DE19846478C2 - Laser-Sintermaschine - Google Patents

Laser-Sintermaschine

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DE19846478C2 DE19846478A DE19846478A DE19846478C2 DE 19846478 C2 DE19846478 C2 DE 19846478C2 DE 19846478 A DE19846478 A DE 19846478A DE 19846478 A DE19846478 A DE 19846478A DE 19846478 C2 DE19846478 C2 DE 19846478C2
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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-Sintermaschine, insbesondere eine Kunststoff-Laser-Sintermaschine mit den Merkmalen des Ober­ begriffs des Patentanspruchs 1.
Bekannte Laser-Sintermachinen weisen ein Maschinengehäuse auf, in wel­ chem ein Sinter-Bauraum oder Prozeßraum angeordnet ist. Im oberen Be­ reich dieses Bauraumes befindet sich die Ausgangsoptik eines Sinterlasers in Form eines Scanners. Der Scanner bildet das optische System zum Ab­ lenken des Laserstrahls, der die zum Sintern des Sintermaterials (Thermoplastpulvers) erforderliche Energie liefert. Unter dem optischen System befindet sich eine höhenverfahrbare Werkstückplattform, über der eine Materialzuführungseinrichtung mit einem Beschichter vorgesehen ist, der zur Zuführung von pulverartigem Sintermaterial aus einem Vorratsbe­ hälter in dem Prozeßbereich über der Werkstückplattform dient.
Bei den Laser-Sintermaschinen nach dem Stand der Technik wird im Innen­ bereich der höhenverfahrbaren Werkstückplattform das Bauteil schichtweise aufgebaut. Um aber das Thermoplastpulver, das nicht belichtet und damit nicht gesintert wird, am Herrunterfallen von der Werkstückplattform zu hin­ dern, wird im Randbereich der Plattform im wesentlichen gleichzeitig ein Rand aufgebaut, d. h. gesindert, der als Begrenzung der Werkstückplattform dient.
Diese Vorgehensweise ist in mehrerer Hinsicht mit Nachteilen verbunden. Der Aufbau des Randes auf der Werkstückplattform bedarf zusätzlicher Be­ lichtungszeit und erfordert außerdem zusätzliches, und nicht mehr weiter­ verwendbares Thermoplastpulver.
Besonders nachteilig ist zudem, daß bei einem Baufehler im Randbereich keine ausreichend stabile kastenartige Begrenzungsstruktur gebildet wird, was bereits vor oder spätestens beim Entnehmen des Bauteils von der hö­ henverfahrbaren Werkstückplattform zu Verformungen und damit zu Aus­ schuß führen kann.
Darüber hinaus führen Randbrüche oder Randschäden beim Entnehmen der Werkstückplattform aus der Laser-Sintermaschine dazu, daß Pulver in den unteren Bereich der Laser-Sintermaschine fällt, diesen Bereich verschmutzt und damit zusätzliche Serviceleistungen und Standzeiten der Laser- Sintermaschine verursacht.
Dazu kommt als weiterer gravierender Nachteil, daß das gesinterte Bauteil sowie die Berandung nach dem eigentlichen Herstellungsprozeß noch über einen gewissen Zeitraum in der Laser-Sintermaschine zu verbleiben hat, um einen solchen Aushärtungs- und Abkühlungsgrad zu erreichen, daß Verfor­ mungen des Randes und des Bauteils beim Entnehmen nicht mehr vorkom­ men können. Hierbei gilt als Faustregel, daß bei einer Bauzeit von 20 Std. auch eine Abkühlzeit von etwa 20 Std. für den erstellten Rand und das Bauteil erforderlich sind, so daß Laser-Sintermaschinen nach dem Stand der Technik relativ hohe Standzeiten haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Sintermaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß Energie und Materialaufwand gesenkt und die Standzeiten zwischen zwei Bauprozessen erheblich verkürzt werden können. Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbilden ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-20.
Als Kern der Erfindung wird es zunächst angesehen, in dem Sinter-Bauraum einen einen Begrenzungsrahmen bildenden Wechselbehälter einzusetzen, in welchen die Werkstückplattform als Boden integriert ist und in welchem ei­ ne Trägervorrichtung angeordnet ist, auf der sich die Werkstückplattform beim Betrieb der Laser-Sintermaschine abstützt.
Der neuartige in den Sinter-Bauraum einsetzbare Wechselbehälter besteht damit im wesentlichen aus zwei Kernbestandteilen, nämlich einmal aus ei­ nem schachtartigen Außenbereich, der den Begrenzungsrahmen bildet und der üblichen Werkstückplattform, die in diesem schachtartigen Bereich hö­ henverfahrbar integriert ist.
Beim schichtweisen Aufbau des Bauteils wird sukzessive, d. h. Schichthöhe für Schichthöhe, der Behälterboden innerhalb des Begrenzungsrahmens ab­ gesenkt und der über der Werkstückplattform liegende Bereich immer wie­ der neu mit pulverartigem Sintermaterial ausgefüllt, was in herkömmlicher­ weise durch den Beschichter vorgenommen wird.
In vorteilhafter Weise muß aber randseitig kein Rand mit aufgebaut werden. Es reicht völlig aus, wenn nur das eigentliche Werkstück gesintert wird, das innerhalb des stabilen Wechselbehälters und dem darin einliegenden nicht gesinterten Sintermaterial verformungsgeschützt gelagert ist.
Sobald die letzte Schicht des Bauteils gesintert ist, kann über die Trägervor­ richtung die Werkstückplattform in einen unteren Bereich abgesenkt wer­ den, über Verriegelungselemente, beispielsweise Steckschieber, die in mit­ einander fluchtende Bohrungen zwischen den Wandungen des Wechselbe­ hälters und der Werkstückplattform eingeschoben werden können, wird der Behälterboden mit den Behälterseitenwandungen fest verbunden. Dieser Verbund kann dann von der Trägervorrichtung gelöst und abgehoben und aus dem Bauraum entnommen werden. Dies kann problemlos in heißem Zustand geschehen. Die Auskühlung des Behälters, des darin befindlichen Bauteils und des Sintermaterials geschieht außerhalb der Sintermaschine.
Unmittelbar nach dem Entnehmen des Wechselbehälters kann in die Sinter­ maschine ein neuer Wechselbehälter eingesetzt werden, sein Boden mit der Trägervorrichtung verbunden und nachfolgend von den Seitenwandungen des Wechselbehälters entriegelt werden. Die Sintermaschine steht nach einer Umrüstzeit von etwa 15-20 min wieder für den nächsten Laser- Sintereinsatz zur Verfügung.
Die Erfindung wirkt sich damit in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft auf den Betrieb einer solchen Sintermaschine aus. Zum einen können Baufehler im Randbereich nicht dazu führen, daß das eigentliche Bauteil Ausschuß wird. Abkühlzeiten des Bauteils bzw. des dieses umgebenden Materials sind aus der Sintermaschine herausverlagert.
Die Sintermaschine steht sehr schnell wieder für neuen Einsatz zur Verfü­ gung. Außerdem wird Sintermaterial und Energie eingespart.
Der Wechselbehälter hat in Draufsicht vorteilhafterweise einen im wesentli­ chen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt und umfaßt vier zueinan­ der im wesentlichen rechtwinklig angeordneten Seitenwandungen. Innerhalb dieser Seitenwandungen ist die Werkstückplattform höhenverschiebbar ge­ führt.
Grundsätzlich ist es möglich, die Trägervorrichtung von unten in den Schacht der Behälterseitenwandungen eingreifen zu lassen oder auch als fe­ sten Bestandteil in den Wechselbehälter zu integrieren. Um stabile Ver­ hältnisse bei Ausnutzung einer in die Maschine fest eingebauten Trägervor­ richtung zu schaffen, ist es vorteilhaft, wenn die hintere Behälterwand des Wechselbehälters in Verschieberichtung, d. h. von unten nach oben verlau­ fende Eingriffsausnehmungen aufweist, durch die eine im Rückwandbereich des Bauraumes höhenverfahrbar geführte Trägervorrichtung mit im wesent­ lichen horizontal abstehenden Tragarmen hindurchgreifen kann. Es sind da­ bei Mittel vorgesehen, durchweiche die Eingriffsausnehmungen im Bereich oberhalb der Werkstückplattform pulverdicht abgedeckt sind.
Vorteilhafterweise geschieht dies durch einen Rollo, der an der Oberkante der Wechselbehälterrückwand befestigt ist und sich beim Absenken der Werkstückplattform auf die Innenseite der Behälterwandung anlegt und die Eingriffsausnehmungen überdeckt.
Um eine ausreichende Sinterpulverdichtigkeit zu gewährleisten, sind neben den Eingriffsausnehmungen mit dem Stahlrollo zusammenwirkende Halte­ magnetelemente angeordnet. Der Stahlrollo schmiegt sich durch die Halte­ magnetelemente sehr innig an die Innenseite der rückwärtigen Behälterwan­ dung an, so daß kein oder nur sehr wenig Pulver in den unteren Maschinen­ bereich fallen kann.
Im oberen Bereich des Behälters sind Halte- oder Einhängeelemente vorge­ sehen, und den Wechselvorgang auf nur wenige Handgriffe zu beschränken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wechselbehälter wie eine Schublade in den Prozeßraum einschiebbar ist, wozu Führungen im Bereich der Sei­ tenwandungen des Prozeßraumes vorgesehen sind und der Wechselbehälter an seinem oberen Ende mit seitlich abstehenden Trägerwinkeln oder dgl. versehen ist, die auf den Führungen des Prozeßraumes aufliegen.
Bei den Laser-Sintermaschinen nach dem Stand der Technik wird der ge­ samte untere Bauraum beheizt. Eine solche Bauraumbeheizung ist relativ träge und energieaufwendig. Durch eine Heizvorrichtung, die in den Wech­ selbehälter bzw. seinen Boden oder seine Wandungen integriert ist, kann die Heizung gezielt an die thermischen Bedürfnisse des Laser-Sinterprozesses angepaßt werden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfi­ guren näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1: Eine schematische Seitenschnittdarstellung einer Laser- Sintermaschine mit Wechselbehälter,
Fig. 2: eine Schnittdarstellung wie Fig. 1, jedoch mit einem mo­ difizierten Wechselbehälter,
Fig. 3: eine Detailschnittdarstellung eines Wechselbehälters ge­ mäß Fig. 1 mit Werkstückplattform in oberer Stellung,
Fig. 4: eine Detaildarstellung gemäß Fig. 3 mit Werkstückplatt­ form in abgesenkter, verriegelter Stellung.
Die in den Zeichnungsfiguren dargestellte Laser-Sintermaschine 1 weist ein Maschinengehäuse 2 auf, in dem ein Bauraum 3 untergebracht ist. Im obe­ ren Bereich 4, des Bauraums 3 ist ein Scanner 5 eines Sinterlasers 6 ange­ ordnet, um den Laserstrahl 7 abzulenken und auf die Werkstückplattform 8 bzw. darauf geschichtetes Sintermaterial 9 zu focussieren, das schichtweise auf die Werkstückplattform 8 durch einen Beschichter 10 aufgetragen wird. Das Sintermaterial 9 wird dem Beschichter 10 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter zugeführt.
Im unteren Bereich 11 des Bauraums 3 ist ein Wechselbehälter 12 einge­ setzt, der sich aus Seitenwandungen 14 und der Werkstückplattform 8 zu­ sammensetzt, die innerhalb der Seitenwandungen 14, d. h. innerhalb der durch diese gebildeten Schachtes nach oben und unten verfahrbar ist.
Um die Höhenverfahrbarkeit der Werkstückplattform 8 zu gewährleisten, ist eine Trägervorrichtung 20 vorgesehen, auf der sich die Werkstückplattform 8 beim Betrieb der Laser-Sintermaschine abstützt und auf welcher die Werkstückplattform 8 befestigt ist.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Werkstückplattform in der obersten Stellung innerhalb des Wechselbehäl­ ters.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, das eine Detailansicht einer Ausführungsform eines Wechselbehälters 12 zeigt, ist die Werkstück­ plattform 8 mit dem Seitenwandungen 14 des Wechselbehälters 12 in der unteren Entnahmestellung verrastet, in diesem Zustand kann der Wechsel­ behälter 12 zusammen mit der seinen Behälterboden bildenden Werkstück­ plattform 8 in verrastetem Zustand aus dem Bauraum 3 entnommen werden. Zur Verrastung zwischen den Seitenwandungen 14 des Wechselbehälters 12 und der Werkstückplattform 8 sind der Steckschieber 25 vorgesehen, die in miteinander fluchtenden Bohrungen in den Seitenwandungen 14 und im Wechselbehälter 12 eingeführt werden können. Dadurch bildet der Wech­ selbehälter 12 eine zusammenhängende Einheit, die von der Trägervorrich­ tung 20 abgehoben werden kann.
Bei dem in den Zeichnungsfiguren 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbei­ spielen besteht die Trägervorrichtung aus Tragarmen 30, die in einer Füh­ rungsvorrichtung 31 im Bereich der Maschinengehäuserückseite angeordnet sind. Auf den Tragarmen 30 ist die Werkstückplattform 8 durch Schraube­ lemente 32 lösbar befestigt. Befindet sich gemäß Fig. 3 die Werkstückplatt­ form 8 in einer oberen oder mittleren Lage des Wechselbehälters 12, so grei­ fen die Tragarme 30 durch senkrecht verlaufende Eingriffsausnehmungen 33 hindurch, die in der hinteren Seitenwandung 14' angeordnet sind.
Alternativ ist es auch möglich, gemäß Fig. 2 die Trägervorrichtung 40 im unteren Bereich des Wechselbehälters 12 fest einzubauen um beispielsweise als Scherenheber 41 auszubilden, der über einen Spindeltrieb 42 stufenlos anhebbar und absenkbar ist.
In diesem Falle kann der Wechselbehälter 12 ohne die Eingriffsausnehmun­ gen 33 in der hinteren Seitenwandung 14' ausgeführt werden, da keine Ele­ mente einer Trägervorrichtung durch die hintere Seitenwandungen 14' durchgreifen müssen.
Nachfolgend wird wieder auf die Zeichnungsfiguren 1, 3 und 4 Bezug ge­ nommen.
Um die Eingriffsausnehmungen 33 im Bereich oberhalb der Werkstückplatt­ form 8 pulverdicht abzudecken, ist ein Rollo 34 vorgesehen, dessen oberes Ende 35 an der Oberkante 36 der hinteren Seitenwandung 14' befestigt ist. Der Rollo 34 ist ein Stahlrollo und besteht deswegen aus magnetisierbarem Material. Neben den Eingriffsausnehmungen 33 sind Magnetelemente 37 angeordnet durch welche der Rollo 34 sinterpulverdicht an die Innenseite der Seitenwandung 14' angezogen wird.
Die Werkstückplattform 8 wird durch zwei parallel mit Abstand zueinander angeordnete Böden gebildet, wobei der obere Boden den Werkstückträger bildet und der untere Boden oder ein entsprechendes bodenartiges Element auf der Stützvorrichtung 20 aufliegt. Zwischen den beiden Boden sind für den Rollo 34 eine Umlenkrolle 60 und eine federvorgespannte Aufrollvor­ richtung 61 vorgesehen.
Zwischen den Innenseiten 15 der Seitenwandungen 14 des Wechselbehälters und den Außenkanten der Werkstückplattform 8 ist ein Pulverdichtungsele­ ment wirksam, das durch eine nicht näher dargestellte Silikonplatte gebildet wird, deren Außenmaße an die Innenmaße der Behälterwandungen angepaßt sind.
Der Wechselbehälter 12 ist in Führungen 70 des Maschinengehäuses 2 wie eine Schublade einschiebbar und weist dazu vom oberen Rand des Wechsel­ behälters 12 seitlich abstehende Trägerwinkel 71 auf, die auf den Führungen 70 des Maschinengehäuses 2 aufliegen.
BEZUGSZEICHEN
1
Sintermaschine
2
Maschinengehäuse
3
Bauraum
4
offener Bereich
5
Scanner
6
Sinterstrahl
7
Laserstrahl
8
Werkstückplattform
9
Sintermaterial
10
Beschichtung
11
Bereich von
3
c
12
Wechselbehälter
14
Seitenwandungen
15
Innenseiten
20
Tragevorrichtung
25
Steckschieber
30
Tragarm
31
Führungsvorrichtung
32
Schraubelemente
33
Eingriffsausnehmung
34
Rollo
35
oberes Ende
36
Oberkante
37
Magnetelemente
40
Trägervorrichtung
41
Scherenheber
42
Spindeltrieb
60
Umlenkrolle
61
Außenrolltrieb
70
Führungen
71
Trägerwinkel

Claims (20)

1. Laser-Sintermaschine (1), insbesondere Kunststoff-Laser- Sintermaschine, mit einem in einem Maschinengehäuse (2) unterge­ brachten Bauraum (3), in welchem eine Ausgangsoptik (Scanner (5)) eines Sinterlasers (6) sowie darunter eine höhenverfahrbare Werk­ stückplattform (8) angeordnet sind sowie eine Materialzuführungsein­ richtung mit einem Beschichter (10) vorgesehen ist, der zur Zuführung von pulverartigem Sintermaterial (9) aus einem Vorratsbehälter in den Prozeßbereich über der Werkstückplattform (8) dient, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bauraum (3) ein einen Begrenzungsrahmen für das Sinterma­ terial (9) bildender Wechselbehälter (12) einsetzbar ist, in den die Werkstückplattform (8) als Behälterboden integriert ist und in wel­ chem eine Trägervorrichtung (20, 40) angeordnet ist, auf der die Werkstückplattform (8) beim Betrieb der Laser-Sintermaschine (1) abgestützt und/oder befestigt ist.
2. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückplattform (8) mit den Seitenwandungen (14) des Wech­ selbehälters (12) in einer unteren Entnahmestellung verrastbar und der Wechselbehälter (12) zusammen mit der seinen Behälterboden bilden­ den Werkstückplattform (8) in verrastetem Zustand aus dem Bauraum (3) entnehmbar ist.
3. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrastung zwischen den Seitenwandungen (14) des Wechselbe­ hälters (12) und der Werkstückplattform (8) durch in miteinander fluchtende Bohrungen einführbare Steckschieber (25) erfolgt.
4. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselbehälter (12) in Draufsicht einen im wesentlichen quadra­ tischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist und vier zueinander im wesentlichen rechtwinklig angeordnete Seitenwandungen (14) umfaßt, in welchen die Werkstückplattform (8) höhenverschiebbar geführt ist.
5. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung (20) für die Werkstückplattform (8) in Ver­ schieberichtung verlaufende Eingriffsausnehmungen (33) in der hinte­ ren Seitenwandung (14') durchgreift.
6. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung (20) im Bereich der Maschinengehäuserück­ wand geführt ist.
7. Lasersintermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägervorrichtung (40) in den unteren Bereich des Wechselbehäl­ ters (12) eingebaut und damit fester Bestandteil des Wechselbehälters (12) ist.
8. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselbehälter (12) in Führungen (70) im Bereich der Seiten­ wandungen (14) des Bauraumes (3) einschiebbar ist.
9. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselbehälter (12) an seinem oberen Ende mit seitlich abste­ henden Trägerwinkeln (71) versehen ist, die auf den Führungen (70) des Maschinengehäuses (2) aufliegen.
10. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffsausnehmungen (33) im Bereich oberhalb der Werkstück­ plattform (8) pulverdicht abgedeckt sind.
11. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der Eingriffsausnehmungen (33) durch einen Rollo (34) erfolgt.
12. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende (35) des Rollos (34) an der Oberkante (36) der hinte­ ren Seitenwandung (14') befestigt ist.
13. Laser-Sintermaschine nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollo (34) ein Stahlrollo ist.
14. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückplattform (8) durch zwei parallel mit Abstand zueinan­ der angeordnete Böden gebildet wird, wobei der obere Boden den Werkstückträger bildet und der untere Boden auf der Stützvorrichtung (20) aufliegt.
15. Laser-Sintermaschine nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Eingriffsausnehmungen (33) mit dem Rollo (34) zusam­ menwirkende Magnetelemente (37) angeordnet sind.
16. Laser-Sintermaschine nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollo (34) über eine Umlenkrolle (60) geführt ist, deren hintere Kante mit der Innenfläche der hinteren Seitenwandung (14') fluchtet.
17. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Innenseiten (15) der Seitenwandungen (14) des Wech­ selbehälters (12) und den Außenkanten der Werkstückplattform (8) ein Pulverdichtungselement wirksam ist.
18. Laser-Sintermaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulverdichtungselement durch eine Silikonplatte gebildet ist, de­ ren Außenmaße an die Innenmaße des Wechselbehälters (12) Seiten­ wandungen (14) angepaßt sind.
19. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückplattform (8) mit der Tragevorrichtung (20) während des Prozesses verbunden ist.
20. Laser-Sintermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wechselbehälter 12, insbesondere seinen Seitenwandungen 14 und/oder in der Werkstückplattform 8 eine regelbare Heizvorrichtung angeordnet ist.
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