DE102021128814A1

DE102021128814A1 - Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102021128814A1
Application number: DE102021128814.2A
Authority: DE
Inventors: Philip Obst; Niklas Förster
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Vorrichtung (1) zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial (3) vermittels wenigstens eines Energiestrahls (4), umfassend wenigstens eine Strahlungseinrichtung (7) zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls (4) zur schichtweisen selektiven Verfestigung einzelner Baumaterialschichten aus dem verfestigbaren Baumaterial (3) innerhalb eines Bauraums (5), wobei eine Erfassungseinrichtung (6), welche zur Erfassung von prozessbedingt aus einem Baubehälter (22) und/oder aus einem Vorratsbehälter (21) gelöstem nicht verfestigten Baumaterial (3) eingerichtet ist, um einen Verunreinigungsgrad der Vorrichtung (1) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren, insbesondere pulverförmigen, Baumaterials vermittels eines Energiestrahls.
Entsprechende Vorrichtungen zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Additive Fertigungsverfahren, auch 3D-Druck-Verfahren genannt, werden nicht nur zur Prototypenherstellung verwendet, sondern haben zwischenzeitlich ihren Einzug in die Serienproduktion gefunden. Insbesondere bei, auf einem pulverförmigen Baumaterial basierenden additiven Fertigungsverfahren ist im Verlauf einer wiederholten Durchführung an Baujobs regelmäßig eine Reinigung innerhalb des Bauraums durchzuführen, da unverfestigtes Baumaterial sich nahezu unkontrolliert innerhalb des Bauraums absetzt und es hierdurch zu einer Beeinträchtigung der ausgeführten Bauprozesse kommen kann. Eine derartige Reinigung erfolgt aktuell nach einer Sichtprüfung des Bauraums durch einen Werker, welcher bedarfsweise und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Sichtprüfung einen Reinigungsschritt ausführt oder ausführen lässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche insbesondere im Hinblick auf eine einfache und schnelle sowie kostengünstige Maßnahme die Qualität der herzustellenden dreidimensionalen Objekte und/oder die Auslastung der additiven Fertigungsvorrichtung erhöht bzw. nichtproduktive Stillstandszeiten einer additiven Fertigungsvorrichtung reduziert.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Verunreinigungsgrads nach Anspruch 13 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen der Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial vermittels wenigstens eines Energiestrahls, umfassend wenigstens eine Strahlungseinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls zur schichtweisen selektiven Verfestigung einzelner Baumaterialschichten aus dem verfestigbaren, insbesondere aus pulverförmigen Material bestehenden, Baumaterial innerhalb eines Bauraums, auch als Baukammer bezeichnet. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung eines 3D-Druckverfahrens, hierbei kann das zu verarbeitende Baumaterial aus Metall oder aus Kunststoff oder aus Keramik oder aus Kunstharz oder einer Kombination der vorgenannten Materialien bestehen.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Erfassungseinrichtung, welche zur Erfassung von prozessbedingt aus einem Baubehälter und/oder aus einem Vorratsbehälter gelöstem nicht verfestigten Baumaterial eingerichtet ist, verwendet wird, um einen Verunreinigungsgrad der Vorrichtung zu ermitteln. Im Zuge des Fertigungsprozesses kann es dazu kommen, dass insbesondere unverfestigtes Baumaterial sich aus einem Vorratsbehälter und/oder von der Bauebene, auf welche das Baumaterial zur Verfestigung platziert wurde löst bzw. fortbewegt und an einen anderen Ort innerhalb des Bauraums gelangt. Hierbei kann das unverfestigte Baumaterial beispielsweise zumindest temporär in einem in dem Bauraum strömenden Gasstrom mitgeführt werden und sich dabei, insbesondere unkontrolliert, innerhalb des Bauraums absetzen. Dabei kann das unverfestigte Baumaterial an dem bestimmungsgemäß hierzu nicht vorgesehenen Verweilort zu einer Beeinträchtigung der Arbeitsweise der additiven Fertigungsvorrichtung führen. Dies kann sich insbesondere dann ergeben, wenn das unverfestigte Baumaterial zu einem gewissen Grad sich an entsprechenden Orten wie einem Durchtrittsglas eines Energiestrahls und/oder einer Stelle, über welche ein bewegtes Teil verfahren wird, über die Zeit ansammelt. Durch die Erfassungseinrichtung kann zumindest die Ansammlung bzw. das Vorhandensein, insbesondere die Quantität nach Volumen und/oder Gewicht, des unverfestigten Baumaterials an einem vordefinierten Ort des Bauraums erfasst werden. Es ist möglich, ausgehend von der Art und/oder dem Umfang des an diesem vordefinierten Ort erfassten unverfestigten Baumaterials auf einen Verunreinigungsgrad der additiven Fertigungsvorrichtung insgesamt oder auf einen Verunreinigungsgrad an den hinsichtlich der Funktionalität der additiven Fertigungseinrichtung neuralgischen Stellen innerhalb des Bauraums zu schließen. Hierbei kann eine Verunreinigungsinformation erzeugt und genutzt werden, um einen möglichst ununterbrochenen bzw. etwaige Unterbrechungen (aufgrund von zwischengeschalteten Reinigungsprozessen) auf ein Minimum zu reduzieren.
Eine Beeinträchtigung des Bauprozesses aufgrund von ungewünschten Ablagerungen von, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial kann sich beispielsweise an Flächen und Öffnungen der Prozesstechnik der additiven Fertigungsvorrichtung ergeben. Dies kann insbesondere die Sensorik, wenigstens ein Heizelement, eine Glasscheibe, eine Medienaufnahme oder eine Kamera betreffen. Beispielsweise können Druckdüsen von Druckköpfen der additiven Fertigungsvorrichtung aufgrund von sich im Bauraum absetzenden unverfestigten, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial verstopfen. Allgemein kann die Oberflächenqualität der finalen Bauteile aufgrund der verstopften oder teilverstopften Druckdüsen beeinflusst werden bzw. sich verschlechtern.
Damit wird es ermöglicht, eine signifikante Erhöhung der Effizienz innerhalb der Gesamtprozesskette eines additiven Fertigungsverfahren zu erzielen, aufgrund einer ermöglichten Reduzierung von Stillstands- sowie Wartezeiten durch eine Reduzierung von manuellen Beurteilungen und/oder manuelle ausgeführten Reinigungsschritten. Insbesondere kann eine Entbehrbarkeit eines Reinigungsprozesses zwischen der Entnahme eines ersten Baubehälters und dem Einsetzen eines weiteren Baubehälters anhand einer erfassungseinrichtungsseitig erfassten Verunreinigungsgradinformation anzeigen werden.
So ist es möglich, dass eine additive Fertigungsvorrichtung beispielsweise einen auswechselbaren Baubehälter aufweist, welcher nach Ausführung eines Baujobs von einem Bauraum der additiven Fertigungsvorrichtung entkoppelt und durch einen weiteren Baubehälter ausgetauscht wird. Hierbei kann der Bauraum vor oder während des Einsetzens des weiteren Baubehälters einem Reinigungsprozess unterzogen werden, um unverfestigtes Baumaterials des vorherigen Baujobs aus diesem zu entfernen. Wenn beispielsweise ein erfassungseinrichtungsseitig erfasster Verunreinigungsgrad einen vordefinierten Schwellwert nicht überschreitet, kann dies dahingehend interpretiert werden, dass ein Baubehälterwechsel und Start eines neuen Baujobs ausgeführt werden kann, ohne zwischenzeitlich einen Reinigungsprozess ausführen zu müssen, um eine vordefinierte Produktqualität für ein herzustellendes dreidimensionales Objekt zu erreichen. Mit anderen Worten kann aufgrund der erfassungseinrichtungsseitigen Erfassung des Verunreinigungsgrads bedarfsweise ein Reinigungsschritt ausgeführt oder angezeigt werden, vorzugsweise kann dies in Abhängigkeit der in dem wenigstens unmittelbar vorhergehenden, besonders bevorzugt in wenigstens zwei vorhergehenden, Bauprozessen (a) vorherrschenden Betriebsparameter (z. B. Art und/oder Beschaffenheit des verwendeten Baumaterials, Prozessgeschwindigkeit) der additiven Fertigungsvorrichtung und/oder (b) eingesetzten Vorrichtungskomponenten (z. B. Anlagengeneration und/oder eingesetzter Beschichtertyp) und/oder (c) ermittelten Verunreinigungsgrade nach den jeweiligen Bauprozessen (Verunreinigungsgradverlauf) erfolgen. Die hierin beschriebene Vorrichtung bzw. das hierin beschriebene Verfahren ist insbesondere für Anlagenkonzepte vorteilhaft, welche einen zumindest abschnittsweise, bevorzugt überwiegenden, besonders bevorzugt gänzlich, automatisierten Baubehälterwechsel vorsehen.
Die mit der Erfassungseinrichtung ausgestattete additive Fertigungsvorrichtung kann beispielsweise zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts (1) ein Stereolithografie-Verfahren (SL) und/oder ein Laser-Sintern-Verfahren (LS) und/oder ein Laser-Strahlschmelzverfahren (LBM), insbesondere ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM), und/oder ein Elektronen-Strahlschmelzverfahren (EBM) und/oder ein Fused Layer Modelling/Manufacturingverfahren (FLM/FFF) und/oder ein Fused Deposition Modelling Verfahren (FDM) und/oder ein Multi-Jet Modelling-Verfahren (MJM) und/oder ein Poly-Jet Modelling-Verfahren (PJM) und/oder ein Binder Jetting-Verfahren und/oder ein Layer Laminated Manufacturing-Verfahren (LLM) und/oder ein Digital Light Processing-Verfahren (DLP) und/oder ein Thermotransfer-Sintern-Verfahren (TTS) und/oder ein Digital Light Processing-Verfahren (DLP) und/oder ein Digital Light Synthesis-Verfahren (DLS) sein.
Es ist möglich, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung eingerichtet ist, ein in einem Bauraum schwebendes Baumaterial und/oder innerhalb des Bauraums abgelagertes Baumaterial zu erfassen. Hierbei ist unverfestigtes Baumaterial gemeint, welches sich nicht an einem bestimmungsgemäßen Ort für jeweilige Prozessphasen eines ablaufenden Bauprozesses befindet, d. h., dass die Erfassungseinrichtung, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt ausschließlich, an Orten innerhalb des Bauraums das Baumaterial erfasst, welche nicht dem Vorratsbehälter und/oder dem Baubereich zugeordnet sind. Vielmehr soll das unverfestigte Baumaterial an Orten erfasst werden, an welchen dieses „eigentlich nicht“ vorliegen sollte, bzw. auf Spindeln, welche zur, insbesondere Linearbewegung, eines Beschichters vorgesehen sind. Beispielsweise sieht die additive Fertigungsvorrichtung zur Verlagerung von Baumaterial im Bereich der Bauebene das Verlagern von Baumaterial von einem Vorratsabschnitt, insbesondere von einem Vorratsbehälter, zu einem Baubereich einen Beschichter, insbesondere einen als Rakel oder Abzieher ausgebildeten Beschichter, vor, welcher das Baumaterial zu dem Baubereich verschiebt und/oder im Bereich des Baubereichs einebnet bzw. als homogene Schicht aufbringt. Eine derartige aktive Beschichtungstechnologie kann Staubaufwirbelungen verursachen und dabei das, insbesondere pulverförmige, Baumaterial auf nahezu beliebige Innenflächen des Bauraums und/oder Öffnungen verteilen. Aufgrund des Beschichter und/oder aufgrund einer im Bauraum während des Aufbauprozesses herrschenden Gasströmung kann es dazu kommen, dass zumindest temporär unverfestigtes Baumaterial aus dem Lagerungsort (Baubehälter und/oder oder Vorratsbehälter) gerissen wird und sich innerhalb des Bauraums absetzt. Als Bauraum ist hierbei der Raum zu verstehen, welcher innerhalb des Gehäuses der additiven Fertigungsvorrichtung angeordnet oder ausgebildet ist. Insbesondere kann der Bauraum eine Baukammer umfassen, in welcher, bevorzugt in einer geschützten Atmosphäre (z. B. Inertgasatmosphäre), sich bestimmungsgemäß das Baumaterial befindet. Beispielsweise kann ein Baubehälter lösbar in der additiven Fertigungsvorrichtung aufgenommen sein, wobei der Baubehälter einen Teil des Bauraums und dabei auch einen Teil der Baukammer ausbildet. Die Baukammer, also der Bereich der additiven Fertigungsvorrichtung, in welchem das Baumaterial bestimmungsgemäß bewegt und verfestigt wird kann beispielsweise teilweise durch den in der additiven Fertigungsvorrichtung auswechselbaren Baubehälter und zum Teil durch die den auswechselbaren Baubehälter aufnehmende additiven Fertigungsvorrichtung gebildet werden.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, das Baumaterial vermittels wenigstens eines Kameramittels optisch und/oder vermittels eines Messmittels zur Massebestimmung zu erfassen. So ist es möglich, dass zumindest ein als Kamera ausgebildetes Erfassungsmittel das unverfestigte Baumaterial an einem Erfassungsort innerhalb des Bauraums optisch erfasst und diese Erfassungsinformation in die Beurteilung des Verunreinigungsgrads des Bauraums oder zumindest von bestimmten Bereichen des Bauraums verwendet wird.
Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Erfassungseinrichtung nach Art einer Waage ausgebildet ist, wobei vermittels dieser Erfassungseinrichtung die Masse bzw. das Gewicht eines an einem Erfassungsort platzierten unverfestigten Baumaterials erfasst wird, diese Erfassungsinformation kann ergänzend oder alleinig zur Beurteilung des Verunreinigungsgrads des Bauraums der additiven Fertigungsvorrichtung verwendet werden.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise innerhalb und/oder außerhalb des Bauraums angeordnet sein. So ist es möglich, dass eine außerhalb des Bauraums platzierte Kamera durch ein transparentes Element einer den Bauraum definierenden Wandung hindurch etwaiges Baumaterial nach Art und/oder Umfang an einem innerhalb des Bauraums befindlichen Erfassungsort erfasst.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise mit Ihrem Erfassungsbereich einer Schutzschreibe zugeordnet sein, durch welches der Energiestrahl in den Bauraum eintritt. So ist es möglich, dass eine beispielsweise als Kamera ausgebildete Erfassungseinrichtung die Lichtdurchtrittsfähigkeit einer Schutzscheibe des Bauraums erfasst und hieraus aufgrund von bauraumseitig an der Schutzschreibe sich abgelagerten unverfestigten Baumaterial einen Beitrag oder alleinig einen Rückschluss auf den Verunreinigungsgrad des Bauraums ermöglicht bzw. hierzu verwendet wird. Die Schutzschreibe, auch Schutzglas genannt, bildet einen den Bauraum nach außen hin abtrennenden Bestandteil der additiven Fertigungsvorrichtung, wobei durch die Schutzschreibe der Energiestrahl einer außerhalb des Bauraums befindlichen Energiestrahleinrichtung in den Bauraum eingekoppelt wird. Der Erfassungsbereich der Schutzschreibe, welcher von der Erfassungseinrichtung erfasst wird, kann sich beispielsweise mit dem Durchtrittsbereich des das Baumaterial verfestigenden Energiestrahls, z. B. des Lasers und/oder der Wärmestrahlung, an der Schutzscheibe zumindest abschnittsweise, insbesondere gänzlich, überschneiden oder sich gänzlich nicht überschneiden. Im letzten Fall weist die Schutzschreibe einen ersten Bereich auf, welcher für das Einkoppeln des Energiestrahls vorgesehen ist und einen weiteren, von dem ersten Bereich unterschiedlichen Bereich, welche als Erfassungsort für die Erfassungseinrichtung dient.
In einer beispielhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass in dem der Schutzscheibe zugeordneten Erfassungsbereich der Erfassungseinrichtung zumindest abschnittsweise ein Erfassungsabschnitt mit einem Lumineszenzglas und/oder mit einer Lumineszenzbeschichtung angeordnet oder ausgebildet ist, wobei der Erfassungsabschnitt zumindest temporär mit Licht einer Lichtquelle beaufschlagbar ist. Die Lichtquelle kann beispielsweise als LED-Leuchtmittel ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle hierbei ein von der den Energiestrahl aussendenden Strahlungseinrichtung unterschiedliche Einrichtung sein.
Die Erfassungseinrichtung kann in einer weitergehenden Weiterbildung eingerichtet sein, dass in dem Lumineszenzglas und/oder in der Lumineszenzbeschichtung abgeleitete Licht der Lichtquelle zu erfassen. Mit anderen Worten kann das vermittels der Lichtquelle ausgesendete Licht eine Umlenkung in dem Lumineszenzglas oder der Lumineszenzbeschichtung erfahren, wobei der Grad der Umlenkungen in Abhängigkeit des an dem Lumineszenzglas abgelagerten Baumaterials und/oder in Abhängigkeit von der dem Lumineszenzglas zugeordneten Schutzscheibe abgelagerten Baumaterials stehen, sodass damit der Grad der Umlenkung eine Aussage und/oder einen Beitrag zur Beurteilung eines Grads der Verunreinigung der des Bauraums ermöglicht. Beispielsweise erfolgt eine Ableitung des in das Lumineszenzglas eingeleiteten Licht der Lichtquelle in Richtung einer Außenkante bzw. eines Randabschnitts des Lumineszenzglas. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise die Höhe der Menge an und/oder die Intensität des abgelenkten Lichts messen und somit auf den Verunreinigungsgrad schließen bzw. einen ergänzenden Bestandteil zur Ermittlung des Verunreinigungsgrads des Bauraums liefern.
Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise einen innerhalb des Bauraums angeordneten Messabschnitt umfassen, der eingerichtet ist, anhand der Messung der Masse eines innerhalb des Bauraums verorteten Messabschnitts bzw. Erfassungsbereichs auf einen Grad der Verunreinigung zu schließen bzw. einen Bestandteil zur Ermittlung des Verunreinigungsgrads des Bauraums zu liefern. Dabei kann der Messabschnitt bzw. der Erfassungsbereich als Messstelle oder Messoberfläche für das zu messende Baumaterial verwendet werden.
Sofern das verwendete Baumaterial in Pulverform bzw. als pulverförmiges Baumaterial vorliegt, kann der Grad der Verunreinigung als den Grad der Pulververunreinigung von Abschnitten im Inneren des Bauraums verstanden werden.
Innerhalb des Bauraums kann beispielsweise im bestimmungsgemäßen Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung eine gerichtete Gasströmung, insbesondere unmittelbar, über eine Bauebene strömen bzw. diese queren, wobei ein Erfassungsbereich der Erfassungseinrichtung stromab der Bauebene angeordnet oder ausgebildet ist. Damit ist der Erfassungsabschnitt derart gewählt, dass etwaiges im Bereich der Bauebene bzw. oberhalb des Baubehälters oder am Baubehälter angeordnetes Baumaterial, welches aufgrund der Gasströmung aus seinem Lagerungsort fortgerissen wird, im Zuge der Erfassungstätigkeit der Erfassungseinrichtung zumindest potentiell bzw. zumindest teilweise berücksichtigt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Erfassungsabschnitt der Erfassungseinrichtung stromauf der Bauebene bzw. des Baubehälters angeordnet ist.
Innerhalb des Bauraums kann beispielsweise ein Erfassungsabschnitt (a) als Ausnehmung zur Aufnahme von im Bauraum schwebenden oder vermittels einer Gasströmung oberhalb einer Baumaterialschicht bewegten und sich absetzenden Baumaterial ausgebildet sein und/oder (b) als mit einem Haftmittel versehener Abschnitt ausgebildet sein, wobei an diesem Abschnitt in dem Bauraum schwebendes und sich absetzendes Baumaterial zumindest teilweise anhaftet. Mit anderen Worten kann ein derartiger mit einer Ausnehmung und/oder mit einem Haftmittel versehener Abschnitt als „Falle“ für das unverfestigte, insbesondere zumindest abschnittsweise unkontrolliert sich im Bauraum bewegende Baumaterial dienen. So kann der mit dem Haftmittel versehene Abschnitt zum Anhaften von in dem Bauraum schwebenden und sich absetzenden Baumaterials dienen.
Durch die Ausbildung des Erfassungsabschnitts bzw. des Erfassungsorts als Ausnehmung und/oder als ein mit einem Haftmittel versehener Abschnitt wird das verbleiben von unverfestigten und in bzw. an den entsprechenden Abschnitt gelangtes Material begünstigt bzw. dessen Fortbewegen verhindert. Damit kann eine Betrachtung dieser Abschnitte, über den zeitlichen Verlauf eine unverfälschtere bzw. nicht in dem Maße wie andere Stellen des Bauraums einer Selbstreinigung unterfallende Bereiche, sich als Erfassungsabschnitt zur Erfassung der Baumaterialrückstände anbieten. Es ist möglich, dass manuell oder automatisiert die verweilbegünstigende Eigenschaft des Abschnitts, d. h. der Ausnehmung und/oder des Haftmittels, zumindest temporär, bevorzugt automatisiert, aufhebbar ist. Beispielsweise ist das Haftmittel als Magnet ausgebildet, sodass magnetisches Baumaterial quasi an dem Abschnitt anhaftet, wobei die Aufhebbarkeit der Haftwirkung durch die Ausbildung des Haftmittels als Elektromagnet oder als ein mit einem Reinigungselement versehener Magnet ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Haftmittel als eine klebrige Oberfläche oder als eine klebrige Schicht des Abschnitts ausgebildet sein.
Es ist möglich, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung eingerichtet ist, die Betriebsparameter eines Motors zur Bewegung eines Arbeitsmittels der Vorrichtung, insbesondere ein Motor eines Beschichters und/oder einer Bauplatte und/oder eines Gebläses, zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Motors einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung zu ermitteln oder zumindest als Bestandteil zur Ermittlung des Grads der Verunreinigung der Vorrichtung zu verwenden. Aufgrund von Ablagerungen von unverfestigten Baumaterial auf bewegten Teilen und insbesondere an Übergangsbereichen von Beweglichen zu unbeweglichen Teilen der additiven Fertigungsvorrichtung kann es sich als vorteilhaft erweisen, den Grad des Widerstands, welcher der Bewegung der Bestandteile der additiven Fertigungsvorrichtung entgegentritt bzw. sich ergibt zu erfassen und hieraus einen Rückschluss auf den grad der Verunreinigung zu folgern. Beispielsweise ergibt sich im Fall eines sich zusetzenden Filters ein erhöhter Druck für ein ein Gasmedium durch diesen Filter „ziehenden und/oder drückenden“ Gebläses, sodass eine Veränderung bzw. eine Erhöhung dieses Widerstands in der Ansteuerung des Gebläsemotors erfassbar ist.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, die Betriebsparameter eines Heizmittels zum zumindest abschnittsweisen Beheizen des Bauraums der Vorrichtung zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Heizmittels einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung zu ermitteln bzw. den Betriebsparameter des Heizmittels als Bestandteil für eine Beurteilung des Grads der Verunreinigung der Vorrichtung zu verwenden. Aufgrund von an der Oberfläche oder an einer näheren Umgebung eines Heizmittels abgelagerten unverfestigen Baumaterials kann sich das Heizverhalten des Heizmittels verändern bzw. der Temperaturverlauf und/oder die Ansteuerung des Heizmittels eine Abweichung von einem Referenzverlauf aufweisen. Diese Abweichung zu einem Referenzverlauf kann wenigstens einen Bestandteil für die Beurteilung des Grads der Verunreinigung eines Bauraums einer additiven Fertigungsvorrichtung herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann als Erfassungseinrichtung eine Thermokamera verwendet werden, vorzugsweise ist diese vorrichtungsseitig verbaut bzw. implementiert. Es kann vor und/oder während und/oder nach wenigstens zwei Baujobs, insbesondere vor und/oder während und/oder nach jedem Baujob, ein vordefinierter Heizwert vermittels des Heizmittels erreicht wurden. Hierbei kann die Auswertung einen basierend auf Erfassungsinformationen einer Erfassungseinrichtung ermittelten Verunreinigungsgrad des Bauraums umfassen. Beispielsweise kann das System hieraus selbst ableiten bzw. erkennen, ob und ggf. in welchem Maße die Wärmeeinbringung vermittels des Heizmittels abhängig von einem jeweiligen Verunreinigungsgrad erfolgt. Optional kann dies beispielsweise dazu genutzt werden, dass eine Ansteuerung des Heizmittels vor und/oder während und/oder nach einem Baujob in Abhängigkeit zu einem ermittelten Verunreinigungsgrad erfolgt.
Allgemein kann mit der Erfassungseinrichtung und der Auswertung der Betriebsparameter des Heizmittels festgestellt werden, ob trotz eines bestimmten Verunreinigungsgrads des Bauraums eine hinreichende Erwärmung des Baumaterials und/oder des dreidimensionalen Objekts vermittels des Heizmittels erreicht werden konnte.
Neben der Vorrichtung zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Ermittlung eines Verunreinigungsgrads einer hierin beschriebenen additiven Fertigungsvorrichtung, mit den Verfahrensschritten, (a) Erfassen einer Erfassungsinformation einer Erfassungseinrichtung und (b) Ermitteln eines Verunreinigungsgrads basierend auf der Erfassungsinformation.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf den erfindungsgemäßen Formkörper übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Prinzipdarstellung eines Verfahrens zur Ermittlung eines Verunreinigungsgrads einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In den Figuren ist eine Vorrichtung 1 zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 2 durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial 3 dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Fused Multi Jet Fusion Verfahren, auch als MJF-Verfahren bezeichnet, handeln. Hierbei wird auf das im Bauraum 5 der Vorrichtung 1 liegende pulverförmige Baumaterial 3 wenigstens ein flüssiges Material, wenigstens ein sogenannter Agent, aufgebracht, insbesondere aufgesprüht. Die mit dem Agent bereichsabhängig beaufschlagten Flächen werden über einen Energiestrahl, z. B. einer Wärmequelle, ausgehärtet.
Folglich kann eine erste Schicht pulverförmiges Baumaterial (z. B. PA12 Pulver) aufgetragen und vermittels wenigstens eines Energiestrahls 4, ggf. unter zusätzlichen Einsatz eines Agents bereichsabhängig ausgehärtet bzw. verfestigt werden. Der Energiestrahl 4 kann hierzu aus wenigstens einer Strahlungseinrichtung 7 erzeugt werden. Vermittels des Energiestrahls 4 kann eine schichtweise selektive Verfestigung einzelner Schichten des Baumaterials 3 innerhalb eines Bauraums 5 erfolgen. Prozessbedingt, z. B. während eines Aufziehens einer „frischen“ Schicht unverfestigtem Baumaterials 3 vermittels eines Beschichters und/oder durch Wechselwirkung von oberflächlich an einem in dem Bauraum 5 angeordneten Vorratsbehälters 21 und/oder eines Baubehälters 22 kann es zu einer Verlagerung von unverfestigten Baumaterial innerhalb des Bauraums 5 kommen. Dieses eigentlich für den Aufbauprozess nicht verfügbare Baumaterial 3 kann sich an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Bauraums 5 absetzen und dort ggf. den Ablauf des Bauprozesses beeinträchtigen. Der Vorratsbehälter 21 kann hierbei ein Ort innerhalb des Bauraums sein, in welchem ein Vorrat an Baumaterial 3 vorgehalten wird und aus welchem das Baumaterial 3 zur Bereitstellung „frischer“ Baumaterialschichten entnommen werden kann. Hierzu kann der Vorratsbehälter 21 mit einer höhenverlagerbaren Grundplatte ausgestattet sein, welche durch sukzessives Anheben das Baumaterial in einer Bauebene bereitstellt. Durch ein Abziehen des auf der Grundplatte in die Bauebene verfahrenen Baumaterials 3 vermittels des Beschichters kann eine Verlagerung des Baumaterials 3 zum Baubehälter 22 bzw. zur Bauebene erfolgen. Der Baubehälter 22 kann vorzugsweise lösbar in oder an der additiven Fertigungsvorrichtung befestigbar sein und über eine höhenverlagerbare Plattform verfügen. Diese Plattform kann sukzessive abgesenkt werden, um das verfestigte und unverfestigte Baumaterial 3 aus der Bauebene nach unten wegzubewegen und damit die Bauebene für das Aufziehen von frischem Baumaterial 3 freizugeben.
Vermittels der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung 6 kann eine Erfassung von prozessbedingt aus einem Baubehälter 22 und/oder aus einem Vorratsbehälter 21 gelöstem nicht verfestigten Baumaterial 3 erfolgen, um hieraus einen Verunreinigungsgrad der Vorrichtung 1 zu ermitteln.
Es ist möglich, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 eingerichtet ist, in einem Bauraum 5 schwebendes Baumaterial 3 und/oder innerhalb des Bauraums 5 abgelagertes Baumaterial 3 zu erfassen. Dabei kann die Erfassung des unverfestigten Baumaterials 3 im Schwebezustand bzw. in einem vom Untergrund abgehobenen Zustand (z. B. während des Mitführens des Baumaterials 3 in einem im Bauraum 5 strömenden Gasstroms) erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die erfassungseinrichtungsseitige Erfassung des Baumaterials 3 ruhenden bzw. auf einem Untergrund aufliegenden Zustand erfolgen.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 kann beispielsweise eingerichtet sein, das Baumaterial 3 vermittels wenigstens eines Kameramittels optisch und/oder vermittels eines Messmittels zur Massebestimmung zu erfassen. Gemäß 1 sind vier mögliche Positionen 16, 17, 18, 19 zum Platzieren eines Kameramittels zur Erfassung eines Erfassungsbereichs 8. Beispielsweise kann der Erfassungsbereich 8 auf ein Führungsmittel 20 einer Baueinheit oder eines Baubehälters 22 gerichtet sein bzw. diesen zumindest abschnittsweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, umfassen.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 kann innerhalb und/oder außerhalb des Bauraums 5 angeordnet sein. So ist es möglich, dass eine erste Erfassungseinrichtung 6 innerhalb und eine zusätzliche zweitere Erfassungseinrichtung 6 außerhalb des Bauraums 5 angeordnet ist.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 kann beispielsweise mit Ihrem Erfassungsbereich 8 einer Schutzschreibe 9 zugeordnet sein, durch welches der Energiestrahls 4 in den Bauraum 5 eintritt und dort das zu verfestigende bzw. Baumaterial 3 aushärtet.
In dem der Schutzscheibe 9 zugeordneten Erfassungsbereich 8 kann beispielsweise zumindest abschnittsweise ein Erfassungsabschnitt 10 mit einem Lumineszenzglas 11 und/oder mit einer Lumineszenzbeschichtung angeordnet oder ausgebildet sein, wobei der Erfassungsabschnitt 10 zumindest temporär mit Licht 12 einer Lichtquelle 13 beaufschlagbar ist. Hierbei kann die Erfassungseinrichtung 6 beispielsweise eingerichtet sein, das in dem Lumineszenzglas 11 und/oder in der Lumineszenzbeschichtung abgeleitete Licht 12 der Lichtquelle 13 zu erfassen. So kann z. B. eine Ableitung des vermittels der Lichtquelle 13 in das Lumineszenzglas 11 eingebracht Licht 13 in Richtung einer Außenkante des Lumineszenzglases 11 erfolgen. Dabei kann die Erfassungseinrichtung 6 vorzugsweise die Menge an bzw. die Intensität des abgelenkten Licht 13 messen und somit auf den Verunreinigungsgrad schließen bzw. einen Bestandteil zur Beurteilung des Verunreinigungsgrads bilden. Hierbei ist der Grad der Ablenkung des Lichts 13 abhängig zu dem Grad der Verschmutzung an der zum Innenraum des Bauraums weisenden Oberfläche der mit dem Lumineszenzglas 11 versehenen Schutzscheibe 9 oder dem Lumineszenzglas 11 selbst oder einer auf der Schutzschreibe 9 angeordneten Lumineszenzbeschichtung.
Die Erfassungseinrichtung 6 kann beispielsweise einen innerhalb des Bauraums 5 angeordneten Messabschnitt umfassen, der eingerichtet ist, anhand der Messung der Masse eines innerhalb des Bauraums 5 verorteten Erfassungsbereichs 8 auf einen Grad der Verunreinigung zu schließen. Damit ist der Messabschnitt teil einer Erfassungseinrichtung 6, welche eingerichtet ist ein Signal in Abhängigkeit des auf dem Messabschnitt aufliegenden Baumaterials 3 auszugeben, wobei die Masse an auf dem Messabschnitt aufliegenden Baumaterial 3 einen Rückschluss auf den Grad der Verunreinigung ermöglicht oder zumindest als Bestandteil einer Bewertungslogik für die Ermittlung der Verunreinigung des Bauraums 5 eingesetzt werden kann.
Innerhalb des Bauraums 5 kann beispielsweise im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung 1 eine gerichtete Gasströmung über eine Bauebene strömen, wobei ein Erfassungsbereich 8 der Erfassungseinrichtung 6 stromab der Bauebene angeordnet oder ausgebildet ist. Damit kann etwaiges aus der Bauebene bzw. aus dem Vorratsbehälter 21 und/oder aus dem Baubehälter 22 vermittels der Gasströmung heraus- oder mitgerissenes und damit gelöstes Baumaterial 3 sich an einem Ort innerhalb des Bauraums 5 absetzen bzw. anordnen, an welchem es vermittels der Erfassungseinrichtung 6 erfassbar ist bzw. erfasst wird.
Innerhalb des Bauraums 5 kann beispielsweise ein Erfassungsbereich 8 (a) als Ausnehmung zur Aufnahme von im Bauraum 5 schwebenden oder vermittels einer Gasströmung oberhalb einer Baumaterialschicht bewegten und sich absetzenden Baumaterial 3 und/oder (b) als mit einem Haftmittel versehener Abschnitt ausgebildet sein, welcher zum Anhaften von in dem Bauraum 5 schwebenden und sich absetzenden Baumaterials 3 geeignet ist.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 kann beispielsweise eingerichtet sein, die Betriebsparameter eines Motors zur Bewegung eines Arbeitsmittels der Vorrichtung 1, insbesondere eines Beschichters 14 und/oder einer Bauplatte 15 und/oder eines Gebläses, zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Motors einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung 1 zu ermitteln.
Wenigstens eine Erfassungseinrichtung 6 kann beispielsweise eingerichtet sein, die Betriebsparameter eines Heizmittels 23 zum zumindest abschnittsweisen Beheizen des Bauraums 5 der Vorrichtung 1 zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Heizmittels 23 einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung 1 zu ermitteln. Das Heizmittel 23 kann beispielsweise zur Erwärmung und/oder zum Anschmelzen des Baumaterials 5 dienen.
Neben der Vorrichtung 1 umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Verunreinigungsgrads einer Vorrichtung 1, welches gemäß 3 dargestellt ist, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein (a) Erfassen 100 einer Erfassungsinformation 110 einer Erfassungseinrichtung 6 und in einem nachfolgenden Verfahrensschritt (b) ein Ermitteln 101 eines Verunreinigungsgrads basierend auf der Erfassungsinformation 110 erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Objekt
3: Baumaterial
4: Energiestrahl
5: Bauraum
6: Erfassungseinrichtung
7: Strahlungseinrichtung
8: Erfassungsbereich von 6
9: Schutzschreibe
10: Erfassungsabschnitt
11: Lumineszenzglas
12: Licht
13: Lichtquelle
14: Beschichter
15: Bauplatte
16: Position
17: Position
18: Position
19: Position
20: Führungsmittel
21: Vorratsbehälter
22: Baubehälter
23: Heizmittel
100: Erfassen
101: Ermitteln
102: Ausgeben
110: Erfassungsinformation
111: Verunreinigungsgradinformation

Claims

Vorrichtung (1) zur generativen Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch sukzessive schichtweise selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren, insbesondere pulverförmigen, Baumaterial (3) vermittels wenigstens eines Energiestrahls (4), umfassend wenigstens eine Strahlungseinrichtung (7) zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls (4) zur schichtweisen selektiven Verfestigung einzelner Baumaterialschichten aus dem verfestigbaren Baumaterial (3) innerhalb eines Bauraums (5), gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung (6), welche zur Erfassung von prozessbedingt aus einem Baubehälter (22) und/oder aus einem Vorratsbehälter (21) gelöstem nicht verfestigten Baumaterial (3) eingerichtet ist, um einen Verunreinigungsgrad der Vorrichtung (1) zu ermitteln.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) eingerichtet ist, in einem Bauraum (5) schwebendes Baumaterial (3) und/oder innerhalb des Bauraums (5) abgelagertes Baumaterial (3) zu erfassen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) eingerichtet ist, das Baumaterial (3) vermittels wenigstens eines Kameramittels optisch und/oder vermittels eines Messmittels zur Massebestimmung zu erfassen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) innerhalb und/oder außerhalb des Bauraums (5) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) mit Ihrem Erfassungsbereich (8) einer Schutzschreibe (9) zugeordnet ist, durch welches der Energiestrahls (4) in den Bauraum (5) eintritt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem der Schutzscheibe (9) zugeordneten Erfassungsbereich (8) zumindest abschnittsweise ein Erfassungsabschnitt (10) mit einem Lumineszenzglas (11) und/oder mit einer Lumineszenzbeschichtung angeordnet oder ausgebildet ist, wobei der Erfassungsabschnitt (10) zumindest temporär mit Licht (12) einer Lichtquelle (13) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) eingerichtet ist, das in dem Lumineszenzglas (11) und/oder in der Lumineszenzbeschichtung abgeleitete Licht (12) der Lichtquelle (13) zu erfassen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (6) einen innerhalb des Bauraums (5) angeordneten Messabschnitt umfasst, der eingerichtet ist, anhand der Messung der Masse eines innerhalb des Bauraums (5) verorteten Erfassungsbereichs (8) auf einen Grad der Verunreinigung zu schließen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bauraums (5) im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung (1) eine gerichtete Gasströmung über eine Bauebene strömt, wobei ein Erfassungsbereich (8) der Erfassungseinrichtung (6) stromab der Bauebene angeordnet oder ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bauraums (5) ein Erfassungsbereich (8) - als Ausnehmung zur Aufnahme von im Bauraum (5) schwebenden oder vermittels einer Gasströmung oberhalb einer Baumaterialschicht bewegten und sich absetzenden Baumaterial (3) und/oder - als mit einem Haftmittel versehener Abschnitt ausgebildet ist, zum Anhaften von in dem Bauraum (5) schwebenden und sich absetzenden Baumaterials (3).
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) eingerichtet ist, die Betriebsparameter eines Motors zur Bewegung eines Arbeitsmittels der Vorrichtung (1), insbesondere eines Beschichters (14) und/oder einer Bauplatte (15) und/oder eines Gebläses, zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Motors einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung (1) zu ermitteln.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung (6) eingerichtet ist, die Betriebsparameter eines Heizmittels (16) zum zumindest abschnittsweisen Beheizen des Bauraums (5) der Vorrichtung (1) zu erfassen und aus der erfassten Information des Betriebsparameters des Heizmittels (16) einen Grad der Verunreinigung der Vorrichtung (1) zu ermitteln.
Verfahren zur Ermittlung eines Verunreinigungsgrads einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten, - Erfassen (100) einer Erfassungsinformation (110) einer Erfassungseinrichtung (6) und - Ermitteln (101) eines Verunreinigungsgrads basierend auf der Erfassungsinformation (110).