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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
eines dreidimensionalen Formkörpers
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs
22.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf generative Fertigungsverfahren,
bei denen komplexe, dreidimensionale Bauteile schichtweise aus Werkstoffpulvern
aufgebaut werden. Die Anwendungsfelder der Erfindung liegen neben
dem Rapid Prototyping und den benachbarten Disziplinen Rapid Tooling
und Rapid Manufacturing insbesondere im Bereich der Herstellung
von Serienwerkzeugen und -funktionsteilen. Dazu gehören beispielsweise
Spritzgusswerkzeuge mit oberflächennahen
Kühlkanä len sowie
Einzelteile und Kleinserien von komplexen Funktionsbauteilen für die Medizin,
den Maschinenbau, Flugzeugbau und Automobilbau.
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Zu
den für
die vorliegende Erfindung relevanten generativen Fertigungsverfahren
zählen
das Laserschmelzen, das beispielsweise aus der
DE 196 49 865 C1 der Fraunhofer-Gesellschaft
bekannt ist, und das Lasersintern, das beispielsweise aus der
US 4,863,538 der Universität von Texas
bekannt ist.
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Bei
dem aus der
DE 196
49 865 C1 bekannten Verfahren des Laserschmelzens werden
die Bauteile aus handelsüblichen,
einkomponentigen, metallischen Werkstoffpulvern ohne Bindemittel
oder sonstige Zusatzkomponenten hergestellt. Dazu wird das Werkstoffpulver
jeweils als dünne
Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal
entsprechend der gewünschten
Bauteilgeometrie mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen. Die Energie
des Laserstrahls wird so gewählt,
dass das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine
gesamte Schichtdicke vollständig
aufgeschmolzen wird. Gleichzeitig wird eine Schutzgasatmosphäre über der
Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem metallischen Werkstoffpulver
aufrechterhalten, um Fehlstellen im Bauteil zu vermeiden, die beispielsweise
durch Oxidation hervorgerufen werden können. Zur Durchführung des Verfahrens
ist eine Vorrichtung bekannt, welche aus der
1 der
DE 196 49 865 C1 hervorgeht.
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Bei
dem aus der
US 4,863,538 bekannten Verfahren
des Lasersinterns werden die Bauteile aus speziell für das Lasersintern
entwickelten Werkstoffpulvern hergestellt, die neben dem Grundwerkstoff eine
oder mehrere Zusatzkomponenten enthalten. Die verschiedenen Pulverkomponenten
unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich des Schmelzpunktes.
Beim Lasersintern wird das Werkstoffpulver als dünne Schicht auf eine Bauplattform
aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal entsprechend der Geometriedaten
des Bauteils mit einem Laserstrahl bestrahlt. Die niedrig-schmelzenden
Komponenten des Werkstoffpulvers werden durch die eingestrahlte
Laserenergie aufgeschmolzen, andere bleiben im festen Zustand. Die
Befestigung der Schicht an der vorherigen Schicht erfolgt über die
aufgeschmolzenen Pulverkomponenten, die beim Erstarren eine Verbindung
herstellen. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Bauplatt form
um eine Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter wird
eine neue Pulverschicht aufgebracht.
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Die
Firma EOS GmbH Electro Optical Systems bietet Lasersinteranlagen
für die
Verarbeitung von Kunststoffen EOSINT P 700 und die Verarbeitung
von Sand EOSINT S 750 an, die eine Prozesskammer und zwei Laser
und zwei Scaneinheiten aufweisen. Ziel dieser Anlagen ist der schnelle
Aufbau großvolumiger
Bauteile.
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Zur
Herstellung relativ großvolumiger
Bauteile wird gemäß der WO
02/36 331 der Concept Laser GmbH eine Vorrichtung zum Sintern, Abtragen und/oder
Beschriften mittels elektromagnetischer, gebündelter Strahlung vorgeschlagen,
bei der ein Scanner an einem über
der Bauplattform nach Art eines Kreuzschlittens motorisch verfahrbaren
Scannerträgers
angeordnet ist.
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Diese
Vorrichtung weist eine Laserbearbeitungsmaschine mit austauschbaren
Technologiemodulen zum Sintern, Abtragen und/oder Beschriften auf.
In einem Maschinengehäuse
sind mehrere Bauräume
vorgesehen. Der Scannerträger
pendelt zwischen den Bauräumen
hin und her, so dass in beliebiger Reihenfolge mehrere Bauräume abgefahren werden
können.
Beispielsweise wird vorgeschlagen, vier Bauräume in einer einem Quadrat
angenäherten Anordnung
vorzusehen, um parallel vier Bauteile gleichzeitig in einer Maschine
aufzubauen oder auf sonstige Weise zu bearbeiten. Hierzu ist erforderlich, dass
der Scannerträger
zwischen den Bauräumen hin
und her pendelt, um diese gleichzeitige Herstellung von mehreren
Bauteilen in den Bauräumen
einer Maschine zu ermöglichen.
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Diese
Anordnung weist den Nachteil auf, dass die Zugänglichkeit zu den einzelnen
Bauräumen
in einem Maschinengehäuse
durch den nach Art eines Kreuzschlittens motorisch verfahrbaren
Scannerträger
erschwert ist, der sich quer über
die Bauräume
erstreckt. Darüber
hinaus ist aufgrund der parallelen Arbeitsweise in den einzelnen
Bauräumen die
Entnahme eines fertigen Bauteils und die Umrüstung für ein neues Bauteil erst möglich, wenn
die in den weiteren Bauräumen
parallel dazu aufzubauenden Formkörper ebenfalls fertiggestellt
sind. Dadurch sinkt die Wirtschaftlichkeit dieser Vorrichtung, da
das Bauteil mit der längsten Aufbauzeit
die Entnahme und Umrüstung
bestimmt. Darüber
hinaus können die
während
des Herstellungsprozesses entstehenden Einflüsse, wie beispielsweise Temperatur,
Funkenflug beim Aufbau eines Formkörpers, die weiteren parallel
dazu verlaufenden Arbeitsprozesse, wie beispielsweise das Beschichten,
das Abkühlen
usw., nachteilig beeinflussen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers bereitzustellen,
bei der beziehungsweise bei dem die Herstellungszeit verkürzt und
die Flexibilität
in der Herstellung und die Qualität der Formkörper erhöht wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 beziehungsweise
durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 22. Zweckmäßige Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung wird
die Wirtschaftlichkeit zur Herstellung von Formkörpern wesentlich erhöht. Es wird
in einer ersten Prozesskammer ein Formkörper vollständig hergestellt, während in
zumindest einer weiteren Prozesskammer ein Abkühlen und ein Entladen des zuvor hergestellten
Formkörpers
erfolgt oder ein Umrüsten oder
Einrichten der Prozesskammer auf einen nachfolgend herzustellenden
Formkörper
durchgeführt wird.
Dadurch wird eine hohe Auslastung der Strahlquelle erreicht, da
diese unmittelbar nach dem Herstellen eines Formkörpers in
die nächste
Prozesskammer überführt wird,
um in der zumindest einen weiteren Prozesskammer den nächsten Formkörper herzustellen.
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Die
Ausgestaltung von wenigstens zwei hermetisch abgeriegelten Prozesskammern
ermöglicht des
Weiteren, dass in einer ersten Prozesskammer ein Formkörper mit
einem bestimmten Werkstoff aufgebaut werden kann, wohingegen in
zumindest einer weiteren Prozesskammer ein Formkörper mit einem gleichen oder
von dem ersten Formkörper
verschiedenen Werkstoffpulver aufgebaut werden kann. Insbesondere
beim Einsatz in der Medizintechnik ist diese Anordnung von besonderer
Bedeutung, da eine hohe Reinheit der verwendeten Werkstoffpulver
erforderlich ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist darüber
hinaus den Vorteil auf, dass bedienerlose Schichten realisierbar
sind, da ohne Bedienereingriff eine der Anzahl der Prozesskammern
entsprechende Anzahl von Formkörpern
unmittelbar nacheinander produziert werden können.
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Durch
die Positionierung der zumindest einen Strahlablenkeinrichtung unmittelbar
zu einer Prozesskammer ist des Weiteren eine gute Zugänglichkeit
zu der zweiten oder den weiteren Prozesskammern gegeben, um die
hergestellten Formkörper zu
entnehmen und ein gegebenenfalls erforderliches Umrüsten oder
Einrichten der Prozesskammer auf einen nachfolgenden Arbeitsprozess
zu ermöglichen.
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Die
hermetisch abgeriegelte Ausgestaltung der Prozesskammer weist auch
den Vorteil auf, dass der Herstellungsprozess eines Formkörpers ohne Beeinflussung
durch unmittelbar benachbarte Umrüsttätigkeiten, Abkühlprozesse,
Verunreinigungen aus der Umgebung oder dergleichen ermöglicht ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass jede Prozesskammer eine Absaugung für nicht verfestigtes Aufbaumaterial aufweist,
welche zumindest eine Sperreinrichtung umfasst. Durch diese Sperreinrichtung
wird verhindert, dass Aufbaumaterial aus einer Prozesskammer abgesaugt
wird, die sich im schichtweisen Aufbau eines Formkörpers befindet,
wenn in einer weiteren Prozesskammer eine Absaugung des nicht verfestigten
Aufbaumaterials durchgeführt
wird. Die Arbeitsprozesse in einer Prozesskammer können ungestört und unabhängig von
den Arbeitsprozessen der benachbarten Prozesskammern ablaufen.
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Die
Anordnung der Sperreinrichtungen zur Prozesskammer in einer Schließstellung
weist des Weiteren den Vorteil auf, dass eine Schutzgasatmosphäre während des
Arbeitsprozesses zur Verfestigung der einzelnen Pulverschichten
aufrechterhalten ist. Dadurch wird die Prozesssicherheit erhöht und gleichzeitig
der Verbrauch an Schutzgas gering gehalten.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein Gebläse für die wenigstens
zwei Prozesskammern vorge sehen ist und wenigstens eine Sperreinrichtung
zwischen Gebläse
und jeder Prozesskammer in der Absaugung der Prozesskammer vorgesehen
ist. Zur Reduzierung des Bauraumes und der Kosten ist beispielsweise
ein Gebläse
vorgesehen, welches zum Betrieb für zumindest zwei Prozesskammern
ausgebildet ist. Dadurch kann auch eine Vereinfachung im Aufbau
erzielt werden. Um die Prozesskammern hermetisch abzuriegeln und
unabhängig
voneinander zu betreiben, ist zwischen dem Gebläse und jeder Prozesskammer
in der Absaugung zumindest eine Sperreinrichtung angeordnet, so
dass beim Betrieb des Gebläses
eine Absaugung an derjenigen Prozesskammer durchgeführt wird,
bei der der Formkörper vollständig hergestellt
wurde und eine Absaugung für die
anderen, weiteren Prozesskammern unterbunden ist. Dadurch kann eine
gegenseitige Beeinflussung der Prozesskammern bei der Benutzung
von gemeinsamen Bauteilkomponenten ausgeschlossen werden.
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Die
Prozesskammern weisen Einlassöffnungen
auf, welche vorteilhafterweise jeweils durch eine Sperreinrichtung
verschließbar
sind. Die Sperreinrichtungen sind somit unmittelbar der Prozesskammer
zugeordnet, so dass weitere störende
Einflussfaktoren ausgeräumt
sind. Die Sperreinrichtungen der Einlassöffnungen können zusammen mit den Sperreinrichtungen
der Auslassöffnungen
betätigbar sein.
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Die
Sperreinrichtungen sind nach einer bevorzugten Ausführungsform
zumindest in einer mit einer Aufbaukammer und mit einer Pulverfalle
in Verbindung stehenden Auslassöffnung
vorgesehen. Dadurch ist die hermetische Abriegelung der Prozesskammer
gegeben. Zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass eine Zuführöffnung, welche einen Volumenstrom
während
der Absaugung der Prozesskammer zuführt, ebenfalls mit einer Sperreinrichtung
verschließbar
ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einer Auslassöffnung einer
Handabsaugeinrichtung eine Sperreinrichtung vorgesehen ist. Diese Handabsaugeinrichtung
dient zur manuellen Absaugung von Pulverresten. Somit kann die hermetische Abriegelung
sowie der Einsatz des Gebläses
optimiert sein.
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Jede
Sperreinrichtung ist bevorzugt durch eine Steuer- und Recheneinheit
getrennt oder als Gruppe für
jede Prozesskammer gemeinsam ansteuerbar. Dadurch kann ein autarker
Betrieb der Prozesskammern sowie eine Prozessüberwachung ermöglicht sein.
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Die
Sperreinrichtungen sind nach einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung als Quetschventile ausgebildet und vorzugsweise pneumatisch
betätigbar.
Diese Quetschventile weisen den Vorteil auf, dass diese nahezu verschleißfrei sind
und kurze Reaktionszeiten besitzen. Alternativ zur pneumatischen
Ansteuerung kann auch eine hydraulische, elektrische oder elektromagnetische
Ansteuerung gegeben sein.
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Zur
autarken Ausgestaltung jeder Prozesskammer ist des Weiteren vorteilhafterweise
vorgesehen, dass die Absaugung für
nicht verfestigtes Aufbaumaterial eine Abscheidevorrichtung und
ein Filter umfasst. Dadurch kann eine Rückführung des nicht aufgeschmolzenen
und verfestigten Aufbaumaterials ohne Verunreinigungen, z.B. mit
einem weiteren Werkstoff aus einer benachbarten Prozesskammer, erfolgen,
wodurch eine Reduzierung des Werkstoffeinsatzes erzielt sowie gleichzeitig
die Reinheit der verarbeiteten Werkstoffe aufgrund eines geschlossenen
Kreislaufes sichergestellt werden kann. Vorteilhafterweise ist vorgesehen,
dass eine Nachbearbeitung des aus der Prozesskammer abgeführten Pulvers
durch Sieben oder dergleichen vorgesehen ist. Diese Nachbearbeitung
oder Wiederaufbereitung kann durch eine in der Vorrichtung vorgesehene
Einrichtung vorgesehen sein oder extern erfolgen, wobei bei der
externen Ausbildung bevorzugt eine Schnittstelle zu der Abscheidevorrichtung
ausgebildet ist, zu welcher ein Auffangbehälter austauschbar zur externen
Reinigung und Aufbereitung oder Nachbereitung des Pulvers vorgesehen
ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Absaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial sowie zur
Kühlung
der Prozesskammer und vorzugsweise der Bauplattform ein Sauggebläse für wenigstens zwei
Prozesskammern vorgesehen ist, welches jeweils einer zur Prozesskammer
zugehörigen
Abscheidevorrichtung nachgeschaltet ist. Dadurch kann bei gemeinsamer
Nutzung eines Gebläses
eine getrennte Abscheidung des nicht verfestigten Aufbaumaterials
ermöglicht
sein, um die Trennung der in der jeweiligen Prozesskammer verwendeten
Aufbaumaterialien aufrecht zu erhalten. Bevorzugt ist die Sperreinrichtung
vor dem Filter und der Abscheidevorrichtung nahe der Prozesskammer
angeordnet. Jede hermetisch abgeschlossene Prozesskammer ist durch
eine zur Strahlablenkvorrichtung weisende, verschließbare Öffnung zugänglich.
Dadurch kann eine gute Zugänglichkeit zur
Prozesskammer erzielt werden, sofern die Strahlablenkeinrichtung
an der weiteren Prozesskammer positioniert ist.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die verschließbare Öffnung einen für die elektromagnetische
Strahlung im wesentlichen durchlässigen
Bereich umfasst, der zumindest größer als eine Bauplattform ist,
die auf einem Hubtisch zur Aufnahme von wenigstens einem Formkörper vorgesehen
ist. Dadurch wird ein hinreichender Einkoppelraum für die elektromagnetische
Strahlung geschaffen. Gleichzeitig kann das Bedienpersonal eine
visuelle Überprüfung und Überwachung
der Prozesskammer durchführen.
Der in der verschließbaren Öffnung vorgesehene
transparente Bereich ist vorteilhafterweise aus einem Glas ausgebildet,
welches bevorzugt zwei entspiegelte Oberflächen umfasst. Dadurch kann eine
optimale Strahleinführung
und ein optimales Auftreffverhalten der Strahlung auf die aufzubauende Schicht
gegeben sein.
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Zur
hermetischen Abriegelung der Prozesskammer ist vorteilhafterweise
vorgesehen, dass eine Zuführeinrichtung
zum Zuführen
des Aufbaumaterials zumindest nach dem Zuführen des Aufbaumaterials in
die Prozesskammer in einer die Prozesskammer schließenden Position
vorgesehen ist. Durch diese Ausgestaltung kann verhindert werden,
dass während
des Aufschmelzens des Aufbaumaterials durch eindringende Luft Oxidationen
auftreten oder durch eindringendes Aufbaumaterial nicht definierte Querschnitte
aufgebaut werden. Gleichzeitig kann dadurch während des Absaugprozesses von
nicht verfestigtem Aufbaumaterial nach der Herstellung des Formkörpers verhindert
werden, dass zum Aufbau bereitgestelltes Pulver durch eine Sogwirkung
in die Prozesskammer gefördert
wird.
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Zur
Abdichtung zwischen der Prozesskammer und einem durch die Öffnung verschließbaren Deckel
ist eine Dichtung vorgesehen. Dadurch wird in einfacher Weise eine
Abdichtung zur hermetischen Abriegelung gebildet. Während des
Aufbaus der Schichten wird Schutz- oder Inertgas der Prozesskammer
zu- und abgeführt.
Durch einen geschlossenen Kreislauf aufgrund der abgeschlossenen
Prozesskammer und einer Leitungsführung ist eine Reduzierung
der Betriebskosten gegeben.
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Zur
hermetischen Abriegelung der Prozesskammer ist des Weiteren vorteilhafterweise
vorgesehen, dass zwischen dem Träger
zur Aufnahme eines Formkörpers
und einer den Träger
umgebenden Aufbaukammer zumindest eine Dichtung oder eine abdichtende
Ausgestaltung der Teile vorgesehen ist. Die Prozesskammer ist beim
Aufschmelzen mit Schutz- oder
Inertgas gefüllt
und wird mit Überdruck betrieben,
um den Eintritt von Sauerstoff in die Prozesskammer zu verhindern.
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Zur
hermetischen Abriegelung der Prozesskammer ist vorteilhafterweise
vorgesehen, dass an einem Hubtisch, welcher Teil eines Trägers ist,
eine umlaufende Nut mit einem Dichtring angeordnet ist. Dieser Dichtring
ist vorzugsweise im Durchmesser geringfügig variabel ausgebildet, so
dass aufgrund der unterschiedlichen Erwärmungen während des Herstellens des Formkörpers eine
dicht anliegende Ausgestaltung gegeben ist.
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Bevorzugt
ist der Dichtring aus einem Werkstoff ausgebildet, welcher im Vergleich
zur Umfangswand der Aufbaukammer einen höheren Verschleiß aufweist.
Dadurch ist nach mehrmaligem Gebrauch ein einfaches Austauschen
des Dichtringes ausreichend, um eine dichte Anordnung in der Aufbaukammer
zu erzielen.
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Die
Umfangswand der Aufbaukammer weist bevorzugt eine Oberflächenhärte auf,
welche höher als
die des Aufbaumaterials ist. Dadurch kann eine wartungsarme Aufbaukammer
ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Aufbaukammer oberflächenbeschichtet,
vorzugsweise verchromt.
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Vorteilhafterweise
ist des Weiteren vorgesehen, dass an eine Stirnfläche der
Bauplattform angrenzend oder dieser zugeordnet ein Dichtring oder Abstreifer
vorgesehen ist, um eine erste Abdichtung zu bilden. Dieser Abstreifer,
der vorteilhafterweise als Filzring ausgebildet ist, weist den Vorteil
auf, dass ein größeres Temperaturspiel
zwischen der Umfangswand der Aufbaukammer und der Bauplattform ausgeglichen
werden kann. Die Bauplattform wird zur Erhöhung der Qualität des Formkörpers aufgeheizt,
so dass zwischen der Bauplattform und der Umfangswand der Aufbaukammer
Temperaturdifferenzen entstehen, die zu einer unterschiedlichen
Ausdehnung der Bauplattform und der Aufbaukammer führen, welche
durch den Abstreifer ausgeglichen werden.
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Des
Weiteren kann vorteilhafterweise zur hermetischen Abriegelung der
Prozesskammer eine Wellendichtung vorgesehen sein, welche an einer Hubstange
des Hubtisches vorgesehen ist. Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Stahlablenkeinrichtung
vorgesehen ist, welche zu den einzelnen Prozesskammern positionierbar
ist. Die Herstellungskosten für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
können dadurch
reduziert werden, dass auf eine gemeinsame Strahlquelle und eine
gemeinsame Strahlablenkeinrichtung unabhängig von der Anzahl der Prozesskammern
zurückgegriffen
wird.
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Zur
einfachen und lagerichtigen Positionierung der Strahlablenkeinrichtung
ist vorteilhafterweise eine Linearführung vorgesehen, entlang welcher die
Strahlablenkeinrichtung verfahrbar und vorzugsweise präzise zur
Prozesskammer positionierbar ist. Die Linearführung ist vorteilhafterweise
in geringer Höhe
oberhalb der jeweiligen Prozesskammer angeordnet, so dass ein geringer
Abstand zwischen der Ablenkvorrichtung und der aufzubauenden Schicht zur
Herstellung eines Formkörpers
gegeben ist, um insbesondere eine geringe Breite der Schmelzspur zu
erzielen.
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Nach
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die wenigstens zwei Prozesskammern zur Strahlablenkeinrichtung verfahrbar
sind. Beispielsweise kann eine Art Karussell oder eine Aneinanderreihung
von mehreren Prozesskammern vorgesehen sein, welche zu einer stationär angeordneten
Strahlablenkeinrichtung verfahrbar sind. Insbesondere bei einer
karussellförmigen
Anordnung kann eine sehr hohe Auslastung der Strahlquelle und eine über längere Zeit
unbeaufsichtigte Herstellung von Formkörpern ermöglicht sein.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Maschinengehäuse mindestens
zwei hermetisch abgeriegelte und getrennte Prozesskammern sowie
eine Strahlquelle und eine an mindestens zwei Prozesskammern positionierbare
Strahlablenkeinrichtung zur Bildung eines Mehrkammersystems vorgesehen sind.
Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass diejenigen Komponenten
mehrfach vorhanden sind, die den autarken Betrieb jeweils einer
Prozesskammer gewährleisten
und diejenigen Komponenten einfach vorgesehen sind, die für die Gesamtfunktion
der Anlage notwendig sind. Somit kann eine Vorrichtung geschaffen
werden, welche eine hohe Auslastung der Strahlquelle ermöglicht und
gleichzeitig in der Herstellung kostenoptimiert ist.
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Insbesondere
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist ermöglicht,
ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers durchzuführen, bei
dem in einer ersten Prozesskammer die vollständige Herstellung eines Formkörpers erfolgt, wobei
parallel in wenigstens einer zweiten Prozesskammer ein Abkühlen und
Entladen eines fertigen Formkörpers,
eine Umrüstung
oder eine Einrichtung der Prozesskammer für die Herstellung eines weiteren
Formkörpers
ermöglicht
wird. Dadurch kann eine rationelle Herstellung von Formkörpern gegeben sein.
Des Weiteren ist die Verarbeitung verschiedener Werkstoffe ermöglicht.
Aufgrund der hermetisch abgeriegelten Prozesskammern können unterschiedliche
Prozessparameter gefahren werden, um besonderen Ansprüchen an
den Aufbau, die Oberflächenqualität sowie
an einen spannungsarmen, rissfreien Aufbau der Formkörper gerecht
zu werden.
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Jede
Prozesskammer weist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
zumindest eine in die Prozesskammer führende Einlassöffnung und
zumindest eine davon abführende
Auslassöffnung
für Schutz-
oder Inertgas auf. Dadurch kann in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffes
zum Aufbau des Formkörpers
ein entsprechendes Schutzgas oder Inertgas zugeführt werden. Dadurch sind die
jeweiligen Prozesskammern völlig
unabhängig
voneinander ausgestaltet und auf spezifische Anforderungen zur Herstellung
eines Formkörpers
einstellbar.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform des
Verfahrens ist vorgesehen, dass während des Absaugens von nicht
verfestigtem Aufbaumaterial oder des Kühlens eines hergestellten Formkörpers in einer
Prozesskammer Sperreinrichtungen der zumindest einen weiteren Prozesskammer
in einer geschlossenen Position gehalten werden. Die Prozesskammern
sind dadurch zueinander hermetisch abgeriegelt und die in den jeweiligen
Prozesskammern stattfindenden und vorangehenden Arbeitsschritte führen nicht
zu einer gegenseitigen Beeinflussung. Dadurch kann die Auslastung
der Vorrichtung erhöht und
die Qualität
des Formkörpers
verbessert werden.
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In
den weiteren abhängigen
Verfahrensansprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen
angegeben.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Prozesskammer in einer Bearbeitungsposition beim
Herstellen eines Formkörpers,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung der Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Kühlposition,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung der Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Absaugposition,
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5 einen
schematischen Teilschnitt einer Prozesskammer mit einer Zuführeinrichtung
und
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6 eine
schematische Darstellung von zwei Prozesskammern und eine Verbindung
der dazugehörigen
Komponenten.
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In
1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
11 zur
Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers durch aufeinanderfolgendes
Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials dargestellt.
Die Herstellung eines Formkörpers
durch Laserschmelzen ist beispielsweise in der
DE 196 49 865 C1 beschrieben.
Die Vorrichtung
11 umfasst eine in einem Maschinengestell
14 angeordnete
Strahlquelle
16 in Form eines Lasers, beispielsweise eines
Festkörperlasers,
welcher einen gerichteten Strahl abgibt. Dieser Strahl wird über eine
Strahlablenkvorrichtung
18, beispielsweise in Form eines
oder mehrerer ansteuerbarer Spiegel, als abgelenkter Strahl auf
eine Arbeitsebene in einer Prozesskammer
21 fokussiert.
Die Strahlablenkeinrichtung
18 ist entlang einer Linearführung
22 zwischen
einer ersten Prozesskammer
21 und einer weiteren Prozesskammer
24 motorisch
verfahrbar angeordnet. Über
Stellantriebe kann eine exakte Position der Strahlablenkeinrichtung
18 zu
den Prozesskammern
21,
24 angefahren werden. In
dem Maschinengestell
14 ist des Weiteren eine Steuer- und
Recheneinheit
26 zum Betrieb der Vorrichtung
11 und
zur Einstellung einzelner Parameter für die Arbeitsprozesse zur Herstellung
der Formkörper
vorgesehen.
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Die
erste Prozesskammer 21 und zumindest eine weitere Prozesskammer 24 sind
getrennt zueinander angeordnet und hermetisch getrennt voneinander
vorgesehen.
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In 2 ist
die Prozesskammer 21 beispielhaft im Vollquerschnitt dargestellt.
Die Prozesskammer 21 umfasst ein Gehäuse 31 und ist durch
eine Öffnung 32 zugänglich,
welche durch wenigstens ein Verschlusselement 33 verschließbar ist.
Das Verschlusselement 33 ist bevorzugt als schwenkbarer Deckel
ausgebildet, der durch Verriegelungselemente 34, wie beispielsweise
Kniehebelelemente, in einer geschlossenen Position fixierbar ist.
Zur Abdichtung der Prozesskammer 21 ist an dem Gehäuse 31 nahe
der Öffnung 32 eine
Dichtung 36 vorgesehen, die vorzugsweise als Elastomerdichtung
ausgebildet ist. Das Verschlusselement 33 weist einen Bereich 37 auf,
der für
die elektromagnetische Strahlung des Laserstrahls durchlässig ist.
Bevorzugt ist ein Fenster 38 aus Glas oder Quarzglas eingesetzt,
welches Antireflexbeschichtungen an der Ober- und Unterseite aufweist. Das Verschlusselement 33 kann
vorzugsweise wassergekühlt
ausgebildet werden.
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Die
Prozesskammer 21 umfasst eine Bodenfläche 41. In diese Bodenfläche 41 mündet von
unten eine Aufbaukammer 42, in welcher ein Träger 43 auf- und
abbewegbar vorgesehen und geführt
ist. Der Träger 43 umfasst
zumindest eine Bodenplatte 44, die über eine Hubstange oder Hubspindel 46 auf-
und abbewegbar angetrieben ist. Hierzu ist ein Antrieb 47,
beispielsweise ein Zahnriemenantrieb, vorgesehen, welcher die fest stehende
Hubspindel 46 auf- und abbewegt. Die Bodenplatte 44 des
Trägers 43 wird
vorzugsweise zumindest während
des schichtweisen Aufbaus durch ein fluides Medium gekühlt, welches
vorzugsweise Kühlkanäle in der
Bodenplatte 44 durchströmt.
Zwischen der Bodenplatte 44 und der Bauplattform 49 des
Trägers 43 ist
eine Isolierschicht 48 aus einem mechanisch stabilen, thermisch isolierenden
Material angeordnet. Dadurch kann eine Erwärmung der Hubspindel 46 durch
die Heizung der Bauplattform 49 und eine damit einhergehende
Beeinflussung der Positionierung des Trägers 43 verhindert
werden.
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Entlang
der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 verfährt
eine Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56, welche ein Aufbaumaterial 57 in
die Aufbaukammer 42 aufbringt. Durch selektives Aufschmelzen
des Aufbaumaterials 57 wird eine Schicht auf den Formkörper 52 aufgebaut.
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Das
Aufbaumaterial 57 besteht bevorzugt aus Metall- oder Keramikpulver.
Auch andere für
das Laserschmelzen und Lasersintern geeignete und verwendete Werkstoffe
werden eingesetzt. In Abhängigkeit
des herzustellenden Formkörpers 52 werden die
einzelnen Werkstoffpulver ausgewählt.
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Die
Prozesskammer 21 weist an einer Seite eine Einströmdüse 61 zur
Zuführung
von Schutzgas oder Inertgas auf. An einer gegenüberliegenden Seite ist eine
Absaugdüse
oder Absaugöffnung 62 vorgesehen,
um das zugeführte
Schutz- oder Inertgas abzuführen.
Während
der Herstellung des Formkörpers 52 wird
eine laminare Strömung
an Schutz- oder Inertgas erzeugt, um beim Aufschmelzen des Aufbaumaterials 57 eine
Oxidation zu vermeiden und das Fenster 38 im Verschlusselement 33 zu
schützen.
Vorzugsweise wird die hermetisch abgeriegelte Prozesskammer 21 während des
Aufbauprozesses unter einem Überdruck
von beispielsweise 20 hPa gehalten, wobei auch deutlich höhere Drücke denkbar
sind. Dadurch kann während
des Aufbauprozesses kein Luftsauerstoff von außen in die Prozesskammer 21 eindringen.
Bei der Umwälzung
des Schutz- oder Inertgases kann gleichzeitig eine Kühlung erfolgen.
Außerhalb
der Prozesskammer 21 ist vorzugsweise eine Kühlung und
Filtrierung des Schutz- oder Inertgases von aufgenommenen Partikeln
des Aufbaumaterials 57 vorgesehen.
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Die
Aufbaukammer 42 ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet.
Weitere Geometrien können
ebenfalls vorgesehen sein. Der Träger 43 oder zumindest Teile
des Trägers 43 sind
an die Geometrie der Aufbaukammer 42 angepasst. In der
Aufbaukammer 42 wird der Träger 43 zum schichtweisen
Aufbau gegenüber
der Bodenfläche 41 nach
unten bewegt. Die Höhe
der Aufbaukammer 42 ist an die Aufbauhöhe beziehungsweise die maximal
aufzubauende Höhe eines
Formkörpers 52 angepasst.
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Eine
Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 schließt unmittelbar
an die Bodenfläche 41 an
und erstreckt sich nach unten, wobei diese Umfangswand 83 an
der Bodenfläche 41 aufgehängt ist.
In der Umfangswand 83 ist zumindest eine Einlassöffnung 112 vorgesehen.
Diese Einlassöffnung 112 steht
mit einer Zuführleitung 111 in
Verbindung, welche ein Filter 126 außerhalb des Gehäuses 31 aufnimmt.
Umgebungsluft wird über
das Filter 126 und die Versorgungsleitung 111 durch
die Einlassöffnung 112 der Aufbaukammer 42 zugeführt. Die
Aufbaukammer 42 weist des Weiteren zumindest eine Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 auf, an welche sich eine Abführleitung 114 anschließt, die
aus dem Gehäuse 31 herausführt und
in eine Abscheidevorrichtung 107 mündet. Dieser nachgeschaltet
ist ein Filter 108, welches über eine Verbindungsleitung 118 den
aus der Aufbaukammer 42 abgeführten Volumenstrom abführt. Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Einlassöffnung 112 und
die Auslassöffnung 113 miteinander
fluchten. Ebenso können
die Öffnungen 112, 113 zueinander
versetzt angeordnet sein, sowohl in Bezug auf die Höhe als auch
deren Zuführposition
in radialer Richtung beziehungsweise rechtwinklig zur Längsachse
der Aufbaukammer 42.
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Die
Bauplattform 49 setzt sich aus einer Heizplatte 136 und
einer Kühlplatte 132 zusammen. In
der Heizplatte 136 sind strichliniert Heizelemente 87 dargestellt.
Des weiteren umfasst die Heizplatte 136 einen nicht näher dargestellten
Temperaturfühler.
Die Heizelemente 87 und der Temperaturfühler stehen mit Versorgungsleitungen 91, 92 in
Verbindung, die wiederum durch die Hubspindel 46 zur Bauplattform 49 geführt sind.
Am Außenumfang 93 der
Bauplattform 49 ist eine umlaufende Nut 81 vorgesehen,
in welcher ein oder mehrere Dichtringe 82 eingesetzt sind,
dessen oder deren Durchmesser geringfügig veränderbar und an die Einbausituation
und Temperaturschwankungen anpassbar ist. Der oder die Dichtringe 82 liegen
an einer Umfangswand 83 der Aufbau kammer 42 an.
Dieser Dichtring 82 weist eine Oberflächenhärte auf, welche geringer ist
als die der Umfangswand 83. Die Umfangswand 83 weist vorteilhafterweise
eine Oberflächenhärte auf,
welche größer als
die Härte
des Aufbaumaterials 57 ist, welches für den Formkörper 52 vorgesehen
ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Beschädigung der
Umfangswand 83 bei längerem
Gebrauch verhindert wird und lediglich der Dichtring 82 als
Verschleißteil
entsprechend den Wartungsintervallen ausgetauscht werden muss. Vorteilhafterweise
ist die Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 oberflächenbeschichtet,
beispielsweise verchromt.
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Die
Bodenplatte 44 umfasst eine Wasserkühlung, welche zumindest während des
Aufbaus des Formkörpers 52 in
Betrieb ist. Über
eine Kühlleitung 86,
welche durch die Hubspindel 46 der Bodenplatte 44 zugeführt ist,
wird Kühlflüssigkeit
den in der Bodenplatte 44 vorgesehenen Kühlkanälen zugeführt. Als
Kühlmedium
ist vorzugsweise Wasser vorgesehen. Durch die Kühlung kann die Bodenplatte 44 beispielsweise
auf eine im wesentlichen konstante Temperatur von 20 °C bis 40 °C eingestellt
werden.
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Der
Träger 43 weist
zur Aufnahme eines Formkörpers 52 eine
Substratplatte 51 auf, welche auf den Träger 43 fest
oder lösbar
durch eine Arretierung und/oder eine Ausrichthilfe positioniert
ist. Die Heizplatte 136 wird vor Beginn der Herstellung
eines Formkörpers 52 auf
eine Betriebstemperatur zwischen 300 °C und 500 °C aufgeheizt, um einen spannungsarmen,
rissfreien Aufbau des Formkörpers 52 zu
ermöglichen.
Der nicht näher
dargestellte Temperaturfühler
erfasst die Aufheiztemperatur oder Betriebstemperatur während des
Aufbaus des Formkörpers 52.
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Die
Bauplattform 49 weist Kühlkanäle 101 auf,
welche sich bevorzugt quer durch die gesamte Bauplattform 49 erstrecken.
Es können
ein oder mehrere Kühlkanäle 101 vorgesehen
sein. Die Position der Kühlkanäle 101 ist
beispielsweise an die Isolierschicht 48 angrenzend gemäß dem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle 101 sich
nicht nur unterhalb von Heizelementen 87, sondern auch
oberhalb und/oder zwischen den Heizelementen 87 erstrecken.
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Nach
dem Fertigstellen des Formkörpers 52 wird
der Träger 43 aus
der in 2 dargestellten Position in eine erste Position
oder Kühlposition 121 abgesenkt.
Diese Position ist in 3 dargestellt. Bereits während des
Absenkens des Trägers 43 kann ein
Volumenstrom aus der Umgebung über
das Filter 126 und die Versorgungsleitung 111 der
Aufbaukammer 42 zugeführt
und über
die Auslassöffnung 113 und
Abführleitung 114 aus
der Aufbaukammer 42 abgeführt werden. Bereits zu diesem
Zeitpunkt als auch noch während
des Aufbaus des Formkörpers 52 kann
eine Kühlung
der Aufbaukammer 42 gegeben sein.
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Die
Kühlposition 121 des
Trägers 43 ist
derart vorgesehen, dass Kühlkanäle 101 der
Bauplattform 49 mit der zumindest einen Einlassöffnung 112 und
zumindest einen Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 fluchten.
Der Volumenstrom durchströmt
die Kühlkanäle 101,
wodurch zumindest eine Kühlung
der Bauplattform 49 gegeben ist. Die Kühlung kann durch einen gepulsten Saugstrom
erfolgen. Durch die Länge
der Pulsdauer, sowie deren Unterbrechung, kann die Abkühlrate in dem
Formkörper 52 bestimmt
werden. Bevorzugt ist eine gleichmäßige Kühlung über eine vorbestimmte Zeitdauer
vorgesehen, damit der Aufbau von Eigenspannungen im Formkörper 52 gering
gehalten wird. Die Kühlung
kann auch durch einen Volumenstrom vorgesehen sein, der in seiner
Durchflussmenge kontinuierlich zunimmt oder abnimmt. Ebenso kann ein
Wechsel zwischen Zu- und Abnahme vorgesehen sein, um die gewünschte Abkühlrate zu
erzielen. Durch den in der Heizplatte 136 vorgesehenen
Temperaturfühler
kann die Abkühlrate
erfasst werden. Gleichzeitig kann über diesen Temperaturfühler die noch
verbleibende Temperatur des Formkörpers 52 abgeleitet
werden. Diese Kühlposition 121 wird
solange eingehalten, bis der Formkörper 52 auf eine Temperatur
von beispielsweise weniger als 50 °C abgekühlt ist. Gleichzeitig kann
in dieser Kühlposition 121 die
Bodenplatte 44 weiterhin gekühlt werden. Zusätzlich kann
ebenso vorgesehen sein, dass an die Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 angrenzend oder in der Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 Kühlkanäle oder
Kühlschläuche vorgesehen
sind, welche ebenfalls dazu beitragen, dass eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und des Trägers 43 ermöglicht ist.
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Nach
dem Kühlen
des Formkörpers 52 auf die
gewünschte
oder voreingestellte Temperatur, wird der Träger 43 in eine weitere
Position oder Absaugposition 128 überführt, welche in 4 dargestellt
ist. Diese beispielhaft dargestellte Absaugposition 128 dient
zum Entfernen, insbesondere zur Absaugung, des Aufbaumaterials 57,
welches beim Herstellen des Formkörpers 52 nicht verfestigt
wurde. Vor dem Anlegen eines Saugstromes, der die Aufbaukammer 42 durchströmt, wird
die Aufbaukammer 42 durch ein Verschlusselement 123 geschlossen.
Dieses Verschlusselement 123 weist Befestigungselemente 124 auf,
welche an oder in der Öffnung 32 angreifen,
um das Verschlusselement 123 dicht zur Aufbaukammer 42 festzulegen.
Das Verschlusselement 123 ist bevorzugt transparent ausgebildet,
so dass das Absaugen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 überwacht
werden kann. Durch einen die Aufbaukammer 42 durchströmenden Saugstrom
wird eine Verwirbelung in der Aufbaukammer 42 erzeugt,
wodurch das nicht verfestigte Aufbaumaterial 57 abgesaugt
und der Abscheidevorrichtung 107 und dem Filter 108 zugeführt wird.
Gleichzeitig erfolgt durch die Absaugung weiterhin eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und der Bauplattform 49.
Zusätzlich
kann über
zumindest eine Düse
in dem Verschlusselement 123 eine weitere Luftzufuhr ermöglicht sein.
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Die
Absaugung des Aufbaumaterials 57 kann durch einen konstanten
Volumenstrom, einen gepulsten Volumenstrom oder einen Volumenstrom mit
einem zunehmenden oder abnehmenden Massendurchsatz betrieben werden.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Absaugung oder einer durch das
Bedienpersonal einstellbaren Zeitdauer wird die Absaugung beendet.
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Zur
Entnahme des Formkörpers 52 wird
das Verschlusselement 123 von der Aufbaukammer 42 abgenommen
und der Träger 43 fährt in eine
obere Position, so dass der Formkörper 52 zumindest
teilweise oberhalb der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 zur Entnahme positioniert wird.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
für die Zuführung des
Aufbaumaterials 57 über
eine Zuführeinrichtung 72 in
die Prozesskammer 21 dargestellt. Der Teilschnitt zeigt
einen Zuführkanal 71,
der mit einem nicht näher
dargestellten Sammelbehälter
oder Vorratsbehälter
in Verbindung steht und Aufbaumaterial 57 bereitstellt.
Die Zuführeinrichtung 72 umfasst einen
Schieber 73, welcher vorzugsweise eine schlitzförmige Öffnung 74 aufweist,
die in einer ersten Position ermöglicht,
dass das Aufbaumaterial 57 in die Öffnung 74 gelangt.
Nach Positionieren des Schiebers 73 in einer zweiten Position
wird das in der Öffnung 74 gespeicherte
Aufbaumaterial 57 über
einen Spalt 76 in die Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 befördert, welche
im Anschluss daran durch eine Hin- und Herbewegung gemäß Pfeil 77 das
Aufbaumaterial 57 in die Aufbaukammer 42 überführt. An den
Umkehrpunkten für
die Hin- und Herbewegung der Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 sind
in der Bodenfläche 41 Aussparungen 79 vorgesehen, durch
welche überschüssiges Aufbaumaterial 57 in eine
Aufnahme oder Pulverfalle 80 abgeführt werden kann. Somit ist
nach dem Einbringen des Aufbaumaterials 57 in die Aufbaukammer 42 die
Bodenfläche 41 im
wesentlichen frei von Aufbaumaterial 57.
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Durch
diese Ausgestaltung der Zuführeinrichtung 72 ist
eine portionierte Zuführung
von Aufbaumaterial 57 in die Prozesskammer 28 ermöglicht. Des
weiteren ist durch diese Zuführeinrichtung 72 ermöglicht,
dass ein einfacher und schneller Wechsel von einem Aufbaumaterial 57 zu
einem weiteren Aufbaumaterial 57 gegeben ist, da diese
Zuführeinrichtung 72 eine
nahezu rückstandsfreie
Einbringung des Aufbaumaterials 57 in die Prozesskammer 21 ermöglicht.
Weitere Lösungen
zur Ausgestaltung der Zuführeinrichtung 72 sind
ebenfalls möglich.
Beispielsweise kann die portionierte Zuführung des Aufbaumaterials 57 auch über ein
steuerbares Verschlusselement und ein Sensorelement erfolgen, mit
dem die Zuführmenge
bestimmt wird. Ebenso ist es möglich, anstelle
der beschriebenen Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 eine
Einrichtung zu verwenden, die das Aufbaumaterial 57 nach
Art eines Bedruckungsverfahrens in die Aufbaukammer 42 aufbringt.
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Das
Doppelkammer- oder Mehrkammerprinzip wird nachfolgend anhand der 6 beschrieben, welche
eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 zeigt,
wobei gleichzeitig auch auf die vorangegangenen Figuren Bezug genommen
wird.
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Jede
Prozesskammer 21, 24 umfasst ein Filter 126,
durch das gereinigte Umgebungsluft über eine Zuführleitung 111 einer
Aufbaukammer 42 zugeführt
wird. Aus der Aufbaukammer 42 führt eine Abführleitung 114 den
Volumenstrom ab, der außerhalb des
Gehäuses 31 einer
Abscheide vorrichtung 107 zugeführt wird. Dieser ist ein Filter 108 nachgeschaltet.
Des Weiteren umfasst die Prozesskammer 21, 24 jeweils
eine Leitung 106, welche das in einer Pulverfalle 80 aufgefangene
Aufbaumaterial 57 aus dem Gehäuse 31 abführt und
der Abscheidevorrichtung 107 bzw. der Abführleitung 114 zuführt. Diese
Leitung 106 steht mit einer Auslassöffnung der Pulverfalle 80 in
dem Gehäuse 31 in
Verbindung, durch welche nicht benötigtes Aufbaumaterial 57 aufgenommen wird.
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Jeder
Prozesskammer 21, 24 sind als Sperrventile ausgebildete
Sperreinrichtungen 176 zugeordnet. Diese Sperreinrichtungen 176 sind
in einer bevorzugten Ausführungsform
in der Auslassöffnung 113 der
Abführleitung 114 sowie
in den Auslassöffnungen
der Pulverfallen 80 vorgesehen, in welche die Leitungen
zur Pulverabfuhr münden.
Des Weiteren können
diese Sperreinrichtungen 176 zwischen der Prozesskammer 21, 24 in
einem Leitungsabschnitt der Abführleitung 114 und
der Leitung 106 vor einer Abscheidevorrichtung 107 vorgesehen
sein. Des Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass in einer
Absaugleitung 117 einer Düse 116 zur Handabsaugung
von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 oder der Düse 116 zugeordnet
ebenfalls eine Sperreinrichtung 176 vorgesehen ist. Zusätzlich können zur
Erhöhung
der Sicherheit weitere Sperreinrichtungen 176 vorgesehen
sein. Beispielsweise kann eine Sperreinrichtung 176 in
der Einlassöffnung 112 der
Zuführleitung 111 vorgesehen
sein. Des Weiteren kann zusätzlich
eine Sperreinrichtung 176 in den jeweils von der Prozesskammer 21, 24 in
das Gebläse 109 mündenden
Verbindungsleitungen 118 vorgesehen sein, um weitere Sicherheitsfunktionen auszubilden.
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Die
Sperreinrichtungen 176 sind einzeln oder in Funktionsgruppen
zusammengefasst ansteuerbar, so dass die Ansteuerung in die einzelnen
Arbeitsprozesse, wie Herstellen des Formkörpers, Abkühlen des Trägers und Absaugen des nicht
verfestigten Aufbaumaterials 57, eingebunden sind. Dadurch
wird sichergestellt, dass beispielsweise beim Absaugen von nicht
verfestigtem Aufbaumaterial 57 oder Abkühlen des Trägers 43 in der Prozesskammer 21 durch
Schließen
der Sperreinrichtungen 176 der Prozesskammer 24 eine
hermetische Abriegelung der Prozesskammer 24 zur Prozesskammer 21 gegeben
ist. Bevorzugt werden als Sperreinrichtung 176 Quetschventile
eingesetzt, die eine hohe Standfestigkeit aufweisen.
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Die
Ansteuerung der Sperreinrichtungen 176 erfolgt bevorzugt
in Abhängigkeit
der Position des Trägers 43 in
der Aufbaukammer 42. Des Weiteren kann auch vorgesehen
sein, dass das Signal zur Ansteuerung der Sperreinrichtungen 176 mit
dem Steuersignal zum Betrieb des Gebläses 109 gekoppelt
ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle Sperreinrichtungen 176 im
Ruhezustand geschlossen sind und dass während des Absaugens beziehungsweise
des Kühlens
in einer Prozesskammer 21, 24 nur die dafür erforderlichen
Sperreinrichtungen 176 geöffnet werden.
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In
die Abscheidevorrichtung 107 mündet des Weiteren eine Absaugleitung 117,
welche eine Düse 116 zur
manuellen Reinigung der Prozesskammer 21, 24 sowie
des weiteren Umfeldes der Prozesskammer 21, 24 ermöglicht.
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An
der Düse 116 beziehungsweise
an einem Rahmen zur Aufnahme der Düse 116 ist ein Sensorelement
vorgesehen, welches beim Herausnehmen der Düse 116 aus der Halterung
zur Handabsaugung automatisch das Gebläse 109 zuschaltet
und die zugehörige
Sperreinrichtung 176 öffnet,
so dass die Düse 116 betriebsbereit
ist. Die weiteren Sperreinrichtungen 176 bleiben hierbei
geschlossen.
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Die
zumindest zwei Prozesskammern 21, 24 weisen des
Weiteren vorzugsweise jeweils ein getrenntes Kühlsystem 103 (1)
auf, welches Komponenten in und an dem Gehäuse 31 kühlt.
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Die
aus der Aufbaukammer 42 abgeführte Luft/Gas und das abgeführte Aufbaumaterial 57 werden
somit jeweils einer jeder Prozesskammer 21, 24 zugeordneten
Abscheidevorrichtung 107 und einem dieser nachgeschalteten
Filter 108 zugeführt.
Die Abscheidevorrichtung 107 umfasst einen Auffangbehälter, in
welchem das abgeführte
Aufbaumaterial 57 gesammelt wird. Dieses gesammelte Aufbaumaterial 57 kann
durch ein Sieb zwischen der Abscheidevorrichtung 108 und
dem Auffangbehälter
gereinigt werden oder einer externen Aufbereitungsanlage zugeführt werden,
um im Anschluss über
die Zuführeinrichtung 72 für den weiteren
schichtweisen Aufbau eines Formkörpers 52 verwendet
zu werden. Durch die getrennte Absaugung, welche für jede Prozesskammer 21, 24 vorgesehen
ist, können
unterschiedliche Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wobei eine Vermischung
oder eine Verunreinigung des Aufbaumaterials 52 unterbunden
ist. Insbesondere durch die Sperreinrichtungen 176 werden
Beeinflussungen oder Vermischungen innerhalb der jeweiligen Kreisläufe, welche
für jede
Prozesskammer 21, 24 ausgebildet sind, verhindert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist des Weiteren vorteilhafterweise eine Löschanlage auf, welche für jede Prozesskammer 21, 24 vorgesehen und
in die jeweilige Absaugung zumindest teilweise integriert ist. In
der Absaugung ist ein thermisches Überwachungselement vorgesehen,
welches die Temperatur in der Absaugung überwacht. Sobald ein auf das
Aufbaumaterial 57 anpassbarer und einstellbarer Grenzwert überschritten
wird, gibt dieses Überwachungselement
ein Notstoppsignal an die Steuer- und Recheneinheit 26 aus.
Daraufhin wird das Gebläse 109 stillgesetzt.
Gleichzeitig werden die Leitungen 106, 114, 117, 118 ebenso
wie der Filter 108 und die Abscheidevorrichtung 107 mit
Schutz- oder Inertgas befüllt
und die Sperreinrichtungen 176 geschlossen. Durch diese
Maßnahme
wird erreicht, dass der für
eine mögliche
Verbrennung erforderliche Sauerstoff durch das Schutzgas verdrängt wird.
Diese Löschanlage
weist den Vorteil auf, dass nach einem Reinigungsprozess sämtliche
Bauteilkomponenten für
die weitere Herstellung von Formkörpern 52 verwendet
werden können.
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Zumindest
zwei Prozesskammern 21, 24 werden gemeinsam durch
ein Gebläse 109 betrieben.
Dieses Gebläse 109 ist
bevorzugt als Radialgebläse
ausgebildet und steht über
Verbindungsleitungen 118 mit den jeweiligen Abscheidevorrichtungen 107 und
Filtern 108 der Prozesskammern 21, 24 in Verbindung.
Durch diese vorteilhafte Anordnung und Ausgestaltung der Prozesskammern 21, 24 sowie deren
Zuordnung von Bauteilkomponenten und der Einbindung von Sperreinrichtungen 176 kann
erzielt werden, dass jede Prozesskammer 21, 24 autark ausgebildet
und hermetisch abgeriegelt ist. Ebenso ist eine gemeinsame Strahlquelle 16 und
eine gemeinsame Strahlablenkeinrichtung 18 vorgesehen. Die
weiteren Komponenten sind entsprechend der Anzahl der Prozesskammern 21, 24 vorgesehen,
wodurch ermöglicht
wird, dass geschlossene Materialkreisläufe sowohl für das Aufbaumaterial 57 als
auch das Schutz- oder Inertgas gegeben sind.
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Während des
Aufbaus und der Herstellung eines Formkörpers 52 in einer
Prozesskammer 21 können
in der zumindest einen weiteren Prozesskammer 24 Umrüstarbeiten
oder die Absaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 und/oder
die Kühlung
des Formkörpers 52 durchgeführt werden, ohne
dass die benachbarte oder die benachbarten Prozesskammern beeinflusst
werden. Dadurch kann eine optimale Auslastung der Strahlquelle 16 gegeben
sein. Zusätzlich
können
in jeder Prozesskammer 21, 24 unterschiedliche
Formkörper 52 mit
unterschiedlichen Aufbaumaterialien 57 und Herstellungsparametern
aufgebaut werden.
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Das
vorgenannte Prinzip ist nicht auf Doppelkammersysteme beschränkt. Vielmehr
können
auch drei oder mehrere Prozesskammern 21, 24 einander zugeordnet
werden. Eine Strahlablenkeinrichtung 18 kann jeweils zur
Prozesskammer 21, 24 positioniert werden, um einen
abgelenkten Strahl auf die gewünschte
Stelle innerhalb der Arbeitsebene zu führen. Alternativ kann ebenso
vorgesehen sein, dass die Strahlquelle 16 und Strahlablenkeinrichtung 18 feststehend
ausgebildet sind und die Prozesskammern 21, 24 relativ
zur Strahlablenkeinrichtung 18 bewegt werden. Beispielsweise
ist eine Karussellanordnung denkbar. Bei dieser Ausgestaltung kann ebenso
vorgesehen sein, dass sowohl die Strahlablenkeinrichtung 18 und/oder
die Strahlquelle 16 als auch die Prozesskammern 21, 24 relativ
zueinander verfahrbar angeordnet sind.