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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver durch ortsselektives Verfestigen des Pulvers zu zusammenhängenden Bereichen, umfassend einen Prozessraum mit einem Prozessraumboden für den Aufbau des Formkörpers, wobei auf dem Prozessraumboden eine Substratplatte mit einer Oberseite, einer Unterseite und Seitenflächen lagefixiert angeordnet oder anordenbar ist, die mit der Unterseite zu dem Prozessraumboden gerichtet ist und die für die Herstellung des Formkörpers auf der von dem Prozessraumboden weggerichteten Oberseite der Substratplatte vorgesehen ist, und wobei zur Lagefixierung der Substratplatte auf dem Prozessraumboden eine Lagefixiereinrichtung vorgesehen ist. Außerdem betrifft diese Erfindung eine Substratplatte zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern.
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Formkörper können aus Werkstoffpulver hergestellt werden, indem dieses wiederholt über einem entstehenden Formkörper in einer dünnen Schicht verteilt wird, so dass es sich durch Aufschmelzen mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, mit dem Formkörper verbindet und diesen weiter aufbaut. Zu Beginn eines solchen Prozesses wird eine erste solche Schicht auf einer Substratplatte verteilt, um auf dieser den Herstellprozess zu beginnen. Dabei ist es sinnvoll, die Substratplatte austauschbar zu gestalten. Auf diese Weise wird der Prozessraumboden, auf der die Substratplatte befestigt ist, selbst nicht durch die Formkörperherstellung beansprucht und der Veschleiß auf ein austauschbares Teil verlagert.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, eine Substratplatte auf einen Prozessraumboden aufzuschrauben, wobei die Schrauben durch Löcher in der Substratplatte verlaufen. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass das Anschrauben der Substratplatte an den Prozessraumboden bei der Befestigung dadurch aufwendig ist, dass entsprechende Gewindebohrungen im Prozessraumboden mit den Schrauben getroffen werden müssen, obwohl die Gewindebohrungen durch die noch nicht korrekt positionierte Substratplatte verdeckt sein können. Zudem kann das Hantieren in dem Prozessraum bei kleinen Ausführungsformen der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern schwierig sein, insbesondere, wenn eine Hand eines Bedieners in dem Prozessraum kaum Platz findet. Auch bei größeren Ausführungsformen ergibt sich jedenfalls ein merklicher Zeitaufwand zur Befestigung der Substratplatte.
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Es ist eine weitere Variante der Befestigung einer Substratplatte bekannt, bei der eine kreisrunde Substratplatte verwendet wird, die zur Befestigung auf ihrer zum Prozessraumboden gerichteten Seite in der Mitte einen fest angebrachten Gewindebolzen aufweist. Die Substratplatte wird mittels des Gewindebolzens in eine entsprechende Gewindebohrung im Prozessraumboden eingeschraubt, indem die Platte gedreht wird. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass das Ansetzen der Substratplatte beim Einschrauben viel Geschick erfordert, da die Gewindebohrung unter der Platte nicht sichtbar ist und durch Probieren mit dem Gewindebolzen getroffen werden muss. Zudem darf die Substratplatte nicht verkantet angesetzt werden, da ansonsten die Gewinde beschädigt werden können. Das Einsetzen der Substratplatte erfordert somit erhebliches Geschick, womit auch ein beträchtlicher Zeitaufwand verbunden ist. Noch ein weiterer Nachteil ist, dass in dieser Ausführungsform die Gestaltungsfreiheit der Substratplatte eingeschränkt ist, insbesondere ist das Vorsehen einer lang gestreckten Substratplatte problematisch. Bei beiden genannten Ausführungsformen kommt als Nachteil noch hinzu, dass beim Entnehmen einer Substratplatte mit einem darauf aufgebauten Formkörper beim Hantieren mit Schraubenschlüsseln oder durch das Erfordernis, die Substratplatte in dem üblicherweise unwesentlich größeren Prozessraum drehen zu müssen, eine nicht zu unterschätzende Gefahr der Beschädigung des Formkörpers besteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Einsetzen der Substratplatte in den Prozessraum zu beschleunigen und die Beschädigungsgefahr für einen Formkörper beim Entnehmen der Substratplatte zu verringern.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern, bei der die Lagefixiereinrichtung einander komplementäre Steckverbindungskomponenten an der Substratplatte und dem Prozessraumboden zur Herstellung einer Aufsteckverbindung zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden aufweist.
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Durch das Vorsehen einer Aufsteckverbindung zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden kann auf das Schrauben verzichtet werden, was die Handhabung vereinfacht und den Prozess der Fixierung der Substratplatte auf dem Prozessraumboden erheblich beschleunigt. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich außerdem eine große Gestaltungsfreiheit für die Substratplatte.
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Eine Lagefixiereinrichtung kann ein oder mehrere Paare von komplementären Steckverbindungskomponenten umfassen, wobei eine Steckverbindungskomponente aus einem oder mehreren Elementen bestehen und/oder ein Abschnitt des Prozessraumbodens oder der Substratplatte sein kann.
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Der Prozessraumboden kann geteilt oder ungeteilt sein, und ganz oder nur zum Teil absenkbar sein. Im Falle eines als Bauplattform ausgebildeten absenkbaren Teils des Prozessraumbodens ist die Substratplatte vorzugsweise auf der Bauplattform, nicht aber auf dem nicht absenkbaren Teil angeordnet. Entsprechend befinden sich in diesem Fall vorzugsweise die Steckverbindungskomponenten ebenfalls nur auf der Substratplatte und der Bauplattform des Prozessraumbodens. Vorzugsweise fixiert die Lagefixiereinrichtung die Substratplatte zu dem Prozessraumboden in der Ebene der Unterseite der Substratplatte. Vorzugsweise liegt diese Ebene in Querrichtung zu einer Aufsteckrichtung, in der die Aufsteckverbindung zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden hergestellt wird. Vorzugsweise umfassen die Steckverbindungskomponenten einander in geometrischer Umkehr zumindest teilweise entsprechende Aufwerfungen bzw. Vertiefungen. In einem Ausführungsbeispiel können die Vertiefungen an der Substratplatte und die Aufwerfungen an dem Prozessraumboden oder aber umgekehrt angeordnet sein. Außerdem ist eine gemischte Anordnung von Aufwerfungen und Vertiefungen an Prozessraumboden und Substratplatte denkbar. Besonders bevorzugt sind dabei die Aufwerfungen auf dem Prozessraumboden angeordnet, da bei der Anordnung von Vertiefungen im Prozessraumboden zu befürchten ist, dass sich dort Werkstoffpulver sammelt und die optimale Ausbildung der Aufsteckverbindung behindert. Alternativ zu räumlich abgegrenzten Aufwerfungen kann auch die Substratplatte als Ganzes in eine Vertiefung in dem Prozessraumboden einsteckbar sein, was einem Aufstecken entspricht. Dabei, und in dem Fall, in dem nur ein einziges Paar von zueinander komplementären Steckverbindungskomponenten vorgesehen ist, hat die Substratplatte bzw. haben diese Steckverbindungskomponenten vorzugsweise keine kreisrunde Form, um auch eine rotative Lagefixierung zu erreichen. In einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist die Lage der Substratplatte und des Prozessraumbodens auch durch Schwerkraftwirkung zueinander fixiert. Dies bedeutet, dass die Aufsteckverbindung insbesondere durch Auflegen – als Variante einer Aufsteckverbindung mit sehr kurzem Aufsteckweg – der Substratplatte auf den Prozessraumboden realisierbar ist. In einer Variante kann die aus der Substratplatte in den Prozessraumboden eingeleitete Schwerkraft über die Unterseite der Substratplatte in die Oberseite des Prozessraumbodens eingeleitet werden. Alternativ können die Unterseite der Substratplatte und die Oberseite des Prozessraumbodens voneinander beabstandet sein, wobei die Schwerkraft aus der Substratplatte über vorzugsweise drei Paare von komplementären Steckverbindungskomponenten übertragen wird. Durch genau drei Paare von Steckverbindungskomponenten wird eine eindeutige Fixierung der Substratplatte gegenüber dem Prozessraumboden erreicht, so dass diese nicht kippeln kann. Besonders bevorzugt ist die Aufsteckrichtung mit der Schwerkraftrichtung wenigstens näherungsweise identisch. Vorzugsweise sind bei Nutzung der Unterseite der Substratplatte und der Oberseite des Prozessraumbodens eine oder mehrere komplementäre Steckverbindungskomponenten ausschließlich zur Lagefixierung in der Ebene der Unterseite der Substratplatte eingerichtet, nicht jedoch orthogonal zu dieser Ebene.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern weist wenigstens ein Teil einer zu einer lateralen Lagefixiereinrichtung gehörigen Seitenfläche, die sich über die Unterseite der Substratplatte oder die Oberseite des Prozessraumbodens erhebt oder in diese eingesenkt ist, eine Schräge zu der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden auf.
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Besonders bevorzugt befindet sich die Schräge zumindest an einem Abschnitt einer aufragenden Seitenwand, der von der Ebene zwischen Substratplatte und Prozessraumboden am weitesten entfernt liegt. Auf diese Weise bildet die Schräge eine Einführschräge aus, die die Positionierung von Substratplatte und Prozessraumboden zueinander erleichtert. An einer komplementären eingesenkten Steckverbindungskomponente kann eine entsprechende Gegenschräge angeordnet sein, insbesondere am Übergang der Unterseite der Substratplatte bzw. der Oberseite des Prozessraumbodens in die Seitenfläche. In einer Variante ist ein Abschnitt der Seitenwand zwischen der Ebene, die zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden liegt, und einem Abschnitt mit einer Einführschräge im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden angeordnet. Eine laterale Lagefixierung in diesem senkrecht angeordneten Abschnitt hat den Vorteil, dass unterschiedliche Wärmedehnungen der beiden Steckverbindungskomponenten nicht zu einer Verschiebung der Substratplatte gegenüber dem Prozessraumboden in einer Richtung senkrecht zu der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden führt, sondern u. U. nur zu einer Verspannung von Substratplatte und Prozessraumboden zueinander.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist die Seitenfläche einer Steckverbindungskomponente wenigstens nahezu vollständig als Schräge zu der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden ausgebildet und ist insbesondere näherungsweise als Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass an einem Kegel oder Kegelstumpf keine verschleißbare Kante wie beim Übergang in einen Zylinder vorhanden ist. Damit geht einher, dass das Aufstecken der Substratplatte auf den Prozessraumboden einfach und gleichmäßig vor sich gehen kann, ohne dabei eine feste Aufsteckrichtung beibehalten zu müssen. Vorzugsweise haben ein Kegel oder Kegelstumpf als Steckverbindungskomponente zu der komplementären, als Hohlkegel oder Hohlkegelstumpf ausgeführten Steckverbindungskomponente eine Spielpassung mit kleinem Spiel. Dies führt dazu, dass die Substratplatte mit ihrer Unterseite auf der Oberseite des Prozessraumbodens aufliegt. Alternativ kann auch eine Übermaßpassung vorgesehen werden, wodurch beispielsweise in einer Variante mit drei Paaren von Steckverbindungskomponenten eine eindeutige Fixierung der Substratplatte im Raum gewährleistet wird. Die Unterseite der Substratplatte berührt in diesem Fall nicht die Oberseite des Prozessraumbodens.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist der Eingriff einer Lagefixiereinrichtung in zwei unterschiedliche Richtungen in der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden wenigstens nahezu spielfrei. Eine solche Lagefixierung kann beispielsweise durch Steckverbindungskomponenten in Form eines Kegels oder Kegelstumpfs und eines entsprechenden Hohlkegels oder Hohlkegelstumpfs realisiert sein. Andere Geometrien der Steckverbindungskomponenten sind ebenfalls denkbar.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist eine in ihrer Ausdehnung in der Ebene der Substratplatte begrenzte Steckverbindungskomponente wenigstens näherungsweise an einem Flächenschwerpunkt der Unterseite der Substratplatte angeordnet. Insbesondere in Verbindung mit der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass die Relativverschiebung zwischen dem Prozessraumboden und der Substratplatte aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung im Durchschnitt minimal ist, weil der größtmögliche Abstand zwischen der lateralen Fixierstelle und anderen Stellen auf der Substratplatte minimal ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern umfasst die Lagefixiereinrichtung genau zwei voneinander in der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden voneinander getrennte Paare von Steckverbindungskomponenten. Für eine Fixierung in einer Ebene ist das Vorsehen von zwei Befestigungspunkten ausreichend. Daher sind in dieser Ausführungsform die Paare von Steckverbindungskomponenten vorzugsweise so ausgelegt, dass sie die Oberseite des Prozessraumbodens nicht von der Unterseite der Substratplatte trennen. Vorzugsweise sind die beiden Paare von Steckverbindungskomponenten wenigstens nahezu spielfrei ausgeführt.
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In noch einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung von Formkörpern als Weiterbildung der vorangehenden Ausführungsform ist ein Paar von Steckverbindungskomponenten in zwei unterschiedlichen Richtungen in der Ebene zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden weitgehend zueinander spielfrei ausgeführt, wobei das andere Paar von Steckverbindungskomponenten Spiel zueinander aufweist, wobei das Spiel in einer Richtung zwischen dem spielfreien Steckverbindungspaar als Relativbewegung zwischen der Substratplatte und dem Prozessraumboden möglich ist. Durch ein solches Vorsehen einer spielbehafteten und einer spielfreien Steckverbindungskomponente führt dazu, dass unterschiedliche Wärmedehnung in der Substratplatte und dem Prozessraumboden nicht zu einer Verspannung zwischen den beiden Teilen führt, wie dies beim Vorsehen von zwei spielfreien Steckverbindungskomponenten der Fall wäre. Entsprechende Verspannungen könnten zu Aufwölbungen bzw. vertikalem Ausweichen und Abheben der Substratplatte von dem Prozessraumboden führen, insbesondere bei kegelförmig ausgebildeten Steckverbindungskomponenten. Dennoch ist gemäß dieser Ausführungsform unter der Voraussetzung, dass die Unterseite der Substratplatte auf der Oberseite des Prozessraumbodens aufliegt, eine vollständige Lagefixierung der Substratplatte in alle Raumrichtungen gegenüber dem Prozessraumboden gewährleistet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist die Substratplatte und/oder der Prozessraumboden mit einer Magnetkrafteinrichtung ausgestattet, mit der die Substratplatte und der Prozessraumboden aufeinander zu gezogen werden. Eine solche Magnetkrafteinrichtung kann zur Unterstützung der Schwerkraft vorgesehen sein. Dies kann insbesondere bei dünnen, leichten Substratplatten vorteilhaft sein. Beispielsweise kann wenigstens ein Teil der Substratplatte aus einem magnetisch leitfähigen Material ausgebildet sein, wobei in dem Prozessraumboden ein Permanentmagnet angeordnet ist.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Substratplatte zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Figuren im Anhang beschrieben, in denen
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1 einen Querschnitt durch eine Substratplatte und einen Prozessraumboden sowie durch zwei Lagefixiereinrichtungen zeigt,
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2 ein Detail des in 1 dargestellten Querschnitts zeigt,
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3 schematisch eine Draufsicht auf eine Oberseite einer Substratplatte zeigt,
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4 eine Draufsicht auf eine Steckverbindungskomponente zeigt und
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5 eine Ansicht der Steckverbindungskomponente aus 4 zeigt.
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1 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau eines Prozessraumbodens 1, eine Substratplatte 2 und zwei Lagefixiereinrichtungen 3, die jeweils eine konkave Steckverbindungskomponente 4 und eine konvexe Steckverbindungskomponente 5 umfassen. Eine Unterseite 6 der Substratplatte 2 liegt auf einer Oberseite 7 des Prozessraumbodens 1 auf. Durch Abnehmen der Substratplatte 2 von dem Prozessraumboden 1 wird ein Formschluss zwischen der konvexen Steckverbindungskomponente 4 und der konkaven Steckverbindungskomponente 5 auf einfache Weise aufgelöst. Einfaches Auflegen der Substratplatte 2 mit den konkaven Steckverbindungskomponenten 5 auf den Prozessraumboden 1 zumindest in grober Fluchtung zwischen den Steckverbindungskomponenten 4 und 5 führt zu einer selbsttätigen Zentrierung der Substratplatte 2 zu dem Prozessraumboden während des Aussteckvorgangs. Sobald die Vorzentrierung so gut ist, dass der dem Prozessraumboden abgewandte obere Rand der als Kegelstumpf ausgeführten, konvexen Steckverbindungskomponente 4 im Inneren der konkaven Steckverbindungskomponente 5 zu liegen kommt, kann der selbsttätige Zentrierungsprozess während des Aufsteckens ablaufen.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus dem in der 1 gezeigten Querschnitt, der eine Lagefixiereinrichtung 3 umfasst und im Detail darstellt. In der Substratplatte 2 ist in einer Aussparung 8 die konkave Steckverbindungskomponente 5 angeordnet. Die konvexe Steckverbindungskomponente 4 weist ein Außengewinde auf, das in einer Gewindebohrung 9 in dem Prozessraumboden 1 eingeschraubt ist. Der oberhalb der Oberfläche 6 des Prozessraumbodens 1 angeordnete Teil der konvexen Steckverbindungskomponente 4 ist an seinem Außenumfang als Kegelstumpf ausgebildet. Im Zentrum der konvexen Steckverbindungskomponente 4 ist eine Ausnehmung vorgesehen, die beispielsweise ein Einschraubwerkzeug aufnehmen kann.
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3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Substratplatte 2. In der Substratplatte 2 sind zwei konkave Steckverbindungskomponenten 5 angeordnet. Diese sind jeweils durch drei Schrauben 10 mit der Substratplatte 2 verbunden. Die konkaven Steckverbindungskomponenten 5 sind jeweils mit einem Abstand zu einer Ecke an der Substratplatte 2 angeordnet, wobei sich die Ecken mit den konvexen Steckverbindungskomponenten 5 diagonal gegenüberliegen. Die Ecken sind abgerundet ausgeführt.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine konkave Steckverbindungskomponente 4. Zentrisch in der Mitte der konkaven Steckverbindungskomponente 4 ist eine konusförmige Ausnehmung 11 angeordnet, die sich in einer der Betrachtungsebene der 4 abgewandten Richtung öffnet. Die konusförmige Ausnehmung 11 durchbricht die konkave Steckverbindungskomponente 4, wodurch ein zentrisches Loch 12 in der konkaven Steckverbindungskomponente 4 ausgebildet ist. Durch das das Ende der konusförmigen Ausnehmung 11 an dem Loch 12 ist die konusförmige Ausnehmung 11 als die Oberfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet. In dieselbe Stirnfläche der konkaven Steckverbindungskomponente 4 wie die konusförmige Ausnehmung 11 sind drei Senkschraubenaufnahmen 13 eingebracht. Die Senkschraubenaufnahmen 13 dienen der Befestigung der konkaven Steckverbindungskomponente 4 an einer Substratplatte 2. Sie durchbrechen die konkave Steckverbindungskomponente 4 von einer ihrer Stirnflächen zu der anderen. Die konkave Steckverbindungskomponente 4 ist im Wesentlichen in Form einer ebenen Scheibe mit zwei einander gegenüberliegenden kreisrunden Stirnflächen ausgebildet.
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5 zeigt eine Seitenansicht der konkaven Steckverbindungskomponente 4, die in 4 gezeigt ist. Zusätzlich zu den in 4 beschriebenen Merkmalen ist in der 5 zu erkennen, dass die Senkschraubenaufnahmen 13 einen konischen Teil 14 und einen zylindrischen Teil 15 aufweisen. Auf der Seite des zylindrischen Teils 15 der Senkschraubenaufnahmen 13 befindet sich zum leichteren Einbau der konkaven Steckverbindungskomponente 4 in eine Substratplatte 2 eine Fase 16. Die konusförmige Ausnehmung 11 ist zentrisch in der konkaven Steckverbindungskomponente 4 angeordnet.
