DE102021133722A1

DE102021133722A1 - Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102021133722A1
Application number: DE102021133722.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Rothaug; Victor Romanov
Original assignee: Kurtz & Co Kg GmbH
Current assignee: KURTZ GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023111363A1; WO2023111363A9

Abstract

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen, vorzugsweise mittels selektiven Schmelzen oder Sintern, insbesondere mittels eines Pulverbett basierten Laserstrahl-Schmelzverfahrens vorgesehen, die eine Steuereinrichtung auf-weist. Die Vorrichtung umfasst mehrere Bearbeitungsköpfe zum Lenken eines Lichtstrahlbündels auf einen Bearbeitungsbereich, wobei die Bearbeitungsköpfe jeweils an Schwenkarmen angeordnet sind, die wiederum an einem Schlitten angeordnet sind, die entlang einer Schieneneinrichtung verfahrbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven bzw. generativen Fertigen von Bauteilen.
Aus der DE 10 2016 222 068 A1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung mit mehreren räumlich getrennten Stahlführungen hervor. Ein Bearbeitungskopf weist mehrere optische Schaltelemente auf, über die mehrere Strahlen auf die Zielposition gerichtet werden können. Der Bearbeitungskopf ist an einer Linearachse verschiebbar ausgerichtet. Die Linearachse ist wiederrum verschiebbar an einer dazu senk-recht stehenden Linearachse montiert. Hierdurch ist eine X-Y-Bewegung möglich. Die Laserstrahlquelle oder -quellen sind auf der Linearachse befestigt.
Die WO 2018/202643 A1 offenbart eine Vorrichtung zur additiven Herstellung durch selektives Laser-sintern. Ein oder mehrere Laser sind einen oder mehreren Laserköpfen zugeordnet. Über die Strahlenteilerwerden diese Laser auf die einzelnen Köpfe verteilt. Die Köpfe sind über Schienen in X- und Y-Richtung verschiebbar. Die Köpfe können unabhängig voneinander verfahren werden. Die Lichtzuführung zu den Köpfen wird durch Spiegel realisiert.
Aus der US 10,399,183 B2 geht ein additives Herstellungsverfahren hervor, bei dem ein optischer Kopf über eine Glasfaser mit einem Laserstrahl versorgt wird. Hierdurch können mehrere Laserstrahlen zum selben Kopf geleitet und aus diesem parallel ausgeführt wer-den. Hierdurch sind parallele Schmelzpunkte an der Oberfläche des Pulverbettes möglich.
Ein ähnliches Verfahren ist in der US 10,399,145 B2 beschrieben.
In der US 2015/0283612 A1 , der US 2014/0198365 A1 und der JP2009-65 09A sind selektive Lasersintervorrichtung offenbart, die mehrere optische Köpfe aufweisen, die Laser-strahlen auf ein Pulverbett richten können. Diese Köpfe können selber nicht in X- und Y-Richtung verfahren werden, sondern lenken den Laserstrahl über Spiegel in die entsprechenden Positionen. Der Vorteil hierbei ist, dass ein Ortswechsel des Laserbrenn-punktes schnell geschehen kann. Die Köpfe müssen hierbei jedoch vergleichsweise weit von dem Pulverbett entfernt sein und können nur eine begrenzte Fläche beleuchten.
Die DE 10 053 742 C5 , die US 9,011,136 B1 und die CN 206065685 U zeigen Vorrichtungen zum Sintern mit Kreuzschlittenanordnung, ein additives Herstellungsverfahren mit mehreren Köpfen für Kunststoffdruck sowie eine Vorrichtung mit einem Kopf der sowohl ein 3D-Druck als auch ein 3D-Schneidelement aufweist.
Aus der US 2019/0009333 A1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen hervor, wobei mehrere parallel arbeitende Laserköpfe zum Schmelzen eines Materials gemäß einem pulverbettbasierten Laserschmelzen vorgesehen sind. Jeder der Laserköpfe ist entlang einer linearen Schieneneinrichtung bewegbar und die Laserköpfe können unabhängig voneinander bewegt werden. Dabei können das Array an Laserköpfen und die Pulverbettoberfläche relativ zueinander horizontal rotiert werden.
Die US 2017/0129012 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Her-stellung von Bauteilen, wobei die Vorrichtung mehrere Roboterarme umfasst, an denen jeweils ein Depositionskopf und ein Laserkopf benachbart zueinander angebracht sind. Die Roboterarme umfassen jeweils zumindest ein Drehgelenk und sind darin ausgebildet den Depositionskopf und den Laserkopf in alle drei Raumrichtungen zu bewegen. So kann mit-tels des Depositionskopfs Material auf eine Bearbeitungsfläche aufgebracht werden und direkt danach kann diese Stelle mit dem Laser aufgeschmolzen werden.
Aus der CN 106 312 574 A geht eine Vorrichtung hervor, umfassend Equipment für additive Herstellungsprozesse sowie für Fräsprozesse. Die Vorrichtung umfasst im Wesentlichen mehrere Roboterarme, die mit Greifelementen zum Bereitstellen von Material auf einer Arbeitsplattform bzw. zum Entfernen von fertigen Bauteilen oder mit einem Laserkopf ausgestattet sein können. Die Roboterarme umfassen jeweils zwei Gelenke und sind somit drehbar und schwenkbar gelagert. Die Vorrichtung umfasst weiter einen zentralen Fertigungsarm, der mit einem Laserkopf oder einem Fräskopf ausgestattet sein kann. Der zentrale Fertigungsraum kann linear entlang einer Schieneneinrichtung bewegt werden.
Die DE 10 2018 128 543 A1 weist eine Laminierformvorrichtung auf, bei der zwei parallel arbeitende Laserköpfe zum Schmelzen eines Materials gemäß einem Laminierformverahren vorgesehen sind. Beide Laserköpfe sind an eine Schieneneinrichtung gekoppelt und unabhängig voneinander linear bewegbar. Die Schieneneinrichtung ist dabei zusätzlich verfahrbar. So kann der Bearbeitungsbereich komplett abgedeckt werden. Der Laserstrahl wird von einer Fokussierungseinheit mittels zweier Spiegelelemente zum Bearbeitungsbereich geführt.
Aus der CN 206 065 685 U geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken her-vor, wobei ein Laser zum Schmelzen eines Ausgangsmaterials und ein Schneidelaser zum Bearbeiten der hergestellten Strukturen vorgesehen sind. Der Laser zum Schmelzen eines Ausgangsmaterials und der Schneidelaser können dabei unabhängig voneinander entlang mehrerer Schieneneinrichtungen sowohl horizontal als auch vertikal bewegt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen, vorzugsweise mittels selektivem Schmelzen oder Sintern bereitzustellen, die flexibel an unterschiedlich dimensionierte Bauteile anpassbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Fertigen von Bauteilen vorzusehen, die einfach ausgebildet sind, eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erlauben und mit welcher 3D-Bauteile mit hoher Präzision gefertigt werden können.
Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den davon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum additiven bzw. generativen Fertigen von Bauteilen, vorzugsweise mittels selektiven Schmelzen oder Sintern, insbesondere mittels eines Pulverbett basierten Laserstrahl-Schmelzverfahrens (LPBF; Laser Powder Bed Fusion) vorgesehen, die eine Steuereinrichtung aufweist. Die Vorrichtung umfasst mehrere Bearbeitungsköpfe zum Lenken eines Lichtstrahlbündels auf einen Bearbeitungsbereich, wobei die Bearbeitungsköpfe jeweils an Schwenkarmen angeordnet sind, die wiederum an einem Schlitten angeordnet sind, die entlang einer Schieneneinrichtung verfahrbar sind.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um die Vorrichtung
mit Schieneneinrichtungen an unterschiedlichen Positionen in einer Prozesskammer, und/oder mit unterschiedlichen Schieneneinrichtungen, und/oder
mit unterschiedlichen Arten von Schlitten, und/oder
mit unterschiedlichen Arten von Schwenkarmen, insbesondere hinsichtlich von Freiheitsgraden und/oder einer Länge der Arme, und/oder
mit einer unterschiedlichen Anzahl von Bearbeitungsköpfen pro Schieneneinrichtung, insbesondere mit einer entsprechenden Anzahl von Schwenkarmen und Schlitten, und/oder mit unterschiedlichen Arten von Bearbeitungsköpfen anzusteuern, so dass die Vorrichtung zum Fertigen unterschiedlicher Bauteile und/oder von unterschiedlichen Bereichen von Bauteilen entsprechend umgerüstet werden kann.
Dadurch, dass die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um unterschiedliche Bauteile der Vorrichtung entsprechend ansteuern zu können, wird eine Vorrichtung zum additiven Fertigen bereitgestellt, die sich entsprechend an die Geometrie, insbesondere an Materialanhäufungen und die entsprechenden Größen der Oberflächen eines additiv zu fertigenden Bauteils anpassen lässt.
Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst flexibel ausgebildet und innerhalb gewisser Grenzen an nahezu beliebig große und beliebig ausgestaltete Bauteile anpassbar.
Unter unterschiedlichen Arten von Schwenkarmen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass diese unterschiedliche Freiheitsgrade und/oder unterschiedlich lange Arme aufweisen können. Die Freiheitsgrade betreffen dabei insbesondere einen Schwenkradius der Schwenkarme.
Weiterhin kann die Vorrichtung eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahlbündels aufweisen, wobei der oder die Bearbeitungsköpfe entweder mit einer Strahlführung an die Lichtquelle gekoppelt sind, so dass das Lichtstrahlbündel zum Bearbeitungskopf geführt wird, oder die Lichtquelle unmittelbar am Bearbeitungskopf angeordnet ist, so dass ein Lichtstrahlbündel vom Bearbeitungskopf auf einem Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann, wobei der Bearbeitungskopf beweglich gelagert sein kann, so dass das Lichtstrahlbündel auf unterschiedliche Stellen im Bearbeitungsbereich gelenkt werden kann.
Die Bearbeitungsköpfe können jeweils als Druckköpfe oder Glättungsköpfe ausgebildet sein.
Unter einem additiven Fertigungsverfahren wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Lagen bzw. schichtweise Aufbauen eines dreidimensionalen Bauteils unter Verwendung eines Pulverbettes, einer Pulverzuführung oder auch einer Drahtzuführung, welche als Ausgangsmaterial dienen, und mittels Laserstrahl, Elektronenstrahl oder Plasma bzw. Lichtbogen aufgeschmolzen werden, verstanden. Demgemäß sind die in der Beschreibungseinleitung genannten generativen Fertigungsverfahren (3D-Drucken: Aufschmelzen und Erstarren (Laser Engineered Net Shaping (LENS), als Direct Metal Deposition (DMD) oder als Laser Additive Manufacturing (LAM)), lokalem Sintern oder Schmelzen, (Laser-Sintern (SLS)) Metall-Laser-Sintern (DMLS), Metall-Laser-Sintern (IMLS), Electron Beam Melting (EBM), Pulverbett basierten Laserstrahlschmelzen Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Laser Auftrag-schweißen) zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet eine Schieneneinrichtung mit zwei oder mehr Schlitten und jeweils einem Bearbeitungskopf pro Schlitten ein Modul aus, wobei eine unterschiedliche Anzahl von Modulen in vorbestimmten Positionen in entsprechenden Modulaufnahmen im Bearbeitungsbereich anordbar sind.
Durch das Vorsehen der entsprechenden Modulaufnahmen lässt sich die Dichte der Module entsprechend der Größe eines Bauteils und/oder der Materialanhäufung eines Bauteils in einem bestimmten Bereich erhöhen oder verringern, um ein entsprechendes Bauteil schnell, effektiv und mit hoher Qualität additiv fertigen zu können.
Die Modulaufnahme kann eine Halterung zum Aufnehmen einer Schieneneinrichtung aufweisen, die vorzugsweise auf zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten des Bearbeitungsbereichs anordbar ist.
Dadurch, dass eine entsprechende Halterung zum Aufnehmen einer Schieneneinrichtung vorgesehen ist, sind die entsprechenden Module auf einfache Weise in die Vorrichtung einbringbar bzw. einkoppelbar und können genauso einfach wieder entfernt werden.
Grundsätzlich ist ein manuelles Austauschen der Module der Vorrichtung vorgesehen. Die Halterungen könne dann bspw. Schnellspanneinrichtungen oder dergleichen zum Fixieren der Module aufweisen. Alternativ kann aber auch ein automatischer Wechsel der Module mittels eines Roboterarms vorgesehen sein, wenn die Vorrichtung bspw. in größeren Produktionsstraßen verwendet wird und wenn während der laufenden Produktion unterschiedlich dimensionierte Bauteile hergestellt werden sollen.
Die Schieneneinrichtungen sind vorzugsweise alle gleichartig oder im wesentlichen gleichartig ausgebildet. Dadurch lassen sich die Schieneneinrichtungen in jeder der Modulaufnahmen beziehungsweise den entsprechenden Halterungen anordnen und flexibel austauschen. Dies kann beispielsweise in der Serienfertigung auch dann vorteilhaft sein, wenn ein Modul beziehungsweise ein entsprechendes Bauteil eines Moduls nur noch eingeschränkt oder nicht mehr funktionsfähig ist.
An den Schieneneinrichtungen können vorzugsweise zwei oder vier Schlitten angeordnet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass an einer Schieneneinrichtung zumindest zwei oder drei oder vier beziehungsweise maximal fünf oder sechs oder sieben oder acht oder neun oder zehn Bearbeitungsköpfe angeordnet sind.
Die Halterungen der Modulaufnahmen können gleich beabstandet voneinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind diese ortsfest in der Vorrichtung angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Modulaufnahmen an einer entsprechenden Verfahreinrichtung angeordnet sind, um zwei oder mehr Module gemeinsam zu verfahren.
Ein Abstand zweier benachbarter Modulaufnahmen beträgt in etwa 5 cm bzw. zumindest 4 cm oder 5 cm oder 6 cm und maximal 7 cm oder 8 cm oder 9 cm oder 10 cm oder 15 cm oder 20 cm oder 25 cm oder 30 cm.
Die Module können somit in den Modulaufnahmen mit gleichen und/oder unterschiedlichen Abständen angeordnet sein.
Die Schieneneinrichtungen bzw. Module sind vorzugsweise derart beabstandet, dass die Abdeckungsbereiche sich von benachbarten Schieneneinrichtungen überlappen.
Weiterhin können die Module austauschbar sein, wobei in einem Magazin unterschiedliche Module mit unterschiedlichen Bearbeitungsköpfen und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Bearbeitungsköpfen und Schlitten vorgehalten sind. Somit können die Module in einer Art Werkzeugwechseleinrichtung vorgehalten werden, wobei diese wie vorstehend bereits aufgezeigt, vorzugsweise manuell, aber auch automatisch, beispielsweise mittels einer Robotereinrichtung austauschbar sind.
Zudem kann vorgesehen sein, dass Module mit einer höheren Anzahl an Schlitten die entsprechenden Bearbeitungsköpfe kürzere Schwenkarme aufweisen und wobei Module mit einer geringeren Anzahl an Schlitten die entsprechenden Bearbeitungsköpfe längere Schwenkarme aufweisen.
Auf diese Weise ist es möglich in Bereichen eines zu erzeugenden Bauteils mit größeren Materialanhäufung und/oder einer größeren Bauteiloberfläche eine höhere Anzahl von Schlitten mit entsprechenden Bearbeitungsköpfen vorzusehen ohne dass sich die entsprechenden Schwenkarme gegenseitig behindern beziehungsweise einander überlappende Schwenkbereiche ausgebildet werden.
An den Modulen und vorzugsweise auch an den entsprechenden Modulaufnahmen können Koppeleinrichtungen vorgesehen sein, über die die Module mit einer Stromquelle und der Steuereinrichtung und vorzugsweise zumindest einer Lichtquelle verbunden sind.
Es können eine oder mehrere Lasereinrichtung bzw. Lichtquellen zum Erzeugen eines Laserstrahls für alle Bearbeitungsköpfe vorgesehen sein. Die Lasereinrichtung kann dann bspw. mit einem Lichtleiter mit jedem einzelnen Bearbeitungskopf verbunden sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine entsprechende Stromleitung ggfs. mit Datenleitung in der Schieneneinrichtung angeordnet ist, beziehungsweise die Schieneneinrichtung ausbildet, sodass die Schieneneinrichtung auch zum Stromtransport verwendet werden kann.
Alternativ kann auch direkt am jeweiligen Bearbeitungskopf eine entsprechende Lasereinrichtung angeordnet sein.
In der Steuereinrichtung können unterschiedliche Verfahrgeschwindigkeiten für die Schlitten und/oder die Schwenkarme und/oder unterschiedliche Druckgeschwindigkeiten und/oder unterschiedliche Temperaturen für die Bearbeitungsköpfe hinterlegt sein, die anhand der verwendeten Komponenten, insbesondere der Module der Vorrichtung und/oder anhand von Bauplänen der zu fertigenden Bauteile entsprechend automatisch und/oder manuell auswählbar sind.
Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung variabel an unterschiedlich dimensionierte Bauteile anpassbar und flexibel in ihrem Einsatzbereich.
Weiterhin kann die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet sein, um anhand von Bauplänen für unterschiedliche Bauteile auszuwählen welche Komponenten, insbesondere Module der Vorrichtung zur Herstellung benötigt werden und diese dann entsprechend angezeigt werden können.
Insbesondere kann wenigstens ein Abstandssensor zur vorzugsweise elektrooptischen Entfernungsmessung vorgesehen sein, um die Position der Schlitten und/oder Schwenkarme und/oder Bearbeitungsköpfen optisch zu überwachen. Dies wir im Folgenden noch näher beschrieben.
Die Vorrichtung kann zumindest eine Prozesskammer, zumindest eine Bauplattform und zumindest eine Materialzuführeinrichtung aufweisen.
Als Materialzuführeinrichtung ist vorzugsweise eine entsprechende Zuführeinrichtung, bspw. eine Vorratszylinder mit Auftragseinrichtung (Rakel), für ein Pulverbettverfahren vorgesehen. Alternativ könnte auch eine Drahtzuführung vorgesehen sein.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Berechnen einer optimalen Konfiguration einer Druckvorrichtung vorgesehen. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Einlesen von Bauteildaten,
Ermitteln des lokalen Arbeitsbedarfs in den einzelnen Schichten, und bestimmen einer optimalen Konfiguration entsprechend der Bedarfsbearbeitungsbedürfnisse aller Schichten beziehungsweise der additiv zu fertigenden Schichten eines Bauteils.

Unter einer optimalen Konfiguration wird eine Konfiguration verstanden, um ein Bauteil an Hand seiner Geometrie bzw. seiner Materialanhäufungen auszubilden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich anhand der Bauteildaten den lokalen Arbeitsbedarf in den einzelnen Schichten zu ermitteln. Anschließend kann eine optimale Konfiguration entsprechend der Bearbeitungsbedürfnisse aller Schichten beziehungsweise ein entsprechender Aufbau insbesondere hinsichtlich der Komponenten der Vorrichtung gewählt werden, um das Bauteil möglichst effizient auszubilden. Hierfür werden dann die entsprechend geeigneten Module ausgewählt um ein Bauteil möglichst schnell, sicher und zuverlässig und mit hoher Qualität herstellen zu können.
Die optimale Konfiguration kann erfolgen, indem
Druckbereichen mit großer Materialanhäufung eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Materialanhäufung kurze Schwenkarme angeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Oberfläche eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Oberfläche kurze Schwenkarme zugeordnet werden.
Die Bearbeitungsköpfe jeweils mittels eines um eine vertikale Schwenkachse schwenkbaren Schwenkarmes an jeweils einem der Schlitten angeordnet sein.
Durch das Vorsehen mehrerer Bearbeitungsköpfe können mehrere Lichtstrahlbündel gleichzeitig auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden, so dass parallel mehrere Stellen im Bearbeitungsbereich geschmolzen bzw. gesintert werden können. Die Bearbeitungsköpfe sind auf bzw. an einem Schlitten angeordnet und entlang einer Traverse bzw. einer Schieneneinrichtung verfahrbar. Dies erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Positionieren der Bearbeitungsköpfe über den Bearbeitungsbereich.
Vorzugsweise sind die Bearbeitungsköpfe jeweils mittels eines schwenkbaren Schwenkarmes an jeweils einem der Schlitten angeordnet. Durch das Vorsehen derartiger, vorzugsweise um eine vertikale Schwenkachse schwenkbarer, Schwenkarme für die Bearbeitungsköpfe, die an jeweils einem Schlitten angeordnet sind, können die Bearbeitungsköpfe schnell über einen großen Abschnitt des Bearbeitungsbereiches an einer beliebigen Stelle positioniert werden. Dieser Abschnitt erstreckt sich um die Schieneneinrichtung, entlang der jeweilige Schlitten mit dem jeweiligen Bearbeitungskopf verfahrbar ist in einem Bereich um die Schwenkachse des Schwenkarmes, der sich zu beiden Seiten um eine Breite erstreckt, die der Länge des Schwenkarms entspricht. Dieser Abschnitt ist somit streifenförmig um die Schieneneinrichtungen mit einer Breite, die etwa der doppelten Länge der Schwenkarme entspricht. Dieser streifen-förmige Abschnitt wird im Folgenden als Abdeckungsbereich bezeichnet, da die Bearbeitungsköpfe, die an den Schlitten einer Schieneneinrichtung angeordnet sind, an einer beliebigen Position innerhalb des Abdeckungsbereichs angeordnet werden können und somit im Abdeckungsbereich an einer beliebigen Stelle den Bearbeitungsbereich mit einem Lichtstrahl-bündel beaufschlagen bzw. abdecken können.
Die Schwenkarme können ausschließlich um die vertikale Achse schwenkbar ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist sehr einfach im Vergleich zu mehrachsigen Roboterarmen. Trotzdem können die Bearbeitungsköpfe sehr schnell und präzise positioniert wer-den und durch die parallele Bearbeitung wird ein hoher Durchsatz erzielt.
Die Schwenkarmen können mit einer Länge von zum Beispiel zumindest 5 cm, vorzugs-weise zumindest 10 cm bzw. zumindest 15 cm, und insbesondere zumindest 20 cm ausgebildet sein. Je länger die Schwenkarme sind, desto breiter sind die Abdeckungsbereiche.
Es kann zweckmäßig sein, die Bearbeitungsköpfe nur in einem eingeschränkten Winkelbereich der Schwenkarme zu positionieren, denn je stärker die Schwenkarme den Bearbeitungskopf von der Schieneneinrichtung wegschwenken, desto ungenauer wird die Position des Bearbeitungskopfes in Richtung parallel zur Schieneneinrichtung. Der Winkelbereich kann bspw. auf einen maximalen Schwenkwinkel bzgl. der Schieneneinrichtung von maximal 60° bzw. maximal 45° beschränkt werden. Bei einem maximalen Schwenkwinkel von 45° verringert sich die Breite des Abdeckungsbereichs auf eine Länge des Schwenkarms.
Entlang den Schwenkarmen kann die Strahlführung für das jeweilige Lichtstrahlbündel mittels Reflektorelemente ausgebildet sein. Dies ermöglicht sehr leichte Schwenkarme, welche ein geringes Rotationsträgheitsmoment besitzen, so dass sie schnell an eine beliebige Drehposition geschwenkt werden können.
Die Schwenkarme sind vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. An einem jeden von der Schwenkachse des Schwenkarmes entfernten Ende kann ein Spiegel zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahlbündels auf dem Bearbeitungsbereich vorgesehen sein.
Die Strahlführungen können zumindest teilweise als Lichtleiter ausgebildet sein. Der Licht-eiter kann sich von der Lichtquelle bis zum jeweiligen Bearbeitungskopf erstrecken. Der jeweilige Lichtleiter kann jedoch auch lediglich von der Lichtquelle bis zum schwenkbar gelagerten Ende des jeweiligen Schwenkarms geführt sein und dort mit seinem Ende so angeordnet sein, dass das Lichtstrahlbündel in eine Strahlführung entlang dem Schwenk-arm einkoppelt, welche mittels Reflektorelemente ausgebildet ist. Eine solche Ausführung weist den Vorteil auf, dass der Schwenkarm um 360° oder mehr gedreht werden kann, ohne dass der Lichtleiter gedreht werden muss. Das Ende des Lichtleiters, an dem das Licht vom Lichtleiter in die Strahlführung am Schwenkarm eingekoppelt wird, kann bezüglich des Schlittens, an dem der Schwenkarm befestigt ist, ortsfest angeordnet sein.
Das Ende des Lichtleiters kann alternativ ortsfest derart am Schwenkarm angeordnet sein, so dass das Lichtstrahlbündel in Richtung zum freien Ende des Schwenkarms abgegeben wird, vorzugsweise parallel zum Schwenkarm. Am freien Ende des Schwenkarms kann ein Reflektorelement zum Lenken des jeweiligen Lichtstrahlbündels auf den Bearbeitungsbereich vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Umlenkspiegel.
Das Reflektorelement kann ein parabolischer Spiegel oder ein Spiegel mit Freiformfläche zum Bündeln des Lichtes sein, so dass im Strahlengang keine optische Linse notwendig ist.
Die Schieneneinrichtungen, auf welchen die Schlitten beweglich gelagert sind, können über die Halterungen der Modulaufnahmen ortsfest angeordnet sein. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer Ausführung mit an Schwenkarmen angeordneten Bearbeitungsköpfen vorteilhaft, da eine solche ortsfeste Anordnung wesentlich einfacher zur Vermeidung von Kollisionen unterschiedlicher Schwenkarme an-steuerbar ist, als bei einer Vorrichtung, bei welcher die Schwenkarme schwenkbar, die Schlitten entlang der Schieneneinrichtungen verfahrbar und die Schieneneinrichtungen selbst quer zu ihrer Längs-richtung verfahrbar sind. Zudem kann mit einer ortsfesten Anordnung der Schieneneinrichtungen und Schwenkarmen an den Schlitten mit einigen wenigen Schieneneinrichtungen eine vollständige Abdeckung des Bearbeitungsbereichs erzielt werden, sofern die Schwenkarme nicht zu kurz ausgebildet sind. Da die an den freien Enden der Schwenkarme angeordneten Bearbeitungsköpfe sehr leicht ausgebildet sein können, beispielsweise lediglich durch einen kleinen Spiegel, kann auch bei längeren Schwenkarmen mit einer Länge von zum Beispiel zumindest 10 cm, vorzugsweise zumindest 15 cm, uns und insbesondere zumindest 20 cm ein geringes Rotationsträgheitsmoment erzielt werden.
Vorzugsweise sind auf jeder Schieneneinrichtung zumindest zwei unabhängig voneinander verfahrbare Schlitten gelagert, wobei ein jeder Schlitten einen Bearbeitungskopf aufweist. Es können auch mehr als zwei Schlitten, zum Beispiel drei oder vier Schlitten, pro Schieneneinrichtung vorgesehen sein.
Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, welche jeweils einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen zugeordnet sind. Die Lichtquellen sind vorzugsweise Laser, insbesondere CO2-Laser oder ND:YAG-Laser. CO2-Laser werden vor allem zum Schmelzen oder Sintern von Kunststoffpulver ND:YAG-Laser zum Schmelzen oder Sintern von Metallpulver eingesetzt. Ein solcher CO2-Laser weist bspw. eine Lichtleistung von 30 W bis 70 W und ein ND:YAG-Laser von 100 W bis 1.000 Wund mehr auf. Die Lichtquellen können auch Leuchtdioden, insbesondere Super-Lumineszenz-Leuchtdioden, und/oder Halbleiterlaser sein.
Durch das Vorsehen mehrerer Lichtquellen und mehrerer Bearbeitungsköpfe, welche unabhängig voneinander im Bearbeitungsbereich positioniert werden können, ist es möglich, dass an mehreren Stellen im Bearbeitungsbereich gleichzeitig Pulver geschmolzen bzw. gesintert wird, um ein 3D-Bauteil herzustellen. Dieses gleichzeitige Schmelzen oder Sintern des Pulvers erhöht die Fertigungsgeschwindigkeit der generativen Fertigung mit der vorliegenden Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen erheblich. Selbst wenn die Bearbeitungsköpfe an den einzelnen Stellen etwas länger verbleiben, kann eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erzielt werden. Hierdurch ist es möglich, dass Lichtquellen mit vergleichsweise geringer Lichtleistung verwendet werden können. Dies senkt erheblich die Kosten der Vorrichtung.
Zum Verteilen des Lichtstrahlbündels einer der Lichtquellen auf unterschiedliche Strahlführung kann ein Multiplexer vorgesehen sein. Ein solcher Multiplexer ist vorzugsweise bei sehr lichtstarken Lichtquellen zweckmäßig, mit welchen das Pulver mit kurzen Impulsen geschmolzen bzw. gesintert werden kann. Die Vorrichtung weist vorzugsweise im Bearbeitungsbereich ein Pulverbett auf, in dem sich Pulver befinden kann, das mittels der Lichtstrahlbündel selektiv aufgeschmolzen wird.
Das Pulver kann ein Metallpulver oder Kunststoffpulver sein.
Die einzelnen Schwenkarme können in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein, um so Kollisionen beim Bewegen der Schwenkarme zu vermeiden.
Die einzelnen Lichtquellen können so ausgebildet sein, dass sie Lichtstrahlbündel mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. unterschiedlichen Frequenzbereichen und/oder unter-schiedlichen Intensitäten abgeben. Hierdurch kann der selektive Schmelz- bzw. Sintervor-gang individuell gesteuert werden. Dies erlaubt bspw. eine Steuerung der Porosität des hiermit hergestellten Produktes.
Die Lichtstrahlbündel können auch unterschiedlich stark auf den Bearbeitungsbereich fokussiert werden. Die Fokussierung kann beispielsweise mittels eines Objektives und/oder einer Höhenverstellung der Bearbeitungsköpfe eingestellt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann Pulver in einem Pulverbett gleichzeitig an mehreren Stellen geschmolzen bzw. gesintert werden.
In der gesamten Vorrichtung kann eine Inertgasatmosphäre ausgebildet sein, insbesondere eine Stickstoff- und/oder Argonatmosphäre. Durch den Einsatz einer Inertgasatmosphäre kann eine Oxidation des Pulvers bzw. des Bauteils während der Bauteilfertigung verhindert werden. Bei der Ausbildung und Aufrechterhaltung der Inertgasatmosphäre ist es möglich, Schmutzpartikel auf einfache Weise aus dem Inneren der Vorrichtung zu filtern.
Bevorzugt ist eine Optik, insbesondere eine Zoom-Optik vorgesehen, um die Fokussierung des emittierten Lichtstrahlbündels zu ändern. Die Fokussierung des Lichtstrahlbündels kann auf einfache Weise an unterschiedliche Abstände zum Bearbeitungsbereich angepasst werden. Gleichzeitig können durch eine gezielte Fokuseinstellung der Energieeintrag und die bestrahlte Fläche verändert werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist wenigstens ein Abstandssensor zur vorzugsweise elektrooptischen Entfernungsmessung vorgesehen. Der Abstandssensor kann an oder auf der beweglichen Komponente angeordnet sein und den Abstand zu einem anderen Objekt, bzw. die Entfernung zwischen Sensor und dem anderen Objekt, messen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Abstandssensor an einem anderen Objekt angeordnet ist und den Abstand zu der beweglichen Komponente misst. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der beweglichen Komponente und einem anderen Objekt jederzeit gemessen und bestimmt werden. Die von dem oder den Abstandssensor erfassten Daten werden entsprechend von der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung verarbeitet.
Bevorzugt ist der Abstandssensor ortsfest angeordnet, um den Abstand zwischen dem Sensor und der beweglichen Komponente zu messen. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen einem Fixpunkt und der beweglichen Komponente jederzeit gemessen und bestimmt werden. Die bewegliche Komponente kann ein Referenzobjekt aufweisen, wobei der Abstandssensor das Referenzobjekt erfasst und den Abstand zum Referenzobjekt misst. Als Referenzobjekt kann beispielsweise ein Reflektor, insbesondere ein Prismenreflektor, verwendet werden. Der Abstandssensor kann schwenkbar ausgebildet sein, um auf das Referenzobjekt ausgerichtet werden zu können.
Die Entfernungsmessung kann mittels Triangulation und/oder Messung der Phasenlage und/oder Messung der Laufzeit erfolgen. Bei einer Entfernungsmessung durch Messung der Phasenlage wird ein Laserstrahl emittiert. Die Phasenverschiebung des reflektierten Laser-strahls oder dessen Modulation gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Die Entfernungsmessung mittels Messung der Phasenlage weist eine hohe Genauigkeit auf. Bei der Lasertriangulation wird ein Lichtstrahl auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Sensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösen-den Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, so ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet. Die Entfernungsmessung mittels Triangulation ist einfach, kostengünstig und dennoch sehr präzise. Bei der Messung der Laufzeit wird ein Lichtpuls oder ein modulierter Lichtstrahl ausgesandt. Die Laufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um von der Quelle zu einem Reflektor, zumeist einem Retroreflektor, und wieder zurück zur Quelle zu laufen. Durch Messen dieser Laufzeit kann über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Zur Abstandsmessung können alternativ oder zusätzlich auch Sensoren verwendet werden, die Linien oder Flächen bzw. Ebenen abtasten, oder räumliche Messungen vornehmen können, wie beispielsweise Stereokameras zur dreidimensionalen Lokalisierung eines oder mehrerer Objekte. Entsprechende Sensoren müssen aufgrund ihres großen Aufnahmebereichs nicht verschwenkbar ausgebildet sein.
Anstelle von optischen Sensoren können auch andere Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren oder Sensoren, welche mittels der Laufzeit von Funkwellen den Abstand bestimmen, verwendet werden.
Die Steuer- bzw. die Steuer- und Regelungsvorrichtung kann somit derart ausgebildet sein, dass die bewegliche Komponente in Abhängigkeit von der gemessenen Entfernung zwischen dem Abstandssensor und der beweglichen Komponente in eine Sollposition verfahrbar ist. Der Einsatz von Abstandssensoren zusammen mit einer Steuer- und Regelung ermöglicht den Einsatz einer kostengünstigen und besonders leichten Bewegungseinrichtung zum Verfahren der beweglichen Komponente bzw. der Schlitten. Eine kostengünstige und leichte Bewegungseinrichtung ist weist eine geringe Genauigkeit in der Positionierung auf, ist dafür aber besonders schnell verfahrbar. Die Position der beweglichen Komponente kann in Abhängigkeit vom Abstand der beweglichen Komponente zu dem Abstands-sensor geregelt werden. Je mehr sich die bewegliche Komponente ihrer Sollposition annähert, desto langsamer kann die Komponente verfahren werden. Es kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die bewegliche Komponente die Sollposition exakt erreichen kann. Die Bewegungseinrichtung kann einfach und vor allem leicht und günstig ausgebildet sein, da die Präzision der Bewegung und Positionierung durch die Abstandsmessung und die Regelung in einer geschlossenen Regelschleife sichergestellt wird. Als Regler können Proportional-Regler, sogenannte P-Regler, Proportional-Integral-Regler, sogenannte PI-Regler, und/oder Proportional-Integral-Differential-Regler, sogenannte PID-Regler, in der Regelschleife eingesetzt werden.
Es können zwei, vorzugsweise drei Abstandssensoren zur Entfernungsmessung zwischen den Abstandssensoren und der beweglichen Komponente vorgesehen sein, um die räumliche Position der beweglichen Komponente zu bestimmen. Wird die bewegliche Komponente lediglich in einer Ebene verfahren, das heißt in zwei Dimensionen, kann ihre Position durch die Abstandsmessung von zwei Abstandssensoren exakt bestimmt werden. Durch die Messung von drei Abständen zwischen der beweglichen Komponente und drei ortsfesten angeordneten Abstandssensoren, kann die räumliche Position der beweglichen Komponente in drei Dimensionen exakt bestimmt werden. Wird die bewegliche Komponente lediglich in einer Richtung verfahren, so kann auch ein Sensor zur Entfernungsmessung ausreichend sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehr als drei Abstandssensoren und wenigstens zwei bewegliche Komponenten vorgesehen, wobei jede bewegliche Komponente in jeder Position von wenigstens drei Abstandssensoren zur Entfernungsmessung erfassbar ist. Dabei kann ein Abstandssensor zur Abstandmessung zwischen sich und beiden beweglichen Komponenten verwendet werden. In Abhängigkeit von den Positionen einer ersten beweglichen Komponente, kann ein Abstandssensor von dieser ersten beweglichen Komponente derart verdeckt sein, dass eine Abstandsmessung zu einer zweiten beweglichen Komponente nicht möglich ist. In einem solchen Fall kann die Entfernungsmessung über einen anderen Abstandssensor erfolgen, der über einen direkten optischen Zugang zu der zweiten beweglichen Komponente verfügt. Dies ermöglicht, dass für jede Positionsbestimmung einer beweglichen Komponente durch Abstandsmessung auf verschiedene oder die gleichen Abstandssensoren zurückgegriffen wird.
Die Abstandssensoren können ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise über einem Träger mit dem Fundament der Vorrichtung verbunden sein. Die Abstands-sensoren können über eine Abstandsmessung die Position der Oberfläche des Pulverbettes bestimmen und im Anschluss mit Hilfe einer weiteren Abstandsmessung die Position einer beweglichen Komponente, beispielsweise eines Bearbeitungskopfes ermitteln. Der Bearbeitungskopf kann in Abhängigkeit von der Position des Pulverbettes, also der Höhe des Pulverbettes, in eine Sollposition verfahren werden, um den geforderten Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und der Oberfläche des Pulverbettes einzustellen. Das Verfahren eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe in ihre Sollposition kann dabei mit Hilfe der oben beschriebenen Steuer- und Regelungsvorrichtung erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Abstandssensoren mit einem Bearbeitungskopf verbunden bzw. auf diesem angeordnet sind und der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und der Pulverbettober-fläche bestimmt wird, um anschließend die Bearbeitungsköpfe auf einen Sollabstand zur Oberfläche des Pulverbettes zu verfahren.
Anstelle der Position eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe kann auch die Position einer Schieneneinrichtung oder eine andere Komponente einer Bewegungsrichtung, beispielsweise eines Schlittens, bestimmt und relativ zu der Oberfläche des Pulverbettes positioniert werden. Hierzu kann ein oder mehrere Abstandssensoren direkt mit der Schieneneinrichtung verbunden sein und den Abstand zur Oberfläche des Pulverbettes messen.
Auf die gleiche Weise kann auch eine Rakel, bspw. relativ zu der Pulverbettoberfläche, positioniert werden. Wenigstens ein Abstandssensor kann hierfür mit der Rakel verbunden oder ortsfest in der Vorrichtung angeordnet sein.
Es können jeder beweglichen Komponente jeweils drei Abstandssensoren zur Entfernungsmessung fest zugeordnet sein. Dieselben drei Abstandssensoren können für jede Entfernungsmessung derselben beweglichen Komponente zugeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Abstandssensoren für jede Entfernungsmessung einer Komponente neu zugeordnet werden. Auf diese Weise können jeder beweglichen Komponente bei jeder neuen Entfernungsmessung teilweise oder vollständig andere Abstandssensoren zugeordnet werden als bei einer vorhergehenden Entfernungsmessung.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können bedarfsweise miteinander kombiniert werden. Die vorbeschriebenen Aspekte der Erfindung sind nicht auf die durch die gewählte Absatzformatierung vorgegeben Kombinationen von Erfindungsmerk-malen beschränkt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be-schreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen und der Zeichnungen selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Diese zeigen in

1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum additiven Fertigen, und
2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung zum additiven Fertigen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen vorgesehen. Diese wird im vorliegenden kurz als „3D-Drucker“ 1 bezeichnet. Der 3D-Drucker 1 umfasst eine geschlossene Prozesskammer 2.
In der Prozesskammer 2 sind benachbart zueinander eine Produktionseinrichtung 3 und eine Vorratseinrichtung 4 angeordnet.
Die Vorratseinrichtung 4 umfasst einen Vorratsbehälter 5 in dem ein Pulver 6 vorgehalten ist. Eine Bodenwandung 7 des Vorratsbehälters ist mittels einer Vorrats- Kolbenzylindereinheit 8 in vertikaler Richtung verfahrbar. Auf diese Weise lässt sich das im Vorratsbehälter vorgehaltene Pulver 6 in vertikaler Richtung nach oben transportieren.
Die Produktionseinrichtung 3 weist eine Bauplattform 9 auf. Die Bauplattform 9 ist mittels einer Produktions-Kolben-Zylindereinheit 10 ebenfalls in vertikaler Richtung verfahrbar.
Weiterhin weist der 3D-Drucker 1 eine Rakel 11 auf mit der sich das Pulver 6 aus der Vorratseinrichtung 4 in horizontaler Richtung 23 auf die Bauplattform 9 der Produktionseinrichtung 3 aufbringen lässt. Auf diese Weise kann ein Pulverbett 12 auf der Bauplattform 9 ausgebildet werden.
Im Bereich der Bauplattform 9 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei in einer Draufsicht von oben parallel zueinander angeordnete Module 13 vorgesehen.
Ein solches Modul 13 umfasst eine Schieneneinrichtung 14, mehrere Schlitten 15 mit entsprechenden Bearbeitungsköpfen 16, wobei die Bearbeitungsköpfe 16 über Schwenkarme 17 mit den Schlitten verbunden sind.
Die Module 13 sind über entsprechende Modulaufnahmen 18 fixiert. Zum Fixieren der Module 13 in den Modulaufnahmen 18 weisen die Modulaufnahmen entsprechende Halterungen 19 auf.
Die Schlitten 15 weisen Antriebseinrichtungen (nicht dargestellt) auf mit denen die Schlitten 15 und somit die Bearbeitungsköpfe 16 entlang einer Längsrichtung 20 der Schieneneinrichtungen verfahrbar sind.
Über eine Koppeleinrichtung 21 sind die Schlitten 15 und die Bearbeitungsköpfe 16 mit einer Steuereinrichtung 22 verbunden.
In der Steuereinrichtung 22 können unterschiedliche Verfahrgeschwindigkeiten für die Schlitten 15 und/oder die Schwenkarme 16 und/oder unterschiedliche Druckgeschwindigkeiten und/oder unterschiedliche Temperaturen für die Bearbeitungsköpfe 17 hinterlegt sein, die anhand der verwendeten Komponenten, insbesondere der Module 13 der Vorrichtung 1 und/oder anhand von Bauplänen der zu fertigenden Bauteile entsprechend automatisch und/oder manuell auswählbar sind.
Weiterhin kann die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet sein, um anhand von Bauplänen für unterschiedliche Bauteile auszuwählen welche Komponenten, insbesondere Module der Vorrichtung zur Herstellung benötigt werden und diese dann entsprechend angezeigt werden können.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Berechnen einer optimalen Konfiguration einer Druckvorrichtung vorgesehen. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Unter einer optimalen Konfiguration wird eine Konfiguration verstanden, um ein Bauteil an Hand seiner Geometrie bzw. seiner Materialanhäufungen auszubilden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich anhand der Bauteildaten den lokalen Arbeitsbedarf in den einzelnen Schichten zu ermitteln. Anschließend kann eine optimale Konfiguration entsprechend der Bearbeitungsbedürfnisse aller Schichten beziehungsweise ein entsprechender Aufbau insbesondere hinsichtlich der Komponenten der Vorrichtung gewählt werden, um das Bauteil möglichst effizient auszubilden. Hierfür werden dann die entsprechend geeigneten Module ausgewählt um ein Bauteil möglichst schnell, sicher und zuverlässig und mit hoher Qualität herstellen zu können.
Die optimale Konfiguration erfolgt, indem
Druckbereichen mit großer Materialanhäufung eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Materialanhäufung kurze Schwenkarme angeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Oberfläche eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder indem
Druckbereichen mit großer Oberfläche kurze Schwenkarme zugeordnet werden.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung aufgezeigt.
Die Schieneneinrichtungen 14 sind zueinander parallel angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Schieneneinrichtungen 14 vorgesehen (1, 2). Die mittlere Schieneneinrichtung 14 ist etwas höher als die beiden äußeren Schieneneinrichtungen 14 angeordnet.
Die Schlitten 15 werden von der Steuereinrichtung angesteuert und können selbsttätig mittels einer Antriebseinrichtung entlang der jeweiligen Schieneneinrichtung 14 bewegt werden. Eine Antriebseinrichtung kann einen von einem externen Motor angetriebenen Antriebsriemen umfassen, der an den jeweiligen Schlitten 15 gekoppelt ist. Es kann jedoch auch im Schlitten 15 selbst ein Antriebsmechanismus, wie zum Beispiel ein von einem Motor angetriebenes Antriebsrad vorgesehen sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Schlitten mittels eines Linearmotors anzutreiben.
Am Schlitten 15 ist der Schwenkarm 16 mittels eines Schwenkgelenks angeordnet. Der Schwenkarm 16 ist mit dem Schwenkgelenk, vorzugsweise um eine vertikale Schwenkachse, drehbar gelagert. Am Schlitten 15 ist ein Schrittmotor zum Drehen des Schwenkarms 16 um die Schwenkachse vorgesehen. Am von der Schwenkachse entfernten Ende des Schwenkarms 16 ist der Bearbeitungskopf 17 vorgesehen.
Dieser ist durch ein Ende eines Lichtleiters und einer an dem Ende des Lichtleiters angeordneten optischen Linse ausgebildet. Der Bearbeitungskopf 17 ist derart angeordnet, dass ein in dem Lichtleitergeführtes Lichtstrahlbündel vertikal nach unten abgegeben wird.
Der Lichtleiter ist aus einer biegsamen optischen Faser ausgebildet. Die optische Faser kann bspw. eine Glasfaser oder eine optische Polymerfaser sein.
Der Lichtleiter führt zu einer Lichtquelle, die ein beabstandet von dem Schwenkarm 18 angeordnet ist. Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein CO2-Laser oder ein ND:YAG-Laser oder ein Faserlaser. Die Lichtquelle kann auch ein Halbleiter-Laser oder eine Leuchtdiode, insbesondere eine Super-Lumineszenz-Leuchtdiode sein.
Es kann auch ein Array von Lichtquellen vorgesehen sein, das für jeden Bearbeitungskopf eine Lichtquelle aufweist.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen des Schwenkarms erläutert, welche genauso wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform ausgebildet sind, sofern nichts anderes angegeben ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Schwenkarms 16 ist die Lichtquelle zusammen mit der optischen Linse unmittelbar am von der Schwenkachse entfernten Ende des Schwenkarms 17 derart angeordnet, dass ein Lichtstrahlbündel vertikal nach unten ausgesendet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Strahlführung von der Lichtquelle bis zum Schlitten 15 mittels eines Lichtleiters und entlang dem Schwenkarm 16 mittels Reflektorelementen ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Reflektorelemente jeweils als Spiegel ausgebildet. Sie können jedoch auch durch andere, ein Lichtstrahlbündel ablenkende optische Elemente, wie zum Beispiel Prismen oder dergleichen, dargestellt werden.
Das Schwenkgelenk weist eine vertikal verlaufende Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsloch auf. Benachbart oberhalb dem Durchgangsloch ist das von der Lichtquelle entfernte Ende des Lichtleiters 26 zusammen mit einer Kopplungslinse angeordnet, so dass das von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahlbündel über den Lichtleiter übertragen und von dort in das Durchgangsloch des Schwenkgelenks eingekoppelt wird. Unterhalb des Durchgangslochs ist ein erstes Reflektorelement angeordnet, dass das Lichtstrahlbündel derart umlenkt, dass das Lichtstrahlbündel in Richtung zum freien Ende des Schwenkarms gelenkt wird. Am freien, von der Schwenkachse entfernten Ende des Schwenkarms ist das zweite Reflektorelement angeordnet, dass das Lichtstrahlbündel vertikal nach unten ablenkt. Optional kann in dem Strahlengang zwischen dem Ende des Lichtleiters, welches benachbart zum Schwenkgelenk angeordnet ist, und dem zweiten Reflektorelement eine optische Linse zum Bündeln des Lichtstrahl-bündels vorgesehen sein. Anstelle der optischen Linse 30 kann auch ein Objektiv vorgesehen sein, mit welchem der Grad der Bündelung des Lichtstrahlbündels verändert werden kann.
Das erste und/oder zweite Reflektorelement kann derart geformt sein, bspw. als Parabolspiegel oder Freiformspielgel, so dass er das reflektierte Licht bündelt. Hierdurch ist es nicht notwendig eine optische Linse im Strahlengang anzuordnen oder es kann eine optische Linse mit geringer Brechkraft im Strahlengang vorgesehen sein.
Beim Bewegen des Bearbeitungskopfes 17 mittels des Schwenkarms 16 wird der Lichtleiter lediglich entlang der Schieneneinrichtung 14 mit seinem im Schlitten 15 angeordneten Ende bewegt. Der Schwenkarm 16 kann eine Drehbewegung ausführen, die keinen Einfluss auf die Position des Lichtleiters hat. Hierdurch ist es möglich, dass der Schwenkarm 16 eine oder mehrere vollständige Umdrehungen durchführen kann, ohne dass hierdurch die Funktionalität des Lichtleiters beeinträchtigt wird, da sie bei einer solchen Drehbewegung des Schwenkarms nicht mitgenommen wird.
Mit einer solchen Anordnung kann man somit eine Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 17 jeweils mittels eines Schwenkarms an einem entlang den Schieneneinrichtungen 14 verfahrbaren Schlitten 15 vorsehen, wobei sichergestellt ist, dass die einzelnen Lichtleiter sich nicht miteinander verheddern können. Hierdurch lässt sich einfach ein 3D-Drucker 1 schaffen, welcher zumindest acht, vorzugsweise zumindest zwölf und insbesondere zumindest sechzehn Bearbeitungsköpfe aufweist, die allesamt gleichzeitig oder quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel beaufschlagt werden können.
Die Lichtquellen können im Dauerbetrieb (cw) oder im Pulsbetrieb (pw) das Lichtstrahl-bündel erzeugen. Bei einer gepulsten Lichtquelle 25 mit einer hohen Lichtintensität kann es auch zweckmäßig sein, eine Lichtquelle mehreren Bearbeitungsköpfen zuzuordnen, wobei dann ein Multiplexer zwischen der Lichtquelle und den jeweiligen Bearbeitungs-köpfen angeordnet ist, so dass mit dem Multiplexer das von der Lichtquelle erzeugte Lichtstrahlbündel eindeutig einem der mehreren Bearbeitungsköpfe zugeleitet wird. Der Wechsel zwischen den einzelnen Bearbeitungsköpfen kann so schnell erfolgen, dass der Wechsel im Vergleich zum Schmelz- oder Sintervorgang so schnell ist, dass die einzelnen, hieran gekoppelten Bearbeitungsköpfe 13 als quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel beaufschlagt betrachtet werden können.
Eine weitere Ausführungsform des Schwenkarms weist als Lichtquelle einen gepumpten Laser mit einer Lichtpumpe und einem Resonator auf, welche über einen Lichtleiter 34 miteinander verbunden sind. Der Resonator umfasst ein aktives Medium, das vorzugsweise aus einem Festkörper besteht und das mittels von der Lichtpumpe abgegebenen Pumplicht angeregt oder gepumpt wird.
Der Resonator ist zusammen mit der optischen Linse unmittelbar am von der Schwenkachse entfernten Ende des Schwenkarms 17 derart angeordnet, dass ein Lichtstrahlbündel vertikal nach unten ausgesendet werden kann. Die Lichtpumpe ist am Schlitten derart angeordnet, dass sie die Schwenkbewegung des Schwenkarms nicht mitmacht. Die Lichtpumpe umfasst in der Regel einen oder mehrere Halbleiterlaser und einen Kühlkörper mit Kühlrippen. Die Lichtpumpe ist wesentlich schwerer als der Resonator und die optische Linse. Da nur der Resonator und die optische Linse und nicht die Lichtpumpe 3bewegt werden, ist das Rotationsträgheitsmoment des Schwenkarms 16 gering.
Bei dieser Ausführungsform ist die Lichtpumpe am Schlitten 15 angeordnet. Die Lichtpumpe kann jedoch auch unabhängig bzw. entfernt vom Schlitten angeordnet sein.
Diese Ausführungsform kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass an Stelle des Lichtleiters eine Strahlführung mit Reflektorelementen vorgesehen ist. Dann kann der Lichtleiter entweder vollständig entfallen oder nur bis zum Schlitten geführt werden, wenn die Lichtpumpe entfernt vom Schlitten angeordnet ist.
Als gepumpter Laser wird vorzugsweise ein ND:YAG-Laser und als Lichtpumpe ein oder mehrere Laserdioden mit einer Wellenlänge von 808 nm verwendet. Es kann jedoch auch ein anderer Laser, wie z.B. ein Yb:YAG-Laser vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Strahlführung von der Lichtquelle bis zum Schwenkarm 16 mittels eines Lichtleiters ausgebildet. Der Lichtleiter ist von der Lichtquelle bis zum Schwenkarm 16 geführt, wobei der Lichtleiter mit seinem von der Lichtquelle entfernten Ende unterhalb des Schwenkarms 16 im Bereich des Schlittens 15 angeordnet ist. Der Lichtleiter ist derart mit dem Schwenkarm 16 verbunden, dass der Lichtleiter im Bereich des Schlittens 15 entlang des Schwenkarms geführt ist und sein der Lichtquelle entferntes Ende zum freien Ende des Schwenkarms 16 zeigt. Am freien Ende des Schwenkarms 18 ist ein Reflektorelement angeordnet, das als Spiegel ausgebildet ist. Das Reflektorelement kann jedoch auch durch andere, ein Lichtstrahlbündel ablenkendes optisches Element, wie zum Beispiel ein Prisma oder dergleichen, dargestellt werden.
Ein von der Lichtquelle abgegebenes Lichtstrahlbündel wird von dem Lichtleiter übertragen und derart an seinem von der Lichtquelle entfernten Ende abgegeben, dass das Lichtstrahlbündel entlang des Schwenkarms 16 in Richtung zum Reflektorelement gelenkt wird, vorzugsweise parallel zum Schwenkarm 16. Am freien Ende des Schwenkarms 16 ist das zweite Reflektorelement angeordnet, das das Lichtstrahlbündel nach unten auf den Bearbeitungsbereich umlenkt. Optional kann in dem Strahlengang zwischen dem Ende des Lichtleiters und dem Reflektorelement eine optische Linse zum Bündeln des Lichtstrahlbündels vorgesehen sein. Anstelle der optischen Linse kann auch ein Objektiv vorgesehen sein, um den Grad der Bündelung des Lichtstrahlbündels verändern zu können und/oder das Reflektorelement entsprechend gekrümmt ausgebildet sein.
Mit einer solchen Anordnung kann somit eine Vielzahl von Bearbeitungsköpfen 17 jeweils mittels eines Schwenkarms 16 an einem entlang den Schieneneinrichtungen 14 verfahrbaren Schlitten 17 vorsehen sein, wobei sichergestellt ist, dass die einzelnen Lichtleiter sich nicht miteinander verheddern können. Hierdurch lässt sich einfach ein 3D-Drucker 1 schaffen, welcher zumindest acht, vorzugsweise zumindest zwölf und insbesondere zumindest sechzehn Bearbeitungsköpfe 17 aufweist, die allesamt gleichzeitig oder quasi gleichzeitig mit einem Lichtstrahlbündel beaufschlagt werden können.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schieneneinrichtungen 14 und damit auch die daran angebrachten Schwenkarme 16 auf unterschiedlichem Niveau angeordnet, so dass die Schwenkarme 16, die an der mittleren Schieneneinrichtung 14 angeordnet sind, nicht mit den Schwenkarmen 16 kollidieren können, welche an den äußeren Schieneneinrichtungen 14 angeordnet sind. Das Niveau der Schwenkarme 16 kann auch unterschiedlich ausgebildet sein, wenn alle Schieneneinrichtungen auf gleicher Höhe angeordnet sind. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Schwenkgelenke an den einzelnen Schlitten 15 unterschiedlich hoch angebracht sind. Die Schieneneinrichtungen können aber auch alle in einer Ebene angeordnet sein.
Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel sind die Schwenkarme 16 nicht in Vertikalrichtung verstellbar. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, entweder am Schlitten 15 eine Einrichtung zum Verstellen der vertikalen Position des Schwenkarms 16 vorzusehen oder die Schieneneinrichtungen 14 in der vertikalen Position verstellbar auszubilden. Dies kann insbesondere zweckmäßig sein, um beim Abstreichen des Pulverbetts 12 mittels der Rakel 11 ausreichend Platz für die Bewegung der Rakel zwischen dem Pulverbett 12 und den Schwenkarmen 16 zu schaffen und nachdem die Rakel 11 sich wieder außerhalb des Bereiches des Pulverbettes 12 befindet, können die Schwenkarme 16 abgesenkt werden, um die Bearbeitungsköpfe 17 möglichst nahe an der Oberfläche des sich im Pulverbett 12 befindlichen Pulvers 6 anzuordnen.
Die Lichtquellen für die einzelnen Bearbeitungsköpfe 17 können identisch ausgebildet sein und jeweils ein Lichtstrahlbündel mit dergleichen Intensität und der gleichen Frequenz bzw. dem gleichen Frequenzbereich erzeugen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, unterschiedliche Lichtquellen für die unterschiedlichen Bearbeitungsköpfe vorzusehen, mit welchen Licht mit unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereichen ausgestrahlt wird und/oder mit unterschiedlichen Intensitäten. Es können auch Lichtquellen vorgesehen sein, mit welchen die Wellenlänge des Lichtes über einen bestimmten Bereich abstimmbar ist. Derartige in der Frequenz abstimmbare Laser sind bekannt und weisen in der Regel einen Halbleiterverstärker auf.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass gleichzeitig durch die mehreren Bearbeitungsköpfe 17 unterschiedliche Stellen des im Pulverbett 12 befindlichen Pulvers 6 mit Licht und damit mit Wärme beaufschlagt werden können und gleichzeitig aufgeschmolzen bzw. gesintert werden können. Hierdurch wird der Fertigungsvorgang parallelisiert und erheblich gegenüber herkömmlichen 3D-Druckern beschleunigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind optische Abstandssensoren zum Messen der Abstände zwischen den Referenzelementen und den Abstandssensoren verwendet. Derartige Abstandssensoren sind kostengünstig und besitzen eine sehr hohe Auflösung. Sie können mittels Triangulation den Abstand zum Referenzelement bestimmen. Bei der Triangulation wird ein optisches Strahlbündel, beispielsweise ein Laserstrahl auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Abstandssensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, so ändert sich auch der Winkel, unter dem der Licht-punkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet. Die Entfernungsmessung mittels Triangulation ist sehr ein-fach und kostengünstig. Bei geringen Anforderungen an die Genauigkeit kann auch die Strahlung einer Leuchtdiode als Lichtstrahlbündel verwendet werden.
Die Entfernungsmessung kann auch durch Messung der Phasenlage erfolgen. Bei der Messung der Phasenlage wird ein optisches Strahlbündel, beispielsweise ein Laserstrahl, emittiert. Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Die Entfernungsmessung mittels Messung der Phasenlage weist eine hohe Genauigkeit auf.
Bei einer Entfernungsmessung über die Laufzeit wird ein zeitlich kurzer Lichtpuls, ein konstanter Lichtstrahl oder eine Lichtmodulation ausgesandt. Die Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl benötigt, um von der Quelle, zu einem Reflektor und wieder zurück zur Quelle zu laufen. Durch Messen dieser Laufzeit kann über die Lichtgeschwindigkeit die Dis-tanz zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden.
Zur Abstandsmessung können auch Sensoren verwendet werden, die Linien oder Flächen bzw. Ebenen abtasten, wie beispielsweise Stereokameras zur dreidimensionalen Lokalisierung eines oder mehrerer Objekte. Entsprechende Sensoren müssen aufgrund ihres großen Aufnahmebereichs nicht verschwenkbar ausgebildet sein.
An Stelle von optischen Sensoren können auch andere Sensoren, wie z.B. Ultraschallsensoren oder Sensoren, welche mittels der Laufzeit von Funkwellen den Abstand bestimmen, verwendet werden.
Unabhängig von der Art der Sensoren liegt der Vorteil darin, dass die Position der Bearbeitungsköpfe aufgrund der Regelschleife sehr exakt eingestellt werden kann. Dies kann auch zum Bestimmen der Position der lediglich in einer Ebene verfahrbaren Bearbeitungsköpfe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden.
Zum zielgenauen Positionieren kann nach dem Start die Ist-Position der beweglichen Komponente, beispielsweise des Bearbeitungskopf 17 erfasst werden. Hierzu kann der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 17 und dem jeweiligen Abstandssensor gemessen werden. Die Erfassung der Ist-Position erfolgt dabei durch eine Abstandsmessung mit Hilfe der Abstandssensoren. Aus den drei Abstandsmessungen kann die Ist-Position des Bearbeitungskopfes auf einfache Weise bestimmt werden. Entspricht die Ist-Position der Soll-Position, so ist nicht weiter zu veranlassen und die Bauteilfertigung kann fortgesetzt werden.
Die Position der beweglichen Komponente, beispielsweise des Bearbeitungskopfes 17, kann absolut im Raum bestimmt werden. Die Position der beweglichen Komponente kann jedoch auch relativ zu einer weiteren Komponente bestimmt werden. Im letztgenannten Fall wird der Abstand zwischen den beiden Komponenten bestimmt.
Die Ist-Position der beweglichen Komponente kann in jeder Raumrichtung bzw. in Bezug auf jede Achse einzeln und nacheinander bis zum Erreichen der Soll-Position geregelt wer-den. Es ist jedoch auch möglich, die Position der beweglichen Komponente in allen drei Raumrichtungen bzw. bezüglich aller Achsen gleichzeitig zu regeln.
Die Abstandssensoren können ortsfest in der Prozesskammer 2 des 3D-Druckers 1, angeordnet sein. Die Abstandssensoren können über eine Abstandsmessung die Position der Oberfläche des Pulverbettes 12 bestimmen und im Anschluss mit Hilfe einer weiteren Abstandsmessung die Position einer beweglichen Komponente, beispielsweise eines Bearbeitungskopfes 17 ermitteln. Der Bearbeitungskopf 17 kann in Abhängigkeit von der Position des Pulverbettes 12, also der Höhe des Pulverbettes 12, in eine Sollposition verfahren werden, um einen erforderlichen Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 17 und der Oberfläche des Pulverbettes 12 einzustellen. Das Verfahren eines oder mehrerer Bearbeitungsköpfe 17 in ihre Sollposition kann dabei mit Hilfe der oben beschriebenen Steuer- und Regelungsvorrichtung erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Abstandssensoren mit einem Bearbeitungskopf 17 verbunden bzw. auf diesem angeordnet sind und der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf 17 und der Pulverbettoberfläche direkt bestimmt wird, um anschließend die Bearbeitungsköpfe 17 auf einen Sollabstand zur Oberfläche des Pulverbettes 12 zu verfahren.
Entspricht die Ist-Position nicht der Sollposition, so wird im Anschluss die Position des Bearbeitungskopfes 17 modifiziert. Hierfür kann ein Antrieb gestartet und die Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes 17 in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Ist-Position und der Sollposition eingestellt werden. Je kleiner der Abstand zwischen der Ist-Position und der Soll-Position ist, desto geringer kann die Verfahrgeschwindigkeit gewählt werden. Nach einer festgelegten Zeiteinheit und/oder einer definiert zurückgelegten Strecken kann die Ist-Position erneut erfasst und anschließend ggf. modifiziert werden. Es ist auch möglich, die Ist-Position kontinuierlich zu erfassen. Auf diese Weise kann eine geschlossene Regelschleife geschaffen werden. Durch diese Regelung ist es möglich, mit einer einfachen, günstigen und an sich nicht sehr exakte Bewegungseinrichtung den Bearbeitungskopf 17 exakt in eine Sollposition zu überführen. Die Genauigkeit der Positionierung wird alleine durch die Abstandsmessung mittels der Abstandssensoren festgelegt.
Bezugszeichenliste

1: 3D- Drucker
2: Prozesskammer
3: Produktionseinrichtung
4: Vorratseinrichtung
5: Vorratsbehälter
6: Pulver
7: Bodenwandung
8: Vorrats-Kolben-Zylindereinheit
9: Bauplattform
10: Produktions-Kolben-Zylindereinheit
11: Rakel
12: Pulverbett
13: Modul
14: Schieneneinrichtung
15: Schlitten
16: Bearbeitungskopf
17: Schwenkarm
18: Modulaufnahme
19: Halterung
20: Längsrichtung
21: Koppeleinrichtung
22: Steuereinrichtung
23: horizontale Richtung

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

DE 102016222068 A1 [0002]
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CN 106312574 A [0010]
DE 102018128543 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen, vorzugsweise mittels selektivem Schmelzen oder Sintern, die eine Steuereinrichtung aufweist, und wobei mehrere Bearbeitungsköpfe zum Lenken eines Lichtstrahlbündels auf einen Bearbeitungsbereich vorgesehen sind, und die Bearbeitungsköpfe jeweils an Schwenkarmen angeordnet sind, die wiederum an einem Schlitten angeordnet sind, die entlang einer Schieneneinrichtung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um die Vorrichtung mit Schieneneinrichtungen an unterschiedlichen Positionen in einer Prozesskammer, und/oder mit unterschiedlichen Schieneneinrichtungen, und/oder mit unterschiedlichen Arten von Schlitten, und/oder, mit unterschiedlichen Arten von Schwenkarmen, und/oder mit einer unterschiedlichen Anzahl von Bearbeitungsköpfen pro Schieneneinrichtung, und/oder mit unterschiedlichen Arten von Bearbeitungsköpfen anzusteuern, so dass die Vorrichtung zum Fertigen unterschiedlicher Bauteile und/oder von unterschiedlichen Bereichen von Bauteilen entsprechend umgerüstet werden kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schieneneinrichtung mit zwei oder mehr Schlitten und jeweils einem Bearbeitungskopf pro Schlitten ein Modul ausbildet, wobei eine unterschiedliche Anzahl von Modulen in vorbestimmten Positionen in entsprechenden Modulaufnahmen im Bearbeitungsbereich anordbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulaufnahme eine Halterung zum Aufnehmen einer Schieneneinrichtung aufweist, die vorzugsweise auf zwei einander diametral gegenüberliegenden Seiten des Bearbeitungsbereichs anordbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen gleichbeabstandet voneinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module in den Modulaufnahmen mit gleichen und/oder unterschiedlichen Abständen angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Module austauschbar sind, und in einem Magazin unterschiedliche Module mit unterschiedlichen Bearbeitungsköpfen und/oder einer unterschiedlichen Anzahl von Bearbeitungsköpfen und Schlitten vorgehalten sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Module mit mehr Schlitten die Bearbeitungsköpfe kürzere Schwenkarme aufweisen und wobei Module mit weniger Schlitten längere Schwenkarme aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Module über Koppeleinrichtungen mit einer Stromquelle und der Steuereinrichtung und vorzugsweise einer Lichtquelle verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung unterschiedliche Verfahrgeschwindigkeiten für Schlitten und Schwenkarme und/oder unterschiedliche Druckgeschwindigkeiten und/oder unterschiedliche Temperaturen für die Bearbeitungsköpfe hinterlegt sind, die anhand der verwendeten Komponenten, insbesondere der Module der Vorrichtung und/oder anhand von Bauplänen für Bauteile entsprechend automatisch und/oder manuell auswählbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet und ausgebildet ist, um anhand von Bauplänen für unterschiedliche Bauteile auszuwählen welche Komponenten, insbesondere Module der Vorrichtung zur Herstellung benötigt werden und diese dann entsprechend anzeigbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Schieneneinrichtungen miteinander gekoppelt und zusammen verfahrbar sind
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abstandssensor zur vorzugsweise elektrooptischen Entfernungsmessung vorgesehen ist, um die Position der Schlitten und Bearbeitungsköpfe optisch zu überwachen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Prozesskammer, eine oder mehrere Bauplattformen und zumindest eine Materialzuführeinrichtung aufweist
Verfahren zum Berechnen einer optimalen Konfiguration einer Druckvorrichtung umfassen die folgenden Schritte: Einlesen von Bauteildaten Ermitteln des lokalen Arbeitsbedarfs in den einzelnen Schichten Bestimmen einer optimalen Konfiguration entsprechend der Bearbeitungsbedürfnisse aller Schichten.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Konfiguration erfolgt, indem Druckbereichen mit großer Materialanhäufung eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder indem Druckbereichen mit großer Materialanhäufung kurze Schwenkarme zugeordnet werden, und/oder indem Druckbereichen mit großer Oberflächen eine große Anzahl an Bearbeitungsköpfen zugeordnet werden, und/oder idem Druckbereichen mit großer Oberfläche kurze Schwenkarme zugeordnet werden.