DE102022200351A1

DE102022200351A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung

Info

Publication number: DE102022200351A1
Application number: DE102022200351.9A
Authority: DE
Inventors: Tom Eggers; Sven Crull
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung, bei dem ein Schichtaufbau aus mehreren Schichten (7) aus pulverförmigem Material (4) erzeugt wird, wobei ein Zusatzstoff (10) auf und/oder in zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4) auf- bzw. eingebracht wird, bereichsweise Partikel des pulverförmigen Materials (4) zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes (2) verbunden werden, ungebundenes pulverförmige Material (4) entfernt wird, wobei Pulvervolumen, in denen Zusatzstoff (10) vorhanden ist, detektiert wird, und bei Entfernung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff (10) detektiert wurde oder wird, wenigstens ein Parameter der Bewegung des Pulvervolumens geändert wird.Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Bei der Herstellung von Gegenständen oder Teilen von Gegenständen mittels generativer bzw. additiver Herstellungsverfahren wird der herzustellende Gegenstand schichtweise aus einem formlosen, beispielsweise pulverförmigen Material aufgebaut. In einer jeweiligen Schicht wird zwecks Verfestigung bereichsweise Bindemittel oder thermische Energie eingebracht. Danach wird das vorhandene pulverförmige Material, das nicht verfestigt wurde, entfernt. Dieser Vorgang ist demzufolge mit erhöhter Vorsicht durchzuführen, da sich die Gegenstände bei diesem Vorgang bewegen und sich gegebenenfalls gegenseitig beschädigen können.
Derzeit erfolgt die Pulverentfernung bei der pulverbasierten additiven Fertigung manuell mit einem Pinsel und einer Düse sowie einem Absaugsystem, um das lose, ungebundene pulverförmige Material zu entfernen. Dieses Verfahren ist fehleranfällig und ineffizient. Erschwerend kommt hinzu, dass der Anwender während der Pulverentnahme nicht genau über die Position der Gegenstände im Pulverbett informiert ist und es daher signifikant häufig zu einer Kollision zwischen Pinsel oder Düse und dem zu entpulvernden Gegenstand kommen kann. Der jeweilige Gegenstand, der aus dem Pulverbett herauszunehmen ist, weist für gewöhnlich nicht eine derartige Festigkeit auf, dass derartige Kollisionen keine Beschädigungen zur Folge haben. Daraus resultiert eine erhöhte Ausschussquote.
Ein allgemein bekannter Ansatz zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung von Fotos der virtuellen Baustelle, also einer numerischen Simulation des Druckprozesses, um die Position der Bauteile im Pulverbett zu bestimmen. Dieser Ansatz gibt jedoch keine exakte Auskunft über die Lage der Gegenstände im Pulverbett. Die Folge ist ein erhöhter Ausschuss an Gegenständen. Außerdem ist die Inspektion und Interpretation von Fotos des virtuellen Prozessraums fehleranfällig.
Die EP 3 250 362 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, umfassend das Bilden einer Bauschicht, die einen Bereich aus verfestigtem Baumaterial und einen Bereich aus nicht verfestigtem Baumaterial umfasst, wobei das Bilden der Bauschicht das Ablagern einer Schicht aus nicht verfestigtem Baumaterial und das Behandeln des Baumaterials umfasst, um den Bereich aus verfestigtem Baumaterial zu bilden. Dabei umfasst das Verfahren das Bestimmen eines Kantenprofils für die Bauschicht, wobei das Bestimmen des Kantenprofils das Messen einer Höhenänderung der Bauschicht entlang eines Übergangs zwischen dem Bereich des verfestigten Baumaterials und dem Bereich des nicht verfestigten Baumaterials umfasst.
Die EP 3 689 606 A1 offenbart ein additives Fertigungssystem umfassend eine Steuerung, die betriebsmäßig mit einem Bildverarbeitungssystem und einer additiven Fertigungsmaschine verbunden ist. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Werkstückoberfläche jedes einer Vielzahl von Werkstücken aus einer oder mehreren digitalen Darstellungen eines oder mehrerer Sichtfelder bestimmt, die von einem Bildverarbeitungssystem erfasst wurden, und dass sie eine oder mehrere Koordinaten der Werkstückoberfläche von entsprechenden Werkstücken der Vielzahl von Werkstücken bestimmt, und zum Übertragen eines oder mehrerer Druckbefehle an eine additive Fertigungsmaschine umfasst, um eine Vielzahl von Verlängerungssegmenten auf der Werkstückoberfläche von jeweiligen der Vielzahl von Werkstücken additiv zu drucken, wobei der eine oder die mehreren Druckbefehle zumindest teilweise auf der Grundlage der einen oder mehreren digitalen Darstellungen des einen oder der mehreren Sichtfelder erzeugt wurden.
Die EP 3 427 868 A1 offenbart ein additiv hergestelltes Element mit einer Trägerstruktur, die mit einem Gegenstandskörper verbunden ist. Die Verbinder, die die Trägerstruktur mit dem Gegenstandskörper verbinden, sind verschmolzene Träger. Das Dokument offenbart ferner ein Verfahren zum Entfernen der Trägerstruktur von dem Gegenstandskörper unter Umgehung eines elektrischen Stroms durch die verschmolzenen Träger, wodurch die verschmolzenen Träger gebrochen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Herstellung mehrerer Gegenstände in effizienter sowie kostengünstiger Weise mit geringer Ausschussrate ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Herstellung von einem Gegenstand gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2-9 aufgezeigt.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung, bei dem ein Schichtaufbau aus mehreren Schichten aus pulverförmigem Material erzeugt wird, wobei ein Zusatzstoff auf und/oder in zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material auf- bzw. eingebracht wird, bereichsweise Partikel des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes verbunden werden, ungebundenes pulverförmige Material entfernt wird. Des Weiteren wird Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff vorhanden ist, detektiert, und bei Entfernung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff detektiert wurde oder wird, wird wenigstens ein Parameter der Bewegung des Pulvervolumens geändert.
Ein pulverförmiges Material im Sinne der Erfindung ist ein formloses Material, z. B. ein Pulver oder ein Schüttgut, das im Wesentlichen aus kleineren Partikeln zusammengesetzt ist, wie zum Beispiel Sand oder ein Metallpulver.
Das pulverförmige Material wird mittels einer Materialausgabeeinheit beispielsweise auf eine Herstellungsebene ausgebracht. Die Herstellungsebene dient dazu, das ausgebrachte Material zu tragen bzw. abzustützen. Die Herstellungsebene kann eine Plattform sein, an der der Schichtaufbau aus pulverförmigem Material als ein Pulverbett erzeugt wird. Alternativ kann die Herstellungsebene als ein Tragelement beziehungsweise als ein Behälter ausgebildet sein, wie beispielswiese eine sogenannte Jobbox, in der der Schichtaufbau aus pulverförmigem Material als ein Pulverbett erzeugt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird wenigstens ein Schichtaufbau aus mehreren Schichten aus pulverförmigem Material erzeugt, wobei ein Zusatzstoff auf und/oder in zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material auf- bzw. eingebracht wird, und bereichsweise Partikel des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes verbunden werden, zum Beispiel mittels Binder oder Wärmeeinbringung, so dass benachbarte Partikel mit größerer Festigkeit miteinander verbunden werden als bei bloßer Anordnung in einem Pulverbett.
Der Zusatzstoff hat keine Funktion eines Binders zur Verfestigung des Zusammenhalts zwischen Partikeln.
Es können verschiedene generative Fertigungsverfahren wie etwa Stereolithografie, Laserstrahlschmelzen, Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen, Fused Layer Modelling und Digital Light Processing zum Einsatz kommen, die unterschiedliche pulverförmige Materialien verarbeiten können und die somit auch für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind.
Zumindest auf die Oberfläche einer Schicht des pulverförmigen Materials kann ein Verfestigungsmittel aufgebracht werden, so dass bereichsweise die Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials des Pulverbetts zwecks Herstellung wenigstens eines Gegenstandes verstärkt wird. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass das Verfestigungsmittel teilweise in das pulverförmige Material eindringt.
Ein Verfestigungsmittel kann im Kontext pulverbettbasierter generativer Fertigung, insbesondere beim Binder-Jetting-Verfahren, auch als Binder bezeichnet werden. Es dient dazu, in dem Bereich, in dem es auf- oder eingetragen wird, die Partikel des pulverförmigen Materials miteinander zu verbinden. Das Verfestigungsmittel wird bereichsweise auf die Oberfläche des pulverförmigen Materials aufgetragen, nämlich in den Bereichen, in denen ein Abschnitt oder eine Schicht des Gegenstands ausgebildet werden soll.
Alternativ oder zusätzlich zum Verfestigungsmittel kann mittels der Materialverstärkungseinheit, die zum Beispiel als eine Laservorrichtung ausgebildet ist, bereichsweise thermische Energie in das ausgebrachte formlose Material bzw. in die Oberfläche des pulverförmigen Materials eingebracht werden. Mittels der thermischen Energie kann das pulverförmige Material in der Herstellungsebene bereichsweise aufgeschmolzen oder wenigstens angeschmolzen werden, sodass ein Abschnitt oder eine Schicht des herzustellenden Gegenstandes durch anschließende Erstarrung des zuvor aufgeschmolzenen Materials erzeugt wird.
Die Herstellungsebene, in die Verfestigungsmittel und/oder thermische Energie eingebracht wird, ist zu der Materialverstärkungseinheit beabstandet.
Gemäß dem Verfahren wird ungebundenes pulverförmiges Material zumindest teilweise entfernt, wobei Pulvervolumen, in denen Zusatzstoff vorhanden ist, detektiert wird. Durch die Detektion des Zusatzstoffes wird erkannt, wo ungebundenes pulverförmiges Material vorhanden ist, so dass es dann zum Beispiel mittels einer Entfernungseinheit entfernt werden kann.
Bei Detektion von Zusatzstoff im pulverförmigen Material durch die Detektionseinheit kann die Detektionseinheit ein optisches und/oder akustisches und/oder haptisches Signal an einen Anlagenbediener der Entfernungseinheit senden, insbesondere bei einer manuellen Entfernung des pulverförmigen Materials.
Bei Entfernung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff detektiert wurde oder wird, wird wenigstens ein Verfahrensparameter geändert. Der Verfahrensparameter kann die Richtung der Bewegung der Entfernungseinheit und damit von pulverförmigem Material, die Geschwindigkeit der Bewegung der Entfernungseinheit und damit von pulverförmigem Material und/oder der Volumenstrom des entfernten pulverförmigen Materials sein.
Der Zusatzstoff kann zwischen den einzelnen Schichten des pulverförmigen Materials auf die jeweilige Schicht des jeweiligen pulverförmigen Materials eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die jeweilige Schicht aus dem Zusatzstoff auf der jeweiligen Schicht aus dem pulverförmigen Material erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass es eine fehlerfreie Entpulverung mindestens eines Gegenstandes aus dem Pulverbett in der pulverbettbasierten generativen Fertigung ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf verschiedene pulverbettbasierte generative Fertigungsverfahren und ist in der pulverbettbasierten generativen Fertigung von Kunststoff-, Metall- und Keramikgegenständen anwendbar. Die Verwendung herkömmlicher Düsen- oder Auftragsaggregate ist möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effiziente und kostensparende Entpulverung, da die Entpulverung gezielt und/oder automatisiert durchgeführt werden kann. Weiterhin wird eine Reduzierung der Ausschussrate sowie eine Erhöhung der Wertschöpfung in der pulverbasierten generativen Fertigung ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass mindestens ein Druckbereich des mindestens einen Gegenstands festgelegt wird, in dem Partikel des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes bereichsweise verbunden werden sollen, und der Zusatzstoff auf und/oder in zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material außerhalb des mindestens einen Druckbereichs auf- bzw. eingebracht wird.
Die Ermittlung des mindestens einen Druckbereichs des mindestens einen Gegenstands kann durch eine „Computer Aided Design“ (CAD)-Geometrie des herzustellenden Gegenstands erfolgen. Hierbei können z.B. die Koordinaten der CAD-Geometrie eingelesen werden. Dadurch wird der entsprechende Druckbereich in jeder Schicht des pulverförmigen Materials ermittelt. Dabei kann der Bereich der jeweiligen Schicht des pulverförmigen Materials außerhalb des mindestens einen Druckbereichs ermittelt werden, in dem der Zusatzstoff auf und/oder in mindestens eine Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht oder eingebracht wird.
Dadurch können vorteilhafterweise nur die Bereiche des losen, ungebundenen pulverförmigen Materials außerhalb des herzustellenden Gegenstands mit dem Zusatzstoff versehen werden und nicht die Bereiche, in denen der mindestens eine Gegenstand gebildet werden soll, um den Bereich der Ausbildung des Gegenstandes von zu entfernenden pulverförmigen Material unterscheiden zu können.
In einem Fall ist ein homogenes Aufbringen des Zusatzstoffes auf die Bereiche des losen, ungebundenen pulverförmigen Materials denkbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Menge des auf und/oder in die zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material aufgebrachten bzw. eingebrachten Zusatzstoffes außerhalb des mindestens einen Druckbereichs variiert wird, so dass eine Verteilung der Menge des Zusatzstoffes auf und/oder in die zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material realisiert wird. Durch die Änderung der Verteilung der Menge des Zusatzstoffes ist eine fehlerfreie Erkennung der Position des Gegenstandes und die Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Materials beziehungsweise die Entpulverung des Gegenstandes möglich, ohne dass es zu Kollisionen kommt.
Bevorzugt wird eine lokale Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffes ermittelt, wobei ein Bereich als Bereich mit vorhandenem Zusatzstoff detektiert wird, wenn der Zusatzstoff in dem Bereich mindestens mit in einer definierten Mindestkonzentration vorhanden ist.
Mit anderen Worten wird jeweils eine lokale Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffes ermittelt, z.B. mittels der Detektionseinheit, und mit einem definierten, kritischen Wert der Konzentration des Zusatzstoffes verglichen.
Wenn beispielsweise eine Detektionseinheit über die Oberfläche der Schicht des pulverförmigen Materials bewegt wird, die dem Bereich des ungebundenen pulverförmigen Materials entspricht, wird die entsprechende lokale Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffs ermittelt und mit dem kritischen Wert der festgelegten Konzentration verglichen. Wenn an einer Stelle auf der Oberfläche der Pulverschicht die gemessene lokale Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffs größer oder gleich dem eingestellten kritischen Wert ist, kann die Detektionseinheit ein Signal an die Entfernungseinheit senden. Nach Erhalt des Signals wird die Entfernungseinheit aktiviert und das ungebundene pulverförmige Material entfernt, wobei wenigstens ein Parameter der Bewegung der Entfernungseinheit in Abhängigkeit vom erhaltenen Signal eingestellt wird, so dass in Abhängigkeit von diesem Signal die entfernte Menge des ungebundenen pulverförmigen Materials je Zeiteinheit variiert wird.
Wenn der kritische Wert erreicht ist, bewegt sich die Entfernungseinheit zur Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Materials nicht weiter entlang der Richtung der Zunahme des Zusatzstoffen und damit nicht näher an den Gegenstand. Dieser kritische Wert kann so optimiert werden, dass sich ein Mindestabstand zwischen der Entfernungseinheit und dem mindestens einen Gegenstand ergibt, ohne dass es zu einer Kollision kommt. Möglich ist z.B. ein Mindestabstand von ca. 1-5 mm. Je größer der eingehaltene Abstand ist, umso geringer ist die Gefahr einer Kollision des mindestens einen Gegenstandes mit der Entfernungseinheit.
Dadurch lässt sich eine Kollision zwischen der Entfernungseinheit und dem Gegenstand vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das ungebundene pulverförmige Material mittels einer Entfernungseinheit entfernt wird, die als eine Absaugungseinheit ausgebildet ist, wobei basierend auf der ermittelten lokalen Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffes ein Öffnungsquerschnitt der Absaugungseinheit variiert wird, so dass eine jeweilige Menge des ungebundenen pulverförmigen Materials, die mittels der Entfernungseinheit entfernt wird, je Zeiteinheit variiert wird.
Abhängig von der detektierten Konzentration des Zusatzstoffs im ungebundenen pulverförmigen Material kann die Öffnungsgröße bzw. der Öffnungsquerschnitt minimiert oder maximiert werden, um eine entsprechend große oder geringe Menge des ungebundenen pulverförmigen Materials zu entnehmen.
Beispielsweise kann der Öffnungsquerschnitt mit abnehmendem Abstand zum Gegenstand oder der ermittelten Konzentration an Zusatzstoff verkleinert werden, um ein Mitsaugen des mindestens einen Gegenstandes zu verhindern bzw. eine Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit des mindestens einen Gegenstandes zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist die Absaugungseinheit in ihrem Öffnungsquerschnitt flexibel gestaltet, der je nach Bedarf angepasst werden kann. Die Detektionseinheit kann die ermittelte Konzentration des Zusatzstoffes kontinuierlich an die Entfernungseinheit oder an eine Steuerung der Entfernungseinheit übermitteln, die ihrerseits den Öffnungsquerschnitt der Entfernungseinheit an die entsprechende ermittelte Konzentration des Zusatzstoffes anpasst.
Es ist möglich, dass der Zusatzstoff zusammen mit dem vorhandenen pulverförmigen Material mittels der Entfernungseinheit entfernt wird, wobei während des Entfernens oder danach der Zusatzstoff von dem pulverförmigen Material mittels einer Trennungseinheit getrennt wird. Der Zusatzstoff kann bereits während der Absaugung durch ein Zusammenwirken der Entfernungseinheit und der Detektionseinheit von dem pulverförmigen Ausgangsmaterial, das das ungebundene pulverförmige Material und den Zusatzstoff aufweist, getrennt werden, so dass sich eine Sortenreinheit ergibt.
Zum Beispiel können magnetisch detektierbare Zusatzstoffe durch die Trennungseinheit, die ein Magnetabscheider ist, vom pulverförmigen Ausgangsmaterial getrennt werden. Denkbar ist auch, dass der Zusatzstoff aufgrund einer unterschiedlichen Dichte oder statischen Aufladung leicht vom Ausgangsmaterial getrennt werden kann. Das pulverförmige Ausgangsmaterial sollte dazu eine entsprechend andere Dichte bzw. statische Aufladung bzw. Aufladbarkeit aufweisen als der Zusatzstoff.
Möglich ist auch, dass sich der nachgewiesene Zusatzstoff entweder bei der Absaugung oder in einem späteren Lagerbehälter verflüchtigt, beispielsweise durch thermische Einwirkung auf den Zusatzstoff. In diesem Fall sind z.B. flüssige, thermisch instabile oder organische Zusatzstoffe einsetzbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Zusatzstoff pulverförmig oder flüssig oder gasförmig sein.
Der pulverförmige Zusatzstoff kann ein Metallpulver sein, zum Beispiel Edelstahl wie z.B. 1.4404, Aluminium (-legierungen) wie z.B. AISi10Mg, Kupfer, und/oder Magnesium. Der pulverförmige Zusatzstoff kann ein Kunststoffpulver sein, das das gleiche pulverförmige Material in anderer Farbe sein oder ein andere Kunststoffpulver sein wie z.B. PA12, PP, PA11, und/oder PA6. Der pulverförmige Zusatzstoff kann ein keramisches Pulver sein wie z.B. Aluminiumnitrid, Tonerde, Bornitrid, Glaskeramik, Porzellanerde, Knochenporzellan, Porzellan, und/oder Siliziumcarbid. Der pulverförmige Zusatzstoff kann ein Graphitpulver, Ruß, und/oder Glaspulver sein. Der pulverförmige Zusatzstoff kann Organisches, z.B. Milchpulver, und/oder anorganisches Pulver sein, z.B. Salzpulver und/oder Natriumpulver. Der pulverförmige Zusatzstoff kann floureszierendes Pulver und/oder thermochromes Pulver sein, das eine Änderung der Farbe bei Temperatureinfluss aufweist. Der pulverförmige Zusatzstoff kann aus Kieselsäure, insbesondere Pyrogenen oder gefällter Kieselsäure, gebildet sein.
Bei einem pulverförmigen Zusatzstoff ist ein selektiver Auftragsmechanismus denkbar, der sowohl das pulverförmige Material als auch den Zusatzstoff aufträgt. Hier ist eine selektive Auftragswalze oder ein Auftragsrakel anwendbar. Der pulverförmige Zusatzstoff wird wie das pulverförmige Material in der Produktionsanlage in einem Vorratsbehälter gelagert, aus dem die Materialausgabeeinheit den pulverförmigen Zusatzstoff entnimmt und selektiv aufträgt.
Weiterhin ist auch ein Rieselrecoater, der den pulverförmigen Zusatzstoff selektiv auf das Pulverbett aufträgt, nutzbar.
Bei einem flüssigen Zusatzstoff ist es möglich, dass die Pigmente in einem sich schnell verflüchtigenden Medium gelöst sind, das nach dem Auftragen rückstandslos verdunstet, zum Beispiel bei Einbringung thermischer Energie bei einem laserbasierten Druckverfahren. Der flüssige Zusatzstoff kann z. B. über eine zusätzliche Düseneinheit in der Produktionslinie oder eine Rakel aufgetragen werden.
Der flüssige Zusatzstoff kann aus organischen, wasserbasierten und/oder latexbasierten Flüssigkeiten gebildet sein. Der flüssige Zusatzstoff kann eine polymerbasierte Flüssigkeit, Kunstharz, Diethylenglycol, Ethylenglycol und/oder Di-n-buthylehter sein. Der flüssige Zusatzstoff kann Lösungsmittel, Farbe und/oder Tinte sein, die beispielsweise Lösung oder Dispersion von Farbmitteln in Wasser oder anderen Lösungsmitteln umfassen, die wenig oder keine Bindemittel enthalten. Der flüssige Zusatzstoff kann aus Pulverpartikeln gebildet sein, die in Flüssigkeit vorliegen, welche nach Applikation von beispielsweise thermischer Energie bei einem laserbasierten Druckverfahren schnell verflüchtigen. Der flüssige Zusatzstoff kann aus Pigmenten gebildet sein, die in einem Bindemittel enthalten sind wie z.B. wässrige Lösungen, Schelllack, wasserlösliche Kunstharze, und/oder alkalisch gelöste Acrylharze.
Bei einem gasförmigen Zusatzstoff kann die Applikation über eine Abscheidung auf einer Schicht oder dem Pulverbett aus pulverförmigem Material ähnlich dem Prinzip der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung erfolgen. Das pulverförmige Material kann aus Kohlenstoff, Metall, organischem Material oder anorganischem Material gebildet sein, wie z.B. Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Zinnoxid, Siliziumcarbid, Chromnitrid, Chromvanadiumnitrid, und/oder Chromaluminiumnitrid.
Des Weiteren kann der Zusatzstoff biologisch abbaubar, natürlichen Ursprungs und/oder lebensmittelecht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass sich der Zusatzstoff bei Änderung seiner Temperatur verfärbt, oder dass er sich bei Änderung seiner Temperatur verflüchtigt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass sich der Zusatzstoff bei thermischer Belastung verfärbt, oder dass er sich bei thermischer Beeinflussung verflüchtigt.
Unter einer thermischen Belastung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Änderung der Temperatur des Zusatzstoffes, beispielsweise seine Erwärmung, zu verstehen.
Ein Zusatzstoff kann sich beispielsweise unter thermischer Belastung irreversibel oder reversibel verfärben. Die thermische Belastung kann mit abnehmendem Abstand zum Gegenstand zunehmen, z. B. durch das Auftreffen des Laserstrahls der Laservorrichtung, was zu einer Verfärbung oder Entfärbung des Zusatzstoffs führt. Der Grad der Verfärbung oder Entfärbung hängt von der Höhe der thermischen Belastung ab. Mit anderen Worten hängt der Grad der Verfärbung oder Entfärbung des Zusatzstoffs von der Entfernung zum Gegenstand ab. Dies wiederum führt dazu, dass die Farbe des losen, ungebundenen pulverförmigen Materials bei der Entfernung beziehungsweise Entpulverung mit abnehmendem Abstand zum Gegenstand allmählich oder stufenweise intensiver wird. Die Farbintensität ist eine Orientierungshilfe für den Anwender während der Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Materials. Anstelle eines Zusatzstoffes, der sich durch thermische Beanspruchung einfärbt, ist auch ein bereits eingefärbter Zusatzstoff einsetzbar. Durch entsprechende Verteilung der Menge des eingefärbten Zusatzstoffes wird die Farbintensität zum Gegenstand hin immer stärker, so dass eine fehlerfreie Erkennung der Position des Gegenstandes und ein kollisionsfreies Freilegen des Gegenstandes möglich ist. Es ist auch möglich, dass der Zusatzstoff nicht die Farbe wechselt, sondern spezifische Materialeigenschaften aufweist, die durch entsprechende Detektoren erkannt werden können.
In ähnlicher Weise kann sich ein Zusatzstoff unter thermischer Belastung oder Beeinflussung irreversibel oder reversibel verflüchtigen. Die thermische Belastung kann mit abnehmendem Abstand vom Gegenstand zunehmen, z. B. durch das Auftreffen des Laserstrahls der Laservorrichtung, was eine Verflüchtigung des Zusatzstoffs zur Folge hätte. Der Grad der Verflüchtigung hängt von der Höhe der thermischen Belastung ab. Das bedeutet, je geringer der Abstand zum Gegenstand ist, umso höher ist die thermische Belastung, und entsprechend umso höher ist die Verflüchtigung des Zusatzstoffs, und entsprechend umso geringer ist die Konzentration von Zusatzstoff. Mit anderen Worten wird die Konzentration des nicht verflüchtigten Zusatzstoffes in dem losen, ungebundenen pulverförmigen Material bei der Entfernung beziehungsweise Entpulverung mit abnehmendem Abstand zum Gegenstand allmählich oder stufenweise verringert. Die Konzentration des vorhandenen nicht verflüchtigten Zusatzstoffes kann z.B. die Farbintensität des losen, ungebundenen pulverförmigen Materials beeinflussen. Die Farbintensität ist eine Orientierungshilfe für den Anwender während der Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Materials. Insbesondere bei der pulverbasierten additiven Fertigung von metallischen Gegenständen können auch andere Zusatzstoffe eingesetzt werden, die durch entsprechende Detektoren nachgewiesen werden können. Denkbar sind hier organische oder sich schnell verflüchtigende Zusatzstoffe, die bei thermischer Beanspruchung des Pulverbettes oder des Gegenstandes wieder rückstandsfrei entfernt werden.
Es ist auch denkbar, dass der Zusatzstoff nicht die Farbe ändert, sondern spezifische Materialeigenschaften aufweist, die durch geeignete Detektoren nachgewiesen werden können. Denkbar sind zum Beispiel Zusatzstoffe mit magnetischen Eigenschaften oder Zusatzstoffe, deren chemische Zusammensetzung nicht der chemischen Zusammensetzung des Pulvermaterials entspricht. So ist zum Beispiel ein metallischer Zusatzstoff in einem Pulverbett aus Kunststoffpulver möglich. Durch eine Änderung der Verteilung der Menge des Zusatzstoffes auf einer Schicht des ungebundenen pulverförmigen Materials nimmt der Konzentration des Zusatzstoffs zum Gegenstand hin zu, so dass eine fehlerfreie Erkennung der Position des Gegenstandes und eine kollisionsfreie Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Materials beziehungsweise eine kollisionsfreie Entpulverung des Gegenstandes möglich ist.
Darüber hinaus kann die Erfindung eine automatisierte Entpulverung vorsehen. Bei der automatischen Entpulverung wird das Ergebnis bzw. eine Auswertung der Detektion von Zusatzstoffen im pulverförmigen Material mittels der Detektionseinheit an das Steuer- und Regelsystem der automatischen Entpulverung weitergeleitet. Das Steuer- und Regelsystem kann in Abhängigkeit des Ergebnisses wenigstens einen Parameter der Bewegung Entfernungseinheit und damit von pulverförmigem Material ändern. Dabei ist die lokale Veränderung der Menge des Zusatzstoffes für die Lokalisierung des Gegenstandes auswertbar.
In diesem Zusammenhang kann ein Düsen- und Saugsystem mit einer Detektionseinheit ausgestattet werden, die den Gehalt der entsprechenden Zusatzstoffe oder die Farbintensität erfasst und an die Steuerung der Entfernungseinheit weitergibt. Der zunehmende Gehalt bzw. die Menge der Zusatzstoffe oder die zunehmende Farbintensität kann zur Erkennung des Abstandes einer Saugdüse in Bezug zum Gegenstand genutzt werden, um die Saugdüse des Saugsystems gezielt und kollisionsfrei auf den Gegenstand zu lenken. Möglich ist auch, dass in der Entfernungseinheit wenigstens ein optischer Sensor integriert ist, um eine Veränderung der Farbe des Pulverbettes, die gegebenenfalls auf einer Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Pulverbettes basiert, zu erkennen. Der Sensor gibt die Informationen an die Steuereinheit der Entfernungseinheit weiter. Die Steuereinheit der Entfernungseinheit kann dann die Informationen verarbeiten und die Düse und das Saugsystem kollisionsfrei im Pulverbett bewegen und den Gegenstand automatisch entpulvern. Der oben beschriebene Sensor kann auch zur Erkennung von magnetischen, metallischen oder organischen Zusatzstoffen ausgelegt sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung durch das erfindungsgemäße Verfahren, umfassend eine Materialausgabeeinheit zur Erzeugung eines Schichtaufbaus aus pulverförmigem Material, eine Zusatzstoffausgabeeinheit zum Auf- bzw. Einbringen von Zusatzstoff auf und/oder in zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material, eine Materialverstärkungseinheit zum Verstärken der bereichsweisen Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung mindestens eines Gegenstandes, eine Entfernungseinheit zur Entfernung von ungebundenem pulverförmigen Material, eine Detektionseinheit zur Detektion von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff vorhanden ist, und eine Steuereinheit zur Änderung eines Parameters der Bewegung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff detektiert wurde oder wird.
Die Zusatzstoffausgabeeinheit kann auch in der Materialausgabeeinheit integriert sein. Ferner kann die Zusatzstoffausgabeeinheit zum ganzflächigen Auf- bzw. Einbringen von Zusatzstoff auf und/oder in zumindest eine Schicht aus dem pulverförmigen Material ausgebildet sein. Ganzflächig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Zusatzstoff auf eine Schicht aus pulverförmigem Material derart aufgebracht wird, dass die Schicht vollflächig mit Zusatzstoff versehen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens einen optischen Sensor umfasst, mit der der Zusatzstoff auf und/oder in der zumindest einen Schicht aus pulverförmigem Material erkennbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen

1: Eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von mehreren Gegenständen, betrieben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung; und
2: Eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung.

1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur generativen Herstellung von Gegenständen 2, betrieben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Gegenständen 2 mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung. Die Vorrichtung 1 weist einen Prozessraum 3 auf, in den pulverförmiges Material 4 zur Herstellung mehrerer Gegenstände 2 mittels einer Materialausgabeeinheit 5 auf einer Herstellungsebene 6 eingebracht wird. Die Herstellungsebene 6 ist als eine Plattform ausgebildet, an der ein Schichtaufbau aus pulverförmigem Material 4 als ein Pulverbett erzeugt wird. Zur Erzeugung des Schichtaufbaus aus mehreren Schichten 7 aus pulverförmigem Material 4 wird die Materialausgabeeinheit 5 mittels einer Materialausgabeverschiebeeinheit 12 umfassend ein erstes Führungselement 18 in und entgegen der Vorschubrichtung 8 hin und her bewegt. In dem Prozessraum 3 werden Partikel aus pulverförmigem Material 4 zur Herstellung mehrerer Gegenstände 2 bereichsweise miteinander verbunden.
Die Vorrichtung 1 weist eine Zusatzstoffausgabeeinheit 9 zum Aufbringen und/oder Einbringen von Zusatzstoff 10 auf und/oder in mindestens eine Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 auf. Um den Zusatzstoff 10 auf und/oder in die Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 einzubringen, wird die Zusatzstoffausgabeeinheit 9 mittels einer Zusatzstoffausgabebewegungseinheit 13 umfassend ein zweites Führungselement 19 in und gegen die Vorschubrichtung 8 und in und gegen die Querrichtung 11 quer zur Vorschubrichtung 8 hin- und herbewegt.
Es werden die Druckbereiche 14 der jeweiligen Gegenstände 2 in jeder Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 ermittelt, in denen Partikel des pulverförmigen Materials 4 zum Zwecke der Herstellung der jeweiligen Gegenstände 2 bereichsweise gebunden werden sollen. Dabei wird der Bereich 15 der jeweiligen Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 außerhalb des jeweiligen Druckbereichs 14 ermittelt, in dem der Zusatzstoff 10 auf die Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 aufgetragen und/oder in diese eingebracht wird. Der Zusatzstoff 10 dient dazu, dass der Bereich 15 der jeweiligen Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 außerhalb des jeweiligen Druckbereichs 14, wo das pulverförmige Material 6 in einem ungebundenen Zustand vorhanden ist, zu detektieren.
Hier wird eine homogene Verteilung 16 des Zusatzstoffes 10 auf die Bereiche 14 des losen, ungebundenen pulverförmigen Materials 4 außerhalb des jeweiligen Druckbereichs 14 realisiert.
Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine Entfernungseinheit 20 auf, die zur Entfernung von ungebundenem pulverförmigem Material dient.
Mit der Entfernungseinheit 20 wird ungebundenes pulverförmiges Material 6 vom Bereich 15 in effizienter Weise entfernt, wobei Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff 10 vorhanden ist, detektiert wird. Bei Erkennung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff 10 vorhanden ist, wird die Entfernung von Pulvervolumen mit einem anderen Bewegungsparameter vorgenommen, so z.B. mit geringerer Geschwindigkeit, als außerhalb des Pulvervolumens, in dem Zusatzstoff 10 vorhanden ist.
Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand 2 mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung ermöglicht, bei dem ungebundenes pulverförmiges Material 4 anhand des Zusatzstoffes 10 detektiert werden kann, um dieses mit anderen Bewegungsparametern zu entfernen, wodurch eine Beschädigung des hergestellten Gegenstands 2 vermieden wird.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur generativen Herstellung von Gegenständen 2, betrieben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Gegenständen 2 mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung. Dabei wird die auf und/oder in die Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 aufgebrachte Menge an Zusatzstoff 10 außerhalb des mindestens einen Druckbereichs 14 variiert, so dass eine Verteilung 17 der Menge an Zusatzstoff 10 auf und/oder in der Schicht 7 des pulverförmigen Materials 4 realisiert wird.
Durch die Änderung der Verteilung der Menge des Zusatzstoffes 10 ist eine graduelle Erkennung der Position von Gegenständen 2 und eine entsprechend vorsichtige Entfernung ungebundenen pulverförmigen Materials 4 beziehungsweise die Entpulverung der Gegenständen 2 möglich, ohne dass es zu Kollisionen kommt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gegenstand
3: Prozessraum
4: Pulverförmiges Material
5: Materialausgabeeinheit
6: Herstellungsebene
7: Schicht
8: Vorschubrichtung
9: Zusatzstoffausgabeeinheit
10: Zusatzstoff
11: Querrichtung
12: Materialausgabeverschiebeeinheit
13: Zusatzstoffausgabebewegungseinheit
14: Druckbereich
15: Bereich außerhalb des Druckbereiches
16: Homogene Verteilung
17: Verteilung des Zusatzstoffes
18: Erstes Führungselement
19: Zweites Führungselement
20: Entfernungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3250362 B1 [0005]
EP 3689606 A1 [0006]
EP 3427868 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung, bei dem: - ein Schichtaufbau aus mehreren Schichten (7) aus pulverförmigem Material (4) erzeugt wird, wobei ein Zusatzstoff (10) auf und/oder in zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4) auf- bzw. eingebracht wird; - bereichsweise Partikel des pulverförmigen Materials (4) zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes (2) verbunden werden; - ungebundenes pulverförmiges Material (4) entfernt wird, wobei Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff (10) vorhanden ist, detektiert wird; und - bei Entfernung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff (10) detektiert wurde oder wird, wenigstens ein Parameter der Bewegung des Pulvervolumens geändert wird.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Druckbereich (14) des mindestens einen Gegenstands (2) festgelegt wird, in dem Partikel des pulverförmigen Materials (4) zwecks Herstellung des mindestens eines Gegenstandes (4) bereichsweise verbunden werden sollen, und der Zusatzstoff (10) auf und/oder in zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4) außerhalb des mindestens einen Druckbereichs (14) auf- bzw. eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die Menge des auf und/oder in die zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4) aufgebrachten bzw. eingebrachten Zusatzstoffes (10) außerhalb des mindestens einen Druckbereichs (14) variiert wird, so dass eine Änderung der Verteilung (17) der Menge des Zusatzstoffes (10) auf und/oder in die zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4) realisiert wird.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lokale Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffes (10) ermittelt wird, wobei ein Bereich (15) als Bereich mit vorhandenem Zusatzstoff (10) detektiert wird, wenn der Zusatzstoff (10) in dem Bereich (15) mindestens mit einer definierten Mindestkonzentration vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ungebundene pulverförmige Material mittels einer Entfernungseinheit entfernt wird, die als eine Absaugungseinheit ausgebildet ist, wobei basierend auf der ermittelten lokalen Konzentration des vorhandenen Zusatzstoffes ein Öffnungsquerschnitt der Absaugungseinheit variiert wird, so dass eine jeweilige Menge des ungebundenen pulverförmigen Materials (4), die mittels der Entfernungseinheit entfernt wird, je Zeiteinheit variiert wird.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (10) zusammen mit dem vorhandenen pulverförmigen Material (4) zumindest teilweise mittels der Entfernungseinheit entfernt wird, wobei während des Entfernens oder danach der Zusatzstoff (10) von dem pulverförmigen Material (4) mittels einer Trennungseinheit getrennt wird.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (10) pulverförmig oder flüssig oder gasförmig ist.
Verfahren zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zusatzstoff (10) bei Änderung seiner Temperatur verfärbt, oder dass er sich bei Änderung seiner Temperatur verflüchtigt.
Vorrichtung (1) zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: - eine Materialausgabeeinheit (5) zur Erzeugung eines Schichtaufbaus aus mehreren Schichten (7) aus pulverförmigem Material (4); - eine Zusatzstoffausgabeeinheit (9) zum Auf- bzw. Einbringen von Zusatzstoff (10) auf und/oder in zumindest eine Schicht (7) aus dem pulverförmigen Material (4); - eine Materialverstärkungseinheit zum Verstärken der bereichsweisen Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials (4) zwecks Herstellung mindestens eines Gegenstandes (2); - eine Entfernungseinheit zur Entfernung von ungebundenem pulverförmigem Material (4), - eine Detektionseinheit zur Detektion von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff (10) vorhanden ist, und - eine Steuereinheit zur Änderung eines Parameters der Bewegung von Pulvervolumen, in dem Zusatzstoff (10) detektiert wurde oder wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung von mindestens einem Gegenstand (2) mittels pulverbettbasierter generativer Fertigung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens einen optischen Sensor umfasst, mit der der Zusatzstoff (10) auf und/oder in der zumindest einen Schicht (7) aus pulverförmigem Material (4) erkennbar ist.