WO2021098898A2

WO2021098898A2 - 3d-druckvorrichtung mit vorteilhafter bauraumgeometrie

Info

Publication number: WO2021098898A2
Application number: PCT/DE2020/000285
Authority: WO
Inventors: Ingo Ederer; Christoph Scheck; Melanie Weigel
Original assignee: Voxeljet Ag
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US20230081209A1; EP4061617A2; DE102019007983A1; CN114829110A; WO2021098898A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung mit vorteilhafter Bauraumgeometrie.

Description

3D-Druckvorrichtung mit vorteilhafter Bauraumgeometrie

Beschreibung

In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (Recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter- /Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (3D-Bauteil, Formteil).

Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben

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BESTÄTIGUNGSKOPIE danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.

In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping- Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern oder High-Speed-Sintering bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.

Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.

In den bekannten Vorrichtungen von 3D-Druckmaschinen sind das Baufeld und der Bauraum entsprechend den weiteren Anforderungen der Maschine zugeschnitten. Ein primäres Ziel bei der Konstruktion kann auch die Bereitstellung von einem bestimmten Bauvolumen sein, um entsprechend kleine oder große Bauteile drucken zu können.

In den unterschiedlichen 3D-Druckverfahren wie Lasersintern, Ink-Jet- Binding, High-Speed-Sintering-Verfahren, etc. werden unterschiedliche Verfahrensbedingungen angewendet oder sind je nach dem Verfahren erforderlich, wodurch das weitere Maschinendesign und die weiteren Verfahrensparameter bestimmt werden. Auch haben hier die verwendeten Baumaterialien und Druckkomponenten einen Einfluss.

Insbesondere das Bauvolumen von bekannten 3D-Druckmaschinen wird von vielen Faktoren beeinflusst. Zum einen gibt es Anforderungen, die durch die zu druckenden Bauteile gegeben sind. Wenn der Kunde z.B. ein Bauteil mit einer Hauptabmessung von 500 mm herstellen möchte, sollte der 3D-Drucker über ein Bauvolumen verfügen, das diese Dimension mindestens in einer Richtung aufweist. Andererseits sind bei der Wahl des Bauvolumens auch Prozessparameter wie z.B. die Bauvolumengeschwindigkeit zu berücksichtigen. Diese bestimmt, wie lange der 3D-Drucker für die Prozessierung eines vollen Bauvolumens benötigt. Vorteilhafterweise sind bei einem industriellen 3D-Drucker Bauvolumen und Bauvölumengeschwindigkeit so zueinander gewählt, dass ein voller Job innerhalb von 24 h gedruckt und die Anlage mit einem neuen Job gestartet werden kann. In diesem Fall lässt sich ein 3D-Drucker in einem Einschichtbetrieb mit hoher Auslastung betreiben. Voraussetzung ist allerdings, dass der 3D-Drucker mannlos z.B. über Nacht betrieben werden kann. Wenn die Bauvolumengeschwindigkeit des 3D-Druckers sehr hoch gegenüber dem Bauvolumen ist, kann das Bauvolumen auch so gewählt werden, dass ein Job innerhalb einer Tagschicht von 8 - 10 h fertig gestellt werden kann und ein weiterer Job über Nacht in weniger als 14 h gebaut werden kann. Eine weitere Verkleinerung des Verhältnisses von Bauvolumen zu Bauvolumengeschwindigkeit bedingt dann entweder eine mehrschichtige Präsenz der Bediener oder eine weitergehende Automatisierung der Vor- und Nachprozesse, um die höhere Produktivität nutzen zu können.

Daneben wird das Bauvolumen eines 3D-Druckers auch durch Prozessgrenzen definiert. Die Skizze in Fig. 1 zeigt z.B. eine handelsübliche Vorrichtung wie sie beim Lasersintern zum Einsatz kommt. Dabei wird ein Laser 105 über eine Spiegelvorrichtung 106 abgelenkt, bevor er durch ein Schutzglas und/oder ein Linsensystem 107 hindurch tritt, um eine Figur 102 auf der Baufeldoberfläche 101 zu zeichnen. Am Auftreffpunkt des Lasers auf das Partikelmaterial wird dieses gesintert und somit Schichtweise ein Formkörper 102 erstellt. Die Prozesskammer ist nach oben durch den Deckel 108 begrenzt, um die Temperatur zu halten und Konvektion zu vermeiden. Bei der Vorrichtung wird in der Regel eine quadratische Prozessoberfläche bevorzugt. Grund hierfür ist der begrenzte Operationsbereich der Laseroptik, begründet durch die Größe des kostenintensiven Schutzglases 107 und dem Verlust des Fokus des Laserstrahls bei maximalen Ablenkwinkeln. Entsprechend weisen typische Baufeldabmessungen 200 mm bis 400 mm im Quadrat auf. Größere Abmessungen erschweren das Temperaturmanagement, das eine möglichst konstante Baufeldtemperatur erfordert. Zudem stehen die Mehraufwendungen für die notwendige größere Optik zur Fokussierung des Lasers und die benötigte zusätzliche Laserleistung nicht im Verhältnis zum gewonnenen Bauraum.

Zwar gibt es marktverfügbar Vorrichtungen mit zwei Lasersystemen, um die bedienbare Prozessoberfläche in einer Dimension zu verdoppeln. Dabei ist aber mit Qualitätseinbußen zu rechnen, da u.a. die Ausrichtung an der Nahtstelle der beiden Laserfelder sich als schwierig erweist.

In einem anderen 3D-Druckverfahren, das unter dem Begriff High-Speed- Sintering in der Fachwelt bekannt ist, erfolgt die Verfestigung des Partikelmaterials über Eintrag von Infrarotstrahlung. Das Partikelmaterial wird dabei physikalisch über einen Aufschmelzvorgang gebunden. Hierbei wird die vergleichsweise schlechte Aufnahme von Wärmestrahlung bei farblosen Kunststoffen ausgenutzt. Diese lässt sich durch Einbringen eines IR-Akzeptors (Absorber) in den Kunststoff um ein Vielfaches steigern. Die IR- Strahlung kann dabei über verschiedene Möglichkeiten wie z.B. einer stabförmigen IR-Lampe eingebracht werden, die gleichmäßig über das Baufeld bewegt wird. Die Selektivität wird über das gezielte Bedrucken der jeweiligen Schicht mit einem IR-Akzeptor erreicht.

An den Stellen, die bedruckt wurden, koppelt die IR Strahlung dadurch wesentlich besser in das Partikelmaterial ein, als in den unbedruckten Bereichen. Dies führt zu einer selektiven Erwärmung in der Schicht über den Schmelzpunkt hinaus und damit zur selektiven Verfestigung. Dieser Prozess wird z.B. in EP1740367B1 und EP1648686B1 beschrieben.

Da bei 3D-Druckverfahren nach dem High-Speed-Sintering kein Lasersystem zum Einsatz kommt, unterliegt dieses den oben beschriebenen Begrenzungen des Lasersinterns nicht. Man kann aber feststellen, dass in bekannten 3D-Druckmaschienen die Bauraumgeometrie und Dimensionierung in Bezug auf andere Maschinen- und Verfahrensmerkmale nicht immer optimal gewählt sind.

Das kann sich nachteilig auf die Prozessgeschwindigkeit oder/und andere Maschinen- und Verfahrensparameter auswirken und so zu suboptimalen Prozessen führen und Nachteile in Hinblick auf Wirtschaftlichkeit, Qualität oder sonstige Nachteile beinhalten.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die in Hinblick auf ihre Bauraumgeometrie oder/und die Abmessungen der Baufläche oder/und des Bauraumes für ein 3D-High- Speed-Sintering-Verfahren oder ein 3D-Laser-Sinter-Verfahren verbessert sind, oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz vermeiden werden.

Es ist deshalb eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Bauraumgeometrie oder/und die Abmessungen der Baufläche oder/und des Bauraumes und das Zusammenspiel mit anderen Verfahrensparametern in einem 3D-High-Speed- Sintering-Verfahren oder einem 3D-Laser-Sinter-Verfahren verbessert oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz zu vermeiden hilft.

Kurze Zusammenfassung der Offenbarung

In einem Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckvorrichtung mit optimierter Bauraumgeometrie für ein High-Speed-Sintering-Verfahren oder ein Laser-Sinter-Verfahren oder einem Sinter-Verfahren oder ein Multi-Jet- Fusion-Verfahren, wobei die Bauraumgeometrieachsen im Größenverhältnis Y > X > Z vorliegen und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0 beträgt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckvorrichtung zur Verwendung in einem High-Speed-Sintering-Verfahren oder einem Laser- Sinter-Verfahren oder einem Sinter-Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion- Verfahren, wobei der Bauraum gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0 beträgt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Kombination der hierin offenbarten Bauraumgeometrie mit einem doppelt gekühlten Sinteraggregat, wobei ein erster geschlossener Kühlluftkreislauf mit einem zweiten, vorzugsweise fluidbasierten, Kühlluftkreislauf gekoppelt ist.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein High-Speed-Sintering- Verfahren oder Laser-Sinter-Verfahren oder ein Sinter-Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei das Verfahren alle weiteren für ein 3D-Druckverfahren notwendigen Verfahrensschritte und Verfahrensmittel umfasst, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, der gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y- Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0 beträgt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine Sintermaschine mit Laser nach dem Stand der Technik Figur 2 zeigt Einfluss einer jeden Dimension des Prozessfeldes auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der additiven Fertigung nach dem High- Speed-Sintering - Verfahren.

Figur 3 zeigt eine Skalierung der Abkühlzeit t_c mit der Vergrößerung in einer Dimension, bei konstantem X und Y.

Figur 4 zeigt dass sich aus den oberen Figuren somit in der Gesamtbetrachtung ein bevorzugtes Dimensionsverhältnis von Y > X > Z ergibt, wie hier schematisch skizziert. Dargestellt sind ebenso wie die erzeugten Formkörperschnitte auf der Oberfläche, die einzelnen Schichten des Bauprozesses.

Figur 5 zeigt ein sich aus den hierin offenbarten Überlegungen zum Dimensionsverhältnis des Prozessfeldes beispielhaft ergebendes Konzept einer Vorrichtung zur additiven Fertigung nach dem Verfahren des High- Speed-Sintering; gezeigt ist die Sicht von oben (XY-Ebene), sowie von vorne (XZ-Ebene).

Figur S2 zeigt einen Schnitt durch eine Sinteraggregat-Vorrichtung als Konsequenz der Baufeldgeometrie in XZ-Ebene.

Figur S3 zeigt ein Sinteraggregat in der Seitenansicht (YZ-Ebene) mit Luftstrom.

Figur S4 zeigt Sinteraggregat frontal in XZ-Ebene mit Ventilatoren.

Figur Hl zeigt eine Flächenheizung nach dem Stand der Technik.

Figur H2 zeigt eine Infrarotflächenheizung mit zeitlicher und örtlicher Regelung und die daraus resultierende Oberflächentemperatur.

Figur H3 zeigt eine Strahlereinheit nach der Offenbarung mit beispielhafter eingezeichneter Anordnung von Messinstrumenten.

Figur H4 zeigt eine beispielhafte Strahlereinheit nach der Offenbarung mit einer Anordnung von Gruppen von Infrarotstrahlern, welche in einzelne Heizkreise zusammengefasst sind.

Fig. H5 zeigt beispielhafte schematisch Ausführung von Strahlern in einer Strahlereinheit nach der Offenbarung mit Regelung. Ausführliche Beschreibung der Offenbarung

Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine 3D- Druckvorrichtung zur Verwendung in einem High-Speed-Sintering-Verfahren oder einem Laser-Sinter-Verfahren oder einem Sinter- Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein High- Speed-Sintering-Verfahren oder Laser-Sinter-Verfahren oder Sinter- Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei das Verfahren alle weiteren für ein 3D-Druckverfahren notwendigen Verfahrensschritte und Verfahrensmittel umfasst, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, der gekennzeichnet ist durch eine X- Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.

Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren" bzw. „3D- Druckverfahren" oder „3D-Verfahren" oder „3D-Druck" alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind. Unter „Binder-Jetting" im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens- Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV- Strahlung benötigen.

Im „High-Speed-Sintering-Verfahren" im Sinne der Offenbarung wird eine dünne Schicht aus Kunststoffgranulat, wie beispielsweise PA12 oder TPU, auf eine Bauplattform (Baufeld), die vorzugsweise beheizt ist, aufgetragen. Folgend fährt ein Tintenstrahldruckkopf großflächig über die Plattform und benetzt die Bereiche des Baufelds mit Infrarotlicht absorbierender Tinte (IR- Absorber, IR-Akzeptor), an denen der Prototyp entstehen soll. Anschließend wird die Bauplattform mit Infrarot-Licht bestrahlt. Die benetzten Bereiche absorbieren die Hitze wodurch die darunterliegende Pulverschicht versintert. Das unbedruckte Pulver bleibt jedoch lose. Nach dem Sintern senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke ab. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Aufbau eines Bauteiles abgeschlossen ist. Anschließend werden die gesinterten Teile im Bauraum kontrolliert abgekühlt, bevor sie entnommen und entpackt werden können. Es kann hierbei auch von Vorteil sein, wenn neben einer Sinterlampe auch eine Overheadlampe oder ein Strahleraggregat verwendet wird, die unterschiedliche Wellenlängenspektren verwenden, wobei sich das Wellenlängenspektrum im Wesentlichen nicht überschneidet. In einer Variation kann zusätzlich zu dem IR-Absorber ein sog. Detailing- Agent eingedruckt werden, die zum Kühlen der damit bedruckten Bereiche dient. Eine Variante des High-Speed-Sintering-Verfahren wird auch als Fusion-Jet-Verfahren bezeichnet, wobei der Druckkopf eine wärmeleitende Flüssigkeit (oft bezeichnet als „Fusing Agent", was dem Absorber entspricht) auf eine Schicht des Partikelmaterials aufgespritzt wird. Sofort nach dem Druck wird eine Hitzequelle (Infrarotlicht) eingesetzt. Die Bereiche, auf welche der „Fusing Agent" aufgetragen wurde, werden stärker erhitzt als das Pulver ohne diese Flüssigkeit. Somit werden die erforderlichen Bereiche zusammengeschmolzen. Ein weiterer Zusatz wird dann verwendet, der auch als sogenannte „Detailing Agent" bezeichnet wird und zum Isolieren genutzt wird. Dieser selektive Eindruck erfolgt um die Bereiche herum, auf welche das „Fusing Agent" oder Absorber" aufgedruckt wurde. Dieser Zusatz soll eine scharfe Kantenbildung fördern. Dieses Ziel soll dadurch erreicht werden, dass die Temperaturunterschiede zwischen bedrucktem und ungenutztem Pulver signifikanter werden. Ein Verfahren mit diesen zwei Druckflüssigkeiten kann auch als Multi-Jet-Fusion-Verfahren bezeichnet werden.

„Laser-Sinter-Verfahren" im Sinne der Offenbarung ist ein 3D- Druckverfahren, bei dem das Partikelmaterial mittels Laser selektiv verfestigt wird.

„3D-Formteil", „Formkörper" oder „Bauteil" im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.

„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird. Der Bauraum kann auch durch die Achsen X, Y, Z beschrieben werden.

Als „Baumaterial" oder „Partikelmaterial" oder „Pulver" oder „Pulverschüttung" im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden.

In der vorliegenden Anmeldung werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.

Der „Partikelmaterialauftrag" ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform (Baufeld) oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung" oder „Recoaten" genannt.

„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" oder „selektiver Binderauftrag" kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.

Als „Vorrichtung" zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Job-Box, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.

Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht" oder „Schichtstärke" aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,06 bis 2 mm oder 0,06 bis 0,15 mm, besonders bevorzugt 0,06 bis 0,09 mm.

„Beschichter" oder „Recoater" oder „Materialauftragsmittel" im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid wie z.B. Partikelmaterial wie z.B. mineralische oder metallische Materialien oder Kunststoffe, Holz in Form von Partikeln oder Gemische davon auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung" umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere

Materialfördereinrichtungen erfolgen. Eine „Beschichterklinge" im Sinne der Offenbarung ist ein im Wesentlichen flaches metallisches oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigtes Bauteil, das sich an der Austrittsöffnung des Beschichters befindet und über das das Fluid auf die Bauplattform abgegeben und glatt gestrichen wird. Ein Beschichter kann eine oder zwei oder mehrere Beschichterklingen aufweisen. Eine Beschichterklinge kann eine Schwingklinge sein, die Schwingungen im Sinne einer Drehbewegung ausführt, wenn sie angeregt wird. Weiterhin kann diese Schwingung ein- und ausgestellt werden durch ein Mittel zum Erzeugen von Schwingungen. Je nach der Anordnung der Austrittsöffnung ist die Beschichterklinge im Sinne der Offenbarung „im Wesentlichen waagerecht" oder „im Wesentlichen senkrecht" angeordnet.

Der „Vorlagebehälter" oder „Vorwärmbehälter" ist im Sinne der Offenbarung ein Behälter, der Partikelmaterial enthält und eine Menge davon nach jeder Schicht oder nach einer beliebigen Anzahl von Schichten an den Beschichter abgibt. Der Vorlagebehälter kann sich dazu vorteilhafterweise über die gesamte Breite eines Beschichters erstrecken. Der Vorlagebehälter verfügt am unteren Ende über einen Verschluss, der das Partikelmaterial am ungewollten Austreten hindert. Der Verschluss kann z.B. als Zellradschleuse, als einfacher Schieber oder andere geeignete Mechanismen nach dem Stand der Technik ausgebildet sein. Ein Vorlagebehälter im Sinne der Offenbarung kann Partikelmaterial für mehr als eine Schicht enthalten. Vorzugsweise enthält der Vorlagebehälter sogar Partikelmaterial für die Ausbringung von 20 oder mehr Schichten. Das Partikelmaterial kommt entweder über eine Förderstrecke aus einem größeren Vorrat in Form eines Silos oder eines Big- Bags oder wird händisch in den Behälter gefüllt. Die Füllung erfolgt vorzugsweise durch eine Öffnung am oberen Rand. Dadurch kann eine Förderung des Partikelmaterials im Vorlagebehälter durch die Schwerkraft erfolgen und es sind damit keine weiteren Fördereinrichtungen im Behälter notwendig. Eventuell verfügt der Vorlagebehälter auch über Rüttelmechanismen, die eine Brückenbildung des Partikelmaterials im Behälter verhindern. Der Vorlagebehälter weist einen Bereich auf, der das Partikelmaterial aufnimmt, der sich üblicherweise zwischen den

Seitenwänden und dem Verschluss befindet. Nach der Offenbarung ist es vorteilhaft, wenn in dem Bereich, der das Partikelmaterial aufnimmt, ein Heizmittel angeordnet ist. Das Heizmittel ist so angeordnet, dass das Partikelmaterial das Heizmittel umfließt und somit die Aufheizung des Partikelmaterials verbessert wird. Der Vorlagebehälter kann stationär angeordnet sein, wobei dieser dann z.B. über der Halteposition des Beschichters angeordnet sein kann oder über dem Baufeld. Die Nachfüllung kann dann je nach Bedarf oder/und Steuerung der Volumenmenge mit vortemperiertem Partikelmaterial durch ein Verfahren des Beschichters an bzw. unterhalb des Vorlagebehälters erfolgen. Der Vorlagebehälter kann aber auch mit dem Beschichter lösbar oder nicht-lösbar verbunden sein. Es kann auch vorteilhaft sein aus Konstruktions- oder/und Kostengründen, dass der Beschichter nicht beheizbar ist. Der Beschichter kann dann über eine passive Isolierung verfügen. Der Beschichter kann aber auch überhaupt nicht beheizt und auch nicht mit einer Isolierung versehen sein, wenn das vorgeheizte Partikelmaterial in einem Volumen an den Beschichter abgegeben wird, das im Wesentlichen einem Schichtvolumen entspricht oder dem 1,2- bis 2- Fachen davon und es so praktisch ohne Verweildauer im Beschichter und damit im Wesentlichen ohne Wärmeverlust auf das Baufeld aufgetragen werden kann.

„Kühlmittel" im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das eine Strahlereinheit kühlen kann wie z.B. Wasser oder eine andere Flüssigkeit oder ein Gasgebläsestrom.

Die „Aufheizphase" im Sinne der Offenbarung kennzeichnet ein Erwärmen der Vorrichtung zu Beginn des Verfahrens. Die Aufheizphase ist abgeschlossen, wenn die Ist-Temperatur der Vorrichtung einen stationären Wert erreicht. Die „Abkühlphase" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Dauer, die notwendig ist, um das Partikelmaterial so abzukühlen, dass die darin enthaltenen Bauteile keine merklichen plastischen Deformationen beim Entnehmen aus dem Bauraum erfahren bzw. die "Abkühlzeit" im Sinne der Offenbarung ist die Zeitspanne, die abgewartet werden muss, bevor durch das Sinterverfahren erzeugte Formkörper aus dem Bauraum entnommen werden können, ohne beschädigt zu werden. Als Abkühlzeit wird meist die Zeit angegeben, die minimal benötigt wird, wenn die Außenseiten des Bauraums maximal gekühlt werden und wird meist so angegeben, dass der heißeste Ort des Bauraumvolumens die Wärmeformbeständigkeitstemperatur des verwendeten Materials sicher unterschreitet.

Der „Absorber" oder „IR-Absorber" oder „IR-Akzeptor" ist im Sinne dieser Offenbarung ein mit einem Tintenstrahldruckkopf oder mit einer anderen matrixartig arbeitenden Vorrichtung verarbeitbares Medium, das die Absorption von Strahlung zur lokalen Erwärmung des Baumaterials fördert. Der Absorber kann auch partikelförmig sein wie beispielsweise schwarzer Toner. Absorber können gleichmäßig oder in unterschiedlichen Mengen selektiv aufgebracht werden. Der Absorber kann z.B. als Gemisch von Absorbern mit unterschiedlichen Absorptionsmaxima aufgebracht werden oder unterschiedliche Absorber unabhängig voneinander, z.B. nacheinander, alternierend oder mit einer vorbestimmten Sequenz. Bei Aufbringen in unterschiedlichen Mengen kann man somit die Festigkeit in dem Baumaterial steuern und selektiv unterschiedliche Festigkeiten erzielen, beispielsweise in dem herzustellenden Formteil und den dieses umgebenden Mantel. Der Bereich der Festigkeit reicht von einer Festigkeit wie im Bauteil selbst bis zu einer Festigkeit, die nur unwesentlich über der des Baumaterials ohne Absorberaufdruck liegt. Damit wird es möglich eine Temperaturregulierung in dem Baufeld/Bauraum vorzunehmen und wenn gewünscht den Mantel, der der Temperaturregulierung dient, auch leicht um das hergestellte Bauteil zu entfernen. Die „Absorption" im Sinne dieser Offenbarung bezeichnet die Aufnahme der Wärmeenergie von Strahlung durch das Baumaterial. Die Absorption ist abhängig vom Pulvertyp und der Wellenlänge der Strahlung.

„Energieeintragsmittel" bedeutet im Sinne dieser Offenbarung eine Quelle zum Einträgen von Energie in den Bauraum oder/und das Partikelmaterial oder/und die mit Absorber bedruckten Bereiche. Dies kann beispielsweise eine Energiequelle zum temperieren oder heizen von Partikelmaterial, auch vor dem Absorbereintrag, sein. Es könnte aber auch eine Bestrahlung des Baufeldes mit festen oder beweglichen Strahlungsquellen sein. Wird die Strahlungsquelle nach dem Absorbereintrag zum Verfestigen verwendet, ist der Absorber vorzugsweise auf die Strahlungsart abgestimmt und vorzugsweise optimiert. Dabei soll es zu einer unterschiedlich starken Erwärmung von „aktiviertem" und nicht „aktiviertem" Pulver kommen. „Aktiviert" bedeutet, dass durch den Absorbereindruck die Temperatur in diesen Bereichen erhöht wird im Vergleich zu den übrigen Bereichen im Bauraum und dem nicht mit Absorber bedruckten Partikelmaterialbereichen.

„IR-Erwärmung" bedeutet im Sinne dieser Offenbarung speziell eine Bestrahlung des Baufeldes mit einem IR-Strahler. Dabei kann der IR-Strahler ebenso statisch sein oder mit einer Verfahreinheit über das Baufeld bewegt werden. Durch den Einsatz des Absorbers führt die IR-Erwärmung im Baufeld zu unterschiedlich starken Temperaturanstiegen.

Ein „IR-Strahler" im Sinne dieser Offenbarung ist eine Quelle von infraroter Strahlung. Dabei werden meist glühende Drähte in Quarz oder Keramikgehäusen zur Erzeugung der Strahlung benutzt. Je nach eingesetzten Materialien ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung. Die Wellenlänge ist bei diesem Strahlertyp zusätzlich abhängig von der Leistung.

Eine „Overheadlampe" oder „Overheadstrahler" oder „Strahler-Aggregat" oder „Strahlereinheit" oder „Strahlungseinheit" oder „Heizstrahler" oder „Baufeldheizung" im Sinne der Offenbarung ist eine Strahlungsquelle die über dem Baufeld angebracht ist und eine Funktionseinheit bildet. Die Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist stationär und kann in ihrer Strahlungsleistung reguliert werden. Sie ist eine Funktionseinheit, die elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Spektrums emittiert. Sie kann einzelne Strahler bzw. eine große Anzahl von Strahlern enthalten, die einzeln oder in Gruppen zusammengefasst gesteuert werden können. Wahlweise überdeckt sie im Wesentlichen das gesamte Baufeld und ist an einer Position in der Vorrichtung angebracht oder sie ist kleiner als das Baufeld und kann verfahrbar über das Baufeld sein.

„Sintern" oder „Schmelzen" im Sinne dieser Offenbarung ist der Begriff für das partielle Zusammenwachsen der Partikel im Pulver. Mit dem Sintern verbunden ist bei diesem System der Aufbau von Festigkeit.

Der Begriff „Sinterfenster" bezeichnet im Sinne dieser Offenbarung die Differenz der Temperatur des beim ersten Aufheizen des Pulvers auftretenden Schmelzpunktes und dem bei anschließendem Abkühlen auftretenden Erstarrungspunktes.

Die „Sintertemperatur" ist im Sinne dieser Offenbarung die Temperatur ab der das Pulver erstmalig aufschmilzt und sich verbindet.

„Randbereich" im Sinne der Offenbarung ist der Bereich eines

Strahleraggregats, der sich am Rand des Strahleraggregats befindet und zum Innenbereich abgegrenzt werden kann. Dabei bilden Randbereich und Innenbereich den Gesamtbereich des Strahleraggregats hinsichtlich seiner Fläche, auf der die Strahlereinheiten angebracht sind.

„Innenbereich" im Sinne der Offenbarung ist der Bereich eines

Strahleraggregats, der sich im Inneren des Strahleraggregats befindet und zum Randbereich abgegrenzt werden kann. „Randbereich des Baufeldes" im Sinne der Offenbarung bezieht sich auf die Ränder des Baufeldes des Bauraumes.

„Innenbereich des Baufeldes" im Sinne der Offenbarung bezieht sich auf den Bereich des Baufeldes des Bauraumes, der von dem „Randbereich des Baufeldes" abgegrenzt werden kann.

„3D-Drucker" oder „Drucker" oder „3D-Druckmaschine" oder 3D- Druckvorrichtung" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert. Alternativ kann der Begriff „Vorrichtung" gewählt werden.

„Baufeld" ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform", durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Das Baufeld bildet einen Teil des Bauraumes.

Der Prozess „Drucken" oder „3D-Drucken" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozess- oder Bauraum statt. Unter einer „Aufnahmeebene" im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.

„Ausstreichen" oder „Aufbringen" oder „Ablegen" im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.

Der „Druckkopf' oder „Mittel zum selektiven Verfestigen" im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder" in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. In einer Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt. In einem "Druckkopf" können ein oder mehrere Druckmodule in einer speziellen Anordnung in einer Baugruppe montiert sein. Die Baugruppe dient in ihrer Gänze der Benetzung einer Oberfläche - hier einem Partikelmaterial auf dem Baufeld - mit Flüssigkeit (Druckflüssigkeit) nach dem DOD-Prinzip.

"Druckmodul" im Sinne der Offenbarung bezeichnet eine Einheit zur Aufbringung einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche mittels des sog. Ink-Jet- Verfahrens nach dem DOD-Prinzip.

„Schichtbehandlungsmittel" im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen.

„Drop-On-Demand" oder „DOD" oder "DOD-Prinzip" im Sinne der Offenbarung bezeichnet ein Verfahren der Aufbringung einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche, wobei diese nur an den Stellen aktiv wird, wo die Aufbringung erwünscht ist.

"Sinterstrahleraggregat" oder „Sinteraggregat" oder „Sinterlampe" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Vorrichtung, mit deren Hilfe mit IR-Akzeptor benetzte Partikelmaterialoberflächen gezielt mittels elektro-magnetischer Strahlung über die Schmelztemperatur erhitzt werden. Ein „Sinteraggregat" im Sinne dieser Offenbarung ist das Energieeintragsmittel, das das Prozesspulver (partikelförmiges Baumaterial, Partikelmaterial) über seine Sintertemperatur erhitzen kann. Es kann stationär sein. In bevorzugten Ausführungen wird das „Sinteraggregat" über das Baufeld bewegt und so verfahren, dass in Koordination mit den anderen Vorrichtungsmitteln ein sinnvoller Schichtaufbau mit selektiver Verfestigung durchgeführt werden kann.

Als "Strahlungswandler" im Sinne der Offenbarung werden Elemente bezeichnet, die, einer elektro-magnetischen Strahlung eines bestimmten Spektrums ausgesetzt, dieses Spektrum in wesentlichen Eigenschaften der Verteilung der Wellenlängenintensitäten verändern.

Als "Peak-Wellenlänge" im Sinne der Offenbarung wird die Wellenlänge elektro-magnetischer Strahlung eines in Näherung Planck'schen Spektrums bezeichnet, welche die höchste Intensität aufweist und dem Wienschen Verschiebungsgesetz gehorcht. Peak-Wellenlänge kann bei nicht der planckschen Verteilung folgenden Emittern auch die Wellenlänge bezeichnen, die die höchste Intensität aufweist.

Unter "Überlauf" im Sinne der Offenbarung wird der zusätzliche Platzbedarf bezeichnet, der benötigt wird, wenn ein Aggregat auf einer Linearachse vollständig über das Baufeld von einem zum anderen Ende bewegt wird, ohne Abschattung auf dem Baufeld zu erzeugen.

Das „Koppeln" von Kühlkreisläufen oder von einem Kühlkreislauf mit einem Kühlteil im Sinne der Offenbarung ist, wenn zwei funktionell unterschiedliche Teile eine Kopplungsstelle oder Anknüpfungsstelle aufweisen, bei der ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Z.B. wird nach der Offenbarung ein geschlossener Luftkühlkreislauf mit einem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf gekoppelt und somit von dem Luftkühlkreislauf, der Wärme von z.B. einem Strahlungswandler, aufnehmen kann, diese Wärme an den flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf abgegeben und dann direkt oder evtl, über ein weiteres Kühlmittel zu der Umgebung transportiert, wodurch bei Einsatz eines Regelkreises die Temperatur an z.B. dem Strahlungswandler auf eine Zieltemperatur eingestellt oder gehalten werden kann. Ein „geschlossener" Luftkühlkreislauf in Sinne der Offenbarung bedeutet, dass die Luft in diesem Kreislauf im Wesentlichen in diesem Kreislauf zirkuliert wird und keine Zuluft von außen zugeführt wird. In einer besonderen Ausführungsform ist dieser Kreislauf so abgedichtet, dass keinerlei Verschmutzungen wie z.B. Partikel des Baumaterials in diesen Kreislauf eindringen können und so keine Wartung dieses Kreislaufes nötig ist.

Ein „Luftkühlkreislauf' im Sinne der Offenbarung ist eine Luftzirkulation in einem Röhrensystem des Sinteraggregates, wobei die Luft oder das Gas z.B. mittels weiteren Mitteln wie Ventilatoren umgewälzt wird.

Ein „flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf' im Sinne der Offenbarung ist ein geschlossener Kreislauf, dessen Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, wie z.B. Wasser, Öl oder andere bekannte flüssige Kühlmittel. |

„Oberflächenvergrößerung" im Sinne der Offenbarung ist jegliches Mittel, das eine Oberfläche für Kühlzwecke vergrößert wie z.B. Lamellen, Rippen etc. um die Kühlleistung zu erhöhen.

„Kühlteil" im Sinne der Offenbarung ist ein Wärmetauscher.

Ausführliche Beschreibung der Offenbarung

Im Folgenden werden die verschiedenen Aspekte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Offenbarung näher beschrieben.

Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine 3D- Druckvorrichtung zur Verwendung in einem High-Speed-Sintering-Verfahren oder einem Laser-Sinter-Verfahren oder einem Sinter-Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren — , das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bauraum gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein High-Speed-Sintering-Verfahren oder Laser-Sinter-Verfahren oder einem Sinter-Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren -zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei das Verfahren alle weiteren für ein 3D-Druckverfahren notwendigen Verfahrensschritte und Verfahrensmittel umfasst, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, der gekennzeichnet ist durch eine X- Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

Die Lösung der vorliegenden Offenbarung hat den Vorteil, dass die Prozesszeiten und Druckzyklen optimiert und verkürzt werden können, wodurch der 3D-Druckprozess hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit gegenüber bekannten High-Speed-Sintering-Verfahren und/oder Laser- Sinter-Verfahren und/oder Sinter-Verfahren und/oder verbessert werden kann. Außerdem kann ein verbessertes Temperaturmanagement bei dem Verfahren nach der Erfindung erreicht werden, was Qualitätsvorteile begünstigt. Auch kann so unter Umständen das nicht gesinterte ungebundene Partikelmaterial geschont werden und einer Wiederverwertung zugeführt werden.

Weitere bevorzugte Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Die Bauraumdimensionen können in Übereinstimmung mit den obigen Ausführungen gewählt werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Dimension des Baufeldes in Y-Richtung 50 cm und mehr beträgt und die Bauraumabmessung in Z-Richtung 50 cm und weniger beträgt, mehr bevorzugt die Dimension des Baufeldes in Y-Richtung 60 cm und mehr beträgt und die Bauraumabmessung in Z-Richtung 40 cm und weniger beträgt.

Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn die 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung eine Dimension der X-Achse des Baufeldes von mehr als 50 cm, der Y-Achse von mehr als 50 cm oder/und der Z-Achse von 50 cm und weniger beträgt, bevorzugt die X-Achse mehr als 55 cm, die Y-Achse mehr als 60 cm und die Z-Achse 50 cm und weniger, besonders bevorzugt die X- Achse 60 cm und mehr, die Y-Achse 100 cm und mehr und die Z-Achse 40 cm und weniger beträgt.

Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn in der 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung die verfahrbaren Aggregate schmal ausgeführt sind, vorzugsweise wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat in X-Richtung schmal ausgeführt sind, vorzugsweise in Summe kleiner als das Baufeld in X-Richtung, besonders bevorzugt kleiner als 80% des Baufeldes in X-Richtung.

Eine 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung ist bezüglich der X- und Y- Achse in Übereinstimmung mit den anderen konstruktiven Merkmalen gestaltet, wobei vorzugsweise der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat sich im Wesentlichen über die Länge Y erstrecken und in X-Achse verfahren werden.

In einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Druckmodule und der Druckkopf besonders ausgestaltet sind, um eine bessere Wärmeverteilung oder/und ein besseres Wärmemanagement zu erreichen. Dabei können die Druckmodule des Druckkopfes kammartig angeordnet sein. Damit werden zunächst Streifen bei einer Überfahrt bedruckt und parallele Streifen bleiben unbedruckt, wobei in einer zweiten Überfahrt dann die vorher unbedruckten Streifen bedruckt werden. Man kann dabei auch davon sprechen, dass der Druckvorgang auf Lücke erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass so große Flächen mittels relativ kleinen Verfahrwegen unter Zeiteinsparung bedruckt werden können.

Im Zuge des Temperaturmanagements und der Temperatureinstellungen kann es für vorteilhafte Druckergebnisse von Vorteil sein, wenn weitere Mittel zur Wärmeabfuhr oder Wärmeregulierung vorgesehen sind. Eine 3D- Druckvorrichtung nach der Offenbarung kann derartige Mittel aufweisen, wobei die 3D-Druckvorrichtung ein Mittel zur Wärmeabfuhr aufweist, vorzugsweise wobei ein oder mehrere oder alle wärmeführenden Elemente mit einem Kühlmittel gekoppelt sind.

Eine 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung ist vorzugsweise so äusgeführt, wobei das Mittel zur Wärmeabfuhr Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder eine Kühlflüssigkeit, z.B. ölbasiert, Wasser oder ein Gemisch auf Wasserbasis Ist oder ein System aus Wärmerohren.

Bevorzugt in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung kann sein, dass das Sinteraggregat durch Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass das Sinteraggregat gekennzeichnet ist durch einen geschlossenen Luftkühlkreislauf und einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf und wobei die Luft in dem geschlossenen Luftkühlkreislauf zirkuliert wird, vorzugsweise durch ein Ventilationsmittel in dem Luftkühlkreislauf, oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf an der dem Baufeld abgewandten Seite angeordnet ist oder/und mit einem weiteren Kühlmittel, vorzugsweise einem externen Kühlmittel, gekoppelt ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass der geschlossene Luftkühlkreislauf zumindest teilweise an einem Strahlungswandler vorbei geleitet ist, vorzugsweise wobei der Luftkühlkreislauf zumindest teilweise zwischen zwei Strahlungswandlern vorbei geleitet ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass in dem Luftkühlkreislauf Mittel zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind, vorzugsweise Kühlrippen, Kühlfinnen, Kühlschlangen oder Kühlwendel, die mit dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf gekoppelt sind.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass ein IR-Strahler zwischen einem primären und sekundären Strahlungswandler und dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf angeordnet ist und gegebenenfalls ein Reflektor zwischen dem IR-Strahler und einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlteil angeordnet ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils an der Außenseite des Sinteraggregats gekühlt wird, wobei das Kühlteil vorzugsweise ein tragender Deckel ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass sich Hohlräume für den geschlossenen Luftkühlkreislauf zwischen dem primären und sekundären Strahlungswandler und zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel, vorzugsweise wobei hier Oberflächenvergrößerungen des flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils angeordnet sind, und sich gegebenenfalls Hohlräume in den Seitenwänden des Sinteraggregats befinden, wobei alle Hohlräume miteinander in Verbindung stehen und so einen geschlossenen Luftkühlkreislauf bilden.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass in dem Hohlraum zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel ein Reflektor angeordnet ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass der geschlossene Luftkühlkreislauf keine Verbindung zur Umgebungsluft auf weist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass die 3D-Druckvorrichtung ein, zwei oder mehrere Strahlungswandler umfasst, vorzugsweise primäre und/oder sekundäre Strahlungswandler.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass die 3D-Druckvorrichtung Emitter breitbandiger elektro-magnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen aufweist, deren Spektrum in erheblichem Maße voneinander abweicht, vorzugsweise langwellige IR- Strahler mit einer Peak-Wellenlänge zwischen 3 pm und 5,5 pm, kombiniert mit Strahlern mit Peak-Wellenlänge im kurzwelligen Infrarotbereich zwischen 0*7 pm und 2 pm, oder langewellige IR-Strahler kombiniert mit Emittern von nicht-kohärenter elektro-magnetischer Strahlung mit engem Spektrum zwischen 0,3 pm und 1,5 pm, vorzugsweise im sichtbaren Bereich, oder breitbandige mittelwellige IR-Strahler im Bereich von 3 pm bis 1,6 pm kombiniert mit kurzwelligen IR-Strahlern mit Peak-Wellenlängen im Bereich 0,7 pm bis 1,6 pm. Es kann jeder geeignete Emitter verwendet werden, wobei z.B. Keramikstrahler, Flächenstrahler, Quarz-Halogen-Strahler, Quarz- Wolfram-Strahler, Heizleiter, Quarzglasröhren, Carbonstrahler, Nahinfrarotstrahler, LED-Arrays mit unterschiedlichen Wellenlängen, Gasentladungslampen, Glühlampen oder/und Heizdrähte eingesetzt werden können.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass die 3D-Druckvorrichtung ein zusätzliches Strahleraggregat (Strahlereinheit) umfasst, wobei das Strahleraggregat dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein Array von mehreren Strahlern ist, wobei jeder Strahler einzeln hinsichtlich seiner Temperatur regelbar ist oder eine Untermenge von Strahlern zu einer Gruppe zusammengefasst ist, wobei jeder Gruppe von Strahlern hinsichtlich ihrer Temperatur regelbar ist. Es kann dabei auch vorteilhaft sein, mehrere Strahler zu einer Gruppe zusammenzufassen, die gemeinsam bzgl. Ihrer Temperatur eingestellt werden.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass an jedem Strahler oder jeder Gruppe von Strahlern eine Zieltemperatur eingestellt wird, mit der Maßgabe, dass nicht die Leistung (Watt) des Strahlers als Zielparameter eingestellt ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass im Wesentlichen jeder Strahler oder jeder Gruppe von Strahlern im Strahleraggregat (Strahlereinheit) auf eine andere Zieltemperatur eingestellt ist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass das Strahleraggregat einen Regelkreis zur Zieltemperatureinstellung jedes Strahlers oder/und zur Zieltemperatureinstellung auf dem Baufeld aufweist.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass das Strahleraggregat einen Algorithmus verwendet, um eine Zieltemperatur auf dem Baufeld mittels Zieltemperatureinstellung im Strahleraggregat zu erreichen oder/und wobei die Zieltemperatureinstellung mittels Definition von Strahlern zu einer Untermenge von Strahlern zu einer Gruppe erreicht wird.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass das Strahleraggregat mindestens eine Thermographie-Kamera, die auf das Baufeld gerichtet ist, und/oder mindestens einen Infrarot-Pyrometer und/oder mindestens einen Temperaturfühler, vorzugsweise ist der Temperaturfühler ein Thermoelement oder Widerstandsthermometer, umfasst. Hierbei kann vorzugsweise die Thermographiekamera für lokale Messaufnahmen dienen und das Infrarot-Pyrometer zur Kalibrierung der Absolutwerte.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass die Thermographiekamera für lokale Messaufnahmen und das Infrarot- Pyrometer der Kalibrierung der absoluten Temperaturwerte dient.

Es kann in einer 3D-Druckvorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, dass ein Strahleraggregat (Strahlereinheit) umfasst, wobei eine Zieitemperatur auf dem Baufeld durch eine Zieltemperatureinstellung im Strahleraggregat in jedem Strahler einstellbar ist.

In einem anderen Aspekt betrifft die Offenbarung ein High-Speed-Sintering- Verfahren oder Laser-Sinter-Verfahren oder Sinter-Verfahren oder ein Multi- Jet-Fusion-Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei das Verfahren alle weiteren für ein 3D-Druckverfahren notwendigen Verfahrensschritte und Verfahrensmittel umfasst, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, der gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y- Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt. In der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Offenbarung kann es weiterhin bevorzugt sein, wenn ein Vorlagebehälter in der Vorrichtung umfasst ist bzw. verwendet wird.

In einem derartigen Verfahren können vorteilhafter Weise die Merkmale der oben beschriebenen 3D-Druckvorrichtungen nach der Offenbarung ebenso verwendet werden und somit ist ein vorteilhaftes Verfahren nach der Offenbarung gekennzeichnet durch jedes Merkmal oder jede Kombination der Merkmale der Vorrichtung bzw. der Vorrichtungsansprüche..

Insbesondere kann ein Verfahren bevorzugt sein, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Beschichter sich im Wesentlichen über die Länge Y erstreckt und in X- Richtung verfahren wird.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat in X- Richtung schmal ausgeführt sind, vorzugsweise in Summe kleiner als das Baufeld in X-Richtung, besonders bevorzugt kleiner als 80% des Baufeldes in X-Richtung.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat sich im Wesentlichen über die Länge Y erstrecken und/oder in X-Achse verfahren werden.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei die Druckmodule des Druckkopfes kammartig angeordnet sind. Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei die 3D-Druckvorrichtung ein Mittel zur Wärmeabfuhr aufweist, vorzugsweise wobei ein oder mehrere oder alle wärmeführenden Elemente mit einem Kühlmittel gekoppelt sind.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei das Mittel zur Wärmeabfuhr Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder eine Kühlflüssigkeit, z.B. ölbasiert, Wasser oder ein Gemisch auf Wasserbasis ist oder ein System aus Wärmerohren.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, umfassend ein Sinteraggregat, wobei das Sinteraggregat durch Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei die 3D-Druckvorrichtung ein, zwei oder mehrere Strahlungswandler umfasst, vorzugsweise primäre und/oder sekundäre Strahlungswandler.

Weiterhin kann ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt und vorteilhaft sein, wobei die 3D-Druckvorrichtung Emitter breitbandiger elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen aufweist, deren Spektrum in erheblichem Maße voneinander abweicht, vorzugsweise langwellige IR-Strahler mit einer Peak-Wellenlänge zwischen 3 pm und 5,5 pm, kombiniert mit Strahlern mit Peak-Wellenlänge im kurzwelligen Infrarotbereich zwischen 0,7 pm und 2 pm, oder langeweilige IR-Strahler kombiniert mit Emittern von nicht-kohärenter elektro-magnetischer Strahlung mit engem Spektrum zwischen 0,3 pm und 1,5 pm, vorzugsweise im sichtbaren Bereich, oder breitbandige mittelwellige IR-Strahler im Bereich von 3 pm bis 1,6 pm kombiniert mit kurzwelligen IR-Strahlern mit Peak-Wellenlängen im Bereich 0,7 pm bis 1,6 pm.

In der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Offenbarung kann es weiterhin bevorzugt sein, wenn ein Vorlagebehälter in der Vorrichtung umfasst ist bzw. verwendet wird.

Weitere Aspekte der Offenbarung und weitere beispielhafte Darstellung der Offenbarung

Verschiedene Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass diese beschränkend verstanden werden sollen. Auch kann jeder Aspekt aus den unten dargestellten beispielhaften Figuren in jeder Kombination nutzbar gemacht werden.

Allgemein lässt sich der Bauraum bei einer 3D-Druckmaschine in zwei Bereiche trennen, nämlich das zweidimensionale Baufeld (X- und Y- Achse) und die Z-Achse.

Bei der Gestaltung des Baufeldes steht die Verwendung kartesischer Koordinaten für das selektive Bedrucken im Vordergrund. Aus diesem Grund sind im Wesentlichen quadratische oder rechteckförmige Baufelder bei Anlagen nach dem Stand der Technik zu finden. In der Literatur sind auch Baufelder, die mit Zylinderkoordinaten arbeiten zu finden. Die Umsetzung in die Praxis ist allerdings schwer, da die meisten zu druckenden Bauteile sich leichter mit kartesischen Koordinaten beschreiben lassen, als mit zylindrischen Koordinaten und deshalb die Umrechnung wie auch die Optimierung der Baufeldausnutzung erschwert ist. Beim High-Speed-Sintering-Verfahren im 3D-Druck kommt hinzu, dass das Temperaturmanagement auf dem Baufeld über Strahler funktioniert und diese eher in linien- oder flächenform verfügbar sind. Insofern wird ein Baufeld bei einer High-Speed-Sintering-Anlage auch eher eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen. Dies trifft auch auf die anderen oben genannten 3D-Druckverfahren im Wesentlichen zu und ist auch so für die folgenden Ausführungen so zu verstehen.

Zudem soll das Baufeld selektiv mit einem Absorber bedruckt werden. Dies erfolgt üblicherweise über Druckköpfe, die nach dem DOD (drop-on-demand) - Prinzip arbeiten. Solche Druckköpfe verfügen über ein Array an Düsen, die einzeln angesteuert werden können. Um ein vollständiges Bild mit Absorber zu drucken, werden derartige Druckköpfe je nach Anzahl an Düsen und zu bedruckender Fläche an einer oder zwei Achsen über das Baufeld geführt. Dabei ist wichtig, dass der Auftrag des Absorbers an allen bedruckten Stellen mit ungefähr der gleichen Auflösung erfolgt. Auch dies ist bei kartesischer Bewegung des Druckkopfes mittels Linearachsen leichter darzustellen als bei der Verwendung von Zylinderkoordinaten.

Die Gestaltung des Baufeldes kann variieren. Hierbei kann zwischen quadratischen oder rechteckförmigen Baufeldern unterschieden werden. Der Vergleich soll bei gleicher Baufläche erfolgen. Die Optimierung erfolgt hier im Sinne einer geringen Prozesszeit.

Dabei ist zu beachten, dass beim High-Speed-Sintering-Verfahren jede Schicht durch die drei Vorgänge Beschichten, Bedrucken und Sintern hergestellt wird und für jeden dieser drei Vorgänge unterschiedliche Aggregate über das gesamte Baufeld geführt werden müssen. Grundsätzlich können die Aggregate je nach Ausbildung über unterschiedliche oder kombinierte Achssysteme bewegt werden. Das Beschichten erfolgt über einen linienförmigen Beschichter, der auf einer Achse über das Baufeld mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegt wird und dabei eine neue Schicht auf das Baufeld aufbringt. Die Beschichtungsgeschwindigkeit hängt dabei von der Ausgestaltung des Beschichters ab und beträgt typischerweise 80 mm/s bis 400 mm/s.

Das Sintern erfolgt wiederum mittels einer Strahlungsquelle, die ebenfalls typsicherweise linienförmig ausgestaltet ist und sich ebenfalls über eine gesamte Seite des Baufeldes erstreckt. Die Strahlungsquelle sollte quer zur linienförmigen Ausbreitungsrichtung wie der Beschichter mit gleichförmiger Geschwindigkeit über das Baufeld bewegt werden. Je nach Leistung der Lampe und dem zu verarbeitenden Material ergeben sich ebenfalls Geschwindigkeiten von 80 mm/s bis 400 mm/s.

Aufgrund der ähnlichen Anforderungen an die Bewegung kann die Strahlungseinheit mit dem Beschichter gekoppelt verfahren werden. Hierbei kann das Sintern gleichzeitig mit dem Schichtauftrag erfolgen. Es ist allerdings auch möglich, dass der Schichtauftrag bei Bewegung der gekoppelten Beschichter-Sinter-Einheit in eine Richtung und der Sinter- Vorgang bei Bewegung in die andere Richtung erfolgt.

Das Drucken des Absorbers erfolgt mittels eines Druckkopfes, der üblicherweise nach dem DOD-Prinzip funktioniert. Aus Gründen der Druckgeschwindigkeit werden hierzu mehrere Druckmodule, welche einzeln ansteuerbare Düsen zu einem Düsenarray kombinieren, zusammengefasst.

Der aus einem oder mehreren solcher Arrays zusammengesetzte Druckkopf wird dann je nach Ausführungsform entweder mäanderförmig oder aber nur entlang einer Achse über das Baufeld bewegt. Letzteres ist dann möglich, wenn sich der Druckkopf über eine gesamte Seite des Baufeldes erstreckt und die gewünschte Auflösung In diese Richtung aufweist. Ist der Druckkopf schmäler, muss dieser mehrfach über das Baufeld geführt und dazwischen quer zu der Fahrtrichtung versetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druckkopf kammförmig mit Düsenarrays ausgestattet, so dass er die gesamte Seite eines Baufeldes überspannt, aber einmal quer dazu verschoben werden muss, um in zwei Überfahrten das gesamte Baufeld zu bedrucken. Hierbei ist bei nur zweimaliger Überfahrt die Querverfahrbewegung des Druckkopfes minimiert.

Die Druckgeschwindigkeit beträgt typischerweise 300 - 600 mm/s und ist damit schneller als die Beschichtungs- bzw. die Sinter-Geschwindigkeit. Typischerweise kann die Druckbewegung über eine geschickte Anordnung des Druckkopfes und dessen Bewegungsachsen zumindest teilweise in den Beschichtungs-/Sintervorgang zeitlich integriert werden.

Für die Betrachtung der Schichtzeit t_mm ist zu berücksichtigen, dass die an den jeweiligen Achsen befestigten Aggregate eine Ausdehnung in Bewegungs-Richtung aufweisen, welche miteinberechnet werden muss, da die Aggregate die Baufeldoberfläche in ihrer Gesamtheit überstreichen und an ihren Umkehrpunkten Platz für Aggregate der gegenüber liegenden Achse vorsehen müssen. Des Weiteren muss eine Beschleunigungs- und Abbremsrampe berücksichtigt werden. Diese zusätzlichen Verfahrlängen zu beiden Seiten des Baufeldes werden im Folgenden Überlauf genannt. Da der Schichtauftrag die langsamste Bewegung beim Herstellungsprozess der Formkörper darstellt, ist es zu bevorzugen, die Verfahrlänge des Beschichters eher klein zu wählen und alle Aggregate in Beschichtungsrichtung möglichst schmal auszuführen, um den Überlauf zu minimieren.

Bei einem angenommenen quadratischen Baufeld addiert sich der Überlauf zu beiden Seiten der Verfahrbewegung des Beschichters hinzu, so dass es leicht ersichtlich ist, dass sich ein rechteckförmiges Baufeld, welches über dessen kurze Seite beschichtet wird, in kürzerer Zeit prozessieren lässt. Die Dimension quer zur Beschichterverfahrrichtung ist hingegen wie in Fig. 2 (2) aufgezeigt bzgl. des Zeitverlustes zu vernachlässigen, solange die zur Anwendung kommende Druckeinheit mitskaliert. Eine Mindestzeit zum Verschieben und Positionieren des Druckkopfes fällt jedoch an. Handelt es sich nicht um eine baufeldbreiten Druckeinheit, muss dieser Zeit t_PH noch eine Positionierzeit hinzugerechnet werden, die aber in der Regel geringer ausfällt als der Zeitverlust in Beschichtungsrichtung, da die Geschwindigkeit der Repositionierung keiner prozesstechnischen Beschränkung, außer mechanischer Belastung, unterliegt.

Hinsichtlich des Temperaturmanagements während des Bauvorganges sind quadratische Baufelder jedoch gewöhnlich besser geeignet, als rechteckförmige Baufelder, da die Randeffekte kleiner sind.

Aus den beiden oben genannten Überlegungen ergibt sich, dass ein für High- Speed-Sintering-Verfahren oder ein anderes hierin genanntes 3D- Druckverfahren in Hinsicht der Prozesszeit optimiertes Baufeld eher rechteckförmig ist, wobei der Formfaktor als Verhältnis von langer zu kurzer Seite des Rechtecks zur Begrenzung der Randeffekte im Bereich von 1,2 bis 2 relativ klein sein sollte.

In Richtung des Schichtaufbaus Fig. 2 (3), hier mit Z bezeichnet, ist die Gesamtprozessdauer linear mit der Z-Dimension verknüpft. Das heißt eine Verdopplung der Z-Dimension bedeutet auch eine Verdopplung der Gesamtprozessdauer. Der Vorschub in Z-Richtung ist durch die Zeit eines gesamten Schichtzyklus definiert wird und skaliert außerdem mit der Dicke einer Schicht. Zur Vorschubzeit hinzu kommen noch t_start und t_end, die sich daraus ergeben, dass die gesamte Vorrichtung aufgeheizt und der Partikelmaterialkuchen abgekühlt werden muss, bevor die erzeugten Formkörper entnommen werden können. Zu diesen Zeiten addiert sich zusätzlich noch die Dauer die dafür benötigt wird, Start- und Endschichten zu erstellen, um die Formkörper thermisch gegen die Umgebung zu isolieren und im Falle der Startschichten Temperatur- und Regelgleichgewicht zu erreichen. Im Vergleich zur Wirkung der anderen beiden Dimensionen auf die Bauzeit geht die Z-Dimension am stärksten in diese Betrachtung ein. Denn anders als die Z-Dimension geht die Baufeldlänge in Beschichtungsrichtung zwar ebenfalls linear in die Bestimmung der Bauzeit ein, aber mit geringerem Faktor. Eine Verdopplung der Länge in Beschichtungsrichtung hat ebenfalls eine Erhöhung der Bauzeit zur Folge. Aufgrund der zusätzlichen Überfahrlängen in dieser Achse, die von der Dimensionsänderung unabhängig sind, wird die Bauzeitverlängerung kleiner als um den Faktor 2 sein. Eine Baufeldvergrößerung quer zur Beschichtungsrichtung hat bei gleichzeitiger Hochskalierung des Druckkopfes keine Auswirkung auf die Bauzeit.

Unter diesen Aspekten ist die Z-Dimension die kritischste Dimension im kartesischen Bauraum und sollte im Sinne einer möglichst reduzierten Bauzeit von den drei Dimensionen am Kleinsten gewählt werden. Die untere sinnvolle Grenze wird durch das zu bauende Bauteilspektrum definiert. Der Vorteil der Z-Dimension ist allerdings, dass sie variabel mit jedem Job gewählt werden kann und nur die Maximalgröße durch die Anlage definiert wird.

Nicht auf die direkte Erzeugungszeit eines Formkörpers, aber die für die Entnahme wichtige Abkühlzeit t_c bezieht sich der Graph in Fig. 3, wobei zur Veranschaulichung hier X- und Y-Dimension als konstant gedacht werden.

Die Abkühlzeit des Pulverkuchens lässt sich mit den Differentialgleichungen zur Wärmeleitung über die Finite Elemente Methode berechnen. Die räumlich-zeitliche Entwicklung des Temperaturfeldes T (x, y, z, t) ist dabei gegeben durch den Zusammenhang: pcdT _ d²T d²T d²T l dt dx² dy² dz² Wobei p die Dichte des Materials, c die Wärmekapazität und l die Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Die Änderung des Wärmestroms durch die Begrenzungsflächen A des Volumens, gemessen in W/m² ist von der Differenztemperatur der beiden Grenzflächen T_w zu T«, abhängig, ebenso wie vom Wärmeübergangskoeffizient a:

Q q — a · (T_w — T_oo) — —

Vor allem an der Oberfläche des Pulverkuchens findet die Kopplung des Wärmetransfers an die Umgebung über Wärmestrahlung nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann statt: q = e(T) s A · G⁴

Dem sog. T⁴ - Gesetz liegt neben der Größe der Oberfläche A der temperaturabhängige Emissionsgrad e(T) und die Stefan-Boltzmann- Konstante s zugrunde.

Eindeutig ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang der Abkühlzeit bei linearer Vergrößerung des Volumens. Grund hierfür ist die kleine Wärmeleitfähigkeit l des verwendeten Partikelmaterials und dass der Wärmetransfer maximal an den Oberflächen des Partikelmaterialvolumens stattfinden kann, diese jedoch bei Vergrößerung des Volumens in geringerem Maße wächst. Hinzu kommt, dass der Wärmemengeninhalt ebenfalls mit dem Volumen skaliert. Somit ergeben sich mehrere Vorteile, wenn mind. eine Dimension eines quaderförmigen Partikelmaterialkuchens klein gehalten wird. Weiterhin vorteilhaft ist es demnach eine weitere Dimension im Verhältnis zur Letzten kleiner auszulegen. Ab einer kritischen Grenze, hier mit z_max bezeichnet, ergibt sich eine Abkühlzeit für den Partikelmaterialkuchen, die größer ist als die Degradierungszeit t_d des Partikelmaterials. Das bedeutet, dass mit Einbußen in den mechanischen Kennwerten der erstellten Formkörper gerechnet werden muss und das unbedruckte Partikelmaterial des Weiteren dem Schichtaufbauprozess nicht wieder hinzugeführt werden kann. Unabhängig davon ist eine lange Abkühlzeit bevor die erstellten Formkörper entnommen werden können für den Produktivbetrieb nicht wünschenswert. Mit der Länge der Abkühlzeit im Verhältnis zur Bauzeit steigt auch die Anzahl benötigter Job-Boxen, da die Anlage nach dem Druck vorteilhafterweise mit einer neuen Job-Box bestückt und einen weiteren Job drucken kann. Weiterhin sollte die Abkühlzeit nicht wesentlich länger als 24 Stunden betragen, um im Einschichtbetrieb eine gleichmäßige Auslastung der Bediener mit einer Anlage erzielen zu können.

In Fig. 2 ist der Einfluss einer jeden Dimension des Prozessfeldes auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit bei der additiven Fertigung nach dem High Speed Sintering - Verfahren graphisch dargestellt.

Somit ergibt sich in der Gesamtbetrachtung ein bevorzugtes Dimensionsverhältnis von Y > X > Z wie in Fig. 4 schematisch skizziert. Dargestellt sind ebenso wie die erzeugten Formkörperschnitte auf der Oberfläche, die einzelnen Schichten des Bauprozesses. Marktübliche Dimensionen für Kunststoffform körper können in einer Richtung bis zu 1 Meter betragen. Da im additiven Fertigungsverfahren nach z.B. dem High Speed Sintering-Prozess dieser Markt bedient werden soll, scheint eine Prozessfeldgröße von dieser Größenordnung zumindest in einer Raumdimension sinnvoll. Den Überlegungen zur Folge kann diese Dimension einer konsistenten Benennung folgend Y heißen. Damit ergibt sich für die X- Dimension ein Bereich von < 1 Meter. Des Weiteren sollte wiederum dem Paradigma der Produktivität folgend die Z-Richtung die kleinste sein. Diese sollte aber auch kleiner sein als z_max, woraus bei Verwendung eines marktverfügbaren Partikelmaterials wie Voxeljet HSS PA12 Powder Type B oder HSS PP Powder Type A sich ein Wert zwischen 150 und 400 mm ergibt. Grund hierfür Ist die im Vergleich zur Verarbeitungstemperatur von 170°C, respektive 130°C bei High-Speed-Sintering-Verfahren PP Powder Type A, niedrige Entnahmetemperatur von ca. 40°C. Dieser Wert in Z-Richtung hängt zwar ebenso von der Ausdehnung in X-Richtung ab, diese ist aber dadurch begrenzt, dass gelten soll X > Z. Es kann nach der Offenbarung in einem Aspekt nützlich und vorteilhaft sein, die oben beschriebene Bauraumgestaltung und -geometrie, die durch die X-, Y- und Z-Achsen definiert werden kann mit weiteren Mittel zu kombinieren, die z.B. eine verbesserte Wärmeabfuhr bewirken oder unterstützen. Ebenso kann es in einem Aspekt nützlich sein das Sinteraggregat in besonderer Weise auszugestalten, die dann positiv auf die Bauraumgestaltung zurückwirkt und eine weitere Vorrichtungsverbesserung und Verbesserung der Prozessabläufe in Zusammenspiel mit der Bauraumgestaitung bewirkt.

Die Form des Sinteraggregats ergibt sich aus den Überlegungen zur Baufeldgeometrie. Um den Zeitverlust in X-Richtung bei Überstreichen des Prozessfeldes mittels des Sinteraggregats und die darin miteingeschlossene Umkehrstrecke möglichst gering zu halten, folgt als Formvorgabe ein in X- Richtung möglichst schmales Aggregat. Eine lange und relative dazu schmale Sintervorrichtung stellt jedoch besondere Herausforderungen an das Temperaturmanagement, dem nur mittels einer speziellen Art der Auslegung Rechnung getragen werden kann. Aufgrund der großen Grundfläche des Aggregats kann die durch sekundäre Effekte an der Strahlereinheit und absorbiertem Spektrum der beiden Spektrumswandler erzeugte Wärmemenge durch die herkömmliche Kühlvorrichtung mit fluiddurchströmtem Vorrichtungsdeckel nicht mehr Rechnung getragen werden. Die Folge ist ein Überhitzen der Spektrumswandler, was wiederum unerwünschte Sekundärstrahlung hervorrufen würde, bzw. eine stark verkürzte Lebensdauer der Strahlereinheit.

Dem kann nur dadurch entgegnet werden, dass die Kopplung zwischen erzeugter und abgeführter Wärme verbessert wird. Die Wärmemenge kann nicht einfach aus dem Aggregat transportiert werden durch z.B. Luftkühlung mittels eines angebauten Ventilators, da dies Verunreinigungen des Aggregatraums zur Folge hätte und eine Zu- und Ableitung der Luft dadurch erschwert wird, dass sich die Vorrichtung in ständiger Bewegung befindet und mehrere Tausend Zyklen des Überstreichens des Prozessfeldes während eines einzelnen Bauprozesses vollführt.

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass ein Strahleraggregat zum Einsatz kommt, welches über eine geschlossene Luftzirkulation alle Wärmezuführenden Elemente mit einem Kühlmittel koppelt. Die Luftzirkulation kann dabei beispielsweise durch Ventilatoren und/oder dem Einspeisen von Druckluft und Einsatz von Diffusoren erzeugt werden.

Ein sich aus den Überlegungen zum Dimensionsverhältnis des Prozessfeldes beispielhaft ergebendes Konzept einer Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem High-Speed-Sintering-Verfahrens ist in Fig. 5 beispielhaft beschrieben. Gezeigt ist die Sicht von oben (XY-Ebene), sowie von vorne (XZ-Ebene). In einem Ausführungsbeispiel hat der Bauraum die Dimensionen 600 x 1000 x 400 mm³.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Sinteraggregat nach der Offenbarung Und vorteilhaft in Kombination mit der Offenbarung zur Bauraumgestaltung beschrieben, wobei mittels einer in sich geschlossenen Luftzirkulation S205 ausgestattet, wie Fig. S2 im Schnitt durch die Vorrichtung in XZ-Ebene gezeigt, schematisch skizziert. Dabei wird die sich im Aggregat befindlich Luft durch den Hohlraum zwischen den Spektrumswandlern S203, S204 und an Kühlrippen S201, welche mit dem Kühldeckel verbunden sind vorbei geleitet. Dies ermöglicht eine starke Steigerung in der Effizienz der durch den wasserdurchströmten Deckel ermöglichten Wärmeabfuhr. Außerdem wird durch den kontinuierlichen Luftstrom die Wärme gleichmäßiger abgeführt, was der örtlichen Kontinuität des abgegebenen Strahlungsspektrums zu Gute kommt.

Das Sinteraggregat in der Seitenansicht (YZ-Ebene) mit eingezeichnetem Luftstrom in Fig. S3 offenbart eine Aussparung S307 an den Seitenwänden durch die die Kühlluft hindurch geleitet wird. Somit ist sichergestellt, dass die Spektrumswandler an ihrer heißesten Stelle, da am entferntesten zu wärmeleitenden Komponenten, ausreichend gekühlt wird. Der Luftstrom S304 wird durch Ventilatoren S303 erzeugt und aufrechterhalten. Deutlich zu erkennen ist der wichtige Aspekt, dass der kontinuierliche Luftstrom in einem abgeschlossenen Gehäuse zirkuliert. Somit kann das Strahleraggregat, obwohl mit hoher Leistung und angepasstem Spektrum ausgestattet, auch in Umgebungen mit starker Verschmutzungsgefahr, z.B. durch Staub, betrieben werden.

Es kann weiter sinnvoll sein, ein Strahleraggregat, das die Baufeldtemperierung regelt mit der oben beschriebenen Bauraumgeometrie und den oben beschriebenen Dimensionen je nach den speziellen Anforderungen der 3D-Druckvorrichtung und ihren speziellen konstruktiven Anforderungen zu kombinieren.

Es somit zusätzlich erreicht werden, die Baufeldtemperaturregelung zu optimieren.

Es kann dementsprechend mittels unterschiedlicher Strahlerleistungen die inhomogene Temperaturverteilung auf der Objektoberfläche H202 kompensiert werden, wie in Fig. H2 dargestellt. Dabei werden einzelne Infrarotstrahler H201 an den Randbereichen des Strahleraggregats zu eigenen Heizkreisen zusammengefasst, die mit einer höheren Leistung im Vergleich zu denen in der Mitte des Aggregats betrieben werden. In diesem Beispiel sind 5 verschiedene Oberflächentemperaturen H205 der Infrarotflächenstrahler H201 skizziert. Die Oberflächentemperaturen werden so gut als möglich der zuvor aus geometrischen und physikalischen Überlegungen errechneten ortsabhängigen Heizkurve H205 angenähert. Das Resultat ist ein relativ homogenes Temperaturfeld H204 auf der Objektoberfläche. Für eine Regelung der resultierenden Temperaturen wird wiederum ein Infrarot-Pyrometer H206 eingesetzt, diesmal jedoch gekoppelt mit einer Thermographie-Kamera H207, welche im Stande ist die Temperaturverteilung der Objektoberfläche ortsaufgelöst aufzunehmen.

Die Messdaten der Thermographie-Kamera können nun dazu verwendet werden, die einzelnen Flächenstrahler gezielt zu steuern und somit Ungleichmäßigkeit in der örtlichen Konstanz der Objektoberflächentemperaturen auszugleichen, was insbesondere die Randbereiche dieser miteinschließt. Jedem Einzelstrahler ist dabei ein hiermit korrespondierendes Flächenelement auf der Objektoberfläche zugeordnet. Das Infrarot-Pyrometer dient in einem Ausführungsbeispiel der Absolutwert- Korrektur, garantiert somit eine Verhinderung von Temperaturdrift in den Messungen der Thermographie-Kamera und sorgt für zeitliche Konstanz des Temperaturfeldes.

Wie im in Fig. H3 dargestellten Feld (H301) von Einzelstrahlern (H303) wird durch die Regelung mittels Thermographie-Kamera (H302) und Infrarot- Pyrometer (H305) nicht einfach die Leistung an den einzelnen Heizelementen justiert. Vielmehr wird mittels eines Temperatursensors (H304), welcher in die einzelnen Heizelemente integriert ist, deren Eigentemperatur gemessen und als Messwert einem Regelwerk zugeführt. Wird das Regelwerk als PID- Regler ausgeführt, kann mit dessen Hilfe die Zeit zum Erreichen des Temperatur-Sollwertes der Strahler minimiert werden. Voraussetzung hierfür ist, dass der Heizleistung der einzelnen Heizelemente genügend Reserve gegeben wurde. Zum Beispiel kann ein Strahler verwendet werden, dessen maximale Leistung bei 650 Watt liegt, wobei die zu erreichende Strahlertemperatur im Gleichgewichtszustand aber bereits bei 200 Watt erreicht wird. Dem Regler ist es dann bis zum Erreichen der Solltemperatur möglich, die gestellte Leistung zu maximieren, um sie bei Erreichen dieser innerhalb kurzer Zeit wieder auf den eingeschwungenen Zustand zu reduzieren. Die Reaktionszeit lässt sich somit auf deutlich unter 20 sec. absenken, was innerhalb der Schichtzykluszeit eines Sinter-Druckers liegt. Somit ist es dem System nun möglich, rechtzeitig auf Temperaturschwankungen zu reagieren.

Des Weiteren lässt sich durch diese Methode die langwierige Aufheizzeit bis zum Erreichen des eingeschwungenen Zustandes stark auf bis ein Viertel verkürzen.

In einer Beispielhaften Anordnung eines Strahler-Aggregats befinden sich jeweils 4 Thermographie-Kameras H302 und Infrarot-Pyrometer H305, um kontaktlose Objektoberflächen-Temperaturmessungen mit möglichst kleinem Winkelfehler zu ermöglichen und den Abstand zwischen Aggregat und Objektoberfläche klein zu halten. Ein kleiner Abstand hat eine höhere Energieeffizienz zur Folge. Bei H304 handelt es sich um herkömmliche Temperaturfühler, z.B. Thermoelemente oder Widerstandsthermometer, welche die Oberflächentemperatur der Infrarotstrahler, und aufgrund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes deshalb die abgestrahlte Leistung, kontinuierlich messen und zusammen mit den anderen beiden Messvorrichtungen die Eingabewerte für die Sollwertregelung geben. Die Solltemperatur der einzelnen Heizelemente wird über folgenden Zusammenhang berechnet:

^12 ^£1 ^f2 ^12

Der Wärmestrom Q₁₂ zwischen Strahler und korrespondierendem Baufeldelement mit Temperatur Tc soll durch Anpassung dessen Temperatur T₂ minimiert werden. Hierbei sind neben den Emissionsfaktoren von Strahler e₂ und Partikelmaterial auf dem Baufeld Ci vor allem die sog. Ansichtsfaktoren F_I2 und F_2i ausschlaggebend. Die Ansichtsfaktoren beschreiben die Orientierung beider Oberflächen zueinander, wobei F_2i den Strahlungsfluss von Strahler zu Baufeld und F_i2 den umgekehrten Weg bezeichnet. Die Lösungsfindung der Solltemperaturen für ein jedes Heizelement, kann durch ein Lösen des Systems von sich ergebenden Differentialgleichungen mittels der Finiten Elemente Methode erreicht werden.

Soll eine größere Oberfläche bedient werden, lassen sich problemlos mehrere Strahlerfelder staffeln, d.h. kombiniert anordnen. Durch Überlappung der Messbereiche von Thermographie-Kameras und Infrarot-Pyrometern lassen sich weiterhin Kalibrierdaten generieren und somit die Messgenauigkeit der verwendeten Instrumente verbessern, indem die gewonnenen Messdaten miteinander verglichen werden. Somit sind nahezu beliebige Baufeldgeometrien und -großen möglich, ohne einen erneuten aufwendigen und kostenintensiven Konstruktionsschritt zu enthalten.

Aufgrund von Symmetrieüberlegungen lassen sich in einer Ausführungsform nach der Offenbarung wie in Fig. H4 dargestellt Strahlergruppen des Strahleraggregats (H400) bilden, (H401) bis (H406), welche jeweils gemeinsam geregelt werden können. Somit können ohne größere Einschränkungen in der Temperaturkonstanz auf der Objektoberfläche Aufwand und Kosten eingespart werden und der Regelalgorithmus gestaltet sich einfacher. So bietet es sich an, Strahler (H401) an den Unstetigkeiten 2. Ordnung, den Ecken der zu beheizenden Objektoberfläche gesondert zu betrachten, da dort aufgrund der kühleren Umgebung ein stärkerer Wärmestrom zu erwarten ist. Ähnlich verhält es sich bei Betrachtung der Kanten (H405) und (H406) der zu beheizenden Objektoberfläche, welche getrennt sind, um Differenzen zwischen Vorder- und Rückseite der Vorrichtung auszugleichen. (H203) und (H204) übernehmen dies für den Innenbereich. Das Zentrum größter Symmetrie in der Mitte des Aggregats wird dann über (H402) bedient. Das Zusammenfassen mehrerer Einzelstrahler kann sich außerdem wiederum vorteilhaft auf die Messgenauigkeit auswirken. So können z.B. mehrere Temperatursensoren innerhalb einer Gruppe ausgewertet werden, um durch Mittelwertbildung Fertigungstoleranzen zu nivellieren. Weiterhin zeigt Fig. H5 schematisch eine Ausführung einer entsprechenden Regelung, wie sie in den Ausführungsbeispielen in Fig. H3 und Fig. H4 angewendet werden kann. Mittels Thermographie-Kamera werden Variationen in der Temperaturverteilung auf der Objektoberfläche gemessen. Ein Flächenelement wird ebenfalls durch ein Infrarot-Pyrometer abgedeckt. Die mit der Thermographie-Kamera gemessenen Temperaturen dieses Flächenelements werden gemittelt und mit dem Messwert des Pyrometers verglichen. Die Kamera wird anschließend soweit nachjustiert, bis sich diese beiden Werte gleichen. Anschließend wird der erhaltene Korrekturfaktor auf die restlichen Messdaten angewandt. Die korrigierten Daten werden nun über einen Algorithmus an die Stellwerke der Heizelemente überführt. Der Algorithmus hat die Aufgabe jedem Einzelstrahler ein dazu korrespondierendes Flächenelement zuzuweisen. Außerdem wird hier der Überlapp der Flächenelemente berücksichtigt. Dies hat den Hintergrund, dass der Einzelstrahler aufgrund des sich ausgebildeten Strahlungskegels auch benachbarte Flächenelemente mit erreicht. Außerdem muss der Algorithmus die geometrische Anordnung der Einzelstrahler mit berücksichtigen, denn benachbarte Strahler beeinflussen sich gegenseitig. Dies könnte im ungünstigsten Fall zu einer ungewollten Oszillation der Leistungen der einzelnen Heizkreise über die Zeit führen.

Durch den Algorithmus werden Solltemperaturen der einzelnen Heizelemente errechnet und an die Regler eines jeden Heizkreises weitergegeben. Die Regler, beispielhaft als herkömmliche PID-Regler ausgeführt, vergleichen Temperatur-Soll- und Istwert und sorgen dafür, die vorgegebene Solltemperatur der Infrarotstrahler in möglichst geringer Zeit und Abweichung zu erreichen, indem sie die elektrische Leistung, die diesen Strahlern zugeführt wird, steuern.

Anschließend wird die Temperaturverteilung erneut gemessen und der Prozess beginnt von neuem. Bevorzugt findet ein Zykluslauf der gesamten Regelung zu einem definierten Zeitpunkt pro Schichtzyklus des Aufbauprozesses statt, sodass die Messung nicht durch die Aggregate Sintervorrichtung, Beschichter und Druckkopf behindert wird, die sich währenddessen über die Baufeldoberfläche bewegen.

Fig. H5 zeigt schematisch eine Ausführung einer Regelung nach der Offenbarung, wobei mittels Thermographie-Kamera Variationen in der Temperaturverteilung auf der Objektoberfläche gemessen und zeitliche Schwankungen mittels Infrarot- Pyrometer ausgeglichen werden sowie der absolute Temperaturwert kalibriert werden kann. Die erhaltenen Messdaten werden einem Algorithmus zugeführt, der daraus die Temperatur-Sollwerte eines jeden Infrarot-Strahlers errechnet und sie an die PID-Regler weiter gibt.

Weiterhin zeigt Figur H5 schematisch eine Ausführung einer entsprechenden Regelung, wie sie in den Ausführungsbeispielen in Fig. H3 und Fig. H4 angewendet werden kann.

Der Solver-Algorithmus, welchem die Aufgabe zukommt, die Solltemperaturen der einzelnen Heizelemente zu berechnen, erledigt dies auf Grundlage von physikalischen Zusammenhängen, welche den Wärmestrom beschreiben. Eine wichtige Komponente stellen hierbei die Ansichtsfaktoren Fi_j dar.

Die Ansichtsfaktoren beschreiben die Orientierung beider Oberflächen zueinander, wobei F_2I den Strahlungsfluss von Strahler zu Baufeld und F₁₂ den umgekehrten Weg bezeichnet. Die Ansichtsfaktoren zwei sich gegenüberliegender, endlicher Flächen haben dabei die allgemeine Form

Der Ansichtsfaktor Fy ist somit definiert durch die endlichen sich gegenüberstehenden Flächen A, und A_j von jeweils Strahler und Baufeld, sowie deren jeweiligen Winkeln zu den Einheitsnormalen auf diese cos Qi und cos 0_j, und dem Abstand der Flächen zueinander Ry.

Dabei kann eine Strahlereinheit nach der Offenbarung so konstruiert sein, dass ein Strahler nicht nur ein Flächenelement, d.h. einen Bereich (Teilbereich) des Baufeldes, beleuchtet, sondern das gesamte Baufeld. Dabei wird auf einen Kernbereich (Flächenelement) die Hauptstrahlung projiziert und weiterhin trifft um diesen Kernbereich auch Strahlung auf. Ebenso tauscht jedes Flächenelement des gesamten Baufelds Strahlung mit dem Strahler bzw. dem Strahleraggregat aus. Dies gilt nun für jeden einzelnen Strahler der Strahlereinheit. Die geometrische Anordnung von Strahlern, wie z,B. deren Größe, Abstand zum Baufeld und Abstand zueinander wird ebenso, wie die Geometrie des zu beheizenden Baufeldes, also dessen Orientierung, Länge und Breite mittels der erwähnten Ansichtsfaktoren beschrieben.

Da bekannt ist, welche Materialien zum Einsatz kommen, kann deren zumeist temperaturabhängiger Emissionsgrad bei der Konstruktion und im Betrieb, d.h. beim Durchführen eines 3D-Druckverfahrens, miteinbezogen werden.

Zusätzlich werden Wärmeströme aufgrund von Konvektion und Wärmeleitung in Partikelmaterial und Strahleraggregat, welche wiederum temperaturabhängig sind, in die Berechnung bei der Konstruktion und im Betrieb eines Strahleraggregates nach der Offenbarung miteinbezogen. Dies gilt insbesondere für die Randbereiche von Baufeld und Strahleraggregat, da hier aufgrund der Diskontinuität verstärkt Konvektion und Wärmeleitung auftritt. Weiterhin kann eine zusätzliche Wärmeleitung aufgrund der Anbringung des Strahleraggregats und der zur Abschirmung zum Maschinengehäuse benötigten Kühlmittel berücksichtigt werden.

Somit ergibt sich ein komplexer Satz an abhängigen, inhomogenen Differentialgleichungen. Aufgabe eines Solver-Algorithmus ist es nun, anhand der Eingabe der gemessenen Temperaturwerte, dieses Gleichungssystem über Bestimmung der Eigenwerte der den Heizstrahlern zugeordneten Temperaturen dahingehend zu lösen, dass der berechnete Gesamtwärmestrom Q_ges zwischen Strahlern und Baufeld unter Miteinbeziehung der Baufeld-Solltemperatur minimal wird.

Die Lösungsfindung dieser Solltemperaturen (T_n,soll) für einen jeden Strahler n kann durch ein Lösen des Gleichungssystems mittels eines Solvers unter Anwendung der Finiten Elemente Methode erreicht werden. Ein solcher Solver kann die Berechnungen aufgrund von Fortschritten in der Rechenleistung moderner Rechnersysteme und Optimierungen in den einzelnen Rechenschritten innerhalb der Zeit eines Schichtzyklus erledigen.

Die hiermit berechneten Sollwerte für die einzelnen Strahler werden nun an einen Satz aus Reglern übergeben, denen die Aufgabe zukommt, diese Solltemperaturen in möglichst kurzer Zeit an den Strahlern einzustellen.

Die Regler, beispielhaft als herkömmliche PID-Regler ausgeführt, vergleichen Temperatur-Soll- und Istwert (T_n,ist) und sorgen dafür, die vorgegebene Solltemperatur der Strahler (z.B. Infrarotstrahler) in möglichst kurzer Zeit und geringer Abweichung zu erreichen, indem sie die elektrische Leistung (P_n), die diesen Strahlern zugeführt wird über die Variation der angelegten mittleren Spannung, steuern.

Ist die Solltemperatur an den Strahlern erreicht, wird anschließend die Temperaturverteilung erneut gemessen. Durch Vergleich von Messung zu den errechneten Werten, werden nun Korrekturfaktoren abgeleitet, welche in zukünftige Berechnungen mit einfließen. Somit ist das System im Stande, auf Fertigungstoleranzen im Aufbau und Störungen, wie z.B. einer Änderung der Umgebungsbedingung oder Änderungen in der Zusammensetzung des Partikelmaterials, beispielsweise aufgrund von Alterung von dem Druckprozess zugeführten Anteilen an Recyclingmaterial, dynamisch zu reagieren. Auch Alterüngserscheinungen der Vorrichtung selbst werden automatisch auskorrigiert. Ein Einfahren des 3D-Druckers über mehrere Wochen wie nach dem Stand der Technik üblich wird ebenfalls vermieden.

Bevorzugt findet ein Zykluslauf der gesamten Regelung zu einem definierten Zeitpunkt pro Schichtzyklus des Aufbauprozesses statt, sodass die Messung nicht durch die Aggregate Sintervorrichtung, Beschichter und Druckkopf, die sich währenddessen über die Baufeldoberfläche bewegen, behindert wird. Änderungen der Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld oder Änderungen in der Temperatur der bei der Schichterstellung zur Anwendung kommenden Aggregate wirkt sich nicht mehr aus, da die Abschattung des Baufeldes dieser zeitlich und örtlich ausgeblendet werden kann.

Somit ergibt sich der Vorteil, dass anders als nach dem Stand der Technik, kein Justieren oder/und Einmessen der Vorrichtung mehr von Nöten ist. Des Weiteren ist der 3D-Drucker auch unter schwankenden Umgebungsbedingungen stabil betriebsfähig, was somit auch den Betrieb in Gebieten mit höherer oder niedrigerer Umgebungstemperatur miteinschließt. Dies führt zu einem Kostenvorteil, da hierdurch Kosten für z.B. eine Klimatisierung der Umgebung entfallen.

Beim Druckprozess wird durch den Sintervorgang der mit IR-Akzeptor (IR- Absorber) benetzten Partikelmaterial-Flächen, die dem Schnittbild eines zu erzeugenden Formkörpers entsprechen, mittels eines Sinteraggregats zusätzliche Energie eingebracht, was dort zu einer Temperaturerhöhung führt. Weiterhin verändern sich durch die bereits erzeugten Formkörperteile physikalische Größen wie die Wärmeleitfähigkeit im Partikelmaterial oder auch der Emissionsgrad der bedruckten Oberfläche. Dies führt in Vorrichtungen nach dem Stand der Technik immer wieder zu Abbrüchen des Druckprozesses aufgrund unbeherrschbarer Prozesszustände bis hin zu Beschädigungen der Maschine. Im vorliegenden Fall ist die Lage der Bauteile im Bauraum bekannt. So liegen die Schnittbild-Daten für die Aufbringung des IR-Akzeptors bereits vor und, können dem Solver-Algorithmus zugeführt und von diesem berücksichtigt werden. Dieser ist nun im Stande auf unterschiedliche Füllgrade der Partikelmaterialoberfläche dynamisch zu reagieren. Grundsätzlich ist es über diesen Weg auch möglich, die Formkörper prozessoptimiert im Bauraum automatisiert zu platzieren. Somit entfällt der aufwendige und komplexe Arbeitsschritt einer manuellen Anordnung der zu erzeugenden Formkörper im virtuellen Bauraum. Hiermit sind große Zeit- und Kosteneinsparungen verbunden. So entfällt z.B. eine für die Bedienung von Sintermaschinen benötigte Schulung zur Bauteilplatzierung und Feinjustage. Nach dem Stand der Technik werden Formkörper, um die optimale Orientierung und Parametrierung zu gewährlisten, oft mehrmals erstellt, was in der Fachwelt als sog. „Ghost-Jobs" bekannt ist. Die diese mehrmaligen Vorversuch-Drucke entfallen, führt dies zu einer deutlichen Verringerung der Herstellkosten.

Außerdem kann die für die industrielle Fertigung wichtige geforderte Wiederholgenauigkeit erreicht werden, sodass eine engere Tolerierung der erzeugten Formkörper erfolgen kann. Somit wird also auch eine Steigerung der Qualität erreicht.

Soll eine größere Oberfläche bedient werden, lassen sich problemlos mehrere Strahlerfelder (sich überlappende Felder, die von einer Gruppe von Strahlern oder von verschiedenen Strahlereinheiten abgedeckt werden) staffeln. Durch Überlappung der Messbereiche von Thermographie-Kameras und Infrarot- Pyrometern lassen sich weiterhin Kalibrierdaten generieren und somit die Messgenauigkeit der verwendeten Instrumente verbessern, indem die gewonnenen Messdaten miteinander verglichen werden. Somit sind nahezu beliebige Baufeldgeometrien und -großen möglich, ohne einen erneuten aufwendigen und kostenintensiven Konstruktionsschritt zu enthalten. Bezugszeichenliste

Fig. 1

Fig. 5

Fig. S2

Fig. S3

Fig. S4

Fig. Hl

Fig. H2

Fig. H 3

Fig. H4

Claims

Patentansprüche

1. 3D-Druckvorrichtung zur Verwendung in einem High-Speed-Sintering- Verfahren oder einem Laser-Sinter-Verfahren oder einem Sinter- Verfahren oder einem ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum gekennzeichnet ist durch eine X- Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z-Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

2. 3D-Druckvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Beschichter sich im Wesentlichen über die Länge Y erstreckt und in X-Richtung verfahren wird oder/und wobei die Dimension des Baufeldes in Y-Richtung 50 cm und mehr beträgt und die Bauraumabmessung in Z-Richtung 50 cm und weniger beträgt, mehr bevorzugt die Dimension des Baufeldes in Y-Richtung 60 cm und mehr beträgt und die Bauraumabmessung in Z-Richtung 40 cm und weniger beträgt oder/und wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat in X-Richtung schmal ausgeführt sind, vorzugsweise in Summe kleiner als das Baufeld in X-Richtung, besonders bevorzugt kleiner als 80% des Baufeldes in X-Richtung oder/und wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das

Sinterstrahleraggregat sich im Wesentlichen über die Länge Y erstrecken und in X-Achse verfahren werden oder/und wobei die Druckmodule des Druckkopfes kammartig angeordnet sind oder/und wobei die 3D-Druckvorrichtung ein Mittel zur Wärmeabfuhr aufweist, vorzugsweise wobei ein oder mehrere oder alle wärmeführenden

Elemente mit einem Kühlmittel gekoppelt sind oder/und wobei das Mittel zur Wärmeabfuhr Luft oder ein Gas oder ein

Gasgemisch oder eine Kühlflüssigkeit, z.B. ölbasiert, Wasser oder ein

Gemisch auf Wasserbasis ist oder ein System aus Wärmerohren oder/und wobei das Sinteraggregat durch Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird oder/und wobei das Sinteraggregat gekennzeichnet ist durch einen geschlossenen Luftkühlkreislauf und einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf und wobei die Luft, oder ein Gas oder ein Gasgemisch in dem geschlossenen Luftkühlkreislauf zirkuliert wird, vorzugsweise durch ein Ventilationsmittel in dem Luftkühlkreislauf, oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird oder/und wobei der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf an der dem Baufeld abgewandten Seite angeordnet ist oder/und mit einem weiteren Kühlmittel, vorzugsweise einem externen Kühlmittel, gekoppelt ist oder/und wobei der geschlossene Luftkühlkreislauf zumindest teilweise an einem Strahlungswandler vorbei geleitet ist, vorzugsweise wobei der Luftkühlkreislauf zumindest teilweise zwischen zwei Strahlungswandlern vorbei geleitet ist oder/und wobei in dem Luftkühlkreislauf Mittel zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind, vorzugsweise Kühlrippen, Kühlfinnen, Kühlschlangen oder Kühlwendel, die mit dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf gekoppelt sind oder/und wobei ein IR-Strahler zwischen einem primären und sekundären Strahlungswandler und dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf angeordnet ist und gegebenenfalls ein Reflektor zwischen dem IR- Strahler und einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlteil angeordnet ist oder/und wobei der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils an der Außenseite des Sinteraggregats gekühlt wird, wobei das Kühlteil vorzugsweise ein tragender Deckel ist oder/und wobei sich Hohlräume für den geschlossenen Luftkühlkreislauf zwischen dem primären und sekundären Strahlungswandler und zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel, vorzugsweise wobei hier Oberflächenvergrößerungen des flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils angeordnet sind, und sich gegebenenfalls Hohlräume in den Seitenwänden des Sinteraggregats befinden, wobei alle Hohlräume miteinander in Verbindung stehen und so einen geschlossenen Luftkühlkreislauf bilden oder/und wobei in dem Hohlraum zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel ein Reflektor angeordnet ist oder/und wobei der geschlossene Luftkühlkreislauf keine Verbindung zur Umgebungsluft aufweist oder/und wobei die 3D-Druckvorrichtung ein, zwei oder mehrere Strahlungswandler umfasst, vorzugsweise primäre und/oder sekundäre Strahlungswandler.

3. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 3D-Druckvorrichtung Emitter breitbandiger elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen aufweist, deren Spektrum in erheblichem Maße voneinander abweicht, vorzugsweise langwellige IR-Strahler mit einer Peak-Wellenlänge zwischen 3 pm und

5.5 pm, kombiniert mit Strahlern mit Peak-Wellenlänge im kurzwelligen Infrarotbereich zwischen 0,7 pm und 2 pm, oder langewellige IR-Strahler kombiniert mit Emittern von nichtkohärenter elektro-magnetischer Strahlung mit engem Spektrum zwischen 0,3 pm und 1,5 pm, vorzugsweise im sichtbaren Bereich, oder breitbandige mittelwellige IR-Strahler im Bereich von 3 pm bis

1.6 pm kombiniert mit kurzwelligen IR-Strahlern mit Peak- Wellenlängen im Bereich 0,7 pm bis 1,6 pm, vorzugsweise die 3D- Druckvorrichtung als Emitter ein Keramikstrahler, Flächenstrahler, Quarz-Halogen-Strahler, Quarz-Wolfram-Strahler, Heizleiter, Quarzglasröhren, Carbonstrahler, Nahinfrarotstrahler, LED-Arrays mit unterschiedlichen Wellenlängen, Gasentladungslampen, Glühlampen oder Heizdrähte aufweist oder/und wobei die 3D-Druckvorrichtung eine zusätzliche Strahlereinheit umfasst, wobei die Strahlereinheit dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein Array von mehreren Strahlern ist, wobei jeder Strahler einzeln hinsichtlich seiner Temperatur regelbar ist oder eine Untermenge von Strahlern zu einer Gruppe zusammengefasst ist, wobei jeder Gruppe von Strahlern hinsichtlich ihrer Temperatur regelbar ist oder/und wobei an jedem Strahler oder jeder Gruppe von Strahlern eine Zieltemperatur eingestellt wird, mit der Maßgabe, dass nicht die Leistung (Watt) des Strahlers als Zielparameter eingestellt ist oder/und wobei im Wesentlichen jeder Strahler oder jeder Gruppe von Strahlern in der Strahlereinheit auf eine andere Zieltemperatur eingestellt ist.

4. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlereinheit einen Regelkreis zur Zieltemperatureinstellung jedes Strahlers oder/und zur Zieltemperatureinstellung auf dem Baufeld aufweist.

5. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlereinheit einen Algorithmus verwendet, um eine Zieltemperatur auf dem Baufeld mittels Zieltemperatureinstellung in der Strahlereinheit zu erreichen oder/und wobei die

Zieltemperatureinstellung mittels Definition von Strahlern zu einer Untermenge von Strahlern zu einer Gruppe erreicht wird.

6. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlereinheit mindestens eine Thermographie-Kamera, die auf das Baufeld gerichtet ist, und/oder mindestens einen Infrarot- Pyrometer und/oder mindestens einen Temperaturfühler, vorzugsweise ist der Temperaturfühler ein Thermoelement oder Widerstandsthermometer, umfasst.

7. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Thermographiekamera für lokale Messaufnahmen und das Infrarot-Pyrometer der Kalibrierung der absoluten Temperaturwerte dient.

8. 3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Strahlereinheit umfasst, wobei eine Zieltemperatur auf dem Baufeld durch eine Zieltemperatureinstellung in der Strahlereinheit in jedem Strahler einstellbar ist.

9. High-Speed-Sintering-Verfahren oder Laser-Sinter-Verfahren oder Sinter-Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Pa rtikelmateria lauftrag und selektiver Verfestigung, wobei das Verfahren alle weiteren für ein 3D-Druckverfahren notwendigen Verfahrensschritte und Verfahrensmittel umfasst, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, der gekennzeichnet ist durch eine X-Achse und eine Y-Achse, die das Baufeld bilden, und eine Z- Achse, wobei im Bauraum das Größenverhältnis Y > X > Z vorliegt und/oder wobei das Verhältnis von Y:X zwischen 1,1 bis 3,0, vorzugsweise 1,2 bis 2,0, beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren in einem Bauraum durchgeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Beschichter sich im Wesentlichen über die Länge Y erstreckt und in X- Richtung verfahren wird oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat in X-Richtung schmal ausgeführt sind, vorzugsweise in Summe kleiner als das Baufeld in X-Richtung, besonders bevorzugt kleiner als 80% des Baufeldes in X-Richtung oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei der Beschichter, der Druckkopf und/oder das Sinterstrahleraggregat sich im Wesentlichen über die Länge Y erstrecken und/oder in X-Achse verfahren werden oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei die Druckmodule des Druckkopfes kammartig angeordnet sind oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei die 3D-Druckvorrichtung ein Mittel zur Wärmeabfuhr aufweist, vorzugsweise wobei ein oder mehrere oder alle wärmeführenden Elemente mit einem Kühlmittel gekoppelt sind oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, wobei das Mittel zur Wärmeabfuhr Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder eine Kühlflüssigkeit, z.B. ölbasiert, Wasser oder ein Gemisch auf Wasserbasis ist oder ein System aus Wärmerohren oder/und wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, umfassend ein Sinteraggregat, wobei das Sinteraggregat durch Luft oder ein Gas oder ein Gasgemisch oder/und eine Kühlflüssigkeit oder/und mithilfe von Wärmerohren gekühlt wird oder/und wobei die 3D-Druckvorrichtung ein, zwei oder mehrere Strahlungswandler umfasst, vorzugsweise primäre und/oder sekundäre Strahlungswandler oder/und wobei die 3D-Druckvorrichtung Emitter breitbandiger elektro magnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen aufweist, deren Spektrum in erheblichem Maße voneinander abweicht, vorzugsweise langwellige IR-Strahler mit einer Peak-Wellenlänge zwischen 3 pm und

5.5 mhh, kombiniert mit Strahlern mit Peak-Wellenlänge im kurzwelligen Infrarotbereich zwischen 0,7 pm und 2 pm, oder langewellige IR-Strahler kombiniert mit Emittern von nichtkohärenter elektro-magnetischer Strahlung mit engem Spektrum zwischen 0,3 pm und 1,5 pm, vorzugsweise im sichtbaren Bereich, oder breitbandige mittelwellige IR-Strahler im Bereich von 3 pm bis

1.6 pm kombiniert mit kurzwelligen IR-Strahlern mit Peak- Wellenlängen im Bereich 0,7 pm bis 1,6 pm oder/und das eine Druckvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet.