DE102021107265A1

DE102021107265A1 - Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten

Info

Publication number: DE102021107265A1
Application number: DE102021107265.4A
Authority: DE
Inventors: Julia Schmidt-Petersen
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-09-29
Also published as: CN117083139A; US20240190073A1; EP4313453A1; WO2022200081A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten (2) durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten (S) eines mittels Bestrahlung verfestigbaren pulverförmigen Aufbaumaterials (15) an Stellen, die einem Querschnitt des Fertigungsprodukts (2) entsprechen. Die Vorrichtung (1) umfasst zumindest einen Baubehälter (5) umfassend zumindest eine höhenverstellbare Aufbauplattform (12), sowie zumindest eine Strahlquelle (21) zur Bestrahlung von zu verfestigendem Aufbaumaterial (13) in einem Baufeld (8) oberhalb der Aufbauplattform (12). Weiterhin umfasst die Vorrichtung (1) zumindest einen Beschichter (16), wobei der Beschichter (16) ausgebildet ist, Schichten (S) des Aufbaumaterials (15) auf die Aufbauplattform (12) und/oder eine zuvor aufgetragene Schicht aufzutragen. Auch umfasst die Vorrichtung (1) zumindest eine Restpulverkammer (50) mit einer Aufnahmeöffnung (55), um von dem Beschichter (16) verschobenes überschüssiges pulverförmiges Material (13) aufzunehmen, wobei ein Bereich (B) zwischen dem Baufeld (8) und der Aufnahmeöffnung (55) zumindest eine Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Aufbaumaterial (13) aufweist. Vorzugsweise ist zudem ein Bereich zwischen dem Baufeld (8) und der Restpulverkammer (50) und/oder zumindest ein Teil der Restpulverkammer (50) von zumindest einem Abdeckelement (54) unter Belassung der Aufnahmeöffnung (55) abgedeckt, wobei die Oberfläche des Abdeckelements (54) zumindest eine Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Aufbaumaterial (13) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Abdeckelement (54) für eine solche Vorrichtung (1), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung (1) und eines solchen Abdeckelements (54) und die Verwendung des Abdeckelements (54) für die Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Abdeckelement zur Nutzung einer solchen Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten, sowie ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung eines solchen Abdeckelements und ein Verfahren zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten in einer solchen Vorrichtung.
Die additive Fertigung beschreibt einen Prozess, bei dem additive Fertigungsprodukte bzw. Bauteile (im Nachfolgenden auch Objekte genannt) direkt oder indirekt auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten, beispielsweise aus formlosen, insbesondere pulverförmigen, Aufbaumaterialien hergestellt werden. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird daher häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet.
Ein wesentliches Kennzeichen der additiven Fertigung ist das selektive, d. h. räumlich begrenzte, insbesondere schichtweise, Verfestigen zumindest eines Aufbaumaterials. Ist das Aufbaumaterial pulverförmig, wird es meist zunächst in Form einer dünnen Schicht beispielsweise auf eine Bauplattform in einem Prozessraum bzw. eine Prozesskammer einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten eingebracht.
Durch eine lokal eingebrachte Strahlungsenergie - in der Regel mittels eines Laserstrahls - werden die Pulverpartikel des Aufbaumaterials in vorbestimmten Bereichen der Schicht teilweise oder vollständig aufgeschmolzen bzw. teilweise oder vollständig versintert und kühlen anschließend soweit ab, dass sie sich miteinander zu einem Festkörper verbinden. Der Bereich der Schicht, in dem sich die aktuelle Verfestigung des Aufbaumaterials vollzieht, wird auch als „Verfestigungsbereich“ bezeichnet. Statt Einbringung einer Strahlungsenergie kann auch eine Verfestigung des Aufbaumaterials mit anderen physikalischen oder chemischen Methoden erfolgen, beispielweise durch Auftrag eines Bindemittels.
Zwei kommerziell bedeutsame Verfahren, bei denen das Verfestigen des Aufbaumaterials durch Bestrahlung mit Strahlungsenergie erfolgt, sind das „selektive Lasersintern“ (SLS) und das „selektive Laserschmelzen“ (SLM).
Die Bestrahlung der Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials erfolgt dabei - wie erwähnt - auf Basis von vorgebbaren 3D-Konstruktionsdaten des herzustellenden Bauteils, so dass nur solche Bereiche der Schicht bestrahlt werden, die Bestandteil des herzustellenden Bauteils werden sollen. Zur Herstellung eines vollständigen Bauteils werden also wiederholt dünne Schichten des pulverförmigen Aufbaumaterials in den Prozessraum eingebracht und selektiv verfestigt, wobei sich die einzelnen verfestigten Bauteilschichten zu einem gemeinsamen Bauteil verbinden.
Nachdem die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials in einer bestimmten Schicht abgeschlossen ist, wird die Bauplattform um eine Schichtdicke nach unten verfahren, so dass die Oberfläche der selektiv verfestigten Schicht mit der Umgebung wieder eine Ebene bildet. Dann trägt ein Beschichter eine weitere Schicht Aufbaumaterial auf die vorherige, untere Schicht auf. Dabei verschiebt der Beschichter das pulverförmige Aufbaumaterial zu einer planen Fläche. Somit bildet das pulverförmige Aufbaumaterial wieder eine im Wesentlichen ebene Arbeitsfläche.
Während des Beschichtens und im Zuge des Verschiebens des pulverförmigen Aufbaumaterials zu einer Arbeitsebene wird immer auch pulverförmiges Aufbaumaterial über die äu-ßeren Begrenzungen, bzw. den Rand der Arbeitsebene hinaus verschoben. Dieses über die Arbeitsebene hinaus verschobene Pulver, im Folgenden Restpulver genannt, wird dann in einem oder mehreren Überläufen bzw. Restpulverkammern gesammelt, welche seitlich zur Arbeitsebene in Verschiebungsrichtung des Beschichters neben dem Bereich der Bauplattform angeordnet sind. Gerade wenn große Bauteile angefertigt werden, wird oft auch sehr viel Restpulver in den Restpulverkammern angesammelt. Dies liegt darin begründet, dass für jede zu fertigende Bauteilschicht eine Schicht Aufbaumaterial durch den Beschichter auf die Arbeitsebene gegeben wird, welches während des Beschichtens wiederum zu einem nicht unerheblichen Teil in die Restpulverkammern verschoben wird. Dabei entsteht oft so viel Restpulver, dass die Restpulverkammer(n) bereits vollständig gefüllt sind, bevor das Objekt fertig gestellt werden kann. Dann muss der Bauprozess unterbrochen werden und die Restpulverkammern müssen entleert werden. Dabei muss das Pulver in den Restpulverkammern aus den vollen Restpulverkammern entfernt werden und in einem aufwändigen Verfahren gereinigt (z. B. gesiebt) werden, bevor das Pulver erneut zur additiven Fertigung eines Objekts verwendet werden kann. Dies führt zu einem kostspieligen und langwierigen Fertigungsprozess.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten bereitzustellen, wobei bevorzugt der Pulververbrauch gesenkt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Abdeckelement gemäß Patentanspruch 13, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung und eines Abdeckelements gemäß der Patentansprüche 14 bzw. 15 und der Verwendung eines Abdeckelements gemäß Patentanspruch 16, sowie durch ein Verfahren zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten gemäß Anspruch 17gelöst.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten bzw. Bauteilen (im Folgenden auch kurz „Fertigungsvorrichtung“ genannt) werden durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten eines mittels Bestrahlung verfestigbaren pulverförmigen Aufbaumaterials die gewünschten Fertigungsprodukte bzw. Bauteile erzeugt. Die Verfestigung erfolgt dabei jeweils an Stellen, die in der jeweiligen Schicht einem Querschnitt des Bauteils entsprechen. Ein bevorzugtes Beispiel ist hierfür eine bereits erwähnte Lasersintervorrichtung, auch wenn die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Die Vorrichtung umfasst dabei zumindest einen Baubehälter mit zumindest einer höhenverstellbaren Aufbauplattform. Dabei definieren der Baubehälter und die Aufbauplattform in ihrem Inneren einen Bauraum. Die obere Öffnung des Baubehälters bildet dabei ein Baufeld, welches oberhalb der Aufbauplattform angeordnet ist. Das Baufeld befindet sich in der Arbeitsebene, wobei das Baufeld der Bereich der Arbeitsebene ist, in dem das Bauteil gefertigt wird und wobei das Baufeld im Wesentlichen deckungsgleich oberhalb der Aufbauplattform angeordnet ist.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zumindest eine Verfestigungsvorrichtung. Bevorzugt handelt es sich bei der Verfestigungsvorrichtung um eine Strahlquelle, vorzugsweise einen Laser, zur Verfestigung, also bevorzugt zur Bestrahlung, der obersten Schicht des zu verfestigenden pulverförmigen Aufbaumaterials in dem Baufeld der aktuellen Arbeitsebene (mit einem Energiestrahl). Die Vorrichtung kann dabei auch - wie üblich - eine Strahlumlenkvorrichtung (z. B. einen Scanner) zum Umlenken des Energiestrahls auf die jeweils zu verfestigende Schicht aufweisen, bzw. um den Energiestrahl in gewünschter Weise auf der aktuellen Schicht zu verfahren und die selektive Verfestigung zu erreichen.
Die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials kann dabei mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung erfolgen. Alternativ kann das Aufbaumaterial zur Verfestigung aber auch mit Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Elektronenstrahlung, bestrahlt werden.
Die Vorrichtung umfasst auch zumindest einen Beschichter, welcher ausgebildet ist, um wie oben schon beschrieben, Schichten des Aufbaumaterials auf die Aufbauplattform und/oder eine zuvor aufgetragene Schicht aufzutragen, um das Aufbaumaterial in die aktuelle Arbeitsebene mit dem Baufeld einzubringen.
Schließlich umfasst die Vorrichtung auch zumindest eine Restpulverkammer. Dabei verfügt die Restpulverkammer über zumindest eine Aufnahmeöffnung, um von dem Beschichter verschobenes, überschüssiges, pulverförmiges Material aufzunehmen. Die Aufnahmeöffnung ist dabei so ausgebildet, dass, wie auch schon oben beschrieben, das von dem Beschichter von der Arbeitsebene in Richtung Restpulverkammer verschobene (überschüssige) pulverförmige Aufbaumaterial von der Restpulverkammer aufgenommen werden kann.
Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass ein Bereich zwischen dem Baufeld und der Aufnahmeöffnung zumindest eine Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Material aufweist. Als der Bereich zwischen dem Baufeld und der Aufnahmeöffnung ist dabei ein Bereich zu verstehen, der in der Arbeitsebene bzw. in Höhe der Arbeitsebene zwischen der betreffenden Aufnahmeöffnung und dem Baufeld liegt, bzw. der Bereich zwischen Aufbauplattform und Aufnahmeöffnung, wenn sich die Aufbauplattform zu Beginn des Bauprozesses in der oberen Stellung befindet.
Unter einer „Fließhemmvorrichtung“ wird im Sinne der Erfindung eine Vorrichtung verstanden, die das Fließen des pulverförmigen Aufbaumaterials verlangsamt bzw. „hemmt“. Hierfür kann beispielsweise eine Oberfläche in einem Bereich zwischen dem Baufeld und der Aufnahmeöffnung modifiziert werden und z. B. gröbere Strukturen aufweisen, wodurch die Fließbewegung des Pulvers auf der Oberfläche verlangsamt oder komplett gestoppt wird. Konkrete Beispiele, wie eine solche Fließhemmvorrichtung realisiert werden kann, werden später noch ausführlich erläutert.
Vorteilhafterweise kann also mit solch einer Fließhemmvorrichtung der (Rest-)pulververbrauch während des additiven Fertigungsprozesses signifikant gesenkt werden. Bisher ist der Bereich zwischen Baufeld und Aufnahmeöffnung der auf dem Markt genutzten Fertigungsvorrichtungen mit einer in Richtung Arbeitsebene weisenden ebenen und relativ glatten Oberfläche ausgestattet. Dabei ist diese Oberfläche so glatt, dass das pulverförmige Aufbaumaterial auf dieser Oberfläche leicht verschiebbar ist (beispielsweise während des Beschichtens). Die Rauheit dieser Flächen liegt bei bekannten Systemen bei einem Mittenrauwert von R_a = 0,4 µm. Der Mittenrauwert R_a einer Oberfläche gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zu einer bestimmten Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen in einer parallelen Ebene zur Mittellinie auf die Länge der Messstrecke verteilt wird. Anschaulicher gesagt, gibt der Mittenrauwert den arithmetischen Durchschnitt des Rauheitsprofils an.
Durch die erfindungsgemäße Fließhemmvorrichtung wird der Bereich zwischen Baufeld und Aufnahmeöffnung nun aber gezielt und bewusst so ausgestaltet, dass das Material zumindest im Bereich der Fließhemmsperre nicht so leicht in Richtung Restpulverkammer fließen kann. Die Erfinderin hat festgestellt, dass dadurch weniger pulverförmiges Aufbaumaterial (im Nachfolgenden auch kurz „Pulver“ genannt) in die zumindest eine Restpulverkammer verschoben wird, ohne dass der Beschichtungsprozess selbst dadurch behindert wird bzw. zu einer ungleichmäßigeren Beschichtung führt. Durch den geringeren Materialverbrauch können auch große Bauteile in einem durchgängigen Prozess additiv hergestellt werden, ohne dass die Restpulverkammer geleert werden müsste. Somit muss weniger Restpulver „recycelt“ werden und der gesamte additive Fertigungsprozess kann kosteneffizienter gestaltet werden.
Vorzugsweise sind der Bereich zwischen dem Baufeld und der Restpulverkammer und/oder zumindest ein Teil der Restpulverkammer von zumindest einem Abdeckelement unter Belassung der Aufnahmeöffnung abgedeckt, wobei die Oberfläche des Abdeckelements zumindest eine Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Material aufweist. Besonders bevorzugt ist die Aufnahmeöffnung in Form eines Durchbruchs innerhalb des Abdeckelements realisiert.
Vorteilhafterweise erlaubt ein solches Abdeckelement mit einer Fließhemmvorrichtung, dass die Fließhemmvorrichtung in einem einfachen Herstellungsprozess auf dem flexiblen und einfach handhabbaren Abdeckelement selber realisiert werden kann. Insbesondere können so auch bereits existierende Fertigungsvorrichtungen einfach und kostengünstig nachgerüstet werden, indem beispielsweise bereits existierende Abdeckelemente (mit glatten Oberflächen) durch Abdeckelemente mit integrierten Fließhemmvorrichtungen ersetzt werden. Alternativ könnten auch die bereits existierenden Abdeckelemente nachträglich mit einer Fließhemmvorrichtung versehen werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Vorrichtung wird ein Bereich zwischen dem Baufeld und der Aufnahmeöffnung mit zumindest einer Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Material versehen. Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren die Vorrichtung mit dem nachfolgend beschriebenen Abdeckelement versehen.
Ein erfindungsgemäßes Abdeckelement für eine oben beschriebene Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten ist ausgebildet, einen Bereich zwischen dem Baufeld und der Restpulverkammer und/oder zumindest einen Teil der Restpulverkammer unter Belassung einer Aufnahmeöffnung abzudecken. Dabei weist die Oberfläche des Abdeckelements zumindest eine Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Material auf.
Bei einem bevorzugt erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Abdeckelements wird das Abdeckelement mit zumindest einer Vertiefung ausgebildet, wobei vorzugsweise zumindest eine Einlageplatte in der Vertiefung angeordnet wird. Das Abdeckelement wird zudem mit zumindest einer Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Aufbaumaterial versehen. Vorzugsweise wird dabei nur die Einlageplatte mit einer Fließhemmvorrichtung versehen, denn dies erlaubt, dass die Herstellung des Abdeckelements besonders kosteneffizient erfolgen kann. Da nur die (kleinere) Einlageplatte mit einer Fließhemmsperre versehen werden muss, ist der Herstellungsprozess somit einfacher und weniger aufwändig.
Vorteilhafterweise erlaubt eine erfindungsgemäße Verwendung eines solchen Abdeckelements in der Fertigungsvorrichtung, dass schon mit relativ kostengünstigen Mitteln (Ausstatten des Abdeckelements mit einer Fließhemmsperre) der Pulververbrauch bei dem additiven Fertigungsprozess signifikant gesenkt werden kann, wobei die bereits schon existierenden Fertigungsvorrichtungen, wie bereits erwähnt, vorteilhafterweise mit einem solchen Abdeckelement nachgerüstet werden können.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten wird durch Bestrahlung pulverförmiges Aufbaumaterial verfestigt. Das verfestigte pulverförmige Aufbaumaterial entspricht einem Querschnitt des Fertigungsproduktes. Das selektive Verfestigen wird wie erwähnt in einer Vorrichtung durchgeführt, die einen Baubehälter, eine Verfestigungsvorrichtung (beispielweise eine Strahlquelle), einen Beschichter und eine Restpulverkammer umfasst. Der Baubehälter hat zumindest eine höhenverstellbare Aufbauplattform. Die Verfestigungsvorrichtung dient zur Verfestigung von zu verfestigendem Aufbaumaterial auf der Aufbauplattform. Der Beschichter trägt Schichten des Aufbaumaterials auf die Aufbauplattform oder eine zuvor aufgetragene Schicht auf. Durch eine Aufnahmeöffnung in der Restpulverkammer kann verschobenes, überschüssiges pulverförmiges Material von dieser aufgenommen werden. In einem Bereich zwischen der Aufbauplattform und der Aufnahmeöffnung wird erfindungsgemäß einem Fluss des pulverförmigen Materials mittels einer Fließhemmvorrichtung mechanisch gehemmt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Bevorzugt weist die Fließhemmvorrichtung der Fertigungsvorrichtung eine raue, bzw. angeraute, in Richtung Arbeitsebene weisende Oberfläche auf oder wird durch diese gebildet. Die Rauheit ist so zu wählen, dass sie um mindestens einen Faktor 2 höher ist als in einem umgebenden Bereich. Bei dem umgebenden Bereich kann es sich um das Abdeckelement handeln. Die angeraute Oberfläche ist dann nur ein Teilbereich des Abdeckelements. Es kann aber auch das gesamte Abdeckelement mit der rauen Oberfläche versehen sein. In diesem Fall kann auch die Aufbauplattform zumindest als ein Teil des „umgebenden Bereichs“ gesehen werden, wenn noch keine Schicht des Aufbaumaterials aufgetragen ist, oder Bereiche bzw. Streifen seitlich neben dem Abdeckelement und/oder der Aufbauplattform.
Die Rauheit der zur Arbeitsebene weisenden Oberfläche zwischen Bauraum und Auffangöffnung bezeichnet hier die Unebenheit dieser Oberfläche.
Die genaue Ausgestaltung der Fließhemmvorrichtung kann vorzugsweise auch in Abhängigkeit von der Korngröße des aktuell verwendeten pulverförmigen Aufbaumaterials gewählt werden. Beispielsweise können je nach Korngröße der Partikel des verwendeten pulverförmigen Aufbaumaterials Oberflächen mit verschiedenen Oberflächenrauheiten als Fließhemmvorrichtung genutzt werden. Eine Oberfläche ist somit dann rau im Sinne dieser Erfindung, wenn das aktuell verwendete Pulver beim Beschichten in seiner Fließbewegung gehemmt wird.
Die Oberflächen der im Stand der Technik gebräuchlichen Abdeckrahmen aus Edelstahl mit einer Oberflächenrauheit von R_a = 0,4 µm sind im Sinne der Erfindung als „glatte“ Oberflächen anzusehen, da pulverförmiges Aufbaumaterial auf einer solchen Oberfläche relativ ungehindert „gleitet“ bzw. fließt.
Das Anrauen der Oberfläche kann beispielsweise durch Druckluftstrahlen mit einem festen Strahlmittel (z. B. mittels Sandstrahlen) erfolgen. Die Sandkörner der Sandstrahlen weisen dabei eine Korngröße von bevorzugt mindestens 50 µm und höchstens 500 µm auf. Ein bevorzugtes Strahlmittel ist beispielsweise Korund bzw. Granatsand. Hier kann das Bestrahlen vorzugsweise so erfolgen, dass die Oberflächenrauheit der angerauten Oberfläche dabei wie oben erläutert um mindestens den Faktor 2 höher als ein umgebender Bereich ist.
Alternativ oder ergänzend kann das Aufrauen der Oberfläche auch mit anderen mechanischen Methoden wie beispielweise dem Anfräsen erfolgen. Wird bei dem Aufrauen die Oberfläche in einer bestimmten Richtung aufgeraut, so ist bevorzugt, dass die Verlaufsrichtung der durch das Aufrauen verursachten Vertiefungen bzw. Erhöhungen quer, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen orthogonal, zur bestimmungsgemäßen Beschichtungsrichtung des Beschichters ausgerichtet ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der fließhemmende Effekt der Anrauung deutlicher zum Tragen kommt.
Natürlich ist es auch denkbar, dass die Fließhemmvorrichtung aus einem rauen geeigneten Beschichtungsmaterial gebildet wird. Das Beschichtungsmaterial kann auch eine dünne Schicht sein, wie eine Folie oder dergleichen, die auf die Fläche aufgebracht, z. B. aufgeklebt, wird. Als einfache Variante wäre z. B. bereits Krepppapier denkbar, welches auf einen Bereich zwischen Bauraum und Aufnahmeöffnung angebracht wird.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass durch eine Fließhemmvorrichtung in Form einer angerauten Oberfläche die Menge an Pulver, welche ungenutzt in einen Überlauf geschoben wird, um bis zu 90% verringert werden kann. Vorteilhafterweise ist zudem das Anrauen einer Oberfläche während des Herstellungsprozesses relativ einfach und kosteneffizient realisierbar.
Die Fließhemmvorrichtung in Form einer angerauten Fläche kann auch eine gezielt bereitgestellte lokale Ansammlung des pulverförmigen Materials umfassen. D. h., es reicht gegebenenfalls aus, dafür zu sorgen, dass in irgendeiner Weise eine sehr dünne „Grundschicht“ an Material (ggf. nur eine Kornebene) auf der Oberfläche liegen bleibt, welche die gewünschten Rauhigkeitserfordernisse aufweisen soll. Die Oberfläche dieser dünnen Pulverschicht ist in gewisser Weise auch als rau anzusehen.
Diese für die Rauheit der Oberfläche sorgende Grundschicht an Material kann beispielsweise mithilfe von geeigneten Haftmitteln auf der Oberfläche gehalten werden.
Um dafür zu sorgen, dass die erste Schicht liegen bleibt, kann aber auch ein sehr geringes Hemmnis ausreichen, wie zum Beispiel eine kleine Kante.
Vorzugsweise kann die Fließhemmvorrichtung daher auch zumindest eine Kante aufweisen.
Die Kante ist dabei auf der in Richtung Arbeitsebene weisenden Oberfläche des Abdeckelements ausgebildet. Die Kante kann eine Vielzahl an Formen aufweisen, bevorzugt ist die Kante aber in Form einer Rampe, Nase, Pyramide oder eines Quaders ausgebildet. Die Kante kann auch einer konkaven bzw. kreisförmigen Form entsprechen. Die Kante kann bevorzugt auch in beliebigen Ausführungsformen auf der Oberfläche des Abdeckelements aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Kante durch eine aufgebrachte Leiste und/oder Schiene realisiert sein. Als Materialien für derartigen Leisten bzw. Schienen eignen sich insbesondere solche Materialien, die einen geringeren Härtegrad aufweisen als der Beschichter, damit sie beim Kontakt mit dem Beschichter keine Verletzungen bei letzterem verursachen. Beispielsweise eignen sich Kunststoffe in Form von Leisten oder Folien hierfür.
Alternativ oder ergänzend kann die Kante eine bestimmte Orientierung zur Beschichtungsrichtung des Beschichters aufweisen. Dabei ist bevorzugt, dass die Kante quer, insbesondere bevorzugt im Wesentlichen orthogonal, zur bestimmungsgemäßen Beschichtungsrichtung des Beschichters ausgerichtet ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der fließhemmende Effekt der Kante deutlicher zum Tragen kommt.
Die Höhe der Kante beträgt bevorzugt zumindest 0,1 mm, besonders bevorzugt zumindest 0,5 mm und ganz bevorzugt zumindest 1 mm, sowie bevorzugt maximal 50 mm, besonders bevorzugt maximal 5 mm und ganz besonders bevorzugt maximal 2 mm. Bei den hier genannten Werten ist die Höhe der Kante größer bemessen als der Abstand zwischen dem Beschichter und der Aufbauplattform. Dies bedeutet, dass im Rahmen dieser angegebenen Werte bevorzugt ist, dass der Verfahrweg des Beschichters höchstens bis kurz vor die Kante limitiert ist. Soll im Umkehrschluss der Verfahrweg des Beschichters über die Kante hinweg erfolgen, so ist bevorzugt, dass die Höhe der Kante höchstens gleich bemessen ist wie der Abstand des Beschichters von der Bauplattform, bevorzugt höchstens 3/4, besonders bevorzugt höchstens die Hälfte vom Anstand des Beschichters vom Bauplattform misst.
Vorteilhafterweise verringert eine Kante, wie auch schon die vorherig beschriebene angeraute Oberfläche des Abdeckelements, die Fließbewegung des pulverförmigen Aufbaumaterials. Dadurch fällt weniger Restpulver in den Restpulverkammern an, welches aufwändig „recycelt“ bzw. entsorgt werden muss. Zudem kann die Kante vorteilhafterweise mit sehr einfachen Mittels zwischen der Aufbauplattform und der Aufnahmeöffnung angebracht werden. Das Anbringen der Kante kann somit beispielsweise ebenfalls noch im Zuge eines „Nachrüstens“ der Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten besonders einfach erfolgen.
Besonders bevorzugt sind die Fließhemmvorrichtung und insbesondere die Kante direkt an oder in einem kurzen Abstand, vorzugsweise von max. 50 mm und bevorzugt max. 20 mm, besonders bevorzugt max. 5 mm zu der Aufnahmeöffnung ausgebildet. Dies vereinfacht insbesondere, den Verfahrweg des Beschichters nicht unnötig aufgrund der Positionierung der Kante zu limitieren.
Die Fließhemmvorrichtung kann beispielsweise auch sowohl eine angeraute Oberfläche, als auch eine Kante aufweisen, wobei bevorzugt die in Richtung Arbeitsebene weisende angeraute Oberfläche kurz vor der Aufnahmeöffnung und die Kante an der Aufnahmeöffnung ausgebildet ist. Natürlich ist es auch denkbar, dass die Fließhemmvorrichtung nur die angeraute Oberfläche oder nur die Kante umfasst.
Vorteilhafterweise wird durch das Anbringen der Fließhemmvorrichtung vor der Auffangöffnung, die Fließbewegung des pulverförmigen Aufbaumaterials auf der Arbeitsebene erst in unmittelbarer Nähe zu den Restpulverkammern gehemmt bzw. signifikant verringert, während das Fließverhalten des Pulvers auf dem Baufeld aber nicht eingeschränkt ist. Dadurch kann der Beschichter schnell und effizient eine ebene Schicht des Aufbaumaterials auf dem Baufeld auftragen.
Wie bereits vorherig ausgeführt, weist die Fertigungsvorrichtung bevorzugt zumindest ein Abdeckelement auf. Besonders bevorzugt weist das Abdeckelement dabei die Fließhemmvorrichtung auf, wobei die Fließhemmvorrichtung ganz besonders bevorzugt durch eine angeraute Oberfläche und/oder einer Kante realisiert ist. Hierdurch kann eine Fertigungsvorrichtung, wie bereits erwähnt, besonders einfach mit einer Fließhemmvorrichtung nachgerüstet werden, indem beispielsweise einfach ein Abdeckelement ohne Fließhemmvorrichtung durch ein Abdeckelement mit Fließhemmvorrichtung ersetzt wird.
Das Abdeckelement weist dabei besonders bevorzugt einen Abdeckrahmen auf, wobei der Abdeckrahmen zumindest einen Durchbruch aufweist, welcher die Aufnahmeöffnung ausbildet, um das durch den Beschichter verschobene überschüssige pulverförmige Material der Restpulverkammer zuzuführen.
Vorteilhafterweise kann ein Abdeckelement, das bevorzugt in Form eines Abdeckrahmens ausgebildet ist, besonders einfach und kosteneffizient hergestellt werden und im Betrieb stabil im Prozessraum in einem Bereich zwischen dem Baufeld und der Aufnahmeöffnung der Fertigungsvorrichtung angeordnet werden.
Vorzugsweise ist in einem Bereich zwischen der Aufbauplattform und der Aufnahmeöffnung, und besonders bevorzugt im Abdeckelement selber, zumindest eine Vertiefung ausgebildet.
In dieser Vertiefung ist ganz besonders bevorzugt zumindest eine Einlageplatte angeordnet, wobei die Vertiefung und die Einlageplatte so ausgebildet sind, dass die zu der Arbeitsebene weisende oder in einer Arbeitsebene liegende Oberfläche an einem Übergang der Oberfläche des Abdeckelements zur Oberfläche der Einlageplatte im Wesentlichen fluchtend angeordnet ist. Somit bildet die Einlageplatte um den umliegenden Bereich bzw. mit dem Abdeckelement eine im Wesentlichen plane, ebene, Fläche aus.
Vorteilhafterweise erlaubt eine solche fluchtende bzw. passgenaue Anordnung der Einlageplatte, dass das feine pulverförmige Aufbaumaterial nicht ungewollt in Vertiefungen bzw. Spalten, die sonst in den Bereichen der äußeren Ränder der Einlageplatte entstehen würden, angesammelt wird.
Bevorzugt weist die oben beschriebene Einlageplatte die Fließhemmvorrichtung auf und sie ist besonders bevorzugt in einem in Richtung Bauraum weisenden, bzw. von dem Baufeld aus gesehen, direkten Anschluss vor der Aufnahmeöffnung (unterhalb der Arbeitsebene) angeordnet. Alternativ kann die Einlageplatte auch die Aufnahmeöffnung in Form eines Durchbruchs ausbilden.
Vorteilhafterweise ist eine Fließhemmvorrichtung mittels einer solchen Einlageplatte besonders praktisch und kosteneffizient herzustellen. Dies liegt darin begründet, dass es ausreicht, dass z. B. nur die Einlageplatte - als relativ kleines bzw. kompaktes und leicht zu bearbeitendes Einzelstück - mit einer Fließhemmvorrichtung versehen werden muss.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen jeweils grob schematisch:

1 eine, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten,
2 eine, im Schnitt dargestellte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prozessraums einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Fertigungsproduktes ohne Fließhemmvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
3 eine, im Schnitt dargestellte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prozessraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Fertigungsproduktes mit Fließhemmvorrichtung,
4 eine, im Schnitt dargestellte Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abdeckrahmens mit einer angerauten Oberfläche als Fließhemmvorrichtung,
5 eine, im Schnitt dargestellte Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abdeckrahmens mit einer Kante als Fließhemmvorrichtung,
6 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Abdeckrahmens mit einer Einlageplatte mit einer angerauten Oberfläche.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten 2 (im Folgenden auch Objekte 2 genannt) in Form einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 beschrieben, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass die Erfindung nicht auf Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtungen beschränkt ist. Die Vorrichtung 1 wird im Folgenden - ohne eine Beschränkung der Allgemeinheit - daher kurz als „Lasersintervorrichtung“ 1 bezeichnet.
Eine solche Lasersintervorrichtung 1 ist schematisch in 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist einen Prozessraum 3 bzw. eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4 auf, in der im Wesentlichen der Fertigungsprozess abläuft. In der Prozesskammer 3 befindet sich ein nach oben offener Baubehälter 5 mit einer Behälterwandung 6. Die obere Öffnung des Behälters 5 bildet die jeweils aktuelle Arbeitsebene 7. Der innerhalb der Öffnung des Behälters 5 liegende Bereich dieser Arbeitsebene 7 wird als Baufeld 8 bzw. Bauraum 8 bezeichnet und kann zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden.
Während des Bauprozesses wird zunächst das Aufbaumaterial 15 aus einem Vorratsbehälter 14 durch einen Beschichter 16 auf die Arbeitsebene 7 aufgetragen. Der Beschichter 16 wird danach in einer vorbestimmten Höhe in der Arbeitsebene 7 verfahren, so dass die Schicht S des sich auf der Arbeitsebene 7 befindlichen pulverförmigen Aufbaumaterials 13 in einer definierten Höhe über der zuletzt verfestigten Schicht liegt.
Der Behälter 5 weist eine in einer vertikalen Richtung V bewegliche Grundplatte 11 auf, die auf einem Träger 10 angeordnet ist. Die Grundplatte 11 schließt den Behälter 5 nach unten ab und bildet damit dessen Boden. Die Grundplatte 11 kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein, sie kann aber auch eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein und an dem Träger 10 befestigt oder diesem einfach aufgelagert sein. Auf der Grundplatte 11 kann eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Grundsätzlich kann das Objekt 2 aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann selber die Bauunterlage beziehungsweise die Bauplattform 12 bildet (wie beispielsweise in den 2 und 3 dargestellt).
Der grundsätzliche Aufbau des Objekts 2 erfolgt so, dass eine Schicht S Aufbaumaterial 13 zunächst auf die Bauplattform 12 aufgebracht wird, dann - wie später erläutert - mit einer Strahlquelle, hier konkret mit einem Laser, 21 an den Punkten, welche Teile des zu fertigenden Objekts 2 bilden sollen, das Aufbaumaterial 13 selektiv verfestigt wird, dann mit Hilfe des Trägers 10 die Grundplatte 11 und somit die Bauplattform 12 um eine Schichtdicke abgesenkt wird und eine neue Schicht S des Aufbaumaterials 15 aufgetragen und dann selektiv verfestigt wird usw. Wie oben schon erwähnt ist die Erfindung nicht auf Lasersintern-/Laserschmelzvorrichtungen beschränkt. Der Laser 21 kann also, obwohl im Folgenden nicht immer explizit gedeutet, auch eine Verfestigungsvorrichtung anderer Art sein. Das in den 1 bis 3 dargestellte Objekt 2 ist jeweils unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Das Objekt 2 ist von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13 umgeben. Als Aufbaumaterial 15 können verschiedene elektrisch leitende Pulver verwendet werden. Bevorzugte Verwendung finden metallische Aufbaumaterialien sowie selbstleitende bzw. intrinsisch leitende Kunststoffe aber auch solche Kunststoffe, die durch Zugabe von elektrisch leitenden Füllstoffen eine elektrische Leitfähigkeit erhalten.
In einem Vorratsbehälter 14 der Lasersintervorrichtung 1 befindet sich frisches Aufbaumaterial 15. Mit Hilfe des in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichters 16 kann wie erwähnt das Aufbaumaterial 15 auf die Arbeitsebene 7 in Form einer dünnen Schicht S aufgebracht werden.
In der Prozesskammer 3 befindet sich optional eine Strahlungsheizung 17. Diese kann zum Beheizen des frisch aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dienen, wobei im Wesentlichen das Aufbaumaterial 13 im gesamten Baufeld 8 erwärmt wird. Die von der Heizvorrichtung 17 in das Aufbaumaterial 13 eingebrachte Menge an Grundenergie ist unterhalb der notwendigen Energie, bei der das Aufbaumaterial 13 sintert oder sogar verschmilzt.
Zum selektiven Verfestigen weist die Lasersintervorrichtung 1 eine Verfestigungsvorrichtung 20 auf, welche hier in Form einer Bestrahlungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 realisiert ist. Der Laser 21 erzeugt einen Laserstrahl 22, der über eine Umlenkvorrichtung 23 (Scanner 23) umgelenkt wird, um so gemäß einer vorgegebenen Bestrahlungsstrategie selektiv Energie in die jeweils selektiv zu verfestigenden Bereiche der Schicht S einzubringen. Weiter wird dieser Laserstrahl 22 durch eine Fokussiereinrichtung 24 auf die Arbeitsebene 7 in geeigneter Weise fokussiert. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 befindet sich hier vorzugsweise außerhalb der Prozesskammer 3 und der Laserstrahl 22 wird über ein an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebrachtes Einkoppelfenster 25 in die Prozesskammer 3 geleitet und trifft an einer bestimmten Stelle auf die Arbeitsebene 7, d. h. die aktuell zu verfestigende Schicht S.
Die Verfestigungsvorrichtung 20 kann beispielsweise nicht nur einen, sondern mehrere Laser 21 umfassen. Vorzugsweise kann es sich hierbei um Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z. B. Laserdioden handeln, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) oder eine Zeile dieser Laser.
Die Lasersintervorrichtung 1 umfasst zudem eine Steuereinrichtung 30, welche durch einen Terminal 40 bedient werden kann. Die Steuereinrichtung 30 kann über eine Vielzahl weiter unten beschriebenen Schnittstellen (nicht dargestellt) verfügen und beispielsweise auch Informationen einer Sensoranordnung 35 im Prozessraum 3 empfangen und verarbeiten.
Die Steuereinrichtung 30 umfasst hier ein Berechnungsmodul 34, welches eine Bestrahlungsstrategie zur schichtweisen Fertigung des additiven Bauteils berechnet bzw. optimiert. Als Eingangsparameter dienen Prozesssteuerdaten PS (z. B. 3D-Konstruktionsdaten), welche zumindest die entsprechenden Steuerdaten zur selektiven Verfestigung der einzelnen Bauteilschichten umfassen.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält hier weiterhin (optional, auch im Folgenden) eine Sensoranordnung 35, welche dazu geeignet ist, eine während des Auftreffens des Laserstrahls 22 auf das Aufbaumaterial 13 in der Arbeitsebene 7 emittierte Prozessstrahlung zu erfassen. Diese Sensoranordnung 35 arbeitet dabei ortsaufgelöst, d. h. sie ist in der Lage, eine Art Emissionsbild der jeweiligen Schicht zu erfassen. Vorzugsweise wird als Sensoranordnung 35 ein Bildsensor bzw. eine Kamera verwendet, welche im Bereich der emittierten Strahlung ausreichend sensitiv ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer optischen und/oder thermischen Prozessstrahlung genutzt werden, z. B. Photodioden, die die von einem Schmelzbad unter auftreffendem Laserstrahl 22 emittierte elektromagnetische Strahlung erfassen, oder Temperaturfühler zum Erfassen einer emittierten thermischen Strahlung. Die von der Sensoranordnung 35 erfassten Signale werden als Prozessraum-Sensordatensatz SDS hier an eine Steuereinrichtung 30 der Lasersintervorrichtung 1 übergeben, welche auch dazu dient, die verschiedenen Komponenten der Lasersintervorrichtung 1 zur gesamten Steuerung des additiven Fertigungsprozesses anzusteuern.
Die Steuereinrichtung 30 ist so aufgebaut, dass die Lasersintervorrichtung 1, insbesondere die Bestrahlungsvorrichtung 20, durch eine Steuereinheit 29 gemäß der zuvor mittels des Berechnungsmoduls 34 berechneten bzw. optimierten Bestrahlungsstrategie angesteuert wird. Hierzu steuert die Steuereinheit 29 in üblicher Weise die Komponenten der Bestrahlungsvorrichtung 20, nämlich hier den Laser 21, die Umlenkvorrichtung 23 und die Fokussiervorrichtung 24 an und übergibt hierzu an diese entsprechend Bestrahlungssteuerdaten BS. Die Steuereinheit 29 steuert auch mittels geeigneter Heizungssteuerdaten HS die Strahlungsheizung 17 an, mittels Beschichtungssteuerdaten ST den Beschichter 16 und mittels Trägersteuerdaten TS die Bewegung des Trägers 10.
Optional kann die Steuereinrichtung 30 eine weitere Kontrolleinrichtung 31 umfassen, welche unter Nutzung von Prozesssteuerdaten PS und dem Prozessraum-Sensordatensatz SDS bzw. weiterer geeigneter Prozessdaten Qualitätsdaten QD ermittelt, die beispielsweise in einer Variante an die Steuereinheit 29 übergeben werden können, um regelnd in der Bestrahlungsstrategie berücksichtigt zu werden und so in den additiven Fertigungsprozess eingreifen zu können.
Die Steuereinrichtung 30 ist, hier z. B. über einen Bus 36 oder eine andere Datenverbindung, mit dem Terminal 40 mit einem Display oder dergleichen gekoppelt. Über das Terminal 40 kann ein Bediener die Steuereinrichtung 30 und somit die gesamte Lasersintervorrichtung 1 steuern. Insbesondere kann das Display des Terminals 40 auch während des laufenden Fertigungsprozesses zur Visualisierung der Bestrahlungsstrategie zur Herstellung des Bauteils 2 und/oder des Prozessraum-Sensordatensatzes SDS und/oder der Qualitätsdaten QD genutzt werden.
Nach dem Verfestigen des Aufbaumaterials 13 bleibt auf dem Baufeld nicht verfestigtes Aufbaumaterial 13 übrig. Dieses nicht verfestigte Aufbaumaterial 13 wird durch den Beschichter 16 in eine Restpulverkammer 50 verschoben. Es befinden sich zwei Restpulverkammern 50 links und rechts von der Behälterwandung 6. Die Restpulverkammern 50 werden durch ein Abdeckelement 54 abgedeckt. In dem Abdeckelement 54 befindet sich eine Aufnahmeöffnung 55, damit das nicht verfestigte Aufbaumaterial 13 in die Restpulverkammer 50 verschoben werden kann.
Es wird an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Lasersintervorrichtung 1, wie beispielsweise in 1 dargestellt, beschränkt ist. Sie kann auf beliebige andere Vorrichtungen zum generativen bzw. additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch, insbesondere schichtweises, Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, angewendet werden. Dementsprechend kann auch ein mit einer Fließhemmvorrichtung 61 versehenes Abdeckelement 54 in jeder vergleichbaren Einrichtung verwendet werden.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in einem Bereich B zwischen dem Baufeld 8 und den jeweiligen Aufnahmeöffnungen 55 der Restpulverkammern 50, 51 jeweils eine Fließhemmsperre 61, hier in Form einer Kante 61 bzw. Leiste, die direkt vor der Aufnahmeöffnung 55 angeordnet ist und sich ein wenig von der Arbeitsebene aus nach oben erstreckt. In dieser Figur ist die Kante 61 übertrieben groß dargestellt. In der Realität reicht eine sehr kleine Kante aus, um beispielsweise zu verhindern, dass eine erste dünne Schicht von Pulver an der Kante sofort in die Aufnahmeöffnung 55 rutscht. Mögliche Ausgestaltungen von solchen Fließhemmsperren 60, 61 werden später noch anhand der 3 bis 6 näher erläutert.
Um das durch die Erfindung gelöste Problem zu verdeutlichen, wird jedoch zunächst in 2 eine grobe, schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Prozessraums einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Fertigungsproduktes aus dem Stand der Technik und somit ohne eine erfindungsgemäße Fließhemmvorrichtung gezeigt.
Bei dem in 2 aufgeführten Beispiel einer Fertigungsvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik befinden sich -wie dies meist üblich ist (siehe auch 1, welche als Unterschied zu 2 lediglich die erfindungsgemäße Fließhemmsperre 61 aufweist) - in einer Verschieberichtung des Beschichters 16 (welche der horizontalen Richtung H entspricht) seitlich anschließend an den Baubehälter 5 zwei Restpulverkammern 50 mit je einer Restpulverkammerwand 51, um das durch den Beschichter 16 über das Baufeld 8 und die Arbeitsfläche 7 hinaus verschobene Pulver 13 aufzunehmen und dieses Pulver als Restpulver 13 in einer der Restpulverkammern 50 zu sammeln. Die Restpulverkammern 50 sind jeweils durch einen Abdeckrahmen 54 abgedeckt, welcher aber einen Durchbruch 55 zur Aufnahme des Restpulvers 13 aufweist.
Die Vorrichtung 1 aus dem Stand der Technik gemäß 2 weist wie gesagt keine Fließhemmvorrichtung auf. Die Oberfläche des Abdeckelements 54 im Bereich B zwischen der Aufbauplattform 12 und der Aufnahmeöffnung 55 weist im Stand der Technik folglich wie erwähnt eine ebene und glatte Oberfläche auf, auf der das pulverförmige Aufbaumaterial 13 naturgemäß sehr leicht gleitet bzw. verschoben werden kann, da es in seiner Fließbewegung durch den glatten Untergrund nur unwesentlich gehemmt wird. Somit wird während des Beschichtens sehr viel pulverförmiges Aufbaumaterial 13 von der Arbeitsebene 7 in die Restpulverkammern 50 verschoben (hier dargestellt durch einen Pfeil) und muss als Restpulver 13 aufwändig recycelt werden.
Die in den 3 bis 6 dargestellten Lasersintervorrichtungen 1 bzw. die dargestellten Ausschnitte der Vorrichtungen 1 zeigen nun Detailansichten von erfindungsgemäßen Lasersintervorrichtungen 1. Die dargestellten Ausführungsbeispiele weisen jeweils Fließhemmvorrichtungen 60, 61 auf, die in Form einer angerauten Oberfläche 60 und/oder als Kante 61 realisiert wurden. Dabei zeigt 3 eine erfindungsgemäße Fließhemmvorrichtung 60, 61, die in Form einer angerauten Oberfläche 60 und zusätzlich jeweils einer Kante 61 ausgebildet ist. In 4 ist eine schematische Detailansicht einer als angeraute Oberfläche 60 ausgebildeten Fließhemmvorrichtung 60 dargestellt. 5 zeigt eine schematische Detailansicht einer als Kante 61 ausgebildeten Fließhemmvorrichtung 61 und in 6 ist eine Draufsicht eines Abdeckrahmens 54 mit einer Einlageplatte 53 dargestellt. Hierbei weist die Einlageplatte 53 die Fließhemmvorrichtung 60 in Form einer angerauten Oberfläche 60 auf.
Die in den 2 bis 6 dargestellte Lasersintervorrichtung 1 weist jeweils zwei Abdeckrahmen 54 auf, die jeweils an den äußeren Begrenzungen der Bauplattform 12 über der Baubehälterwandung 6 und den Restpulverkammern 50 angeordnet sind. Der Abdeckrahmen 54 umfasst dabei eine größere Platte 52 und eine kleinere Platte 53, wobei die größere Platte 52 auf der Restpulverkammer 50 und auf der Behälterwandung 6 des Baubehälters 5 aufliegt, um einen Spalt zwischen Baubehälter 5 und Restpulverkammer 50 zu überbrücken bzw. zu überdecken.
Die kleinere Platte 53 (im Folgenden auch Einlageplatte 53) ist in einer Aussparung 56 der größeren Platte 52 im Wesentlichen passgenau eingelassen. Das heißt, die Einlageplatte 53, bildet zusammen mit der größeren Platte 52 eine im Wesentlichen plane Fläche aus und die Einlageplatte 53 ist fluchtend zur Oberfläche der größeren Platte 53 in der Aussparung 56 der größeren Platte 52 angeordnet (siehe hierzu z. B. 4).
Der Abdeckrahmen 54 weist zudem einen Durchbruch 55 auf, durch welchen von der Arbeitsfläche 7 verschobenes Pulver 13 in der Restpulverkammer 50 aufgefangen werden kann (siehe hierzu auch 6). Der Durchbruch 55 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch je eine Aussparung innerhalb der größeren Platte 52 und der Einlageplatte 53 realisiert. Idealerweise handelt es sich - wie in 2 bis 5 gezeigt - bei den Aussparungen beider Platten 52, 53 um deckungsgleiche Aussparungen, die gemeinsam den Durchbruch 55 des Abdeckrahmens 54 bilden.
Die Oberfläche des Abdeckrahmens 54 der Lasersintervorrichtung 1 weist, wie in diesen Ausführungsbeispielen realisiert, eine Fließhemmschwelle 60, 61 auf, um ein Verschieben von Pulver 13 in die Restpulverkammern 50 zumindest zu verringern.
So führt beispielsweise bereits ein Anrauen der zur Arbeitsfläche 7 weisenden Oberfläche 60 der Einlageplatte 53 des Abdeckrahmens 54 zu einer signifikanten Verringerung des Fließens von Pulver 13 in die Restpulverkammern 50 bzw. das Pulver 13 kann nicht mehr so leicht verschoben werden (3, 4 und 6).
3, 4 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Abdeckrahmens 54 mit einer Einlageplatte 53 mit der Fließhemmvorrichtung 60 in Form einer angerauten Oberfläche 60. Wie beispielsweise aus 4 ersichtlich, ist die gesamte nach oben weisende Oberfläche der Einlageplatte 53 angeraut - auch in einem Bereich C hinter der Aufnahmeöffnung 55 (siehe hierzu 4). Natürlich ist es auch denkbar, dass die Einlageplatte nur in dem Bereich B zwischen dem Baubehälter 5 und der Aufnahmeöffnung 55 angeraut wird, aber durch eine vollständig angeraute Oberfläche der Einlageplatte 53 kann schlicht der Herstellungsprozess einer der Einlageplatte 53 mit der angerauten Oberfläche 60 vereinfacht werden, da in diesem Fall nur die leichte und einfach zu handhabende Einlageplatte 53 angeraut werden muss - z. B. durch Bestrahlung mit Sandstrahlen.
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar, dass die Fließhemmschwelle 61 durch eine Art Kante 61 realisiert ist, wie in 1, 3 und 5 zu Anschauungszwecken vergrößert dargestellt. Diese Kante 61 kann bereits im Herstellungsprozess in eine sich im Betrieb unter der Arbeitsfläche 7 befindliche Platte 52, 53, des Abdeckrahmens 54 integriert werden. Es ist aber auch denkbar, dass eine solche Kante 61 nach dem Herstellungsprozess auf dem Abdeckrahmen 54 angebracht, bzw. aufgesetzt wird, beispielsweise im Zuge eines Nachrüstens der Lasersintervorrichtung 1.
In jedem Fall wird der Pulververbrauch durch die erfindungsgemäße Fließhemmvorrichtung 60, 61 gesenkt, sodass nur noch wenig Restpulver 13 in den Restpulverkammern 50 anfällt (3 bis 5). Vorteilhafterweise führt also die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer Fließhemmvorrichtung 60, 61 zu einem wesentlich kostengünstigeren und weniger aufwändigen Herstellungsprozess von additiven Fertigungsprodukten 2, da viel weniger Restpulver 13 wiederaufbereitet werden muss und mehr Pulver 13 direkt während des Fertigungsprozesses verarbeitet wird.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung, sowie den beschriebenen Fließhemmvorrichtungen 60, 61 lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So sind beispielsweise die in den jeweiligen Ausführungsbeispielen gezeigten Fließhemmvorrichtungen 60, 61 untereinander beliebig austauschbar und/oder kombinierbar. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Restpulverkammern 50 von weiteren geeigneten, in den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen nicht beschriebenen, Abdeckelementen 54 bedeckt sein. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur additiven Fertigung / Lasersintervorrichtung
2: Fertigungsprodukt / Objekt
3: Prozessraum / Prozesskammer
4: Kammerwandung
5: Baubehälter / Wechselrahmen
6: Behälterwandung
7: Arbeitsebene
8: Baufeld
10: Träger
11: Grundplatte
12: Aufbauplattform
13: Restpulver
14: Vorratsbehälter
15: Aufbaumaterial
16: Beschichter
17: Strahlungsheizung
20: Verfestigungsvorrichtung / Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
21: Strahlquelle / Laser
22: Laserstrahl
23: Umlenkvorrichtung
24: Fokussiereinrichtung
25: Einkoppelfenster
29: Steuereinheit
30: Steuereinrichtung
31: Kontrolleinrichtung
34: Berechnungsmodul
35: Sensoranordnung / Kamera
36: Bus
40: Terminal
50: Restpulverkammer
51: Restpulverkammerwandung
52: große Platte
53: Einlageplatte
54: Abdeckelement
55: Durchbruch im Abdeckelement
56: Vertiefung im Abdeckelement
57: Bodenkante
60: Fließhemmvorrichtung / raue Oberfläche
61: Fließhemmvorrichtung / Kante
B: Bereich des Abdeckelements zwischen Aufbauplattform und Aufnahmeöffnung
C: Bereich des Abdeckelements hinter der Aufnahmeöffnung
V: vertikale Richtung
H: horizontale Richtung
BS: Bestrahlungssteuerdaten
HS: Heizungssteuerdaten
PS: Prozesssteuerdaten
QD: Qualitätsdaten
S: Schichten des zu verfestigenden pulverförmigen Aufbaumaterials
ST: Beschichtungssteuerdaten
TS: Trägersteuerdaten
SDS: Prozessraum-Sensordaten

Claims

Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten (2) durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten (S) eines verfestigbaren pulverförmigen Aufbaumaterials (15) an Stellen, die einem Querschnitt des Fertigungsprodukts (2) entsprechen, mit: - zumindest einem Baubehälter (5) umfassend zumindest eine höhenverstellbare Aufbauplattform (12), - zumindest einer Verfestigungsvorrichtung (20) zur Verfestigung von zu verfestigendem Aufbaumaterial (13) in einem Baufeld (8) oberhalb der Aufbauplattform (12), - zumindest einem Beschichter (16), wobei der Beschichter (16) ausgebildet ist, Schichten (S) des Aufbaumaterials (15) auf die Aufbauplattform (12) und/oder eine zuvor aufgetragene Schicht aufzutragen, und - zumindest einer Restpulverkammer (50) mit einer Aufnahmeöffnung (55), um von dem Beschichter (16) verschobenes überschüssiges pulverförmiges Material (13) aufzunehmen, wobei ein Bereich (B) zwischen dem Baufeld (8) und der Aufnahmeöffnung (55) zumindest eine Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Material (13) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ein Bereich zwischen der dem Baufeld (8) und der Restpulverkammer (50) und/oder zumindest ein Teil der Restpulverkammer (50) von zumindest einem Abdeckelement (54) unter Belassung der Aufnahmeöffnung (55) abgedeckt ist, und die Oberfläche des Abdeckelements (54) zumindest eine Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Material (13) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Fließhemmvorrichtung (60) eine um mindestens den Faktor 2 höhere Rauheit hat als eine Umgebung um die Fließhemmvorrichtung (60).
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Fließhemmvorrichtung (60) eine gezielt bereitgestellte lokale Ansammlung des pulverförmigen Aufbaumaterials umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Fließhemmvorrichtung (61) zumindest eine Kante (61) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei die Fließhemmvorrichtung (60, 61), insbesondere die Kante (61), direkt an und/oder in einem kurzen Abstand zu der Aufnahmeöffnung (55) ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Kante (61) eine Höhe von zumindest 0,1 mm, bevorzugt zumindest 0,5 mm, besonders bevorzugt zumindest 1 mm, und/oder von höchstens 50 mm, bevorzugt höchstens 5 mm und besonders bevorzugt höchstens 2 mm aufweist, und/oder wobei die Kante (61) eine Höhe von höchstens gleich einem Abstand zwischen dem Beschichter (16) und der Aufbauplattform (12), bevorzugt höchstens 3/4 des Abstandes und bevorzugt höchstens die Hälfte des Abstandes aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei das Abdeckelement (54) einen Abdeckrahmen (52) aufweist, wobei im Wesentlichen der Abdeckrahmen (52) einen Durchbruch (55) aufweist, welcher die Aufnahmeöffnung (55) ausbildet.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem Bereich zwischen dem Baufeld (8) und der Aufnahmeöffnung (55), vorzugsweise im Abdeckelement (54), zumindest eine Vertiefung (56) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei zumindest eine Einlageplatte (53) in der Vertiefung (56) angeordnet ist, und die Einlageplatte (53) vorzugsweise die Fließhemmvorrichtung (60, 61) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Vertiefung (56) und die Einlageplatte (53) so ausgebildet sind, dass die zu einer Arbeitsebene (7) weisende oder in einer Arbeitsebene (7) liegende Oberfläche an einem Übergang zur Einlageplatte (53) im Wesentlichen fluchtend angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die die Fließhemmvorrichtung (60, 61) aufweisende Einlageplatte (53) in einer bestimmungsgemäßen Beschichtungsrichtung des Beschichters (16) vor der Aufnahmeöffnung (55) angeordnet ist oder die Aufnahmeöffnung (55) in Form eines Durchbruchs (55) aufweist.
Abdeckelement (54) für eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Abdeckelement (54) ausgebildet ist, einen Bereich zwischen dem Baufeld (8) und der Restpulverkammer (50) und/oder zumindest einen Teil der Restpulverkammer (50) unter Belassung einer Aufnahmeöffnung (55) abzudecken, wobei die Oberfläche des Abdeckelements (54) zumindest eine Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Material (13) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Bereich (B) zwischen dem Baufeld (8) und der Aufnahmeöffnung (55) mit zumindest einer Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Material (13) versehen wird, vorzugsweise mittels eines Abdeckelements (54) nach Anspruch 13.
Verfahren zur Herstellung eines Abdeckelements (54) gemäß Anspruch 13, wobei das Abdeckelement (54) zumindest mit einer Vertiefung (56) ausgebildet wird und vorzugsweise zumindest eine Einlageplatte (53) in der Vertiefung (56) angeordnet wird, wobei vorzugsweise die Einlageplatte (53) mit zumindest einer Fließhemmvorrichtung (60, 61) für das pulverförmige Aufbaumaterial (13) versehen wird.
Verwendung eines Abdeckelements (54) gemäß Anspruch 13 für eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten (2) durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren pulverförmigen Aufbaumaterials (15, 15a) an Stellen, die einem Querschnitt des Fertigungsprodukts (2) entsprechen, in einer Vorrichtung (1) mit: - zumindest einem Baubehälter (5) umfassend zumindest eine höhenverstellbare Aufbauplattform (12), - zumindest einer Verfestigungsvorrichtung (20) zur Verfestigung von zu verfestigendem Aufbaumaterial (15a) auf der Aufbauplattform (12), - zumindest einem Beschichter (16), wobei der Beschichter ausgebildet ist, Schichten (S) des Aufbaumaterials (13) auf die Aufbauplattform (12) oder eine zuvor aufgetragene Schicht (S) aufzutragen, und - zumindest einer Restpulverkammer (50) mit einer Aufnahmeöffnung (55), um von dem Beschichter (16) verschobenes, überschüssiges pulverförmiges Material (13) aufzunehmen, wobei in einem Bereich (B) zwischen der Aufbauplattform (12) und der Aufnahmeöffnung (55) ein Fluss des pulverförmigen Materials (13), vorzugsweise mechanisch, gehemmt wird.