WO2010086327A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung und nachbearbeitung eines formkörpers - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for the production of moldings by layer-wise locally selective remelting or optionally sintering of material powder to contiguous areas of the shaped body by energy input by means of laser radiation, comprising a housing with a process space therein, arranged in the process space working platform, a Pulver Wegfeldpar ists adopted for the preparation of one after the other to be remelted material powder layers on the work platform, an irradiation device with a laser for irradiating the last on the working platform prepared powder layer at the intended locations for remelting in accordance with Geometriebeschrei- tion data of the molding, a handling device for on-demand manipulation of elements in the process space , and an observation device for visually observing processes in the process space from outside the housing.
  • the invention relates to the field of selective laser melting, and is both procedurally and device-wise based on a technology such as, for. In DE 199 05 067 A1, in DE 101 12 591 A1, in WO 98/24574 or in WO 2006/024373 A2, although the invention can also be applied to the field of selective laser sintering.
  • the technology considered here deals with means for the production of moldings after the process of selective laser melting (also known as SLM process) or, if appropriate, after the process of the selective laser sintering.
  • SLM process selective laser melting
  • the realization of the respective shaped body according to three-dimensional CAD data or Geometriebepoursoire of the shaped body by layering builds from powdery, metallic or ceramic material, wherein successively more powder layers are applied one above the other and each powder layer before applying the next powder layer with a normally focused laser beam in a predetermined area corresponding to a selected cross-sectional area of the shaped body is heated.
  • the laser beam is guided in each case in accordance with the CAD cross-sectional data of the selected cross-sectional area of the shaped body or according to data derived therefrom via the respective powder layer.
  • the material powder is applied during selective laser melting as binder- and flux-free, metallic, ceramic or mixed metal / ceramic material powder and heated by the laser beam to melting temperature, the energy of the laser beam and the laser beam guide are chosen so that the material powder in the irradiated area is melted as completely as possible over the powder layer thickness.
  • Over the zone of interaction between the laser beam and the metallic see and / or ceramic material powder is usually a
  • the SLM devices contemplated herein are also referred to as rapid prototyping devices or selective laser melting devices. They are used for the production of prototypes or for mass production of components, tools, etc.
  • the method of selective laser melting and the devices used therefor have always been developed in recent years.
  • the scope of the selective laser melting has expanded rapidly due to the obvious great flexibility of this method, z. B. in the medical field in the manufacture of prostheses, dental Auxiliary parts and dentures, or in the field of jewelery production.
  • the variety of shapes of products that can be produced by selective laser melting is almost inexhaustible.
  • the trend in the development of devices for selective laser melting has mainly been in the direction of realizing larger machines that could produce correspondingly larger moldings.
  • the present invention is based on considerations of the inventor to provide a relatively small, inexpensive and fast-working apparatus for the production of small moldings, such as on a bench or the like to be operated table device for the production of filigree parts, such as dental prostheses, jewelry , fine mechanical components, etc., but the invention should not be limited only to small devices.
  • the molded articles produced by the method of selective laser melting or selective laser sintering often require reworking, either to join them to other elements or / and subject them to a strain or surface treatment process in certain zones. It is common practice in the past to extract the molded article from the SLM device after completion of the process of the selective laser sintering and to transfer it to a post-processing station.
  • a post-processing station can, for. B. be equipped with a welding device and / or a soldering machine as well as with various post-treatment tools and support means for the nachzubehandelnden molding.
  • the aftertreatment may conveniently take place under very small moldings under a magnifying glass or the like.
  • the object of the present invention is to provide a system which can be used flexibly, which makes it possible to produce shaped articles by the method of selective laser melting and to post-process such shaped articles with a reduced outlay on equipment at the workstation.
  • a device of the type mentioned above is proposed with the following further features, namely that the observation device at least one optical magnification element summarized and aligned on a working range of the handling device or alignable, so that under observation by means of the observation device and using the handling device Nachbearbeitungs Marine can be made to a produced in the process space of material powder molding in the working area of the handling device.
  • the device according to the invention makes it possible to post-process a shaped body constructed therein by the method of selective laser melting in place in the process space and optionally by using SLM functional components. Normally, after completion of the build process, the molding is surrounded by unmelted residual powder on the work platform. The operator can remove this residual powder by means of the handling device and a respective tool or possibly a Pulverabsaugstrom without having to open the process chamber.
  • a handling device is preferably a pair of respective through-openings in the process space housing outgoing, the through-openings outwardly sealing and extending into the process space gloves in question. The operator can use these gloves to perform work in the process room from the outside.
  • a handling device can optionally also be provided at least one controllable robotic arm, which preferably has gripping medium.
  • the optical magnification element may be z.
  • B. is a magnifying glass and preferably a stereo microscope, which allows a precise observation of the operations in the process room in an enlarged view.
  • the operator can use tools such as pliers or the like in the process space by means of the gloves. grip and, under observation through the magnifying glass or through the stereomicroscope, lead to the previously constructed shaped body in order to rework it.
  • the working platform can preferably be moved vertically in order to bring the shaped body, which is still fixed to its base substrate on the work platform, into the correct position for a respective finishing operation.
  • the work platform is also rotatable relative to the optical magnifying element and the handling device to position the shaped body.
  • the inventively equipped device is also excellent for research on the further development of selective laser melting or selective laser sintering of moldings.
  • the device according to the invention can be used by using the irradiation device as a controllable laser welding beam source to postprocess one or more moldings in the working area of the handling device under observation by means of the observation device.
  • Such post-processing can, for. Example, in that the molded body is welded to another element.
  • Such a welding process can, for. B. be used in the connection of dental prosthesis elements to a dental bridge or the like.
  • the to be welded elements or moldings may also be externally constructed in individual cases, such as in another SLM device or by another manufacturing method, to then in the inventions - Device according to the invention to undergo a welding process using the laser as a source of welding radiation.
  • the device has a lock on the process space, which allows the introduction and removal of objects in or out of the process space without destroying a protective gas atmosphere therein.
  • nachzubehandelnde moldings be provided in the working area of the handling device.
  • This may in particular be a clamping device in the process space, which allows a controlled change in the orientation of the shaped body.
  • the irradiation device is equipped with an automatically and / or manually controllable beam alignment device, by means of which the orientation of the laser melt beam in the process space is controllable to weld a stationary molding at different locations i5 and so z.
  • a further embodiment of the invention makes it possible to change the orientation of the shaped body to be reprocessed in the process space by means of corresponding movements and adjustments of the mounting device as well as a movement of the laser beam relative to the
  • a molded article manufacturing device according to the invention according to claim 10 as a tabletop device, ie operable on a laboratory bench or 3o desk usual size and especially designed by a seated on the table operator in sitting posture device is formed.
  • the observation device so z.
  • a stereomicroscope can be used to observe the process in the process space.
  • the invention further provides a molded article production machine according to claim 11, which can be implemented in the simplest case without handling device 5 and without observation device, but can perform automatic or preprogrammed post-treatment steps using the irradiation device as a controllable laser welding radiation source.
  • the device according to the invention is set up and programmable so that in a low-voltage manufacturing mode, it at least one voltage interrupting gap not remelted or sintered material powder within a remainder by layerwise selective remelting or optionally sintering Material powder temporarily generated area of the molding body over a certain number of successive layers away leaves and
  • the closure 20 then closes in a respective post-treatment step by welding by means of the irradiation device.
  • the closure preferably takes place after the area in question has cooled below a certain temperature on both sides of the voltage interruption gap. After closing the voltage interruption gap is
  • 3o tion gap can be provided in the sense described above, which can then extend over several layers in the further course of the building process until it is sealed by a new post-treatment step with the beam of the irradiation laser.
  • the course of the Voltage interruption gaps in the respective regions can depend on various parameters of the production process to be set and in particular on the shape of the shaped body to be produced, wherein the depth and the course of the voltage interruption gaps can each be selected so that thermal stress effects have as little effect as possible on the dimensional stability of the shaped body to be produced and thus as far as possible cause little shrinkage and delay.
  • the voltage interruption gaps should preferably be formed several layers deep before the post-treatment step of the respective closing of the voltage interruption gap is inserted.
  • the voltage interruption gap cross sections can, for. B. rectangular shape, triangular shape with lower tip or Bogenmuldenform have.
  • the laser beam melts the material powder remaining in the voltage interruption gap over the required number of layers in order to eliminate the voltage interruption gap and to structurally homogeneously combine the material there with the adjacent zones as structurally as possible.
  • the construction process involving the generation and elimination of voltage interruption gaps for suppressing the propagation of material stresses across zones of the molded article may preferably be fully automatic under the control of the device.
  • the invention also provides a process for the post-processing of a shaped body, in particular by means of a device for selective laser melting according to the invention, wherein successive layers of material powder are prepared on a working platform in a process space and each material powder layer to a site-selective remelting or possibly sintering of the material powder contiguous areas of the shaped body is subjected by energy input by means of laser radiation of a controllable irradiation device to the determined for remelting points of the respective powder layer in accordance with Geometriebepourschal of the molding, wherein after the construction of the Shaped body from the Maschinenstoffpuiver this is subjected in the process space of a post-processing by a welding operation, in which the irradiation device is used as a laser welding beam source.
  • non-remelted residual powder material Prior to performing the post-processing, non-remelted residual powder material is preferably removed from the work platform.
  • the post-processing is then preferably carried out on the still fixed on the work platform moldings.
  • the post-processing step preferably comprises the welding of the shaped body with a further shaped body.
  • the method and the device according to the invention are particularly suitable for the production of dental prosthesis elements or auxiliary dental prosthesis elements.
  • Fig. 1 shows in a perspective view with a view of the
  • Fig. 2 shows the device of Fig. 1 in a perspective, but with the outer housing parts and components removed.
  • 3 shows a process chamber housing of the device from FIGS. 1 and 2 with the process chamber housing cover removed, in a perspective view with a view from above.
  • FIG. 4 shows the process space housing from FIG. 3 from a side
  • FIG. 5 shows, in a view similar to FIG. 2, the device freed from outer housing parts and further components
  • Shaped body preparation and post-processing on a work platform of the device according to the invention are described.
  • FIG. 8 a shows a detail of the frontal free end of a powder layer preparation device which can also be seen in FIG. 4.
  • Fig. 8b shows an enlarged detail of Fig. 8a.
  • Fig. 1 shows an SLM device according to the invention for the production and post-processing of moldings.
  • the device is designed as a tabletop device with a width of about 800 mm, a height of about 500 mm and a maximum depth of about 500 mm. It is used for the rapid and precise production of relatively small moldings, in particular dental prostheses, such as crowns, bridges and the like.
  • the tabletop device 1 has an outer housing 3, which a process chamber housing 5 to be explained with attachments and one of the process chamber housing 5 by a central Partition wall 7 contains separated space area 9, in which electrical and electronic components of the device 1 and a fiber laser 13 are housed.
  • the electronic components also include a control panel computer with the possibility of the Internet connection for the data connection with external data sources and / or the remote control and / or monitoring of the operation of the device 1.
  • the process space housing 5 sealingly limits the actual process space 15 for the construction of moldings by layer-wise locally selective remelting of material powder to contiguous areas of the shaped body by energy input by means of laser radiation.
  • the floor 17 of the process space 15 has a cylindrical guide 19 for the vertically movable working platform 21.
  • a powder layer preparation device 23 which, in the example, carries a support arm 27, which can be pivoted about the vertical pivot axis 25 over the working platform 21 and carries a powder dispenser 29 that can be filled from above.
  • the powder dispenser 29 has, at its lower end, a smoothing slide strip 31 made of silicone, rubber or a similar material (compare FIGS. 4, 8a, 8b), the underside of which runs parallel to the process chamber bottom 17, closely adjacent thereto.
  • at least one powder discharge opening is provided on the underside of the powder dispenser 29, through which material powder for coating the working platform 21 can be delivered downwards.
  • Such a powder layer preparation device is z. B. from EP 1 839 781 A2.
  • the powder discharge openings are formed as channels 33 (see FIG. 8b) in the smoothing slide bar 31.
  • it is a plurality of vertically passing the smoothing slide bar 31 and close together powder discharge channels with z. B. circular cross-section.
  • the aspect: "smoothing slide bar with several juxtaposed and downwardly directed powder delivery channels" is possibly independent inventive importance, and the Applicant reserves the right to make separate claims for protection.
  • the shape of the channels may well from those of the embodiment shown differ. So z.
  • conical powder discharge channels or powder discharge channels can be provided with an oval or rectangular cross-section.
  • different powder delivery channels deliver different powder materials, the delivery preferably being controllable.
  • the channels 33 are normally closed at the bottom by the process space floor 17, so that the powder dispenser 29 is hardly powdered loses, as long as it is not directly above the working platform 21 with its smoothing pusher bar 31, which is lowered relative to the horizontal base level of the bottom 17 in the construction of a molded body by a respective working powder thickness or is further lowered in each case.
  • the process chamber housing 5 also has connections 37, 38 and passage openings 39 for the introduction of inert gas into the process space 15 and for the discharge of gas from the process space 15.
  • the connections 37, 38 are not shown in detail with their connection means, but only schematically as openings.
  • the building process of a shaped body according to the SLM process is carried out by means of the device according to the invention, preferably under a protective gas atmosphere.
  • To produce the protective gas atmosphere is at a scavenging port, not shown, shielding gas with a relatively high pressure of z. B. 3 bar introduced into the process space.
  • the protective gas displaces the initially still in the process chamber air through a provided at a vent port not shown relief valve to the outside.
  • the inlet pressure of the protective gas is adjusted to be above the set pressure of the pressure relief valve.
  • an oxygen sensor (not shown) it is possible to monitor whether the oxygen content in the process space has been lowered sufficiently and thus a sufficiently good protective gas atmosphere has been produced. It has been shown in practice that such a rinsing step for producing a protective gas atmosphere which is favorable for the construction process is achieved within a few seconds can be carried out.
  • This aspect of the introduction of protective gas under overpressure into the process space and the simultaneous discharge of process space gas via a respective pressure relief valve is an interesting aspect, which may have independent inventive significance. The applicant reserves the right to make at least an independent claim for protection.
  • the protective gas is z.
  • the protective gas source, z. B. an external gas cylinder for the supply of fresh gas, is not shown in the figures.
  • the device may have an integrated fire extinguishing system with the protective gas as extinguishing medium. This can be of great importance, in particular when using combustible or flammable powders in the process space.
  • the process space housing 5 is designed as a so-called glove box. It has, in the example, a front wall 40 with a door 42 and an observation window 44 provided therein. It also has a back wall 46 with the gas supply and discharge openings (at 37 and 38).
  • the lateral boundaries are formed by a respective outer side wall 48 and an inner side wall 50, wherein between the inner and outer side wall 48, 50 in each case a gap 52 is provided. Openings 39 in the inner side walls 52 allow a gas passage and a uniform channeling of a gas flow in the process chamber 15 in the event that it is intended to work with continuous gas flow preferably in the protective gas circulation.
  • the gas supply at 37 first takes place into an intermediate space 52 and then into the process space 15 through the passage opening 39.
  • the gap can z. B. a cleaning filter for the protective gas and / or a protective gas in the circuit through the process chamber 15 promotional pump.
  • the gas can flow out of the process space 15 through an opening (not visible in the figures) in the inner side wall 50 on the right-hand side in FIG. 3 and via the relevant space 52 to the outlet opening 38 reach.
  • an opening not visible in the figures
  • the process space housing 5 does not have the inner side walls 50.
  • the cover 56 carries the components of a controllable beam deflection device 58, which is preferably a galvanometric mirror scanner device, by means of which the supplied by an optical fiber 60 beam of the laser 13 to the work platform 21 is selectively deflected out, the deflected beam through a Window in the lid 56 and an f-theta lens in the lid 56 passes through the process space 15.
  • the laser 13 and the beam deflector are major components of the irradiation device.
  • the control of the energy distribution or of the momentary introduction of energy into the current powder layer takes place by controlling the beam deflection speed of the laser beam.
  • the cover 56 also has a pipe 62 running obliquely upwards and forwards from the process chamber, which is sealed by a window on the process chamber side, which has a light filter for attenuating light at the frequency of the laser light.
  • the tube 62 forms a receptacle and a guide for a stereomicroscope insert 64, of which in Figures 1 and 2, the eyepieces 66 and siereinstellitch Bache 68 are recognizable.
  • the stereomicroscope 64 used permits an enlarged view of processes in the process space 15 and in particular of operations on the work platform 21 in the working area of the handling device formed by the passage openings 54 and the gloves 55.
  • the light filter protects the observer from the laser radiation.
  • different filter systems can be used, such as a filter for a positioning camera for the stereomicroscope or a spectrometer camera.
  • the pipe socket 92 which can be seen in FIGS. 1 and 5 and is fixed on the housing 3, serves for refilling of material powder into the powder dispenser 29.
  • the electronic controller 11 receives the prepared CAD geometry description data of the shaped article to be produced.
  • the rinsing and filling of the process chamber 15 with the protective gas which preferably takes place in the above-mentioned manner in rapid overpressure operation, at relatively high pressure protective gas is introduced at 37 in the process chamber housing and the previously located therein Air over the opening 38 and an attached pressure relief valve is rapidly displaced to the outside.
  • the further protective gas supply for the rinsing process can be stopped or for the replacement of leakage while maintaining a protective gas pressure of z. B. be limited to about 10 mbar.
  • the process space can be flowed through by the inert gas of the protective gas circulation in order to dissipate any process smoke.
  • the device controller 11 controls the (not shown) vertical drive of the working platform 21 so that the top of a base substrate on the working platform 21 against the BäsisRIC of the bottom 17 by the measure a first desired powder layer thickness is lowered. Then the device control controls the (not shown) Schwenkantriebsmitte! the Pulver fürticianpartechniks responded 23 to pivot about the pivot arm 27 about the axis 25. When sweeping the working platform 21, the powder dispenser 29 then powder material on the work platform.
  • the smoothing slide bar 31 ensures uniform distribution and leveling of the resulting material powder layer on the working platform 21. This ensures that the top of the prepared layer lies substantially at the same height and in alignment with the base level of the process chamber floor 17. Depending on the process management, provision may be made for the swivel arm 27 to perform a reciprocating swiveling movement during each layer preparation, or for it to be moved over the work platform 21 only once during each layer preparation.
  • the irradiation device 13, 58 is used, wherein the beam of the laser 13 is controlled in accordance with geometry description data for the first locally selective material powder layer so that its beam impact point is the areas of the material powder layer to be remelted scans.
  • the first remelted layers do not yet form the molded body actually to be produced, but serve to fix it to a carrier substrate 70 (see FIGS. 6 and 7) on the working platform 21.
  • the further structure of the shaped body takes place in a known manner in layers by repetition the steps of the layer preparation and location-selective irradiation of the last prepared powder layer on the working platform 21, wherein the remelted areas of the currently irradiated layer also merge with the previously remelted areas of the previous layer.
  • FIG. 6 shows a schematic snapshot of an exposure step in the production of moldings, namely contiguous tooth replacement parts 72, 73.
  • the largest part of the tooth replacement elements 72, 73 is shown in FIG Snapshot of Fig. 6 already constructed and is embedded in the unmelted residual powder 74 on the platform 21.
  • Denoted at 76 in FIG. 6 is the focused laser beam moved by the beam deflection device 58.
  • the access openings 54 and also the stereomicroscope 64 are exposed to the operator, even if the elements of the outer housing according to FIG. 1 are completely assembled.
  • the operator can control both the work platform 21 and the irradiation device 13, 58 by manually operated controls 78, 80.
  • these control elements include, inter alia, a joystick 78 whose deflection triggers a corresponding deflection of the laser beam 76 by means of the beam deflecting device 58.
  • the operator can activate the lifting drive of the working platform 21 in order to raise the working platform 21 to the general base level of the floor 17 or more.
  • the operator can not then remove remelted remainder powder 74 from the work platform 21.
  • This can be z. B. using the gloves 55 by means of a brush, Handfegers or the like.
  • a powder disposal opening 81 In the process chamber floor 17 there is a powder disposal opening 81, to which a collecting bottle 82 is connected (see FIG. 2). The operator can thus collect the excess powder for later reuse in the collection bottle 82.
  • the tooth replacement elements 72, 73 are then available for post-processing in the process space 15.
  • the tooth replacement elements 72, 73 produced by the SLM method and connected to a special further tooth replacement element 84 are intended to form a tripartite bridge. be connected.
  • the special further tooth replacement element 84 already lies in the process space 15 during the course of the SLM build-up process, so that the operator can perform the post-processing step of connecting the elements 72, 73 and 84 without removing the protective gas atmosphere in the process space 15 can make.
  • Fig. 7 shows a schematic snapshot of this post-processing step.
  • the operator has the special tooth replacement element 84 z. B. with a pair of pliers tool or the like.
  • the operator can also influence the radiation power of the deflected laser beam 76 in such a way that search-scanning movements for bringing the laser beam 76 to the desired connection point 86 can take place with reduced power, so that no melting of the objects 72, 73, 84 takes place. If the laser beam 76 with its point of impact has then arrived at the desired connection point 86, the operator can meter the laser radiation power in such a way that the melting or welding process is used between the elements 72, 73, 84 to be connected to one another.
  • the work platform 21 has a turntable attachment 88 that allows the operator to reposition the elements 72, 73, 84 by rotation. Also, the operator has the option of raising or lowering the work platform 21 during the post-weld process around the elements 72, 73 , 84 to move relative to the focal plane of the laser beam 76 up or down. It can also be provided that the focal adjustment of the laser beam 76 can be changed in order to vary the area of the impact point and thus the energy density of the laser beam 76 per unit area in order to influence the welding process. As already mentioned, all this can be done under observation by the stereomicroscope 64, which is exchangeable in the receiving tube 62. is taken. If necessary, instead of the stereomicroscope or in combination with a camera attachment can be used, for. For example, a high-speed camera attachment or a video camera attachment to document the processing operations in the process chamber photographically or videographically or to make them visible to a larger group of people.
  • Another interesting aspect of the invention lies in a variant of the method in which partial disruptions, such as gaps or notches between adjacent zones of the shaped body are provided during construction of the shaped body of material powder to suppress the propagation of material stresses across zones, eventually such interruptions in a post-processing operation by welding in the manner explained above.
  • partial disruptions such as gaps or notches between adjacent zones of the shaped body are provided during construction of the shaped body of material powder to suppress the propagation of material stresses across zones, eventually such interruptions in a post-processing operation by welding in the manner explained above.
  • FIG. 7 such a relatively deep and narrow notch is indicated at 90 between the two interconnected tooth replacement elements 72, 73, which is not provided on the finished post-processed denture ensemble 72, 73, 84.
  • This notch 90 serves to ensure that material stresses occurring in the SLM process can not be transferred to a considerable extent from one element 72 to the other element 73 and vice versa.
  • the provisional notch 90 can be welded to the desired extent by means of the post-processing with the laser beam. This can be done with or without filler metal. In the latter case, the material of the elements 72, 73 is fused to close the notch 90 in the desired manner. For this, a small stock of material near the notch 90 may already have been created during the SLM process.
  • the method aspect of providing interruptions in the SLM structure of the molded body and the closing of these interruptions in the post-processing step using the laser beam of the irradiation device is also independent inventive importance.
  • the post-processing operations can also be further automated. Is z. B. in the case of elements to be welded together, the connection point from the outset exactly fixed, so the Laserstrahlsteue-
  • the molded body or molded body composite thus completed can then be separated from the carrier substrate of the working platform and finally removed from the device 1 through the front opening door 42.
  • the aftertreatment station is separated from the work platform.
  • So z. B. in the process space housing a support device for fi xed 3ö xtechnik the nachzubehandelnden molding in a certain orientation can be provided.
  • the holding device may include a controllable positioning device in order to determine the orientation of a shaped body fixed in the holding device relative to the field of view of the observer. to change processing device and the laser beam aligned thereto, to twist about in space.
  • the process chamber housing may also contain a lock as they are z. B. in WO 2006/024373 A2 is explained.
  • the device 1 may be equipped with a powder suction device, which allows suction of the powder from the process space.
  • the invention offers numerous possibilities for the construction and the subsequent refinement of moldings, in particular filigree moldings under microscopic observation.
  • the term post-processing should also include the welding of a molded article produced by the SLM process in the process space with another object.
  • the objects or i5 can consist of different, but mutually weldable materials.
  • the device can be used to subject molded articles, irrespective of their original build-up process, to a post weld treatment using the irradiation device as the radiation source. In this case, the classic SLM function of the 2ö structure of the shaped body made of powder is not used.
  • a galvano scanner device is preferably provided which deflects the laser beam in a controlled manner.
  • a matrix exposure may be performed using one or more DMD mirror arrays or a self-illuminating light source matrix.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung, umfassend ein Gehäuse (5) mit einem darin befindlichen Prozessraum (15), eine in dem Prozessraum (15) angeordnete Arbeitsplattform (21), eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung (21) zur Präparierung von aufeinander folgend umzuschmelzenden Werkstoffpulverschichten auf der Arbeitsplattform (21), eine Bestrahlungseinrichtung (13, 58) mit einem Laser (13) zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf der Arbeitsplattform (21) präparierten Pulverschicht an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers, eine Handhabungsvorrichtung (54) zur bedarfsweisen Manipulation von Elementen in dem Prozessraum (15), und eine Beobachtungseinrichtung (64) zur visuellen Beobachtung von Vorgängen in dem Prozessraum (15) von außerhalb des Gehäuses (5), wobei die Beobachtungseinrichtung (64) wenigstens ein optisches Vergrößerungselement umfasst und auf einen Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung (54) ausgerichtet bzw. ausrichtbar ist, so dass unter Beobachtung mittels der Beobachtungseinrichtung (64) und unter Verwendung der Handhabungsvorrichtung Nachbearbeitungsschritte an einem im Prozessraum (15) aus Werkstoffpulver hergestellten Formkörper (72, 73) im Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung (54) vorgenommen werden können.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Nachbearbeitung eines Formkörpers
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung, umfassend ein Gehäuse mit einem darin befindlichen Prozessraum, eine in dem Prozessraum angeordnete Arbeitsplattform, eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung zur Präparierung von aufein- ander folgend umzuschmelzenden Werkstoffpulverschichten auf der Arbeitsplattform, eine Bestrahlungseinrichtung mit einem Laser zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf der Arbeitsplattform präparierten Pulverschicht an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen nach Maßgabe von Geometriebeschrei- bungsdaten des Formkörpers, eine Handhabungsvorrichtung zur bedarfsweisen Manipulation von Elementen in dem Prozessraum, und eine Beobachtungseinrichtung zur visuellen Beobachtung von Vorgängen in dem Prozessraum von außerhalb des Gehäuses.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet des selektiven La- serschmelzens und geht sowohl verfahrensmäßig als auch vorrichtungsmäßig von einer Technologie aus, wie sie z. B. in der DE 199 05 067 A1 , in der DE 101 12 591 A1 , in der WO 98/24574 oder in der WO 2006/024373 A2 beschrieben ist, wenngleich die Erfindung auch auf das Gebiet des selektiven Lasersintems anwendbar ist.
Bei der hier betrachteten Technologie geht es um Mittel zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prozess des selektiven Laserschmelzens (auch als SLM-Prozess bezeichnet) oder ggf. nach dem Prozess des selektiven Laser- sintems. Dabei erfolgt die Realisierung des betreffenden Formkörpers entsprechend dreidimensionalen CAD-Daten bzw. Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem oder keramischem Werkstoff, wobei nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem normalerweise fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Formkörpers entspricht, erhitzt wird. Der Laserstrahl wird jeweils entsprechend den CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs des Formkörpers oder entsprechend daraus abgeleiteter Daten über die jeweilige Pulverschicht geführt. Das Werkstoffpulver wird beim selektiven Laserschmelzen als bindemittel- und flussmittelfreies, metallisches, keramisches oder gemischt metaliisch/kerami- sches Werkstoffpulver aufgebracht und durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls und die Laserstrahlführung so gewählt werden, dass das Werkstoffpulver im bestrahlten Bereich über die Pulverschichtdicke möglichst vollständig aufgeschmolzen wird. Über der Zone der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem metalli- sehen und/oder keramischen Werkstoffpulver wird üblicherweise eine
Schutzgasatmosphäre, z. B. Argon-Atmosphäre, aufrechterhalten. Es sind auch schon Versuche unternommen worden, selektives Laserschmelzen in Vakuumatmosphäre vorzunehmen.
Die hier betrachteten SLM-Vorrichtungen werden auch als Rapid-Proto- typing-Vorrichtungen oder Vorrichtungen zum selektiven Laserschmelzen bezeichnet. Sie werden zur Herstellung von Prototypen oder auch zur Serienfertigung von Bauteilen, Werkzeugen usw. verwendet. Das Verfahren des selektiven Laserschmelzens und die dazu verwendeten Vorrichtungen sind in den vergangenen Jahren stets weiterentwickelt worden. Dabei hat sich der Anwendungsbereich des selektiven Laserschmelzens aufgrund der offenkundigen großen Flexibilität dieses Verfahrens rasch erweitert, z. B. auf den medizinischen Bereich bei der Herstellung von Prothesen, dentalen Hilfsteilen und Zahnersatz, oder auf den Bereich der Schmuckherstellung. Die Formenvielfalt der mittels des selektiven Laserschmelzens herstellbaren Erzeugnisse ist nahezu unerschöpflich. In der Vergangenheit ist der Trend bei der Entwicklung von Vorrichtungen zum selektiven Laserschmelzen überwiegend in Richtung der Realisierung größerer Maschinen gegangen, die entsprechend größere Formkörper herstellen konnten.
Der vorliegenden Erfindung gingen Überlegungen des Erfinders voraus, ein relativ kleines, kostengünstiges und schnell arbeitendes Gerät für die Her- Stellung von kleinen Formkörpern bereitzustellen, etwa ein auf einem Labortisch oder dgl. zu betreibendes Tischgerät für die Herstellung von filigranen Teilen, wie Zahnersatzteilen, Schmuckstücken, feinmechanischen Komponenten usw., wobei die Erfindung jedoch nicht nur auf Kleingeräte beschränkt sein soll.
Die nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens oder selektiven Lasersintems hergestellten Formteile bedürfen oft einer Nachbearbeitung, sei es, um sie mit anderen Elementen zu verbinden oder/und sie in bestimmten Zonen einem Formänderungs- oder Oberflächenbehandlungsprozess zu unterziehen. Dabei ist es bisherige gängige Praxis, nach Abschluss des Prozesses des selektiven Lasersintems den Formkörper aus der SLM-Vorrich- tung herauszuholen und an eine Nachbearbeitungsstation zu verbringen. Eine solche Nachbearbeitungsstation kann z. B. mit einem Schweißgerät und/oder einem Lötgerät sowie mit diversen Nachbehandlungswerkzeugen und Halterungsmitteln für den nachzubehandelnden Formkörper ausgestattet sein. Die Nachbehandlung kann bei sehr kleinen Formkörpem zweckmäßigerweise unter einer Vergrößerungslupe oder dgl. stattfinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein flexibel nutzbares System be- reitzustellen, welches die Herstellung von Formkörpern nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens und die Nachbearbeitung solcher Formkörper mit einem verringerten apparativen Aufwand am Arbeitsplatz ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit folgenden weiteren Merkmalen vorgeschlagen, nämlich dass die Beobachtungseinrichtung wenigstens ein optisches Vergrößerungselement um- fasst und auf einen Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung ausgerichtet bzw. ausrichtbar ist, so dass unter Beobachtung mittels der Beobachtungseinrichtung und unter Verwendung der Handhabungsvorrichtung Nachbearbeitungsschritte an einem im Prozessraum aus Werkstoffpulver hergestellten Formkörper im Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung vorgenommen werden können.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht die Nachbearbeitung eines darin nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens aufgebauten Formkörpers an Ort und Stelle in dem Prozessraum und ggf. unter Verwendung von SLM-Funktionskomponenten. Normalerweise ist der Formkörper nach Abschluss des Aufbau prozesses von nicht umgeschmolzenem Restpulver auf der Arbeitsplattform umgeben. Die Bedienungsperson kann dieses Restpulver mittels der Handhabungsvorrichtung und einem betreffenden Werkzeug oder ggf. einer Pulverabsauganlage entfernen, ohne den Prozessraum öffnen zu müssen.
Als Handhabungsvorrichtung kommt vorzugsweise ein Paar von betreffenden Durchgriffsöffnungen im Prozessraumgehäuse ausgehenden, die Durchgriffsöffnungen nach außen hin abdichtenden und in den Prozessraum hineinreichenden Handschuhen in Frage. Die Bedienungsperson kann diese Handschuhe nutzen, um von außen her Arbeiten im Prozessraum durchzuführen. Als Handhabungsvorrichtung kann ggf. auch wenigstens ein steuerbarer Roboterarm vorgesehen sein, der vorzugsweise Greif mittel aufweist.
Bei dem optischen Vergrößerungselement kann es sich z. B. um eine Lupe und vorzugsweise um ein Stereomikroskop handeln, welches eine präzise Beobachtung der Arbeitsvorgänge im Prozessraum in vergrößerter Darstellung ermöglicht. Wie schon angesprochen, kann die Bedienungsperson mittels der Handschuhe Werkzeuge wie Zangen oder dgl. im Prozessraum er- greifen und unter Beobachtung durch die Lupe bzw. durch das Stereomikroskop zu dem zuvor aufgebauten Formkörper führen, um diesen nachzu- bearbeiten. Hierzu kann die Arbeitsplattform vorzugsweise vertikal bewegt werden, um den Formkörper, der noch an seinem Basissubstrat auf der Ar- beitsplattform fixiert ist, in die richtige Position für einen betreffenden Nachbearbeitungsvorgang zu bringen. Vorzugsweise ist die Arbeitsplattform auch relativ zu dem optischen Vergrößerungselement und der Handhabungsvorrichtung verdrehbar, um den Formkörper zu positionieren.
Die erfindungsgemäß ausgestattete Vorrichtung eignet sich auch hervorragend für Forschungsarbeiten betreffend die Weiterentwicklung des selektiven Laserschmelzens oder selektiven Lasersinterns von Formkörpern.
Mit ganz besonderen Vorteilen lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Ausnutzung der Bestrahlungseinrichtung als steuerbare Laserschweißstrahlquelle verwenden, um einen oder mehrere Formkörper in dem Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung unter Beobachtung mittels der Beobachtungseinrichtung nachzubearbeiten. Eine solche Nachbearbeitung kann z. B. darin bestehen, dass der Formkörper mit einem anderen Element ver- schweißt wird. Ein solcher Schweißvorgang kann z. B. Anwendung finden bei der Verbindung von Zahnersatzelementen zu einer dentalen Brücke oder dgl. Die anzuschweißenden Elemente bzw. Formkörper können im Einzelfall auch extern aufgebaut worden sein, etwa in einer anderen SLM-Vorrichtung oder nach einem anderen Herstellungsverfahren, um sie dann in der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung einem Schweißvorgang unter Verwendung des Lasers als Schweißstrahlungsquelle zu unterziehen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Schleuse an dem Prozessraum auf, welche das Einbringen und das Entfernen von Gegenständen in den bzw. aus dem Prozessraum ohne Zerstörung einer darin befindlichen Schutzgasatmosphäre ermöglicht.
Wenngleich Nachbearbeitungsschritte an einem Formkörper vorteilhafterwei- se in dessen noch vom SLM-aufbauprozess her fixierter Anordnung auf der Arbeitsplattform vorgenommen werden und der Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung die Arbeitsplattform zentral umfasst, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine gesonderte Halterungseinrichtung für
5 nachzubehandelnde Formkörper im Arbeitsbereich der Handhabungseinrichtung vorgesehen sein. Dies kann insbesondere eine Klemmeinrichtung im Prozessraum sein, die eine gesteuerte Änderung der Orientierung des Formkörpers ermöglicht. So kann auf diese Weise bei unbewegt gehaltenem Laserstrahl der Formkörper in vorbestimmten Orientierungen dem Laser- iö strahl ausgesetzt werden, um einen Schweißprozess durchzuführen. In vorteilhafter Weise ist jedoch die Bestrahlungseinrichtung mit einer automatisch und/oder manuell steuerbaren Strahlausrichtungseinrichtung ausgestattet, mittels welcher die Ausrichtung des Laserschmelzstrahls im Prozessraum steuerbar ist, um einen unbewegten Formkörper an verschiedenen Stellen i5 zu schweißen und so z. B. an der Oberfläche zu bearbeiten bzw. die Oberfläche zu veredeln. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht sowohl die Änderung der Orientierung des nachzubearbeitenden Formkörpers im Prozessraum durch entsprechende Bewegungen und Einstellungen der Halterungseinrichtung als auch eine Bewegung des Laserstrahls relativ zum
2Q Formkörper, so dass der Formkörper nahezu an jeder gewünschten Stelle seiner Oberfläche mittels des Laserstrahls schweißbar ist. Dies kann unter Verwendung von Schweißzusatzmaterial, etwa einem Schweißdraht oder auch dosiertes und nur örtlich oder ggf. flächig aufgebrachtes Werkstoffpulver eines gewünschten Materials, erfolgen oder ggf. auch ohne Schweißzu-
25 satzwerkstoff nur durch erneutes Aufschmelzen des Formkörpermaterials vonstatten gehen.
Vorzugsweise ist eine Formkörperherstellungsvorrichtung nach der Erfindung gemäß Anspruch 10 als Tischgerät, d.h. auf einem Labortisch oder 3o Schreibtisch üblicher Größe betreibbares und insbesondere von einer an dem Tisch sitzenden Bedienungsperson in Sitzhaltung bedienbares Gerät ausgebildet. Insbesondere sollte die Bedienungsperson in ihrer Sitzposition die Beobachtungseinrichtung also z. B. ein Stereomikroskop bestimmungs- gemäß benutzen können, um den Prozess im Prozessraum zu beobachten.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Formkörperherstellungsmaschine gemäß Anspruch 11, die im einfachsten Fall ohne Handhabungseinrichtung 5 und ohne Beobachtungseinrichtung realisierbar ist, jedoch automatische bzw. vorprogrammierte Nachbehandlungsschritte unter Verwendung der Bestrahlungseinrichtung als steuerbare Laserschweißstrahlungsquelle durchführen kann.
lo Derartige Nachbehandlungsschritte kommen für den im Übrigen zumindest grob vollständig aufgebauten Formkörper in Frage, aber auch für bereits fertiggestellte Abschnitte des Formkörpers während des Bauprozesses. In der Ausgestaltung gemäß Anspruch 12 ist die Vorrichtung nach der Erfindung dazu eingerichtet und programmierbar, dass sie in einem Modus spannungs- i5 armer Fertigung wenigstens einen Spannungsunterbrechungsspalt nicht umgeschmolzenen bzw. gesinterten Werkstoff pulvers innerhalb eines im Übrigen durch schichtweises selektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver erzeugten Bereiches des Formkörpers über eine bestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Schichten hinweg temporär belässt und
20 danach in einem jeweiligen Nachbehandlungsschritt durch Verschweißen mittels der Bestrahlungseinrichtung schließt. Das Verschließen erfolgt vorzugsweise, nachdem sich der betreffende Bereich beiderseits des Span- nungsunterbrechungsspaltes unter eine bestimmte Temperatur hinaus abgekühlt hat. Nach dem Verschließen des Spannungsunterbrechungsspaltes ist
25 dieser verschwunden und strukturell homogen mit dem betreffenden Bereich vereinigt. Danach kann dann eine weitere Pulverschicht aufgetragen werden und der SLM-Prozess oder ggf. Sinterprozess fortgesetzt werden, wobei eine neue Pulverschicht zunächst aufgebracht wird, die dann ortsselektiv verfestigt wird. Dabei kann erneut wenigstens ein Spannungsunterbre-
3o chungsspalt im vorstehend erläuterten Sinne vorgesehen werden, der sich dann über mehrere Schichten hinweg im weiteren Verlaufe des Bauprozesses erstrecken kann, bis er durch einen erneuten Nachbehandlungsschritt mit dem Strahl des Bestrahlungslasers zugeschweißt wird. Der Verlauf der Spannungsunterbrechungsspalte in den jeweiligen Bereichen kann von verschiedenen einzustellenden Parametern des Herstellungsprozesses und insbesondere von der Form des herzustellenden Formkörpers abhängen, wobei die Tiefe und der Verlauf der Spannungsunterbrechungsspalte jeweils so gewählt werden können, dass Wärmespannungseffekte möglichst geringe Wirkung auf die Formhaltigkeit des herzustellenden Formkörpers und somit möglichst wenig Schrumpfung und Verzug bewirken. Die Spannungsunterbrechungsspalte sollten vorzugsweise mehrere Bauschichten tief erzeugt werden, bevor der Nachbehandlungsschritt des jeweiligen Verschließens des Spannungsunterbrechungsspaltes eingeschoben wird. Die Spannungs- unterbrechungsspalt-Querschnitte können z. B. Rechteckform, Dreieckform mit unten liegender Spitze oder Bogenmuldenform haben.
Beim Verschließen schmilzt der Laserstrahl das in dem Spannungsunter- brechungsspalt verbliebene Werkstoffpulver über die erforderliche Anzahl von Schichten auf, um den Spannungsunterbrechungsspalt zu beseitigen und das Material dort möglichst strukturell homogen mit den benachbarten Zonen zu vereinigen. Der Bauprozess unter Einbeziehung der Erzeugung und Beseitigung von Spannungsunterbrechungsspalten zur Unterdrückung der Ausbreitung von Materialspannungen über Zonen des Formkörpers hinweg kann vorzugsweise vollautomatisch unter Kontrolle der Steuereinrichtung der Vorrichtung erfolgen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Nachbearbeitung eines Formkörpers, insbesondere mittels einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen nach der Erfindung, wobei aufeinander folgende Schichten von Werkstoffpulver auf einer Arbeitsplattform in einem Prozessraum präpariert werden und jede Werkstoffpulverschicht einem ortsselektiven Umschmelzen oder ggf. Sintern des Werkstoffpulvers zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung einer steuerbaren Bestrahlungseinrichtung an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen der jeweiligen Pulverschicht nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers unterzogen wird, wobei nach dem Aufbau des Formkörpers aus dem Werkstoffpuiver dieser im Prozessraum einer Nachbearbeitung durch einen Schweißvorgang unterzogen wird, bei dem die Bestrahlungseinrichtung als Laserschweißstrahlquelle verwendet wird.
Vor dem Durchführen der Nachbearbeitung wird vorzugsweise nicht umgeschmolzenes Restwerkstoffpulver von der Arbeitsplattform entfernt. Die Nachbearbeitung erfolgt dann vorzugsweise an dem auf der Arbeitsplattform noch fixierten Formkörper.
Der Nachbearbeitungsschritt umfasst vorzugsweise das Verschweißen des Formkörpers mit einem weiteren Formkörper.
Gemäß einer speziellen Verfahrensweise gemäß Anspruch 14 werden beim Aufbau des Formkörpers aus dem Werkstoffpulver partielle Unterbrechun- gen im Volumen des Formkörpers, wie Spalte oder Kerben, zwischen benachbarten Zonen des Formkörpers vorgesehen, um die Ausbreitung von Materialspannungen über die Zonen hinweg zu unterdrücken, wobei der Nachbearbeitungsschritt das zumindest partielle Schließen solcher Unterbrechungen durch Verschweißen umfasst.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich insbesondere für die Herstellung von Zahnersatzelementen oder Zahnersatzhilfselementen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im einer perspektivischen Darstellung mit Sicht auf die
Vorderseite eine Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung aus Fig. 1 in einer entsprechenden Perspektive, jedoch mit entfernten Außengehäuseteilen und Komponenten. Fig. 3 zeigt ein Prozessraumgehäuse der Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 mit abgenommenem Prozessraumgehäusedeckei in einer perspektivischen Darstellung mit Sicht von oben.
Fig. 4 zeigt das Prozessraumgehäuse aus Fig. 3 aus einer seitlichen
Perspektive mit zusätzlich entfernten Seitenwänden.
Fig. 5 zeigt in einer der Fig. 2 ähnlichen Ansicht die von Außengehäu- seteilen und weiteren Komponenten befreite Vorrichtung aus
Fig. 1.
Fig. 6 und 7 zeigen in einer schematischen Darstellung zwei Stufen der
Formkörperherstellung und -nachbearbeitung auf einer Arbeits- plattform der Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 8a zeigt in einer Ausschnittsdarstellung das stirnseitige freie Ende einer auch in Fig. 4 erkennbaren Pulverschichtenpräparie- rungseinrichtung.
Fig. 8b zeigt ein vergrößertes Detail aus Fig. 8a.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße SLM-Vorrichtung zur Herstellung und Nachbearbeitung von Formkörpern. Im Beispielsfall ist die Vorrichtung als Tischgerät mit einer Breite von ca. 800 mm, einer Höhe von ca. 500 mm und einer maximalen Tiefe von ca. 500 mm ausgebildet. Es dient zur schnellen und präzisen Herstellung von relativ kleinen Formkörpern, insbesondere von Zahnersatzteilen, wie Kronen, Brücken und dgl. Das Tischgerät 1 hat ein Außengehäuse 3, welches ein Prozessraumgehäuse 5 mit noch zu erläutem- den Anbauten und einen vom Prozessraumgehäuse 5 durch eine zentrale Trennwand 7 separierten Raumbereich 9 enthält, in dem elektrische und elektronische Komponenten des Gerätes 1 und ein Faserlaser 13 untergebracht sind. Die elektronischen Komponenten umfassen auch einen Steue- rungsrechner mit der Möglichkeit des Internetanschlusses für den Datenan- schluss mit externen Datenquellen und/oder der Fernsteuerung und/oder Überwachung der Arbeitsweise des Gerätes 1.
Das Prozessraumgehäuse 5 begrenzt abdichtend den eigentlichen Prozessraum 15 für den Aufbau von Formkörpern durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung. Der Boden 17 des Prozessraums 15 weist eine zylindrische Führung 19 für die vertikal beweg- bare Arbeitsplattform 21 auf.
In dem Prozessraum befindet sich ferner eine Pulverschichtenpräparierungs- einrichtung 23 die im Beispielsfall mit einem um die vertikale Schwenkachse 25 über die Arbeitsplattform 21 hinweg verschwenkbaren Trägerarm 27, der einen von oben befüllbaren Pulverspender 29 trägt. Der Pulverspender 29 weist an seinem unteren Ende eine aus Silikon, Gummi oder einem ähnlichen Material hergestellte Glättungsschieberleiste 31 (vgl. Fig. 4, 8a, 8b) auf, deren Unterseite parallel zum Prozessraumboden 17 diesem eng benachbart gegenüberliegend verläuft. An der Unterseite des Pulverspenders 29 ist ferner wenigstens eine Pulverabgabeöffnung vorgesehen, durch die hindurch Werkstoffpulver zur Beschichtung der Arbeitsplattform 21 nach unten hin abgebbar ist. Eine solche Pulverschichtenpräparierungseinrichtung ist z. B. aus der EP 1 839 781 A2 bekannt. Neu an der Pulverschichtenprä- parierungseinrichtung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung ist es, dass die Pulverabgabeöffnungen als Kanäle 33 (vgl. Fig. 8b) in der Glättungsschieberleiste 31 ausgebildet sind. Im Beispielsfall handelt es sich um mehrere vertikal die Glättungsschieberleiste 31 durchsetzende und dicht nebeneinander liegende Pulverabgabekanäle mit z. B. Kreisquerschnitt. Dem Aspekt: "Glättungsschieberleiste mit mehreren neben- einander liegenden und nach unten gerichteten Pulverabgabekanälen" kommt ggf. selbständige erfinderische Bedeutung zu, und die Anmelderin behält sich vor, darauf gesonderte Schutzansprüche zu richten. Die Form der Kanäle kann von denen des gezeigten Ausführungsbeispiels durchaus abweichen. So können z. B. konische Pulverabgabekanäle oder Pulverabgabekanäle mit ovalem oder rechteckigem Querschnitt vorgesehen sein. Ferner kann es abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass verschiedene Pulverabgabekanäle unterschiedliche Pulvermate- rialien abgeben, wobei die Abgabe vorzugsweise steuerbar ist.
Da die Unterseite 35 der Glättungsschieberleiste 31 in der in Fig. 8a, 8b gezeigten Stellung quasi auf dem Boden 17 des Prozessraumes 15 aufliegt, sind die Kanäle 33 nach unten hin normalerweise durch den Prozessraum- boden 17 geschlossen, so dass der Pulverspender 29 kaum Pulver verliert, solange er mit seiner Glättungsschieberleiste 31 nicht unmittelbar über der Arbeitsplattform 21 liegt, welche gegenüber dem horizontalen Basisniveau des Bodens 17 beim Aufbau eines Formkörpers um eine jeweilige Arbeits- pulverschichtdicke abgesenkt ist bzw. jeweils weiter abgesenkt wird.
Das Prozessraumgehäuse 5 weist ferner Anschlüsse 37, 38 und Durchlassöffnungen 39 für die Einleitung von Schutzgas in den Prozessraum 15 und zur Ableitung von Gas aus dem Prozessraum 15 auf. Die Anschlüsse 37, 38 sind nicht im Detail mit ihren Anschlussmitteln, sondern lediglich als Öffnun- gen schematisch dargestellt. Der Bauprozess eines Formkörpers nach dem SLM-Verfahren erfolgt mittels der Vorrichtung nach der Erfindung vorzugsweise unter Schutzgasatmosphäre. Zur Herstellung der Schutzgasatmosphäre wird an einem nicht gezeigten Spülanschluss Schutzgas mit einem relativ hohen Druck von z. B. 3 bar in den Prozessraum eingebracht. Das Schutzgas verdrängt die zunächst noch im Prozessraum befindliche Luft durch ein an einem nicht gezeigten Entlüftungsanschluss vorgesehenes Überdruckventil nach außen. Der Einlassdruck des Schutzgases ist so ange- passt, dass er über dem Ansprechdruck des Überdruckventils liegt. Durch einen (nicht gezeigten) Sauerstoffsensor kann überwacht werden, ob der Sauerstoffanteil im Prozessraum hinreichend abgesenkt und somit eine ausreichend gute Schutzgasatmosphäre hergestellt worden ist. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass ein solcher Spülschritt zur Herstellung einer für den Bauprozess günstigen Schutzgasatmosphäre innerhalb weniger Sekunden durchgeführt werden kann. Auch dieser Aspekt des Einbringens von Schutzgas unter Überdruck in den Prozessraum und des gleichzeitigen Ablassens von Prozessraumgas über ein betreffendes Überdruckventil ist ein interessanter Aspekt, dem ggf. selbständige erfinderische Bedeutung zukommt. Der Anmelder behält sich vor, auch darauf wenigstens einen unabhängigen Schutzanspruch zu richten.
Bei dem Schutzgas handelt es sich z. B. um Argon. Die Schutzgasquelle, z. B. eine externe Gasflasche für die Einspeisung von Frischgas, ist in den Figuren nicht dargestellt. Die Vorrichtung kann eine integrierte Feuerlöschanlage mit dem Schutzgas als Löschmedium aufweisen. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von brennbaren oder entzündlichen Pulvern im Prozessraum von großer Bedeutung sein.
Das Prozessraumgehäuse 5 ist als sog. Handschuhbox ausgebildet. Es hat im Beispielsfall eine Frontwand 40 mit einer Türe 42 und einem darin vorgesehenen Beobachtungsfenster 44. Es hat ferner eine Rückwand 46 mit den Gaszufuhr- und -ableitungsöffnungen (bei 37 und 38). Die seitlichen Begrenzungen sind durch eine jeweilige äußere Seitenwand 48 und eine innere Sei- tenwand 50 gebildet, wobei zwischen innerer und äußerer Seitenwand 48, 50 jeweils ein Zwischenraum 52 vorgesehen ist. Öffnungen 39 in den inneren Seitenwänden 52 erlauben einen Gasdurchtritt und eine gleichmäßige Kanalisierung eines Gasstromes im Prozessraum 15 für den Fall, dass mit kontinuierlichem Gasdurchfluss vorzugsweise im Schutzgaskreislauf gear- beitet werden soll. Wie in Fig. 3 erkennbar, erfolgt die Gaszufuhr bei 37 zunächst in einen Zwischenraum 52 und dann durch die Durchtrittsöffnung 39 hindurch in den Prozessraum 15 hinein. Der Zwischenraum kann z. B. ein Reinigungsfilter für das Schutzgas oder/und eine das Schutzgas im Kreislauf durch den Prozessraum 15 fördernde Pumpe enthalten.
Das Gas kann durch eine (in den Figuren nicht erkennbare) Öffnung in der in Fig. 3 rechts liegenden Innenseitenwand 50 aus dem Prozessraum 15 ausströmen und über den betreffenden Zwischenraum 52 zur Auslassöffnung 38 gelangen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die doppelwandi- ge Ausgestaltung der seitlichen Begrenzungen des Prozessraumgehäuses 5 nur eine spezielle Variante der hier erörterten SLM-Vorrichtung ist. In einer alternativen Ausgestaltung weist das Prozessraumgehäuse 5 die Innensei- tenwände 50 nicht auf.
In den Seitenwänden 48, 50 sind nahe der Frontwand 40 Durchgriffsöffnungen 54 vorgesehen, die nach außen hin durch einen linken und einen rechten Handschuh abgedichtet sind. In Fig. 3 ist nur einer der Handschuhe bei 55 angedeutet. Eine Bedienungsperson kann durch die Durchgriffsöffnungen 54 hindurch mit jeder Hand in einen betreffenden Handschuh 55 hineinschlüpfen und dann in den Prozessraum 15 eingreifen, ohne dass dessen Schutzgasatmosphäre im Betrieb aufgehoben werden müsste. Unten ist das Prozessraumgehäuse 5 durch die Bodenwand 17 abgeschlossen, wohinge- gen der obere Abschluss von einem Deckel 56 gebildet wird, der in Fig. 2 erkennbar ist. Der Deckel 56 trägt die Komponenten einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung 58, bei der es sich vorzugsweise um eine galvanometrische Spiegel-Scannereinrichtung handelt, mittels welcher der durch eine Lichtleitfaser 60 zugeführte Strahl des Lasers 13 zur Arbeitsplattform 21 hin ortsselektiv ablenkbar ist, wobei der abgelenkte Strahl durch ein Fenster in dem Deckel 56 bzw. eine f-theta-Linse in dem Deckel 56 hindurch in den Prozessraum 15 eintritt. Der Laser 13 und die Strahlablenkeinrichtung sind Hauptkomponenten der Bestrahlungseinrichtung. Vorzugsweise erfolgt die Kontrolle der Energieverteilung bzw. des momentanen Energieeintrags in die aktuelle Pulverschicht durch Steuerung der Strahlablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls.
Der Deckel 56 weist ferner ein schräg vom Prozessrauminneren nach oben und nach vorn hin verlaufendes Rohr 62 auf, welches prozessraumseitig durch ein Fenster abgedichtet ist, welches ein Lichtfilter zur Schwächung von Licht mit der Frequenz des Laserlichtes aufweist. Das Rohr 62 bildet eine Aufnahme und eine Führung für einen Stereomikroskopeinsatz 64, von dem in den Figuren 1 und 2 die Okulare 66 und Fokussiereinstelldrehgriffe 68 erkennbar sind. Das eingesetzte Stereomikroskop 64 erlaubt eine vergrößerte Betrachtung von Vorgängen im Prozessraum 15 und insbesondere von Vorgängen auf der Arbeitsplattform 21 im Arbeitsbereich der von den Durchgriffsöffnungen 54 und den Handschuhen 55 gebildeten Handha- bungsvorrichtung. Das Lichtfilter schützt den Beobachter vor der Laserstrahlung. Je nach Bedarf können verschiedene Filtersysteme Verwendung finden, etwa ein Filter für eine Aufsetzkamera für das Stereomikroskop oder einer Spektrometerkamera.
Der in Fig. 1 und Fig. 5 erkennbare und am Gehäuse 3 fixierte Rohrstutzen 92 dient zur Nachfüllung von Werkstoffpulver in den Pulverspender 29.
Zum Aufbau eines Formkörpers in dem Prozessraum 15 wird zunächst das benötigte Werkstoffpulver, z. B. ein Kobalt-Chrom-Pulver oder Stahlpulver in den Pulverspender 29 gefüllt. Die elektronische Steuerung 11 erhält die aufbereiteten bzw. aufzubereitenden CAD-Geometriebeschreibungsdaten des herzustellenden Formkörpers. Schließlich erfolgt als weiterer Vorbereitungsschritt das Spülen und Füllen des Prozessraums 15 mit dem Schutzgas, wobei dies vorzugsweise in der oben bereits angesprochenen Art und Weise im schnellen Überdruckbetrieb erfolgt, wobei mit relativ hohem Druck Schutzgas bei 37 in das Prozessraumgehäuse eingeleitet wird und die vorher darin befindliche Luft über die Öffnung 38 und ein daran angeschlossenes Überdruckventil rasch nach außen verdrängt wird. Ist eine hinreichend gute Schutzgasatmosphäre hergestellt, so kann die weitere Schutzgaszufuhr für den Spülprozess gestoppt werden bzw. auf den Ersatz von Leckverlusten unter Aufrechterhaltung eines Schutzgasdruckes von z. B. ca. 10 mbar beschränkt werden. Dabei kann dann durchaus der Prozessraum vom Schutzgas des Schutzgaskreislaufs durchströmt werden, um etwaigen Prozessrauch abzuführen.
Die Gerätesteuerung 11 steuert den (nicht gezeigten) Vertikalantrieb der Arbeitsplattform 21 so an, dass die Oberseite eines Basissubstrats auf der Arbeitsplattform 21 gegenüber dem Bäsisniveau des Bodens 17 um das Maß einer ersten gewünschten Pulverschichtdicke abgesenkt wird. Daraufhin steuert die Gerätesteuerung die (nicht gezeigten) Schwenkantriebsmitte! der Pulverschichtenpräparierungseinrichtung 23 an, um den Schwenkarm 27 um die Achse 25 zu verschwenken. Beim Überstreichen der Arbeitsplattform 21 gibt der Pulverspender 29 dann Werkstoff pulver auf die Arbeitsplattform. Die Glättungsschieberleiste 31 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung und Nivellierung der dabei entstehenden Werkstoffpulverschicht auf der Arbeitsplattform 21. Damit wird erreicht, dass die Oberseite der präparierten Schicht im Wesentlichen auf gleicher Höhe und in Flucht mit dem Basisniveau des Pro- zessraumbodens 17 liegt. Je nach Prozessführung kann es vorgesehen sein, dass der Schwenkarm 27 eine Hin- und Her-Schwenkbewegung bei jeder Schichtenpräparierung durchführt oder dass er bei jeder Schichtenprä- parierung lediglich einmal über die Arbeitsplattform 21 hinwegbewegt wird.
Nachdem die Schichtenpräparierungseinrichtung 23 die Arbeitsplattform 21 wieder freigegeben hat, kommt die Bestrahlungseinrichtung 13, 58 zum Einsatz, wobei der Strahl des Lasers 13 nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten für die erste ortsselektiv umzuschmelzende Werkstoffpulverschicht gesteuert wird, so dass sein Strahlauftreffpunkt die umzuschmel- zenden Bereiche der Werkstoffpulverschicht abtastet. Üblicherweise bilden die ersten umgeschmolzenen Schichten noch nicht den eigentlich herzustellenden Formkörper, sondern dienen zu dessen Fixierung gegenüber einem Trägersubstrat 70 (vgl. Fig. 6 und 7) auf der Arbeitsplattform 21. Der weitere Aufbau des Formkörpers erfolgt in bekannter Weise schichtweise durch Wie- derholung der Schritte der Schichtenpräparierung und ortsselektiven Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Pulverschicht auf der Arbeitsplattform 21 , wobei die umgeschmolzenen Bereiche der aktuell bestrahlten Schicht auch mit den zuvor umgeschmolzenen Bereichen der vorausgegangenen Schicht verschmelzen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Momentaufnahme eines Belichtungsschrittes bei der Herstellung von Formkörpern, nämlich zusammenhängenden Zahnersatzteilen 72, 73. Der größte Teil der Zahnersatzelemente 72, 73 ist in der Momentaufnahme gemäß Fig. 6 bereits aufgebaut und ist in dem nicht umgeschmolzenen Restpulver 74 auf der Plattform 21 eingebettet. Mit 76 ist in Fig. 6 der von der Strahlumlenkeinrichtung 58 bewegte, fokussierte Laserstrahl bezeichnet.
Nach dem Aufbau der Zahnersatzelemente 72, 73 können diese im Prozessraum 15 unter Beobachtung durch das Stereomikroskop 64 und unter Verwendung der Handschuhe 55 nachbearbeitet werden. Diesbezüglich sei noch angemerkt, dass gemäß Fig. 1 die Zugriffsöffnungen 54 und auch das Stereomikroskop 64 für die Bedienungsperson offenliegen, auch wenn die Elemente des Außengehäuses gemäß Fig. 1 vollständig angebaut sind. Die Bedienungsperson kann durch manuell zu betätigende Bedienungselemente 78, 80 sowohl die Arbeitsplattform 21 als auch die Bestrahlungseinrichtung 13, 58 steuern. Im Beispielsfall umfassen diese Bedienungselemente unter anderem einen Joystick 78, dessen Auslenkung eine entsprechende Auslenkung des Laserstrahls 76 mittels der Strahlablenkeinrichtung 58 auslöst.
Sind die in Fig. 6 angedeuteten Zahnersatzelemente 72, 73 in ihrer gewünschten Form aufgebaut, so kann die Bedienungsperson den Hubantrieb der Arbeitsplattform 21 in Betrieb setzen, um die Arbeitsplattform 21 auf das allgemeine Basisniveau des Bodens 17 oder darüber hinaus anzuheben. Die Bedienungsperson kann dann nicht umgeschmolzenes Restpulver 74 von der Arbeitsplattform 21 entfernen. Dies kann z. B. unter Verwendung der Handschuhe 55 mittels eines Pinsels, Handfegers oder dgl. erfolgen. Im Pro- zessraumboden 17 befindet sich eine Pulverentsorgungsöffnung 81, an die eine Auffangflasche 82 angeschlossen ist (vgl. Fig. 2). Die Bedienungsperson kann somit das überschüssige Pulver zur späteren Weiterverwendung in der Auffangflasche 82 sammeln.
Die Zahnersatzelemente 72, 73 liegen dann zur Nachbearbeitung in dem Prozessraum 15 vor. Im Beispielsfall sollen die nach dem SLM-Verfahren hergestellten und zusammenhängenden Zahnersatzelemente 72, 73 mit einem speziellen weiteren Zahnersatzelement 84 zu einer dreigliedrigen Brü- cke verbunden werden. Wie in Fig. 6 angedeutet, liegt das spezielle weitere Zahnersatzelement 84 bereits während des Ablaufs des SLM-Aufbauprozes- ses im Prozessraum 15, so dass die Bedienungsperson den Nachbearbeitungsschritt des Verbindens der Elemente 72, 73 und 84 ohne Aufhebung der Schutzgasatmosphäre in dem Prozessraum 15 vornehmen kann. Fig. 7 zeigt eine schematische Momentaufnahme dieses Nachbearbeitungsschrittes. Die Bedienungsperson hat das spezielle Zahnersatzelement 84 z. B. mit einem Zangenwerkzeug oder dgl. an die noch auf dem Substrat 70 auf der Arbeitsplattform fixierten Zahnersatzelemente 72, 73 herangeführt und dann den Laserstrahl 76 unter Verwendung des Joysticks 78 zu der Stelle 86 hin abelenkt, an der die zusammenhängenden Elemente 72, 73 mit dem speziellen Zahnersatzelement 84 durch Verschweißen verbunden werden sollen. Dabei kann die Bedienungsperson auch die Strahlungsleistung des abgelenkten Laserstrahls 76 so beeinflussen, dass Such-Scanbewegungen zum Heranführen des Laserstrahls 76 an die gewünschte Verbindungsstelle 86 mit verminderter Leistung erfolgen können, so dass dabei noch kein Anschmelzen der Gegenstände 72, 73, 84 stattfindet. Ist der Laserstrahl 76 mit seinem Auftreffpunkt dann an der gewünschten Verbindungsstelle 86 angekommen, kann die Bedienungsperson die Laserstrahlungsleistung so dosie- ren, dass der Schmelz- bzw. Schweißprozess zwischen den miteinander zu verbindenden Elementen 72, 73, 84 einsetzt.
Die Arbeitsplattform 21 hat einen Drehtelleraufsatz 88, der es der Bedienungsperson erlaubt, die Elemente 72, 73, 84 durch Drehen umzupositionie- ren. Auch hat die Bedienungsperson die Möglichkeit, die Arbeitsplattform 21 während des Nachbearbeitungsschweißvorgangs anzuheben oder abzusenken, um die Elemente 72, 73, 84 relativ zur Fokalebene des Laserstrahls 76 aufwärts oder abwärts zu bewegen. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Fokaleinstellung des Laserstrahls 76 änderbar ist, um die Fläche des Auf- treffpunktes und damit die Energiedichte des Laserstrahls 76 pro Flächeneinheit zu variieren, um den Schweißvorgang zu beeinflussen. Wie schon angesprochen, kann dies alles unter Beobachtung durch das Stereomikroskop 64 erfolgen, welches auswechselbar in dem Aufnahmerohr 62 aufge- nommen ist. Bedarfsweise kann anstelle des Stereomikroskops oder in Kombination damit auch ein Kameraaufsatz verwendet werden, z. B. ein Hochge- schwindigkeitskameraaufsatz oder ein Videokameraaufsatz, um die Bearbeitungsvorgänge in der Prozesskammer fotografisch bzw. videografisch zu do- kumentieren bzw. für einen größeren Personenkreis sichtbar zu machen.
Ein weiterer interessanter Aspekt der Erfindung liegt in einer Verfahrensvariante, bei der beim Aufbau des Formkörpers aus Werkstoffpulver partielle Unterbrechungen, wie Spalte oder Kerben zwischen benachbarten Zonen des Formkörpers vorgesehen werden, um die Ausbreitung von Materialspannungen über Zonen hinweg zu unterdrücken, wobei man solche Unterbrechungen schließlich in einem Nachbearbeitungsvorgang durch Verschweißen in der vorstehend erläuterten Art schließt. In Fig. 7 ist zwischen den beiden miteinander verbundenen Zahnersatzelementen 72, 73 bei 90 eine sol- che relativ tiefe und schmale Kerbe angedeutet, welche an dem fertig nachbearbeiteten Zahnersatzensemble 72, 73, 84 nicht vorgesehen ist. Diese Kerbe 90 dient dazu, dass bei dem SLM-Prozess auftretende Materialspannungen sich nicht in beachtlichem Maße von dem einen Element 72 auf das andere Element 73 und umgekehrt übertragen können. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Form des Ensembles aus den miteinander verbundenen Elementen 72 und 73 durch Verzug von der Sollform abweicht. Wie in Fig. 7 durch den gestrichelt eingezeichneten Laserstrahl 76' angedeutet, kann die provisorische Kerbe 90 im Wege der Nachbearbeitung mit dem Laserstrahl in dem gewünschten Maße zugeschweißt werden. Dies kann mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff erfolgen. Im letzteren Fall wird das Material der Elemente 72, 73 angeschmolzen, um die Kerbe 90 in der gewünschten Weise zu verschließen. Dafür kann bereits während des SLM-Prozesses ein kleiner Materialvorrat in der Nähe der Kerbe 90 angelegt worden sein.
Dem Verfahrensaspekt des Vorsehens von Unterbrechungen beim SLM-Auf- bau des Formkörpers und des Schließens dieser Unterbrechungen im Nachbearbeitungsschritt unter Verwendung des Laserstrahls der Bestrahlungseinrichtung kommt ebenfalls selbständige erfinderische Bedeutung zu. Die Nachbearbeitungsvorgänge können auch noch weitergehend automatisiert werden. Steht z. B. bei miteinander zu verschweißenden Elementen die Verbindungsstelle von vornherein exakt fest, so kann die Laserstrahlsteue-
5 rung und/oder die Steuerung der Bewegungen der Arbeitsplattform 21 (Höhenbewegung und Drehbewegung) auch automatisch erfolgen, wobei die Bedienungsperson dann lediglich mittels der Handhabungsvorrichtung dafür Sorge zu tragen hat, dass die miteinander zu verbindenden Elemente in eine vorbestimmte Position zueinander gebracht werden, in der sie dann schließ- iö lieh miteinander verschweißt werden sollen. Aber auch dieser Positionierungsvorgang kann noch weitgehend automatisiert werden. Die automatische Steuerung eines Nachbearbeitungsschweißvorgangs ganz allgemein ist mit Vorteilen anwendbar, wenn der zuvor nach dem SLM-Verfahren hergestellte Formkörper zunächst in seiner fixierten Lage auf der Arbeitsplatt- i5 form bzw. deren Drehteller verbleibt, so dass der Steuerungsrechner des Gerätes nach wie vor die exakte Position des betreffenden Formkörpers (72, 73 in Fig. 7) kennt und somit auch ohne weiteres die mittels Laserstrahl nachzubehandelnden Stellen finden kann. Dabei kann die Gerätesteuerung auch laufend eine automatische Fokuseinstellung des Laserstrahls vorneh-
20 men.
Nach Abschluss der Nachbehandlung kann dann der insoweit fertiggestellte Formkörper oder Formkörperverbund von dem Trägersubstrat der Arbeitsplattform getrennt und schließlich aus dem Gerät 1 durch die vordere Öff- 25 nungstür 42 hindurch herausgenommen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch Varianten liegen, bei denen die Nachbehandlungsstation von der Arbeitsplattform separiert ist. So kann z. B. in dem Prozessraumgehäuse eine Halterungseinrichtung zur Fi- 3ö xierung des nachzubehandelnden Formkörpers in einer bestimmten Orientierung vorgesehen sein. Die Halterungseinrichtung kann eine steuerbare Positionierungseinrichtung umfassen, um die Orientierung eines in der Halterungseinrichtung fixierten Formkörpers relativ zum Sichtfeld der Beobach- tungseinrichtung und zu dem dahin ausgerichteten Laserstrahl zu verändern, etwa im Raum zu verdrehen.
Gemäß einer weiteren Variante kann das Prozessraumgehäuse auch eine 5 Schleuse enthalten, wie sie z. B. in der WO 2006/024373 A2 erläutert ist. Auch kann das Gerät 1 mit einer Pulverabsaugeinrichtung ausgestattet sein, welche ein Absaugen des Pulvers aus dem Prozessraum ermöglicht.
Die Erfindung bietet zahlreiche Möglichkeiten des Aufbaus und der Nachbe- lö arbeitung von Formkörpern, insbesondere filigranen Formkörpern unter mikroskopischer Beobachtung. Unter dem Begriff Nachbearbeitung soll in der Terminologie der vorliegenden Anmeldung auch das Verschweißen eines nach dem SLM-Verfahren in dem Prozessraum hergestellten Formkörpers mit einem anderen Gegenstand fallen. Dabei können die Gegenstände bzw. i5 aus unterschiedlichen, jedoch miteinander verschweißbaren Materialien bestehen. Auch kann die Vorrichtung dazu benutzt werden, Formkörper unabhängig von deren ursprünglichem Aufbauprozess einer Schweißnachbehandlung unter Verwendung der Bestrahlungseinrichtung als Strahlungsquelle zu unterziehen. In diesem Fall wird die klassische SLM-Funktion des 2ö Aufbaus des Formkörpers aus Pulver gar nicht genutzt.
Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein kompaktes Tischgerät mit einem relativ kleinen und daher schnell zu evakuierenden bzw. mit Schutzgas zu spülenden Prozessraum 15. Auch ist dafür Sorge 25 getragen worden, dass bewegbare Komponenten, wie die Schichtenpräpa- rierungseinrichtung 23 oder Galvanometerspiegel der Strahlablenkeinrichtung 58, eine geringe Masse haben, damit sie trägheitsarm schnell bewegt werden können, um den SLM-Prozess schnell ablaufen lassen zu können.
30 Für die ortsselektive Bestrahlung der Pulverschichten ist vorzugsweise eine Galvano-Scannervorrichtung vorgesehen, die den Laserstrahl gesteuert ablenkt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Matrixbelichtung unter Verwendung eines oder mehrerer DMD-Spiegelarrays oder einer selbstleuchtenden Lichtquellenmatrix erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises orts- selektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung, umfassend ein Gehäuse (5) mit einem darin befindlichen Prozessraum (15), eine in dem Prozessraum (15) angeordnete Arbeitsplattform (21 ), eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung (21) zur Präparierung von aufeinander folgend umzuschmelzenden Werkstoffpulverschichten auf der Arbeitsplattform (21 ), eine Bestrahlungseinrichtung (13, 58) mit einem Laser (13) zur Be- Strahlung der jeweils zuletzt auf der Arbeitsplattform (21) präparierten
Pulverschicht an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers, eine Handhabungsvorrichtung (54) zur bedarfsweisen Manipulation von Elementen in dem Prozessraum (15), und eine Beobachtungseinrichtung (64) zur visuellen Beobachtung von Vorgängen in dem Prozessraum (15) von außerhalb des Gehäuses (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (64) wenigstens ein optisches Vergrößerungselement umfasst und auf einen Arbeitsbereich der Handha- bungsvorrichtung (54) ausgerichtet bzw. ausrichtbar ist, so dass unter
Beobachtung mittels der Beobachtungseinrichtung (64) und unter Verwendung der Handhabungsvorrichtung Nachbearbeitungsschritte an einem im Prozessraum (15) aus Werkstoffpulver hergestellten Formkörper (72, 73) im Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung (54) vorge- nommen werden können.
2. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (64) ein das optische Vergrößerungselement enthaltendes Mikroskop, insbesondere ein Stereomikroskop umfasst.
3. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass sie in einem Nachbearbeitungsmodus betreibbar ist, in dem die Bestrahlungseinrichtung (13, 58) als steuerbare Laserschweißstrahlquelle verwendbar ist, um einen oder mehrere Formkörper (72, 73, 84) in dem Arbeitsbereich der Handhabungsvorrichtung (54) unter Beob- achtung mittels der Beobachtungseinrichtung nachzubearbeiten, insbesondere mit wenigstens einem weiteren Formkörper (84) oder dergleichen zu verschweißen.
4. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pulverentfernungsmittel zur Entfernung von Pulver von der Arbeitsplattform nach Fertigstellung eines Formkörpers und unter Verbleib des Formkörpers für einen Nachbearbeitungsvorgang auf der Arbeitsplattform vorgesehen sind.
5. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum eine Schleuse aufweist, welche das Einbringen und das Entfernen von Gegenständen in den bzw. aus dem Prozessraum ohne Zerstörung ei- ner darin befindlichen Schutzgasatmosphäre ermöglicht.
6. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung in ihrem Arbeitsbereich eine Halterungseinrichtung, insbesondere Klemmeinrichtung, zur Fixierung wenigstens eines Formkörpers in einer vorbestimmten Orientierung aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungseinrichtung eine steuerbare Positionierungseinrichtung zur Änderung der Orientierung eines in der Halterungseinrichtung fixierten Formkörper umfasst.
5
8. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungsvorrichtung wenigstens eine Durchgriffsöffnung (54) im Prozessraumgehäuse (5) aufweist, die durch einen den Durchgriff in den Pro- lo zessraum (15) von außen her ermöglichenden Handschuh abgedichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (13, 58) eine insbeson- i5 dere auch manuell mittels einer Bedienungseinrichtung (78, 80) steuerbare Strahlausrichtungseinrichtung (58) umfasst, mittels welcher die Ausrichtung wenigstens eines Schmelzstrahls bzw. -Strahlenbündels (76) im Prozessraum (15) steuerbar ist, um einen Formkörper (72, 73, 84) in dem Prozessraum mittels des Schmelzstrahls bzw. -strahlenbün-
20 dels nachzubearbeiten, insbesondere zu schweißen.
10. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag
25 mittels Laserstrahlung, umfassend ein Gehäuse (5) mit einem darin befindlichen Prozessraum (15), eine in dem Prozessraum (15) angeordnete Arbeitsplattform (21), eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung (21) zur Präparierung
30 von aufeinander folgend umzuschmelzenden Werkstoffpulverschichten auf der Arbeitsplattform (21 ), eine Bestrahlungseinrichtung (13, 58) mit einem Laser (13) zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf der Arbeitsplattform (21) präparierten Pulverschicht an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen nach
Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers, und eine Beobachtungseinrichtung (64) zur visuellen Beobachtung von Vor-
5 gangen in dem Prozessraum (15) von außerhalb des Gehäuses (5), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung - abgesehen von Versorgungsquellen und Versorgungsleitungen - als Tischgerät mit einer maximalen Gehäusebreite lo von 1000 mm, einer maximalen Gehäusehöhe von 700 mm und einer maximalen Gehäusetiefe von 800 mm ausgebildet und betreibbar ist.
11. Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoff pu I ver zu zu- i5 sammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels Laserstrahlung, umfassend ein Gehäuse (5) mit einem darin befindlichen Prozessraum (15), eine in dem Prozessraum (15) angeordnete Arbeitsplattform (21),
20 eine Pulverschichtenpräparierungseinrichtung (21 ) zur Präparierung von aufeinander folgend umzuschmelzenden Werkstoffpulverschichten auf der Arbeitsplattform (21 ), eine Bestrahlungseinrichtung (13, 58) mit einem Laser (13) zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf der Arbeitsplattform (21) präparierten
25 Pulverschicht an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen nach
Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass sie in einem Nachbear-
30 beitungsmodus betreibbar ist, in dem die Bestrahlungseinrichtung (13,
58) als steuerbare Laserschweißstrahlquelle verwendbar ist, um bereits zuvor erzeugte zusammenhängende Bereiche des Formkörpers einer Schweißnachbehandlung im Prozessraum zu unterziehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet und programmierbar ist, in einem Modus spannungsarmer Fertigung we-
5 nigstens einen Spannungsunterbrechungsspalt nicht umgeschmolzenen Werkstoffpulvers innerhalb eines im Übrigen durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpulver erzeugten verfestigten Bereiches über eine bestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Schichten hinweg zu belassen und danach in einem lo jeweiligen Nachbehandlungsschritt durch Verschweißen mittels der Bestrahlungseinrichtung (13, 58) zu schließen.
13. Verfahren zur Herstellung und Nachbearbeitung eines Formkörpers, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherge- i5 henden Ansprüche, wobei aufeinander folgende Schichten von Werkstoffpulver auf einer Arbeitsplattform (21) in einem Prozessraum (15) präpariert werden und jede Werkstoffpulverschicht einem ortsselektiven Umschmelzen oder ggf. Sintern des Werkstoffpulvers zu zusammenhängenden Bereichen des Formkörpers durch Energieeintrag mittels
2o Laserstrahlung einer steuerbaren Bestrahlungseinrichtung (13, 58) an den zum Umschmelzen bestimmten Stellen der jeweiligen Pulverschicht nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten des Formkörpers unterzogen wird, wobei nach dem Aufbau eines jeweiligen Teils des Formkörpers oder des gesamten Formkörpers aus dem
25 Werkstoffpulver dieser jeweilige Teil oder der Formkörper im Prozessraum (15) einer Nachbearbeitung durch einen Schweißvorgang unterzogen wird, bei dem die Bestrahlungseinrichtung (13, 58) als Laserschweißstrahlquelle verwendet wird.
30 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Modus spannungsarmer Fertigung wenigstens ein Spannungsunterbrechungsspalt nicht umgeschmolzenen Werkstoffpulvers innerhalb eines im Übrigen durch schichtweises ortsselektives Umschmelzen oder ggf. Sintern von Werkstoffpuiver erzeugten verfestigten Bereiches über eine bestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Schichten hinweg belassen wird und danach in einem jeweiligen Nachbehandlungsschritt durch Verschweißen mittels der Bestrahlungseinrichtung geschlossen 5 wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nicht umgeschmolzenes Restwerkstoffpulver von der Arbeitsplattform (21) entfernt wird, bevor die Nachbearbeitung durchgeführt wird.
IQ
16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbearbeitung an dem auf der Arbeitsplattform (21 ) fixierten Formkörper (72, 73) durchgeführt wird.
i5 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Nachbearbeitungsschritt das Verschweißen des Formkörpers (72, 73) mit einem weiteren Formkörper (84) umfasst.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeich- 20 net, dass als Formkörper wenigstens ein Zahnersatzelement (72, 73) oder Zahnersatzhilfselement hergestellt und nachbehandelt wird.
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