DE102021118697A1

DE102021118697A1 - Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile

Info

Publication number: DE102021118697A1
Application number: DE102021118697.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Fey
Original assignee: AMCM GmbH
Current assignee: AMCM GmbH
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2023-01-26
Also published as: WO2023001681A2; WO2023001681A3; CN117897246A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Herstellvorrichtung (10) zur additiven Fertigung, vorzugsweise metallischer und/oder keramischer, dreidimensionaler Bauteile (30) durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (12) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit, umfassend eine Bauplattform (19), wobei die Bauplattform (19) einen oberen Abschnitt (20) mit mindestens einer oberen Öffnung, auf dem das Bauteil (30) aufbaubar ist, sowie einen unteren Abschnitt (21) mit mindestens einer verschließbaren unteren Öffnung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, ein entsprechendes Herstellverfahren sowie ein entsprechendes System.
Herstellvorrichtungen und entsprechende Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumateriales sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Zum schichtweisen Aufbringen ist üblicherweise mindestens eine entsprechende Beschichtungseinheit vorgesehen. Für das örtlich selektive Verfestigen wird üblicherweise mindestens eine entsprechende Bestrahlungseinheit (z. B. umfassend mindestens einen Laser) bereitgestellt.
Weiterhin ist es bekannt, dreidimensionale Bauteile auf einer Bauplattform aufzubauen, die von einem Bauplattform-Träger gehalten und/oder verfahren werden kann. Eine derartige Herstellvorrichtung ist beispielsweise aus WO 2014/044 705 A1 bekannt. Dort wird eine Herstellvorrichtung beschrieben, die einen Bauraum aufweist, in dem ein dreidimensionales Objekt hergestellt wird. Weiterhin wird ein Behältnis zur Aufnahme des hergestellten Objektes und des dieses Objekt umgebenden unverfestigten Pulvers beschrieben. Das Behältnis wiederum umgibt ein Volumen und ist an seiner nach unten weisenden Seite offen. Die offene Seite des Behältnisses ist durch ein Verschlusselement verschließbar und das hergestellte Objekt und das dieses Objekt umgebende unverfestigte Pulver sind zusammen mit dem Verschlusselement aus dem Bauraum heraus von unten durch eine offene Seite in das Behältnis einschiebbar. Dadurch kann der hergestellte Gegenstand und das ihn umgebende Pulver in einem verschließbaren Behälter aus der Herstellvorrichtung entnommen werden, ohne dass Pulver aus dem Behälter entweicht. Dieses Verfahren zur Entnahme wird als vergleichsweise aufwändig und unpraktisch in der Anwendung empfunden.
Weiterhin sei hinsichtlich des Standes der Technik auf US 2008/0241404 A1 verwiesen, die ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes offenbart. Die dortige Vorrichtung arbeitet jedoch nicht mit einer Bestrahlungseinheit (z. B. umfassend mindestens einen Laser), sondern mit einer Flüssigkeit als (lokal aufgebrachtes) Bindemittel zum Ausbilden der gewünschten dreidimensionalen Strukturen (gemäß dem Prinzip des „binder jetting“). Dieses Verfahren muss grundsätzlich andere Bedingungen erfüllen als ein Verfahren, das mit einer Bestrahlungseinheit bzw. einer lokalisierten Bestrahlung von Pulver arbeitet, so dass dortige Überlegungen grundsätzlich nicht auf eine Herstellvorrichtung übertragbar sind, die mit einer Bestrahlungseinheit arbeitet. Beispielsweise ist es so, wie auch in 1 der US 2008/0241404 A1 erkennbar, dass das herzustellende Objekt (dort mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet) gewissermaßen in dem Pulverbett „schwimmt“, also insbesondere nicht durch die Bauplattform abgestützt werden muss. Insofern ist es in US 2008/0241404 A1 möglich, an einer Oberseite einer als Bauplattform bezeichneten Struktur ein vergleichsweise feinmaschiges Gitter auszubilden. Durch dieses Gitter soll dann überschüssiges Pulver nach dem Herstellprozess entfernt werden können. Allerdings ist dieses Gitter nicht ohne Weiteres auf ein Verfahren, das mit einer lokalisierten Bestrahlung arbeitet (z. B. Lasersintern) übertragbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine möglichst einfache und dennoch effektive Lösung für eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit vorzuschlagen, wobei das Entfernen der dreidimensionalen Struktur (und/oder von nicht verfestigtem Pulver) möglichst einfach und mit vergleichsweise geringem Aufwand durchführbar sein soll. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Herstellverfahren sowie ein entsprechendes System vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise metallischer und/oder keramischer, dreidimensionaler Bauteile, vorzugsweise durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (als Bestandteil der Herstellvorrichtung) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials vorzugsweise mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit (als Bestandteil der Herstellvorrichtung), umfassend eine Bauplattformeinheit, wobei die Bauplattformeinheit einen oberen Abschnitt mit mindestens einer (ggf. nicht-verschließbaren) oberen Öffnung, der während der Herstellungsvorganges dem Bauteil (30) zugewandt ist bzw. auf dem das Bauteil (ggf. vermittelt über eine Opfer-Bauplattform) aufbaubar ist, sowie einen unteren Abschnitt mit mindestens einer verschließbaren unteren Öffnung aufweist.
Ein Gedanke der Erfindung liegt darin, eine Bauplattformeinheit bereitzustellen, die in einem oberen Abschnitt (auf dem das dreidimensionale Bauteil aufgebaut wird) mindestens eine obere Öffnung aufweist und in einem unteren Abschnitt mindestens eine verschließbare untere Öffnung. Zwischen oberer und unterer Öffnung befindet sich vorzugsweise ein Aufnahmebereich zur Aufnahme von Pulver (mit einem Fassungsvolumen von beispielsweise mindestens 10 cm³ oder mindestens 100 cm³ oder mindestens 1000 cm³ oder mindestens 10000 cm³ und/oder höchstens 1,0 m³ , ggf. höchstens 0,3 m³). Dadurch kann auf einfache und effektive Art und Weise ein Entfernen des dreidimensionalen Bauteils (ohne gleichzeitig größere Mengen an Pulver mitentfernen zu müssen, wie beispielsweise in WO 2014 044 705 A1 ) erfolgen.
Gemäß einem weiteren (grundsätzlich unabhängigen, jedoch vorzugsweise mit dem obigen Aspekt kombinierbaren) Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur obigen Aufgabe eine Herstellvorrichtung (insbesondere der obigen Art) vorgeschlagen, zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, vorzugsweise durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials vorzugsweise mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit, umfassend eine Bauplattformeinheit, einen Träger für die Bauplattformeinheit, sowie einen Bauschacht, in dem der Träger in der Höhe relativ veränderbar ist, wobei der Träger eine Stützeinrichtung aufweist, die teilweise außerhalb des Bauschachtes angeordnet ist und sich in einer Ausnehmung einer Bauschachtwandung bewegt, wenn der Träger in der Höhe relativ verändert wird (beispielsweise gegenüber einem z. B. stationären Bauschacht nach oben oder unten verfahren wird nicht), wobei die Ausnehmung oberhalb und unterhalb der Stützeinrichtung durch eine Abdeckung, insbesondere umfassend ein Abdeckband oder gebildet durch ein solches, abdeckbar (bzw. abgedeckt) ist (und zwar vorzugsweise in jeder Position des Trägers bzw. der Bauplattformeinheit, insbesondere gegenüber dem Bauschacht).
Ein bevorzugter Gedanke des Aspektes des vorherigen Absatzes liegt darin, dass durch den Träger bzw. die Stützeinrichtung auf einfache Art und Weise eine Einstellung bzw. Veränderung der Höhe des Trägers bzw. der Bauplattformeinheit ermöglicht wird. Dadurch, dass eine Ausnehmung, die im vorliegenden Zusammenhang grundsätzlich notwendig ist, sowohl oberhalb als auch unterhalb der Stützeinrichtung abgedeckt wird, kann auf einfache Art und Weise ein Entfernen von (beispielsweise überschüssigem) Pulver nach unten ermöglicht werden, ohne dass das Pulver durch eine solche Ausnehmung (ungewollt) den Bauschacht verlässt. Insbesondere in Kombination mit dem obigen Aspekt betreffend die obere bzw. untere Öffnung(en) der Bauplattformeinheit wird dadurch erreicht, dass auf einfache Art und Weise ein effektives Ablassen des Pulvers ermöglicht werden kann und insbesondere eine effektive und einfache Entfernung des hergestellten dreidimensionalen Bauteils ermöglicht werden kann.
Insbesondere ist das dreidimensionale Bauteil unmittelbar auf dem oberen Abschnitt der Bauplattformeinheit (z. B. einer Opfer-Bauplattform als zumindest temporärer Bestandteil der Bauplattformeinheit) aufbaubar (bzw. wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dort unmittelbar aufgebaut), also insbesondere ohne dass ein Abstand, wie beispielsweise aufgrund einer darunterliegenden Pulverschicht, zwischen Unterseite des aufzubauende Objektes und Oberseite der Bauplattformeinheit vorliegt.
Es können mindestens zwei oder mindestens vier oder mindestens 10 und/oder höchstens 100 oder höchstens 50 oder höchstens 20 obere (ggf. nichtverschließbare) Öffnungen vorhanden sein.
In einer Ausführungsform liegt nur eine untere (insbesondere zentrale oder in einem Randbereich angeordnete) Öffnung vor, es können jedoch auch in alternativen Ausführungsformen mindestens zwei oder mindestens vier und/oder höchstens 10 untere Öffnungen vorliegen. Unter einer Öffnung ist vorzugweise ein zusammenhängender (von Material freibleibender) Flächenabschnitt zu verstehen.
Der obere Abschnitt ist vorzugsweise (abgesehen von der mindestens einen oberen Öffnung) eben (bzw. plan).
Der Träger kann die Stützeinrichtung als integralen Bestandteil aufweisen. Es ist auch möglich, dass der Träger ein (beispielsweise innerhalb des Bauschachtes verfahrbares) Trägerelement aufweist, das mit der Stützeinrichtung verbunden ist und/oder von dieser abgestützt wird, wobei die diese vorzugsweise zumindest teilweise außerhalb des Bauschachtes angeordnet ist. Der Träger kann ggf. auch nur die Stützeinrichtung umfassen (bzw. durch diese gebildet werden). Der Träger und/oder das Trägerelement und/oder die Stützeinrichtung können ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Träger mindestens zwei Teile aufweisen, von denen das eine (zumindest überwiegend) innerhalb des Bauschachtes angeordnet ist und das andere (zumindest überwiegend) außerhalb des Bauschachtes (wobei überwiegend vorzugsweise auf einen entsprechenden überwiegenden Gewichtsanteil abstellt).
In einer konkreten Ausführungsform umfasst der obere Abschnitt eine (insbesondere zumindest oberseitig, ggf. auch unterseitig, ebene) Platte oder wird durch eine solche gebildet.
Alternativ oder zusätzlich kann der untere Abschnitt durch eine sich nach unten verjüngende Form, insbesondere eine (auf dem Kopf stehende, ggf. unten bzw. im Bereich einer Pyramidenspitze abgeschnittene) Pyramidenform (mit vieleckiger, vorzugsweise viereckiger, ggf. rechteckiger oder quadratischer Grundfläche) oder ein Kegel- oder Kegelstumpf-Form, ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Vorzugsweise ist in der Mitte der sich nach unten verjüngenden Form eine (insbesondere genau eine) Öffnung angeordnet.
Der untere Abschnitt kann sich bis auf eine Höhe des oberen Abschnittes erstrecken.
Ein Schwerpunkt des unteren Abschnittes liegt vorzugsweise mindestens 5 cm oder mindestens 10 cm unter einem Schwerpunkt des oberen Abschnittes.
Der untere Abschnitt umfasst vorzugswiese keine Oberfläche, auf der das Bauteil aufbaubar ist bzw. aufgebaut wird. Alternativ wäre es aber denkbar, dass der unter Abschnitt zumindest einen gewissen Teil einer solchen Oberfläche ausbildet (vorzugsweise jedoch weniger als 50 Flächen-%, weiter vorzugsweise weniger als 20 Flächen-% oder weniger als 5 Flächen-%).
Alternativ oder zusätzlich kann der Träger durch eine sich nach unten verjüngende Form, insbesondere eine (auf dem Kopf stehende, ggf. unten bzw. im Bereich einer Pyramidenspitze abgeschnittene) Pyramidenform (mit vieleckiger, vorzugsweise viereckiger, ggf. rechteckiger oder quadratischer Grundfläche) oder ein Kegel- oder Kegelstumpf-Form, ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Vorzugsweise ist in der Mitte der sich nach unten verjüngenden Form eine (insbesondere genau eine) Öffnung angeordnet. Bei derartigen Lösungen kann auf einfache Art und Weise ein Auffangen von überschüssigem Pulver (das durch die mindestens eine obere Öffnung gelangt) erfolgen, wobei insbesondere bei einer sich nach unten verjüngenden Form bei Bedarf ein weiteres Ablassen des Pulvers (nach unten, durch die Bauplattformeinheit und ggf. den Träger hindurch) erfolgen kann.
In einer konkreten Ausführungsform kann die Bauplattformeinheit mindestens zwei Teile aufweisen, nämlich eine obere Platte und einen die obere Platte stützenden bzw. haltenden Abschnitt, insbesondere in einer sich nach unten verjüngende Form, insbesondere einer (auf dem Kopf stehenden, ggf. unten bzw. im Bereich einer Pyramidenspitze abgeschnittenen) Pyramidenform (mit vieleckiger, vorzugsweise viereckiger, ggf. rechteckiger oder quadratischer Grundfläche) oder einer Kegel- oder Kegelstumpf-Form.. Insbesondere kann die Bauplattformeinheit (zumindest temporär bzw. während des Herstellvorgangs) eine ggf. vom Rest der Bauplattformeinheit trennbare (bzw. angeschraubte) (Opfer-)Bauplattform aufweisen, die nach dem additiven Herstellvorgang zumindest vorübergehend an dem hergestellten Bauteil verbleibt (und ggf. im Nachgang entfernt wird).
In Ausführungsformen kann der Träger (insbesondere das Trägerelement) eine Verschluss-Einrichtung zum Verschließen einer Öffnung des unteren Abschnittes der Bauplattformeinheit umfassen (und/oder umgekehrt, insbesondere in dem Sinne, dass die Bauplattformeinheit bzw. deren unterer Abschnitt eine Verschluss-Einrichtung zum Verschließen einer Öffnung des Trägers aufweist; ggf. können auch Träger und Bauplattformeinheit derartige miteinander korrespondierende Strukturen aufweisen, dass durch Zusammenführen derselben ein Verschließen einer jeweiligen Öffnung, insbesondere einer Öffnung der Bauplattformeinheit bzw. einer Öffnung des Trägers, erfolgen kann).
In Ausführungsformen weist der obere Abschnitt mindestens eine, oder mindestens zwei, und/oder höchstens 50, vorzugsweise höchstens 10 Öffnungen auf. Alternativ oder zusätzlich weist der untere Abschnitt genau eine oder mehr als eine Öffnung und/oder höchstens 10, ggf. höchstens vier, Öffnungen auf.
In einer Ausführungsform ist mindestens eine Öffnung des oberen Abschnittes bogenförmig, vorzugsweise kreisbogenförmig, ausgebildet, wobei vorzugsweise mehrere Öffnungen einen Kreis ausbilden, der durch mindestens einen Steg, vorzugsweise mindestens zwei oder mindestens vier Stege, unterbrochen ist, wobei ggf. mehrere solche Kreise (insbesondere konzentrisch zueinander) ausgebildet sind. Auf eine solche Art und Weise lässt sich besonders bevorzugt ein zumindest im Bereich einer Bodenfläche bzw. einer ersten Schicht ringförmiges Bauteil drucken. Gegebenenfalls können sich mehrere Ringe ergeben, wenn verschiedene rotationssymmetrische Bauteile ineinander gefertigt werden bzw. das Bauteil aus mehreren Ringen besteht.
Der obere Abschnitt (insbesondere in Kombination mit der im vorigen Absatz erläuterten Möglichkeit für bogenförmige Öffnungen) kann beispielsweise rund (alternativ oval, insbesondere elliptisch) ausgebildet sein.
Es ist auch denkbar, dass mindestens eine Öffnung (oder mehrere nebeneinander liegende Öffnungen gemeinsam) gerade verläuft (verlaufen), beispielsweise rechteckförmig (ggf. auch quadratisch). In Ausführungsformen kann (können) die (ggf. gerade verlaufende/n) Öffnung(en) vergleichsweise länglich ausgebildet sein (beispielsweise eine Länge aufweisen, die mindestens 2-mal oder mindestens 5-mal so groß ist wie eine Breite der Öffnung).
Alternativ oder zusätzlich kann der obere Abschnitt der Bauplattformeinheit auch eine vieleckige, insbesondere viereckige (ausführungsgemäß rechteckige oder quadratische) Form aufweisen.
Insbesondere kann ein Bauteil mit eckiger (z. B. rechteckiger) Aufstandsfläche auf einem entsprechenden eckigen (rechteckigen) Rahmen gefertigt werden.
Ein Bauteil mit einem scheibenförmigen Querschnitt könnte ggf. auf einer Scheibe aufgebaut werden.
Der obere Abschnitt (z. B. Scheibe bzw. Kreis bzw. Rechteck) kann ggf. so groß sein, dass nur an einem Rand mindestens eine obere Öffnung vorhanden ist. In diesem Fall kann ggf. nicht das gesamte Pulver abfließen. Ein Teil könnte dann ggf. gemeinsam mit dem dreidimensionalen Objekt (beispielsweise über eine entsprechende Kartusche) entnommen werden.
Grundsätzlich sind beliebige (auch nicht-regelgeometrische) Formen für den oberen Abschnitt der Bauplattformeinheit möglich.
Vorzugsweise ist der obere Abschnitt jedoch so ausgebildet, dass ein Großteil des (überschüssigen) Pulvers (also mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% oder mindestens 95 Gew.-% des überschüssigen Pulvers) nach unten durch eine (ausreichend große) Öffnung abfließen kann. Die entsprechende(n) Öffnung(en) können ggf. überall dort sein, wo nicht in der ersten Schicht gefertigt werden muss.
In Ausführungsformen weist mindestens eine Öffnung des oberen Abschnitts eine Querschnittsfläche von mindestens 1,0 cm² , ggf. mindestens 50 cm² oder mindestens 200 cm² und/oder höchstens 50000 cm², ggf. höchstens 10000 cm² auf.
Die Herstellvorrichtung weist vorzugsweise einen (insbesondere gas-abdichtbaren) Behälter (Kartusche) auf, dessen unteres Ende vorzugsweise von der Bauplattformeinheit verschließbar ist und der (besonders bevorzugt) aus der Herstellvorrichtung entfernbar ist. Ein solcher Behälter ist zumindest dem Prinzip nach aus WO 2014/044705 A1 bekannt. In Kombination mit der oberen sowie unteren Öffnung ist es jedoch vorliegend möglich, dass das Bauteil beispielsweise in den Behälter (die Kartusche) überführbar ist, ohne eine vergleichsweise große Menge von überschüssigem Material (das ggf. vorher abgelassen werden kann) mit zu entfernen. Der Behälter, in dem sich dann das Bauteil (bzw. die Bauteile) befindet, ist dann vergleichsweise leicht, was ein Entfernen und weiteres Transportieren (und/oder Lagern) des Behälters vereinfacht.
In Ausführungsformen ist eine Auffangeinrichtung, insbesondere um den Bauschacht herum und/oder zumindest abschnittsweise unterhalb eines Abschnittes, vorzugsweise Flanschabschnittes, des Bauschachtes, vorgesehen, um überschüssiges Aufbaumaterial aufzufangen. Dazu kann mindestens eine (oder es können mehrere) Öffnung(en) vorgesehen sein, die beispielsweise so angeordnet sind (z. B. in dem genannten Flanschabschnitt), dass ein durch die Schiebeeinheit verschobenes Material durch die jeweilige Öffnung fallen kann und dann ggf. (weiter unten) aufgefangen werden kann.
Ein/der Bauschacht kann an seinem unteren Ende abgeschlossen oder abschließbar sein, derart, dass durch die mindestens eine Öffnung des unteren Abschnittes abgelassenes Aufbaumaterial in dem Bauschacht aufnehmbar ist, wobei das so aufgenommene Aufbaumaterial ggf. mittels einer, insbesondere aktiven, Kühlreinrichtung, kühlbar ist und/oder mit einem (dem) aufgefangenen Aufbaumaterial kombinierbar ist (oder separat von diesem aufnehmbar und/oder entfernbar ist). Durch derartige Maßnahmen können auf einfache Art und Weise Anteile des Aufbaumaterials, die beim Herstellprozess übrigbleiben, sei es beispielsweise dadurch, dass eine Schiebereinheit (Beschichtungseinheit) einen Anteil des Pulvers über einen Aufbaubereich hinausschiebt und/oder sei es, dass Pulver (beispielsweise am Ende des Aufbauprozesses) nach unten abgelassen wird, aufgefangen und ggf. entfernt werden kann.
Aufgefangenes Aufbaumaterial (insbesondere wie zuvor beschrieben) ist vorzugsweise dem Herstellprozess zurückführbar (bzw. die Herstellvorrichtung oder eine entsprechende Anlage, umfassend die Herstellvorrichtung entsprechend konfiguriert).
Die Ausnehmung der (bzw. in der) Bauschachtwandung umfasst vorzugsweise einen Schlitz oder wird durch einen solchen gebildet.
Die Ausnehmung, insbesondere der Schlitz erstreckt sich vorzugswiese über ein (vertikale) Länge bzw. Höhe, die zumindest ungefähr einem Verfahrweg des Trägers gegenüber dem Bauschacht entspricht (ggf. höchstens dem 1,5-fachen oder höchstens dem 1,2-fachen eines solchen Verfahrweges entspricht) und/oder über mindestens 50 % einer Höhe des Bauschachtes.
Die Abdeckung (für die Ausnehmung) kann vorzugsweise ein Band umfassen, das mit dem Träger (insbesondere der Stützeinrichtung) verbunden ist. Das Band kann umlaufend ausgebildet sein oder zwei Enden aufweisen, die beispielsweise mit der Stützeinrichtung verbunden sind.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Herstellverfahren zur additiven Fertigung mindestens eines dreidimensionalen Bauteiles durch schichtweises Aufbringen (vorzugsweise mittels mindestens einer Beschichtungseinheit) und vorzugsweise örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (vorzugsweise mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit), unter Verwendung der obigen Herstellvorrichtung, umfassend die Schritte:

a) Aufgeben von Aufbaumaterial auf die Bauplattformeinheit bis eine oberste Schicht des Aufbaumaterials sich mindestens (insbesondere exakt) auf Höhe einer oberen Oberfläche des oberen Abschnittes befindet, insbesondere so dass ein Raum zwischen oberem und unterem Abschnitt gefüllt ist,
b) Aufbauen des Bauteiles, und
c) Öffnen des unteren Abschnittes zum Ablassen von übrig gebliebenem Aufbaumaterial.

Vorzugsweise wird die Bauplattformeinheit nach dem Schritt c) mit einem (dem) Behälter verbunden, der vorzugsweise durch die Bauplattformeinheit (bzw. deren unterem Abschnitt mit der/den verschließbaren unteren Öffnung/en) an seinem unteren Ende verschlossen wird.
In Ausführungsformen kann im Schritt b) überschüssiges Material in einer Auffangeinrichtung aufgefangen werden und ggf. mit dem in Schritt c) abgelassenen Material vereinigt werden (oder zumindest teilweise , ggf. vollständig, separat gegenüber diesem aufgenommen und/oder entfernt werden).
Vorzugsweise werden mindestens eine obere Öffnung und eine Startschicht beim Aufbauen des mindestens einen Bauteiles aufeinander abgestimmt, insbesondere derart, dass die Startschicht beim Aufbauen des mindestens einen Bauteiles nicht direkt (in vertikaler Richtung) oberhalb der mindestens einen oberen Öffnung angeordnet ist. In Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der Startschicht mindestens eines Bauteiles weiter von einem (oberen) Oberflächenzentrum der Bauplattformeinheit entfernt ist als mindestens ein Abschnitt einer oberen Öffnung. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Abschnitt einer Startschicht mindestens eines Bauteiles weniger weit von einem (oberen) Oberflächenzentrum der Bauplattformeinheit entfernt ist als mindestens ein Abschnitt einer oberen Öffnung. Unter einem Oberflächenzentrum des oberen Abschnitts ist vorzugsweise ein Flächenschwerpunkt (z. B. Kreismittelpunkt bei einer Kreisform) zu verstehen.
Als unabhängiger (vorzugsweise jedoch weiterbildender) verfahrensmäßiger Aspekt wird zur Lösung der obigen Aufgabe ein Herstellverfahren (insbesondere der obigen Art) vorgeschlagen zur additiven Fertigung mindestens eines dreidimensionalen Bauteiles vorzugswiese durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials vorzugsweise mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit, unter Verwendung einer Herstellvorrichtung der obigen Art (insbesondere nach dem zweiten Aspekt), umfassend die folgenden Schritte: Aufbauen des Bauteiles sowie zumindest temporäres Aufnehmen von Aufbaumaterial, das während des Beschichtens über die Bauplattformeinheit hinausbefördert wird, und/oder von Aufbaumaterial, das nach dem Herstellvorgang entfernt wird, zumindest teilweise im (bzw. innerhalb des) Bauschacht(es).
Die obige Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein System, umfassend die obige Herstellvorrichtung, sowie das Aufbaumaterial, insbesondere zur Durchführung des obigen Herstellverfahrens, wobei das Aufbaumaterial vorzugsweise eine Metallkomponente und/oder eine Keramikkomponente umfasst.
Grundsätzlich ist die Herstellvorrichtung konfiguriert, ein Aufbaumaterial, umfassend eine Metallkomponente und/oder eine Keramikkomponente, zu verarbeiten. Vorzugsweise weist das Aufbaumaterial zu mindestens 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 80 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 90 Gew.-% ein Metall und/oder eine Keramik auf.
Die Korngröße bzw. Partikelgröße kann ggf. mit Laser-Beugungsverfahren (insbesondere mittels Laser-Beugungsmessung nach ISO 13320 oder ASTM B822) bestimmt. Alternativ oder zusätzlich können die Partikelgrößen durch Ausmessen (beispielsweise mittels Mikroskop) und/oder mit dynamischer Bildanalyse (vorzugsweise nach ISO 13322-2, ggf. mittels des CAMSIZER® XT der Retsch Technology GmbH) bestimmt werden. Wenn die Partikelgröße aus einer 2-dimensionalen Abbildung (z. B. eines Mikroskops, insbesondere Elektronenmikroskops) bestimmt wird, wird vorzugsweise der jeweilige Durchmesser (maximaler Durchmesser bzw. Äquivalenz-Durchmesser) herangezogen, der sich aus der 2-dimensionalen Abbildung ergibt.
Die (mittlere) Korngröße bzw. Partikelgröße der einzelnen Partikel des Aufbaumaterials ist vorzugsweise eine d50-Partikelgröße. Bei der mittleren Partikelgröße steht die Angabe d (Zahlenwert) für die Anzahl der Partikel (in Massen- und/oder Volumen-Prozent), die kleiner oder gleich groß sind, wie die angegebene Korngröße bzw. Partikelgröße (d. h. bei einem d50 von 50 µm haben 50 % der Partikel eine Größe von ≤ 50 µm). Die Korngröße wird vorzugsweise über den Durchmesser eines einzelnen Partikels bestimmt, bei dem es sich wiederum ggf. um den jeweiligen maximalen Durchmesser (= Supremum aller Abstände je zweier Punkte des Partikels) oder um einen Siebdurchmesser oder um einen (insbesondere volumenbezogenen) Äquivalenz-Kugel-Durchmesser handeln kann.
Das Aufbaumaterial weist vorzugsweise eine (mittlere) Korngröße von mindestens 50 nm, weiter vorzugsweise mindestens 200 nm und/oder höchstens 300 µm, ggf. höchstens 80 µm auf.
Die einzelnen Partikel des Aufbaumaterials können (zumindest annähernd) gleich groß sein oder es kann eine Partikelgrößenverteilung vorliegen.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial um ein Material, das eine Schmelztemperatur von mindestens 300°C, vorzugsweise mindestens 500 °C, ggf. mindestens 800°C und/oder bis zu 1000 °C, oder ggf. mehr, aufweist.
Das (pulverförmige) Aufbaumaterial umfasst vorzugsweise mindestens ein Metall und/oder mindestens ein Keramikmaterial und/oder mindestens einen Kunststoff, vorzugsweise Polymer. Das Metall kann beispielsweise Aluminium, Titan, Nickel, Eisen, Wolfram, Molybdän und/oder Legierungen davon umfassen. Besonders bevorzugt umfasst das (pulverförmige) Aufbaumaterial Kupfer. Vorzugsweise besteht das Aufbaumaterial zu mindestens 10 Gew.-%, weiter vorzugsweise 50 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 80 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 99 Gew.-% oder 99,99 Gew.-% oder 100 Gew.-% aus einem (insbesondere einem der oben genannten) oder mindestens einem (insbesondere mehreren der oben genannten) Metall/en.
Vorzugsweise ist die Bauplattformeinheit derart gestaltet, dass unverfestigtes Aufbaumaterial durch (mindestens eine obere) Öffnung der Bauplattformeinheit nach unten rinnen kann und in einem durch die Bauplattformeinheit selbst abgegrenzten Volumen (z. B. Behälter) aufgenommen werden kann, wobei dieses Volumen wiederum (nach unten) verschließbar ist. Die Bauplattformeinheit kann zu Beginn eines Bau-Jobs mit Pulver gefüllt werden, so dass die jeweilige obere Öffnung (bzw. die jeweiligen oberen Öffnungen) durch das Pulver verschlossen ist (bzw. sind) und (gemeinsam mit dem verschließenden Pulver) eine Bauebene bilden. Das Bauteil (bzw. die Startschicht zur Herstellung desselben) wird jedoch ggf. nur (unmittelbar) auf den Bereichen der Bauplattformeinheit ausgebildet, die nicht durch eine Öffnung gebildet werden (auch wenn diese Öffnung zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Pulver aufgefüllt ist). Nach Fertigstellung des Bau-Jobs kann die (jeweilige) untere Öffnung in dem Volumen (Auffangbehälter) der Bauplattformeinheit geöffnet werden und somit das (unverfestigte) Aufbaumaterial entweichen.
Die Bauplattformeinheit (insbesondere ein durch diese gebildeter Auffangbehälter) ist vorzugsweise so gestaltet, dass überschüssiges Aufbaumaterial durch einen Schieber (bzw. eine Schiebeeinheit) in das innere Volumen der Bauplattformeinheit (den Auffangbehälter) geschoben werden kann. Die (untere) Öffnung lässt Aufbaumaterial vorzugsweise auch aus diesem Bereich (bei Bedarf) entweichen.
In Ausführungsformen umfasst die Herstellvorrichtung einen Transportbehälter (Transport-Kartusche), der weiter vorzugsweise die Bauplattformeinheit umfasst oder mit dieser verbindbar ist. Die Bauplattformeinheit kann von dem Träger ggf. aufgenommen werden bzw. in einen Bestrahlungsbereich versetzt werden. Dort kann ggf. Pulver zugeführt werden und eine Verfestigung des Objektes gestartet werden. Ist der Aufbau des Bauteils (bzw. der mehreren Bauteile) fertiggestellt, so kann die Bauplattformeinheit unter der Transport-Kartusche platziert werden. Als nächstes kann ggf. nichtverfestigtes Pulver nach unten (z. B. in den Träger hinein) entlassen werden und das Objekt (samt der Bauplattformeinheit) in den Transport-Behälter (Transport-Kartusche) gehoben werden. Die Transport-Kartusche kann nun ggf. wieder entfernt werden, wobei das Pulver in der Herstellvorrichtung (z. B. zumindest zunächst in dem Träger) verbleibt.
Ein neuer Transport-Behälter (Transport-Kartusche) kann ggf. in die Herstellvorrichtung eingesetzt werden. Ein eventuelles Alt-Pulver eines vorherigen Bau-Jobs kann recycelt werden und einem aktuellen Bau-Job zugeführt werden. Alternativ oder (zumindest teilweise) zusätzlich kann es auf eine externe Pulver-Behandlungs-Einrichtung übertragen werden und ggf. von dieser ausgehend dem Bau-Job zugeführt werden.
Der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der Bauplattformeinheit können strukturell voneinander getrennt sein, insbesondere so miteinander verbunden sein, dass diese auch voneinander entfernt werden können. Beispielsweise kann auch ein oberer Abschnitt (je nach Anwendung) mit einem entsprechend angepassten unteren Abschnitt verbunden werden.
Der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der Bauplattformeinheit können eine gemeinsame (integral miteinander verbundene) Einheit ausbilden und insbesondere nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar sein. Der obere Abschnitt kann (temporär) eine (Opfer-) Bauplattform aufweisen, auf der das Bauteil unmittelbar aufgebaut wird
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 eine schematische Abbildung, teilweise wiedergegeben als Querschnitt, einer Herstellvorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objektes;
2a einen Ausschnitt der Herstellvorrichtung gemäß 1 im Bereich eines Bauschachtes;
2b einen Ausschnitt aus 2a unter einem abweichenden Winkel;
2c einen Ausschnitt aus 2a unter einem abweichenden Winkel;
2d einen horizontalen Schnitt des Ausschnitts aus 2a (in Schrägdarstellung);
2e eine Schrägdarstellung des Ausschnitts aus 2a ohne Wandung eines Bauschachtes;
3 die Ausführungsform gemäß 1 in einer abweichenden Stellung einer Bauplattformeinheit;
4 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
5 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
6 eine Schrägdarstellung einer Ausführungsform einer Bauplattformeinheit mit einem darauf befindlichen Bauteil (ausschnittsweise);
7 die Bauplattformeinheit gemäß 6, zumindest überwiegend ohne Bauteil;
8 eine alternative Ausführungsform einer Bauplattformeinheit mit einem Bauteil (zumindest ausschnittsweise);
9 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
10 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
11 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
12 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
13 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
14 die Ausführungsform gemäß 1 in einer weiteren Stellung;
15 eine alternative Ausführungsform der Herstellvorrichtung;
16 die Ausführungsform der Herstellvorrichtung gemäß 1 mit weiteren Vorrichtungen;
17 die Ausführungsform der Herstellvorrichtung gemäß 1 mit weiteren Vorrichtungen;
18 die Ausführungsform der Herstellvorrichtung gemäß 1 mit weiteren Vorrichtungen;

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Herstellvorrichtung 10, beispielsweise Lasersintervorrichtung.
Die Herstellvorrichtung 10 umfasst eine Bestrahlungseinheit 11 und eine Beschichtungseinheit 12 (beispielsweise umfassend einen Schieber und eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbringen von Pulvermaterial), die Bestandteile einer entsprechenden Bestrahlungs- und Beschichtungseinheit 100 sind. Das (pulverförmige) Aufbaumaterial kann durch eine (z. B. trichterförmige bzw. trichterartige) Zufuhreinrichtung 13 aufgebracht werden und dann ggf. durch einen Schieber 12a schichtweise verteilt werden. Weiterhin weist die Herstellvorrichtung 10 einen Bauschacht 14 auf, in dem ein Träger 15 (vertikal) verfahrbar ist. Der Träger 15 weist eine Stützeinrichtung 16 sowie ein Trägerelement 17 auf. Das Trägerelement 17 weist eine Kegelform bzw. Kegelstumpfform auf.
Oberhalb des Trägers 17 (in der Stellung gemäß 1) befindet sich ein Transport-Behälter 18, der unten durch eine Bauplattformeinheit 19 mit einem oberen Abschnitt 20 sowie einem unteren Abschnitt 21 (insbesondere gas-dicht) verschließbar ist. Konkret weist der obere Abschnitt 20 mindestens eine obere Öffnung 22 auf und der untere Abschnitt 21 mindestens (bzw. hier genau) eine untere Öffnung 23. Oberer Abschnitt 20 und unterer Abschnitt 21 sind hier als getrennte Bauteile ausgebildet (jedoch miteinander verbunden). Oberer Abschnitt 20 und unterer Abschnitt 21 können jedoch auch durch ein gemeinsames Bauteil (z. B. nicht voneinander lösbar) ausgebildet werden.
Die mindestens eine obere Öffnung 22 (bzw. die mehreren oberen Öffnungen 22) sind nicht verschließbar (was aber alternativ der Fall sein kann). Die untere Öffnung 23 ist verschließbar (insbesondere gas-dicht). Vorzugsweise ist damit der Transport-Behälter 18 (mit angebrachter Bauplattformeinheit 19) insgesamt vorzugsweise gasdicht verschließbar.
Der Träger 17 kann innerhalb des Bauschachtes 14 (in der Höhe) verfahren werden, was anhand der 2a-2e weiter erläutert wird.
In 2a ist zunächst der Träger 15 einschließlich Stützeinrichtung 16 sowie eine Bauschachtwandung 24 dargestellt. Wie man erkennt, durchdringt die Stützeinrichtung 16 und damit der Träger 15 die Bauschachtwandung 24. Konkret ist dazu mindestens ein (bzw. ausführungsgemäß mehrere) Schlitz(e) 25 in der Bauschachtwandung vorgesehen (siehe 1) innerhalb derer die Stützeinrichtung 16 verfahrbar ist. Diese Schlitze 25 bilden generell jeweils eine (längliche) Ausnehmung, durch die (ohne weitere Maßnahmen) Pulver in diesen Bereich durch die Bauschachtwandung 24 hindurch gelangen könnte. Um dies zu verhindern (oder zumindest zu reduzieren) weist die Herstellvorrichtung 10 ein Band 26 (vgl. 2b, 2c und 2e) auf, das sowohl oberhalb als auch unterhalb der Stützeinrichtung 16 angeordnet ist (und zwar in jeder möglichen Höhe der Stützeinrichtung 16). Über (hier drei) Umlenkeinrichtungen, beispielsweise in Form von Zylindern 27 kann das Band an der Stützeinrichtung 16 umgelenkt werden. Dadurch wird ermöglicht, dass die Stützeinrichtung (und damit der Träger 15) so verfahren werden können, dass der Schlitz 25 durch das Band 26 (sowohl oberhalb als auch unterhalb der Stützeinrichtung 16) bedeckt bleibt. Dadurch kann auf einfache Art und Weise verhindert werden (oder zumindest entsprechend reduziert werden), dass Pulver durch die Schachtwandung dringt.
Insbesondere kann damit auch ein Bereich unterhalb der Stützeinrichtung 16 zum Auffangen und Zurückhalten von Aufbaumaterial verwendet werden.
3 zeigt die Herstellvorrichtung 10 gemäß 1 in einer weiteren Stellung, nämlich in einer Stellung, bei der die Einheit umfassend den Transportbehälter 18 und die Bauplattformeinheit 19 oberhalb des Bauschachtes 14 angeordnet (bzw. aufgesetzt) ist. In diesem Zustand sind jedoch Transportbehälter 18 und Bauplattformeinheit 19 noch miteinander verbunden.
In einer weiteren in 4 gezeigten Stellung ist die Bauplattformeinheit 19 vom Transport-Behälter 18 gelöst und in einer Stellung, bei der ein schichtweises Auftragen von Aufbaumaterial (und der Aufbau eines Objektes) erfolgen kann. Um einen entsprechenden Vorgang durchzuführen, wird die Bestrahlungs- und Beschichtungseinheit 100 (siehe 5) in eine entsprechende Stellung (oberhalb des Bauschachtes 14) verfahren. Zuvor wurde (siehe ebenfalls 5) der Transport-Behälter 18 (ohne Bauplattformeinheit 19) von einer Stellung oberhalb des Bauschachtes 14 entfernt.
6 zeigt die Bauplattformeinheit 19 in der Ausführungsform gemäß 1 mit einem (ausschnittsweise dargestellten) Bauteil 30 (das hier rotationssymmetrisch ausgebildet ist). Konkret weist die Bauplattformeinheit bzw. deren oberer Abschnitt 20 obere Öffnungen 22 auf, wobei die oberen Öffnungen 22 in diesem Fall mehrere bogenförmige Öffnungen und eine zentrale kreisförmige Öffnung umfassen (andere geometrische Formen sind denkbar). Anders ausgedrückt (zumindest in der Ausführungsform gemäß 6) werden mehrere Öffnungen 22 vorgeschlagen, die mehrere (hier zwei) Ringstrukturen ausbilden, wobei die Ringstrukturen durch entsprechende Stege unterbrochen sind. Weiterhin ist eine zentrale (kreisförmige) Öffnung 22 vorgesehen.
7 zeigt die Bauplattformeinheit 19 gemäß 6 ohne Bauteil. Zu erkennen ist hier ein (ringförmiger) Aufbau-Abschnitt (bzw. Opfer-Bauplattform) 19a, auf dem (der) das Bauteil (unmittelbar) aufgebaut wird. Vor einem Herstellvorgang kann der Aufbau-Abschnitt 19a auf die darunterliegenden Abschnitte der Bauplattformeinheit 19 aufgebracht (z. B. aufgeschraubt) werden und ggf. später, nach dem Herstellvorgang, wieder von diesen getrennt werden (ggf. inklusive Bauteil). Anschließend kann der Aufbau-Abschnitt 19a ggf. von dem auf diesem aufgebauten Bauteil entfernt werden. Weiterhin ist gemäß 6 und 7 mindestens ein Kanal 31 (vorzugsweise mehrere Kanäle 31) vorgesehen, beispielsweise zum Durchleiten eines Kühl- und/oder Heizfluides.
In der Ausführungsform gemäß 1 können auch andere Bauplattformeinheiten 19 zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Bauplattformeinheit gemäß 8. Diese entspricht grundsätzlich derjenigen gemäß 6 und 7, wobei jedoch ein anderer Aufbau-Abschnitt (Opfer-Bauplattform) 19b vorgesehen ist. Der Abschnitt 19b ist scheibenförmig. Auch dieser Aufbau-Abschnitt 19b kann vor einem Herstellvorgang auf die darunterliegenden Abschnitte der Bauplattformeinheit 19 aufgebracht (z. B. aufgeschraubt) werden und ggf. später, nach dem Herstellvorgang, wieder von diesen getrennt werden (ggf. inklusive Bauteil). Anschließend kann der Aufbau-Abschnitt 19b ggf. von dem auf diesem aufgebauten Bauteil entfernt werden. BauplattformeinheitAnsonsten sind keine weiteren Öffnungen vorhanden. Dadurch kann besonders bevorzugt ein scheibenförmiges Bauteil 30 (oder allgemein ein Bauteil, mit einer scheibenförmigen untersten Beschichtungsebene) hergestellt werden.
In der Stellung gemäß 5 kann ein Herstellungsvorgang durchgeführt werden. Dazu wird zunächst ein Volumen 33 zwischen einer Oberseite des oberen Abschnittes 20 der Bauplattformeinheit 19 und der unteren Öffnung 23 des unteren Abschnittes 21 (hier im verschlossenen Zustand) mit Pulver gefüllt. Dadurch bildet sich eine (plane) Oberfläche aus, die teilweise durch eine Oberseite von festen Strukturen des oberen Abschnittes 20 gebildet wird und teilweise durch ein Aufbaumaterial, dessen Oberfläche bündig mit dieser Oberseite abschließt.
Vorzugsweise werden die Strukturen des Bauteiles jedoch nur auf die (feste) Oberseite des oberen Abschnittes 20 aufgebracht (schichtweise durch Beschichten und entsprechendes Bestrahlen).
9 zeigt dann den Herstellungsprozess in einem fortgeschrittenen Stadium. Insbesondere ist auch bereits das auch in 6 erkennbare Bauteil 30 zumindest teilweise (oder sogar großteils) hergestellt. Gemäß 5 und 9 wurde dazu sukzessive der Träger 15 innerhalb des Bauschachtes 14 nach unten verfahren, so dass Schicht für Schicht aufgebracht und (lokal) verfestigt werden kann.
Zusammenfassend wird zu Beginn ein Bereich innerhalb der Bauplattformeinheit 19 solange mit Pulver befüllt, bis sich ein ebenes Pulverbett gebildet hat, das bündig mit einer Oberfläche der Bauplattformeinheit 19 abschließt. Ein solcher Befüllvorgang kann über einen Beschichter-Arm erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wäre auch eine (unabhängige) Dosiereinheit denkbar.
Daran schließt sich dann der Bauprozess an.
Wie ebenfalls noch in 9 erkennbar, ist ein Auffangbereich 35 um den Bauschacht 14 herum angeordnet. In den Auffangbereich 35 kann Aufbaumaterial, das über einen Aufbaubereich (bzw. die Bauplattformeinheit 19) hinausbefördert wird, beim Beschichten bzw. Aufbringen des Aufbaumaterials aufgefangen werden. Konkret kann das Aufbaumaterial durch Öffnungen 36 hindurch gelangen (fallen). Die eine oder mehreren Öffnung(en) 36 wird (werden) vorzugsweise durch einen Flanschabschnitt 37 an einem oberen Ende des Bauschachtes 14 ausgebildet.
Der Auffangbereich 35 bildet insofern vorzugsweise einen Überlaufbehälter. Dort aufgefangenes Aufbaumaterial kann ggf. (vorzugsweise zu einem späteren Zeitpunkt) mit einem Auffangbereich 38 unterhalb des Trägers 15 vereinigt werden (alternativ kann das jeweilige Material auch separat entfernt, beispielsweise abgesaugt, werden).
In 10 ist eine weitere Stellung der Herstellvorrichtung 10 gemäß 1 gezeigt, und zwar konkret zu einem Zeitpunkt, bei dem der Aufbauprozess für das Bauteil 30 gerade beendet worden ist. Die Bestrahlungs- und Beschichtungseinheit 100 befindet sich hier noch oberhalb des Bauschachtes 14. Ein Volumen zwischen einem oberen Ende des Bauschachtes und dem unteren Abschnitt 21 der Bauplattformeinheit 19 ist hier vollständig mit Aufbaumaterial (entweder in verfestigter Form bzw. gebildet durch das Bauteil 30 oder noch als überschüssiges Pulver) gefüllt.
11 zeigt nun eine Stellung ähnlich zu 10, wobei jedoch die Bestrahlungs- und Beschichtungseinheit 100 von einem Bereich oberhalb des Bauschachtes 14 entfernt wurde und dort nun ein (ggf. weiterer) Transportbehälter 18 angeordnet (aufgesetzt) worden ist. Weiterhin ist in 11 erkennbar, dass nun das überschüssige Pulver durch die untere Öffnung 23 der Bauplattformeinheit 19 sowie durch eine damit korrespondierende Öffnung im Träger 14 in einem Auffangbereich unterhalb des Trägers 15, jedoch innerhalb des Bauschachtes 14 aufgefangen wird. In diesem Bereich ist eine Kühleinrichtung 40 vorgesehen, um das Pulver entsprechend zu kühlen (insbesondere um das vorher im Bauprozess erwärmte Pulver wieder (aktiv) abzukühlen, vorzugsweise um es möglichst schnell wieder aus dem Bauschacht abfördern zu können.). Die Kühleinrichtung kann mindestens einen Fluidkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums und/oder mindestens eine elektrische Kühlelement (z. B. Peltier-Element) aufweisen. Das optionale Kühlmedium kann ggf. durch eine aktive Kühleinrichtung (beispielsweise umfassend eine Wärmepumpe) gekühlt werden. Eine solche aktive Komponente der Kühleinrichtung ist vorzugsweise außerhalb des Bauschachtes 14 angeordnet.
Aufgrund des z. B. in 2e gezeigten Bandes 26 kann dieser (untere) Bereich des Bauschachtes auf einfache Art und Weise als Auffangbereich für das Aufbaumaterial genutzt werden.
12 zeigt eine weitere Stellung der Herstellvorrichtung, bei der (gegenüber 11) der Träger 15 bzw. die Bauplattformeinheit 19 weiter (relativ gesehen) nach oben verfahren worden ist, so dass noch weiteres Aufbaumaterial nun in einem Bereich unterhalb des Trägers 15 vorhanden ist.
Das Aufbaumaterial kann insbesondere durch Schwerkraft nach unten abfließen (optional wäre es auch denkbar durch entsprechenden Überdruck oberhalb der Bauplattformeinheit 19 und/oder Unterdruck unterhalb der Bauplattformeinheit 19 ein Abfließen zu unterstützen). Alternativ oder zusätzlich kann es weiterhin vorteilhaft sein, die Bauplattformeinheit 19 und/oder den Träger 15 zu vibrieren (bzw. zu fluidisieren), um das Fließverhalten des Pulvers zu verbessern.
Vorteilhaft ist es hierbei in jedem Fall, dass das Aufbaumaterial in demjenigen Bauschacht 14 bevorratet wird oder zumindest werden kann, der zuvor als Begrenzung für das Aufbaumaterial während des Bau-Jobs gedient hat.
Das Aufbaumaterial kann beim Ablassen immer durch eine oder mehrere Öffnungen abfließen, die innerhalb einer Begrenzung einer Bauplattformeinheitsdichtung liegen (wobei diese Dichtung ggf. in dem Träger 15 angeordnet sein kann). Die Bauplattformeinheit 19 bzw. der Träger 15 wird hier also nicht (vollständig) unten aus dem Bauschacht 14 herausgezogen, so dass auch kein Aufbaumaterial seitlich (z. B. außerhalb der Dichtung) abfließen kann. Das Aufbaumaterial fließt immer innerhalb einer solchen Dichtung ab. Auch wird das Pulver nicht etwa durch (seitliche) Öffnungen in der Schachtwand entfernt. Insgesamt kann dadurch auf einfache Art und Weise überschüssiges Aufbaumaterial entfernt, insbesondere abgelassen, werden.
Die oben erwähnte Dichtung gegenüber einer Schachtwand bzw. Schachtinnenwand kann vorzugsweise umfangsseitig um einen Außenrand der Bauplattformeinheit 19 (beispielsweise in der Ausführungsform nach 6 definiert durch einen oberen äußeren Rand des unteren Abschnittes 21) angeordnet sein.
13 zeigt einen Zustand der Herstellvorrichtung 10, bei dem das gesamte Aufbaumaterial abgelassen wurde, und zwar in einen Bereich unterhalb der Bauplattformeinheit 19 bzw. des Trägers 15. Weiterhin ist in diesem Zustand das aufgebaute Bauteil 30 innerhalb des Transport-Behälters 18 angeordnet, wobei dieser Transport-Behälter unten durch die Bauplattformeinheit 19 verschlossen wird.
14 zeigt schematisch eine Stellung, bei der die Einheit, umfassend den Transportbehälter 18 und die Bauplattformeinheit 19 von dem Bauschacht 14 bzw. Träger 15 entfernt worden ist. Der Bauschacht 14 kann in dieser Stellung optional von einer Verschluss-Einrichtung 50 (z. B. Platte) verschlossen werden, ggf. gas-dicht.
Die (Behälter-)Einheit, umfassend den Transportbehälter 18 und die Bauplattformeinheit 19 wird nachfolgen auch als Kartusche 52 bezeichnet. Diese kann vorzugsweise nach außen abgedichtet sein, beispielsweise unter Inert-Gas (bzw. mit aufgenommenem Inert-Gas). Die Kartusche 52 kann neben der verschließbaren unteren Öffnung 23, die durch die Bauplattformeinheit 19 gebildet wird, eine weitere Öffnung 51 (insbesondere an einem oberen Abschnitt der Kartusche bzw. des Transport-Behälters 18) aufweisen, beispielsweise um Gas zu entfernen und/oder zuzuführen (beispielsweise Inert-Gas zuzuführen).
Die Entnahme des Bauteiles 30 innerhalb der Kartusche 52 (umfassend den Transport-Behälter 18 und die Bauplattformeinheit 19) unter Schutz-Gas/Inert-Gas ist nur optional. Der allgemeine Ansatz zum Entfernen des Bauteiles kann prinzipiell auch mit einer klassischen Glove-box-Lösung kombiniert werden, wie in 15 gezeigt. In diesem Fall kann dann das Trägerelement 17 des Trägers 15 oder (je nach Sichtweise) der untere Abschnitt 21 der Bauplattformeinheit entfallen. In jedem Fall kann auch hier die Bauplattformeinheit 19 durch eine Stützeinrichtung 16 (die in diesem Fall den Träger definiert) verfahren werden.
In der beispielsweise in 1 und 14 dargestellten Variante kann jedoch die Bauplattformeinheit 19 von dem Träger 15 getrennt werden, so dass die Kartusche 52 (und ggf. auch der Bauschacht 14) gas-dicht gehalten werden können, wenn die Kartusche 52 bzw. Bauplattformeinheit 19 vom Bauschacht 14 getrennt ist.
Ein Vorteil liegt damit darin, dass bei einem Wiederandocken der Kartusche 52 (oder einer neuen Kartusche), eine Verunreinigung einer Atmosphäre innerhalb des Bauschachtes 14 vergleichsweise gering ist, da nur ein vergleichsweise kleines Volumen von obiger Atmosphäre in den Bauschacht 14 gelangen kann (beispielsweise im Bereich eines Ventils).
In der Ausführungsform gemäß 1 und 14 (beispielsweise) kann das Aufbaumaterial (unabhängig davon, wie eine Geometrie des herzustellenden Bauteiles beschaffen ist) zwischen Bauschacht 14 und Bauteil 30 ggf. vorab entfernt werden, so dass ein vergleichsweise einfaches Überführen (Überdrücken) des Bauteiles in die Kartusche 52 ermöglicht wird. Wird das Aufbaumaterial nicht vorab entfernt, würde eine Aufbaumaterial-Säule in der Kartusche verbleiben bzw. müsste in dieselbe übergeführt (überdrückt) werden, während diese immer in Kontakt zur jeweiligen Wand ist. Dies könnte dann zu Problemen im Hinblick auf eine Abdichtung und sonstige Funktionsweise führen.
Generell ist es jedoch denkbar (vgl. 15), dass eine Zweiteilung in Bauplattformeinheit 19 und Träger 15 entfällt. Ein Entfernungsvorgang kann im Übrigen (abgesehen von der mit dieser Zweiteilung verbundenen Vorgehensweise) wie oben beschrieben erfolgen.
16 zeigt die Herstellvorrichtung 10 gemäß 1 sowie eine Reinigungseinrichtung 60 und eine Aufbewahrungseinrichtung 61. Konkret kann die Kartusche 52 in die Reinigungseinrichtung 60 überführt werden und dann durch (oder zumindest unter Unterstützung von) Rotation gereinigt werden. Nach dem (optionalen) Reinigungsvorgang kann die Kartusche dann in bzw. auf einer Aufbewahrungseinrichtung 61 angeordnet werden.
17 zeigt wiederum die Ausführungsform nach 1, jedoch mit einer (optionalen) Rückführungseinrichtung 70. Die Rückführungseinrichtung 70 umfasst einen Beförderungsmechanismus, wodurch Aufbaumaterial, das (insbesondere an einer unteren Öffnung desselben) aus dem Bauschacht 14 entfernt wird und der Beschichtungs- und Bestrahlungseinheit 100 wieder zugeführt wird. Dies kann während eines laufenden Bau-Jobs bzw. Herstellungsvorgangs erfolgen und/oder danach bzw. vor einem nachfolgenden Herstellungsvorgang.
Insbesondere kann sich das Aufbaumaterial, während der Herstellungsvorgang abläuft, noch unterhalb des Trägers 15, aber innerhalb des Bauschachtes 14 befinden. Ein (optionales) Abkühlen und Abfördern des Aufbaumaterials eines vorherigen Herstellungsvorgangs kann (muss aber nicht) parallel zum Herstellungsvorgang des darauffolgenden Herstellungsvorganges erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich (sieh 18) kann auch eine (außerhalb des Bauschachtes bzw. der Herstellvorrichtung 10 angeordnete) Aufbaumaterial-Aufbewahrungseinrichtung (Behälter) 80 vorgesehen sein, in der aus dem Bauschacht 14 und/oder dem Auffangbereich 35 gesammeltes Pulver (extern) gesammelt wird. Aus der Aufbewahrungseinrichtung 80 oder (optional) einer weiteren Aufbewahrungseinrichtung 81 kann dann wiederum Aufbaumaterial dem Prozess, konkret der Beschichtungs- und Bestrahlungseinheit zugeführt werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

10: Herstellvorrichtung
11: Bestrahlungseinheit
12: Beschichtungseinheit
12a: Schieber
13: Zufuhreinrichtung
14: Bauschacht
15: Träger
16: Stützeinrichtung
17: Trägerelement
18: Transport-Behälter
19: Bauplattformeinheit
19a: Aufbau-Abschnitt
19b: Aufbau-Abschnitt
20: oberer Abschnitt
21: unterer Abschnitt
22: obere Öffnung
23: untere Öffnung
24: Bauschachtwandung
25: Schlitz
26: Band
27: Umlenkeinrichtung
30: Bauteil
31: Kanal
33: Volumen
35: Auffangbereich
36: Öffnung
37: Flanschabschnitt
38: Auffangbereich
40: Kühleinrichtung
50: Verschluss-Einrichtung
51: Öffnung
52: Kartusche
60: Reinigungseinrichtung
61: Aufbewahrungseinrichtung
70: Rückführungseinrichtung
80: Aufbewahrungseinrichtung
81: Aufbewahrungseinrichtung
100: Bestrahlungs- und Beschichtungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014044705 A1 [0003, 0008, 0035]
US 20080241404 A1 [0004]

Claims

Herstellvorrichtung (10) zur additiven Fertigung, vorzugsweise metallischer und/oder keramischer, dreidimensionaler Bauteile (30) durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (12) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit, umfassend eine Bauplattformeinheit (19), wobei die Bauplattformeinheit (19) einen oberen Abschnitt (20) mit mindestens einer oberen Öffnung, der während der Herstellungsvorganges dem Bauteil (30) zugewandt ist, sowie einen unteren Abschnitt (21) mit mindestens einer verschließbaren unteren Öffnung aufweist.
Herstellvorrichtung (10), insbesondere nach Anspruch 1, zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile (30) durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (12) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit (11), umfassend eine Bauplattformeinheit (19), einen Träger (15) für die Bauplattformeinheit (19), sowie einen Bauschacht (14), in dem der Träger (15) in der Höhe relativ veränderbar ist, wobei der Träger (15) eine Stützeinrichtung (16) aufweist und teilweise außerhalb des Bauschachtes (14) angeordnet ist und sich in einer Ausnehmung einer Bauschachtwandung (24) bewegt, wenn der Träger (15) in der Höhe relativ verändert wird, wobei die Ausnehmung oberhalb und unterhalb der Stützeinrichtung (16) durch eine Abdeckung, insbesondere umfassend ein Abdeckband oder gebildet durch ein solches, abdeckbar ist.
Herstellvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (20) eine Platte ist oder eine solche umfasst und/oder der untere Abschnitt (21) eine sich nach unten verjüngende Form aufweist, insbesondere eine Pyramidenform oder ein Kegel- oder Kegelstumpf-Form aufweist oder eine solche umfasst, wobei vorzugsweise in der Mitte der sich verjüngenden Form eine Öffnung angeordnet ist, und/oder der Träger (15) eine sich nach unten verjüngende Form aufweist, insbesondere eine Pyramidenform oder ein Kegel- oder Kegelstumpf-Form aufweist oder eine solche umfasst, wobei vorzugsweise in der Mitte der sich verjüngenden Form eine Öffnung angeordnet ist.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (15) eine Verschluss-Einrichtung zum Verschließen einer Öffnung des unteren Abschnittes (21), und/oder umgekehrt, umfasst.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt (20) mindestens eine, oder mindestens zwei, und/oder höchstens 50, vorzugsweise höchstens 10 Öffnungen aufweist und/oder der untere Abschnitt (21) genau eine oder mehr als eine Öffnung und/oder höchstens 10, ggf. höchstens vier, Öffnungen aufweist.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung des oberen Abschnittes (20) bogenförmig, vorzugsweise kreisbogenförmig, wobei vorzugsweise mehrere Öffnungen einen Kreis ausbilden, der mit mindestens einem Steg, vorzugsweise mindestens zwei oder mindestens vier Stegen, unterbrochen ist, wobei ggf. mehrere solche Kreise, insbesondere konzentrisch zueinander, angeordnet sind.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung des oberen Abschnittes (20) eine Querschnittsfläche von mindestens 1,0 mm², vorzugsweise von mindestens 1,0 cm² und/oder höchstens 500 cm² aufweist.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen, insbesondere gas-abdichtbaren, Behälter, dessen unteres Ende von der Bauplattformeinheit (19) verschließbar ist und der vorzugsweise aus der Herstellvorrichtung (10) entfernbar ist.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auffangeinrichtung (26), insbesondere um den Bauschacht (14) herum und/oder zumindest abschnittsweise unterhalb eines Abschnittes, vorzugsweise Flanschabschnittes, des Bauschachtes (14), vorgesehen ist, um überschüssiges Aufbaumaterial aufzufangen.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein/der Bauschacht (14) an seinem unteren Ende abgeschlossen oder abschließbar ist derart, dass durch die mindestens eine Öffnung des unteren Abschnittes (21) abgelassenes Aufbaumaterial in dem Bauschacht (14) aufnehmbar ist, wobei das so aufgenommene Aufbaumaterial ggf. mittels einer, insbesondere aktiven, Kühleinrichtung (40), kühlbar ist und/oder mit dem gemäß dem unmittelbar vorhergehenden Anspruch aufgefangenen Aufbaumaterial kombinierbar ist oder separat von diesem aufgenommen und/oder entfernt wird.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere nach einem der beiden unmittelbar vorhergehenden Ansprüche aufgefangenes Aufbaumaterial dem Herstellprozess zurückgeführt wird.
Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung einen Schlitz umfasst oder durch einen solchen gebildet ist und/oder die Abdeckung ein Band umfasst, das mit dem Träger (15), insbesondere der Stützeinrichtung (16) verbunden ist und entweder umlaufend ausgebildet ist oder zwei Enden aufweist, die mit der Stützeinrichtung (16) verbunden sind.
Herstellverfahren zur additiven Fertigung mindestens eines dreidimensionalen Bauteiles (30) durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (12) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit (11), unter Verwendung einer Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: a) Aufgeben von Aufbaumaterial auf die Bauplattformeinheit (19) bis eine oberste Schicht des Aufbaumaterials sich mindestens auf Höhe einer oberen Oberfläche des oberen Abschnittes (20) befindet, so dass ein Raum zwischen oberen und unterem Abschnitt (21) gefüllt ist, b) Aufbauen des Bauteiles (30), und c) Öffnen des unteren Abschnittes (21) zum Ablassen von übrig gebliebenen Aufbaumaterial.
Herstellverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattformeinheit (19) nach dem Schritt c) mit einem Behälter verbunden wird, der durch die Bauplattformeinheit (19) an seinem unteren Ende verschlossen wird.
Herstellverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass während im Schritt b) überschüssiges Material in einer Auffangeinrichtung aufgefangen wird und ggf. mit dem in Schritt c) abgelassenen Material vereinigt wird.
Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine obere Öffnung und eine Startschicht beim Aufbauen des mindestens einen Bauteiles (30) aufeinander abgestimmt werden, insbesondere derart, dass die Startschicht beim Aufbauen des mindestens einen Bauteiles (30) nicht direkt oberhalb der mindestens einen oberen Öffnung angeordnet ist, wobei vorzugsweise mindestens ein Abschnitt einer Startschicht mindestens eines Bauteiles (30) weiter von einem Oberflächenzentrum der Bauplattformeinheit (19) entfernt ist als mindestens ein Abschnitt einer oberen Öffnung und/oder wobei mindestens ein Abschnitt einer Startschicht mindestens eines Bauteiles (30) weniger weit von einem Oberflächenzentrum der Bauplattformeinheit (19) entfernt ist als mindestens ein Abschnitt einer oberen Öffnung.
Herstellverfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 16, zur additiven Fertigung mindestens eines dreidimensionalen Bauteiles (30) durch schichtweises Aufbringen mittels mindestens einer Beschichtungseinheit (12) und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels mindestens einer Bestrahlungseinheit (11), unter Verwendung einer Herstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: Aufbauen des Bauteiles (30) sowie zumindest temporäres Aufnehmen von Aufbaumaterial, das während des Beschichtens über die Bauplattformeinheit (19) hinausbefördert wird, und/oder von Aufbaumaterial, das nach dem Herstellvorgang entfernt wird, zumindest teilweise im Bauschacht (14).
System, umfassend die Herstellvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12, sowie das Aufbaumaterial (17), insbesondere zur Durchführung des Herstellverfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Aufbaumaterial vorzugsweise eine Metallkomponente und/oder eine Keramikkomponente umfasst.