primärgasströmung entlang der Aufbauplattform (17) erzeugt wird, so dass zwischen einem Mittenmodul (33) und dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, - dass das Mittenmodul (33) und/oder das zumindest eine Außenmodul (34, 35) entlang der Aufbauplattform (17) verfahrbar angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Außenmodule (34, 35) in einer jeweiligen Endlage (36, 37) außerhalb der Aufbauplattform (17) stillstehend und das Mittenmodul (33) zum Überfahren der Aufbauplattform (17) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittenmodul (33) und das zumindest eine Außenmodul (34, 35) mit einer Verfahrbewegung entlang der Aufbauplattform (17) angesteuert werden, wobei der Abstand zwischen dem Mittenmodul (33) und dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) konstant oder veränderbar angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Außenmodul (34, 35) auf das Mittenmodul (33) zugerichtet eine Primärgasströmung ausgegeben wird und an dem Mittenmodul (33) jeweils zum Außenmodul (34, 35) ausgerichtet eine Absaugeinrichtung (41) vorgesehen ist und mit einer zum Außenmodul (34, 35) ausgerichteten Einsaugöffnung (42) der jeweiligen Absaugvorrichtung (41) der Primärstrom abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Zuführeinrichtung (55) oberhalb der Aufbauplattform (17) eine Sekundärgasströmung auf die Aufbauplattform (17) ausgerichtet und zugeführt wird und eine Strömungsstrecke des Sekundärgases zwischen der Zuführeinrichtung (55) und der Prozessunterstützungseinrichtung (21) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls (33) oberhalb der Aufbauplattform (17) die beiden Absaugeinrichtungen (41) des Mittenmoduls (33) zur Absaugung der Primärgasströmung und der Sekundärgasströmung angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls (33) in oder aus einer Endlage (36, 37) benachbart zur Aufbauplattform (17) oder bei einer Positionierung des Mittenmoduls (33) in der Endlage (36, 37) die Primärgasströmung und/oder die Sekundärgasströmung aufrecht erhalten und die Absaugung über die zumindest eine Absaugeinrichtung (41) am Mittenmodul (33) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verfahrbewegung des Mittenmoduls (33) in oder aus der Endlage (36, 37) benachbart zur Aufbauplattform (17) oder bei einer Positionierung (36, 37) des Mittenmoduls (33) in der Endlage (36, 37) nur diejenige Absaugeinrichtung (41) des Mittenmoduls (33) zur Absaugung des Primärgasstromes und des Sekundärgasstromes angesteuert wird, welche zur Aufbauplattform (17) weist und/oder nur das Außenmodul (34, 35) zur Ausgabe des Primärgasstromes angesteuert wird, welches dem Mittenmodul (33) entfernt gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe einer Belichtungszone zwischen dem Mittenmodul (33) und dem Außenmodul (34, 35) durch die Verfahrbewegung des Mittenmoduls (33) und des jeweiligen Außenmoduls (34, 35) angesteuert wird.
Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten (12) durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahles (27), - mit zumindest einer Prozesskammer (16), welche zumindest eine in einer X-/Y-Ebene angeordnete Aufbauplattform (17) aufweist, auf welcher das dreidimensionale Objekt (12) erzeugt wird, - mit einer Strahlungsquelle (26) zur Erzeugung des Strahls (27), - mit zumindest einem Strahlführungselement (29) zum Führen und Lenken des Strahls (27) auf das zu verfestigende Aufbaumaterial, wobei der Strahl (27) über eine Strahleintrittsöffnung (30) in die Prozesskammer (16) einkoppelbar ist, - mit einer Prozessunterstützungseinrichtung (21), welche zur Erzeugung einer Primärgasströmung entlang der Aufbauplattform (17) ein Mittenmodul (33) und jeweils dazu ausgerichtet ein Außenmodul (34, 35) aufweist, so dass zwischen dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) und dem Mittenmodul (33) eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass das Mittenmodul (33) und/oder das zumindest eine Außenmodul (34, 35) entlang der Aufbauplattform (17) verfahrbar angesteuert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Außenmodule (34, 35) in einer jeweiligen Endlage (36, 37) außerhalb der Aufbauplattform (17) stillstehend und das Mittenmodul (33) zum Überfahren der Aufbauplattform (17) angesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittenmodul (33) und das zumindest eine Außenmodul (34, 35) mit einer Verfahrbewegung entlang der Aufbauplattform (17) ansteuerbar ist, wobei der Abstand zwischen dem Mittenmodul (33) und dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) konstant oder veränderbar angesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittenmodul (33) jeweils zum Außenmodul (34, 35) weisend mindestens eine Absaugeinrichtung (41), vorzugsweise mindestens ein Drallrohr mit einer Einsaugöffnung (42), aufweist, die sich zumindest über die Breite der Aufbauplattform (17) erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Absaugeinrichtungen (41) des Mittenmoduls (33) zumindest ein, vorzugsweise zwei schichtförmige Vorratsbehälter (44) für das Aufbaumaterial und zumindest eine, vorzugsweise zwischen den Vorratsbehältern (44) angeordnete Beschichtungseinrichtung (46) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Außenmodul (34, 35) eine Auslassdüse (38) aufweist, die vorzugsweise eine polynomiale Düsenform aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, - -dass oberhalb der Aufbauplattform (17) eine Zuführeinrichtung (55) zum Zuführen einer Sekundärgasströmung vorgesehen ist, und - dass durch die Zuführeinrichtung (55) die Sekundärgasströmung auf die Aufbauplattform (17) ausgerichtet und eine Strömungsstrecke zwischen der Zuführeinrichtung (55) und der Prozessunterstützungseinrichtung (21) gebildet ist.