WO2019081719A1 - Vorrichtung und verfahren zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum generativen herstellen eines dreidimensionalen objekts

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WO2019081719A1
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coating
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Thomas Mattes
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for generatively producing a three-dimensional object by layering and selectively solidifying a building material, preferably a powder.
  • Devices and methods of this kind are used, for example, in rapid prototyping, rapid tooling or additive manufacturing.
  • An example of such a method is known as "selective laser sintering or laser melting.”
  • selective laser sintering or laser melting At this time, a thin layer of powdery building material is repeatedly applied and the build material in each layer is selectively solidified by selectively irradiating portions corresponding to a cross section of the object to be manufactured with a laser beam.
  • DE 10 2006 055 052 A1 describes a device for the generative production of an object with a rotatable coater.
  • the coater is driven so that a coating element for applying layers between a first end position on a first side of a construction field and a second end position on an opposite second side of the construction field is moved on a circular path back and forth.
  • DE 10 2014 218 639 A1 describes an apparatus for generatively constructing an object with a platform and a solidifying agent for building up the object in layers on the platform by local solidification of pourable or flowable material, wherein the platform and the solidification means are rotatable relative to each other about an axis of rotation, in particular by more than 360 °, are rotatable.
  • the apparatus includes coating means for laminating the material, wherein the platform and the laminar means are rotatable relative to each other about the axis of rotation.
  • the coating agent preferably has an edge for limiting a layer thickness of the material to be consolidated. terials whose front is convex in a direction of rotation of the platform relative to the coating agent.
  • spin coater can lead to separation tendencies when extracting a powdery build material, wherein coarser particles tend to accumulate in the outer regions more remote from a rotation axis of the spin coater.
  • the object of the present invention is to provide an alternative or improved method for generatively producing a three-dimensional object by layering and selectively solidifying a building material, in which a coating element and a construction of the object serving platform are rotatable relative to each other about an axis of rotation, in particular the demixing tendencies of the building material are reduced.
  • Solidifying a building material preferably a powder
  • the coater contains a coating element which is capable of extending the applied build-up material to a layer.
  • the building base and the coating element are arranged so that they are rotatable relative to each other about a rotation axis.
  • the coating element is designed and arranged such that during the relative rotation between structural Underlying and coating element in a serving for extending the applied build material to a direction of rotation serving a force is exerted on the building material, which has a radial component in the direction of the axis of rotation out.
  • this force which has a radial component in the direction of the axis of rotation, is realized by means of the coating element itself and / or by the force of gravity on the powder.
  • a manufacturing device for the generative production of a three-dimensional object can be equipped or retrofitted so that during a coating process, an irregular distribution of the particles contained in the construction material is avoided or reduced by grain size.
  • the building material various kinds of powder may be used, especially metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder. Instead of powder, other suitable materials may be used as building material.
  • the relative rotation between the building substrate and the coating element can be realized by moving the coating element over the building substrate by means of a rotational movement.
  • the construction platform or base plate serving as a construction base can be rotated while the coating element is stationary.
  • both the coater and the building pad can be rotated.
  • the direction of rotation of the coating element is always the relative direction of rotation of the coating element relative to the construction substrate.
  • the relative direction of rotation of the coating element is equal to the absolute direction of rotation of the coating element.
  • the relative direction of rotation of the coating element is opposite to the absolute direction of rotation of the construction substrate relative to the coater, as indicated for example in the aforementioned DE 10 2014 218 639 AI.
  • the relative rotation between the building base and the coating element is particularly related to a portion in a plan view of the components of the retrofit or retrofit kit of the invention in which section the areas swept during relative rotation overlap.
  • the axis of rotation is preferably arranged relative to the construction substrate that it passes through an area which lies in the plan view within the maximum outer extent of the construction substrate.
  • the axis of rotation extends in plan view through the center or the centroid of the construction substrate
  • the coating element is preferably designed and arranged such that its front surface lying in front in the relative direction of rotation of the coating element has, in a plan view of the construction substrate, at least in sections a normal vector which has a radial component in the direction of the axis of rotation.
  • the front surface lying in front in the relative direction of rotation of the coating element is that region of a surface of the coating element which, during a rotation of the coater, pushes the construction material over the construction field or against which the construction material is pushed during a rotation of the construction substrate becomes.
  • Top view here and in the following always means a view perpendicular from above, not an oblique top view.
  • a force with a radial component in the direction of the rotation axis can be exerted by the coating element itself on the building material.
  • the coating element is preferably designed and arranged such that its front surface lying in front in the relative direction of rotation of the coating element is at least sectionally concave in plan view at least in its lower section, closer to the construction base, in a further preferred manner at least in sections in the form of a spiral, and more preferably in the form of a logarithmic spiral, in which an angle between a normal vector of the front surface and its instantaneous direction of movement is tangential to the circular path it describes, the angle being at least 0.5 °, preferably at least 1, 5 °, more preferably at least 3 ° and / or at most 80 °, preferably at most 45 °, particularly preferably at most 30 °.
  • the normal vector has a radial component in the direction of the axis of rotation.
  • Concave in the plan view means that in the case of a line running parallel to the construction base on the front surface of the coating element, a line section between two points of this line lies in the relative direction of rotation D behind the straight link between these two points.
  • the coating element is designed and arranged such that its lower edge is inclined downwards towards the axis of rotation and forms an angle of less than 90 ° with the section of the axis of rotation pointing upwards from the building base.
  • a funnel-shaped construction field can be achieved in which a radial force is exerted on the building material by gravity in the direction of the axis of rotation.
  • the inclination of the construction substrate or the construction field to a horizontal is always the same, so that the ratio of gravity and frictional force, which acts on a movement of the powder particles, is uniform over the entire construction field.
  • the angle of inclination of the lower edge is constant and / or adjustable.
  • the coating can be flexibly adjusted to the construction material used and / or the desired layer thickness.
  • a cutting edge of the front surface is straight in plan view of the construction base ,
  • the present invention can be carried out, for example, with conventional coating elements.
  • the coating element has a coater roller rotatable about its longitudinal axis, wherein preferably the coater roller is a cylindrical roller whose longitudinal axis during operation is parallel to a surface of the subrack covered by the coater roller.
  • the coater roll is a conical or frusto-conical roll, the radius of which preferably increases in proportion to a distance from the axis of rotation about which the building base and the coating element are rotatable relative to each other.
  • a contact surface of the coater roller which touches powder applied to the base support during operation, lies parallel to the construction base or to a previously applied layer. This includes the possibility of a three-dimensionally structured or articulated expression of the contact surface of the coater roller.
  • the coating element preferably has a coater blade and / or a brush.
  • a simple form of a coating element can be used for the present invention.
  • the manufacturing apparatus for generatively producing a three-dimensional object by layering and selectively consolidating a building material, preferably a powder, comprises a retrofit kit according to the invention and a solidification device for selectively solidifying the applied layer at locations corresponding to a cross section of the object to be manufactured.
  • the manufacturing apparatus is further configured and / or controlled to repeat the steps of application and selective solidification until the object is completed.
  • the solidification device is also rotatable relative to the building pad.
  • a coating and a solidification can be carried out substantially at the same time, thereby shortening the production process.
  • the coating method according to the invention is used for applying a layer of a building material in a manufacturing device for the generative production of a three-dimensional object by layered application and selective solidification of the building material, preferably a powder.
  • the manufacturing apparatus includes a building pad on which the object is to be constructed, and a coater for applying a layer of the building material to the building pad or an already previously applied layer.
  • the building substrate and a coating element contained in the coater are rotated relative to one another about an axis of rotation. The applied build material is pulled out through the coating element to a layer.
  • an angle between a normal vector of a front surface of the coating element, which in operation is in the relative direction of rotation of the coating element to the front of the construction substrate, and a current direction of movement of the coating element tangential to the circular path described by him and / or an angle between a lower edge the coating element and the axis of rotation are selected as a function of one another and / or of at least one of the following criteria:
  • Geometry of the coating element in a vertical extent of the coating element starting from a position of the coating element relative to the building base in the operation of the manufacturing device. This means, for example, the angle of attack of a coating blade or another type of three-dimensional shaping of the coating element.
  • the coating process can be adapted flexibly to the respective task.
  • Different speed values can be used as the speed, since the relative speed of the building base and the coating element increases greatly along the radius towards the outside.
  • the production method according to the invention is used for the generative production of a three-dimensional object by layer-wise applying and selectively solidifying a build-up adjuster as, preferably a powder, on a building support held by a holding device.
  • the process comprises the steps of applying a layer of the building material to the building liner or an already previously applied layer by means of a coater and solidifying the applied layer selectively at locations corresponding to a cross section of the product to be produced Object correspond by means of a solidification device.
  • the steps of applying and solidifying are repeated.
  • the application of the layer is carried out by means of a coating method according to the invention.
  • the laser beam is directed at the points of the construction field where the coater has already pulled the powder out to form a layer.
  • the exposure unit can also be arranged rotatable together with the coater or independently of ilxm, which is particularly advantageous for a line imagesetter.
  • FIG. 1 is a schematic, partially sectional view of an apparatus for generatively producing a three-dimensional object according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2a is a partial sectional view from the side and
  • Fig. 2b is a plan view.
  • to d are various schematic perspective views of a construction field included in the apparatus shown in Fig. 1.
  • Fig. 10 is a schematic perspective view of a construction field included in a device according to a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 6 is a perspective view of the construction field shown in Fig. 4 when using a frusto-conical roller as a coating member.
  • the apparatus shown in FIG. 1 is a laser sintering or laser melting apparatus 1.
  • a process chamber 3 For constructing an object 2, it contains a process chamber 3 with a chamber wall 4.
  • an upwardly open container 5 with a container wall 6 is arranged.
  • a working plane 7 is defined by the upper opening of the container 5, wherein the area of the working plane 7 which lies within the opening and which can be used to construct the object 2 is referred to as the construction field 8.
  • a movable in a vertical direction V carrier 10 is arranged, on which a base plate 1 1 is mounted, which closes the container 5 down and thus forms its bottom.
  • the base plate 1 1 may be a plate formed separately from the carrier 10, which is fixed to the carrier 10, or it may be integrally formed with the carrier 10.
  • the object 2 can also be built on the base plate 1 1 itself, which then serves as a construction document.
  • the object 2 to be formed in the container 5 on the building platform 12 below the working plane 7 is shown in an intermediate state with several solidified layers surrounded by unconsolidated building material 13.
  • the laser sintering apparatus 1 further includes a coater 16 for applying the building material 15 within the construction field 8, According to the present embodiment, the coater 16 is arranged about the vertical axis A rotatable about the building field 8.
  • a radiant heater 17 is arranged, which serves to heat the applied build material 13. Die Radiation2020ung 17 ist mit dem Strahlungssammlungung 17sky.
  • radiant heater 17 for example, an infrared radiator can be provided.
  • the laser sintering device 1 further comprises an exposure device 20 with a laser 21 which generates a laser beam 22 which is deflected by a deflection device 23 and by a focusing device 24 via a coupling window 25 which is attached to the top of the process chamber 3 in the chamber wall 4 , is focused on the working level 7,
  • the laser sintering device 1 includes a control unit 29, via which the individual components of the device 1 are controlled in a coordinated manner for carrying out the building process.
  • the control unit may also be partially or entirely external to the apparatus.
  • the control unit may include a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the computer program may be stored separately from the apparatus on a storage medium from which it is stored the device, in particular in the control unit can be loaded.
  • the carrier 10 In operation, for the application of a powder layer, first of all the carrier 10 is lowered by a height which corresponds to the desired layer thickness. Then pulverulent build-up material 13 is applied to the construction substrate or an already existing powder layer and pulled out by a rotation of the coater 16 about the rotation axis A in the construction field 8 to a powder layer.
  • the application takes place at least over the entire cross section of the object 2 to be produced, preferably over the entire construction field 8, that is, the area bounded by the container wall 6.
  • the powdery building material 13 is heated to a working temperature by means of a radiant heater 17.
  • the cross section of the object 2 to be produced is scanned by the laser beam 22, so that the powdery building material 13 is solidified at the points corresponding to the cross section of the object 2 to be produced.
  • the powder grains are partially or completely melted out at these points by means of the energy introduced by the radiation, so that they are connected to one another after cooling as a solid.
  • Fig. 2 is a schematic illustration of an effect occurring in a coating process.
  • Fig. 2a shows a partially sectioned view from the side and Fig. 2b a Top view from a direction senla-real to the construction substrate 1 1, 12 or the construction field 8.
  • the coater contains a coating member 30 which is capable of extending the applied build material to a layer 33 in the situation.
  • a coating element in the form of a blade is shown in section, but other elements, for example in the form of a brush or a roller, can also be used.
  • the coating member 30 is formed and arranged such that upon rotation of the coater 16 about the vertical rotation axis A in the rotational direction D, a force is applied to the building material 13 having a radial component toward the rotation axis A.
  • the coating element 30 pushes the powdery building material 13 in front of it, whereby it is piled up. In this case, an accumulation of the building material is formed in front of the coating element 30.
  • the powder 13 in this accumulation is thereby further accumulated so long by the movement of the coating element 30 and the friction of the powder to be coated with the powder bed (already applied and possibly already selectively solidified powder layers in the construction field 8), to one on the the coating element 30 facing away from the powder bed forming slope is so steep that the powder 13 hinschrieselt the slope in the direction of movement R2.
  • the front surface 31 of the coating element 30 lying in front in the direction of rotation D of the coater 8 has in a plan view (perpendicular from above) at least in sections a normal vector N which is a radial component in the direction of the axis of rotation has, so that an angle ⁇ between the Nornialenvektor N of the front surface 31 and its current direction of movement Rl (tangential to the circular path described by it, shown in Fig. 2b by a dashed circle) is greater than 0 °.
  • this means that the front surface 31 of the coating element 30 does not extend radially in the plan view, as in the case of a straight coating element, but encloses a radius greater than 0 ° relative to the radius.
  • the front surface 31 is preferably perpendicular to the construction field, ie in a Winlcel of 90 °, so that the normal vector N is parallel to the plane of the construction field 8, ie in a Winlcel of 0 ° ,
  • the front surface 31 can also run obliquely, for example in a winelcel between 70 ° and 90 ° to the construction field 8, so that a winelcel between the Nornialenvektor N and the plane of the construction field 8 is between 0 and 20 °.
  • the front surface 31 of the coating element 30 located in the direction of rotation D used to extend the applied construction material has (at least in its lower section closer to the construction field 8) in the forward direction Top view of a concave curvature.
  • this curvature is in the form of a spiral, more preferably a logarithmic spiral in which a winch is constant between the front surface and its direction of movement.
  • Fig. 3 shows four examples of such logarithmic spirals.
  • the coating element 30a in this case has a Winlcel of 5 ° at each point during its rotary movement over the construction field 8 between the normal vector of its front surface 31a and the tangent to the described circular path, the coating element 30b an angle of 10 °, the coating element 30c an angle of 60 ° and the coating member 30d an angle of 80 °,
  • Fig. 4 is a schematic An oblique view of a construction field 8 contained in a device according to a second embodiment of the present invention.
  • the construction field 8 (ie, the surface of the respective powder layer to be solidified) is not formed as a flat surface but in the form of a conical or frustoconical surface his tip standing cone.
  • the construction field 8 thus forms a hollow cone (dull) or a funnel.
  • the lower edge 32 of the coating element 30 shown in FIG. 2 a ie its side facing the building field, is not arranged parallel to the horizontal H but is inclined downwards in the direction of the axis of rotation A or in the direction away from the axis of rotation A inclined at the top.
  • the lower edge 32 thus forms an angle ⁇ of less than 90 ° with the section of the axis of rotation A pointing upwards from the structural field 8.
  • the surface of an applied layer with this portion of the rotation axis A forms an angle of less than 90 °.
  • the lower edge 32 is in cross section substantially parallel to the construction field 8, so that both have at corresponding portions of their extension substantially the same inclination to the axis of rotation.
  • an incline may also be generated by an inclined powder bed of increasing thickness at a sufficient distance from the axis of rotation, by using a coated layer as a construction support for a subsequent layer.
  • the lower edge 32 may be formed tapering towards the building field 8, such as, for example, in a sharp blade. The embodiment shown in Fig.
  • FIG. 4 shows a construction field 8, which does not extend in a plane or is planar, but from an outer edge to an inner edge, ie in the direction of the axis of rotation A, is inclined.
  • the coating member 30 pushes the powder 13 in its rotation about the rotation axis A, powder particles trickle down a slope of the powder bed (as shown in Fig. 2a).
  • the inclination of the slope is determined in this case on the one hand by the orientation of the surface of a powder volume, which accumulates in front of the front surface 31 of the coating member 30.
  • it is determined by the inclination of the construction field 8 in the direction of the axis of rotation A.
  • the gravitational force influences the movement of the powder particles all the more, depending on the trickle on them Particle-acting frictional force against fixed powder is reduced.
  • a force having a radial component in the direction of the axis of rotation A out acts in this embodiment on the building material 13, a force having a radial component in the direction of the axis of rotation A out.
  • the front surface 31 of the coating element 30 in a plan view may be formed straight on the construction substrate, for example as a flat surface or so, in that at least one cut edge of the front surface 31 is straight in a section through the front surface 31 at a constant distance from the building field 8, wherein the front surface 31 may extend, for example, along a radius about the axis of rotation A or parallel to the radius.
  • the angle of inclination of the lower edge 32 of the coating element may be constant.
  • Constant may refer to a longitudinal extent of the lower edge 32.
  • the term includes the aspect that not only statically, but also during the course of a rotational movement, the lower edge 32 of the coating element
  • the angle of inclination may also change depending on the radius, resulting in a curved cross-section surface of the construction field 8.
  • this inclination angle is adjustable, the adjustability both of the above aspects can affect.
  • the inclination of the construction field 8 in the direction of the axis of rotation A is determined in this embodiment by the inclination of the lower edge 32 of the coating element 30.
  • the used construction substrate base plate 1 1 and / or building platform 12
  • a planar construction substrate 1 1, 12 are used on the first so much powder is applied until the relative movement between the construction substrate 1 1, 12 and the coating member 30 according to this embodiment funnel-shaped construction field 8 results.
  • a coating element 30 that has just been formed can be used in this embodiment, it is also possible for it to have a coater roller rotatable about its longitudinal axis.
  • a contact surface of the coater roller, which touches the powder applied during operation to the construction base is preferably always parallel to the construction base or to a previously applied layer, ie parallel to the construction field 8, so that a layer having a uniform layer thickness is produced.
  • the coating roller is preferably driven in a rotation about its longitudinal axis in such a way that, during operation of the arrangement, an absolute movement of the surfaces of the coater roller and the construction platform (or respectively the uppermost powder layer) is produced.
  • the coater roller may be formed cylindrical with a uniform radius, wherein a longitudinal axis 41 of the coater roller 40 is preferably parallel to a covered by the coater roller 40 surface of the construction field 8 in operation.
  • the coater roller may also be formed irregularly with non-uniform radius, preferably as a tapered roller 50, z. B. corresponding to a difference between the inner circumference and the outer circumference of an annular construction field 8, so that the roller always covers substantially the same proportion of a circular line of the construction field 8 in a complete revolution along its extension.
  • a radius of the conical or frusto-conical coater roller 50 ie a distance of its surface from its longitudinal axis 51, preferably proportional to a distance from the axis of rotation A relative movement between the Bauunterlage 1 1, 12 and the construction field 8 and the Coating element 30 to.
  • Such a coater or truncated cone coater roller preferably has a ratio of least to largest extent on its surface or a curve between the smallest and the largest circumference, which are identical to a ratio of a smallest to a largest circumference of concentric circles on a ringför - Migen building platform or with a course between the smallest and the largest circumference of the concentric circles on the build platform.
  • the circumference of the coater roll preferably corresponds to a line of intersection of a scan plane perpendicular to the longitudinal axis 51 with the surface of the coater roll.
  • the cone or truncated cone is a straight circular cone or circular truncated cone.
  • the course between the peripheries may be linear and is preferably stepless, so that a surface of the coating roller is evenly formed,
  • a speed at individual surface locations of the coater roller along the extension of its longitudinal axis 41, 51 is preferably locally as identical as possible to a radially outwardly increasing local coating speed in the co-operation of the coater roller with an annular planar or hollow-coned construction during operation of the coater roll and build platform - platform or powder surface.
  • the features of the embodiments described above may be combined as far as possible.
  • the front surface of a coating element according to the second embodiment may also be concavely curved, as described in the first embodiment.
  • the present invention has been described in terms of laser sintering or laser melting, it is not limited to laser sintering or laser cladding. It can be applied to any methods of generatively producing a three-dimensional object by layering and selectively strengthening a building material.
  • the imagesetter may, for example, comprise one or more gas or solid-state lasers or any other type of laser, such as laser diodes, in particular VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitters). ting laser) or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), or include a line of these lasers.
  • any device with which energy can be selectively applied to a layer of the building material as wave or particle radiation can be used as the imagesetter.
  • a laser for example, another light source, an electron beam or any other source of energy or radiation that is suitable for solidifying the building material can be used.
  • deflecting a beam it is also possible to use exposure with a movable line imagesetter.
  • selective mask sintering using an outlined light source and a mask, or high speed sintering (HSS), which selectively applies on the build material a material that increases the radiation absorption at the respective sites (absorption sintering) ) or decreased (inhibition sintering), and then exposed unselectively over a large area or with a movable line imagesetter the invention can be applied.
  • HSS high speed sintering
  • selective solidification of the applied build-up material may also be accomplished by 3D printing, such as by applying an adhesive.
  • the invention relates to generatively producing an object by layering and selectively strengthening a build material, regardless of the manner in which in which the building material is solidified.

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Abstract

Ein Aus- oder Nachrüstsatz für eine Herstellvorrichtung (1) zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13), vorzugsweise eines Pulvers, enthält eine Bauunterlage (11, 12), auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter (16) zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht. Der Beschichter enthält ein Beschichtungselement (30), das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht in der Lage ist. Die Bauunterlage und das Beschichtungselement sind so angeordnet, dass sie relativ zueinander um eine Rotationsachse (A) drehbar sind. Das Beschichtungselement ist so ausgebildet und angeordnet, dass bei der relativen Drehung zwischen der Bauunterlage und dem Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung (D) eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum
generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers.
Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen "Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen" bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
Zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials ist in DE 10 2006 055 052 AI eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Objekts mit einem drehbaren Beschichter beschrieben. Der Beschichter wird so angetrieben, dass ein Beschichtungselement zum Auftragen von Schichten zwischen einer ersten Endposition auf einer ersten Seite eines Baufeldes und einer zweiten Endposition auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Baufeldes auf einer Kreisbahn hin und her bewegt wird.
DE 10 2014 218 639 AI beschreibt eine Vorrichtung zum generativen Aufbauen eines Objekts mit einer Plattform und einem Verfestigungsmittel zum schichtweisen Aufbauen des Objekts auf der Plattform durch lokales Verfestigen von schütt- oder fließfähigem Material, wobei die Plattform und das Verfestigungsmittel relativ zueinander um eine Rotationsachse, insbesondere um mehr als 360°, drehbar sind. In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein Be- schichtungsmittel zum schichtweisen Anordnen des Materials, wobei die Plattform und das Schichtmittel relativ zueinander um die Rotationsachse drehbar sind. Vorzugsweise weist das Beschichtungsmittel eine Kante zum Begrenzen einer Schichtdicke des zu verfestigenden Ma- terials auf, deren Vorderseite in einer Rotationsrichtung der Plattform relativ zu dem Beschich- tungsmittel konvex ist.
Bei Verwendung eines solchen Rotationsbeschichters kann es zu Entmischungstendenzen beim Ausziehen eines pulverförmigen Aufbaumaterials kommen, wobei gröbere Partikel dazu neigen, sich in den äußeren, von einer Rotationsachse des Rotationsbeschichters entfernteren Bereichen anzureichern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vor- richtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, bei denen ein Beschichtungselement und eine zum Aufbau des Objekts dienende Plattform relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar sind, wobei insbesondere die Entmischungstendenzen des Aufbaumaterials verringert sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 1 , eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 12, ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 13 und ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Der erfindungsgemäße Aus- oder Nachrüstsatz für eine Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives
Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers, enthält eine Bauunterlage, auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht. Der Beschichter enthält ein Beschichtungselement, das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbauma- terials zu einer Schicht in der Lage ist. Die Bauunterlage und das Beschichtungselement sind so angeordnet, dass sie relativ zueinander um eine Rotationsachse drehbar sind. Das Beschichtungselement ist so ausgebildet und angeordnet, dass bei der relativen Drehung zwischen Bau- unterläge und Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Je nach der (unten beschriebenen) Art der Weiterbildung der Erfindung wird diese Kraft, die eine Radialkompo- nente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist, mittels des Beschichtungselements selber und/oder durch die auf das Pulver wirkende Schwerkraft verwirklicht werden. Mittels eines solchen Aus- oder Nachrüstsatzes kann beispielweise eine Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts so aus- oder nachgerüstet werden, dass bei einem Beschichtungsvorgang eine unregelmäßige Verteilung der in dem Aufbaumaterial enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert wird. Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Anstelle von Pulver können auch andere geeignete Materialien als Aufbaumaterial verwendet werden. Die relative Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement kann dadurch verwirklicht werden, dass das Beschichtungselement sich mittels einer Rotationsbewegung über die Bauunterlage bewegt. Alternativ dazu kann auch die als Bauunterlage dienende Bauplattform oder Grundplatte bei stillstehendem Beschichtungselement gedreht werden. Als weitere Alternative können sowohl der Beschichter als auch die Bauunterlage gedreht werden. Als Drehrichtung des Beschichtungselements wird in dieser Anmeldung jedoch immer die relative Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage bezeichnet. Im Falle eines rotierenden Beschichtungselements und einer stillstehenden Bauunterlage ist die relative Drehrichtung des Beschichtungselements gleich der absoluten Drehrichtüng des Beschichtungselements. Im Falle eines stillstehenden Beschichtungselements und einer rotierenden Bauunterlage ist die relative Drehrichtung des Beschichtungselements jedoch entgegengesetzt zu der absoluten Drehrichtung der Bauunterlage gegenüber dem Beschichter, wie sie beispielsweise in der eingangs genannten DE 10 2014 218 639 AI angegeben ist.
Die relative Drehung zwischen der Bauunterlage und dem Beschichtungselement wird insbe- sondere auf einen Abschnitt in einer Draufsicht auf die in der Herstellvornchtung angeordneten Bestandteile des erfindungsgemäßen Aus- oder Nachrüstsatzes bezogen, in welchem Abschnitt die während der relativen Drehung überstrichenen Flächen einander überschneiden. Um diesen Abschnitt bzw. die Schnittfläche möglichst groß zu machen, ist die Rotationsachse vorzugsweise derart relativ zur Bauunterlage angeordnet, dass sie durch einen Bereich hindurchgeht, der in der Draufsicht innerhalb der maximalen äußeren Erstreckung der Bauunterlage liegt. In weiter bevorzugter Weise verläuft die Rotationsachse in der Draufsicht durch den Mittelpunkt bzw. den Flächenschwerpunkt der Bauunterlage
Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegende Vorderfläche in einer Draufsicht auf die Bauunterlage zumindest abschnittsweise einen Norma- lenvektor hat, der eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Dabei wird unter der in der relativen Rotationsrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegenden Vorderfläche derjenige Bereich einer Oberfläche des Beschichtungselements verstanden, welcher bei einer Rotation des Beschichters das Aufbaumaterial über das Baufeld schiebt bzw. gegen die bei einer Rotation der Bauunterlage das Aufbaumate- rial geschoben wird. Draufsicht bedeutet hier und im Folgenden immer eine Ansicht senkrecht von oben, nicht eine schräge Draufsicht. Dadurch kann beispielsweise bei einer ebenen Bauun- terlage durch das Beschichtungselement selbst auf das Aufbaumaterial eine Kraft mit einer Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin ausgeübt werden. Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegende Vorderfläche zumindest in ihrem unteren, näher an der Bauunterlage liegenden Abschnitt, in der Draufsicht zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist, in weiter bevorzugter Weise zumindest abschnittsweise in Form einer Spirale und in noch weiter bevorzugter Weise in Form einer logarithmischen Spirale, bei der ein Winkel zwischen einem Normalenvektor der Vorderfläche und ihrer momentanen Bewegungsrichtung tangential zu der von ihr beschriebenen Kreisbahn konstant ist, wobei der Winkel mindestens 0,5°, vorzugsweise mindestens 1 ,5°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder höchstens 80°, vorzugsweise höchstens 45°, besonders bevorzugt höchstens 30° beträgt. Dadurch kann beispielsweise einfach erreicht wer- den, dass der Normalenvektor eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist. Konkav in der Draufsicht bedeutet, dass bei einer parallel zu der Bauunterlage verlaufenden Linie auf der Vorderfläche des Beschichtungselements ein Linienabschnitt zwischen zwei Punkten dieser Linie in der relativen Drehrichtung D hinter der geraden Verbindungsstrecke zwischen diesen beiden Punkten liegt.
Vorzugsweise ist das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet, dass seine Unter- kante zu der Rotationsachse hin nach unten geneigt ist und mit dem von der Bauunterlage aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse einen Winkel kleiner 90° bildet. Dadurch kann beispielsweise ein trichterförmiges Baufeld erzielt werden, bei dem durch die Schwerkraft eine radiale Kraft in Richtung zur Rotationsachse hin auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird. Bevorzugt ist die Neigung der Bauunterlage bzw. des Baufelds zu einer Horizontalen immer gleich, sodass das Verhältnis von Schwerkraft und Reibungskraft, welches auf eine Bewegung der Pulverpartikel einwirkt, über das gesamte Baufeld hinweg einheitlich ist.
Vorzugsweise ist der Neigungswinkel der Unterkante konstant und/oder einstellbar. Dadurch kann beispielsweise die Beschichtung flexibel auf das verwendete Aufbaumaterial und/oder die gewünschte Schichtdicke eingestellt werden.
Vorzugsweise ist in einem Sclinitt durch eine Vorderfläche des Beschich tungselements in einer Ebene, die mit dem von der Bauunterlage aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse denselben Winkel bildet wie die Unterkante des Beschichtungselements, eine Schnitt- kante der Vorderfläche in einer Draufsicht auf die Bauunterlage gerade. Dadurch kann die vorliegende Erfindung beispielsweise mit gängigen Beschichtungselementen ausgeführt werden.
Vorzugsweise weist das Beschichtungselement eine um ihre Längsachse drehbare Beschichterwalze auf, wobei vorzugsweise die Beschichterwalze eine zylindrische Walze ist, deren Längsachse im Betrieb parallel zu einer durch die Beschichterwalze überdeckten Oberfläche der Bauunterlage liegt. Alternativ oder zusätzlich ist die Beschichterwalze eine kegel- oder kegelstumpfförmige Walze, deren Radius vorzugsweise proportional zu einem Abstand von der Rotationsachse zunimmt, um die die Bauunterlage und das Beschichtungselement relativ zueinander drehbar sind. Alternativ oder zusätzlich liegt eine Kontaktfläche der Beschichter- walze, die im Betrieb auf die Bäuunterlage aufgetragenes Pulver berührt,' parallel zur Bauunterlage bzw. zu einer zuvor aufgetragenen Schicht. Dies umfasst die Möglichkeit einer dreidimensional strukturierten bzw. gegliederten Ausprägung der Kontaktfläche der Beschichterwalze. Dadurch können beispielsweise die Vorteile walzenförmiger Beschichtungselemente in der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Vorzugsweise weist das Beschichtungselement eine Beschichterklinge und/oder eine Bürste auf. Dadurch kann beispielsweise eine einfache Form eines Beschichtungselements für die vorliegende Erfindung verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers, enthält einen erfindungsgemäßen Aus- oder Nachrüstsatz und eine Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen. Die Herstellvorrichtung ist weiter ausgebildet und/oder gesteuert, die Schritte des Auftringens und des selektiven Verfestigens zu wiederholen, bis das Objekt fertiggestellt ist. Mittels einer solchen Herstellvorrichtung kann beispielsweise bei einem Beschichtungsvorgang eine unregelmäßige Verteilung der in dem Pulver enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert und dadurch die Qualität des hergestellten Produkts verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Verfestigungsvorrichtung ebenfalls relativ zu der Bauunterlage drehbar angeordnet. Dadurch können beispielsweise im Wesentlichen zeitgleich eine Beschichtung und eine Verfestigung durchgeführt und dadurch der Herstellvorgang verkürzt werden.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren dient zum Aufbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials in einer Herstellvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensio- nalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers. Die Herstellvorrichtung enthält eine Bauunterlage, auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht. Zum Aufbringen der Schicht des Aufbaumaterials werden die Bauunterlage und ein in dem Beschichter ent- haltenes Beschichtungselement relativ zueinander um eine Rotationsachse gedreht. Das aufgebrachte Aufbaumaterial wird durch das Beschichtungselement zu einer Schicht ausgezogen. Bei der relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung wird eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt, die eine Radialkomponente in Richtung zur R otationsachse aufweist. Mittels eines solchen Beschichtungsverfahrens kann beispielsweise eine unregelmäßige Verteilung der in dem Pulver enthaltenen Partikel nach Korngröße vermieden oder verringert werden.
Vorzugsweise wird ein Winkel zwischen einem Normalenvektor einer Vorderfläche des Beschichtungselements, die im Betrieb in der relativen Drehrichtung des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage vorne liegt, und einer momentanen Bewegungsrichtung des Be- schichtungselements tangential zu der von ihm beschriebenen Kreisbahn und/oder ein Winkel zwischen einer Unterkante des Beschichtungselements und der Rotationsachse in Abhängigkeit von einander und/oder von mindestens einem der folgenden Kriterien gewählt:
Fließfähigkeit eines jeweils bei dem generativen Herstellen eines Objekts verwendeten
Aufbaumaterials, insbesondere Rieselfähigkeit eines Pulvers,
- Geschwindigkeit einer relativen Drehung der Bauunterlage und des Beschichtungselements zueinander im Betrieb der Herstellvorrichtung,
Geometrie des Beschichtungselements in einer Höhenerstreckung des Beschichtungselements ausgehend von einer Position des Beschichtungselements relativ zur Bauunterlage im Betrieb der Herstellvorrichtung. Damit ist beispielsweise der Anstellwinkel einer Be- schichterklinge oder eine andere Art der dreidimensionalen Ausformung des Beschichtungselements gemeint.
Dadurch kann beispielsweise das Beschichtungsverfahren flexibel auf die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Als Geschwindigkeit können unterschiedliche Geschwindigkeitswerte verwendet werden, da die Relativgeschwindigkeit von Bauunterlage und Beschichtungselements entlang des Radius nach außen hin stark zunimmt.
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren dient zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtwciscs Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumater als, vorzugsweise eines Pulvers, auf einer von einer Haltevorrichtung gehaltenen Bauunterlage. Das Verfaliren enthält die Schritte Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht mittels eines Beschichters und Verfestigen der aufgebrachten Schicht selektiv an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung. Die Schritte des Aufbringens und des Verfestigens werden wiederholt. Das Aufbringen der Schicht wird mittels eines erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens durchgeführt Mittels eines solchen Herstellverfahrens kann beispielsweise die Qualität des hergestellten Produkts verbessert werden.
Es ist auch möglich, das Verfestigen zeitgleich mit dem Ausziehen des Pulvers zu einer Pulverschicht durchzuführen. Dabei wird der Laserstrahl auf die Stellen des Baufelds gelenkt, an denen der Beschichter das Pulver bereits zu einer Schicht ausgezogen hat. Die Belichtungseinheit kann auch gemeinsam mit dem Beschichter oder unabhängig von ilxm drehbar angeordnet sein, was besonders für einen Zeilenbelichter vorteilhaft ist.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. ist eine schematische Darstellung eines bei einem Beschichtungsvorgang eintretenden Effekts, wobei Fig. 2a eine teilweise geschnittene Ansicht von der Seite und Fig. 2b eine Draufsicht zeigt. bis d sind verschiedene schematische perspektivische Ansichten eines in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Baufelds. ist eine schematische perspektivische Ansicht eines in einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenen Baufelds. ist eine perspektivische Ansicht des in Fig. 4 gezeigten Baufelds bei Verwendung einer zylinderförmigen Walze als Beschichtungselement. Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des in Fig. 4 gezeigten Baufelds bei Verwendung einer kegelstumpfförmigen Walze als Beschichtungselement.
Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfin- dung beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laser- schmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 an- geordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 1 1 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 1 1 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 1 1 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 1 1 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In Fig. 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13. Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8, Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Beschichter 16 um eine vertikale Achse A drehbar über dem Baufeld 8 angeordnet.
Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein. Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21 , der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozess- kammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird,
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein, Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird, Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Dann wird pulverförmiges Aufbauma- terial 13 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht aufgebracht und durch eine Rotation des Beschichters 16 um die Rotationsachse A im Baufeld 8 zu einer Pulverschicht ausgezogen. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 13 mittels einer Strahlungsheizung 17 auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aulgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Pro- zesskammer 3 entnommen werden kann.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines bei einem Beschichtungsvorgang auftretenden Effekts. Dabei zeigt Fig. 2a eine teilweise geschnittene Ansicht von der Seite und Fig. 2b eine Draufsicht aus einer Richtung senla-echt zu der Bauunterlage 1 1 , 12 bzw. dem Baufeld 8. Der Beschichter enthält ein Beschichtungselement 30, das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht 33 in der Lage ist. In Fig. 2a ist ein Beschichtungselement in Form einer Klinge im Schnitt dargestellt, es können aber auch andere Elemente, beispielsweise in Form einer Bürste oder einer Walze, verwendet werden. Das Beschichtungselement 30 und/oder eine in dessen Drehrichtung D (in Fig. 2b gegen den Uhrzeigersinn), die zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dient, vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 weist vorzugsweise eine horizontale Erstreckung auf, die zumindest im Betrieb eine horizontale Erstreckung der Bauunterlage 1 1 , 12 bzw. des Baufelds 8 im Wesentlichen vollständig überdeckt. Bei einer relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement um 360° wird also eine obere Fläche der Bauunterlage im Wesentlichen vollständig vom Beschichtungselement überstrichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Beschichtungselement 30 so ausgebildet und ange- ordnet, dass bei der Drehung des Beschichters 16 um die vertikale Rotationsachse A in der Drehrichtung D eine Kraft auf das Aufbaumaterial 13 ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse A hin aufweist.
Bei der Rotation des Beschichters 16 über das Baufeld 8 in der Drehrichtung D schiebt das Beschichtungselement 30 das pulverförmige Aufbaumaterial 13 vor sich her, wodurch dieses aufgehäuft wird. Dabei bildet sich vor dem Beschichtungselement 30 eine Anhäufung des Aufbaumaterials aus. Das Pulver 13 in dieser Anhäufung wird dabei so lange durch die Bewegung des Beschichtungselementes 30 und die Reibung des zu beschichtenden Pulvers mit dem Pulverbett (den bereits aufgebrachten und evtl. bereits selektiv verfestigten Pulverschichten in dem Baufeld 8) weiter aufgehäuft, bis eine sich auf der dem Beschichtungselement 30 abgewandten Seite der Pulverschüttung bildende Schräge so steil wird, dass das Pulver 13 die Schräge in der Bewegungsrichtung R2 hinabrieselt.
Wie in Fig. 2b gezeigt, hat die in der Drehrichtung D des Beschichters gegenüber dem Baufeld 8 vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in einer Draufsicht (senkrecht von oben) auf die Bauunterlage zumindest abschnittsweise einen Normalenvektor N, der eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist, so dass ein Winkel α zwischen dem Nornialenvektor N der Vorderfläche 31 und ihrer momentanen Bewegungsrichtung Rl (tangential zu der von ihr beschriebenen Kreisbahn, in Fig. 2b durch einen gestrichelten Kreis dargestellt) größer als 0° ist. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass die Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in der Draufsicht nicht wie bei einem geraden Beschichtungsele- n ent radial verläuft, sondern zu dem Radius einen Winlcel größer 0° einschließt. Im Querschnitt, wie er in Fig. 2a dargestellt ist, verläuft die Vorderfläche 31 vorzugsweise senkrecht zum Baufeld, d.h. in einem Winlcel von 90°, so dass der Normalenvektor N parallel zu der Ebene des Baufelds 8 verläuft, d.h. in einem Winlcel von 0°. Die Vorderfläche 31 kann aber auch schräg verlaufen, beispielsweise in einem Winlcel zwischen 70° und 90° zum Baufeld 8, so dass ein Winlcel zwischen dem Nornialenvektor N und der Ebene des Baufelds 8 zwischen 0 und 20° liegt.
Diese Radialkomponenten des Normalenvektors N in Richtung zur Rotationsachse A hin bewirken, dass auf das vor dem Beschichtungselement 30 hergeschobene aufgehäufte Pulver 13 eine Kraftkomponente in Richtung zur Rotationsachse A, also zum Inneren des Baufelds 8 hin ausgeübt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Anfangsgeschwindigkeit eines in der Bewe- gungsrichtung R2 herunterrieselnden Partikels anfangs nicht tangential zu der Kreisbahn ist, sondern ebenfalls eine nach innen gerichtete Komponente aufweist. Durch geeignete Wahl des Winkels kann der unerwünschte Effekt, dass größere Partikel dazu neigen, sich in den äußeren, von der Rotationsachse A entfernteren Bereichen anzureichern, somit kompensiert oder zumindest verringert werden.
Durch die Radiallcomponenten des Normalenvektors N in Richtung zur Rotationsachse A hin weist die in der zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung D vorne liegende Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 (zumindest in ihrem unteren, näher an dem Baufeld 8 liegenden Abschnitt) in der Draufsicht eine konkave Krümmung auf. Vorzugsweise hat diese Krümmung die Form einer Spirale, in weiter bevorzugter Weise einer logarithmischen Spirale, bei der ein Winlcel zwischen der Vorderfläche und ihrer Bewegungsrichtung konstant ist.
Fig. 3 zeigt vier Beispiele für solche logarithmischen Spiralen. Das Beschichtungselement 30a hat dabei bei seiner Drehbewegung über das Baufeld 8 an jeder Stelle einen Winlcel von 5° zwischen dem Normalen vektor seiner Vorderfläche 31a und der Tangente an der beschriebenen Kreisbahn, das Beschichtungselement 30b einen Winkel von 10°, das Beschichtungsele- ment 30c einen Winkel von 60° und das Beschichtungselement 30d einen Winkel von 80°, Fig. 4 ist eine schematische Schrägansicht auf ein in einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenes Baufeld 8. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Baufeld 8 (d. h. die Oberfläche der jeweils zu verfestigenden Pulverschicht) nicht als ebene Fläche ausgebildet, sondern in Form einer Kegel- oder Kegelstumpffläche eines auf seiner Spitze stehenden Kegels. Das Baufeld 8 bildet also einen Hohlkegel(stumpf) bzw. einen Trichter. Dabei ist die in Fig. 2a gezeigte Unterkante 32 des Beschichtungselements 30, also dessen dem Baufeld zugewandte Seite, nicht parallel zu der Horizontalen H angeordnet, sondern in Richtung zu der Rotationsachse A hin nach unten geneigt bzw. in Richtung von der Rotationsachse A weg nach oben geneigt. Die Unterkante 32 bildet also mit dem von dem Bau- feld 8 aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse A einen Winkel ß von kleiner 90°. Demzufolge bildet auch die Oberfläche einer aufgebrachten Schicht mit diesem Abschnitt der Rotationsachse A einen Winkel von kleiner 90°. Vorzugsweise liegt die Unterkante 32 im Querschnitt im Wesentlichen parallel zum Baufeld 8, sodass beide an korrespondierenden Abschnitten ihrer Erstreckung im Wesentlichen die gleiche Neigung zur Rotationsachse aufweisen. Alternativ kann eine Steigung/Neigung auch durch ein geneigtes Pulverbett mit zuneh- mender Dicke in zunelnnender Entfernung von der Rotationsachse erzeugt werden, indem eine aufgetragene Schicht als Bauunterlage für eine folgende Schicht dient. Anders als in der Figur 2a gezeigt, kann die Unterkante 32 auch zum Baufeld 8 hin spitz zulaufend ausgebildet sein, wie z, B. bei einer scharfen Klinge. Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform zeigt ein Baufeld 8, das sich nicht in einer Ebene erstreckt bzw, planar ausgebildet ist, sondern von einem äußeren Rand zu einem inneren Rand, d. h. in Richtung der Rotationsachse A, geneigt ist. Wenn das Beschichtungselement 30 bei seiner Rotation um die Rotationsachse A das Pulver 13 vor sich herschiebt, rieseln Pulverpartikel eine Schräge der Pulverschüttung hinab (wie in Fig. 2a gezeigt). Die Neigung der Schräge ist in diesem Fall einerseits durch die Ausrichtung der Oberfläche eines Pulvervolumens bestimmt, das sich vor der Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 aufstaut. Andererseits ist sie durch die Neigung des Baufelds 8 in Richtung der Rotationsachse A bestimmt. Zumin- dest gilt dies, wenn die Neigung des Baufelds 8 zu einer Horizontalen immer gleich ist, sodass das Verhältnis von Schwerkraft und Reibungskraft, welches auf eine Bewegung der Pulverpartikel einwirkt, über das gesamte Baufeld 8 hinweg im Wesentlichen einheitlich ist. Gemäß der Orientierung der Schräge liegt eine tatsächliche Bewegungsrichtung des rieselnden Pulvers also zwischen einer Bewegungsrichtung R2, die bei Annahme eines planar ausgebildeten Baufelds 8 einträte, und einer Bewegungsrichtung (nicht bezeichnet), die rein aus einer Neigung des Baufelds 8 zur Rotationsachse 8 bewirkt würde. Die in diesem Ausführungsbeispiel auf die Partikel wirkende Kraft hat also auch eine Komponente parallel zu der Oberfläche des Baufelds 8 nach innen bzw. hin zur Rotationsachse A. Zusätzlich beeinflusst die Gravitationskraft die Bewegung der Pulverpartikel umso stärker, je mein- durch das Rieseln die auf diese Partikel wirkende Reibungskraft gegenüber festsitzendem Pulver verringert ist., Somit wirkt auch in dieser Ausführungsform auf das Aufbaumaterial 13 eine Kraft, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse A hin aufweist. Da diese Radialkomponente allein aus der Geometrie des Baufelds 8 durch die Gravitation erzeugt wird, kann die Vorderfläche 31 des Beschichtungselements 30 in einer Draufsicht (d. h. senkrecht von oben parallel zur Rotationsachse A) auf die Bauunterlage gerade ausgebildet sein, beispielsweise als ebene Fläche oder so, dass zumindest eine Schnittkante der Vorderfläche 31 in einem Schnitt durch die Vorderfläche 31 in einem konstanten Abstand vom Baufeld 8 gerade ist, wobei die Vorderfläche 31 beispielsweise entlang eines Radius um die Rotationsachse A oder parallel zu dem Radius verlaufen kann. Der Neigungswinkel der Unterkante 32 des Beschichtungselements, kann konstant sein.„Konstant" kann sich auf eine Längenerstreckung der Unterkante 32 beziehen; vorzugsweise umfasst der Begriff den Aspekt, dass nicht nur statisch, sondern auch im Verlauf einer Rotationsbewegung die Unterkante 32 des Be- schichtungselements 30 die immer gleiche Neigung relativ zur Rotationsachse A, besonders bevorzugt relativ zum Baufeld 8 aufweist. Der Neigungswinkel kann sich aber auch abhängig vom Radius ändern, wodurch sich eine im Querschnitt gekrümmte Oberfläche des Baufelds 8 ergibt. Vorzugsweise ist dieser Neigungswinkel einstellbar, wobei die Einstellbarkeit beide oben genannten Aspekte betreffen kann.
Die Neigung des Baufelds 8 in Richtung der Rotationsachse A ist in dieser Ausführungsform durch die Neigung der Unterkante 32 des Beschichtungselements 30 bestimmt. Auch die ver- wendete Bauunterlage (Grundplatte 1 1 und/oder Bauplattform 12) kann trichterförmig in diesem Winkel nach innen geneigt sein. Alternativ kann beispielsweise auch, wie in der ersten Ausführungsform, eine ebene Bauunterlage 1 1 , 12 verwendet werden, auf der zunächst soviel Pulver aufgebracht wird, bis sich durch die relative Bewegung zwischen der Bauunterlage 1 1 , 12 und dem Beschichtungselement 30 das gemäß dieser Ausführungsform trichterförmige Baufeld 8 ergibt.
Da in dieser Ausführungsform ein gerade ausgebildetes Beschichtungselement 30 verwendet werden kann, ist es auch möglich, dass dieses eine um ihre Längsachse drehbare Beschichter- walze aufweist. Dabei liegt eine Kontaktfläche der Beschichterwalze, die im Betrieb auf die Bauunterlage aufgetragenes Pulver berührt, vorzugsweise stets parallel zur Bauunterlage bzw. zu einer zuvor aufgetragenen Schicht, also parallel zu dem Baufeld 8, sodass eine Schicht mit einer einheitlichen Schichtdicke erzeugt wird. Die Beschichterwalze ist in einer Drehung um ihre Längsachse vorzugsweise derart angesteuert, dass im Betrieb der Anordnung eine Abso- lutbewegung der Oberflächen von Beschichterwalze und Bauplattform (bzw, jeweils oberster Pulverschicht) erzeugt wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Beschichterwalze zylinderförmig gebildet sein mit einheitlichem Radius, wobei eine Längsachse 41 der Beschichterwalze 40 im Betrieb vorzugsweise parallel zu einer durch die Beschichterwalze 40 überdeckten Oberfläche des Baufelds 8 liegt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, kann die Beschichterwalze aber auch unregelmäßig gebildet sein mit uneinheitlichem Radius, vorzugsweise als Kegelwalze 50, z. B. entsprechend einem Unterschied zwischen Innenumfang und Außenumfang eines ringförmigen Baufelds 8, sodass die Walze bei einer vollständigen Umdrehung entlang ihrer Erstreckung stets im Wesentlichen denselben Anteil einer Kreislinie des Baufelds 8 zurücklegt. Anders ausgedrückt, nimmt ein Radius der kegel- oder kegelstumpfförmigen Beschichterwalze 50, d. h. ein Abstand ihrer Oberfläche von ihrer Längsachse 51 , vorzugsweise proportional zu einem Abstand von der Rotationsachse A der relativen Bewegung zwischen der Bauunterlage 1 1 , 12 bzw. dem Baufeld 8 und dem Beschichtungselement 30 zu. Eine solche als Kegel oder Kegelstumpf ausgeformte Beschichterwalze hat vorzugsweise ein Verhältnis von geringstem zu größtem Umfang auf ihrer Oberfläche bzw. einen Verlauf zwischen dem geringsten und dem größten Umfang, welche identisch sind mit einem Verhältnis von einem geringsten zu einem größten Umfang konzentrischer Kreislinien auf einer ringför- migen Bauplattform bzw. mit einem Verlauf zwischen dem geringsten und dem größten Umfang der konzentrischen Kreislinien auf der Bauplattform. Dabei entspricht der Umfang der Beschichterwalze vorzugsweise einer Sclinittlinie einer Sclinittebene senkrecht zur Längsachse 51 mit der Oberfläche der Beschichterwalze. Weiterhin ist der Kegel bzw. Kegelstumpf ein gerader Kreiskegel bzw. Kreiskegelstumpf. Der Verlauf zwischen den Umfangen kann linear sein und ist bevorzugt stufenlos, sodass eine Oberfläche der Beschichterwalze ebenmäßig ausgebildet ist,
Eine lokale Drehgeschwindigkeit, d. h. eine Geschwindigkeit an einzelnen Oberflächenstellen der Beschichterwalze entlang der Erstreckung ihrer Längsachse 41 , 51 ist im Betrieb der An- Ordnung aus Beschichterwalze und Bauplattform vorzugsweise lokal möglichst identisch mit einer radial nach außen hin zunehmenden lokalen Beschichtungsgeschwindigkeit im Zusammenwirken der Beschichterwalze mit einer ringförmigen planaren oder hohlkegeligen Bau- plattform bzw. Pulveroberfläche. Die Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen können, soweit möglich, miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann auch die Vorderfläche eines Beschichtungsele- ments gemäß der zweiten Ausführungsform konkav gekrümmt sein, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvomch- tung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Lasersclimelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden.
Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emit- ting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedelinte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden.
Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Aus- oder Nachrüstsatz für eine Herstellvorrichtung (1) zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13), vorzugsweise eines Pulvers, enthaltend:
eine Bauunterlage (1 1 , 12), auf der das Objekt (2) aufgebaut werden soll, und einen Beschichter (16) zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht,
wobei der Beschichter ein Beschichtungselement (30) enthält, das zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht in der Lage ist,
die Bauunterlage und das Beschichtungselement so angeordnet sind, dass sie relativ zueinander um eine Rotationsachse (A) drehbar sind, und
das Beschichtungselement so ausgebildet und angeordnet ist, dass bei der relativen Drehung zwischen der Bauunterlage und dem Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung (D) eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist.
2. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 1 , bei dem das Beschichtungselement (30) so ausgebildet und angeordnet ist, dass seine in der relativen Drehrichtung (D) des Beschich- tungselements gegenüber der Bauunterlage (1 1 , 12) vorne liegende Vorderfläche (31) in einer Draufsicht auf die Bauunterlage zumindest abschnittsweise einen Normalenvektor (N) hat, der eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse (A) hin aufweist.
3. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Beschichtungselement (30) so ausgebildet und angeordnet ist, dass seine in der relativen Drehrichtung (D) des Be- schichtungselements gegenüber der Bauunterlage (1 1 , 12) vorne liegende Vorderfläche (31) zumindest in ihrem unteren, näher an der Bauunterlage (1 1 , 12) liegenden Abschnitt, in der Draufsicht zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist.
4. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Beschich- tungselement (30) so ausgebildet und angeordnet ist, dass seine Vorderfläche (31) in der Draufsicht zumindest abschnittsweise in Form einer Spirale gekrümmt ist!
5. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 4, bei dem die Spirale in einer Draufsicht auf die Bauunterlage (1 1 , 12) eine logarithmische Spirale ist, bei der ein Winkel (a) zwischen einem Normalenvektor (N) der Vorderfläche und ihrer momentanen Bewegungsrichtung (Rl ) tangential zu der von ihr beschriebenen Kreisbahn konstant ist,
6. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 5, bei dem der Winkel (a) mindestens 0,5°, vorzugsweise mindestens 1 ,5°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder höchstens 80°, vorzugsweise höchstens 45°, besonders bevorzugt höchstens 30° beträgt.
7. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Beschich- tungselement (30) so ausgebildet und angeordnet ist, dass seine Unterkante (32) zu der Rotationsachse (A) hin nach unten geneigt ist und mit dem von der Bauunterlage (1 1 , 12) aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse (A) einen Winkel (ß) kleiner 90° bildet.
Aus- oder Nachrüstsatz gemäß Anspruch 7, bei dem
der Neigungswinkel der Unterkante (32) konstant ist und/oder
der Neigungswinkel der Unterkante einstellbar ist.
9. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, bei dem in einem Schnitt durch eine Vorderfläche (31 ) des Beschichtungselements (30) in einer Ebene, die mit dem von der Bauunterlage (1 1 , 12) aus nach oben weisenden Abschnitt der Rotationsachse (A) denselben Winkel (ß) bildet wie die Unterkante (32) des Beschichtungselements (30), eine Schnittkante der Vorderfläche (31 ) in einer Draufsicht auf die Bauunterlage (1 1 , 12) gerade ist.
10. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Beschich- tungselement (30) eine um ihre Längsachse drehbare Beschichterwalze (40, 50) aufweist, welche vorzugsweise zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: - die Beschichterwalze ist eine zylindrische Walze (40), deren Längsachse (41 ) im Betrieb vorzugsweise parallel zu einer durch die Beschichterwalze (40) überdeckten Oberfläche der Bauunterlage ( 1 1 , 12) liegt;
- die Beschichterwalze ist eine kegel- oder kegelstumpfförmige Walze (50), deren Ra- dius vorzugsweise proportional zu einem Abstand von der Rotationsachse (A) zunimmt;
- eine Kontaktfläche der Beschichterwalze (40, 50), die im Betrieb auf die Bauunterlage aufgetragenes Pulver (13) berührt, liegt vorzugsweise stets parallel zur Bauunterlage (1 1 , 12) bzw. zu einer zuvor aufgetragenen Schicht,
1 1. Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Beschich- tungselement (30) eine Beschichterklinge und/oder eine Bürste aufweist.
12. Herstellvorrichtung ( 1 ) zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13), vor- zugsweise eines Pulvers, enthaltend
einen Aus- oder Nachrüstsatz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 und
eine Verfestigungsvorrichtung (20) zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen,
wobei die Herstellvorrichtung weiter ausgebildet und/oder gesteuert ist, die Schritte des Aufbringens und des selektiven Verfestigens zu wiederholen, bis das Objekt fertiggestellt ist, wobei die Verfestigungsvorrichtung vorzugsweise ebenfalls relativ zu der Bauunterlage ( 1 1 , 12) drehbar angeordnet ist.
13. Beschichtungsverfahren zum Aufbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials (13) in einer Herstellvorrichtung ( 1 ) zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers,
wobei die Herstellvorrichtung eine Bauunterlage ( 1 1 , 12), auf der das Objekt aufgebaut werden soll, und einen Beschichter (16) zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht, enthält, wobei zum Aufbringen der Schicht des Aufbaumaterials die Bauunterlage und ein in dem Beschichter enthaltenes Beschichtungselement (30) relativ zueinander um eine Rotationsachse (A) gedreht werden,
das aufgebrachte Aufbaumaterial durch das Beschichtungselement zu einer Schicht ausgezogen wird, und
bei der relativen Drehung zwischen Bauunterlage und Beschichtungselement in einer zum Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht dienenden Drehrichtung (D) eine Kraft auf das Aufbaumaterial ausgeübt wird, die eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse hin aufweist.
14. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 13, bei dem
ein Winkel zwischen einem Normalenvektor (N) einer Vorderfläche (31) des Beschichtungselements (30), die im Betrieb in der relativen Drehrichtung D des Beschichtungselements gegenüber der Bauunterlage (1 1 , 12) vorne liegt, und einer momentanen Bewegungsrichtung (Rl ) des Beschichtungselements tangential zu der von ihm beschriebenen Kreisbahn und/oder ein Winkel zwischen einer Unterkante (32) des Beschichtungselements und der Rotationsachse (A) in Abhängigkeit von einander und/oder von mindestens einem der folgenden Kriterien gewählt wird:
- Fließfähigkeit eines jeweils bei dem generativen Herstellen eines Objekts verwendeten Aufbaumaterials (13), insbesondere Rieselfähigkeit eines Pulvers,
- Geschwindigkeit einer relativen Drehung der Bauunterlage und des Beschichtungselements zueinander im Betrieb der Herstellvorrichtung (1 ),
- Geometrie des Beschichtungselements in einer Höhenerstreckung des Beschichtungselements ausgehend von einer Position des Beschichtungselements relativ zur Bauunterlage (1 1 , 12) im Betrieb der Herstellvorrichtung.
15. Herstellverfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13), vorzugsweise eines Pulvers, auf einer von einer Haltevorrichtung (10) gehaltenen Bauunterlage (1 1 , 12) mit den Schritten:
Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials auf die Bauunterlage oder eine bereits zuvor aufgebrachte Schicht mittels eines Beschichters (16) und Verfestigen der aufgebrachten Schicht selektiv an Stellen, die einem Quersclinitt des herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung (20),
wobei die Schritte des Aufbringens und des Verfestigens wiederholt werden, bis das Objekt fertiggestellt ist, und
das Aufbringen der Schicht mittels eines Beschichtungsverfahrens gemäß Anspruch 13 oder 14 durchgeführt wird,
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210008806A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 Eos Gmbh Electro Optical Systems Calibration method and a detection device for a coating unit of an additive manufacturing device
US20230166443A1 (en) * 2017-02-11 2023-06-01 DP Polar GmbH Method and Device for Producing a Three-Dimensional Shaped Object by Means of Layer-by-Layer Material Application

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006055052A1 (de) 2006-11-22 2008-05-29 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
DE102014218639A1 (de) 2014-09-17 2016-03-31 Mtu Aero Engines Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum generativen Aufbauen einer Werkstückanordnung
DE102014221885A1 (de) * 2014-10-28 2016-04-28 Koenig & Bauer Ag Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von mindestens einem dreidimensionalen Werkstück

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10235434A1 (de) * 2002-08-02 2004-02-12 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eins dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Fertigungsverfahrens
DE102005025199A1 (de) * 2004-05-01 2006-12-07 Laserinstitut Mittelsachsen E.V. Vorrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern
DE202007016591U1 (de) * 2007-11-24 2008-02-07 Hochschule Mittweida (Fh) Vorrichtung zum Rakeln mit einer in sich geschlossenen Rakel
DE102010041284A1 (de) * 2010-09-23 2012-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum selektiven Lasersintern und für dieses Verfahren geeignete Anlage zum selektiven Lasersintern
DE102013206458A1 (de) * 2013-04-11 2014-10-16 Eos Gmbh Electro Optical Systems Rotationsbeschichter und Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Objekts mit dem Rotationsbeschichter
DE102016214249A1 (de) * 2016-08-02 2018-02-08 Technische Universität Dresden Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006055052A1 (de) 2006-11-22 2008-05-29 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
DE102014218639A1 (de) 2014-09-17 2016-03-31 Mtu Aero Engines Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum generativen Aufbauen einer Werkstückanordnung
DE102014221885A1 (de) * 2014-10-28 2016-04-28 Koenig & Bauer Ag Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von mindestens einem dreidimensionalen Werkstück

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230166443A1 (en) * 2017-02-11 2023-06-01 DP Polar GmbH Method and Device for Producing a Three-Dimensional Shaped Object by Means of Layer-by-Layer Material Application
US11745411B2 (en) * 2017-02-11 2023-09-05 DP Polar GmbH Method and device for producing a three-dimensional shaped object by means of layer-by-layer material application
US20210008806A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 Eos Gmbh Electro Optical Systems Calibration method and a detection device for a coating unit of an additive manufacturing device
US11752699B2 (en) * 2019-07-09 2023-09-12 Eos Gmbh Electro Optical Systems Calibration method and a detection device for a coating unit of an additive manufacturing device

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