DE10360094A1

DE10360094A1 - Pulverdosierung - automatische Pulverzustellung

Info

Publication number: DE10360094A1
Application number: DE10360094A
Authority: DE
Inventors: Frank Schödel
Original assignee: Concept Laser GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2023-12-21
Also published as: DE10360094C9; DE10360094B4; DE10360094C5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauvorrichtung 1 zur schichtweisen Erstellung von Formteilen aus Baumaterial 3 unter Einbringung von Strahlungsenergie, insbesondere Lasersinteranlage oder Stereolithographieanlage, mit mindestens einer horizontal verfahrbaren Beschichteranordnung 2 zum Transport des Baumaterials 3 aus einem Vorratsbehälter 4 in den Bauraum 5, wobei das Baumaterial 3 durch mindestens eine nach unten weisende Kante 6 der Beschichteranordnung 2 als gleichmäßige Schicht auf einer Baufläche 7 aufbringbar ist und wobei das Baumaterial 3 beim Transport vom Vorratsbehälter 4 in den Bauraum 5 in einer nach unten wenigstens teilweise offenen Kammer 8 der Beschichteranordnung 2 angeordnet ist, wobei eine in die Kammer 8 einwirkende oder in dieser angeordnete Sensoreinrichtung 9, durch welche das in der Beschichteranordnung 2 vorhandene Baumaterialvolumen erfassbar ist, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauvorrichtung zur schichtweisen Erstellung von Formteilen aus Baumaterial unter Einbringung von Strahlungsenergie. Derartige Bauvorrichtungen werden als Lasersinteranlagen oder Stereolithographieanlagen bezeichnet.
Das Baumaterial wird bei derartigen Bauvorrichtungen nach dem Stand der Technik mit einer oder mehreren horizontal verfahrbaren Beschichteranordnung aus einem Vorratsbehälter in den Bauraum verbracht, wobei das Baumaterial, das entweder ein sinterfähiges Pulver oder ein pastoses Material zur Durchführung eines Stereolithographieverfahrens sein kann als Schicht gleichmäßiger Dicke auf eine Baufläche aufgebracht wird, wozu der Beschichter eine oder mehre nach unten weisende Kanten als Rakel aufweist.

Um das Baumaterial transportieren zu können, ist die Beschichteranordnung mit einer unten wenigstens teilweise offenen Kammer ausgestattet, in welche das Baumaterial im Bereich des Vorratsbehälters durch eine Zustellvorrichtung eingebracht wird und in der das Material über die zu beschichtende Fläche mitgenommen wird. Bauvorrichtungen mit einem derartigen Beschichter sind beispielsweise aus DE 103 00 959.0 bekannt.

Beim Dosiervorgang muß der Beschichteranordnung das Baumaterial für eine bzw. n-Beschichtungen in folgender Menge zur Verfügung gestellt werden: Baumaterialvolumen = n × Baufläche × Schichthöhe × Korrekturfaktor.

Unter theoretischen Gesichtspunkten sollte sich nach dem Aufziehen der Baumaterialschicht kein Baumaterial mehr in der Beschichteranordnung befinden.

Dabei gilt für die Praxis folgendes:

– Die Anzahl der zu beschichtenden Schichten n ist mit einem Wert bestimmbar;
– Die Baufläche ist durch die Konstruktion und damit durch einen Datensatz vorgegeben;
– Die Schichthöhe wird mit einem Wert vorgegeben; dabei tritt das Problem auf, daß die zuvor belichtete Fläche in ihrer Höhe schrumpft. Die tatsächliche Schichthöhe über der zuvor belichteten Fläche wird dadurch größer. Diese Erhöhung ist abhängig von der zuvor belichteten Flächengröße und den Belichtungsparametern. Diese Werte sind nicht eindeutig bestimmbar;
– Der Korrekturfaktor hat die Aufgabe, die Differenzen bei unterschiedlich hohen Schichten zu mitteln.

Aus diesen Gegebenheiten der Praxis ergibt sich, daß dann, wenn der Wert des Korrekturfaktors nicht genau stimmt, die Beschichteranordnung entweder zu wenig oder zu viel Baumaterial transportiert. Enthält sie zu wenig Baumaterial, so bedeutet dies, daß einzelne Schichten des Baumteils nicht vollständig gebaut werden können. Wird zuviel Baumaterial transportiert, führt dies dazu, daß Baumaterial an Stellen angehäuft wird, wo kein Baumaterial benötigt wird. Außerdem reduziert sich dadurch die mögliche bauende Bauteilhöhe, da nur ein gewisses maximales Baumaterialvolumen in dem Vorratsbehälter zur Verfügung gestellt werden kann.

Um zu vermeiden, daß unvollständige Beschichtungen folgen, was zu fehlerhaften Bauteilen führt, wird beim Stand der Technik der Beschichteranordnung immer mehr Baumaterialvolumen zur Verfügung gestellt, als für den eigentlichen Schichtaufzug benötigt wird. Dadurch wird zwar gewährleistet, daß die Schicht immer vollständig mit Baumaterial bedeckt ist, ein Übermaß Baumaterial wird aber dann über einen Entleerschlitz in ein Auffangbehälter befördert, was in nachteiliger Weise dazu führt, daß sich die zu bauende Bauteilhöhe reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, daß das der Beschichteranordnung zugeführte Baumaterial optimal ausgenutzt werden kann und beim Bauvorgang dadurch möglichst wenig Baumaterial in den Auffangbehälter gefördert wird, was zu einer Erhöhung der möglichen Bauteilhöhe führt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine in die Kammer einwirkende oder in dieser angeordnete Sensoreinrichtung vorgesehen ist, durch welche das in der Beschichteranordnung vorhandene Baumaterialvolumen erfaßt.

Durch eine solche Sensoreinrichtung ist es erstmals möglich, vor Ort in der Beschichteranordnung abzufragen, wie der Baumaterialfüllstand innerhalb der Beschichteranordnung ist. Die Sensoreinrichtung kann über eine Steuerungseinrichtung an eine im Vorratsbehälter angeordnete Zustelleinrichtung angeschlossen werden, diese fördert dann ganz gezielt nur so viel Baumaterial in die Beschichteranordnung, wie durch die Beschichteranordnung tatsächlich auch verarbeitet werden kann. Höchst vorsorglich wird man ein gewisses Übermaß an Baumaterial in der Beschichteranordnung vorsehen, jedoch kann durch die Sensoreinrichtung vermieden werden, daß eine Übermenge an Baumaterial in der Beschichteranordnung vorliegt, die nach dem eigentlichen Beschichtungsvorgang über den Entleerschlitz in den Auffangbehälter fällt und dadurch für den automatischen Bauvorgang nicht mehr zur Verfügung steht.

Die Anspruch 2 – 11 befassen sich mit unterschiedlichen Ausbildungen und Anordnungen der Sensoreinrichtung. Z.B. kann ein Magnetfeldsensor angedacht werden, wenn das Baumaterial aus magnetischen Substanzen besteht oder solche mit umfaßt. Die Sensoreinrichtung kann als optischer Sensor, als Wägesensor oder auch als Ultraschallsensor ausgebildet werden. Eine Abtastung des Baumaterials von oben, um seine Höhe in der Kammer zu ermitteln, ist ebenso möglich wie eine Abtastung der vorderen Baumaterialfront. Optische Sensoren können als Lichttaster ausgebildet sein oder auch als Lichtschranke. Genauso ist natürlich eine Mehrzahl von Lichttastern und Lichtschranken oder sonstigen Sensoren möglich, um die Messung zu präzisieren.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, den optischen Sensor als Bildsensor, s.h. als kleine elektronische Kamera auszubilden, um das Baumaterialvolumen und insbesondere auch dessen Verteilung in der Baukammer zu erfassen und z.B. mit vorab gespeicherten Bildzuständen zu vergleichen. Dadurch ist es ebenfalls möglich, Aussagen über den Füllgrad der Baumaterialkammer zu ermitteln.

Vorteilhafterweise ist die Kammer in der Beschichteranordnung zur Aufnahme des Baumaterials tunnelartig ausgebildet. Dadurch ist es nämlich möglich, Sensoren links und rechts der Verfahrrichtung der Beschichteranordnung vorzusehen, die in die Kammer von der Seite her einwirken können.

Die in Fahrtrichtung nach vorne und hinten weisenden Wandungen können grabenartige Einbuchtungen haben, die als Messtunnel dienen. Wenn in diesen Messtunneln kein Baumaterial mehr vorhanden ist und z.B. eine Lichtschranke einen solchen Messtunnel seiner ganzen Querrichtung entlang durchleuchten kann, bedeutet dies, daß das Baumaterialvolumen einen Tiefstand in der Kammer erreicht hat.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht wesentlicher Komponenten der Bauvorrichtung;
2: eine Draufsicht auf die Bauvorrichtung;
3: eine erste Seitenansicht der wesentlichen Komponenten der Bauvorrichtung;
4; eine weitere Seitenansicht der wesentlichen Komponenten der Bauvorrichtung;
5: eine Detailansicht der Beschichtervorrichtung mit der unten offenen Kammer zu Aufnahme des Baumaterials.
Die in den 1 – 4 teilweise dargestellte Bauvorrichtung 1 weist eine horizontal verfahrbare Beschichteranordnung 2 auf, mit welcher Baumaterial 3, das bei einer Laser-Sinteranlage aus sinterbarem Pulver besteht, aus einem Vorratsbehälter 4 in einen Bauraum 5 verbracht wird. Das Baumaterial kann durch eine nach unten weisende Kante 6 der Beschichteranordnung 2 als gleichmäßige Schicht auf einer Baufläche 7 aufgetragen werden. In Zeichnungsfigur 1 ist die Baufläche etwas abgesenkt dargestellt. Zum Beschichtervorgang wird sie durch nicht weiter dargestellte Zustelleinrichtungen auf die Höhe der Kante 6 angehoben.
Das Baumaterial 3 ist beim Transport vom Vorratsbehälter 4 in den Bauraum 5 in einer nach unten wenigstens teilweise offenen Kammer 8 der Beschichteranordnung 2 angeordnet.
Um den Füllgrad und/oder die Verteilung des Baumaterials 2 in der Kammer 8 ermitteln zu können, ist eine in die Kammer einwirkende Sensoreinrichtung 9 vorgesehen, die das in der Beschichteranordnung 2 vorhandene Baumaterialvolumen der Menge nach oder der Verteilung nach erfaßt.
Die Sensoreinrichtung 9 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als optischer Sensor 9' ausgebildet, der die Kammer 8 in Querrichtung durchleuchtet und als Einweglichtschranke ausgebildet ist. Dazu ist auf der einen Seite der Bauvorrichtung ein eine Lichtquelle umfassender Lichtschrankensender angeordnet, der einen Lichtstrahl 16 aussendet, der von einem Lichtschrankenempfänger 17 registriert wird, sofern er im Bereich der Kammer 8 nicht unterbrochen wird. Der Lichtschrankenempfänger kann als Sensor eine lichtempfindliche Diode, einen Fotowiderstand oder dgl. umfassen. Alternativ ist die Anordnungen anderer Sensoren möglich, beispielsweise magnetischer Sensoren oder Ultraschallsensoren. Auch eine Wägeeinrichtung kann im Prinzip ins Auge gefaßt werden, um die Pulvermenge zu erfassen. Es ist auch denkbar, anstatt der Lichtschrankeneinrichtung seitlich eine kleine elektronische Kamera anzuordnen, die mit einer Bildverarbeitungseinrichtung verbunden ist, so daß durch die Kamera gewonnene Bilder mit vorab gespeicherten Zustandsaufnahmen des Baumaterials in der Kammer verglichen werden können, woraus Rückschlüsse auf den Füllgrad der Kammer gezogen werden können.
Die Kammer 8 ist turmartig ausgebildet, sie weist etwa einen trapezartigen Querschnitt auf, die schräg nach unten weisenden Wandungen der Kammer 20 sind mit als Messtunnel 21 dienenden grabenartigen Einbuchtungen 22 versehen, dies führt dazu, daß sich beim Verfahrvorgang der Beschichteranordnung Baumaterialrestbestände in der Einbuchtung 22 sammeln und dort gezielt durch die Sensoreinrichtung 9, beispielsweise den Lichtstrahl 16 der Lichtschranke 16. 17 erfaßt werden können. Die Einbuchtungen 22 sind mit spitz aufeinander zuweisenden, im Querschnitt zahnartigen Unterkanten 23 versehen, durch welche Baumaterialrestbestände gesammelt und der jeweiligen Einbuchtung zugeführt werden.
Der Ausgang der Sensoreinrichtung 9 ist mit einer nicht näher dargestellten, im Bereich des Vorratsbehälters 4 angeordneten Baumaterialdosiervorrichtung 24 verbunden, die durch die Sensoreinrichtung 9 insoweit steuerbar ist, als nur dann Baumaterial 3 der Beschichteranordnung 2 zugeführt wird, wenn in der Beschichteranordnung 2 für die nächsten Beschichtungen zu wenig Baumaterial 3 vorhanden ist.

1: Bauvorrichtung
2: Beschichteranordnung
3: Baumaterial
4: Vorratsbehälter
5: Bauraum
6: Kante
7: Baufläche
8: Kammer
9: Sensorvorrichtung
9': Sensor
15: Lichtschrankensender
16: Lichtstrahl
17: Lichtschrankenempfänger
20: Wandungen
21: Messtunnel
22: Einbuchtung
23: Unterkante
24: Baumaterialdosiervorrichtung
25: Beschichterklinge

Claims

Bauvorrichtung (1) zur schichtweisen Erstellung von Formteilen aus Baumaterial (3) unter Einbringung von Strahlungsenergie, insbesondere Lasersinteranlage oder Stereolithographieanlage, mit – mindestens einer horizontal verfahrbaren Beschichteranordnung (2) zum Transport des Baumaterials (3) aus einem Vorratsbehälter (4) in den Bauraum (5), wobei das Baumaterial (3) durch mindestens eine nach unten weisende Kante (6) der Beschichteranordnung (2) als gleichmäßige Schicht auf eine Baufläche (7) aufbringbar ist, und wobei – das Baumaterial (3) beim Transport vom Vorratsbehälter (4) in den Bauraum (5) in einer nach unten wenigstens teilweise offenen Kammer (8) der Beschichteranordnung (2) angeordnet ist, gekennzeichnet durch – eine in die Kammer (8) einwirkende oder in dieser angeordnete Sensoreinrichtung (9), durch welche das in der Beschichteranordnung (2) vorhandene Baumaterialvolumen erfassbar ist.
Bauvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorenrichtung (9) mindestens einen Magnetfeldsensor umfasst.
Bauvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) mindestens einen optischen Sensor (9') umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) eine Wägezelle zur Gewichtsabfrage des Baumaterials (3) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) mindestens einen Ultraschallsensor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) die beförderte Baumaterialhöhe von oben abtastet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) die vordere Baumaterialfront des in der Kammer (8) bewegten Baumaterials (3) seitlich abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (9') ein Lichttaster ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (9') als Reflektionslichtschranke ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (9') als Einweglichtschranke ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (9') als CCD-Bildsensor ausgebildet ist und die Erfassung der Baumaterialmenge über eine elektronische Bildverarbeitungseinrichtung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (8) in der Beschichteranorndung (2) zur Aufnahme des Baumaterials (3) tunnelartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die tunnelartige Kammer (8) an den parallel zur Fahrrichtung der Beschichteranorndnung (2) liegenden Seiten durch feststehende Wandunger einer Führungseinrichtung begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die tunnelartige Kammer (8) einen etwa trapezartigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in schräg nach unten weisenden Wandungen (20) der Kammer (8) als Messtunnel dienende grabenartige Einbuchtungen (22) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die grabenartigen Einbuchtungen (22) mit spitz aufeinander zuweisenden, im Querschnitt zahnartigen Unterkanten (23) versehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die tunnelartige Kammer (8) an ihrer Front- und Rückseite mit Beschichterklingen (25) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) an der Beschichteranordnung (2) angeordnet und zusammen mit dieser verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (9) ortsfest angeordnet ist und die Beschichteranordnung (2) in den Erfassungsbereich der Sensoreinrichtung (9) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Sensoreinrichtung (9) mit einer Baumaterialdosiervorrichtung (24) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Baumaterialdosiervorrichtung (24) durch die Sensoreinrichtung (9) steuerbar ist.