WO2023222252A1 - Additive fertigungsvorrichtung mit entkoppelter prozesskammer und additives fertigungsverfahren - Google Patents

Additive fertigungsvorrichtung mit entkoppelter prozesskammer und additives fertigungsverfahren Download PDF

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WO2023222252A1
WO2023222252A1 PCT/EP2022/083441 EP2022083441W WO2023222252A1 WO 2023222252 A1 WO2023222252 A1 WO 2023222252A1 EP 2022083441 W EP2022083441 W EP 2022083441W WO 2023222252 A1 WO2023222252 A1 WO 2023222252A1
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WO
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process chamber
main components
optical module
reference plane
common reference
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PCT/EP2022/083441
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Meinolf Tepper
Stefan Schoen
Christian Tenbrock
Marc Timmer
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Dmg Mori Additive Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an automatable manufacturing system based on optical interaction, in particular a manufacturing system for selective laser melting (SLM) with an optimized arrangement of the precision-determining components, so that external interference influences that arise during the process can be minimized.
  • SLM selective laser melting
  • an optimized additive manufacturing process is proposed.
  • SLM systems generally known from the prior art are constructed in such a way that the individual elements necessary for producing an SLM component, such as in particular the optics module, a build chamber, a coater and the Z-axis, are directly on the build chamber or directly one below the other are attached to each other.
  • a device for producing shaped bodies according to the principle of selective laser melting is known, for example, from DE 10 2019 200 680 Al.
  • the subject matter of this application is hereby incorporated by reference.
  • An object of the present invention is to provide a manufacturing device for additive manufacturing with which an improved manufacturing quality of the component to be manufactured can be achieved.
  • a device for building up objects from powdery material in layers by means of optical interaction can have a process chamber and at least one optical module.
  • the device can in particular use a method of selective laser melting.
  • the process chamber can be provided to provide a work space on a construction site.
  • At least one optical module can be provided, which is part of an irradiation device or which is an irradiation device for location-selective irradiation of the in the area of Construction field's existing material forms.
  • the optical module is preferably arranged above the process chamber and spaced from it.
  • a central connection of individual main components of the device can be made possible via a primary carrier or a receiving element.
  • the receiving element or basic element acts as a carrier device for receiving or storing the main components of the device or production system.
  • Main components include in particular those components of the device that are necessary for producing the object, i.e.
  • the process chamber in particular one or more optical modules, the process chamber, a coater and a Z-axis and/or lifting device.
  • the at least one optical module is advantageously mounted or accommodated on the base element at a first connection point.
  • the process chamber is accommodated or stored decoupled from the at least one optical module at a spaced-apart second connection point on the base element.
  • the optical module is thus arranged separately from the process chamber, with the optical module and the process chamber each being mounted on the base element.
  • Thermal expansion of the process chamber therefore no longer directly influences the spaced optical module. Since all main components of the device are particularly preferably provided separately and at a distance from one another on the base element, thermal influence or mechanical influence of the main components on one another is also minimized.
  • the main components are preferably accommodated exclusively on the base element, with the main components particularly preferably only being supported at one or more connection points which are provided separately for each of the main components.
  • the main components or precision-determining components are therefore arranged in such a way that they do not influence each other or that the influence is kept as low as possible.
  • connection points mounted on the base element, each of the connection points being spaced apart from the first connection point (at which the optical module is mounted) and particularly preferably the plurality of connection points being arranged essentially in a horizontal plane.
  • the basic element has a reference plane, relative to which the main components are arranged and positioned and whose relative position is used as position information, for example to compensate for deformations.
  • all relevant components are preferably connected to the basic element and a plane of the device, which is defined as a common reference plane and which is particularly preferably the reference plane of the optical module, is used as a reference plane for each of the individual main components.
  • the individual main components of the device can be mounted separately from one another and preferably directly on the base element.
  • the bearing is preferably designed in such a way that thermal expansion of the individual components is made possible without introducing significant forces into the base element, so that deformation of the main components is freely possible within predetermined tolerance ranges, without thereby causing forces or deformations in the other main components or that To introduce basic element.
  • the support points of the main components can be reduced so that they only have one of their own Bearing point are stored on the base element, so that the body of the connected main component introduces no or only minimal forces into the base element in the event of thermal deformation.
  • At least one of the main components can be mounted on the base element in a thermally decoupled manner.
  • Thermal, decoupled storage on the base element can be achieved, for example, by using components made of thermally insulating materials.
  • thermally insulating plates and disks for example made of ceramic or glass or fiber-reinforced plastics, can be used as intermediate elements at the bearing points or connection points.
  • spacer plates made of thermally insulating plastic can be used. This advantageous embodiment allows the thermal influence on the base element to be further reduced. The influence of the main components on each other can also be significantly reduced.
  • the thermal deformation of the process chamber is essential, so that particularly preferably at least the process chamber is mounted on (preferably each) of the at least one bearing point or connection point via thermally insulating materials, such as ceramic plates or plastic disks.
  • a cooling device for cooling the connection point can also be provided at the second connection point.
  • the second connection point is the (one or more) connection point of the process chamber with the base element, which is separate from the first connection point.
  • cooling channels can be provided in bearing plates or support plates, which enable active cooling or temperature control of the second connection point (or second connection points) and thereby reduce or actively influence the thermal influence of the process chamber on the base element and the other main components to a minimum.
  • Passive cooling is also possible, so that, for example, cooling fins can be provided for cooling the second connection point (or second connection points), and therefore contribute to reducing the thermal influence on the base element by the process chamber.
  • the main components of the device can preferably be thermally and mechanically decoupled from the process chamber.
  • the main components of the device can be provided on the base element separately from the process chamber.
  • one or more adapter elements for gas-tight and/or laser-safe shielding from the environment can also be provided between the optical module and the process chamber.
  • the adapter element is preferably arranged above the process chamber and below the optical module. Since an adapter element is provided as an intermediate element between the optical module and the process chamber and the adapter element can be designed in particular flexibly and enables gas-tight shielding of the transmission area from the optical module to the process chamber, a flexible connection can be achieved and a decoupling of the optical module from the process chamber in thermal and thermal terms mechanical way.
  • the adapter element is preferably connected directly to the optical module and directly to the process chamber. This means that even strong heating of the process chamber does not affect the optical module.
  • the adapter element is advantageously connected to the process chamber in such a way that a relative movement between the process chamber and the adapter element is permitted in a horizontal plane as well as in a vertical plane.
  • sealing rings and/or membranes can be provided at the connection point.
  • Deformations of the process chamber are therefore not transferred to the optical module via the adapter element, but are compensated for in a gas-tight and/or laser-safe manner by the specific connection of the adapter element.
  • the mutual thermal and mechanical influence of the components can be minimized, so that the manufacturing quality of the component can be significantly improved.
  • the adapter element is particularly advantageously designed to be flexible, so that a relative movement of the process chamber to the optical module that is free of mechanical stresses can be achieved.
  • the adapter element can, for example, have a telescopic structure and/or be made of flexible materials.
  • the adapter element comprises at least one membrane and/or at least one sealing ring in order to enable mechanical and thermal decoupling from the process chamber and/or the optical module.
  • the adapter element particularly preferably has an integrated protective glass in order to protect the optical module from the process atmosphere of the process chamber that is contaminated with particles.
  • the protective glass is rigidly connected to the optical module in order to avoid a relative displacement of the protective glass to the optical module and thereby ensure precision in the production of the component.
  • the adapter element is particularly preferably provided between the optical module and the process chamber and in connection with the optical module and the process chamber.
  • the individual main components can have a common reference plane.
  • the individual main components can be aligned with one another via the common reference plane, in particular by means of positioning elements made of temperature-invariant material.
  • a temperature-invariant material is, for example, Invar or fiber-reinforced Plastics, such as carbon fiber reinforced or glass fiber reinforced plastics. For example, ceramic or glass can also be used. Because all individual main components have a common reference plane, the position and displacement as well as orientation of the main components can be determined with respect to a common reference plane, so that a precise determination of the position and orientation of the main components is possible and, for example, compensation for displacements relative to the reference plane can be effected via the machine control and thus by adjusting the beam path.
  • the relative position of the individual main components to the common reference plane can also be carried out relative to the intended positioning elements of the respective main components. Since the positioning elements are made of temperature-invariant material and are connected directly to the common reference plane, the positioning elements behave essentially invariantly in temperature. The individual positioning elements therefore offer reference points or a reference scale for the metrological determination of the location and position of the individual main components. A displacement or the orientation of the main components can therefore be determined in a simple and reliable manner by determining the relative position and orientation with respect to the positioning element.
  • the positioning elements extend vertically downwards into the device, starting from the common reference plane on the top of the base element, to the process chamber and to the lifting device and/or the construction cylinder.
  • At least one of the main components can advantageously be coupled to the common reference plane by means of a positioning element for determining deviations in the orientation or positioning of the respective component.
  • the positioning element can advantageously be provided directly on the common reference plane and extend to the respective main component.
  • the connection point between the Main component and the positioning element can be used to metrologically determine changes in position and orientation of the main components. In this way, a precise determination of the position and orientation of the main component relative to the common reference plane can advantageously be achieved.
  • the displacement of the main components can be recorded electronically using measuring equipment and calculated directly and/or simultaneously in the machine control system.
  • the determined displacement, in particular adaptation of the beam path of the optical module, can thus be compensated for, thereby improving the manufacturing quality of the component.
  • the individual main components can be at least partially directly mechanically connected to the common reference plane via positioning elements in order to set a constant distance from the common reference plane.
  • This further development makes it possible, for example, to fix or position floating main components via the positioning elements made of thermally invariant material, so that, for example, a constant distance can always be achieved in the vertical direction between the common reference plane and the connection point between the positioning element and the main component.
  • the floating storage in turn enables the main component to be expanded, with the connection point to the positioning element remaining as a fixed point.
  • the connection point to the positioning element is chosen in particular in such a way that a displacement of the main component has as little impact as possible on the component quality of the component to be manufactured.
  • the common reference plane can advantageously be the reference plane of the optical module.
  • This particularly advantageous definition of the reference plane enables a simple and efficient determination of the position and orientation of the main components and an exact compensation.
  • the basic element is particularly advantageously designed in such a way that it forms a frame which encloses the process chamber (in particular completely). This enables particularly advantageous storage of the main components and in particular the process chamber on the base element.
  • thermal expansion of the base element can be compensated for, at least up to a predeterminable maximum value.
  • the device can advantageously have at least one coater for preparing the powdery material.
  • the coater can include an alignment device. In order to constantly maintain the position and orientation of the alignment device, it can be connected directly to the reference plane by positioning elements, particularly preferably mechanically.
  • the positioning elements can be designed as rods, rods or thin bars, which consist of temperature-invariant material (as already described). This particularly advantageous embodiment makes it possible to keep the distance between the alignment device and the common reference plane essentially constant and thus essentially independent of thermal expansion. This means that a high level of component accuracy can be achieved in a particularly efficient manner.
  • the positioning elements are preferably oriented along the Z-axis, so that a change in length along the Z-axis is prevented as much as possible.
  • the device can advantageously comprise a measuring system of the Z-axis, whereby in order to constantly maintain the position and orientation of the measuring system, it can be directly connected to the reference plane (or mounted on it) by positioning elements.
  • the measuring system can also be provided as a measuring system for the lifting device.
  • Process monitoring systems such as in particular a camera system, a powder bed monitoring system and/or a melting point monitoring system, can advantageously be provided, each of which is connected to the are coupled to a common reference plane (preferably connected directly to the reference plane). These additional process monitoring systems are advantageously arranged independently of the process chamber and are connected or stored directly on the base element.
  • a method for producing objects by means of a device as mentioned above is advantageously proposed, wherein the method can comprise the step of determining the position and/or orientation of at least one main component relative to a common reference plane by means of at least one positioning element.
  • a particularly precise production of the object can thus be achieved.
  • the method can include the step of compensating for displacements determined directly or simultaneously by the machine control by adjusting the beam path (in particular the optical module). A particularly precise production of the object can thus be achieved.
  • the method can also include the step of determining the position and/or orientation of the main components, using the individual main components and the associated positioning elements as a reference.
  • the positioning elements made of thermally invariant material are to be viewed as fixed points relative to the common reference plane and thus enable a simple and obvious detection of the position and orientation of the respective main component by determining the relative distance (or the change in distance) of the main component to the respective positioning element.
  • the process chamber can be released at the connection point to the base element along a release direction, in particular in the vertical direction, and a coupling element can additionally be provided, in particular a coupling rod, which couples the movement along the release direction to a reference plane.
  • the Coupling rod can be designed as a positioning element and therefore consist of temperature-invariant material.
  • the positioning elements can also be designed as rods, which are attached directly to the common reference plane.
  • the device can also have a lifting device for vertical positioning of a building board.
  • a building cylinder can be provided to guide the building board. Both the lifting device and the construction cylinder can be mounted directly on the base element. All main components can be spaced apart and provided independently of the process chamber, in particular on the base element.
  • the individual main components can advantageously be connected to the base element in a decoupled manner from one another and the main components can be aligned with one another via a common reference plane.
  • the process chamber can advantageously be mounted separately and independently of the optical module on the base element.
  • the process chamber can be a process space housing to provide a work space that is sealed from the environment during the construction process.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of an additive manufacturing system
  • Fig. 2 shows the arrangement of the coater of the additive manufacturing system
  • Fig. 3 shows another side view of the production system during thermal expansion
  • Fig. 4 shows another side view of the system with built-in positioning element
  • Fig. 5a and 5b shows another production system.
  • Fig. 1 shows a schematic embodiment of a manufacturing system based on optical interactions, specifically a manufacturing system for selective laser melting (SLM system), in which a powder material to be processed is applied in layers to a movable base plate and locally remelted using focused laser irradiation in such a way that by continuous By applying, exposing and fusing additional material layers, a three-dimensional workpiece (object to be manufactured) can be generated (additive manufacturing).
  • SLM system selective laser melting
  • the production system provides at least one laser light source, which generates a light beam via a control system coupled to the production system and this light beam is transmitted using various optical elements integrated in a scanning head, such as focus or scatter lenses, mirrors, optical filters, etc a light path is focused on the material layer to be processed.
  • the production system has an optical module 9 to guide the light beam.
  • the problem with conventional SLM machines is that the main components, such as the optics module, the build chamber (or process chamber), the coater and the lifting device or the Z-axis are usually connected directly or at least partially directly to the build chamber or the process chamber or are attached directly to it.
  • This has the disadvantage that when the relative position and/or orientation changes Elements, for example due to thermal expansion or due to mechanical deformation, unwanted changes take place in the overall system, which distort the manufacturing process and thus lead to manufacturing errors, which can be attributed in particular to point positioning errors in the position and orientation of the laser beam in the powder plane. Due to the interaction of the thermal deformation of the main components, which are at least partially directly connected to one another, compensation is only possible with very great effort.
  • the present invention proposes a decoupling of the main components.
  • the optical module 9 is mounted directly at a first connection point 0 on the base element 3.
  • the process chamber 1 is accommodated directly on the base element 3 at a second connection point 13.
  • thermally insulating materials are preferably used, for example ceramic or plastic discs or insulating plates as intermediate elements of the bearing surfaces.
  • the second connection point 13 is the connection point for connecting the base element 3 to the process chamber 1, which therefore preferably enables thermally insulating storage. This enables thermal decoupling of the process chamber 1, which heats up to, for example, 50 °C to 80 °C during operation of the system.
  • connection point 13 a single connection point (or bearing point) is shown for the second connection point 13, whereby the process chamber 1 can also be stored on the base element 3 via several second connection points (preferably via four connection points). These second connection points can be arranged essentially in a horizontal plane and the process chamber 1 can (preferably exclusively) be placed on the underside and firmly connected.
  • the first connection point at which the optical module 9 is mounted is preferably from each of the second connection points (vertically and/or horizontally) spaced apart.
  • the base element 3 preferably has a common reference plane 2, relative to which the main components are arranged and positioned and whose relative position is used as position information, for example to compensate for deformations.
  • the optical module 9 is accommodated directly on this common reference plane 2 (for example directly on the top of the base element 3).
  • positioning elements are provided, which extend vertically downwards, for example, to the main components.
  • Positioning elements are, for example, the positioning elements 4 or 8. These are designed in such a way that they are thermally and mechanically decoupled from the main components and in particular the process chamber 1 and at the same time are attached to the common reference plane 2.
  • the positioning element 4 can be hung in the process chamber 1 or arranged laterally in order to enable an efficient determination of the position and position of the process chamber 1 relative to the common reference plane 2.
  • the positioning element 4 is advantageously not connected directly to the process chamber, but merely functions as a distance scale or relative point for measuring the relative distances.
  • the process chamber 1, the optical module 9, the lifting device 10 and/or the construction cylinder 11 can be viewed as main components.
  • these displacements can be determined electronically using measuring devices and can be calculated directly and preferably simultaneously in the machine control.
  • Additional process monitoring systems 12 can therefore also be provided. These process monitoring systems 12 can preferably be connected directly to the common reference plane and/or fixed thereon. Camera systems can be advantageous for monitoring the device as well Powder bed monitoring systems for monitoring the powder bed and melting point monitoring systems may be provided, which in turn are coupled directly to the common reference plane 2, so that they are not subject to thermal and mechanical displacements and provide exact and unadulterated data.
  • An adapter element 14 is advantageously provided between the optical module 9 and the process chamber 1. Through this adapter element 14, a gas-tight and laser-tight shielding from the environment can be achieved, so that optimal forwarding of the laser beam from the optical module 9 into the process chamber 1 is ensured.
  • the adapter element 14 is designed or connected flexibly, so that it is possible to achieve relative displacements of the process chamber 1 to the optical module 9 without the transmission of mechanical stresses. The relative movement with simultaneous tightness can be achieved using membranes or sealing rings.
  • the adapter element 14 is connected to the process chamber 1 at a connection point in such a way that a relative movement between the process chamber 1 and the adapter element 14 is permitted in a horizontal plane as well as in a vertical plane.
  • several sealing rings and/or membranes can be provided at the connection point.
  • a displaceable bearing preferably both in the horizontal direction and in the vertical direction
  • sealing rings and/or membranes By using a displaceable bearing (preferably both in the horizontal direction and in the vertical direction) combined with sealing rings and/or membranes, a relative movement of the connected process chamber 1 can be enabled, while at the same time ensuring sealing. Deformations of the process chamber 1 are therefore not transmitted to the optical module 9 by the adapter element 14, but are compensated for in a gas-tight and/or laser-safe manner by the specific connection of the adapter element 14. The mutual thermal and mechanical influence of the components can be minimized, so that the manufacturing quality of the component can be significantly improved.
  • a protective glass can be integrated into the adapter element 14 to protect the optical module from the process atmosphere in the process chamber 1 that is contaminated with particles.
  • the protective glass must be rigidly connected to the optical module 9 in order to avoid relative displacements of the protective glass relative to the optical module.
  • the 1 also shows a measuring system 6, which can be used to measure the Z axis 7 and uses a positioning element 8 as a reference.
  • the measuring system 6 can also be used to determine the location and position of main components, for example the construction cylinder 11 and the process chamber 1.
  • the measuring system and preferably all measuring systems of the device are referenced to the common reference plane 2, in particular via positioning elements.
  • the positioning element 8 is made of temperature-invariant material.
  • a temperature-invariant material is, for example, Invar or fiber-reinforced plastics, such as carbon fiber-reinforced or glass fiber-reinforced plastics.
  • the lifting device 10 which is, for example, vertically movable in order to raise or lower a base plate relative to the circumferential conversion.
  • a layer of material powder is deposited on the plate and leveled using an alignment device (or a coater 22).
  • the lifting device 10 gradually lowers in order to enable a new layer of material powder to be applied to the construction site.
  • the further measuring means 5 is also provided, which can detect the relative position of the lifting device 10. Displacements are determined here, for example, in the vertical direction.
  • the positioning elements 8 can be provided laterally to the measuring means 5 to determine a relative positioning of the individual main components and the position or the zero point of the measuring system 5.
  • the positioning elements 8 are preferably connected directly to the common reference plane 2. Since the positioning elements are made of thermally invariant material, they essentially do not shape due to thermal influences, but rather remain constant in length. The distance between the positioning elements and the common reference plane 2 can therefore be viewed as essentially constant.
  • the measuring device 5 is intended to determine the position and position of the construction platform of the lifting device 10.
  • the measuring device 5 can be present, for example, in or parallel to the lifting device 10.
  • the measuring means 5 can have a positioning element which is arranged within the cylinder of the lifting device 10 in order to provide a constant reference for determining the position.
  • laser distance sensors can be used as measuring means 5, or tactile measuring devices such as a touch sensor can be used.
  • Each of the positioning elements provides fixed points with respect to the common reference plane, these fixed points being used to easily determine the displacement and/or change in orientation of the individual main components. Similar to a ruler or a fixed scale fixed to the common reference plane 2, it is therefore possible to determine a displacement relative to the common reference plane 2 by measuring or determining the relative position change between a main component and the positioning element and to use the determined displacement via the machine control for to use compensation for the beam path in order to achieve the most precise component accuracy possible when manufacturing the workpiece.
  • two positioning elements 8 are arranged laterally and at a distance from the process chamber 1, whereby these positioning elements can be used, for example, to determine the position of the lifting device 10 and / or the cylinder 11, but also to determine the position of the process chamber 1
  • two Spaced and parallel positioning elements 8 are provided, the position of main components can be determined on two different sides, so that a change in position and also a change in orientation can be determined easily and precisely.
  • the process chamber 1 is firmly connected to the base element 3 at the second connection point 13. However, as can be seen from FIG. 1, thermal deformation of the process chamber 1 can lead to a displacement of the center of the process chamber 1 relative to the common reference plane 2. At least one (preferably two) positioning element 4 is also provided for the process chamber 1. The positioning elements are designed so that they are thermally and mechanically decoupled from the process chamber 1. If the position of the process chamber 1 changes, an exact position determination and orientation determination of the process chamber 1 can be made possible via the fixed points of the positioning element 4.
  • the base element 3 can advantageously comprise a base plate or a base element, side walls which are placed on the base plate, and a cover section to which the optical module 9 is connected.
  • the components of the base element 3 are preferably firmly connected to one another to form a stable frame or frame.
  • the process chamber 1 as a closed frame or base element 3 that accommodates or stores all of the main components.
  • the individual components typically include an optical system with the optical module 9, the process chamber 1 or construction chamber, a lifting device 10 and the construction cylinder 11.
  • This specific construction causes a self-contained flow of force and no component is influenced by another component with regard to the force applied.
  • the components can be aligned exactly with one another.
  • a level is also defined as a common reference level 2 for the entire system.
  • the accuracy-determining elements, such as main components are coupled directly and in a thermally stable manner to this plane. Thermal stability can be achieved by positioning elements that have a low coefficient of thermal expansion, for example made of Invar.
  • the location and position of the optical module 9 relative to the reference plane 2 (and the receiving element 3) can be designed to be adjustable, for example by means of a vertically and/or horizontally adjustable bearing.
  • Fig. 2 is an advantageous embodiment of the present invention, which can be used separately or in combination with the embodiment shown in Fig. 1.
  • Shown in Fig. 2 is an alignment device or powder layer preparation unit.
  • This alignment device can be viewed as an accuracy-determining component or as a main component.
  • the alignment device with the scraper lip 20 of the coater 22 is part of the powder layer preparation device, which can be used to level the material powder on the base plate (or building board).
  • the attachment of the lip is released and the lip can be pressed against the alignment bar 21.
  • the geometric position, position and orientation of the alignment bar 21 is transferred to the wiper lip 20.
  • the attachment of the wiper lip 20 is then activated again.
  • the lip is now rigid again.
  • a temperature-invariant material is, for example, Invar or fiber-reinforced plastics, such as carbon fiber-reinforced or glass fiber-reinforced plastics.
  • thermal displacement would lead to incorrect measurements, which in turn can have a direct influence on the accuracy and metallurgical integrity of the component to be manufactured.
  • This is avoided by connecting the measuring system directly to the common reference plane 2 via the positioning elements 8 (or at least partially supporting it on the positioning elements).
  • the positioning elements are also made of a material with a low coefficient of thermal expansion.
  • FIGS. 3 and 4 Further embodiments of the present invention are shown in FIGS. 3 and 4, with the thermal expansion of the process chamber 1 being shown in FIG.
  • the flexibly connected adapter element 14 enables expansion in the horizontal and vertical directions of the top of the process chamber 1 without inducing stresses in the base element 3 or the optical module.
  • the adapter element 14 is thus provided, which enables decoupling between the optical module 9 and the process chamber 1, the optical module 9 and the process chamber 1 each being mounted on the base element. This means that even if the process chamber 1 expands thermally exact beam guidance from the optics module 9 can be achieved.
  • the positioning element made of temperature-invariant material can also be provided, which enables an exact position and orientation determination of the main components and in particular of the process chamber 1.
  • a temperature-invariant material is, for example, Invar or fiber-reinforced plastics, such as carbon fiber-reinforced or glass fiber-reinforced plastics.
  • ceramic or glass can also be used.
  • FIG. 5a shows a process chamber which expands thermally due to the process heat. Since there is no provision for decoupling the main components, the focus of the laser beam shifts.
  • Figure 5b it can be seen that the deformations occur not only in the vertical direction but also in the horizontal direction and therefore complex displacement of the laser beam. The thermal and mechanical deformation leads to significant inaccuracy in component production.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf optische Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage, insbesondere eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen. Über eine spezielle Anordnung der Hauptkomponenten der Vorrichtung, wie der Prozesskammer (1) und des Optikmoduls (9), zueinander und durch entkoppelte Lagerung und Vorsehung von Positionierungselementen kann eine besonders hohe Genauigkeit bei der Bauteilfertigung auf einfache Weise erreicht werden.

Description

Additive Fertigungsvorrichtung mit entkoppelter Prozesskammer und additives Fertigungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatisierbare und auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage, insbesondere eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) mit einer optimierten Anordnung der genauigkeitsbestimmenden Komponenten, so dass äußere und während des Prozesses entstehende Störeinflüsse minimiert werden können. Zudem wird ein optimiertes additives Fertigungsverfahren vorgeschlagen.
Gattungsgemäß aus dem Stand der Technik bekannte SLM-Anlagen sind so aufgebaut, dass die einzelnen zum Herstellen eines SLM-Bauteils notwendigen Elemente, wie insbesondere das Optikmodul, eine Baukammer, ein Beschichter und die Z-Achse, direkt an der Baukammer oder direkt untereinander und aneinander befestigt sind.
Diese Art der Verbindung hat jedoch den Nachteil, dass bei Änderung der Relativlage und/oder Orientierung der Elemente oder der Unterkomponenten in diesem Verbund, insbesondere durch thermische Verformungen oder aufgrund von Krafteinwirkung, ungewollte Änderungen im Gesamtgefüge stattfinden. Dies führt zu Abweichungen und Ungenauigkeiten bei der Herstellung des herzustellenden Bauteils. Die Verformung der Strukturen der Hauptkomponenten verursacht typischerweise Punktpositionierungsfehler der Lage und der Orientierung des Laserstrahls in der Pulverebene, die nicht reproduzierbar und kompensierbar oder nur mit sehr hohem Aufwand kompensierbar sind.
Insbesondere im Fall von SLM-Maschinen mit mehreren Laserscanner-Systemen kann es zudem zu Abweichungen der Relativpositionen der verschiedenen Laserstrahlen in der Pulverebene kommen. Zudem können Abweichungen in der Pulverbettoberfläche, wie die Lage oder die Orientierung sowie der tatsächlichen Schichtdicke, entstehen. Somit kann die Qualität des gefertigten Bauteils beeinträchtigt werden, was zu geometrischen Fehlern, wie Form- und Lageabweichungen, zu geminderte Oberflächenqualität oder zu metallurgischen Defekten, wie Anbindungsfehlern oder Gasporosität, führen kann.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens ist beispielsweise aus der DE 10 2019 200 680 Al bekannt. Der Gegenstand dieser Anmeldung ist hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, es eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung bereitzustellen, mit der eine verbesserte Herstellungsqualität des zu fertigenden Bauteils erreicht werden kann. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein optimiertes Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Herstellungsqualität erreicht werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die bei der Herstellung eines SLM-Bauteils auftretenden Störfaktoren und Störeinflüsse, insbesondere thermische Einflüsse und Krafteinflüsse, zu minimieren, so dass die Qualität des herzustellenden Gegenstandes verbessert werden kann.
Zur Lösung der Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung kann eine Prozesskammer und zumindest ein Optikmodul aufweisen. Die Vorrichtung kann sich insbesondere einem Verfahren des selektiven Laserschmelzens bedienen.
Die Prozesskammer kann zur Bereitstellung eines Arbeitsraumes an einem Baufeld vorgesehen sein. Es kann zumindest ein Optikmodul vorgesehen sein, welches Teil einer Bestrahlungseinrichtung ist oder welches eine Bestrahlungseinrichtung zum ortsselektiven Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden Werkstoffs bildet. Bevorzugt ist das Optikmodul über der Prozesskammer angeordnet und beabstandet zu dieser. Über einen Primärträger oder ein Aufnahmeelement kann eine zentrale Anbindung einzelner Hauptkomponenten der Vorrichtung ermöglicht werden. Das Aufnahmeelement oder Grundelement fungiert als Trägereinrichtung zur Aufnahme bzw. Lagerung der Hauptkomponenten der Vorrichtung oder Fertigungsanlage. Hauptkomponenten umfassen insbesondere jene Komponenten der Vorrichtung, welche zur Herstellung des Gegenstands notwendig sind, also insbesondere ein oder mehrere Optikmodule, die Prozesskammer, ein Beschichter sowie eine Z-Achse und/oder Hubvorrichtung. Vorteilhaft ist das zumindest eine Optikmodul am Grundelement an einer ersten Verbindungsstelle gelagert oder aufgenommen. Weiter vorteilhaft ist die Prozesskammer entkoppelt vom zumindest einem Optikmodul an einer beabstandeten zweiten Verbindungsstelle am Grundelement aufgenommen oder gelagert. Somit ist das Optikmodul getrennt von der Prozesskammer angeordnet, wobei das Optikmodul als auch die Prozesskammer jeweils am Grundelement gelagert sind.
Thermische Ausdehnungen der Prozesskammer beeinflussen somit nicht mehr unmittelbar das beabstandete Optikmodul. Da besonders bevorzugt sämtliche Hauptkomponenten der Vorrichtung getrennt und beabstandet voneinander am Grundelement vorgesehen sind, ist auch eine thermische Beeinflussung bzw. mechanische Beeinflussung der Hauptkomponenten untereinander minimiert.
Bevorzugt sind die Hauptkomponenten ausschließlich am Grundelement aufgenommen, wobei besonders bevorzugt die Hauptkomponenten jeweils nur an einer oder mehreren Verbindungsstellen, die für jede der Hauptkomponenten separat vorgesehen sind, gelagert. Die Hauptkomponenten oder genauigkeitsbestimmenden Komponenten sind daher so angeordnet, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen bzw. dass die Beeinflussung möglichst gering gehalten wird.
Besonders bevorzugt ist die Prozesskammer über mehrere Verbindungsstellen am Grundelement gelagert wobei jede der Verbindungsstellen von der ersten Verbindungsstelle (an welcher das Optikmodul gelagert ist) beabstandet ist und wobei besonders bevorzugt die mehreren Verbindungsstellen im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
Besonders bevorzugt weist das Grundelement eine Referenzebene auf, gegenüber dieser die Hauptkomponenten angeordnet und positioniert sind und dessen relative Position als Lageinformation herangezogen wird, beispielsweise zur Kompensation von Verformungen.
Mit anderen Worten, alle relevanten Komponenten sind bevorzugt am Grundelement angebunden und eine Ebene der Vorrichtung, welche als gemeinsame Referenzebene definiert wird und welche besonders bevorzugt die Referenzebene des Optikmoduls ist, wird als Referenzebene für jedes der einzelnen Hauptkomponenten herangezogen.
Durch diese charakteristische Anordnung der Hauptkomponenten und insbesondere des Optikmoduls und der Prozesskammer beabstandet und getrennt voneinander direkt am Grundelement, so dass die thermische und mechanische Beeinflussung dieser Komponenten minimiert werden kann, kann die Herstellungsqualität der Vorrichtung signifikant verbessert werden.
Die einzelnen Hauptkomponenten der Vorrichtung, wie beispielsweise die Prozesskammer, das Optikmodul, eine Hubvorrichtung und ein Bauzylinder können getrennt voneinander und bevorzugt direkt am Grundelement fest gelagert sein. Bevorzugt ist die Lagerung derart ausgestaltet, dass eine thermische Ausdehnung der einzelnen Komponenten ermöglicht wird, ohne dabei signifikante Kräfte in das Grundelement einzuleiten, so dass eine Verformung der Hauptkomponenten in vorbestimmten Toleranzbereichen frei möglich ist, ohne dadurch Kräfte oder Verformungen in die anderen Hauptkomponenten oder das Grundelement einzuleiten. Beispielsweise können dazu die Auflagepunkte der Hauptkomponenten reduziert werden, so dass diese beispielsweise jeweils nur an einer eigenen Lagerstelle am Grundelement gelagert werden, so dass der Körper der angebundenen Hauptkomponente bei einer thermischen Verformung keine oder nur minimale Kräfte in das Grundelement einleitet. Zudem ist es möglich, die Lagerstellen der aufgenommenen Hauptkomponenten derart auszugestalten, dass insbesondere in vertikaler Richtung ein Spiel vorgesehen ist, derart, dass bei thermischer Ausdehnung in vertikaler Richtung der angebundenen Hauptkomponente keine Kräfte in das Grundelement eingeleitet werden. Insbesondere durch die separate Anordnung der einzelnen Hauptkomponenten am selben Grundelement kann die gegenseitige thermische und mechanische Beeinflussung der Hauptkomponenten minimiert werden, so dass die Qualität des herzustellenden Bauteils verbessert werden kann.
Zumindest eine der Hauptkomponenten, wie beispielsweise die Prozesskammer, das Optikmodul, die Hubvorrichtung und/oder der Bauzylinder können thermisch entkoppelt am Grundelement gelagert sein. Eine thermische, entkoppelte Lagerung am Grundelement kann beispielsweise durch Verwendung von Bauteilen aus thermisch isolierenden Materialien erreicht werden. Insbesondere können thermisch isolierende Platten und Scheiben, beispielsweise aus Keramik oder Glas oder faserverstärkten Kunststoffen als Zwischenelemente an den Lagerstellen oder Verbindungsstellen verwendet werden. Zudem können Abstandsplatten aus thermisch isolierendem Kunststoff verwendet werden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann die thermische Beeinflussung des Grundelements weiter reduziert werden. Auch die Beeinflussung der Hauptkomponenten untereinander kann dadurch signifikant reduziert werden. Insbesondere die thermische Verformung der Prozesskammer ist wesentlich, so dass besonders bevorzugt zumindest die Prozesskammer über thermisch isolierende Materialien, wie Keramikplatten oder Kunststoffscheiben an (bevorzugt jeder) der zumindest einen Lagerstelle oder Verbindungsstellegelagert ist.
An der zweiten Verbindungsstelle kann zudem eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Verbindungsstelle vorgesehen sein. Die zweite Verbindungsstelle ist die (eine oder mehrere) Verbindungsstelle der Prozesskammer mit dem Grundelement, welche separat von der ersten Verbindungsstelle ist. Beispielsweise können Kühlkanäle in Lagerplatten oder Auflageplatten vorgesehen sein, welche eine aktive Kühlung oder Temperierung der zweiten Verbindungsstelle (oder zweiten Verbindungsstellen) ermöglichen und dadurch die thermische Beeinflussung der Prozesskammer auf das Grundelement und die anderen Hauptkomponenten auf ein Minimum reduzieren oder aktiv beeinflussen. Auch eine passive Kühlung ist möglich, so dass beispielsweise Kühlrippen zur Kühlung der zweiten Verbindungsstelle (oder zweiten Verbindungsstellen) vorgesehen sein können, und daher zur Reduktion der thermischen Beeinflussung des Grundelements durch die Prozesskammer beitragen.
Bevorzugt können die Hauptkomponenten der Vorrichtung thermisch und mechanisch von der Prozesskammer entkoppelt sein. Insbesondere können die Hauptkomponenten der Vorrichtung getrennt von der Prozesskammer am Grundelement vorgesehen sein. Insbesondere können auch zwischen dem Optikmodul und der Prozesskammer ein oder mehrere Adapterelemente zur gasdichten und/oder lasersicheren Abschirmung gegenüber der Umgebung vorgesehen sein. Das Adapterelement ist dabei bevorzugt über der Prozesskammer und unterhalb des Optikmoduls angeordnet. Da ein Adapterelement als Zwischenelement zwischen dem Optikmodul und der Prozesskammer vorgesehen ist und das Adapterelement insbesondere flexibel ausgestaltet werden kann und eine gasdichte Abschirmung des Durchstrahlbereichs vom Optikmodul zur Prozesskammer ermöglicht, kann eine flexible Anbindung erreicht werden sowie eine Entkopplung des Optikmoduls von der Prozesskammer in thermischer und mechanischer Weise. Bevorzugt ist das Adapterelement direkt mit dem Optikmodul verbunden und direkt mit der Prozesskammer. Somit führt auch ein starkes Erhitzen der Prozesskammer nicht zu einer Beeinflussung des Optikmoduls. Vorteilhaft ist das Adapterelement derart mit der Prozesskammer verbunden, dass eine Relativbewegung zwischen Prozesskammer und Adapterelement in einer horizontalen Ebene als auch in einer vertikalen Ebene erlaubt wird. Dazu können Dichtringe und/oder Membrane an der Anbindungsstelle vorgesehen sein. Durch die Verwendung einer verschieblichen Lagerung (bevorzugt sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung) kombiniert mit Dichtringen und/oder Membranen, kann eine Relativbewegung der verbundenen Prozesskammer freigegeben werden. Verformungen der Prozesskammer werden somit über das Adapterelement nicht in das Optikmodul übertragen, sondern gasdicht und/oder lasersicher durch die spezifische Anbindung des Adapterelements kompensiert. Die gegenseitige thermische und mechanische Beeinflussung der Komponenten kann minimiert werden, sodass die Herstellungsqualität des Bauteils signifikant verbessert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist das Adapterelement flexibel ausgestaltet, so dass eine von mechanischen Spannungen freie Relativbewegung der Prozesskammer zum Optikmodul erreicht werden kann. Das Adapterelement kann dazu beispielsweise eine teleskopartige Struktur aufweisen und/oder aus flexiblen Materialien aufgebaut sein. Insbesondere umfasst das Adapterelement zumindest eine Membran und/oder zumindest einen Dichtring, um eine mechanische und thermische Entkopplung von der Prozesskammer und/oder des Optikmoduls zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt weist das Adapterelement ein integriertes Schutzglas auf, um das Optikmodul vor der mit Partikeln kontaminierten Prozessatmosphäre der Prozesskammer zu schützen. Besonders bevorzugt ist das Schutzglas starr mit dem Optikmodul verbunden, um eine Relativverlagerung des Schutzglases zum Optikmodul zu vermeiden und dadurch die Präzision bei der Herstellung des Bauteils zu gewährleisten. Besonders bevorzugt ist das Adapterelement zwischen dem Optikmodul und der Prozesskammer und in Verbindung mit dem Optikmodul und der Prozesskammer vorgesehen.
Die einzelnen Hauptkomponenten können eine gemeinsame Referenzebene aufweisen. Die einzelnen Hauptkomponenten können zueinander über die gemeinsame Referenzebene ausgerichtet sein, insbesondere mittels Positionierungselementen aus temperaturinvariantem Material. Ein temperaturinvariantes Material ist beispielsweise Invar oder faserverstärkte Kunststoffe, wie kohlefaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Beispielsweise kann auch Keramik oder Glas verwendet werden. Dadurch, dass alle einzelnen Hauptkomponenten eine gemeinsame Referenzebene aufweisen, kann die Bestimmung der Position und Verlagerung sowie Orientierung der Hauptkomponenten bezüglich einer gemeinsamen Referenzebene erfolgen, so dass eine Lage- und Orientierungsbestimmung der Hauptkomponenten präzise ermöglicht wird und wobei beispielsweise eine Kompensation von Verlagerungen gegenüber der Referenzebene über die Maschinensteuerung und damit durch Anpassung des Strahlenwegs bewirkt werden kann. Um eine möglichst exakte Bestimmung der Lage und Orientierung der Hauptkomponenten zu ermöglichen, kann die relative Lage der einzelnen Hauptkomponenten zur gemeinsamen Referenzebene auch relativ zu den vorgesehenen Positionierungselementen der jeweiligen Hauptkomponenten durchgeführt werden. Da die Positionierungselemente aus temperaturinvariantem Material bestehen und diese direkt an die gemeinsame Referenzebene angebunden sind, verhalten sich die Positionierungselemente im Wesentlichen temperaturinvariant. Mithin bieten die einzelnen Positionierungselemente Referenzpunkte oder eine Referenzskala für die messtechnische Bestimmung der Lage und Position der einzelnen Hauptkomponenten. Es kann somit auf einfache und zuverlässige Weise eine Verlagerung oder die Orientierung der Hauptkomponenten bestimmt werden, durch Bestimmung der relativen Position und Orientierung bezüglich des Positionierungselements. Bevorzugt erstrecken sich die Positionierungselemente ausgehend von der gemeinsamen Referenzebene an der Oberseite des Grundelements vertikal nach unten in die Vorrichtung hinein, zur Prozesskammer und zur Hubvorrichtung und/oder dem Bauzylinder.
Zumindest eine der Hauptkomponenten kann vorteilhaft mittels eines Positionierungselementes zur Bestimmung von Abweichungen in der Orientierung oder Positionierung der jeweiligen Komponente an die gemeinsame Referenzebene gekoppelt sein. Das Positionierungselement kann dabei vorteilhaft direkt an der gemeinsamen Referenzebene vorgesehen sein und sich bis zur jeweiligen Hauptkomponente erstrecken. Der Anbindungspunkt zwischen der Hauptkomponente und dem Positionierungselement kann zur messtechnischen Bestimmung von Lage- und Orientierungsveränderungen der Hauptkomponenten herangezogen werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine präzise Bestimmung der Lage und Orientierung der Hauptkomponente zur gemeinsamen Referenzebene erreicht werden.
Die Verlagerung der Hauptkomponenten kann über Messmittel elektronisch erfasst werden und direkt und/oder zeitgleich in der Maschinensteuerung verrechnet werden. Somit kann die ermittelte Verlagerung, insbesondere Anpassung des Strahlenweges des Optikmoduls kompensiert werden, um dadurch die Herstellungsqualität des Bauteils zu verbessern.
Die einzelnen Hauptkomponenten können zumindest teilweise zum Einstellen eines konstanten Abstands zur gemeinsamen Referenzebene über Positionierungselemente mit der gemeinsamen Referenzeben direkt mechanisch verbunden sein. Durch diese Weiterentwicklung ist es möglich beispielsweise schwimmend gelagerte Hauptkomponenten über die aus thermisch invariantem Material bestehenden Positionierungselemente zu fixieren oder positionieren, so dass beispielsweise in vertikaler Richtung stets ein konstanter Abstand zwischen der gemeinsamen Referenzebene und dem Anbindungspunkt zwischen Positionierungselement und Hauptkomponente erreicht werden kann. Die schwimmende Lagerung ermöglicht wiederum eine Ausdehnung der Hauptkomponente, wobei der Anbindungspunkt zum Positionierungselement als Fixpunkt bestehen bleibt. Der Anbindungspunkt zum Positionierungselement ist dabei insbesondere derart gewählt, dass eine Verlagerung der Hauptkomponente möglichst geringe Auswirkungen auf die Bauteilqualität des herzustellenden Bauteils hat.
Die gemeinsame Referenzebene kann vorteilhaft die Referenzebene des Optikmoduls sein. Durch diese besonders vorteilhafte Festlegung der Referenzebene ist eine einfache und effiziente Positions- und Lagebestimmung der Hauptkomponenten und eine exakte Kompensation möglich. Besonders vorteilhaft ist das Grundelement derart ausgestaltet, dass es ein Gestell bildet, welches die Prozesskammer (insbesondere vollumfänglich) umschließt. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Lagerung der Hauptkomponenten und insbesondere der Prozesskammer am Grundelement. Zudem können dadurch thermische Ausdehnungen vom Grundelement kompensiert werden, zumindest bis zu einem vorbestimmbaren Maximalwert.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung zumindest einen Beschichter zum Präparieren des pulverförmigen Werkstoffs aufweisen. Der Beschichter kann dabei eine Ausrichtvorrichtung umfassen. Zur konstanten Beibehaltung der Position und Orientierung der Ausrichtvorrichtung kann diese durch Positionierungselemente direkt mit der Referenzebene verbunden sein, besonders bevorzugt mechanisch. Die Positionierungselemente können dabei als Stangen, Stab oder als dünner Balken ausgestaltet sein, welche aus temperaturinvariantem Material (wie bereits beschreiben) bestehen. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist es möglich, den Abstand zwischen der Ausrichtvorrichtung und der gemeinsamen Referenzebene im Wesentlichen konstant zu halten und somit im Wesentlichen unabhängig von thermischen Ausdehnungen. Somit kann auf besonders effiziente Weise eine hohe Bauteilgenauigkeit erreicht werden. Bevorzugt sind die Positionierungselemente entlang der Z-Achse orientiert, so dass eine Längenänderung entlang der Z-Achse möglichst unterbunden wird.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung ein Messsystem der Z-Achse umfassen, wobei zur konstanten Beibehaltung der Position und Orientierung des Messsystems dieses durch Positionierungselemente direkt mit der Referenzebene verbunden (oder daran gelagert) sein kann. Das Messsystem kann auch als Messsystem der Hubvorrichtung vorgesehen sein.
Vorteilhaft können Prozessüberwachungssysteme, wie insbesondere ein Kamerasystem, ein Pulverbettüberwachungssystem und/oder ein Schmelzpunktüberwachungssystem vorgesehen sein, welche jeweils an die gemeinsame Referenzebene gekoppelt sind (bevorzugt direkt mit der Referenzebene verbunden). Vorteilhaft sind diese zusätzlichen Prozessüberwach ungssysteme somit unabhängig von der Prozesskammer angeordnet und direkt am Grundelement angebunden bzw. gelagert.
Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mittels einer Vorrichtung wie vorhin genannt vorgeschlagen, wobei das Verfahren den Schritt umfassen kann, Bestimmen der Position und/oder Orientierung zumindest einer Hauptkomponente relativ zu einer gemeinsamen Referenzebene mittels zumindest einem Positionierungselement. Somit kann eine besonders genaue Herstellung des Gegenstandes erreicht werden.
Zudem kann das Verfahren den Schritt umfassen, direkt oder zeitgleich durch die Maschinensteuerung ermittelte Verlagerungen durch Anpassung des Strahlenweges (insbesondere des Optikmoduls) zu kompensieren. Somit kann eine besonders genaue Herstellung des Gegenstandes erreicht werden.
Das Verfahren kann zudem den Schritt umfassen, Ermittlung der Position und/oder Orientierung der Hauptkomponenten, wobei dazu die einzelnen Hauptkomponenten und die dabei zugeordneten Positionierungselemente als Referenz verwendet werden. Wie bereits beschrieben, sind die Positionierungselemente aus thermisch invariantem Material als Fixpunkte relativ zur gemeinsamen Referenzebene anzusehen und ermöglichen somit eine einfache und naheliegende Erfassung der Position und Orientierung der jeweiligen Hauptkomponente durch Ermittlung des relativen Abstands (oder der Abstandsänderung) der Hauptkomponente zum jeweiligen Positionierungselement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Prozesskammer an der Verbindungsstelle zum Grundelement entlang einer Freigaberichtung freigegeben sein, insbesondere in vertikaler Richtung und wobei zusätzlich ein Kopplungselementvorgesehen sein kann, insbesondere ein Kopplungsstab, der die Bewegung entlang der Freigaberichtung an eine Referenzebene koppelt. Der Kopplungsstab kann als Positionierungselement ausgestaltet sein und mithin aus temperaturinvariantem Material bestehen. Auch die Positionierungselemente können als Stäbe ausgestaltet sein, welche direkt an der gemeinsamen Referenzebene befestigt sind. Die Vorrichtung kann zudem eine Hubvorrichtung zur vertikalen Positionierung einer Bauplatte aufweisen. Zudem kann ein Bauzylinder zur Führungder Bauplatte vorgesehen sein. Sowohl die Hubvorrichtung als auch der Bauzylinder können direkt am Grundelement gelagert sein. Sämtliche Hauptkomponenten können beabstandet und unabhängig von der Prozesskammer, insbesondere am Grundelement vorgesehen sein.
Vorteilhaft können die einzelnen Hauptkomponenten entkoppelt voneinander am Grundelement angebunden sein und die Hauptkomponenten können zueinander über eine gemeinsame Referenzebene ausgerichtet sein. Die Prozesskammer kann vorteilhaft getrennt und unabhängig vom Optikmodul am Grundelement gelagert sein. Die Prozesskammer kann dabei ein Prozessraumgehäuse zur Bereitstellung eines während des Bauprozesses gegenüber der Umgebung abgedichteten Arbeitsraums.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1: zeigt eine Querschnittsdarstellung einer additiven Fertigungsanlage;
Fig. 2: zeigt die Anordnung des Beschichters der additiven Fertigungsanlage;
Fig. 3: zeigt eine weitere Seitenansicht der Fertigungsanlage bei thermischer Expansion;
Fig. 4: zeigt eine weitere Seitenansicht der Anlage mit eingebautem Positionierungselement;
Fig. 5a und 5b: zeigt eine weitere Fertigungsanlage.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand beispielhafter Figuren detailliert beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind im Ganzen oder teilweise kombinierbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ausführungsform einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage, speziell eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen (SLM-Anlage), in welcher ein zu verarbeitender Pulverwerkstoff schichtweise auf einer verfahrbaren Grundplatte aufgebracht und mittels fokussierter Laserbestrahlung lokal so umgeschmolzen wird, dass durch kontinuierliches Aufträgen, Belichten und Verschmelzen weiterer Werkstoffschichten ein dreidimensionales Werkstück (herzustellender Gegenstand) generiert werden kann (additive Fertigung).
Die Fertigungsanlage sieht zu diesem Zweck zumindest eine Laserlichtquelle vor, welche über ein an die Fertigungsanlage gekoppeltes Steuerungssystem einen Lichtstrahl erzeugt und dieser Lichtstrahl mithilfe von verschiedenen in einem Scankopf integrierten optischen Elementen, wie etwa Fokus- oder Streulinsen, Spiegeln, optischen Filtern, etc. über einen Lichtweg auf die zu bearbeitende Werkstoffschicht fokussiert wird. Die Fertigungsanlage weist zur Führung des Lichtstrahls ein Optikmodul 9 auf.
Bei herkömmlichen SLM-Maschinen ergibt sich das Problem, dass die Hauptkomponenten, wie beispielsweise das Optikmodul, die Baukammer (oder Prozesskammer), der Beschichter sowie die Hubvorrichtung oder die Z-Achse zumeist direkt oder zumindest teilweise direkt an der Baukammer oder der Prozesskammer verbunden sind oder direkt daran befestigt sind. Dies hat zum Nachteil, dass bei Änderungen der relativen Lage und/oder Orientierung der Elemente, beispielsweise durch thermische Dehnungen oder aufgrund von mechanischen Verformungen, ungewollte Änderungen im Gesamtsystem stattfinden, die den Herstellungsprozess verfälschen und somit zu Herstellungsfehlern führen, welche insbesondere auf Punktpositionierungsfehler in der Lage und Orientierungdes Laserstrahls in der Pulverebene zurückzuführen sind. Durch die Wechselwirkung der thermischen Verformung der Hauptkomponenten, welche zumindest teilweise direkt miteinander verbunden sind, ist eine Kompensierung nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Demgegenüber schlägt die vorliegende Erfindung eine Entkopplung der Hauptkomponenten vor. Wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, ist das Optikmodul 9 direkt an einer ersten Verbindungsstelle 0 am Grundelement 3 gelagert. Separat und beabstandet davon ist die Prozesskammer 1 direkt am Grundelement 3 an einer zweiten Verbindungsstelle 13 aufgenommen.
Zur Anbindung, insbesondere der Prozesskammer 1, werden bevorzugt thermisch isolierende Materialien verwendet, beispielsweise Keramik- oder Kunststoffscheiben oder isolierende Platten als Zwischenelemente der Lagerflächen. Die zweite Verbindungsstelle 13 ist die Verbindungsstelle zur Verbindung des Grundelements 3 mit der Prozesskammer 1, welche daher bevorzugt eine thermisch isolierende Lagerung ermöglicht. Dies ermöglicht eine thermische Entkopplung der Prozesskammer 1, welche sich im Betrieb der Anlage beispielsweise auf 50 °C bis 80 °C erwärmt.
In Figur 1 ist für die zweite Verbindungsstelle 13 eine einzelne Verbindungsstelle (oder Lagerstelle) dargestellt, wobei bevorzugt die Prozesskammer 1 auch über mehrere zweite Verbindungsstellen am Grundelement 3 gelagert werden kann (bevorzugt über vier Verbindungsstellen). Diese zweiten Verbindungsstellen können im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene angeordnet sein und die Prozesskammer 1 kann (bevorzugt ausschließlich) darauf mit der Unterseite aufgesetzt und fest verbunden werden. Die erste Verbindungsstelle (an welcher das Optikmodul 9 gelagert ist) ist bevorzugt von jeder der zweiten Verbindungsstellen (vertikal und/oder horizontal) beabstandet angeordnet.
Bevorzugt weist das Grundelement 3 eine gemeinsame Referenzebene 2 auf, gegenüber dieser die Hauptkomponenten angeordnet und positioniert sind und dessen relative Position als Lageinformation herangezogen wird, beispielsweise zur Kompensation von Verformungen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Optikmodul 9 direkt an dieser gemeinsamen Referenzebene 2 (beispielsweise direkt an der Oberseite des Grundelements 3) aufgenommen.
Zudem sind ein oder mehrere Positionierungselemente vorgesehen, welche sich beispielsweise zu den Hauptkomponenten vertikal nach unten erstrecken. Positionierungselemente sind beispielsweise die Positionierungselemente 4 oder 8. Diese sind so ausgestaltet, dass sie thermisch und mechanisch von den Hauptkomponenten und insbesondere der Prozesskammer 1 entkoppelt sind und gleichzeitig an der gemeinsamen Referenzebene 2 befestigt sind. Beispielsweise kann das Positionierungselement 4 in die Prozesskammer 1 gehängt werden oder seitlich dazu angeordnet werden, um eine effiziente Lage- und Positionsbestimmung der Prozesskammer 1 zur gemeinsamen Referenzebene 2 zu ermöglichen. Vorteilehaft ist das Positionierungselement 4 nicht mit der Prozesskammer direkt verbunden, sondern fungiert lediglich als Abstandsskala oder Relativpunkt zur Messtechnischen Erfassung der Relativabstände. Als Hauptkomponenten können insbesondere die Prozesskammer 1, das Optikmodul 9, die Hubvorrichtung 10 und/oder der Bauzylinder 11 angesehen werden.
Zusätzlich, um die Genauigkeit noch weiter zu verbessern, falls dennoch thermische Verlagerungen auftreten, können diese Verlagerungen über Messmittel elektronisch ermittelt werden und direkt und bevorzugt zeitgleich in der Maschinensteuerung verrechnet werden. Mithin können auch zusätzliche Prozessüberwachungssysteme 12 vorgesehen sein. Diese Prozessüberwach ungssysteme 12 können bevorzugt direkt mit der gemeinsamen Referenzebene verbunden sein und/oder darauf fixiert sein. Vorteilhaft können Kamerasysteme zur Überwachung der Vorrichtung sowie Pulverbettüberwachungssysteme zur Überwachung des Pulverbetts und Schmelzpunktüberwachungssysteme vorgesehen sein, welche wiederum direkt an die gemeinsame Referenzebene 2 gekoppelt sind, so dass diese keinen thermischen und mechanischen Verlagerungen unterworfen sind, und exakte und unverfälschte Daten bereitstellen.
Zwischen dem Optikmodul 9 und der Prozesskammer 1 ist vorteilhaft ein Adapterelement 14 vorgesehen. Durch dieses Adapterelement 14 kann eine gas- und laserdichte Abschirmung gegenüber der Umgebung realisiert werden, so dass eine optimale Weiterleitung des Laserstrahls vom Optikmodul 9 in die Prozesskammer 1 gewährleistet wird. Dabei ist das Adapterelement 14 flexibel ausgestaltet oder angebunden, so dass ermöglicht wird, Relativverlagerungen der Prozesskammer 1 zum Optikmodul 9 ohne die Übertragung von mechanischen Spannungen zu erreichen. Die Relativbewegung bei gleichzeitiger Dichtigkeit kann durch Membrane oder Dichtringe realisiert werden.
Das Adapterelement 14 ist derart mit der Prozesskammer 1 an einer Verbindungsstelle verbunden, dass eine Relativbewegung zwischen Prozesskammer 1 und Adapterelement 14 in einer horizontalen Ebene als auch in einer vertikalen Ebene erlaubt wird. Dazu können mehrere Dichtringe und/oder Membrane an der Verbindungsstelle vorgesehen sein. Durch die Verwendung einer verschieblichen Lagerung (bevorzugt sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung) kombiniert mit Dichtringen und/oder Membranen, kann eine Relativbewegung der verbundenen Prozesskammer 1 freigegeben werden, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Dichtheit. Verformungen der Prozesskammer 1 werden somit durch das Adapterelement 14 nicht in das Optikmodul 9 übertragen, sondern gasdicht und/oder lasersicher durch die spezifische Anbindung des Adapterelements 14 kompensiert. Die gegenseitige thermische und mechanische Beeinflussung der Komponenten kann minimiert werden, sodass die Herstellungsqualität des Bauteils signifikant verbessert werden kann.
Des Weiteren kann in dem Adapterelement 14 ein Schutzglas integriert sein, um das Optikmodul vor der mit Partikeln kontaminierten Prozessatmosphäre in der Prozesskammer 1 zu schützen. Das Schutzglas muss dabei jedoch starr mit dem Optikmodul 9 verbunden werden, um Relativverlagerungen des Schutzglases relativ zum Optikmodul zu vermeiden.
In Fig. 1 ist zudem ein Messsystem 6 dargestellt, welches zum Vermessen der Z- Achse 7 verwendet werden kann und ein Positionierungselement 8 als Referenz verwendet. Das Messsystem 6 kann zudem auch zur Lage und Positionsbestimmung von Hauptkomponenten, beispielsweise des Bauzylinders 11 und der Prozesskammer 1 verwendet werden. Das Messystem und bevorzugt sämtliche Messsysteme der Vorrichtung sind an die gemeinsame Referenzebene 2, insbesondere über Positionierungselemente, referenziert. Durch Verwendung des Positionierungselements 8 als Referenzelement, kann eine genaue Positions- und Lagebestimmung der Hauptkomponenten erreicht werden. Das Positionierungselement ist aus temperaturinvariantem Material hergestellt. Ein temperaturinvariantes Material ist beispielsweise Invar oder faserverstärkte Kunststoffe, wie kohlefaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffe.
Im Bauzylinder 11 befindet sich die Hubvorrichtung 10, welche beispielsweise vertikal beweglich ist, um eine Basisplatte relativ zu der Umfangsumwandlung anzuheben bzw. abzusenken. Zum Beginn eines Bauprozesses wird mittels einer Ausrichtvorrichtung (oder eines Beschichters 22) eine Werkstoffpulverschicht auf der Platte abgelegt und eingeebnet. Während des Bauprozesses, nach sukzessiver Auftragung der Schichten und Verschmelzung der gewünschten Abschnitte, senkt sich die Hubvorrichtung 10 nach und nach ab, um jeweils ein neues Aufträgen einer Werkstoffpulverschicht am Baufeld zu ermöglichen.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist zudem das weitere Messmittel 5 vorgesehen, welches die relative Position der Hubvorrichtung 10 erfassen kann. Verlagerungen werden hier beispielsweise in vertikaler Richtung ermittelt. Parallel dazu können seitlich zu dem Messmittel 5 die Positionierungselemente 8 vorgesehen sein, zur Bestimmung einer relativen Positionierung der einzelnen Hauptkomponenten und der Lage oder des Nullpunkts des Messsystems 5. Die Positionierungselemente 8 sind dabei bevorzugt direkt an der gemeinsamen Referenzebene 2 angebunden. Da die Positionierungselemente aus thermisch invariantem Material bestehen, formen sich diese im Wesentlichen nicht aufgrund von thermischen Einflüssen, sondern bleiben in ihrer Länge konstant. Der Abstand der Positionierungselemente zur gemeinsamen Referenzebene 2 kann somit im Wesentlichen als konstant angesehen werden. Das Messmittel 5 ist zur Positions- und Lagebestimmung der Bauplattform der Hubvorrichtung 10 vorgesehen. Das Messmittel 5 kann dazu beispielsweise in oder parallel zur Hubvorrichtung 10 vorliegen. Zudem kann das Messmittel 5 ein Positionierungselement aufweisen, welches innerhalb des Zylinders der Hubvorrichtung 10 angeordnet ist, um eine konstante Referenz für die Lagebestimmung bereitzustellen. Als Messmittel 5 können insbesondere Laserabstandssensoren eingesetzt werden oder es können taktile Messvorrichtungen wie ein Berührungssensor verwendet werden.
Jedes der Positionierungselemente stellt Fixpunkte bezüglich der gemeinsamen Referenzebene bereit, wobei diese Fixpunkte zur einfachen Bestimmung der Verlagerung und/oder Orientierungsänderung der einzelnen Hauptkomponenten herangezogen werden. Ähnlich wie mit einem an der gemeinsamen Referenzebene 2 fixierten Lineal oder einer fixierten Skala ist es daher möglich, durch die Messung oder Bestimmung der Relativpositionsänderung zwischen einer Hauptkomponente und dem Positionierungselement eine Verlagerung gegenüber der gemeinsamen Referenzebene 2 zu ermitteln und die ermittelte Verlagerung über die Maschinensteuerung für eine Kompensation des Strahlenwegs einzusetzen, um eine möglichst exakte Bauteilgenauigkeit bei der Fertigung des Werkstücks zu erreichen.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind zwei Positionierungselemente 8 seitlich und beabstandet von der Prozesskammer 1 angeordnet, wobei diese Positionierungselemente beispielsweise zur Positionsbestimmung der Hubvorrichtung 10 und/oder des Zylinders 11 verwendet werden können, aber auch zur Positionsbestimmung der Prozesskammer 1. Dadurch, dass zwei beabstandete und parallele Positionierungselemente 8 bereitgestellt werden, kann die Lage Hauptkomponenten an zwei verschiedenen Seiten ermittelt werden, so dass eine Lageänderung und auch eine Orientierungsänderung einfach und präzise ermittelt werden kann.
Die Prozesskammer 1 ist an der zweiten Verbindungsstelle 13 mit dem Grundelement 3 fest verbunden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann jedoch eine thermische Verformung der Prozesskammer 1 zu einer Verschiebung des Zentrums der Prozesskammer 1 relativ zur gemeinsamen Referenzebene 2 führen. Auch für die Prozesskammer 1 ist zumindest ein (bevorzugt zwei) Positionierungselement 4 vorgesehen. Die Positionierungselemente werden so ausgestaltet, dass sie thermisch und mechanisch von der Prozesskammer 1 entkoppelt sind. Bei einer Positionsänderung der Prozesskammer 1 kann über die Fixpunkte des Positionierungselements 4 eine exakte Positionsbestimmung und Orientierungsbestimmung der Prozesskammer 1 ermöglicht werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Grundelement 3 vorteilhaft eine Grundplatte oder einem Bodenelement umfassen, Seitenwände, welche auf der Grundplatte aufgesetzt sind, sowie einen Deckelabschnitt, an den das Optikmodul 9 angebunden ist. Bevorzugt sind die Bauteile des Grundelements 3 fest miteinander verbunden, zur Ausbildung eines stabilen Gestells oder Rahmens.
Somit wird vorgeschlagen, um die Prozesskammer 1 als ein geschlossenes Gestell oder Grundelement 3 bereitzustellen, das die sämtlichen Hauptkomponenten aufnimmt oder lagert. Die einzelnen Komponenten umfassen typischerweise ein optisches System mit dem Optikmodul 9, die Prozesskammer 1 oder Baukammer, eine Hubvorrichtung 10 und dem Bauzylinder 11. Diese spezifische Konstruktion bewirkt einen in sich geschlossenen Kraftfluss und keine Komponente wird durch eine andere Komponente hinsichtlich der Krafteinwirkung beeinflusst. Weiterhin können hierbei die Komponenten exakt zueinander ausgerichtet werden. Es wird zudem eine Ebene als gemeinsame Referenzebene 2 für das Gesamtsystem definiert. Vorteilhaft ist dies die Referenzebene des optischen Systems oder des Optikmoduls 9. An diese Ebene werden die genauigkeitsbestimmenden Elemente, wie Hauptkomponenten, direkt und thermisch stabil gekoppelt. Die thermische Stabilität kann durch Positionierungselemente erreicht werden, die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, beispielsweise aus Invar. Besonders bevorzugt kann zudem die Lage und Position des Optikmoduls 9 zur Referenzebene 2 (und dem Aufnahmeelement 3) einstellbar ausgestaltet sein, beispielsweise durch eine vertikal und/oder horizontal verstellbare Lagerung.
Fig. 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches getrennt oder kombiniert mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eingesetzt werden kann. In Fig. 2 dargestellt ist eine Ausrichtvorrichtung oder Pulverschichtpräparationseinheit. Diese Ausrichtvorrichtung kann als eine genauigkeitsbestimmende Komponente oder auch als Hauptkomponente angesehen werden. Die Ausrichtvorrichtung mit der Abstreiferlippe 20 des Beschichters 22 ist Teil der Pulverschichtpräparationseinrichtung, welche zu Einebnung des Werkstoffpulvers auf der Basisplatte (oder Bauplatte) verwendet werden kann. Zum Ausrichten der Abstreiferlippe 20 fährt diese über einen geraden Ausrichtbalken 21. Die Befestigung der Lippe wird gelöst und die Lippe kann gegen den Ausrichtbalken 21 gedrückt werden. Dabei wird die geometrische Lage, Position und Orientierung des Ausrichtbalkens 21 auf die Abstreiflippe 20 übertragen. Anschließend wird die Befestigung der Abstreiflippe 20 wieder aktiviert. Die Lippe ist somit wieder starr. Wichtig ist nun, dass die Position des Ausrichtbalkens 21 sich während des Betriebs der Maschine nicht ändert, um die Abstreiflippe 20 daran immer wieder reproduzierbar und fehlerfrei ausrichten zu können. Fehler in der Ausrichtung machen sich direkt in einer fehlerhaften Pulverbeschichtung während des Aufbau prozesses des Werkstücks bemerkbar.
Die genaue Beibehaltung der Position und Orientierung des Ausrichtbalkens 21 wird dadurch erreicht, indem der Ausrichtbalken 21 an zwei Seiten über daran fixierte Positionierungselemente 23 verbunden ist und die Positionierungselemente 23 sind wiederum direkt an die gemeinsamen Referenzebene 2 angebunden oder daran gelagert. Zudem sind die Positionierungselemente 23 aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt. Die Positionierungselemente 23 sind daher insbesondere aus temperaturinvariantem Material hergestellt. Ein temperaturinvariantes Material ist beispielsweise Invar oder faserverstärkte Kunststoffe, wie kohlefaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffe.
Eine weitere genauigkeitsbestimmende Komponente ist das Messsystem der Z- Achse 7. Auch hier würde eine thermische Verlagerung zu Fehlmessungen führen, was wiederum direkten Einfluss auf die Genauigkeit und metallurgische Integrität des zu fertigenden Bauteils haben kann. Dies wird dadurch vermieden, dass das Messsystem direkt über die Positionierungselemente 8 mit der gemeinsamen Referenzebene 2 verbunden wird (oder an den Positionierungselementen zumindest teilweise gelagert wird). Idealerweise sind die Positionierungselemente auch hier aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt.
In Fig. 3 und 4 sind weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in Fig. 3 die thermische Ausdehnung der Prozesskammer 1 dargestellt ist. Durch die Lagerung der Prozesskammer 1 an den zweiten Verbindungsstellen 13 am Grundelement 3, wobei diese nur an der Unterseite vorliegen, kann eine Expansion der Prozesskammer 1 in vertikaler Richtung ermöglicht werden, ohne Spannungen in das Grundelement 3 einzuleiten. Das flexibel angebundene Adapterelement 14 ermöglicht eine Expansion in horizontaler und vertikaler Richtung der Oberseite der Prozesskammer 1, ohne dabei Spannungen in das Grundelement 3 oder das Optikmodul zu induzieren.
In Fig. 3 ist somit das Adapterelement 14 vorgesehen, welches eine Entkopplung zwischen dem Optikmodul 9 und der Prozesskammer 1 ermöglicht, wobei das Optikmodul 9 und die Prozesskammer 1 jeweils am Grundelement gelagert sind. Somit kann auch bei einer thermischen Ausdehnung der Prozesskammer 1 eine exakte Strahlführung aus dem Optikmodul 9 erreicht werden.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit, wie in Fig. 4 dargestellt, kann zusätzlich das Positionierungselement aus temperaturinvariantem Material vorgesehen sein, welches eine exakte Positions- und Orientierungsbestimmung der Hauptkomponenten und insbesondere der Prozesskammer 1 ermöglicht. Ein temperaturinvariantes Material ist beispielsweise Invar oder faserverstärkte Kunststoffe, wie kohlefaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Beispielsweise kann auch Keramik oder Glas verwendet werden.
In Figuren 5a und 5b ist eine weitere Fertigungsanlage dargestellt. In Figur 5a ist eine Prozesskammer dargestellt welche thermisch expandiert auf Grund der Prozesswärme. Da eine Entkoppelung der Hauptkomponenten nicht vorgesehen ist, verschiebt sich der Fokus des Laserstrahls. In Figur 5b ist ersichtlich, dass die Verformungen nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung auftritt und daher komplexe Verschiebung des Laserstrahls. Die thermische und mechanische Deformation führt zu einer deutlichen Ungenauigkeit bei der Bauteilherstellung.

Claims
ANSPRÜCHE Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung, insbesondere nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Prozesskammer (1) zur Bereitstellung eines Arbeitsraums im Bereich eines Baufeldes, zumindest ein Optikmodul (9) einer Bestrahlungseinrichtung zum ortsselektiven Bestrahlen des im Bereich des Baufeldes vorliegenden Werkstoffs, eine Hubvorrichtung (10) zur vertikalen Positionierung einer Bauplatte zur Stützung des Baufeldes, und ein kollektives Aufnahmeelement (3) zur gemeinsamen Anbindung einzelner Hauptkomponenten der Vorrichtung, wobei das Optikmodul (9) am Aufnahmeelement (3) an einer ersten Verbindungsstelle aufgenommen ist und die Prozesskammer (1) separat vom Optikmodul (9), an zumindest einer beabstandeten zweiten Verbindungsstelle am Aufnahmeelement (3) aufgenommen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die einzelnen Hauptkomponenten wie die Prozesskammer (1), das Optikmodul (9), die Hubvorrichtung (10) und/oder ein Bauzylinder (11) getrennt voneinander und bevorzugt direkt am Aufnahmeelement (3) gelagert sind. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Hauptkomponenten wie die Prozesskammer (1), das Optikmodul (9), die Hubvorrichtung (10) und/oder der Bauzylinder (11) thermisch entkoppelt am Aufnahmeelement
(3) gelagert ist, insbesondere mittels thermisch isolierender Materialien.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest an der zweiten Verbindungsstelle eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Verbindungsstelle vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozesskammer (1) nur an einer Lagerstelle am Aufnahmeelement (3) gelagert ist und/oder wobei sämtliche Funktionsträger separat von der Prozesskammer (1) gelagert sind.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hauptkomponenten der Vorrichtung thermisch und mechanisch von der Prozesskammer (1) entkoppelt sind, und zwischen dem Optikmodul (9) und der Prozesskammer (1) ein Adapterelement (14) vorgesehen ist, zur gasdichten und/oder lasersicheren Abschirmung eines Strahlführungsbereichs gegenüber der Umgebung.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adapterelement (14) flexibel ausgestaltet ist, sodass eine von mechanischen Spannungen freie Relativverlagerung der Prozesskammer (1) zum Optikmodul (9) möglich wird.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adapterelement (14) eine Membran und/oder einen Dichtring umfasst.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Adapterelement (14) ein integriertes Schutzglas aufweist, um das Optikmodul (9) vor der mit Partikeln kontaminierten Prozessatmosphäre zu schützen und wobei bevorzugt das Schutzglas starr mit dem Optikmodul (9) verbunden ist, um Relativverlagerungen des Schutzglases zum Optikmodul (9) zu vermeiden.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Hauptkomponenten eine gemeinsame Referenzebene (2) aufweisen und die einzelnen Hauptkomponenten zueinander über die gemeinsame Referenzebene (2) ausgerichtet sind, insbesondere mittels Positionierungselementen aus temperaturinvariantem Material wie Invar und/oder faserverstärkten Kunststoffen.
11. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Hauptkomponenten mittels eines Positionierungselements zur Bestimmung von Abweichungen in der Orientierung oder Positionierung der jeweiligen Komponente an die gemeinsame Referenzebene (2) gekoppelt ist.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verlagerungen der Hauptkomponenten über Messmittel (5) elektronisch ermittelt werden und bevorzugt direkt und/oder zeitgleich in der Maschinensteuerung verrechnet werden um die ermittelten Verlagerungen insbesondere durch Anpassung des Strahlenweges zu kompensieren.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Hauptkomponenten zumindest teilweise zum Einstellen eines konstanten Abstands zur gemeinsamen Referenzebene (2) über Positionierungselemente mit der gemeinsamen Referenzebene direkt mechanisch verbunden sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Referenzebene des Optikmoduls (9) die gemeinsame Referenzebene (2) ist.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufnahmeelement (3) ein Gestell ist, dass zumindest die Prozesskammer (1) umschließt und wobei das Aufnahmeelement (3) bevorzugt zudem die Hubvorrichtung (10) und/oder den Bauzylinder (11) umschließt. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zudem einen Beschichter (22) zum Präparieren des pulverförmigen Werkstoffs aufweist und der Beschichter (22) eine Ausrichtvorrichtung umfasst, und wobei zur konstanten Beibehaltung der Position und Orientierung der Ausrichtvorrichtung diese durch Positionierungselemente (23) direkt mit der gemeinsamen Referenzebene (2) verbunden ist. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Messsystem (6) der Z-Achse (7) aufweist, und zur konstanten Beibehaltung der Position und Orientierung des Messsystems (6) dieses durch Positionierungselemente (23) direkt mit der gemeinsamen Referenzebene (2) verbunden ist. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Prozessüberwach ungssysteme (12) wie ein Kamerasystem, ein Pulverbettüberwachungssystem, und/oder ein Schmelzpunktüberwachungssystem vorgesehen sind welche jeweils an die gemeinsame Referenzebene (2) gekoppelt sind. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mittels einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Position und/oder Orientierung zumindest einer Hauptkomponente relativ zur gemeinsamen Referenzebene (2) unter Verwendung eines Positionierungselements bestimmt wird und
- direkt und/oder zeitgleich durch die Maschinensteuerung die ermittelte Verlagerung durch Anpassung des Strahlenweges des Optikmoduls (9) kompensiert wird. Verfahren nach Anspruch 19, wobei zur Ermittlung der Position und Orientierung der Hauptkomponenten, die den einzelnen Hauptkomponenten zugeordneten Positionierungselemente als Referenz verwendet wird.
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