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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung im Gebiet der Freiformfertigung ist insbesondere auf die
Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen durch selektives Lasersintern
gerichtet.
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Das
Gebiet der Freiformfertigung von Bauteilen hat in den letzten Jahren
signifikante Verbesserungen erfahren bei der Bereitstellung von
hochfesten, hochdichten Teilen zur Verwendung beim Design und der
Prototypenproduktion von vielen nützlichen Gegenständen. Die
Freiformfertigung bezieht sich im Allgemeinen auf die Herstellung
von Gegenständen in
einer automatisierten Art und Weise direkt aus Computer-Aided-Design
(CAD) Datenbanken, anstatt durch konventionelle Bearbeitung von
Prototypengegenständen
nach technischen Zeichnungen. Als ein Ergebnis wurde die Zeit, die
benötigt
wird, um Prototypengegenstände
von Ingenieursentwürfen herzustellen,
von einigen Wochen auf einige Stunden verringert.
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Als
Hintergrundinformation für
ein Beispiel einer Freiformfertigungstechnik dient der selektive Lasersintervorgang,
der in Systemen durchgeführt wird,
die von 3D Systems Inc. erhältlich
sind und in denen Gegenstände
aus laserverschmelzbarem Pulver in einer schichtartigen Weise hergestellt
werden. Gemäß diesen
Verfahren wird eine dünne
Schicht von Pulver ausgegeben und dann durch Laserenergie verschmolzen,
geschmolzen oder gesintert, welche auf jede Bereiche des Pulvers
gerichtet wird, die einem Querschnitt des Gegenstandes entsprechen. Konventionelle
Lasersintersysteme wie beispielsweise das Vanguard System das von
3D Systems Inc. erhältlich
ist, positionieren den Laserstrahl mittels eines optischen Spiegelsystems
unter Verwendung von galvanometergetriebenen Spiegeln, welches den Laserstrahl
ablenkt. Die Ablenkung des Laserstrahls wird in Kombinati on mit
der Modulation des Lasers selbst gesteuert, um die Laserenergie
auf jene Gebiete der verschmelzbaren Pulverlage zu richten, die dem
Querschnitt des zu bildenden Gegenstandes in dieser Schicht entsprechen.
Das computerbasierte Steuerungssystem ist mit Informationen programmiert,
die den gewünschten
Grenzen einer Mehrzahl von Querschnitten des herzustellenden Teils
entsprechen. Der Laser kann über
das Pulver in einer rasterartigen Weise gescannt werden, wobei eine
Modulation des Lasers in Kombination mit dem Rasterscannen durchgeführt wird,
oder der Laser kann in einer vektorartigen Weise gerichtet werden.
In einigen Anwendungen werden Querschnitte des Gegenstandes in einer
Pulverlage gebildet durch Verschmelzen von Pulver entlang der Außenlinie
des Querschnittes in einer vektorartigen Weise, entweder bevor oder
nach einem Rasterscan, welcher das Gebiet innerhalb der mit Vektoren
gezeichneten Außenlinie „füllt". In jedem Fall wird
nach dem selektiven Verschmelzen von Pulver in einer gegebenen Schicht
eine zusätzliche
Schicht von Pulver ausgegeben und der Vorgang wird wiederholt, wobei
verschmolzene Bereiche der späteren
Schichten mit geschmolzenen Bereichen von früheren Schichten verschmelzen,
wie es für
den Gegenstand notwendig ist, bis der Gegenstand fertig gestellt
ist.
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Eine
detaillierte Beschreibung der Lasersintertechnologie kann in den
US Patenten mit der Nummer 4,863,538, US Patent mit der Nummer 5,132,143 und
dem US Patent mit der Nummer 4,944,817 gefunden werden, die alle
dem Board of Regents der Universität von Texas System zugewiesen
sind und in dem US Patent mit der Nummer 4,247,508 von Housholder.
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Die
selektive Lasersintertechnologie ermöglicht die direkte Herstellung
von dreidimensionalen Gegenständen
mit einer hohen Auflösung
und Dimensionsgenauigkeit aus einer Vielzahl von Materialien, umfassend
Polystyrol, einige Nylonarten, andere Kunststoffe und Verbundmaterialien,
wie polymerbeschichtete Metalle oder Keramiken. Polystyrolteile können verwendet
werden bei der Herstellung von Werkzeugen auf dem Wege des gut bekannten „Wachsausschmelz"-Verfahrens. Zusätzlich kann das Lasersintern
für die
direkte Herstellung von Formen aus einer CAD Datenbankdarstellung
des Objektes verwendet werden, welches in den hergestellten Formen
geformt wird. In diesem Fall invertieren Computeroperationen die
CAD Datenbankdarstellung des zu formenden Objektes, um direkt die
negative Form aus dem Pulver zu bilden.
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Die 1 zeigt
als Hintergrundinformation eine Darstellung eines konventionellen
selektiven Lasersinterssystems welches im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet
wird und welches gegenwärtig
von 3D Systems Inc. aus Valencia/Kalifornien vertrieben wird. 1 ist
eine Darstellung, die zu Zwecken der Klarheit ohne Türen dargestellt
ist. Ein Kohlendioxidlaser 108 und sein zugehöriges Scansystem 114 werden
in einer Einheit oberhalb einer Prozesskammer 102 montiert
dargestellt, welche eine obere Schicht eines Pulverbettes 132 zeigt,
zwei angetriebene Zuführsysteme 124, 126 und
eine Verteilrolle 130. Die Prozesskammer hält die geeignete Temperatur
und atmosphärische
Zusammensetzung (typischerweise eine inerte Atmosphäre wie beispielsweise
Stickstoff) für
die Herstellung des Gegenstandes aufrecht.
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Ein
Betrieb dieses konventionellen selektiven Lasersintersystems 100 ist
in 2 in einer Frontansicht des Vorgangs dargestellt,
wobei zu Zwecken der Klarheit keine Türen gezeigt sind. Ein Laserstrahl 104 wird
durch einen Laser 108 erzeugt und auf ein Zielgebiet 110 durch
ein optisches Spiegelscansystem 114 gerichtet, welches
im Allgemeinen galvanometergetriebene Spiegel aufweist, welche den
Laserstrahl ablenken. Der Laser und die Galvanometersysteme sind
von der heißen
Prozesskammer 102 durch ein Laserfenster 116 isoliert.
Das Laserfenster 116 ist zwischen Strahlungsheizelementen 120 angeordnet,
welches das darunter liegende Zielgebiet 110 und das Pulverbett 132 aufheizen.
Diese Heizelemente 120 können ringförmig geformte Paneele (rechteckig
oder kreisförmig)
sein oder Strahlungsheizstäbe,
welche das Laserfenster umgeben. Die Ablenkung des Laserstrahls
wird in Kombination mit der Modulation des Lasers 108 selbst
gesteuert, um die Laserenergie auf jene Orte der schmelzbaren Pulverschicht
zu richten, die den Querschnitten des bildenden Gegenstandes in
dieser Schicht entsprechen.
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Das
Scansystem 114 kann den Laserstrahl über das Pulver in einer Rasterscanweise
oder in einer Vektorweise scannen. Ein Scannen ermöglicht dem
Laserstrahl 104 sich mit der Pulveroberfläche in dem
Zielgebiet 110 zu schneiden.
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Zwei
Zuführsysteme 124, 126 führen Pulver in
das System mittels eines nach oben drückenden Kolbensystems zu. Das
Zielgebiet 110 empfängt
das Pulver von den zwei Zuführsystemen
wie im Folgenden beschrieben. Das Zuführsystem 126 drückt zunächst eine
abgemessene Menge des Pulvers nach oben und eine gegenläufig rotierende
Rolle 130 nimmt das Pulver auf und verteilt es über das
Pulverbett 132 in einer gleichmäßigen An und Weise. Die gegenläufig rotierende
Rolle 130 bewegt sich komplett über das Zielgebiet 110 und
das Pulverbett 132 und dann entsorgt sie jegliches verbleibendes
Pulver in einen Überlaufbehälter 136.
Näher an
der Oberseite der Kammer sind Strahlungsheizelemente 122 angeordnet,
die das zugeführte
Pulver vorheizen, und ein ringförmiges
oder rechteckig geformtes Strahlungsheizelement 120 zum
Heizen der Oberfläche des
Pulverbettes 132. Das Element 120 besitzt eine zentrale Öffnung die
es einem Laserstrahl ermöglichst
durch das Laserfenster oder das optische Element 116 hindurch
zu gelangen. Nach der Überquerung
der gegenläufigen
Rolle 130 über
das Pulverbett 132, verschmelzt der Laser 108 selektiv
die gerade ausgegebene Schicht. Die Rolle 130 kehrt vom
Bereich des Überlaufbehälters zurück, der
Zuführkolben 125 drückt eine
vorbestimmte Menge von Pulver nach oben, die Rolle 130 verteilt
das Pulver über
das Zielgebiet 110 in entgegengesetzter Richtung und die Rolle 130 bewegt
sich weiter bis zu dem anderen Überlaufbehälter 138,
um jegliches überschüssiges Pulver
abzugeben. Bevor die Rolle jede Überquerung
des Systems beginnt, bewegt sich der Kolben des zentralen Teilebettes 128 um
die gewünschte Schichtdicke
nach unten, um Platz für
zusätzliches Pulver
zu schaffen.
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Das
Pulverzuführsystem
im System 100 umfasst Zuführkolben 125 und 127,
welche durch Motoren (nicht dargestellt) gesteuert werden, um eine Menge
von Pulver in die Kammer 102 nach oben zu bewegen und anzuheben
wenn sie angesteuert werden. Der Teilebettkolben 128 wird
durch einen Motor gesteuert (nicht dar gestellt), um sich um einen
kleinen Betrag, z. B. 0,125 mm unterhalb des Bodens der Kammer nach
unten zu bewegen, um die Dicke jeder Schicht von Pulver die verarbeitet
werden soll, zu definieren. Die Rolle 130 ist eine gegenläufig rotierende
Rolle, die Pulver von den Zuführkolben 125 und 127 auf
das Zielgebiet 110 fördert.
Wenn sie sich in jede Richtung bewegt, trägt die Rolle 130 jegliches überschüssiges Pulver,
welches nicht auf das Zielgebiet abgelegt wurde in die Überlaufbehälter 136, 138 an
jedem Ende der Prozesskammer 102. Das Zielgebiet 110 bezieht
sich für
die Zwecke dieser Beschreibung auf die obere Oberfläche des
durch Wärme schmelzbaren
Pulvers (inklusive von Bereichen die vorher gesintert worden sind,
wenn vorhanden) das über
den Teilekolben 128 abgelagert wurde. Das gesinterte und
ungesinterte Pulver das auf dem Teilebettkolben 128 abgelagert
wurde, wird als Teilekuchen 106 (part cake) bezeichnet.
Das System 100 der 2 erfordert
auch Strahlungsheizer 122 über den Zuführkolben um die Pulver vorzuheizen,
um jeglichen thermischen Schock zu minimieren, wenn frisches Pulver über das
zuletzt gesinterte und heiße Zielgebiet 110 verteilt
wird. Diese Art des doppelten nach oben drückenden Kolbenzuführsystems,
welches frisches Pulver von unterhalb des Zielgebietes bereitstellt,
zusammen mit Heizelementen für
sowohl die Zuführbetten
als auch das Teilebett oder das Zielgebiet ist kommerziell in dem
selektiven Lasersintersystem implementiert, welches von 3D Systems
Inc. aus Valencia/Kalifornien vertrieben wird.
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Ein
anderes bekannte Pulverzufuhrsystem, wie es in der
US 5,567,931 offenbart ist, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 14, verwendet Überkopfzuführtrichter
um Pulver von oben und von jeder Seite des Zielgebietes
110 vor
eine Zuführvorrichtung wie
beispielsweise einen Schieber oder eine Streichklinge zuzuführen. Die
US 5,908,569 offenbart eine Mehrzahl
von geraden Strahlungsheizern zum Aufheizen einer Pulverlage eines
Lasersintergerätes.
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Es
gibt Vorteile und Nachteile von jedem dieser Systeme. Beide erfordern
eine Anzahl von Mechanismen, entweder nach oben drückende Kolben oder Überkopftrichtersysteme
mit messenden Zuführern,
um effektiv abgemessene Mengen von Pulver zu jeder Seite des Zielgebietes
und vor den Verteilmechanismus (entweder eine Rolle oder eine Streichklinge)
zuzuführen.
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Obwohl
ein Design wie das System 100 bewiesen hat das es effektiv
sowohl Pulver als auch thermische Energie auf eine präzise und
effektive Art und Weise zuführt,
gibt es einen Bedarf dies in einer kosteneffizienteren Art und Weise
zu tun, indem die Anzahl der Mechanismen verringert wird und das Vorheizen
von frischem Pulver, zur Durchführung
des selektiven Lasersintervorgangs, zu verbessern. Ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Vorheizen von frischem Pulver um dies zu
tun, sind in der EP-A-1690281 dargestellt.
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Kurz
gesagt, stellt diese gleichzeitig eingereichte ebenfalls anhängige Anmeldung
ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit mit einem Ablagerungsschritt
für frisches
Pulver, wobei der Ablagerungsschritt umfasst das zumindest alles
Pulver, welches für
zwei aufeinanderfolgende Schichten benötigt wird, an der ersten Seite
des Zielgebietes in der Prozesskammer abgelagert wird, wobei gleichzeitig das
Pulver für
die erste aufeinanderfolgende Schicht verteilt wird, während das
Pulver für
die zweite aufeinanderfolgende Schicht zu der gegenüberliegenden zweiten
Seite des Zielgebietes transportiert wird. Die Vorrichtung umfasst
einen Pulverzuführtrichter,
der oberhalb und an der ersten Seite des Zielgebietes angeordnet
ist, um die gewünschten
Mengen von Pulver zuzuführen,
ein Mittel zum Verteilen einer ersten Schicht von Pulver über das
Zielgebiet, während sie
eine zweite Menge von Pulver zu der zweiten Seite des Zielgebietes
trägt,
welche für
eine zweite Schicht von Pulver benötigt wird, und ein Mittel zum Ablagern
der zweiten Menge von Pulver an der gegenüberliegenden zweiten Seite
des Zielgebietes.
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Die 3 und 4 zeigen
eine geparkte Pulverwelle 184 die zunächst von einem Überkopfzuführmechanismus
abgelagert wurde und nachfolgend neben das Zielgebiet 186 während des
Laserscannens des Zielgebietes positioniert wurde. Die geparkte
Pulverwelle 184 wird so platziert, um die Pulverwelle der
Strahlungsenergie der Heizer 160 auszusetzen. Dies ermöglicht dass
die Strahlungsheizer 160, welche die richtige Temperatur
des Zielgebietes 186 beibehalten, auch die Pulverwelle 184 vorheizen,
welche in der nächsten
Schicht verwendet wird, um die Notwendigkeit zu verringern oder
auszuschließen
dass die nächste
Pulverschicht separat vorgeheizt werden muss. Diese Technik leidet,
obwohl sie effektiv ist, aufgrund der schlechten thermischen Leitfähigkeit
von Polymerpulvern und aufgrund ihres Effektes auf den Wall von
Pulver in der geparkten Welle, welche folglich langsamer aufheizt
als gewünscht,
was in einer längeren
als gewünschten
Verzögerung
resultiert, bevor die nächste
Schicht verteilt werden kann. Zusätzlich kann in diesem Ansatz, wenn
Pulver von kleiner Partikelgröße zugeführt werden,
die Möglichkeit
bestehen dass eine Staubwolke erzeugt wird, wenn beim Bilden der
geparkten Pulverwelle 184 Pulver von dem Zuführmechanismus 164 direkt
von dem Zuführmechanismus
auf den Boden der Prozesskammer fällt.
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Es
gibt daher die Notwendigkeit, den Vorgang des Aufheizens der geparkten
Pulverwelle zu beschleunigen, ohne die Temperatur der Strahlungsheizer 160 zu
erhöhen,
was die Temperatur des Zielgebietes 180 nachteilig beeinträchtigen
würde.
Es gibt weiterhin eine Notwenigkeit signifikant die Möglichkeit
zu verringern, dass die Pulver, welche von dem Zuführmechanismus 164 auf
den Boden der Prozesskammer fallen, Staub erzeugen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und
eine Vorrichtung bereitzustellen, um schnell die geparkte frische
Pulverwelle aufzuheizen.
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Es
ist auch ein Aspekt der vorliegenden Erfindung das Potenzial von
Staub zu verringern, der erzeugt wird, wenn Pulver von einem Überkopfzufuhrmechanismus
auf den Boden der Prozesskammer fällt.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Abdeckung oder
die Verkleidung die über
dem Rollenmechanismus angebracht ist, sich ausreichend weit in Richtung
der Pulverbettoberfläche
erstreckt, um die Welle oder den Berg von frischem Pulver, der benachbart
zu dem Zielgebiet abgelagert wurde, einzuebnen oder abzuflachen.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Abdeckung
oder die Verkleidung, die über
dem Rollenmechanismus angebracht ist, an gegenüberliegenden Seiten abgewinkelt
ist, um zu ermöglichen,
dass frisches Pulver auf ihr zu dem Pulverbett abgleitet.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die frische Pulverwelle
auf der Pulverbettoberfläche
abgelagert wird und abgeflacht wird durch die Abdeckung oder die
Verkleidung, die über
dem Rollenmechanismus angebracht ist.
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Die
Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen
Gegenstandes durch Lasersintern, welches zumindest die folgenden Schritte
umfasst: Ablagern einer Menge von Pulver an einer ersten Seite eines
Zielgebiets; Einebnen der ersten Menge von Pulver an der ersten
Seite des Zielgebiets; Verteilen des Pulvers mit einem Verteilungsmechanismus,
um eine erste glatte Oberfläche zu
bilden; Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet, um zu bewirken,
dass das Pulver eine zusammenhängende
Schicht bildet; Ablagern einer zweiten Menge von Pulver an einer
zweiten Seite des Zielgebiets; Einebnen der zweiten Menge von Pulver
an der zweiten Seite des Zielgebiets; Verteilen des Pulvers mit
dem Verteilungsmechanismus um eine zweite glatte Oberfläche zu bilden;
Richten des Energiestrahls über
das Zielgebiet, um zu bewirken, dass das Pulver eine zweite zusammenhängende Schicht bildet,
die an die erste zusammenhängende
Schicht anhaftend ist; und Wiederholen der Schritte, um zusätzliche
Schichten zu bilden, die integral an benachbarten Schichten anhaften,
um so einen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden, wobei der Ablagerungsschritt
zumindest umfasst: das Ablagern von dem gesamten Pulver, das für zwei aufeinanderfolgende
Lagen erforderlich ist, an der ersten Seite des Zielgebiets und
gleichzeitiges Verteilen des Pulvers für die erste zusammenhängende Lage,
während das
Pulver für
die zweite zusammenhängende
Lage zu der zweiten Seite des Zielgebiets transportiert wird.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Teilen
aus einem Pulver aufweisend eine Kammer mit einem Zielgebiet, bei
dem ein additiver Prozess durchgeführt wird, wobei das Zielgebiet
eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; ein Mittel zum
Verschmelzen von ausgewählten
Bereichen einer Schicht von Pulver bei dem Zielgebiet; einen Pulverzuführtrichter,
der oberhalb und an der ersten Seite des Zielgebiets angeordnet
ist, um gewünschte
Mengen des Pulvers zuzuführen;
ein Mittel zum Einebnen einer ersten Menge von Pulver an der ersten
Seite des Zielgebiets; ein Mittel zum Ausbreiten einer ersten Schicht
von Pulver über
das Zielgebiet, wobei eine zweite Menge von Pulver zu der zweiten
Seite des Zielgebiets gefördert
wird, die verwendet wird für
eine zweite Schicht von Pulver; ein Mittel zum Ablagern der zweiten
Menge von Pulver an der zweiten Seite des Zielgebiets, ein Mittel zum
Einebnen der zweiten Menge von Pulver an der zweiten Seite des Zielgebiets
und ein Mittel zum Verteilen der zweiten Menge von Pulver über dem
Zielgebiet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich
werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung betrachtet wird,
insbesondere wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
gesehen wird, wobei:
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1 ist
eine diagrammartige Ansicht einer konventionellen selektiven Lasersintermaschine
des Standes der Technik;
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2 ist
eine diagrammartige Vorderansicht einer konventionellen Lasersintermaschine
gemäß dem Stand
der Technik, wobei einige der verwendeten Mechanismen dargestellt
sind;
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3 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der gleichzeitig anhängigen Anmeldung,
wobei das Dosieren des Pulvers vor der Rolle dargestellt ist;
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4 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der parallel anhängigen Patentanmeldung,
dass die Zurückziehen
des Rollenmechanismus zeigt und das Parken desselben unter dem Zuführmechanismus,
während
der Laser selektiv das Zielgebiet aufheizt und die Heizstrahler
die geparkte Pulverwelle vorheizen;
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5 ist
eine partielle diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden
Erfindung, dass einen Designaspekt einer modifizierten Abdeckung
des Rollenmechanismus zeigt;
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6 ist
eine partielle diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden
Erfindung, welche das Ablagern von Pulver unter Verwendung der Abdeckung
des Rollenmechanismus zeigt;
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7 ist
eine partielle diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden
Erfindung, die das Parken der ersten Menge an Pulver in der Nähe des Teilebetts
zeigt;
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8 ist
eine partielle diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden
Erfindung, die das Verfahren des Einebnens der geparkten Pulverwelle
zeigt;
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9 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Abmessen der ersten Menge von Pulver zeigt;
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10 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Parken der Pulverwelle in der Nähe des Teilebetts zeigt;
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11 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Zurückziehen
des Verteilmechanismus zeigt, das Einebnen der geparkten Pulverwelle
und das Parken des Verteilungsmechanismus unter dem Zuführmechanismus,
während
der Laser selektiv das Zielgebiet aufheizt und der Heizstrahler
die eingeebnete geparkte Pulverwelle vorheizt;
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12 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die die Ausgabe der zweiten Schicht von Pulver auf die Oberseite
des Rollenmechanismus zeigt und zeigt, dass der Heizstrahler die
eingeebnete geparkte Pulverwelle vorheizt;
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13 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die die erste Pulverschicht zeigt, die über das Zielgebiet verteilt
wurde und die die zweite Pulverschicht zeigt, welche auf der Oberseite
des Rollenmechanismus zu der gegenüberliegenden zweiten Seite
des Zielgebiets getragen wird;
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14 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Ablagern der zweiten Pulverschicht vor der Rolle zeigt und
das Ablagern von überschüssigem Pulver von
der ersten Schicht in den Überlaufbehälter zeigt;
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15 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Parken der zweiten Pulverwelle in der Nähe des Zielgebiets zeigt;
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16 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die das Parken der Rolle an der Seite zeigt und das Einebnen der
zweiten geparkten Pulverwelle zeigt, während der Laser selektiv das
Zielgebiet aufheizt und der Heizstrahler die eingeebnete geparkte
Pulverwelle vorheizt;
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17 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die die zweite Pulverschicht zeigt, welche über das Zielgebiet verteilt
wird;
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18 ist
eine diagrammartige Vorderansicht des Systems der vorliegenden Erfindung,
die die Rolle zeigt, die einen Zyklus vervollständigt in dem sie überschüssiges Pulver
in den Überlaufbehälter abgibt;
und
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19 ist
eine diagrammartige Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung, die eine zweite feststehende
Klinge zeigt zum Entfernen und Abgeben der ersten Pulverschicht
vor die Rolle, an der, der ersten feststehenden Klinge gegenüberliegenden Seite
des Zielgebiets.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Konzept der vorliegenden Erfindung umfasst ein Re-design der abdeckenden
Struktur oder Verkleidung, die den Rollenmechanismus abdeckt. In
Bezug auf 5 wird die gesamte neue Rollenanordnung
mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet. Über dem Rollenmechanismus 180 befindet
sich eine flache obere Pulverhalte- oder Tragestruktur 208,
die von dem Verfahren verwendet wird, um die Pulvermenge, die für die zweite
Seite der Kammer benötigt
wird, zu tragen. Eine Abdeckung 204 wird zu der Struktur
hinzufügt,
welche an jeder Seite nach außen
abgewinkelt ist, um einen ausreichenden Freiraum für die Pulverwelle
bereitzustellen, die durch die Rolle erzeugt wurde. Die Abdeckung 204 erstreckt
sich an gegenüberliegenden
Seiten mit einem Winkel nach unten, wobei ein kleiner Freiraum zwischen
der Rolle in dem Rollenmechanismus 180 und dem Boden 206 der
Prozesskammer 152 verbleibt. Im Betrieb, wie in 6 dargestellt,
beginnt das Verfahren damit, dass der Rollenmechanismus 180 unterhalb
und leicht zur Seite des Überkopfzuführmechanismus 164 geparkt
wird. Die erste Pulvermenge wird abgegeben, um auf das äußere der
Abdeckung 204 zu fallen und nach unten zu rutschen, wobei
eine Pulverwelle 184 auf dem Boden 206 benachbart
zu dem Rollenmechanismus 180 gebildet wird. In dem das
Pulver auf diese Weise auf die äußere Abdeckung
des Rollenmechanismus fallen gelassen wird, wird die Erzeugung einer
Staubwolke wesentlich verringert. Das Pulver fällt eine kürzere Distanz bevor sein vertikaler
Fall, verglichen zu früher,
unterbrochen wird in dem es unter einem Winkel die Abdeckung 204 streift,
wobei seine Endgeschwindigkeit verringert wird und es sachte nach
unten auf den Boden 206 der Prozesskammer 152 rutscht.
Die abgelagerte Menge von Pulver wird als eine geparkte Pulverwelle
bezeichnet.
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Im
nächsten
Schritt, wie in 7 zu sehen, wird der Rollenmechanismus 180 aktiviert
und bewegt sich, um die Pulverwelle 184 zu schieben und sich
an der Kante des Zielgebiets 186 zu Parken. Die Pulverwelle 184 wird
durch die führende
Kante der Rollenabdeckung 204 eingeebnet, während sie
sich über
die Pulverwelle bewegt, aber sie wird durch den Betrieb des Rollenmechanismus 180 wieder
aufgebaut. Wenn der Rollenmechanismus 180 jedoch seine
Richtung umkehrt, (siehe 8) und zu seiner Position unter
dem Zuführmechanismus 164 zurückkehrt,
ebnet die innere Kante der Rollenabdeckung 204 die Pulverwelle 184 sauber
zu einer dünneren Welle
ein, welche es ermöglicht,
dass die geparkte Pulverwelle 184 wesentlich schneller
durch die Heizstrahler 160 aufheizt. Dieses Design und
Verfahren verringert die Heizzeit für die Pulverwelle 184 vor
den nachfolgenden Prozessschritten, welche das Bewegen des Rollenmechanismus 180 über das
Zielgebiet 186 umfasst, um die nächste Lage von vorgeheiztem Pulver über das
Zielgebiet zu verteilen.
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Die
gleiche Folge von Schritten wird an der gegenüberliegenden zweiten Seite
der Prozesskammer 102 die geparkte Pulverwelle an dieser
Seite der Prozesskammer einebnen, wenn die zweite Pulverwelle von
der oberen Pulverhalte- oder Trageoberfläche 208 entfernt wird,
wie später
erklärt
wird. Obwohl der beschriebene Rollenmechanismus 180 ein
bevorzugter ist, sollte es klar sein, dass eine Anzahl von Variationen
der Form des Rollenmechanismus 200 die doppelten Ziele
erreichen können,
nämlich
ein sanftes Landen des abgegebenen Pulvers bereitzustellen und ein
Einebnen der Pulverwelle bereitzustellen, bevor die Welle vorgeheizt
wird.
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Ein
Lasersintersystem, das die vorliegende Erfindung verwendet, ist
in 9 dargestellt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet.
Die Prozesskammer ist bei 152 dargestellt. Der Laserstrahl 154 gelangt
von dem Laser 108 durch das optische Spiegelscannsystem 114,
tritt in die Kammer 152 durch ein Laserfenster 156 ein,
welches den Laser und die Optik (nicht dargestellt) von der Hochtemperaturumgebung
der Prozesskammer 152 isoliert. Das optische Spiegelscannsystem 114 ist ähnlich zu
demjenigen, das im Stand der Technik beschrieben ist, aber jedes
geeignete Design kann verwendet werden. Strahlungsheizelemente 160 stellen Wärme für das Zielgebiet 186 bereit
und für
das Pulver in Gebieten unmittelbar neben dem Zielgebiet 186.
Diese Heizstrahler können
vom Typ her von jeglicher Art sein, zum Beispiel Quarzstäbe oder
flache Paneele oder Kombinationen davon. Ein bevorzugtes Design
verwendet schnell reagierende Quarzstabheizer.
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Ein
einziger angetriebener Überkopfzuführtrichter 162 ist
mit einem unteren Zuführmechanismus 164 dargestellt,
der durch einen Motor (nicht dargestellt) gesteuert wird, um die
Menge des Pulvers zu steuern, das auf den darunterliegenden Boden
der Prozesskammer 206 fallen gelassen wird. Der Zuführmechanismus 164 kann
verschiedene Arten umfassen, aufweisend zum Beispiel einen Sternförderer,
ein Schraubenförderer,
ein Gurtförderer,
einen Schlitzförderer
oder ein Förderer
mit einer drehenden Trommel. Ein bevorzugter Förderer ist eine sich drehende
Trommel. Ein Teilekolben 170 wird durch einen Motor 172 gesteuert,
um sich unter den Boden 206 der Kammer 152, um
einen kleinen Betrag nach unten zu bewegen, beispielsweise um 0,125
mm, um die Dicke jeder zur verarbeitenden Pulverschicht zu definieren.
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In
Bezug immer noch auf die 9 umfasst der Rollenmechanismus 108 eine
gegenläufig
rotierende Rolle, die durch einen Motor 182 angetrieben ist,
welche das Pulver von der Pulverwelle 184 über das
Laserzielgebiet 186 verteilt. Wenn sie sich in jeglicher
Richtung bewegt, trägt
die Rolle jedes überschüssige Pulver,
welches nicht auf das Zielgebiet abgelagert wurde, in den Überlaufbehälter 188 an
gegenüberliegenden
Seiten der Kammer 152. Das Zielgebiet 186 bezieht
sich für
die Zwecke dieser Beschreibung, auf die obere Oberfläche des
wärmeschmelzbaren
Pulvers (inklusive vorher gesinterter Bereiche, wenn diese vorhanden
sind), das oberhalb des Teilekolbens 170 abgelagert ist.
Das gesinterte und ungesinterte Pulver, das auf dem Teilekolben 170 abgelagert
ist, wird hierin als Teilekuchen 190 bezeichnet. Obwohl
die Verwendung eines gegenläufig
rotierenden Rollenmechanismus 180 bevorzugt ist, kann das
Pulver auch durch andere Mittel verteilt werden, wie zum Beispiel
durch einen Wischer oder eine Streichklinge.
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Der
Betrieb des selektiven Lasersintersystems dieser Erfindung wird
dargestellt beginnend in 9. In einem ersten Pulverausgabeschritt
wird Pulver von oben von dem Zuführmechanismus
auf die Abdeckungsstruktur 204 dosiert und rutscht dann zu
einer Position auf dem Boden 206 vor dem Rollenmechanismus 180.
Die dosierte Menge von Pulver hängt
von der Größe des Zielgebiets 186 und
der gewünschten
zu formenden Schichtdicke ab.
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In
einem zweiten Schritt, dargestellt in 10, wird
der gegenläufig
rotierende Rollenmechanismus aktiviert, um die Pulverwelle leicht
nach vorne zu bewegen und sie an der Kante des Zielgebiets 186 in
Sichtweite der Strahlungsheizelemente 186 zu parken. In
einem dritten Schritt, der in 11 dargestellt
ist, wird der Rollenmechanismus 180 zurückbewegt und die Abdeckungsstruktur
der Rolle 204 ebnet die geparkte Pulverwelle 184 ein.
Der Rollenmechanismus 180 wird dann unter dem Zuführmechanismus 164 geparkt.
In Schritten die anders sind als für die erste Menge von Pulver,
die von dem Zuführmechanismus 164 dosiert
wurde, wird der Laser nun angeschaltet und der Laserstrahl 154 scannt die
aktuelle Schicht, um selektiv das Pulver in dieser Schicht zu verschmelzen.
Während
der Laser scannt, verbleibt der Rollenmechanismus 180 direkt unter
dem Pulverzuführmechanismus
geparkt. Während
der Laser scannt wird auch die eingeebnete geparkte Pulverwelle 184 durch
die Einwirkung der Strahlungsheizelemente 160 vorgeheizt.
Dieser Schritt kann die Notwendigkeit von separaten Strahlungsheizern
eliminieren, um das Pulver vorzuheizen.
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In
einem nächsten
Schritt, der in 12 dargestellt ist, wird eine
zweite Pulverwelle 185 auf die obere Pulverhalte- oder
Trageoberfläche 208 des Rollenmechanismus 180 gefördert. Nach
dem Scannen der aktuellen Pulverschicht beginnt der nächste Schritt,
wie in 13 gezeigt. Der Rollenmechanismus 180 wird
aktiviert und bewegt sich über
die Prozesskammer 152 hinweg, wobei die erste Lage von vorgeheiztem
Pulver 184 über
das Zielgebiet 186 verteilt wird, während die zweite Lage von Pulver
in der zweiten Pulverwelle 185 auf der oberen Pulvertrageoberfläche 208 des
Rollenmechanismus 180 getragen wird. Im nächsten Schritt,
der in 14 dargestellt ist, entfernt
eine befestigte stationäre
Klinge 192 die zweite Pulverwelle 185 von der
oberen Pulvertrageoberfläche 208 des
Rollenmechanismus 180, während die Rolle sich unter
der Klinge 192 hindurch bewegt. Das entfernte Pulver gleitet
die innere Seite der abgewinkelten Abdeckung 204 hinunter, und
legt die zweite Pulverwelle 185 auf dem Boden 206 der
Prozesskammer 152 ab, während
der Rollenmechanismus 180 damit fortfährt jegliches überschüssiges Pulver
in den Überlaufbehälter 188 zu fördern. Die
Vorrichtung ist nicht auf eine stationäre Klinge zum Entfernen beschränkt, sondern
könnte jegliche
Mechanismen umfassen, welche das Pulver von der oberen Pulvertrage-
oder Haltestruktur 208 des Rollenmechanismus 180 entfernen,
wie beispielsweise einen Abstreifer, Rolle oder Bürste.
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In
dem nächsten
Schritt, der in 15 dargestellt ist, kehrt der
Rollenmechanismus 180 direkt um und bewegt sich, um die
zweite Pulverwelle 185 in der Nähe des Zielgebiets und in Sichtweite
der Strahlungsheizerelemente 160 zu parken, ausreichend
nahe um Heizeffekte von diesen zu empfangen. Im nächsten Schritt (16)
dieser bevorzugten Ausführungsformen
bewegt sich der Rollenmechanismus 180 zurück und ebnet
die geparkte Pulverwelle 185 mit der inneren Seite der
abgewinkelten Abdeckung 204 ein, welche den Hügel der
zweiten Pulverwelle 185 berührt und einebnet. Der Rollenmechanismus 180 parkt
dann, während
der Laserscannvorgang abgeschlossen wird, und die eingebnete zweite
Menge von Pulver in der zweiten Pulverwelle 185 durch die
Strahlungsheizelemente 160 vorgeheizt wird. Nachdem der
Lasersscanvorgang abgeschlossen ist, wird dann der Rollenmechanismus 180 aktiviert
und bewegt sich, um die zweite Menge von Pulver in der zweiten Pulverwelle 185 über das
Zielgebiet 186 zu verteilen, wie in 17 dargestellt. Nach
dem Verteilen bewegt sich der Pulverrollenmechanismus 180,
wie in 18 gezeigt, zu dem Ende seines
Durchlaufs und lässt
jegliches überschüssiges Pulver
in Überlaufbehälter 188 fallen.
Dies komplettiert den Zyklus und der nächste Zyklus kann wiederum
beginnen, wie in 9 dargestellt.
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Ein
alternatives Design kann eine zweite befestigte stationäre Klinge 193 umfassen,
die in 19 außerhalb des unteren Zuführmechanismus 164 an
der von Klinge 192 gegenüberliegenden Seite angeordnet
ist, so dass eine Menge von Pulver, die auf der Pulverhalteoberfläche 208 abgelagert
wird, immer vorhanden ist und bei jedem Durchlauf des Rollenmechanismus 180 über das
Zielgebiet 186 vorgeheizt wird. In dieser Herangehensweise
umfasst der sich wiederholende Zyklus, dass die erste geparkte Pulverwelle 184 auf
der oberen Pulverhalteoberfläche 208 des
Rollenmechanismus 180 abgelegt wird. Der Rollenmechanismus 180 in
Richtung der Klinge 193 wird einen kurzen Weg bewegt, so dass
die Klinge die Menge von Pulver entfernt, die die geparkte Pulverwelle 184 bildet.
Der Rollenmechanismus 180 bewegt sich nach vorne und kehrt dann
seine Richtung nach einer kurzen Distanz um, so dass nun die innere
Seite der abgewinkelten Abdeckung 204 des Rollenmechanismus 180 die
geparkte Pulverwelle 184 einebnet, um einschnelleres Vorheizen
zu fördern.
Der Rollenmechanismus 180 kehrt seine Richtung um, um von
dem eingeebneten Hügel
des Pulvers weg zu ziehen und bleibt stehen während das Vorheizen für die erste
Menge von Pulver ge schieht, die in dem ersten Durchlauf und in folgenden
Durchläufen
dosiert wurde, während
das Laserscannen stattfindet. Im ersten Durchlauf wird der Rollenmechanismus 180 unter
dem Boden des Zufuhrmechanismus 164 positioniert und die
Pulvertrageoberfläche 208 wird
wieder gefüllt
mit der zweiten Pulverwelle 185.
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Dieses
erfinderische Design erzielt ein schnelles und effizientes Vorheizen
des verteilten Pulvers, bevor es über das Zielgebiet eines selektiven
Lasersintersystems verteilt wird, und verringert das Auftreten von
Staubwolken, die sich von dem herunterfallenden Pulver bilden, welches
auf dem Boden der Prozesskammer auftrifft.
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Während die
Erfindung oben beschrieben wurde mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen
ist es offensichtlich dass viele Änderungen, Modifikationen und
Variationen der Materialien, Anordnungen der Teile und Schritte
durchgeführt
werden kann. Zum Beispiel kann das Vorheizen der geparkten Pulverwelle
die Verwendung des Laserstrahls benutzen, entweder bei niedriger
Leistung oder mit einer schnellen Scanngeschwindigkeit, um dazu
beizutragen, dass die Pulvertemperatur erhöht wird, aber ein Schmelzen
oder Erweichen des Pulvers, zu solch einem Ausmaß, dass sogar das Verteilen über das
Pulverbett behindert werden könnte,
nicht eingeleitet wird. Zusätzlich
können
zusätzliche
Strahlungsheizpaneele, wie beispielsweise ein flacher Watlow Paneelheizer
oberhalb der Orte für
das geparkte Pulver angeordnet werden, an gegenüberliegenden Seiten der Prozesskammer
und geeignet befestigt werden, wie beispielsweise beim Durchlauf
des Rollenmechanismus.