WO2023217831A1 - Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensionalen gegenstandes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensionalen gegenstandes Download PDF

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WO2023217831A1
WO2023217831A1 PCT/EP2023/062365 EP2023062365W WO2023217831A1 WO 2023217831 A1 WO2023217831 A1 WO 2023217831A1 EP 2023062365 W EP2023062365 W EP 2023062365W WO 2023217831 A1 WO2023217831 A1 WO 2023217831A1
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powder
building material
process chamber
supply
removal
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Stephan Steiner
Adriaan Spierings
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Inspire Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for the additive manufacturing of a three-dimensional object, in particular according to L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) technology.
  • L-PBF Laser Powder Bed Fusion
  • Additive manufacturing processes are used to produce a three-dimensional object.
  • the construction or starting material is liquid.
  • free-flowing bulk material preferably powdery starting material
  • a building platform also known as a building board
  • the process is also called the powder bed melting process.
  • the material in the powder bed is usually called substrate material.
  • the starting material is also called building material.
  • the item to be manufactured is also called a component.
  • Powdered starting material is generally used and a powder bed is used.
  • a metal or a plastic can be used as the powder.
  • the powder material is melted in a build space using a laser. If plastic powder is used, the installation space and the plastic powder are usually heated to just below the melting point, so that the laser only has to apply the remaining amount of energy to process the powder. If metal powder is used, it is usually melted using a laser.
  • the installation space can also be heated, but it usually does not have to be heated. Generally, it is filled with an inert gas, also called a shielding gas, to avoid oxidation of the metal powder and the molten pool. Nitrogen or argon is usually used for this.
  • the metal powder is melted, i.e. changed from a solid to a liquid state.
  • Devices for the additive manufacturing of a three-dimensional object from a powdery building material usually have:
  • M1 a process chamber in which the three-dimensional object is gradually formed
  • M2 a supply means for supplying the powdery building material into the process chamber
  • M3 an application means for applying a powder layer comprising the powdery building material to a target surface in a building area of the gradually formed three-dimensional object in the process chamber;
  • an action means for selectively applying energy to selected reaction areas of the applied powder layer in order to fuse the powdery building material in these selected reaction areas, the selected reaction areas corresponding to a cross section of the three-dimensional object to be formed within the powder layer;
  • the feed means forms a powder feed.
  • the application means preferably has a coater mechanism.
  • the means of action usually has an energy source, preferably a laser.
  • the laxative preferably comprises at least one suction unit.
  • the construction area is also called the process area.
  • Methods for the additive manufacturing of a three-dimensional object from a powdery building material usually include the following steps:
  • the additively manufactured objects are components that are installed in systems that have other components, e.g. in devices or machines. Therefore, these additively manufactured components must be of high quality in terms of their structure, especially their strength and homogeneity. Furthermore, they must have good dimensional accuracy, i.e. the deviations from the specified and desired geometries of the respective component must be as small as possible.
  • These condensates consist of alloy components of the substrate material, ie the powdery starting material in the powder bed. If these alloy components settle on an optical system, such as a laser or deflecting mirrors or lenses, the transmission of energy from the energy source to the point of impact is impaired. If they accumulate on the displacement axes of the device, mobility is reduced and increased maintenance is necessary. If these condensates are deposited on the surface of the object to be formed, incorrect inclusions/oxide inclusions occur in the component to be formed, which in turn Component properties impaired. Deposits in the powder bed can lead to significant changes in the powder quality. If the unsolidified powder is reused in a later manufacturing process, it can lead to a loss of quality in subsequently manufactured items due to its contamination during later use.
  • Weld spatter that occurs in the effective area of the agent can be significantly larger than the powdery starting material. If such weld spatters land in the powder bed, process fluctuations can occur in the effective area within the powder bed and thus also affect the properties of the object to be formed. Furthermore, the surface of the weld spatter is often covered with an oxidation layer. The weld spatters therefore contaminate the powder material to be solidified and thus the resulting object. These welding spatters can only be removed to a limited extent through a sieving process. They therefore contribute significantly to powder aging. i.e. the unsolidified powder in the powder bed can only be recycled to a very limited extent.
  • the powder bed should therefore preferably have the following properties:
  • productivity is also relevant for the economical production of components.
  • the process time is influenced by the following influencing factors:
  • Exposure parameters a. Vector distance between the individual laser paths (called hatching) b. Power of the energy source c. Speed of the agent
  • Dead time a) Caused during the application of the powdery building material, ie caused by the coating process b) Caused when creating a protective atmosphere, ie during setting up and/or flooding the process chamber.
  • EP 3 634 757 A1 discloses a shift time reduction through simultaneous processing of several powder layers that are locally offset. A local powder supply is planned. The coater is synchronized with the position of the energy source
  • EP 3 323 597 B1 discloses a radially arranged smoke gas extraction close to the effective area. Due to this arrangement, the flow profile is also aligned radially. As a result, an area can form close to the powder bed that is difficult for new protective gas to flow over.
  • DE 10 2016 112652 A1 describes a bidirectional protective gas flow.
  • the supply and extraction of protective gas at the coater ensures that the protective gas flow is always directed in the same direction and as low as possible in relation to the height of the powder bed.
  • the coat time is reduced by coating bidirectionally using a powder reservoir on the coater.
  • an action means for specifically applying energy (1b) to selected reaction areas of the powder layer in order to fuse the powdery building material in the selected reaction areas, the selected reaction areas corresponding to a cross section of the three-dimensional object to be formed within the powder layer and
  • the application means and the feed means are integrated together in an assembly that can be specifically moved within the process chamber.
  • the device is suitable for use in particular for L-PBF processes, in particular for plastic and/or metal.
  • the application means preferably has a coating mechanism.
  • the construction area is also called the process area.
  • the means of action has an energy source, preferably a laser.
  • the means of action also has deflection mirrors for the controlled movement of the laser beam and focusing optics, preferably a plane field lens.
  • Planar field lenses are also called F-theta lenses.
  • the application means and the removal means are integrated together in an assembly that can be specifically moved within the process chamber.
  • the laxative extends at least approximately over the entire length of the application agent.
  • all three means i.e. the application means, the supply means and the removal means are integrated together in the assembly that can be moved in a targeted manner within the process chamber.
  • the movable assembly is preferably arranged on a carriage which can be moved in a guided manner.
  • the displacement preferably takes place exclusively in the horizontal direction.
  • the target surface is preferably stationary with respect to the horizontal. However, it is preferably vertically adjustable.
  • the adjustment is preferably carried out using the same control that also controls the assembly. This control preferably coordinates all movements.
  • a protective gas supply means for supplying a protective gas into the construction area is preferably present. In some embodiments it is stationary and arranged separately from the movable assembly. In other embodiments it is integrated into the movable assembly.
  • the feed means preferably comprises a powder conveyor for feeding the powder to the application means.
  • the powder conveyor is preferably a conveyor belt or a differently designed conveyor section.
  • the conveyor belt or the conveyor section is preferably driven. Preferably by controlling the assembly.
  • a protective gas reduces oxidation and thus unwanted deposits. If the protective gas supply means is also integrated in the movable assembly, optimal supply and distribution of the protective gas in the effective area is ensured. Another advantage is that less protective gas is consumed or required. This also reduces operating costs.
  • the protective gas supply means preferably contains a protective gas metering unit for metered supply of the protective gas to the target surface in the construction area or process area of the process chamber.
  • the dosage of the protective gas ensures optimal avoidance of oxidation while at the same time minimizing the consumption of the protective gas.
  • the laxative preferably contains a reaction byproduct suction means for sucking off reaction byproducts, in particular volatile reaction byproducts.
  • Suction is a simple and efficient way of removal. It can preferably be controlled so that suction is more or less strong as required.
  • the feed means contains a powder dosing unit for dosed feeding of the powdery building material to the target surface in the construction area or process area of the process chamber. This also optimizes the time required, shortens the production time and homogenizes the powder bed properties.
  • the supply means, the removal means and the application means can be controlled by a common control unit. This optimizes the interaction of the individual agents, shortens processing times, minimizes oxidation, condensate deposits, interactions with the flue gas and minimizes contamination of the powder bed by weld spatter.
  • the supply means, the removal means, the application means and the action means can be controlled by a common control unit. This makes the optimizations and minimizations mentioned above even more pronounced.
  • the positioning of the supply means and the removal means is preferably adjustable relative to one another. Depending on the type and size of the product to be produced, an optimized interaction between the delivery agent and the laxative can be achieved.
  • the positioning of the supply means and/or the removal means to the target surface in the construction area or process area is adjustable.
  • an optimized interaction of the supply and/or laxative with the target surface can be achieved.
  • an energy input can be adjusted by the means of action.
  • at least one of the following parameters can be adjusted: scanning speed, laser power, beam diameter, hatching.
  • Another adjustable component is the relative and absolute layer thickness of the applied powder.
  • the throughput of the supply means (in particular the powder dispenser) and/or the discharge means is adjustable.
  • the throughput of the feed agent is preferably determined by the doser.
  • the throughput of the laxative can be changed by the supply quantity or speed of the gas and/or the suction and/or by changing the distance between supply and discharge.
  • At least one powder container is arranged outside the device or is connected to the supply means in the device, in particular to the dosing unit, via at least one feed line.
  • the powder container is part of the device.
  • the powder container is therefore assigned to the supply means and integrated into the assembly. This enables local storage and supply of the powder to be used.
  • the method according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional object from a powdery building material can be carried out in particular, but not exclusively, using the device according to the invention.
  • the method includes at least the following steps: a. feeding a powdered building material into a process chamber; b. Applying a powder layer comprising the powdery building material to a target surface in a construction area of the object to be gradually formed in the process chamber; c. selectively applying energy to selected reaction areas of the powder layer in order to fuse the powdery building material in the selected areas, the selected reaction areas corresponding to a cross section of the object to be formed within the powder layer, and d. removing reaction by-products from the powder layer; where steps b. and c. be carried out repeatedly to gradually build up the object in layers.
  • the supply agent, the removal agent and the application agent are controlled in a synchronized manner by means of a common control unit.
  • the construction area forms a process area.
  • the process is particularly suitable for L-PBF processes, but can also be used for other processes.
  • the supply means, the removal means and the application means are controlled so that they are moved synchronously with one another.
  • the three means are arranged on different components that are synchronized with one another but moved separately from one another.
  • they are located on a common component, which basically contains all three means moved together, whereby they are preferably also moved in a synchronized manner relative to one another.
  • the supply means, the removal means, the application means and the action means are controlled in a synchronized manner by means of the common control unit.
  • the means of action is also synchronized with the other means, in particular the deflection mirrors of the laser beam, a spatially and temporally optimized processing of the powder bed can be achieved. For example, the extraction can take place close to where the current effective area is.
  • the protective gas supply means is also synchronized accordingly, the supply of the protective gas can also be optimized.
  • the powdery building material is preferably supplied in step a. intermittent or continuous.
  • the control preferably selects whether the supply is intermittent or continuous.
  • Reaction by-products are preferably removed in step d.
  • intermittent or continuous The control preferably selects whether the discharge is intermittent or continuous.
  • the positioning of the delivery means and the removal means is adjusted during the procedure. This increases the local and timely coordination of the individual resources.
  • the positioning of the supply means and/or the removal means to the target surface in the construction area or process area are adjusted during the process. This increases the location and real-time coordination of the individual resources compared to the target surface.
  • the throughput of the supply agent and/or the laxative agent is adjusted during the process.
  • the respective adjustment of one of the means takes place depending on the setting and/or adjustment of one of the other means.
  • Synchronized extraction allows the entire width of the construction area to be taken into account.
  • a synchronization strategy between exposure, i.e. the agent, and the powder supply as well as the suction is particularly advantageous in order to be able to suction close to the effective area.
  • the method according to the invention and the device according to the invention make it possible to suck out process by-products close to the effective area, to simultaneously guide powder into the effective area, and to expose them synchronously with the energy source. This means that process by-products are removed more efficiently, the shift time is reduced, fluctuations in the powder bed properties are minimized and a highly compact, integrated structure is possible.
  • An integrated coating unit is preferably present, in which at least one suction unit and/or a powder feed with a corresponding metering unit is integrated in the layer-forming coating unit.
  • the position of the integrated unit and the movement of the energy beam are coordinated and synchronized.
  • FIG. 1 shows a partially cut-away perspective schematic representation of the device according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • Figure 2 is a partially cut-away perspective schematic representation of the device according to Figure 1 with some further details;
  • Figure 3 is a perspective view of the device according to the invention according to a second exemplary embodiment;
  • Figure 4 shows a section through part of the device according to Figure 3 in an enlarged view
  • Figure 5 shows part of the device according to Figure 3
  • Figure 6 shows a further section through part of the device according to Figure 3.
  • the device has a preferably gas-tight housing 0.
  • a building board 3 is arranged in the housing 0, on which the object to be created is produced.
  • the building plate 3 is adjustable in height.
  • an action means 1 Arranged on the housing 0 is an action means 1, which comprises an energy source, preferably a laser, or the supply of at least one laser beam.
  • An energy beam deflection mechanism 1a directs and focuses an energy beam 1b of the impact agent 1 onto the building board 3.
  • the energy beam 1b is usually a laser beam.
  • Reference numeral 11 points to a collimator of an externally arranged laser light source. The collimator 11 forms the exit of the laser beam onto the movable galvo mirrors.
  • motor-driven deflection mirrors are preferably arranged in the energy beam deflection mechanism 1a. They are not shown in the figures, but are well known in the art. Focusing on the desired plane above the building board 3 is preferably carried out by means of a plane field lens 10, also called an F-theta lens, which is preferably arranged between the deflection mirror and the building board 3. The area within which a target surface for the focused impact of the laser beam lies is also called the processing area.
  • the housing 0 there is also at least one powder container 2, which contains the free-flowing material to be applied, in particular the powder material 20. It is preferably metal powder. In other embodiments it is plastic.
  • the powder container 2 is preferably a cartridge or a cartridge. The powder material can be seen in Figure 4. There are preferably several powder containers 2 available.
  • the feed means 5 for feeding the powder material 20.
  • the feed means 5 preferably includes valves 50 for selectively opening the powder containers 2.
  • the valves 50 are part of the powder containers.
  • the feed means 5 further comprises a powder conveyor 51 for conveying the powder removed from the powder container 2.
  • the powder conveyor 50 is preferably a conveyor belt which extends below the exits of the powder containers 2 along the powder containers 2, which are preferably arranged in a row. Other arrangements of the powder containers 2 relative to one another are possible.
  • the feed means 5 further comprises at least one, preferably exactly one, metering unit 52 for the metered supply of the powder material.
  • metering units are well known in the art.
  • the powder conveyor 51 extends to the dosing unit 52, which is preferably located below the powder conveyor 51, so that the powder falls into the dosing unit 52 due to gravity.
  • An application agent 7 applies the dispensed and metered powder material to the building board 3. It usually includes a coating unit, also known as a layer forming unit, which specifically distributes the powder layer by layer on the powder bed. It usually includes or consists of at least one squeegee. This is also known in the prior art and does not need to be explained in more detail here.
  • the squeegee is preferably arranged in the immediate vicinity of the exit of the metering unit 52 in order to distribute the powder falling or dispensed from the metering unit 52 onto the building board 3.
  • the device further comprises a laxative 6 for removing reaction by-products, in particular volatile reaction by-products.
  • the laxative 6 is preferably a suction device.
  • its suction opening 60 extends over the entire width of the application means 7, in particular the Squeegee.
  • the suction opening 60 can be formed by several distributed openings or a single opening.
  • the supply means 5, the removal means 6 and also the application means 7 are preferably applied together on the same assembly.
  • a powder container 2 or several powder containers 2 are preferably also part of this assembly.
  • the assembly can be moved in a controlled manner in relation to the building board 3.
  • axes 4 are preferably present for guidance, which are arranged on a base plate 30 of the device.
  • the displacement is preferably carried out by means of a carriage 53 and at least one motor, which is not shown here.
  • the carriage 53 is preferably displaceable along the axes 4 by means of rollers 54.
  • the axes 4 are not drawn continuously, so that the roles can be seen in Figures 3 and 5.
  • Other types of translational movement of the assembly are possible and known to those skilled in the art. In some embodiments only a translational movement is carried out, in others also a rotational movement or a pivoting movement.
  • the means of action 1 is preferably arranged in a stationary manner.
  • the deflection mechanism 1a in particular the deflection of the deflection mirrors, is preferably synchronized with the movement of the assembly via a control of the device.
  • the individual means, which are integrated together into the assembly, can preferably be moved relative to one another, this movement also preferably being synchronized by the control.
  • the synchronizations are preferably carried out with regard to the building board 3, more precisely with regard to the target surface in the area of the building board 3.
  • the device works as follows:
  • powder is dispensed into the area of the building board 3 by means of the feed means 5 and distributed by the application means 7, in particular by the squeegee, in the form of a layer on the worktop or building board 3.
  • This layer is melted and solidified by exposure to the at least one energy beam 1b in the working area on the building board 3.
  • the building board 3 is then lowered by this layer height and repositioned.
  • the next layer is then applied.
  • the new layer is connected to the lower layer by exposure again.
  • the energy beam 1b By exposure to the energy beam 1b, at least one can be created layer by layer build geometric object additively.
  • the deflection mechanism 1a positions the point of engagement of the laser beam in the desired effective range or on the target surface on the building board 3.
  • the process preferably takes place under a protective atmosphere.
  • a protective gas is preferably used for this. This will be explained in more detail below in the text using Figures 3 to 5.
  • process by-products 8 such as flue gases
  • powder can be simultaneously guided into the effective area by means of the feed means 5 and the layer-forming application means 7, and exposed in synchronization with the energy beam 1b.
  • process by-products 8 are removed more efficiently, the shift time is reduced, fluctuations in the powder bed properties are minimized and a highly compact, integrated structure is made possible.
  • the position of the integrated assembly, i.e. the unit, and the movement of the energy beam 1b are preferably coordinated and synchronized with one another.
  • FIGS. 3 to 5 An embodiment of the device according to the invention is shown in more detail in FIGS. 3 to 5.
  • the housing 0 is drawn transparent to show the components arranged therein.
  • the protective gas supply means 9 is now also shown. It can also be arranged on the assembly and moved together with the other means 5, 6, 7. However, it is preferably arranged at the end of the movable assembly that is opposite the building board 3. Ie it is arranged opposite the laxative 6.
  • the arrows in Figures 3 to 5 show the protective gas flow 90, which thus flows over the surface of the building board 3.
  • the protective gas flow 90 is also called the flow path.
  • the protective gas stream therefore flows over the effective area in order to remove process by-products.
  • the supply opening of the protective gas supply means 9 preferably also extends over the entire width of the building board 3, ie it preferably has the same width as the discharge means 6. It can also have only one opening or several openings arranged in a distributed manner.
  • a suction line 61 of the laxative 6 is also shown in FIGS. 3 to 5.
  • the powder bed 21 on the building board 3 is clearly visible, as is the powder 20 supplied from one of the powder containers 2.
  • the reaction by-products 8 are shown as smoke in Figure 5.
  • powder containers 2 which are arranged one behind the other in the device and are integrated together with the other means 5, 6, 7 in the same assembly.
  • the assembly can be moved automatically along the axes 4.
  • the corresponding motor is operated via the control, which synchronizes this movement with the movement of the deflection mirror for the laser beam 1b.
  • the synchronization also includes, if necessary and mechanically provided, the movements of the dosing device, powder conveyor and the valves in the feed means 5, the movement of the doctor blade of the application means 7 and the performance of the discharge means 6.
  • the device according to the invention and the method according to the invention enable synchronization of the supply of building material and the distribution of the building material by means of the application agent and/or the removal of reaction by-products.
  • the means of action is also synchronized with the supply and removal. This optimizes the machining process in terms of time and location as well as process robustness.
  • Feeding means powder feed, powder

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial ermöglichen eine Synchronisation von Zufuhr von Baumaterial und der Verteilung des Baumaterials mittels des Aufbringungsmittels und/oder der Abfuhr von Reaktionsnebenprodukten. Vorzugsweise ist zudem das Einwirkungsmittel mit der Zufuhr und Abfuhr synchronisiert. Dies optimiert den Bearbeitungsprozess in zeitlicher und örtlicher Hinsicht sowie die Prozessrobustheit.

Description

TITEL
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG EINES DREIDIMENSIONALEN GEGENSTANDES
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes, insbesondere gemäss der L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) Technologie.
STAND DER TECHNIK
Vorrichtungen zur additiven Herstellung von physischen Objekten ausgehend von digitalen Datensätzen sind bekannt. Additive Fertigungsverfahren werden zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes verwendet. In einigen additiven Fertigungsverfahren ist das Bau- bzw. Ausgangsmaterial flüssig. In anderen Verfahren wird rieselfähiges Schüttgut, vorzugsweise pulverförmiges Ausgangsmaterial, Schicht für Schicht auf eine Bauplattform, auch Bauplatte genannt, in Form eines Pulverbetts aufgetragen und einzelne Bereiche des Pulverbetts werden verfestigt. Das Verfahren wird auch Pulverbett-Schmelzverfahren genannt. Das Material im Pulverbett wird üblicherweise Substratmaterial genannt. Das Ausgangsmaterial wird auch Baumaterial genannt. Der herzustellende Gegenstand wird auch Bauteil genannt.
Derartige 3D Druckverfahren mit Pulverbett-Schmelzverfahren sind bekannt. Es wird generell pulverförmiges Ausgangsmaterial verwendet und mit einem Pulverbett gearbeitet. Als Pulver kann ein Metall oder ein Kunststoff verwendet werden.
In der L-PBF Technologie wird das Pulvermaterial mit Hilfe eines Lasers in einem Bauraum geschmolzen. Wird Kunststoffpulver verwendet, wird üblicherweise der Bauraum und das Kunststoffpulver vorzugsweise bis knapp unter den Schmelzpunkt aufgeheizt, so dass der Laser lediglich den restlichen Energiebetrag zum Bearbeiten des Pulvers einbringen muss. Wird Metallpulver verwendet, so wird es üblicherweise mittels des Lasers geschmolzen. Der Bauraum kann ebenfalls aufgeheizt werden, er muss jedoch üblicherweise nicht aufgeheizt werden. Im Allgemeinen wird er mit einem Inertgas, auch Schutzgas genannt, gefüllt, um eine Oxidation des Metallpulvers und des Schmelzbades zu vermeiden. Üblicherweise wird hierzu Stickstoff oder Argon verwendet. Das Metallpulver wird geschmolzen, also vom festen in den flüssigen Aggregatszustand gebracht.
Vorrichtungen zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial weisen üblicherweise auf:
M1) eine Prozesskammer, in welcher der dreidimensionale Gegenstand nach und nach gebildet wird;
M2) ein Zufuhrmittel zum Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in die Prozesskammer;
M3) ein Aufbringungsmittel zum Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach gebildeten dreidimensionalen Gegenstandes in der Prozesskammer;
M4) ein Einwirkungsmittel zum gezielten Einwirkenlassen von Energie auf ausgewählte Reaktionsbereiche der aufgebrachten Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in diesen ausgewählten Reaktionsbereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden dreidimensionalen Gegenstandes innerhalb der Pulverschicht entsprechen; und
M5) ein Abführmittel zum Abführen von Reaktions-Nebenprodukten, insbesondere von volatilen Reaktions-Nebenprodukten
Das Zufuhrmittel bildet eine Pulverzuführung. Das Aufbringungsmittel weist vorzugsweise einen Beschichtermechanismus auf. Das Einwirkungsmittel weist üblicherweise eine Energiequelle auf, vorzugsweise einen Laser. Das Abführmittel umfasst vorzugsweise mindestens eine Absaugeinheit. Der Baubereich wird auch Prozessbereich genannt.
Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial umfassen üblicherweise folgende Schritte:
51) Zuführen eines pulverförmigen Baumaterials in eine Prozesskammer;
52) Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich bzw. Prozessbereich des nach und nach gebildeten Gegenstandes in der Prozesskammer;
53) gezieltes Einwirkenlassen von Energie auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, welche einem Querschnitt des zu bildenden Gegenstandes innerhalb der Pulverschicht entsprechen, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Bereichen zu verschmelzen; und
S4) Abführen von Reaktions-Nebenprodukten aus der Pulverschicht, wobei die Schritte S1) bis S3) wiederholt durchgeführt werden, um den Gegenstand nach und nach schichtweise aufzubauen.
In vielen Fällen handelt es sich bei den additiv gefertigten Gegenständen um Bauteile, die in Systeme eingebaut werden, die weitere Bauteile aufweisen, z.B. in Geräte oder Maschinen. Deshalb müssen diese additiv gefertigten Bauteile eine hohe Qualität bezüglich ihrer Struktur, insbesondere ihrer Festigkeit und Homogenität erfüllen. Ferner müssen sie eine gute Massgenauigkeit aufweisen, d.h. die Abweichungen von vorgegebenen und angestrebten Geometrien des jeweiligen Bauteils müssen möglichst gering sein.
Die Bauteileigenschaften werden massgeblich durch die Prozessrobustheit beeinflusst. Nebenprodukte aus einem Wirkbereich können diese Prozessrobustheit beeinträchtigen. Insbesondere in der L-PBF Technologie liegen folgende Probleme vor:
• Interaktion von Rauchgasen mit der Energiequelle, insbesondere mit dem Laser: Durch die Interaktion der Energiequelle mit entstehenden Rauchgasen kann Laserenergie absorbiert werden. Das Laserlicht kann gebrochen oder defokussiert, werden. Die Strahlenqualität kann sich verschlechtern und das Laserlicht kann gestreut werden. Diese Einflüsse führen zu energetischen Schwankungen im Wirkbereich, so dass nicht gewährleistet werden kann, dass die Eigenschaften des additiv gefertigten Gegenstandes konstant den gesetzten Anforderungen genügen.
• Kondensatablagerungen auf einer Optik des Einwirkungsmittels, auf Oberflächen des zu fertigenden Gegenstandes, auf Verschiebeachsen und im Pulverbett:
Rauchgase kondensieren. Diese Kondensate bestehen aus Legierungsbestandteilen des Substratmaterials, d.h. des pulverförmigen Ausgangsmaterials im Pulverbett. Wenn sich diese Legierungsbestandteile auf einer Optik, z.B. des Lasers oder von Umlenkspiegeln oder Linsen absetzen, ist die Übertragung der Energie von der Energiequelle zum Einwirkungsort beeinträchtigt. Lagern sie sich auf Verschiebeachsen der Vorrichtung ab, so ist die Beweglichkeit vermindert und ein erhöhter Wartungsaufwand ist notwendig. Lagern sich diese Kondensate auf der Oberfläche des zu bildenden Gegenstandes ab, kommt es zu Fehleinschlüssen/Oxideinschlüssen im zu formenden Bauteil, das wiederum die Bauteileigenschaften beeinträchtigt. Ablagerungen im Pulverbett können dazu führen, dass die Pulverqualität massgebend verändert wird. Wird das nicht verfestigte Pulver in einem späteren Herstellungsprozess wiederverwendet, so kann es aufgrund seiner Verunreinigung bei der späteren Verwendung zu Qualitätseinbussen in nachfolgend hergestellten Gegenständen führen.
• Schweissspritzer im Pulverbett:
Im Wirkbereich des Einwirkungsmittels entstehende Schweissspritzer können deutlich grösser sein als das pulverförmige Ausgangsmaterial. Landen derartige Schweissspritzer im Pulverbett, kann es zu Prozess-Schwankungen im Wirkbereich innerhalb des Pulverbetts kommen und so ebenfalls die Eigenschaften des zu bildenden Gegenstandes beeinträchtigen. Weiter ist die Oberfläche der Schweissspritzer oft mit einer Oxidationsschicht überzogen. Die Schweissspritzer verunreinigen demnach das zu verfestigende Pulvermaterial und somit den daraus entstehenden Gegenstand. Diese Schweissspritzer lassen sich nur bedingt durch einen Siebprozess ausscheiden. Sie tragen somit wesentlich zur Pulveralterung bei. d.h. das nicht verfestigte Pulver im Pulverbett kann nur sehr begrenzt wiederverwertet werden.
Unregelmässigkeiten im Pulverbett, d.h. im Substratmaterial, können ebenfalls Prozessschwankungen verursachen. Das Pulverbett sollte deshalb vorzugsweise folgende Eigenschaften aufweisen:
• Konstante Schichthöhe
• Konstante Schichtdichte
• Konstante Partikelgrössenverteilung
Zusätzlich zur Prozessrobustheit, d.h. zur gleichbleibenden Qualität, ist für eine wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen zudem die Produktivität relevant. Die Prozesszeit wird insbesondere in der L-PBF Technologie durch folgende Einflussfaktoren beeinflusst:
• Belichtungsparameter: a. Vektorabstand zwischen den einzelnen Laserbahnen (Hatching genannt) b. Leistung der Energiequelle c. Geschwindigkeit des Einwirkungsmittels
• Totzeit a) Verursacht bei der Aufbringung des pulverförmigen Baumaterials, d.h. verursacht durch den Beschichtungsprozess b) Verursacht beim Herstellen einer Schutzatmosphäre, d.h. während des Einrichtens und/oder Flutens der Prozesskammer.
Der Stand der Technik beschäftigt sich jeweils lediglich mit einem Teil dieser Probleme. Sie befassen sich mit Schichtzeitreduktionen oder verbesserten lokalen Absaugungen von Nebenprodukten oder lokalen Pulverzuführungs-Mechanismen.
Beispielsweise offenbart EP 3 634 757 A1 eine Schichtzeitreduktion durch simultanes Bearbeiten von mehreren Pulverschichten, die örtlich versetzt sind. Es ist eine lokale Pulverzufuhr vorgesehen. Der Beschichter wird mit der Position der Energiequelle synchronisiert
DE 10 2014 108061 A1 zeigt eine lokale Rauchgasabsaugung nahe am Wirkbereich des Einwirkungsmittels. Der Wirkbereich ist jedoch sehr klein und bremst die sehr schnelle Bewegung des Energiestrahls stark aus. Schweissspritzer mit hoher Initialgeschwindigkeit können deshalb tendenziell aus dem Bereich entweichen und trotzdem im Pulverbett landen.
EP 3 323 597 B1 offenbart eine radial angeordnete Rauchgasabsaugung nahe am Wirkbereich. Durch diese Anordnung ist das Strömungsprofil ebenfalls radial ausgerichtet. Dadurch kann sich nahe am Pulverbett ein Bereich bilden, der nur schlecht mit neuem Schutzgas überströmt wird.
DE 10 2016 112652 A1 beschreibt eine bidirektionale Schutzgasströmung. Die Zuführung und Absaugung von Schutzgas am Beschichter dient dazu, dass der Schutzgasstrom immer in die gleiche Richtung und bezüglich der Höhe zum Pulverbett möglichst niedrig geführt wird. Die Schichtzeit wird reduziert, indem mittels eines Pulverreservoirs auf dem Beschichter bidirektional beschichtet wird.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes zu schaffen.
Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , 2, 3 bzw. Anspruch 16.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial weist in einer bevorzugten Ausführungsform auf
- eine Prozesskammer, in welcher der dreidimensionale Gegenstand nach und nach bildbar ist;
- ein Zufuhrmittel zum Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in die Prozesskammer;
- ein Aufbringungsmittel zum Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach zu bildenden Gegenstands in der Prozesskammer;
- ein Einwirkungsmittel zum gezielten Einwirkenlassen von Energie (1b) auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Reaktionsbereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden dreidimensionalen Gegenstands innerhalb der Pulverschicht entsprechen und
- ein Abführmittel zum Abführen von Reaktions-Nebenprodukten (8) aus der Pulverschicht.
Das Aufbringungsmittel und das Zufuhrmittel sind gemeinsam in einer innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert.
Die Vorrichtung eignet sich, insbesondere für L-PBF Verfahren eingesetzt zu werden, insbesondere für Kunststoff und/oder Metall.
Das Aufbringungsmittel weist vorzugsweise einen Beschichtungsmechanismus auf. Der Baubereich wird auch Prozessbereich genannt. Das Einwirkungsmittel weist eine Energiequelle, vorzugsweise einen Laser auf. Vorzugsweise weist das Einwirkungsmittel ferner Umlenkspiegel zur kontrollierten Bewegung des Laserstrahls und eine Fokussieroptik, vorzugsweise eine Planfeldlinse, auf. Planfeldlinsen werden auch F-Theta- Linsen genannt.
Da das Zufuhrmittel gemeinsam mit dem Aufbringungsmittel bewegt wird, lassen sich Totzeiten zwischen der Aufbringung des Pulvers auf die Bauplatte und die Verteilung des Pulvers auf die Zieloberfläche vermeiden oder zumindest minimieren. Dadurch verläuft der Bearbeitungsprozess zeitlich optimiert, er ist nicht «ausgebremst». Die Schichtzeit, d.h. die Zeit zur Aufbringung des Pulvers auf die Zieloberfläche, lässt sich im Vergleich zu konventionellen Systemen reduzieren. Dies erhöht die Produktivität. Es lassen sich ferner schwächere und somit kostengünstigere Laser bei trotzdem kompetitiver Produktivität verwenden, da schneller beschichtet werden kann.
In einer anderen Ausführungsform sind das Aufbringungsmittel und das Abführmittel gemeinsam in einer innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert. Vorzugsweise erstreckt sich das Abführmittel mindestens annähernd über die gesamte Länge des Aufbringungsmittels.
Durch die örtliche Nähe des Abführmittels zum Aufbringungsmittel und durch deren gemeinsame Bewegung werden Rauchgase und Schweissspritzer abgesaugt, bevor sie die oben genannten Probleme erzeugen können. Die Optik des Einwirkungsmittels wird weniger durch Rauchgase beeinträchtigt, Kondensatablagerungen werden in allen Bereichen minimiert bzw. vermieden und Schweissspritzer gelangen weniger ins Pulverbett. Die Wartung ist minimiert, das Pulverbett wird weniger verunreinigt und das Pulver kann somit länger wiederverwertet werden. Diese Vorteile vermindern die Produktionskosten. Die vorteilhaften Wirkungen sind erhöht, wenn sich das Abführmittel möglichst über die gesamte Länge des Aufbringungsmittels erstreckt, d.h. es sich möglichst über die gesamte Länge eines Rakels des Aufbringungsmittels erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle drei Mittel, d.h. das Aufbringungsmittel, das Zufuhrmittel und das Abführmittel gemeinsam in der innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert.
Werden alle drei oben genannten Mittel gemeinsam miteinander bewegt, so sind die genannten Vorteile miteinander kombiniert. Zudem ist ein hochkompakter, integrierter Aufbau der gesamten Vorrichtung möglich. Dies verringert den Platzbedarf der Vorrichtung bei gleichzeitiger Optimierung ihrer Wirkungsweise.
Die bewegbare Baugruppe ist vorzugsweise auf einem Schlitten angeordnet, der geführt verschiebbar ist. Die Verschiebung erfolgt vorzugsweise ausschliesslich in horizontaler Richtung. Die Zieloberfläche ist vorzugsweise stationär bezüglich der Horizontalen. Vorzugsweise ist sie jedoch in der Vertikalen verstellbar. Die Verstellung erfolgt vorzugsweise mittels derselben Steuerung, die auch die Baugruppe steuert. Vorzugsweise koordiniert diese Steuerung sämtliche Bewegungen. Vorzugsweise ist ein Schutzgas-Zufuhrmittel zum Zuführen eines Schutzgases in den Baubereich vorhanden. In einigen Ausführungsformen ist es ortsfest und getrennt von der bewegbaren Baugruppe angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist es in der bewegbaren Baugruppe integriert.
Das Zufuhrmittel umfasst vorzugsweise einen Pulverförderer zur Zuführung des Pulvers zum Aufbringungsmittel. Vorzugsweise ist der Pulverförderer ein Förderband oder eine anders ausgebildete Förderstrecke. Das Förderband bzw. die Förderstrecke ist vorzugsweise angetrieben. Vorzugsweise mittels der Steuerung der Baugruppe.
Die Verwendung eines Schutzgases vermindert Oxidationen und somit ungewünschte Ablagerungen. Ist auch das Schutzgas-Zufuhrmittel in der bewegbaren Baugruppe integriert, so ist eine optimale Zuführung und Verteilung des Schutzgases im Wirkbereich sichergestellt. Vorteilhaft ist ferner, dass weniger Schutzgas verbraucht bzw. benötigt wird. Auch dies vermindert die Betriebskosten.
Vorzugsweise enthält das Schutzgas-Zufuhrmittel eine Schutzgas-Dosiereinheit zum dosierten Zuführen des Schutzgases auf die Zieloberfläche in dem Baubereich bzw. Prozessbereich der Prozesskammer. Die Dosierung des Schutzgases gewährleistet eine optimale Vermeidung von Oxidationen bei gleichzeitiger Minimierung des Verbrauchs des Schutzgases.
Vorzugsweise enthält das Abführmittel ein Reaktionsnebenprodukt-Absaugmittel zum Absaugen von Reaktionsnebenprodukten, insbesondere von volatilen Reaktionsnebenprodukten. Die Absaugung ist eine einfache und effiziente Art der Abfuhr. Vorzugsweise lässt sie sich steuern, so dass je nach Bedarf mehr oder weniger stark abgesaugt wird.
Vorzugsweise enthält das Zufuhrmittel eine Pulver-Dosiereinheit zum dosierten Zuführen des pulverförmigen Baumaterials auf die Zieloberfläche in dem Baubereich bzw. Prozessbereich der Prozesskammer. Auch dies optimiert den Zeitbedarf, verkürzt die Produktionszeit und homogenisiert die Pulverbetteigenschaften.
Vorzugsweise sind das Zufuhrmittel, das Abführmittel und das Aufbringungsmittel von einer gemeinsamen Steuerungseinheit ansteuerbar. Dies optimiert das Zusammenspiel der einzelnen Mittel, verkürzt die Bearbeitungszeiten, minimiert Oxidationen, Kondensatablagerungen, Interaktionen mit dem Rauchgas und minimiert eine Verunreinigung des Pulverbetts durch Schweissspritzer.
Noch bevorzugter sind das Zufuhrmittel, das Abführmittel, das Aufbringungsmittel und das Einwirkungsmittel von einer gemeinsamen Steuerungseinheit ansteuerbar. Die oben erwähnten Optimierungen und Minimierungen sind dadurch noch mehr ausgeprägter.
Vorzugsweise ist die Positionierung des Zufuhrmittels und des Abführmittels zueinander verstellbar. Je nach Art und Grösse des herzustellenden Produkts lässt sich somit ein optimiertes Zusammenspiel des Zufuhrmittels und des Abführmittels erzielen.
Vorzugsweise ist die Positionierung des Zufuhrmittels und/oder des Abführmittels zur Zieloberfläche in dem Baubereich bzw. Prozessbereich verstellbar. Je nach Art und Grösse des herzustellenden Produkts lässt sich somit ein optimiertes Zusammenspiel des Zufuhr- und/oder des Abführmittels mit der Zieloberfläche erzielen.
Die Kombination genannten Verstellbarkeiten optimiert das Zusammenspiel noch ausgeprägter.
Vorzugsweise ist ein Energieeintrag durch das Einwirkungsmittel verstellbar. Beispielsweise lässt mindestens einer der folgenden Parameter verstellen: Scangeschwindigkeit, die Laserleistung, der Strahldurchmesser, Hatching. Eine weitere einstellbare Komponente ist die relative und absolute Schichtdicke des aufgetragenen Pulvers.
Vorzugsweise ist der Durchsatz des Zufuhrmittels (insbesondere des Pulverdosierers) und/oder des Abführmittels verstellbar. Der Durchsatz des Zufuhrmittels ist vorzugsweise durch den Dosierer bestimmt. Der Durchsatz des Abführmittels lässt sich durch die Zufuhrmenge oder -geschwindigkeit des Gases und/oder die Absaugung und/oder durch Veränderung des Abstandes zwischen Zufuhr und Abfuhr verändern.
In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Pulverbehälter ausserhalb der Vorrichtung angeordnet oder über mindestens eine Zuführleitung mit dem Zufuhrmittel in der Vorrichtung, insbesondere mit der Dosiereinheit, verbunden. In anderen Ausführungsformen ist der Pulverbehälter Bestandteil der Vorrichtung. Vorzugsweise ist der Pulverbehälter somit dem Zufuhrmittel zugeordnet und in der Baugruppe integriert. Dies ermöglicht eine ortsnahe Lagerung und Zufuhr des zu verwendenden Pulvers.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial lässt sich insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung durchführen. Das Verfahren weist mindestens die folgenden Schritte auf: a. Zuführen eines pulverförmigen Baumaterials in eine Prozesskammer; b. Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach zu bildenden Gegenstands in der Prozesskammer; c. gezieltes Einwirkenlassen von Energie auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Bereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden Gegenstands innerhalb der Pulverschicht entsprechen, und d. Abführen von Reaktions-Nebenprodukten aus der Pulverschicht; wobei die Schritte b. und c. wiederholt durchgeführt werden, um den Gegenstand nach und nach schichtweise aufzubauen.
Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren werden das Zufuhrmittel, das Abführmittel und das Aufbringungsmittel mittels einer gemeinsamen Steuerungseinheit synchronisiert angesteuert .
Der Baubereich bildet einen Prozessbereich aus.
Es sei bemerkt, dass die Nummerierung der Schritte a. bis d. nicht derart auszulegen ist, dass sie zwangsläufig eine Reihenfolge der Verfahrensschritte festlegen.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für L-PBF Verfahren, kann jedoch auch für andere Verfahren eingesetzt werden.
Das Zufuhrmittel, das Abführmittel und das Aufbringungsmittel werden angesteuert, so dass sie synchronisiert zueinander bewegt werden. Die drei Mittel sind je nach Variante des Verfahrens auf unterschiedlichen Bauteilen angeordnet, die synchronisiert zueinander, jedoch getrennt voneinander bewegt werden. In einer bevorzugten Variante befinden sie sich jedoch auf einem gemeinsamen Bauteil, das grundsätzlich alle drei Mittel gemeinsam bewegt, wobei sie vorzugsweise ferner relativ zueinander ebenfalls synchronisiert bewegt werden.
Vorzugsweise werden das Zufuhrmittel, das Abführmittel, das Aufbringungsmittel und das Einwirkungsmittel mittels der gemeinsamen Steuerungseinheit synchronisiert angesteuert. Wird auch das Einwirkungsmittel mit den übrigen Mitteln synchronisiert, insbesondere die Umlenkspiegel des Laserstrahls, lässt sich eine örtlich und zeitlich optimierte Bearbeitung des Pulverbetts erzielen. Beispielsweise kann die Absaugung ortsnah dort stattfinden, wo der aktuelle Wirkbereich ist. Ist auch das Schutzgas-Zufuhrmittel entsprechend synchronisiert, lässt sich auch die Zuführung des Schutzgases optimieren.
Vorzugsweise erfolgt das Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in Schritt a. intermittierend oder kontinuierlich. Vorzugsweise wählt die Steuerung, ob intermittierend oder kontinuierlich zugeführt wird.
Vorzugsweise erfolgt das Abführen von Reaktions-Nebenprodukten in Schritt d. intermittierend oder kontinuierlich. Vorzugsweise wählt die Steuerung, ob intermittierend oder kontinuierlich abgeführt wird.
Vorzugsweise wird die Positionierung des Zufuhrmittels und des Abführmittels während des Verfahrens verstellt. Dies erhöht die orts- und zeitnahe Koordination der einzelnen Mittel.
Vorzugsweise werden die Positionierung des Zufuhrmittels und/oder des Abführmittels zur Zieloberfläche in dem Baubereich bzw. Prozessbereich während des Verfahrens verstellt. Dies erhöht die orts- und zeitnahe Koordination der einzelnen Mittel im Vergleich zur Zieloberfläche.
Vorzugsweise wird der Durchsatz des Zufuhrmittels und/oder des Abführmittels während des Verfahrens verstellt.
Vorzugsweise erfolgt das jeweilige Verstellen eines der Mittel in Abhängigkeit von der Einstellung und/oder Verstellung eines der anderen Mittel.
Durch eine erfindungsgemässe Parallelisierung der lokalen Pulverzufuhr, Belichtung und Absaugung kann die Ausbremsung des Prozesses kompensiert werden und die Schichtzeit im Vergleich zu konventionellen Systemen reduziert werden
Durch eine synchronisierte Absaugung lässt sich die gesamte Baubereichsbreite berücksichtigen.
Besonders vorteilhaft ist eine Synchronisationsstrategie zwischen Belichtung, d.h. dem Einwirkungsmittel, und der Pulverzuführung sowie der Absaugung, um nahe am Wirkbereich absaugen zu können.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglichen, Prozess-Nebenprodukte nahe am Wirkbereich abzusaugen, simultan Pulver in den Wirkbereich zu führen, und dazu synchronisiert mit der Energiequelle zu belichten. Somit werden Prozess-Nebenprodukte effizienter abgeführt, die Schichtzeit reduziert, Schwankungen in den Pulverbetteigenschaften minimiert und ein hochkompakter, integrierter Aufbau ermöglicht.
Vorzugsweise ist eine integrierte Beschichtungseinheit vorhanden, bei der mindestens eine Absaugeinheit und/oder eine Pulverzuführung mit entsprechender Dosiereinheit in der schichtformenden Beschichtungseinheit integriert ist. Die Position der integrierten Einheit und die Bewegung des Energiestrahls sind aufeinander abgestimmt und synchronisiert.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene Perspektive schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine teilweise aufgeschnittene Perspektive schematische Darstellung der Vorrichtung gemäss Fig. 1 mit einigen weiteren Details; Figur 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figur 4 einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung gemäss Figur 3 in vergrösserter Darstellung;
Figur 5 einen Teil der Vorrichtung gemäss Figur 3 und
Figur 6 einen weiteren Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung gemäss Figur 3.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den Figuren 1 und 2 ist das Grundprinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung weist ein vorzugsweise gasdicht geschlossenes Gehäuse 0 auf. Im Gehäuse 0 ist eine Bauplatte 3 angeordnet, auf der das zu schaffende Objekt produziert wird. Die Bauplatte 3 ist in der Höhe verstellbar.
Auf dem Gehäuse 0 ist ein Einwirkungsmittel 1 angeordnet, die eine Energiequelle, vorzugsweise einen Laser, bzw. die Zuführung mindestens eines Laserstrahls, umfasst. Ein Energiestrahl- Auslenkungsmechanismus 1a lenkt und fokussiert einen Energiestrahl 1b des Einwirkungsmittels 1 auf die Bauplatte 3. Der Energiestrahl 1b ist üblicherweise ein Laserstrahl. Das Bezugszeichen 11 zeigt auf einen Kollimator einer extern angeordneten Laserlichtquelle. Der Kollimator 11 bildet den Austritt des Laserstrahl auf die bewegbaren Galvo-Spiegel.
Zur Umlenkung des Laserstrahls sind im Energiestrahl- Auslenkungsmechanismus 1a vorzugsweise motorbetriebene Umlenkspiegel angeordnet. Sie sind in den Figuren nicht dargestellt, jedoch im Stand der Technik wohlbekannt. Die Fokussierung auf die gewünschte Ebene oberhalb der Bauplatte 3 erfolgt vorzugsweise mittels einer Planfeldlinse 10, auch F-Theta-Linse genannt, die vorzugsweise zwischen Umlenkspiegel und Bauplatte 3 angeordnet ist. Die Fläche, innerhalb der eine Zieloberfläche für das fokussierte Auftreffen des Laserstahls liegt, wird auch Bearbeitungsfläche genannt. Im Gehäuse 0 ist ferner mindestens ein Pulverbehälter 2 vorhanden, der das aufzubringende rieselfähige Material, insbesondere das Pulvermaterial 20, enthält. Es ist vorzugsweise Metallpulver. In anderen Ausführungsformen ist es Kunststoff. Der Pulverbehälter 2 ist vorzugsweise eine Kartusche oder eine Patrone. Das Pulvermaterial ist in Figur 4 erkennbar. Vorzugsweise sind mehrere Pulverbehälter 2 vorhanden.
Ferner ist ein Zufuhrmittel 5 zur Zuführung des Pulvermaterials 20 vorhanden. Das Zufuhrmittel 5 umfasst vorzugsweise Ventile 50 zur wahlweisen Öffnung der Pulverbehälter 2. In anderen Ausführungsformen sind die Ventile 50 Bestandteil der Pulverbehälter. Das Zufuhrmittel 5 umfasst ferner einen Pulverförderer 51 zur Förderung des aus dem Pulverbehälter 2 entnommenen Pulvers. Der Pulverförderer 50 ist vorzugsweise ein Förderband, das sich unterhalb der Ausgänge der Pulverbehälter 2 entlang der vorzugsweise in einer Reihe angeordneten Pulverbehälter 2 erstreckt. Andere Anordnungen der Pulverbehälter 2 relativ zueinander sind möglich.
Das Zufuhrmittel 5 umfasst ferner mindestens eine, vorzugsweise genau eine Dosiereinheit 52 zur dosierten Zuführung des Pulvermaterials. Derartige Dosiereinheiten sind im Stand der Technik wohlbekannt. Der Pulverförderer 51 erstreckt sich bis zur Dosiereinheit 52, welche sich vorzugsweise unterhalb des Pulverförderers 51 befindet, so dass das Pulver gravitationsbedingt in die Dosiereinheit 52 fällt.
Ein Aufbringungsmittel 7 trägt das dosiert abgegebene und dosierte Pulvermaterial auf die Bauplatte 3 auf. Es umfasst üblicherweise eine Beschichtungseinheit, auch Schichtungsformungseinheit auf, welche das Pulver gezielt Schicht um Schicht auf dem Pulverbett verteilt. Üblicherweise umfasst es oder besteht es aus mindestens einem Rakel. Auch dies ist im Stand der Technik bekannt und muss hier nicht näher erläutert werden.
Vorzugsweise ist das Rakel in unmittelbarer Nähe zum Ausgang der Dosiereinheit 52 angeordnet, um das aus der Dosiereinheit 52 fallende oder abgegebene Pulver auf der Bauplatte 3 zu verteilen.
Die Vorrichtung umfasst ferner ein Abführmittel 6 zur Abfuhr von Reaktions- Nebenprodukten, insbesondere von volatilen Reaktions-Nebenprodukten. Das Abführmittel 6 ist vorzugsweise eine Absaugvorrichtung. Vorzugsweise erstreckt sich ihre Absaugöffnung 60 über die gesamte Breite des Aufbringungsmittels 7, insbesondere des Rakels. Die Absaugöffnung 60 kann durch mehrere verteilt angeordnete Öffnungen oder eine einzige Öffnung gebildet sein.
Das Zufuhrmittel 5, das Abführmittel 6 und auch das Aufbringungsmittel 7 sind vorzugsweise gemeinsam auf derselben Baugruppe aufgebracht. Vorzugsweise sind auch ein Pulverbehälter 2 oder mehrere Pulverbehälter 2 Teil dieser Baugruppe.
Die Baugruppe lässt sich in Bezug zur Bauplatte 3 gesteuert verschieben. Hierzu sind vorzugsweise Achsen 4 zur Führung vorhanden, die auf einer Basisplatte 30 der Vorrichtung angeordnet sind. Die Verschiebung erfolgt vorzugsweise mittels eines Schlittens 53 und mindestens einem Motor, der hier nicht dargestellt ist. Der Schlitten 53 ist vorzugsweise mittels Rollen 54 entlang der Achsen 4 verschiebbar. In den Figuren sind die Achsen 4 nicht durchgehend gezeichnet, so dass in den Figuren 3 und 5 die Rollen erkennbar sind. Andere Arten einer translatorischen Bewegung der Baugruppe sind möglich und Fachpersonen bekannt. In einigen Ausführungsformen wird lediglich eine translatorische Bewegung durchgeführt, in anderen auch eine rotatorische Bewegung oder eine Schwenkbewegung.
Das Einwirkungsmittel 1 ist vorzugsweise ortsfest angeordnet. Der Auslenkmechanismus 1a, insbesondere die Auslenkung der Umlenkspiegel, ist jedoch vorzugsweise über eine Steuerung der Vorrichtung mit der Bewegung der Baugruppe synchronisiert.
Die einzelnen Mittel, die gemeinsam in die Baugruppe integriert sind, lassen sich vorzugsweise relativ zueinander bewegen, wobei auch diese Bewegung vorzugsweise durch die Steuerung synchronisiert ist. Die Synchronisationen erfolgen jeweils bevorzugt in Hinblick auf die Bauplatte 3, genauer auf die Zieloberfläche im Bereich der Bauplatte 3.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
Aus dem Pulverbehälter 2 wird mittels des Zufuhrmittels 5 Pulver in den Bereich der Bauplatte 3 abgegeben und vom Aufbringungsmittel 7, insbesondere vom Rakel, in Form einer Schicht auf der Arbeitsplatte bzw. Bauplatte 3 verteilt. Durch Belichtung mit dem mindestens einen Energiestrahl 1b im Arbeitsbereich auf der Bauplatte 3 wird diese Schicht geschmolzen und verfestigt. Anschliessend wird die Bauplatte 3 um diese Schichthöhe abgesenkt und neu positioniert. Anschliessend wird die nächste Schicht aufgetragen. Die neue Schicht wird durch erneutes Belichten mit der unteren Schicht verbunden. Durch Belichtung mit dem Energiestrahl 1b lässt sich somit Schicht für Schicht mindestens ein geometrisches Objekt additiv aufbauen.
Der Auslenkmechanismus 1a positioniert dabei den Eingriffspunkt des Laserstrahls im gewünschten Wirkbereich bzw. auf der Zieloberfläche auf der Bauplatte 3.
Der Prozess erfolgt vorzugsweise unter Schutzatmosphäre. Vorzugsweise wird hierzu ein Schutzgas verwendet. Dies wird weiter unten im Text anhand der Figuren 3 bis 5 näher erläutert.
Dank der Verwendung einer bewegbaren Baugruppe lassen sich Prozess-Nebenprodukte 8, wie beispielsweise Rauchgase, mittels des Abführmittels 6 nahe am Wirkbereich absaugen, mittels des Zufuhrmittels 5 und dem schichtformenden Aufbringungsmittel 7 simultan Pulver in den Wirkbereich führen und dazu synchronisiert mit dem Energiestrahl 1b belichten. Somit werden Prozess-Nebenprodukte 8 effizienter abgeführt, die Schichtzeit reduziert, Schwankungen in den Pulverbetteigenschaften minimiert und ein hochkompakter, integrierter Aufbau ermöglicht. Die Position der integrierten Baugruppe, d.h. der Einheit, und die Bewegung des Energiestrahls 1b sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt und synchronisiert.
In den Figuren 3 bis 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung konkreter dargestellt. Das Gehäuse 0 ist durchsichtig gezeichnet, um die darin angeordneten Bauteile zu zeigen.
Im Vergleich zur Ausführungsform gemäss den Figuren 1 und 2 ist nun auch das Schutzgas-Zufuhrmittel 9 dargestellt. Es kann ebenfalls auf der Baugruppe angeordnet sein und gemeinsam mit den übrigen Mitteln 5, 6, 7 bewegt werden. Vorzugsweise ist es jedoch am bezüglich der Bauplatte 3 gegenüberliegenden Ende von der bewegbaren Baugruppe angeordnet. D.h. es ist dem Abführmittel 6 gegenüberliegend angeordnet. Die Pfeile in den Figuren 3 bis 5 zeigen die Schutzgasströmung 90, die somit flächig über die Bauplatte 3 strömt. Die Schutzgasströmung 90 wird auch Strömungsweg genannt. Der Wirkbereich wird somit vom Schutzgasstrom überströmt, um Prozess-Nebenprodukte abzuführen. Vorzugsweise erstreckt sich auch die Zuführungsöffnung des Schutzgas- Zufuhrmittels 9 über die gesamte Breite der Bauplatte 3, d.h. es weist vorzugsweise dieselbe Breite auf wie das Abführmittel 6. Es kann ebenfalls lediglich eine Öffnung oder mehrere verteilt angeordnete Öffnungen aufweisen. In den Figuren 3 bis 5 ist auch eine Absaugleitung 61 des Abführmittels 6 dargestellt.
Ferner sind das Pulverbett 21 auf der Bauplatte 3 gut erkennbar sowie das aus einem der Pulverbehälter 2 zugeführte Pulver 20. Die Reaktionsnebenprodukte 8 sind in Figur 5 als Rauch dargestellt.
In dieser Ausführungsform sind mehrere Pulverbehälter 2 vorhanden, die hintereinander in der Vorrichtung angeordnet sind und gemeinsam mit den anderen Mitteln 5, 6, 7 in derselben Baugruppe integriert sind. Die Baugruppe lässt sich entlang der Achsen 4 automatisch verschieben. Der entsprechende Motor wird über die Steuerung betrieben, die diese Bewegung mit der Bewegung der Umlenkspiegel für den Laserstrahl 1b synchronisiert. Die Synchronisation umfasst ferner, falls notwendig und mechanisch vorgesehen, die Bewegungen des Dosierers, Pulverförderers und der Ventile im Zufuhrmittel 5, die Bewegung des Rakels des Aufbringmittels 7 sowie der Leistung des Abführmittels 6.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren ermöglichen eine Synchronisation von Zufuhr von Baumaterial und der Verteilung des Baumaterials mittels des Aufbringungsmittels und/oder der Abfuhr von Reaktionsnebenprodukten. Vorzugsweise ist zudem das Einwirkungsmittel mit der Zufuhr und Abfuhr synchronisiert. Dies optimiert den Bearbeitungsprozess in zeitlicher und örtlicher Hinsicht sowie die Prozessrobustheit.
BEZUGSZEICHENLISTE
Gehäuse Dosiereinheit,
Pulverförderung)
Einwirkungsmittel 50 Ventil
(Energiequelle, Laser) 51 Pulverförderer a Energiestrahl- 52 Dosiereinheit
Auslenkungsmechanismus 53 Schlitten 0 Linse 54 Rolle 1 Kollimator/Laserausgang b Energie, Energiestrahl 6 Abführmittel (Absaugmittel)
(Laserstrahl) 60 Absaugöffnung
61 Absaugleitung
Pulverbehälter (Kartusche, Patrone) 7 Aufbringungsmittel0 Pulver (Beschichtungseinheit,1 Pulverbett Schichtungsformungseinheit)
Bauplatte 8 Reaktions-Nebenprodukte0 Basisplatte (volatile Nebenprodukte)
Achse (Beschichterachse) 9 Schutzgas-Zufuhrmittel
90 Schutzgasströmung
Zufuhrmittel (Pulverzuführung, Pulver-

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial, wobei die Vorrichtung aufweist:
- eine Prozesskammer, in welcher der dreidimensionale Gegenstand nach und nach bildbar ist;
- ein Zufuhrmittel (5) zum Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in die Prozesskammer;
- ein Aufbringungsmittel (7) zum Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach zu bildenden Gegenstands in der Prozesskammer;
- ein Einwirkungsmittel (1a) zum gezielten Einwirkenlassen von Energie (1b) auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Reaktionsbereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden dreidimensionalen Gegenstands innerhalb der Pulverschicht entsprechen;
- ein Abführmittel (6) zum Abführen von Reaktions-Nebenprodukten (8) aus der Pulverschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringungsmittel (7) und das Zufuhrmittel (5) gemeinsam in einer innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert sind.
2. Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial, wobei die Vorrichtung aufweist:
- eine Prozesskammer, in welcher der dreidimensionale Gegenstand nach und nach bildbar ist;
- ein Zufuhrmittel (5) zum Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in die Prozesskammer;
- ein Aufbringungsmittel (7) zum Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach zu bildenden Gegenstands in der Prozesskammer;
- ein Einwirkungsmittel (1a) zum gezielten Einwirkenlassen von Energie (1b) auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Reaktionsbereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden dreidimensionalen Gegenstands innerhalb der Pulverschicht entsprechen;
- ein Abführmittel (6) zum Abführen von Reaktions-Nebenprodukten (8) aus der Pulverschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringungsmittel (7) und das Abführmittel (6) gemeinsam in einer innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Aufbringungsmittel (7), das Zufuhrmittel (5) und das Abführmittel (6) gemeinsam in der innerhalb der Prozesskammer gezielt bewegbaren Baugruppe integriert sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Zufuhrmittel (5) einen Pulverförderer (51) umfasst zur Zuführung des Pulvers zum Aufbringungsmittel (7).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schutzgas- Zufuhrmittel eine Schutzgas-Dosiereinheit zum dosierten Zuführen des Schutzgases auf die Zieloberfläche in dem Baubereich der Prozesskammer aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Abführmittel (6) ein Reaktionsnebenprodukt-Absaugmittel zum Absaugen von Reaktions- Nebenprodukten (8) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Zufuhrmittel (5) eine Pulver-Dosiereinheit zum dosierten Zuführen des pulverförmigen Baumaterials auf die Zieloberfläche in dem Baubereich der Prozesskammer aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zufuhrmittel das Abführmittel (6) und das Aufbringungsmittel (7) von einer gemeinsamen Steuerungseinheit ansteuerbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zufuhrmittel das Abführmittel (6), das Aufbringungsmittel (7) und das Einwirkungsmittel (1a) von einer gemeinsamen Steuerungseinheit ansteuerbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Positionierung des Zufuhrmittels (5) und des Abführmittels (6) relativ zueinander verstellbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Positionierung des Zufuhrmittels (5) und/oder des Abführmittels (6) relativ zur Zieloberfläche in dem Baubereich verstellbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei ein Energieeintrag auf die ausgewählten Reaktionsbereiche durch das Einwirkungsmittel (1a) verstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Durchsatz des Zufuhrmittels (5) und/oder des Abführmittels (6) verstellbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei sie mindestens einen Pulverbehälter (2) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der/die Pulverbehälter (2) dem Zufuhrmittel (5) zugeordnet und in die Baugruppe integriert ist.
16. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem pulverförmigen Baumaterial, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. Zuführen eines pulverförmigen Baumaterials in eine Prozesskammer; b. Aufbringen einer das pulverförmige Baumaterial aufweisenden Pulverschicht auf eine Zieloberfläche in einem Baubereich des nach und nach zu bildenden Gegenstands in der Prozesskammer; c. gezieltes Einwirkenlassen von Energie auf ausgewählte Reaktionsbereiche der Pulverschicht, um das pulverförmige Baumaterial in den ausgewählten Bereichen zu verschmelzen, wobei die ausgewählten Reaktionsbereiche einem Querschnitt des zu bildenden Gegenstands innerhalb der Pulverschicht entsprechen, und d. Abführen von Reaktions-Nebenprodukten (8) aus der Pulverschicht; wobei die Schritte b. und c. wiederholt durchgeführt werden, um den Gegenstand nach und nach schichtweise aufzubauen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zufuhrmittel (5), das Abführmittel (6) und das Aufbringungsmittel (7) mittels einer gemeinsamen Steuerungseinheit synchronisiert angesteuert werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Zufuhrmittel (5), das Abführmittel (6), das Aufbringungsmittel (7) und das Einwirkungsmittel (1a) mittels der gemeinsamen Steuerungseinheit synchronisiert angesteuert, insbesondere bewegt, werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Zuführen des pulverförmigen Baumaterials in Schritt a. intermittierend oder kontinuierlich erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Abführen von Reaktions-Nebenprodukten (8) in Schritt d. intermittierend oder kontinuierlich erfolgt
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Positionierung des Zufuhrmittels (5) und des Abführmittels (6) während des Verfahrens verstellt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Positionierung des Zufuhrmittels (5) und/oder des Abführmittels (6) zur Zieloberfläche in dem Baubereich während des Verfahrens verstellt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Durchsatz des Zufuhrmittels (5) und/oder des Abführmittels (6) während des Verfahrens verstellt wird..
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei das jeweilige Verstellen eines der Mittel (5, 6, 7, 1a) in Abhängigkeit von der Einstellung und/oder Verstellung eines anderen der Mittel (5, 6, 7, 1a) erfolgt.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013226670A1 (de) * 2012-12-25 2014-06-26 Honda Motor Co., Ltd. Bauvorrichtung für ein dreidimensionales objekt und verfahren zum bauen eines dreidimensionalen objekts
EP2431113B1 (de) * 2009-05-15 2014-07-02 Panasonic Corporation Vorrichtung für geschichtete modellierung und verfahren mit dieser vorrichtung zur herstellung dreidimensionaler objekte
DE102014108061A1 (de) 2013-06-20 2014-12-24 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils
DE102016112652A1 (de) 2015-07-13 2017-01-19 Sodick Co., Ltd. Metall-3D-Drucker
US20180200792A1 (en) * 2017-01-13 2018-07-19 General Electric Company Additive manufacturing using a mobile build volume
DE102018203013A1 (de) * 2018-02-28 2019-08-29 Realizer Gmbh Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers
EP3323597B1 (de) 2016-11-21 2019-10-02 Robert Bosch GmbH Vorrichtung und verfahren zur additiven herstellung eines dreidimensionalen produktes
EP3634757A1 (de) 2017-06-06 2020-04-15 Aurora Labs Limited 3d-druckverfahren und -vorrichtung
EP3007881B1 (de) * 2013-06-11 2020-04-29 Renishaw Plc. Additivherstellungsvorrichtung und -verfahren

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2431113B1 (de) * 2009-05-15 2014-07-02 Panasonic Corporation Vorrichtung für geschichtete modellierung und verfahren mit dieser vorrichtung zur herstellung dreidimensionaler objekte
DE102013226670A1 (de) * 2012-12-25 2014-06-26 Honda Motor Co., Ltd. Bauvorrichtung für ein dreidimensionales objekt und verfahren zum bauen eines dreidimensionalen objekts
EP3007881B1 (de) * 2013-06-11 2020-04-29 Renishaw Plc. Additivherstellungsvorrichtung und -verfahren
DE102014108061A1 (de) 2013-06-20 2014-12-24 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils
DE102016112652A1 (de) 2015-07-13 2017-01-19 Sodick Co., Ltd. Metall-3D-Drucker
EP3323597B1 (de) 2016-11-21 2019-10-02 Robert Bosch GmbH Vorrichtung und verfahren zur additiven herstellung eines dreidimensionalen produktes
US20180200792A1 (en) * 2017-01-13 2018-07-19 General Electric Company Additive manufacturing using a mobile build volume
EP3634757A1 (de) 2017-06-06 2020-04-15 Aurora Labs Limited 3d-druckverfahren und -vorrichtung
DE102018203013A1 (de) * 2018-02-28 2019-08-29 Realizer Gmbh Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers

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