DE20107262U1 - Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts

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Description

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PRÜFER & PARTNER GbR · PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
-EP 461-15152.0 DH/ol
EOS GmbH Electro Optical Sytems, 82152 Planegg
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1, 3 und 6.
Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1 ist aus der DE 195 30 276 Al bekannt. Die bekannte Vorrichtung ist eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern, mit der ein dreidimensionales Objekt schichtweise durch Verfestigen eines pulverförmigen Materials unter Einwirkung eines Laserstrahles gebildet wird. Eine weitere bekannte Vorrichtung ist unter dem Namen dreidimensionaler Drucker bzw. 3D-Printer bekannt, bei der die Verfestigung des pulverförmigen Materials anstelle mit einem Laser über einen Binder bzw. Klebstoff erfolgt.
D-81545 MÜNCHEN, t5AF?TJ1AUSER ^TR. ä5d I Tefefoji (p*89) 6,4-034O:- &Tgr;^&Ggr;&bgr;&iacgr;&bgr;&khgr;^&Ogr;&dgr;&thgr;) 5422238
Die bekannten Vorrichtungen kommen überwiegend bei der Prototypenherstellung zum Einsatz. Ihr Einsatz zum Bau von Kleinstoder Kleinserien ist bisher nur beschränkt möglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, mit der die Herstellung von Kleinst- bzw. auch Kleinserien auf eine kostengünstige Weise möglich ist und bei der die Produktivität im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes nach den Schutzansprüchen 1, 3 und 6 bzw. eine Anlage nach den Schutzansprüchen 11 bzw. 12. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben .
Die Vorrichtung weist insbesondere Vorteile wie Bedienerfreundlichkeit, Flexibilität in der Einsetzbarkeit, Staubfreiheit, Abfallminimierung und Qualitätssicherung auf.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Auspacktisches; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Lasersintervorrichtung .
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Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist eine Lasersintervorrichtung 100 einen nach oben offenen Behälter 1 auf. In dem Behälter 1 ist ein Träger 2 zum Tragen des zu bildenden Objektes 3 vorgesehen. Der Träger 2 ist mittels eines in Fig. 3 schematisch angedeuteten Antriebs in dem Behälter 1 in vertikaler Richtung auf- und abbewegbar. Der obere Rand des Behälters 1 definiert eine Arbeitsebene 4.
Oberhalb der Arbeitsebene 4 ist eine Bestrahlungseinrichtung in Form eines Lasers angeordnet, die einen gerichteten Lichtstrahl abgibt, der über eine Ablenkeinrichtung 6 auf die Arbeitsebene 4 abgelenkt wird.
Ferner ist ein Beschichter 7 zum Aufbringen einer Schicht eines zu verfestigenden Pulvermaterials auf die Oberfläche des Trägers 2 oder eine zuletzt verfestigte Schicht vorgesehen. Der Beschichter 7 ist mittels eines schematisch angedeuteten Antriebs von einer ersten Endstellung auf einer Seite des Behälters 1 in eine zweite Endstellung auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters 1 über die Arbeitsebene 4 hin- und herbewegbar. Zum Befüllen des Beschichters 7 mit Pulvermaterial ist oberhalb der Endpositionen des Beschichters 7 jeweils ein Dosierbehälter 8, 9 vorgesehen. Die Dosierbehälter 8, 9 sind mit einem Vorratsbehälter 10 über eine Förderleitung 11 verbunden, wobei der Einfachheit halber in Fig. 3 nur die Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter 10 und dem einen Befüllbehälter 8 gezeigt ist. Es ist außerdem eine Fördereinrichtung zum Fördern von Pulver aus dem Vorratsbehälter 10 in den Befüllbehälter 8, 9 vorgesehen. Ferner sind unterhalb des Behälters 1 über den Behälterrand hinausragende Überlaufbehälter 12, 13 angeordnet zur Aufnahme von zuviel aufgetragenem Pulver .
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Außerdem ist eine Steuereinrichtung 14 vorgesehen, durch die der Antrieb zur Einstellung der Position des Trägers 2, der Antrieb zum Verfahren des Beschichters 7 und der Antrieb zum Verstellen der Ablenkeinrichtung koordiniert miteinander oder auch unabhängig voneinander steuerbar sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich die gesamte Lasersintervorrichtung 100 in einem Gehäuse 15 mit Türen 16 zum Öffnen zum Herausnehmen des Behälters 1 mit samt dem darin gebildeten Objekt und mit einem Beobachtungsfenster 17. Gestrichelt dargestellt sind in Fig. 1 jeweils die Dosierbehälter 8, 9 und die Überlaufbehälter 12, 13. Die Dosierbehälter 8, 9 sind jeweils mit der Förderleitung 11 über Klappen 18, 19 mit einer zugehörigen Klappensteuerung 20, 21 und einem Füllstandssensor 22, 23 verbunden. Die Förderleitung 11 führt zu zwei Vorratsbehältern 24, 25, die über eine Dosiereinheit 26 verbunden sind, die über eine Steuereinheit 260 ansteuerbar ist. In jedem der Vorratsbehälter 24, 25 ist ein Füllstandssensor 27, 28 vorgesehen. Die Förderleitung 11 ist idealerweise als schlauchförmige flexible Leitung z.B. aus Kunststoff ausgebildet und beinhaltet eine mechanische Fördereinrichtung, wie einen Schneckenförderer oder einen Spiralförderer. Letzterer besteht aus einer sich durch die gesamte schlauchförmige Leitung erstreckende Spirale, die über einen nicht dargestellten Antriebsmotor in Drehung versetzt wird, um das Pulver zu transportieren. Mit einer derartigen mechanischen Fördereinrichtung können leicht große Förderstrecken in einfacher Weise überbrückt werden. Ferner kann die gesamte Konstruktion einfach gehalten werden. Insbesondere erfolgt auf diesem Förderweg eine intensive Durchmischung des Pulvers, die ansonsten durch separate Vorrichtungen erfolgen müßte. Die be-
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schriebene Fördereinrichtung ist nicht auf einen Spiralförderer beschränkt. Jedoch weist der Spiralförderer den genannten Vorteil der Mischfunktion auf.
Die Steuerung 260 der Dosiereinheit 26 ist so ausgebildet, daß Pulver aus den beiden Vorratsbehältern 24, 25 in einem vorbestimmten gewünschten Verhältnis entnommen wird und die Fördereinrichtung betätigt wird, wenn die Füllstandssensoren 22, 23 an den Dosierbehältern 8, 9 anzeigen, daß Pulver nachgefüllt werden muß.
Einer der Vorratsbehälter (24) ist mit einer Sackaufgabestation 29 für Säcke 30 mit Neupulver versehen. Der andere Vorratsbehälter 25 ist mit einem Vorlagebehälter 31 verbunden, in dem sich Altpulver befindet, welches über eine oberhalb des Vorlagebehälters 31 angeordnete Siebeinrichtung 32 gesiebt worden ist. Der Auslaß 33 des Vorlagebehälters ist über einen Förderer 34 mit dem zweiten Vorratsbehälter 25 verbunden, wobei jeweils ein Füllstandssensor 35, 36 am Auslaß des Vorlagebehälters 31 und am Einlaß des Vorratsbehälters 25 vorgesehen ist. Ferner sind in dem Vorlagebehälter 31 Füllstandssensoren 3 7 und ein Zeitschaltglied 38 zum Betätigen einer pneumatischen Homogenisierungsvorrichtung, die nicht näher dargestellt ist, vorgesehen. Der Einlaß 39 der Siebeinrichtung 32 weist eine Klappenkasteneinheit 40 auf mit einer ansteuerbaren Klappe 41 und einen Füllstandssensor 43. Ein Zeitschaltglied 42 taktet die Förderung der Spiralförderleitungen 51 und 55 in Abhängigkeit eines optimalen Durchsatzes durch die Siebeinrichtung Der Auslaß 44 der Siebeinrichtung führt direkt in den Vorlagebehälter. Ferner ist der Einlaß 3 9 der Siebeinrichtung über dem Klappenkasten 40 mit einer Förderleitung 45 verbunden, die ihrerseits über Füllstandssensoren 46, 47 mit dem Auslaß der Überlaufbehälter 12, 13 in der Lasersintereinrichtung verbun-
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den ist.
Zwischen der Leitung 45 und der Förderleitung 11 außerhalb der Lasersintereinrichtung besteht ein Verbindungsschlauch 49, so daß Pulver, welches nicht in die Befüllbehälter 8, 9 eingegeben worden ist, über die Leitung 45 in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Der Verbindungsschlauch 4 9 ist mittels einer Handabsperrklappe 50 absperrbar. Die Leitung 45 beinhaltet ebenfalls eine mechanische Fördereinrichtung, wie z.B. eine Spiralfördereinrichtung.
Der Einlaß 3 9 der Siebeinrichtung ist außerdem über eine Förderleitung 51 mit einem Auslaß 52, jeweils wieder mit Füllstandssensor und Zeitschaltglied 53, 54, einer separat angeordneten Einrichtung 55 zum Auspacken des gebildeten Objektes bzw. Auspacktisch verbunden, in der das Objekt von nicht verfestigtem Pulver befreit wird.
Ferner ist der Auslaß 44 der Siebeinrichtung 32 über eine Leitung 57 mit einem Behälter 58 zur Aufnahme des Schlechtanteils der Siebware aus der Siebeinrichtung 32 und der Klappenkasten 40 ist über eine Leitung 59 mit einem Behälter 60, der einen Überlaufbehälter zur Aufnahme des Überlaufs für die Siebeinrichtung bildet, verbunden. Die Behälter 58, 60 weisen jeweils wieder Füllstandssensoren 61, 62 auf. Die Leitungen 57, 59 sind ebenfalls flexibel ausgebildet.
Der Vorlagebehälter 31 und die Behälter 58, 60 sind auf Gestellen mit Rollen vorgesehen, so daß sie leicht positionierbar sind und insbesondere weggefahren werden können zum Entsorgen von Pulver und insbesondere bei einem Wechsel auf einem anderen Werkstoff.
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An der Einrichtung 55 zum Auspacken des Objektes, an den Vorratsbehältern 24, 25 und an dem Vorlagebehälter 31 ist jeweils eine Absaugeinrichtung 62 vorgesehen zum Absaugen von Pulverstäuben.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Einrichtung 55 zum Auspacken des gebildeten Objektes als sogenannter Auspacktisch ausgebildet. Sie weist ein Gehäuse 63 auf, in dem eine Vorrichtung 64 zur Aufnahme des Behälters 1 der Lasersintereinrichtung vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung 64 einen nicht dargestellten Antrieb aufweist zum gesteuerten Aufwärtsbewegen des Trägers 2 in dem Behälter 1. An seiner Oberseite weist das Gehäuse ein Sieb 65 auf, unter dem ein Auffangbehälter 66 vorgesehen ist, welcher seinerseits wiederum mit dem Auslaß 52, der in Fig. 2 nicht dargestellt ist, verbunden ist. Angrenzend an das Sieb 65 weist das Gehäuse 63 einen Bereich mit einer Öffnung 67 auf, die so groß ist, daß dadurch auch größere Brocken von verklumptem Pulvermaterial hindurchpassen. Unterhalb dieses Bereiches ist wiederum ein Auffangbehälter 68 für die Brocken vorgesehen.
Im Betrieb werden zunächst die Vorratsbehälter 24, 25 mit Pulver beschickt. Der Vorratsbehälter 24 wird mit Neupulver beschickt, welches aus Säcken 30 eingefüllt wird. Der Vorratsbehälter 25 wird mit der Siebware aus dem Vorlagebehälter 31 beschickt, wobei dieses Pulver in dem Vorlagebehälter 31 vorbehandelt, beispielsweise homogenisiert und fluidisiert oder chemisch vorbehandelt sein kann. Über die Dosiereinheit 26 wird sodann die gewünschte Menge von Alt- und Neupulver, die über die Förderleitung 11 gemischt und in die Befüllbehälter 8, 9 zu befüllen ist, eingestellt und anschließend werden die
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Dosierbehälter 8, 9 befüllt, bis die entsprechenden Füllstandssensoren anzeigen, daß die Füllhöhe erreicht ist.
Nun erfolgt der Bau des Objektes in bekannter Weise, wobei der Beschichter 7 jeweils in seiner Endposition über die Dosierbehälter 8, 9 befüllt wird. Durch den Beschichter 7 aufgebrachtes und überschüssiges Material fällt jeweils hinter der Endposition des Beschichters in die Überlaufbehälter 12, 13. Sobald die Überlaufbehälter gefüllt sind, was durch die entsprechenden Füllstandssensoren angezeigt wird, wird durch die zentrale Steuerung 2 60 die Förderung in Gang gesetzt, wodurch das Pulver aus den Überlaufbehältern 12, 13 über die Leitung 45 in die Siebeinrichtung 32 gefördert wird. Dort wird das Pulver gesiebt und der Siebdurchlauf gelangt in den Vorlagebehälter 31. Der Grobanteil aus der Siebmaschine 32 wird in den Behälter 58 abgegeben, wobei es sich hierbei um teilweise angesintertes und nicht mehr verwertbares Pulver handelt. In dem Vorlagebehälter 31 wird eine Homogenisierung des gesiebten Pulvers durchgeführt und gegebenenfalls eine weitere chemische oder andere Behandlung, so daß das so vorbehandelte Altpulver in den zweiten Vorratsbehälter 2 5 aufgegeben und weiterverwertet werden kann.
Während des Bauprozesses wird in die Dosierbehälter 8, 9 Pulver nachgefüllt, falls der Füllstand zu gering ist. Zu viel aus den Vorratsbehältern 24, 25 über die Leitung 11 gefördertes Pulver, welches nicht mehr in die Dosierbehälter hineinpaßt, wird über die Leitung 49 dem Kreislauf wieder zugeführt. Der Förderkreislauf ist somit ständig geschlossen, so daß durch eine Zeitschaltung die Befüllung gesteuert werden kann.
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Sobald das Objekt fertig gebaut ist, wird es zusammen mit dem Behälter 1 und dem in dem Behälter befindlichen Träger 2, auf dem es ruht, samt dem umgebenden Pulver aus der Lasersintereinrichtung herausgenommen und in die Vorrichtung 55 zum Auspacken eingesetzt. Über die Antriebseinrichtung 64 wird der Träger 2 innerhalb des Behälters langsam nach oben bewegt, so daß über den Rand des Behälters 1 austretendes Pulver, sowie auch das verfestigte Objekt bzw. die verfestigten Objekte auf das Sieb 65 gelangen, wo das nicht verfestigte Pulver hindurchtritt und in dem Auffangbehälter 66 aufgefangen wird. Das Objekt kann dann noch per Hand abgeklopft werden und größere Brocken von verklumptem Material, die eventuell nicht wiederverwertbar sind, werden durch die Öffnung 67 in den darunter befindlichen Behälter entsorgt. Das Pulver aus dem Auffangbehälter 66 wird über die Leitung 51 der Siebmaschine 32 des Vorlagebehälters 31 zugeführt und kann somit ebenfalls wiederverwertet werden. Nicht mehr in den Vorlagebehälter passendes Material wird in dem Überlaufbehälter 60 aufgefangen. Der Siebüberlauf aus der Siebmaschine des Vorlagebehälters wird als Schlechtanteil in dem Behälter 58 aufgefangen und entsorgt .
In einer Weiterbildung sind wenigstens zwei Lasersintereinrichtungen mit den Vorratsbehältern 24, 25 und der Dosiereinheit 26, sowie mit dem Vorlagebehälter 31 verbunden. Alternativ können auch mehrere Vorratsbehälter vorgesehen sein, in denen verschiedene Pulverarten auf Vorrat gehalten werden, die dann geeignet gemischt werden. Auch können mehrere Pulveraufbereitungsanlagen, bestehend aus Vorratsbehältern 24, 25 mit Dosiereinheit 26, Siebeinrichtung 31 und Vorlagebehälter 31, mittels Förderern 11 und 45 mit der Lasersintervorrichtung wahlweise verbunden werden. Damit ist ein schneller und siche-
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rer Wechsel des Ausgangswerkstoffes ohne eine aufwendige Reinigung der gesamten Pulveraufbereitungsanlage möglich. Die Vorrichtung erlaubt einen weitgehend automatisierten Betrieb der Lasersintereinrichtung, was es ermöglicht, daß nicht nur Prototypen, sondern auch Kleinst- und Kleinserien effektiv und durch die Wiederverwertung des Pulvers auch kostensparend hergestellt werden können. Ferner ist die Vorrichtung durch die Abfallminimierung und die weitgehende Staubfreiheit umweltfreundlich.
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Claims (12)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, bei der das Objekt schichtweise dadurch hergestellt wird, daß jeweils eine Schicht eines Pulvermaterials aufgetragen wird und an den dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt wird, mit
einem Träger (2), auf dem das Objekt aufgebaut wird, einem über den Träger bzw. eine zuletzt verfestigte Schicht bewegbaren Beschichter (7) zum Aufbringen einer Schicht des Pulvermaterials, einem Vorratsbehälter (24, 25), in dem das aufzubringende Pulvermaterial größeren Mengen gespeichert ist, und
einem Dosierbehälter (8, 9), der oberhalb des Beschichters in dessen Endstellung angeordnet ist zum Dosieren und Bereitstellen des Pulvers für die aufzubringende Schicht und mit einer Fördereinrichtung (11), zum Fördern des Pulvers aus dem Vorratsbehälter in den Dosierbehälter (8, 9),
dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung als Leitung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Dosierbehälter mit einer in dieser vorgesehenen mechanischen Förderung ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Fördereinrichtung einen Spiralförderer, umfaßt.
3. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, bei der das Objekt schichtweise dadurch hergestellt wird, daß jeweils eine Schicht eines Pulvermaterials aufgetragen wird und an den dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt wird, mit
einem Träger (2), auf dem das Objekt aufgebaut wird, einem über den Träger bzw. eine zuletzt verfestigte Schicht bewegbaren Beschichter (7) zum Aufbringen einer Schicht des Pulvermaterials, einem Vorratsbehälter (24, 25), in dem das aufzubringende Pulvermaterial in größeren Mengen gespeichert ist, und
einem Dosierbehälter (8, 9), der oberhalb des Beschichters in dessen Endstellung angeordnet ist zum Dosieren und Bereitstellen des Pulvers für die aufzubringende Schicht und einer Leitung, über die der Vorratsbehälter (24, 25) mit dem Dosierbehälter (8, 9) verbunden ist, und mit einer Fördereinrichtung zum Fördern des Pulvers aus dem Vorratsbehälter (24, 25) in den Dosierbehälter (8, 9),
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Vorratsbehälter (24, 25) vorgesehen sind, in denen unterschiedliches Pulvermaterial speicherbar ist und daß eine Dosiereinrichtung (26) vorgesehen ist zum Herstellen eines gewünschten Mischverhältnisses der Pulver aus den Vorratsbehältern.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (260) vorgesehen ist zum Steuern der Dosierung des Pulvers.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierbehälter (8, 9) eine Sensoreinrichtung (22, 23) aufweist, und daß eine Steuerung vorgesehen ist, die die Fördereinrichtung betätigt, wenn die Sensoreinrichtung anzeigt, daß Pulver in dem Dosierbehälter (8, 9) nachgefüllt werden muß.
6. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, bei der das Objekt schichtweise dadurch hergestellt wird, daß jeweils eine Schicht eines Pulvermaterials aufgetragen wird und an den dem Objekt entsprechenden Stellen verfestigt wird, mit
einem Träger (2), auf dem das Objekt aufgebaut wird, einem über den Träger bzw. eine zuletzt verfestigte Schicht bewegbaren Beschichter (7) zum Aufbringen einer Schicht des Pulvermaterials, einem Vorratsbehälter (24, 25), in dem das aufzubringende Pulvermaterial in größeren Mengen gespeichert ist,
einem Dosierbehälter (8, 9), der oberhalb des Beschichters in dessen Endstellung angeordnet ist zum Dosieren und Bereitstellen des Pulvers für die aufzubringende Schicht und einer Fördereinrichtung (11) zum Fördern von Pulver aus dem Vorratsbehälter in den Dosierbehälter, und mit einem Überlaufbehälter (12, 13), zum Auffangen von durch den Beschichter aufgetragenen überschüssigen Pulvers, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufbehälter (12, 13) über eine Fördereinrichtung mit einer Pulveraufbereitungsstation (31, 32) zum Bevorraten und Behandeln von beim Bauprozeß nicht verfestigtem Pulver verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulveraufbereitungsstation eine Siebeinrichtung (32) und einen Vorlagebehälter (31) umfaßt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (55) zum Auspacken des gebildeten Objektes vorgesehen ist, die eine Trenneinrichtung zum Abtrennen von unverfestigtem Pulvermaterial aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (55) mit der Pulveraufbereitungsstation (31, 32) über eine Leitung verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Fördereinrichtung, bevorzugt ein Spiralförderer, zum Befördern von Pulver zwischen den Einrichtungen vorgesehen ist.
11. Anlage zum Herstellen dreidimensionaler Objekte mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, bei der wenigstens zwei Vorrichtungen (100) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes vorgesehen sind, die mit einer Pulveraufbereitungsanlage (24, 25, 26, 31, 32) über Förderer (11, 45) verbunden sind.
12. Anlage zum Herstellen dreidimensionaler Objekte mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, bei der wenigstens zwei Pulveraufbereitungsanlagen (24, 25, 26, 31, 32) vorgesehen sind, die wahlweise mit Förderern (11, 45) mit einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts verbindbar sind.
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