WO2024041750A1 - Additive fertigungsvorrichtung und additives fertigungsverfahren - Google Patents

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WO2024041750A1
WO2024041750A1 PCT/EP2022/083429 EP2022083429W WO2024041750A1 WO 2024041750 A1 WO2024041750 A1 WO 2024041750A1 EP 2022083429 W EP2022083429 W EP 2022083429W WO 2024041750 A1 WO2024041750 A1 WO 2024041750A1
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construction
chamber
building
sub
container
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Marko BÄRTL
Peter Koppa
Marc Timmer
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Dmg Mori Additive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for a manufacturing system for the additive manufacturing of objects, in particular for a manufacturing system for selective laser melting. Furthermore, an improved additive manufacturing process is proposed.
  • the process of additive manufacturing allows the production of objects by building them up layer by layer from a powdery material (material powder) using optical interaction.
  • a powdery material material powder
  • SLM selective laser melting
  • metallic material powders are used in particular, which are preferably melted in layers into coherently solidified sections using a focused laser beam. In this way, for example, machine parts, tools, prostheses, pieces of jewelry, etc. can be manufactured.
  • a device for producing shaped bodies based on the principle of selective laser melting is described, for example, in 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 device for building up objects in layers from powdery material by means of optical interaction (device for the additive manufacturing of objects), with which the productivity of an additive manufacturing system, in particular an SLM manufacturing system, can be increased and at the same time preferably Manufacturing quality of the items to be manufactured can be improved.
  • an object of the invention to provide an improved additive manufacturing process, in particular an SLM manufacturing process, with which both the productivity of the manufacturing system and preferably the quality of the manufactured objects can be increased.
  • a device for building up objects in layers from powdery material using optical interaction comprises a process chamber for providing at least one working space in the area of at least one construction area.
  • the device can be intended in particular for a method of selective laser melting.
  • metallic materials can preferably be used.
  • a working space is in particular a room/volume of the process chamber in which one or more objects are built up in layers.
  • a construction area is preferably understood to be a two-dimensional area in the working space in which the optical interaction to solidify the powdery material takes place. With selective laser melting, a build area can therefore include a two-dimensional area in the work space in which a focused laser beam impinges on a top layer of the powdery material.
  • the device comprises at least one partition wall, which divides the process chamber into at least two sub-chambers, with at least one of the at least two sub-chambers providing the at least one working space.
  • the process chamber can be divided into two sub-chambers using a partition wall, into four sub-chambers using two partition walls, into six sub-chambers using three partition walls, etc.
  • Each of the partial chambers formed in this way can provide at least one working space.
  • only a predetermined number of the partial chambers formed can provide at least one working space.
  • Partial chambers with at least one working space can preferably have essentially the same size (the same volume). However, it is also possible to form partial chambers with at least one working space of different sizes.
  • the at least one partial chamber which provides the at least one working space, preferably has at least one coater and at least one optical module. This means that all partial chambers formed by partitions with at least one working space preferably have at least one coater and at least one optical module.
  • the at least one coater serves to apply the powdery material to the construction area of the partial chamber. In other words, the coater applies the material powder in layers to the construction area present there in the at least one working space of the partial chamber.
  • the at least one optical module which can be part of an irradiation device or the irradiation device itself, serves for the location-selective irradiation of the powdery material present in the area of the construction area.
  • the optical module specifically irradiates the powdery material present in the area of the construction area of the partial chamber in accordance with geometry specifications for one or more objects to be manufactured after the coater has applied a new layer of material powder to the construction area.
  • the optical module can in particular be set up to handle the material powder with a to irradiate a focused laser beam in a location-selective manner, so that it is heated to such an extent at certain points that it briefly changes completely into the liquid phase and solidifies when it solidifies.
  • the optical module is preferably arranged above the partial chamber and at a distance from it.
  • all partial chambers formed by the at least one partition wall with at least one working space preferably have at least one separate coater and at least one separate optical module, different objects/different types of objects can be manufactured from different materials in the individual partial chambers. This allows the flexibility and productivity of the manufacturing system to be increased.
  • the at least one partial chamber which provides the at least one working space, comprises at least one gas inlet and at least one gas outlet for supplying and removing a protective gas into the partial chamber.
  • each sub-chamber used for the additive manufacturing of objects can have a separate inert gas atmosphere with a separate inert gas flow.
  • the protective gas atmosphere can prevent the oxidation of the metallic material, and on the other hand, the protective gas flow can help to remove smoke and melt spatter that arise when the material is irradiated by the optical module from the construction area.
  • argon and/or helium or nitrogen or neon (or others) can be used as protective gases.
  • the formation of smoke can be reduced and the removal of the resulting smoke can be improved. This enables the provision of constant process conditions in the sub-chambers and thus increases the manufacturing quality of the manufactured objects.
  • either the at least one gas inlet or the at least one gas outlet is in the at least one Divider arranged.
  • gas can be removed through the partition by sucking the protective gas through the partition (upwards).
  • suitable channels/pipelines can be installed in the partition wall, through which the protective gas can be conveyed from the sub-chambers by means of one or more suction devices.
  • the extracted protective gas can be fed to a common filter system for cleaning.
  • a common channel/pipeline through the partition and a common suction suction device are also possible.
  • the use of separate sub-chambers for the additive manufacturing of objects also allows the use of different protective gases in the individual sub-chambers. This enables a further increase in both the flexibility and the quality of the manufacturing process, since the respective protective gas can be selected according to the different requirements for the production of the different objects in the individual sub-chambers (e.g. with regard to the process parameters required for the production of the various objects).
  • the different protective gases can be removed via separate channels/pipes in the partition using separate suction devices to separate filter systems.
  • the filter systems mentioned can be recirculating air filter systems which include the suction device and supply the cleaned protective gas back to the at least one partial chamber via the at least one gas inlet.
  • the at least one gas inlet of the at least one partial chamber which provides the at least one working space, is arranged/integrated in the at least one partition.
  • the protective gas can, for example, be passed from above through the partition and from the side into the sub-chamber(s).
  • the at least one gas inlet can preferably be in this way Partition can be arranged so that the supplied protective gas can flow evenly over the construction area of the at least one work space.
  • the partial chambers formed by the partition can be supplied with protective gas from central gas inlets, which can be arranged, for example, on both sides of the partition.
  • protective gas can be removed from several sub-chambers using gas outlets on both sides of the partition. This enables a compact design of the protective gas supply for the individual sub-chambers of the process chamber, which can reduce flow losses and thus increase the efficiency of the production system.
  • the at least one gas inlet and the at least one gas outlet can be arranged opposite one another in the at least one partial chamber.
  • the gas inlet of the sub-chamber can be located in an element/component that is arranged in an outer region of the sub-chamber and lies opposite the partition.
  • a flow can be formed over the construction area, which flows parallel to it from an outer side to an inner side of the partial chamber. This allows an even distribution of speed in the flow to be achieved, which means that smoke and melt spatter can be continuously removed.
  • An inner side of a partial chamber is to be understood as the side on which borders at least one partition and thus an adjacent partial chamber.
  • the gas outlet of the at least one partial chamber can be located in an element/component that is arranged in an outer region of the partial chamber.
  • a flow can be formed over the construction area, which flows parallel to it from the inner side to the outer side of the partial chamber.
  • the element in which the gas outlet is located directly adjoins the construction area of the at least one work space, so that smoke and melt spatter that arise there can be sucked off directly.
  • the at least one coater for applying the powdery material to the construction area can be arranged in the partition wall.
  • the powder supply of the at least one coater can be integrated directly into the partition, so that the material powder can reach the construction area of the at least one work space of the at least one partial chamber, for example via a channel/pipeline in the partition.
  • the working space in the sub-chamber can be made larger and the productivity of the production system can thus be increased additionally.
  • the device can further comprise a construction container carrier which is arranged below the process chamber and whose top closes off the process chamber at the bottom.
  • the top of the construction container carrier may include the bottom/part of the bottom of the process chamber.
  • the partition can have at least one seal on its underside.
  • the building container carrier can have at least one building container with a building board and a lifting device that accommodates the at least one work space. This means that the at least one working space of the at least one partial chamber can be arranged in the at least one construction container.
  • the construction container carrier can include a variety of construction containers. In particular, each partial chamber of the process chamber can contain at least one construction container. It is also possible for a partial chamber to have several construction containers.
  • the building board of the at least one building container can in particular support the building field in the working space of the building container. This means that one or more items to be manufactured can be built on the building board.
  • the lifting device can position the building board vertically, so that the at least one working space can be formed, for example, by lowering the building board in the building container.
  • the lifting device can move the building board vertically downwards by a layer thickness (thickness of a layer of material powder to be applied) after each construction step.
  • a construction step can include applying the material powder to the building board using the at least one coater and solidifying the material using the at least one optical module.
  • the construction container carrier can move the at least one construction container from a first position to a second position.
  • the construction container carrier can preferably be a cylindrical carrier that can be rotated in order to move the at least one construction container from the first position to the second position. The rotation can preferably take place about a longitudinal axis of the construction container.
  • the construction container carrier can have a shape that deviates from a cylinder and, for example, to be designed as a cuboid, cube or truncated pyramid.
  • a translational movement of the same can be carried out in order to move the at least one Move construction container from the first to the second position.
  • the construction container carrier carries out a movement to move the construction container itself (self-movement).
  • the construction container carrier does not move on its own or that only parts of the construction container carrier are moved.
  • the at least one construction container can be moved from the first to the second position by means of a gripper.
  • a movement of the construction container from a first and into a second position is to be understood as meaning a movement of the construction container from any position to another arbitrary position of the construction container in the process chamber.
  • the number of positions in the process chamber is not limited to two, but the build container can be moved to a variety of positions.
  • the term “from a first position to a second position” is only intended to express that the construction container is moved from one position to a next position. It can therefore also be moved from the second position to a third position, from the third position to a fourth position, etc.
  • the construction container In a first position, can be located, for example, in a first sub-chamber, while in a second (next) position it can be located, for example, in another sub-chamber of the process chamber. It is also possible for both positions to be in a partial chamber.
  • one of the positions can be located below the at least one partition, for example in order to apply material powder from the coater arranged in the separation chamber to the building board of the at least one
  • the at least one construction container can be rotatable about its longitudinal axis.
  • the building board of the at least one building container can be rotatable about its longitudinal axis and/or the longitudinal axis of the building container.
  • the construction container can have a cylindrical shape (construction cylinder).
  • the construction container it is also possible for the construction container to have a shape that deviates from a cylinder and, for example, to be designed as a cuboid or cube.
  • the building board can have a round or rectangular shape, for example.
  • the building board can be mounted on/in the building container in such a way that its longitudinal axis coincides with the longitudinal axis of the building container.
  • a rotation about the longitudinal axis of the building board simultaneously includes a rotation about the longitudinal axis of the building container.
  • the longitudinal axes of the building board and the building container do not match and the building board is arranged, for example, on a radius of a building cylinder that is spaced from the longitudinal axis.
  • a rotation of the building board around the longitudinal axis of the building cylinder can mean a movement of the building board along this radius.
  • a rotation of the building board about its own longitudinal axis can take place outside the longitudinal axis of the building cylinder, in a position offset from it by the said radius.
  • a rotation of the at least one construction container or its construction plate enables different component orientations to be taken into account for different objects to be manufactured. This can further increase the flexibility and productivity of the production system.
  • Component orientation should be understood as the orientation/alignment of an object to be manufactured in the workspace.
  • the at least one coater for applying the powdery material to the construction area can be integrated in the partition.
  • the partition can preferably have at least one wiper lip on its underside.
  • the at least one coater can be completely contained in the partition, and in particular all functions of the coater can be carried out with the help of the partition.
  • the powder supply to the coater can take place, for example, via a channel/pipeline in the partition wall.
  • the required amount of material powder can be provided, for example, by means of a conveyor shaft and fed via the channel in the partition of the building board of the building container.
  • the material powder can be distributed on the building board when the construction container is on the way to the partition happens from a first to a second position. This means that as the construction container moves, the powdered material is applied to the construction area (coating) at the same time.
  • the lifting device for example lowered by a layer thickness.
  • the coating function can be completely integrated into existing components of the device, so that no separate coater component is necessary for supplying and distributing the material powder on the construction site. This enables an enlarged working space in each sub-chamber and also reduces the component costs for the production system.
  • the construction container carrier can also have at least one material removal opening.
  • This can be used to remove excess material powder from the at least one construction container, in particular from its construction board. This can be done by a movement of its own, such as rotation, of the construction container carrier, for example while it moves the at least one construction container from a first to a second position. During such a movement, the surface of the construction container carrier is continuously guided past/under the at least one scraper lip on the underside of the at least one partition wall, so that excess material located on the surface can be continuously fed to the at least one material discharge.
  • this can preferably be arranged on the top of the construction container carrier.
  • a plurality of material removal openings can be arranged on the top of the construction container carrier. The excess material can be fed to one or more powder overflow containers through the material discharge opening(s).
  • At least one of the at least Two partial chambers provide a space for preparing and post-processing the layer-by-layer construction of objects made of powdery material.
  • at least one partial chamber which is formed by means of the at least one partition, cannot be used as a work space for the additive manufacturing of objects, but can instead serve, for example, as an unpacking and/or setup station. In this case, no separate optical module is necessary in the relevant sub-chamber.
  • Such an embodiment makes it possible to also integrate the preparation and post-processing of the objects to be manufactured/manufactured into the production system. This allows the overall process to be optimized and production productivity to be increased additionally, since, for example, no distance has to be traveled between a setup station and the additive manufacturing system.
  • a first of the at least two partial chambers can have a first coater. This can apply a first powdered material to a first construction area, which is supported by a first construction board of a first construction container, which accommodates a first work space.
  • a second of the at least two partial chambers can have a second coater. This in turn can apply a second powdered material to a second construction area, which is supported by a second construction board of a second construction container, which accommodates a second work space.
  • the second material can be different from the first material.
  • the first and second materials are the same material. The exposure can take place simultaneously in the work rooms.
  • the first partial chamber can have a first optical module, which can irradiate the first powdery material present in the area of the first construction area in a location-selective manner.
  • the second partial chamber can accordingly have a second optical module, which can irradiate the second powdery material present in the area of the second construction area in a location-selective manner.
  • the number of sub-chambers is not limited to two, but There can be a large number of sub-chambers, onto the construction areas of which a different material can preferably be applied, which is subsequently irradiated by the optical module of the respective sub-chamber. In this way, objects made of different materials can be additively manufactured in different sub-chambers of a process chamber.
  • the building container carrier can move the first building container with the first building board from the first sub-chamber into the second sub-chamber, and move the second building container with the second building board from the second sub-chamber into the first sub-chamber.
  • the first construction container on whose construction board a powder layer of the first material has been applied, can be moved into the second partial chamber after irradiation by the first optical module.
  • the second construction container with the second material can be moved into the first partial chamber after irradiation.
  • the two building panels can be positioned vertically, for example lowered by a layer thickness, and a powder layer of the second material can be applied to the first material in the second partial chamber and a powder layer of the first material can be applied to the second material in the first partial chamber.
  • the two construction containers can be moved again from one sub-chamber to the other and the process can be repeated. This allows, for example, the construction of objects in a sandwich construction.
  • the exact position of the first and second construction fields after a movement from one sub-chamber to another can be detected using a suitable sensor system and transmitted to the first and second optical modules. In this way, the focused laser beam from the two optical modules can always be positioned correctly.
  • the position of the first and second construction fields can be adjusted by rotating the first and second construction containers and/or their construction panels as described above.
  • the first and second coaters can preferably be integrated in the at least one partition.
  • the first coater can be attached to a first position in/on the partition and the second coater can be attached to a second position in/on the partition.
  • a first wiper lip can be arranged at the first position and a second wiper lip can be arranged at the second position.
  • first and second materials can be alternately applied to the first and second construction areas.
  • first and second materials can be alternately supplied to the first and second building boards and distributed on the building boards by moving the first and second building containers.
  • Excess material powder can be fed to at least one material removal opening through its own movement, in particular the rotation of the construction container carrier as described above by means of the scraper ippe(s). If the first and second materials are different materials, the material powder mixed by the material discharge can be fed to one or more powder overflow containers for reprocessing.
  • the first sub-chamber and the second sub-chamber may have a common gas inlet or a common gas outlet.
  • the common gas inlet or outlet can be arranged/integrated in the at least one partition wall as described above.
  • the protective gas can be sucked from the first and second partial chambers, which are preferably arranged on opposite sides of the partition, for example via openings in the two sides of the partition, into a common outlet channel in the partition.
  • a common gas inlet into the first and second sub-chambers can be realized by guiding protective gas from above through a channel in the partition wall into the first and second sub-chambers via openings in the side surfaces.
  • a common filter system can be used with a common gas outlet through the partition. With a common gas inlet through the partition, only one protective gas supply is necessary. This enables a compact design of the protective gas supply for the two partial chambers, which can reduce flow losses and thus increase the efficiency of the production system.
  • a method that uses the device described above for building up an object from powdery material in layers by means of optical interaction comprises at least one of the steps described below.
  • At least one working space is provided in at least one partial chamber in the area of a construction area, the at least one partial chamber being formed by dividing a process chamber by means of at least one partition wall.
  • a plurality of partial chambers can be formed by means of a plurality of partitions.
  • the working space can preferably be provided in a construction container which has a construction plate and a lifting device.
  • a protective gas is supplied to the at least one partial chamber.
  • a protective gas atmosphere is created in the at least one partial chamber, which on the one hand can prevent the oxidation of the metallic material and on the other hand can help to remove smoke and melt spatter from the construction area.
  • a protective gas atmosphere is built up in the at least one partial chamber
  • powdered material is applied to the construction area of the at least one working space in the at least one partial chamber using at least one coater.
  • the construction area of the at least one work space can preferably be supported by the construction board of the construction container. This can be positioned vertically using the lifting device.
  • the building board can be lowered by the lifting device by a layer thickness before the material powder is brought to the building site by the at least one coater.
  • the at least one coater can preferably be arranged in the at least one partition.
  • the powdery material present in the area of the construction area is irradiated in a location-selective manner using at least one optical module.
  • the powdery material present in the area of the construction area of the partial chamber is irradiated in a targeted manner by the at least one optical module in accordance with geometry specifications for one or more objects to be manufactured.
  • the material powder is irradiated in a location-selective manner by the optical module with a focused laser beam and is heated to such an extent at certain points that it briefly changes completely into the liquid phase and solidifies when it solidifies.
  • the protective gas is removed from the at least one partial chamber in order to remove smoke and melt spatter from the construction area.
  • the removed protective gas is preferably fed to a filter system for cleaning and then introduced back into the partial chamber via the at least one gas inlet.
  • a continuous gas flow can be established over the construction area, which ensures constant process conditions when irradiating the material powder.
  • the second process step of supplying protective gas and the fifth process step of removing protective gas are not to be understood as one-off steps within the process sequence, but rather these steps take place continuously.
  • Steps two to five ie the layer-by-layer application and solidification of the material powder onto the construction area under a continuous protective gas flow, are repeated until the object is completely constructed/manufactured.
  • Either the protective gas is supplied into the at least one partial chamber or the protective gas is removed from the at least one partial chamber by means of at least one gas inlet or at least one gas outlet arranged in the at least one partition.
  • This enables a compact design of the protective gas supply for the at least one sub-chamber, whereby flow losses can be reduced.
  • a larger area is available in the at least one partial chamber for the at least one working space, since no additional elements for supplying or removing the protective gas have to be arranged in the partial chamber.
  • At least one of the following steps may additionally be carried out between the second and third steps described above.
  • a first building board can be positioned in the vertical direction in a first partial chamber using a first lifting device.
  • the first building board can be lowered by a layer thickness by the first lifting device.
  • the first building board can be arranged in a first building container, which accommodates a first work space, to support a first building field.
  • a second building board can be positioned in the vertical direction in a second partial chamber by means of a second lifting device.
  • the second building board can also be lowered by a layer thickness by the second lifting device.
  • the second building board can be arranged in a second building container, which accommodates a second work space, to support a second building field.
  • first and second building containers can be moved from a first position to a second position by means of a building container carrier in which the first and second building containers are arranged.
  • first and second construction containers can be moved from a first position in the first and second partial chambers to a second position under the partition.
  • a first and second coater are preferably arranged in the partition, which apply a first material powder to the first construction area and a second material powder to the second construction area. This can mean in particular that the first and second material powders are fed from a first and second channel in the partition to the first and second building board and distributed on the first and second building board by means of at least one scraper lip arranged on an underside of the partition
  • the construction container carrier can move the first and second construction containers from the second position to a third position between the third and fourth steps, i.e. before the location-selective irradiation of the material powder.
  • the first and second construction containers can be moved from the second position below the two coaters in the partition to a third position in which the second construction container is in the first sub-chamber and the first construction container is in the second sub-chamber.
  • the first and second material powder can be irradiated in a location-selective manner in the respective partial chamber by means of the at least one optical module and thereby solidified.
  • the first and second material powder can be applied alternately to the first and second construction areas.
  • objects can be made from two materials in a sandwich construction.
  • the number of sub-chambers, coaters and material powders is not limited to two, but rather there can be a large number of sub-chambers, coaters and material powders, so that objects can also be made from more than two materials.
  • FIG. 1a and 1b show schematically an exemplary embodiment of a device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a cross-sectional representation;
  • FIGS. 1a and 1b show schematically an interior view of the device shown in FIGS. 1a and 1b in a spatial representation
  • 3a and 3b show schematically a further exemplary embodiment of the device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a cross-sectional representation;
  • 4a to 4c show schematically a top view and two sectional views of the device shown in FIGS. 3a and 3b;
  • FIG. 5 shows schematically an exemplary embodiment of a method for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction
  • FIG. 6a and 6b show schematically a further exemplary embodiment of the device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a top view;
  • FIGS. 6a and 6b show schematically a top view and a sectional view of the device shown in FIGS. 6a and 6b.
  • FIG. 1a and 1b show schematically an exemplary embodiment of a device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a cross-sectional representation.
  • the cutting plane of the cross-sectional representation in Fig. lb is marked in Fig. la by thin dotted lines.
  • the device shown comprises a process chamber 1, which is divided by a partition 2 into a first sub-chamber la and a second sub-chamber lb.
  • the process chamber 1 with its sub-chambers la, lb is only shown in Fig. lb.
  • a coater 22a, 22b is arranged in each of the two partial chambers la, lb.
  • an optical module 9a, 9b is attached above each sub-chamber la, lb and a gas inlet 4a, 4b is attached to the outer sides of each sub-chamber la, lb.
  • the gas outlet of each partial chamber la, lb is located in the partition 2 (indicated by an arrow in the partition 2).
  • the process chamber 1 is placed on a housing 3.
  • a construction container carrier 5 is mounted in the housing 3, which in the exemplary embodiment shown contains a first construction container 11a and a second construction container 11b.
  • Each of the two construction containers 11a, 11b in turn comprises a lifting device 10a, 10b and a construction plate 12a, 12b.
  • the construction container carrier 5 has a cylindrical shape and the construction containers 11a, 11b are also designed as construction cylinders.
  • the top 5a of the construction container carrier closes the process chamber 1 at the bottom or forms it In the exemplary embodiment shown, part of the underside of the process chamber 1.
  • the coaters 22a, 22b apply a layer of a powdery, preferably metallic material to a respective construction area, which is supported by the construction panels 12a, 12b. Subsequently, the applied powder layer is irradiated in a location-selective manner by the optical modules 9a, 9b with a focused laser beam.
  • the optical modules 9a, 9b specifically irradiate the powdery material present on the building boards 12a, 12b with a focused laser beam 19a, 19b in accordance with the geometry specifications for the objects to be manufactured.
  • the lifting devices 10a, 10b lower the building panels 12a, 12b by a layer thickness and the coaters 22a, 22b apply a further layer of material powder to the respective building area.
  • the working space for the layered construction of the objects to be manufactured is formed in this way in the construction containers 11a, 11b.
  • a protective gas is introduced into the sub-chambers via the gas inlets 4a, 4b arranged laterally on the sub-chambers la, lb. This flows over the construction area and is discharged centrally via gas outlets in the partition 2 (indicated by arrows in Fig. lb). A continuous gas flow is established.
  • An exemplary embodiment of the arrangement of the gas outlets is shown in Fig. 4c and is described in more detail in connection with this figure.
  • the arrangement of the gas inlets and outlets in the two partial chambers la, lb enables a homogeneous flow over the respective construction area, which ensures constant process conditions.
  • smoke and melt spatter can be reliably removed.
  • the arrangement of the gas outlets in the partition wall 2 avoids additional components for gas removal in the partial chambers la, lb, so that a larger working space is available for the additive manufacturing of the objects. If the same protective gas is used in both partial chambers, it is possible to create a common gas outlet in the partition 2, through which the contaminated protective gas can be fed to a common filter system. This allows the component costs of the production system to be reduced.
  • FIGS. 2a and 2b show schematically an interior view of the device shown in FIGS. 1a and 1b in a spatial representation.
  • FIGS. 2a and 2b show an exemplary embodiment of the construction container carrier 5 with the construction containers 11a, 11b.
  • the construction container 5 is shown in a position in which the construction containers 11a, 11b are in a first position.
  • the first construction container 11a is located in/below the first sub-chamber la and the second construction container in/below the second sub-chamber lb (see Fig. lb).
  • the two construction containers 11a, 11b in Fig. 2b are in a second position, in which the first construction container 11a is positioned in/below the second partial chamber lb and the second construction container in/below the first partial chamber la is.
  • the rotation of the construction container 5 is indicated by the arrow shown below the construction container 5.
  • the arrows shown below the construction containers 11a, 11b illustrate that in the exemplary embodiment shown here, the individual construction containers 11a, 11b can also be rotated about their longitudinal axis.
  • objects can be made from two different materials.
  • the construction container carrier 5 can be rotated so that the construction containers 11a, 11b are then in the second position.
  • the exact position of the first and second construction area of the construction containers 11a, 11b in the partial chambers la, lb after a rotation of the construction container carrier 5 can be detected by means of a suitable sensor system and transmitted to the optical modules 9a, 9b. In this way, the focused laser beam of the two optical modules 9a, 9b can always be positioned correctly.
  • the position of the first and second construction fields can be adjusted by rotating the first and second construction containers.
  • the construction containers 11a, 11b rotate about their longitudinal axis, so that different component orientations can be realized in the two construction containers 11a, 11b.
  • the building panels 12a, 12b can be rotated instead of the building containers or in addition to the building containers.
  • the building container 11a, 11b can be stored centrally in the building container 11a, 11b, so that the respective building board 12a, 12b has the same longitudinal axis as the building container 11a, 11b.
  • the building panels 12a, 12b can be stored at a distance from the longitudinal axis of the building container 11a, 11b.
  • the building panels 12a, 12b can preferably be rotated both about their own longitudinal axis and about the longitudinal axis of the building container 11a, 11b. This results in a high degree of freedom with regard to the positioning of the objects to be manufactured in the workspace.
  • the device shown can have more than one partition 2.
  • the process chamber 1 can be divided into four sub-chambers la, lb by means of two partition walls 2, for example arranged perpendicular to one another. If each of these sub-chambers la, lb has its own coater 22a, 22b and its own optical module 9a, 9b, objects can in this case can be made from up to four materials.
  • more than two partition walls 2 can also be installed in the process chamber 1 to divide the process chamber 1 into more than four sub-chambers la, lb.
  • FIG. 3a and 3b show schematically a further exemplary embodiment of the device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a cross-sectional representation.
  • the cutting plane of the cross-sectional representation in Fig. 3b is marked in Fig. 3a by thin dotted lines.
  • the process chamber 1 with its sub-chambers la, lb is again only shown in FIG. 3b.
  • the exemplary embodiment shown here differs from the previous one only in that the coaters 22a, 22b are no longer present in the first and second partial chambers la, lb. All other elements are identical to the device shown in Figures la and lb.
  • the two coaters 22a, 22b are integrated in the partition 2 in the present exemplary embodiment. A realization of this integration is described in more detail below in connection with FIG. 4b.
  • 4a to 4c show schematically a top view and two sectional views of the device shown in FIGS. 3a and 3b.
  • 4a essentially serves to define the sectional planes AA and BB through the device, which are shown in FIGS. 4b and 4c.
  • FIG. 4b shows an example of an integration of a single coater 22 into the partition 2, which is arranged in the sectional plane AA.
  • a second coater can be integrated in the same way, for example on a side of the device opposite the section plane AA in the partition 2 (eg in a plane that results from a reflection of the section plane AA on the center line B-B).
  • objects can be manufactured from two materials in a sandwich construction in the same way as described in the previous exemplary embodiment.
  • the device more than has a partition 2.
  • the process chamber 1 can be divided into four sub-chambers la, 1b by means of two partition walls 2, with two coaters 22 being able to be integrated into each partition wall 2.
  • the present exemplary embodiment of the device therefore also enables the production of objects made of more than two materials.
  • a quantity of material powder 7 is fed to the coater 22 from above through the partition 2.
  • the amount of material powder 7 required in layers can be provided, for example, via a conveyor shaft in the partition 2. This then reaches the top side 5a of the construction container carrier 5 via a funnel-shaped opening on the side of the coater 22 facing the construction container carrier 5.
  • a wiper lip 23 arranged on the underside of the partition 2, the material powder 7 can be brought onto the construction area of the construction container carrier 5 by rotating the construction container carrier 5 first construction container 11a are applied.
  • the required amount of material powder 7 can reach directly onto the construction area of the first construction container 11a via the funnel-shaped opening of the coater 22, so that the material powder 7 can be distributed on the construction area by means of the scraper lip 23 by rotating the construction container carrier 5.
  • the construction container 11a can be rotated in advance into a suitable position in relation to the coater 22.
  • its construction plate 12a can preferably be lowered by a layer thickness.
  • FIG. 4c shows an example of an integration of two gas outlets 24a, 24b into the partition 2, through which the protective gas can be removed from the first and second partial chambers la, lb.
  • the protective gas is discharged from the first partial chamber la via a first gas outlet 24a and the protective gas from the second partial chamber lb via a second gas outlet 24b.
  • 2 seals 24aa, 24ba are attached in the area of the gas outlets on the underside of the partition wall.
  • the protective gas contaminated by smoke and melt spatter, which passes through the gas outlets 24a, 24b is discharged from the two partial chambers la, lb, can each be fed to a filter system (not shown).
  • This can preferably be a circulating air filter system in which the protective gas is cleaned and then passed back into the partial chambers la, lb via the gas inlets 4a, 4b. If the same protective gas is used in both partial chambers la, lb, it can be fed to a common filter system for cleaning. In this case, a common gas outlet 24a, 24b through the partition 2 is also possible.
  • FIG. 5 shows schematically an exemplary embodiment of a method for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction.
  • a first sub-chamber la and a second sub-chamber lb are first formed by dividing a process chamber 1 by means of a partition 2, and a working space in the area of a construction area is provided in each of the two sub-chambers la, lb.
  • Each of the two partial chambers la, lb comprises a construction container 11a, 11b, which in turn has a construction plate 12a, 12b and a lifting device 10a, 10b (see, for example, Fig. lb, 3b and 4c).
  • the working space in the two partial chambers is provided by positioning the building panels 12a, 12b vertically in the building containers 11a, 11b by means of the lifting devices 10a, 10b, in particular by lowering them by a layer thickness (thickness of a layer of material powder to be applied). Furthermore, a protective gas atmosphere/protective gas flow is created in both partial chambers la, lb in order to prevent oxidation of the material powder to be applied and to remove smoke and melt spatter from the construction area.
  • the gas is supplied into the first sub-chamber la via a first gas inlet 4a and the gas is supplied into the second sub-chamber lb via a second gas inlet 4b.
  • the gas outlet from the two partial chambers la, lb takes place via the partition (see Figure 4c).
  • first and second building containers 11a, 11b moved from a first position to a second position by means of a construction container carrier 5, in which the first and second construction containers are arranged.
  • the first and second construction containers 11a, 11b are moved from a first position in the first and second partial chambers la, lb to a second position under the partition 2 or adjacent to the partition 2.
  • a first and second coater are arranged in the partition 2 (see FIG. 4b), which apply a first material powder 7a to the first construction area and a second material powder 7b to the second construction area.
  • first and second material powder 7a, 7b is fed from a first and second channel in the partition 2 to the first and second building board 12a, 12b and is applied to the first and second building panels 12a, 12b by means of at least one wiper lip 23 arranged on an underside of the partition 2 first and second building boards 12a, 12b are distributed (see also Fig. 4b).
  • the construction containers 11a, 11b are moved from the second position to a third position in a next step S520 by means of the construction container carrier 5.
  • the first and second construction containers 11a, 11b will be moved from the second position below the two coaters in the partition wall 2 to a third position, in which the second construction container 11b is in the first sub-chamber la and the first construction container 11b in the second partial chamber lb is located.
  • the two construction containers 11a, 11b are also each in an irradiation area 9aa, 9ba of a first and second optical module 9a, 9b and at the same time in an optimal area of the protective gas flow between the gas inlet 4a, 4b and the gas outlet of the respective sub-chamber. Therefore, in this position, in a next step S530, the first and second material powder can be irradiated in a location-selective manner using the optical modules 9a, 9b and thereby solidified.
  • Material powder 7a, 7b which can be located on the top 5a of the construction container carrier 5a, can be conveyed/pushed into one or more powder overflow containers (not shown) by means of the scraper lip 23 via the material removal openings 6a, 6b.
  • the first and second material powders 7a, 7b can be applied alternately to the first and second construction areas.
  • objects can be made from two materials in a sandwich construction.
  • the construction container carrier 5 can rotate continuously, i.e. both the application and the irradiation of the first and second material powder 7a, 7b can already take place while the construction container carrier 5 is rotating.
  • excess material powder 7a, 7b can be continuously removed from the surface 5a of the construction container carrier during rotation, since it is constantly moved under the wiper lip 23. Due to the continuous process of material application and solidification, the production of additively manufactured objects can be significantly accelerated and the productivity of the production system can thus be increased.
  • FIGS. 6a and 6b schematically show yet another exemplary embodiment of the device for building up objects made of powdery material in layers by means of optical interaction in a spatial representation and in a top view.
  • the exemplary embodiment shown here differs from the previous one in that a first and second gas outlet 24a, 24b is arranged on the outer sides of the first and second partial chamber la, 1b instead of the first and second gas inlet 4a, 4b.
  • the construction container carrier 5 in this exemplary embodiment comprises six construction containers 11a, 11b instead of just two. For this reason, the two optical modules 9a, 9b are not arranged directly opposite each other on both sides of the partition 2, as shown in the previous exemplary embodiments, for example in FIGS.
  • the gas outlets 24a, 24b are arranged in such a way that smoke and melt spatter (also called process by-products) can be extracted directly at the point of origin.
  • smoke and melt spatter also called process by-products
  • the gas supply into the two partial chambers la, lb takes place via corresponding gas inlets in the partition 2. This will be explained in more detail below in connection with FIGS. 7a and 7b.
  • FIGS. 6a and 6b show schematically a top view and a sectional view of the device shown in FIGS. 6a and 6b.
  • FIG. 7a shows a top view of the irradiation areas 9aa, 9ba of the two optical modules 9a, 9b shown in FIGS. 6a and 6b. Due to the opposite gas inlets and outlets in the two partial chambers la, lb, a protective gas flow is present in the irradiation areas 9aa, 9ba. The protective gas flows from gas inlets arranged in the partition in the direction of the gas outlets 24a, 24b. This is indicated by thin arrows in the irradiation areas 9aa, 9ba.
  • the irradiation areas 9aa, 9ba with the associated protective gas flow are arranged in such a way that the construction areas of the six construction containers 11a, 11b present in this exemplary embodiment can be continuously irradiated one after the other by means of rotation of the construction container carrier 5.
  • an additive manufacturing process step application of the material powder, irradiation of the material powder, lowering of the construction panels
  • Fig. 7b shows the device shown in Figs. 6a and 6b in the section plane A- A.
  • the section plane AA is defined in FIG. 7a and corresponds to the section plane AA according to FIGS. 4a and 4b.
  • the gas inlet 4 is integrated into the partition wall 2 next to the coater 22 in this sectional plane.
  • the gas is supplied from above through the partition 2 and is subsequently introduced laterally into the second partial chamber lb.
  • the introduction point is arranged directly opposite the gas outlet 24b, so that a uniform protective gas flow can form over the construction area of a construction container 11a, 11b entering the irradiation area 9ba.
  • the gas inflow into the partial chamber lb, the gas flow over the construction area and the gas removal through the gas outlet 24b are marked in Fig. 7b with corresponding arrows.
  • a further coater and a further gas inlet can be integrated into the partition 2 in the same way, for example on a side of the device opposite the section plane AA .
  • the further gas inlet can in particular be arranged directly opposite the gas outlet 24a in order to form a uniform protective gas flow over the construction area of a construction container 11a, 11b entering the irradiation area 9aa. If two different protective gases are used in the first and second partial chambers la, lb, these different filter systems (not shown) are fed for cleaning.
  • the same protective gas is used in both partial chambers la, lb, in the present exemplary embodiment this can also be led downwards via a common downpipe in the partition 2 and directed by means of branches to the gas inlets at the irradiation areas 9aa, 9ba.
  • the contaminated protective gas can be passed through the two gas outlets 24a, 24b to a common filter system
  • two coaters 22 can also be integrated in the partition 2 in this exemplary embodiment, it is also possible here to produce objects made of two materials in a sandwich construction. Likewise, more than one can also be used here Partition wall 2 with integrated coaters 22 and gas inlets 4 can be mounted in the process chamber 1, so that the present exemplary embodiment of the device also enables the production of objects made of more than two materials.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Fertigungsanlage zur additiven Fertigung von Gegenständen, insbesondere für eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen. Die Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer (1) zur Bereitstellung mindestens eines Arbeitsraums im Bereich eines Baufelds sowie mindestens eine Trennwand (2), welche die Prozesskammer (1) in mindestens zwei Teilkammern (1a, b) unterteilt, wobei mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern (1a, b) den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt. Diese Teilkammer weist mindestens einen Beschichter (22, 22a, b) zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs (7) auf das Baufeld, und mindestens ein Optikmodul (9a, b) auf. Mindestens ein Gaseinlass (4a, b) oder mindestens ein Gasauslass (24a, b) sind in der mindestens einen Trennwand (2) angeordnet.

Description

Additive Fertigungsvorrichtung und additives Fertigungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Fertigungsanlage zur additiven Fertigung von Gegenständen, insbesondere für eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen. Des Weiteren wird ein verbessertes additives Fertigungsverfahren vorgeschlagen.
Der Prozess der additiven Fertigung erlaubt die Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen derselben aus einem pulverförmigen Werkstoff (Werkstoffpulver) mittels optischer Wechselwirkung. Bei dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (Selective Laser Melting, SLM) kommen dabei insbesondere metallische Werkstoffpulver zum Einsatz, die bevorzugt mittels eines fokussierten Laserstrahls schichtweise zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen werden. Auf diese Weise können beispielsweise Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke etc. hergestellt werden.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens ist beispielsweise in der DE 10 2019 200 680 Al beschrieben. Der Gegenstand dieser Anmeldung ist hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Der schichtweise Aufbau der Gegenstände bei den additiven Fertigungsverfahren ermöglicht eine große geometrische Freiheit in deren Gestaltung. Zudem sind für die additive Fertigung keine produktspezifischen Werkzeuge notwendig, wodurch eine wirtschaftliche Fertigung kleiner Bauteilstückzahlen möglich wird. Daher kommen additive Verfahren häufig im Bereich des Rapid Prototyping und in der Kleinserienfertigung zum Einsatz.
Um von den Vorteilen der additiven Verfahren auch im Rahmen einer Serienfertigung mit hohen Bauteilstückzahlen profitieren zu können, ist jedoch eine Steigerung der Produktivität der additiven Fertigungsanlagen, insbesondere der SLM Fertigungsanlagen, wünschenswert. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung (Vorrichtung zur additiven Fertigung von Gegenständen) bereitzustellen, mit der die Produktivität einer additiven Fertigungsanlage, insbesondere einer SLM Fertigungsanlage, gesteigert werden und bevorzugt gleichzeitig die Herstellungsqualität der zu fertigenden Gegenstände verbessert werden kann. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes additives Fertigungsverfahren, insbesondere ein SLM Fertigungsverfahren, bereitzustellen, mit dem sowohl die Produktivität der Fertigungsanlage als auch bevorzugt die Qualität der gefertigten Gegenstände erhöht 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 umfasst eine Prozesskammer zur Bereitstellung mindestens eines Arbeitsraums im Bereich mindestens eines Baufelds. Die Vorrichtung kann insbesondere für ein Verfahren des selektiven Laserschmelzens vorgesehen sein. In diesem Fall können bevorzugt metallische Werkstoffe zum Einsatz kommen.
Als Arbeitsraum wird insbesondere ein Raum/ein Volumen der Prozesskammer bezeichnet, in dem der schichtweise Aufbau eines oder mehrerer Gegenstände erfolgt. Unter einem Baufeld wird bevorzugt ein zweidimensionaler Bereich in dem Arbeitsraum verstanden, in dem die optische Wechselwirkung zur Verfestigung des pulverförmigen Werkstoffs stattfindet. Beim selektiven Laserschmelzen kann ein Baufeld somit einen zweidimensionalen Bereich im Arbeitsraum umfassen, in dem ein fokussierter Laserstrahl auf eine oberste Schicht des pulverförmigen Werkstoffs auftrifft. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung mindestens eine Trennwand, welche die Prozesskammer in mindestens zwei Teilkammern unterteilt, wobei mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt. Je nach Größe der Prozesskammer und der zu fertigenden Gegenstände kann die Prozesskammer mittels einer Trennwand in zwei Teilkammern, mittels zwei Trennwänden in vier Teilkammern, mittels drei Trennwänden in sechs Teilkammern etc. unterteilt werden. Jede der auf diese Weise gebildeten Teilkammern kann mindestens einen Arbeitsraum bereitstellen. Alternativ kann nur eine vorbestimmte Anzahl der gebildeten Teilkammern mindestens einen Arbeitsraum bereitstellen. Bevorzugt können Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum im Wesentlichen die gleiche Größe (das gleiche Volumen) aufweisen. Es ist jedoch ebenso möglich Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum in unterschiedlichen Größen zu bilden.
Die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, weist bevorzugt mindestens einen Beschichter und mindestens ein Optikmodul auf. Dies bedeutet, dass alle durch Trennwände gebildeten Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum bevorzugt mindestens einen Beschichter und mindestens ein Optikmodul aufweisen. Dabei dient der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld der Teilkammer. Mit anderen Worten bringt der Beschichter in dem mindestens einen Arbeitsraum der Teilkammer schichtweise das Werkstoffpulver auf das dort vorhandene Baufeld auf.
Das mindestens eine Optikmodul, das ein Teil einer Bestrahlungseinrichtung oder die Bestrahlungseinrichtung selbst sein kann, dient zum ortsselektiven Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs. Mit anderen Worten bestrahlt das Optikmodul gezielt den im Bereich des Baufelds der Teilkammer vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gemäß Geometrievorgaben für einen oder mehrere zu fertigende Gegenstände, nachdem der Beschichter eine neue Schicht Werkstoffpulver auf das Baufeld aufgetragen hat. Das Optikmodul kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das Werkstoffpulver mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv zu bestrahlen, so dass dieses punktuell so stark erhitzt wird, dass es kurzfristig vollständig in die flüssige Phase übertritt und sich beim Erstarren verfestigt. Bevorzugt ist das Optikmodul über der Teilkammer und beabstandet zu dieser angeordnet.
Da bevorzugt alle durch die mindestens eine Trennwand gebildeten Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum mindestens einen separaten Beschichter und mindestens ein separates Optikmodul aufweisen, können unterschiedliche Gegenstände/unterschiedliche Arten von Gegenständen aus unterschiedlichen Werkstoffen in den einzelnen Teilkammern gefertigt werden. Dadurch können die Flexibilität und die Produktivität der Fertigungsanlage gesteigert werden.
Ferner umfasst die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass zum Zu- und Abführen eines Schutzgases in die Teilkammer. Dies bedeutet, dass jede Teilkammer, welche zur additiven Fertigung von Gegenständen genutzt wird, eine separate Schutzgasatmosphäre mit einer separaten Schutzgasströmungaufweisen kann. Die Schutzgasatmosphäre kann zum einen die Oxidation des metallischen Werkstoffs verhindern, zum anderen kann die Schutzgasströmung dazu beitragen, Schmauch und Schmelzspritzer, die bei der Bestrahlung des Werkstoffs durch das Optikmodul entstehen, aus dem Baufeld abzuführen. Beispielsweise können Argon und/oder Helium oder Stickstoff oder Neon (oder andere) als Schutzgase zum Einsatz kommen. Durch die Aufteilung der Prozesskammer in einzelne Teilkammern mit einem separaten Optikmodul und einer separaten Schutzgasströmung kann die Schmauchbildung reduziert und die Abführung des entstandenen Schmauchs verbessert werden. Dies ermöglicht die Bereitstellung konstanter Prozessbedingungen in den Teilkammern und erhöht somit die Herstellungsqualität der gefertigten Gegenstände.
Zur Zu- und Abführung des Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, ist entweder der mindestens eine Gaseinlass oder der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Trennwand angeordnet. Beispielsweise kann eine Gasabfuhr durch die Trennwand erfolgen, indem das Schutzgas durch die Trennwand (nach oben) abgesaugt wird. Dazu können beispielsweise geeignete Kanäle/Rohrleitungen in der Trennwand angebracht sein, durch die das Schutzgas mittels einer oder mehrere Absaugeinrichtungen aus den Teilkammern gefördert werden kann. Kommt beispielsweise eine Prozesskammer mit zwei Teilkammern zum Einsatz, in denen das gleiche Schutzgas verwendet wird, so kann das abgesaugte Schutzgas einem gemeinsamen Filtersystem zur Reinigung zugeführt werden. In diesem Fall ist auch ein gemeinsamer Kanal/eine gemeinsame Rohrleitung durch die Trennwand und eine gemeinsame Absaugsaugeinrichtung möglich.
Der Einsatz von getrennten Teilkammern zur additiven Fertigung von Gegenständen erlaubt jedoch auch die Verwendung von unterschiedlichen Schutzgasen in den einzelnen Teilkammern. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung sowohl der Flexibilität und als auch der Qualität des Fertigungsprozesses, da das jeweilige Schutzgas gemäß den unterschiedlichen Anforderungen an die Fertigung der unterschiedlichen Gegenstände in den einzelnen Teilkammern ausgewählt werden kann (z.B. im Hinblick auf die benötigten Prozessparameter für die Fertigung der verschiedenen Gegenstände). Hierbei kann die Abfuhr der unterschiedlichen Schutzgase über getrennte Kanäle/ Rohrleitungen in der Trennwand mittels separater Absaugeinrichtungen zu getrennten Filtersystemen erfolgen. Insbesondere kann es sich bei den erwähnten Filtersystemen um Umluftfiltersysteme handeln, welche die Absaugeinrichtung umfassen und das gereinigte Schutzgas über den mindestens einen Gaseinlass wieder der mindestens einen Teilkammer zuführen.
Es ist ebenso möglich, dass anstelle des mindestens einen Gasauslasses, der mindestens eine Gaseinlass der mindestens einer Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, in der mindestens einen Trennwand angeordnet/integriert ist. Das Schutzgas kann in diesem Fall beispielsweise von oben durch die Trennwand und seitlich aus dieser in die Teilkammer(n) geleitet werden. Der mindestens eine Gaseinlass kann dabei bevorzugt derart in der Trennwand angeordnet sein, dass das zugeführte Schutzgas gleichmäßig über das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums strömen kann.
Durch die Integration des Gaseinlasses oder des Gasauslasses in der Trennwand steht in der Teilkammer ein größerer Bereich für den mindestens einen Arbeitsraum zur Verfügung, da keine zusätzlichen Elemente zur Zu- oder Abfuhr des Schutzgases in der Teilkammer angeordnet werden müssen. Folglich kann die Produktivität der additiven Fertigung gesteigert werden, da eine größere Anzahl von Gegenständen in der Teilkammer hergestellt werden kann.
Weiters können mittels Integration der Gaszufuhr in der Trennwand die durch die Trennwand gebildeten Teilkammern aus zentralen Gaseinlässen, die beispielsweise auf beiden Seiten der Trennwand angeordnet sein können, mit Schutzgas versorgt werden. Alternativ kann mittels Gasauslässen auf beiden Seiten der Trennwand, Schutzgas aus mehreren Teilkammern abgeführt werden. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die einzelnen Teilkammern der Prozesskammer, welcher Strömungsverluste reduzieren und somit die Effizienz der Fertigungsanlage steigern kann.
Gemäß einer Ausführungsform können der mindestens eine Gaseinlass und der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Teilkammer einander gegenüberliegend angeordnet sein. Dies bedeutet, dass entweder der mindestens eine Gaseinlass oder der mindestens eine Gasauslass gegenüber der mindestens einen Trennwand angeordnet sein kann. Wenn der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist, so kann sich der Gaseinlass der Teilkammer in einem Element/Bauteil befinden, das in einem äußeren Bereich der Teilkammer angeordnet ist und der Trennwand gegenüberliegt. In diesem Fall kann eine Strömung über dem Baufeld ausgebildet werden, die parallel zu diesem von einer äußeren Seite zu einer inneren Seite der Teilkammer strömt. Dadurch kann eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung erzielt werden, wodurch Schmauch und Schmelzspritzer kontinuierlich abgeführt werden können. Unter einer inneren Seite einer Teilkammer soll die Seite verstanden werden, die an die mindestens eine Trennwand und somit an eine benachbarte Teilkammer an grenzt.
Wenn hingegen der mindestens eine Gaseinlass in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist, kann sich der Gasauslass der mindestens einen Teilkammer in einem Element/Bauteil befinden, das in einem äußeren Bereich der Teilkammer angeordnet ist. In diesem Fall kann eine Strömung über dem Baufeld ausgebildet werden, die parallel zu diesem von der inneren Seite zu der äußeren Seite der Teilkammer strömt. Bevorzugt grenzt das Element, in dem sich der Gasauslass befindet direkt an das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums an, so dass dort entstehender Schmauch und Schmelzspritzer direkt abgesaugt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld in der Trennwand angeordnet sein. Beispielsweise kann die Pulverzufuhr des mindestens einen Beschichters direkt in die Trennwand integriert sein, so dass das Werkstoffpulver z.B. über einen Kanal/eine Rohrleitung in der Trennwand auf das Baufeld des mindestens eines Arbeitsraums der mindestens einen Teilkammer gelangen kann. Dadurch kann der Arbeitsraum in der Teilkammer größer gestaltet und somit die Produktivität der Fertigungsanlage zusätzlich erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner einen Baubehälterträger umfassen, der unterhalb der Prozesskammer angeordnet ist und dessen Oberseite die Prozesskammer nach unten abschließt. Mit anderen Worten kann die Oberseite des Baubehälterträgers die Unterseite/einen Teil der Unterseite der Prozesskammer umfassen. Um den mindestens einen in der Trennwand angeordneten Gasein- oder auslass gegen die Oberseite des Baubehälterträgers abzudichten, kann die Trennwand an ihrer Unterseite mindestens eine Dichtung aufweisen.
Der Baubehälterträger kann mindestens einen Baubehälter mit einer Bauplatte und einer Hubvorrichtung aufweisen, der den mindestens eine Arbeitsraum aufnimmt. Dies bedeutet, dass der mindestens eine Arbeitsraum der mindestens einen Teilkammer in dem mindestens einen Baubehälter angeordnet sein kann. Der Baubehälterträger kann eine Vielzahl von Baubehältern umfassen. Insbesondere kann jede Teilkammer der Prozesskammer mindestens einen Baubehälter enthalten. Es ist ebenso möglich, dass eine Teilkammer mehrere Baubehälter aufweist.
Die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters kann insbesondere das Baufeld in dem Arbeitsraum des Baubehälters stützen. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere zu fertigende Gegenstände auf der Bauplatte aufgebaut werden können. Die Hubvorrichtung kann die Bauplatte vertikal positionieren, so dass der mindestens eine Arbeitsraum z.B. durch Absenken der Bauplatte in dem Baubehälter gebildet werden kann. Insbesondere kann die Hubvorrichtung die Bauplatte nach jedem Aufbauschritt um eine Schichtdicke (Dicke einer Schicht aufzutragenden Werkstoffpulvers) vertikal nach unten bewegen. Ein Aufbauschritt kann dabei ein Aufbringen des Werkstoffpulvers auf die Bauplatte mittels des mindestens einen Beschichters und ein Verfestigen des Werkstoffs mittels des mindestens einen Optikmoduls umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger den mindestens einen Baubehälter von einer ersten Position in eine zweite Position bewegen. Bei dem Baubehälterträger kann es sich bevorzugt um einen zylindrischen Träger handeln, der rotiert werden kann, um den mindestens einen Baubehälter von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen. Die Rotation kann vorzugsweise um eine Längsachse des Baubehälters erfolgen.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälterträger eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und beispielsweise als Quader, Würfel oder Pyramidenstumpf ausgeführt ist. Zur Bewegung des mindestens einen Baubehälters kann anstelle/zusätzlich zu der Rotation des Baubehälterträgers eine translatorische Bewegung desselben ausgeführt werden, um den mindestens einen Baubehälter von der ersten in die zweite Position zu bewegen. Sowohl bei der rotatorischen als auch bei der translatorischen Bewegung führt der Baubehälterträger zur Bewegung des Baubehälters selbst eine Bewegung durch (Eigenbewegung). Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälterträger keine Eigenbewegung durchführt bzw. nur Teile des Baubehälterträgers bewegt werden. Beispielsweise kann in diesem Fall der mindestens einen Baubehälter mittels eines Greifers von der ersten in die zweite Position bewegt werden.
Unter einer Bewegung des Baubehälters von einer ersten und in einer zweiten Position soll eine Bewegung des Baubehälters von einer beliebigen Position in eine weitere beliebige Position des Baubehälters in der Prozesskammer verstanden werden. Die Anzahl der Positionen in der Prozesskammer ist nicht auf zwei beschränkt, sondern der Baubehälter kann in eine Vielzahl von Positionen bewegt werden. Durch den Begriff „von einer ersten Position in eine zweite Position“ soll lediglich ausgedrückt werden, dass der Baubehälter von einer Position in eine nächste Position bewegt wird. Er kann somit auch von der zweiten Position in eine dritte Position, von der dritten Position in eine vierte Position etc. bewegt werden. In einer ersten Position kann sich der Baubehälter beispielsweise in einer ersten Teilkammer befinden, während er sich in einer zweiten (nächsten) Position z.B. in einer anderen Teilkammer der Prozesskammer befinden kann. Es ist ebenso möglich, dass sich beide Positionen in einer Teilkammer befinden. Ebenso kann sich eine der Positionen unterhalb der mindestens einen Trennwand befinden, beispielsweise um Werkstoffpulver aus dem in der Trennkammer angeordneten Beschichter auf die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters aufzubringen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Baubehälter um seine Längsachse rotierbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters um ihre Längsachse und/oder die Längsachse des Baubehälters rotierbar sein. Insbesondere kann der Baubehälter eine zylindrische Form aufweisen (Bauzylinder). Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälter eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und beispielsweise als Quader oder Würfel ausgeführt ist. Je nach Ausführungsform des Baubehälters kann die Bauplatte beispielsweise eine runde oder eine rechteckige Form aufweisen. Die Bauplatte kann derart an/in dem Baubehälter gelagert sein, dass ihre Längsachse mit der Längsachse des Baubehälters übereinstimmt. In diesem Fall umfasst eine Rotation um die Längsachse der Bauplatte gleichzeitig eine Rotation um die Längsachse des Baubehälters. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Längsachsen der Bauplatte und des Baubehälters nicht übereinstimmen und die Bauplatte z.B. auf einem von der Längsachse beabstandeten Radius eines Bauzylinders angeordnet ist. Hierbei kann eine Rotation der Bauplatte um die Längsachse des Bauzylinders eine Bewegung der Bauplatte entlang dieses Radius bedeuten. Eine Rotation der Bauplatte um ihre eigene Längsachse kann in diesem Fall außerhalb der Längsachse des Bauzylinders, in einer von dieser um den besagten Radius beanstandeten Position stattfinden. Eine Rotation des mindestens einen Baubehälters oder dessen Bauplatte ermöglicht die Berücksichtigung unterschiedlicher Bauteilorientierungen für unterschiedliche zu fertigende Gegenstände. Dadurch können die Flexibilität und Produktivität der Fertigungsanlage zusätzlich gesteigert werden. Unter einer Bauteilorientierung soll dabei die Orientierung/Ausrichtung eines zu fertigenden Gegenstands im Arbeitsraum verstanden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld in der Trennwand integriert sein. Bevorzugt kann die Trennwand in diesem Fall an ihrer Unterseite mindestens eine Abstreiferlippe aufweisen. In dieser Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter vollständig in der Trennwand enthalten sein, insbesondere können auch alle Funktionen des Beschichters mit Hilfe der Trennwand ausgeführt werden. Wie bereits oben beschrieben, kann die Pulverzufuhr des Beschichters beispielsweise über einen Kanal/eine Rohrleitung in der Trennwand erfolgen. Dabei kann die jeweils benötigte Menge an Werkstoffpulver z.B. mittels einer Förderwelle bereitgestellt und über den Kanal in der Trennwand der Bauplatte des Baubehälters zugeführt werden. Durch die an der Unterseite der Trennwand befindliche Abstreiferlippe kann das Werkstoff pulver auf der Bauplatte verteilt werden, wenn der Baubehälter die Trennwand auf dem Weg von einer ersten zu einer zweiten Position passiert. Dies bedeutet, dass im Rahmen einer Bewegung des Baubehälters gleichzeitig das Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld (Beschichten) erfolgt. Bevor die Bauplatte unter der Trennwand mit der Abstreiferlippe hindurch bewegt wird, kann diese mittels der Hubvorrichtung vertikal geeignet positioniert, z.B. um eine Schichtdicke abgesenkt werden.
Mittels dieser Ausführungsform kann die Funktion des Beschichtens vollständig in bereits vorhandene Bauteile der Vorrichtung integriert werden, so dass keine separate Beschichterkomponente zum Zuführen und Verteilen des Werkstoffpulvers auf dem Baufeld notwendig ist. Dies ermöglicht einen vergrößerten Arbeitsraum in jeder Teilkammer und reduziert zusätzlich den Bauteilaufwand für die Fertigungsanlage.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger zudem mindestens eine Werkstoffabfuhröffnung aufweisen. Über diese kann überschüssiges Werkstoffpulver aus dem mindestens einen Baubehälter, insbesondere von dessen Bauplatte abgeführt werden. Dies kann durch eine Eigenbewegung, wie beispielsweise eine Rotation, des Baubehälterträgers erfolgen, beispielsweise während dieser den mindestens einen Baubehälter von einer ersten in eine zweite Position bewegt. Bei einer solchen Bewegung wird die Oberfläche des Baubehälterträgers kontinuierlich an/unter der mindestens einen Abstreiferlippe an der Unterseite der mindestens einen Trennwand vorbei-/hindurchgeführt, so dass auf der Oberfläche befindlicher überschüssiger Werkstoff kontinuierlich der mindestens einen Werkstoffabführung zugeführt werden kann. Diese kann dazu bevorzugt auf der Oberseite des Baubehälterträgers angeordnet sein. Besonders bevorzugt können eine Vielzahl von Werkstoffabfuhröffnungen auf der Oberseite des Baubehälterträgers angeordnet sein. Der überschüssige Werkstoff kann durch die Werkstoffabführöffnung(en) einem oder mehreren Pulverüberlaufbehältern zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern einen Raum zum Vor- und Nachbereiten des schichtweisen Aufbauens von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff bereitstellen. Mit anderen Worten kann mindestens eine Teilkammer, die mittels der mindestens einen Trennwand gebildet wird, nicht als Arbeitsraum zum additiven Fertigen von Gegenständen genutzt werden, sondern z.B. als Entpack- und/oder Rüststation dienen. In diesem Fall ist kein separates Optikmodul in der betreffenden Teilkammer nötig. Eine solche Ausführungsform ermöglicht es, auch die Vor- und Nachbereitung der herzustellenden/hergestellten Gegenstände in die Fertigungsanlage zu integrieren. Dadurch kann der Gesamtprozess optimiert und die Produktivität der Fertigung zusätzlich gesteigert werden, da beispielsweise keine Wegstrecke zwischen einer Rüststation und der additiven Fertigungsanlage zurückgelegt werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine erste der mindestens zwei Teilkammern einen ersten Beschichter aufweisen. Dieser kann einen ersten pulverförmigen Werkstoff auf ein erstes Baufeld aufbringen, das von einer ersten Bauplatte eines ersten Baubehälters gestützt wird, der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt. Weiters kann eine zweite der mindestens zwei Teilkammer einen zweiten Beschichter aufweisen. Dieser kann wiederum einen zweiten pulverförmigen Werkstoff auf ein zweites Baufeld aufbringen, das von einer zweiten Bauplatte eines zweiten Baubehälters gestützt wird, der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt. Insbesondere kann der zweite Werkstoff verschieden zu dem ersten Werkstoff sein. Es ist jedoch ebenso möglich, dass es sich bei dem ersten und zweiten Werkstoff um den gleichen Werkstoff handelt. Die Belichtung kann in den Arbeitsräumen simultan erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Teilkammer ein erstes Optikmodul aufweisen, das den im Bereich des ersten Baufelds vorliegenden ersten pulverförmigen Werkstoff ortselektiv bestrahlen kann. Die zweite Teilkammer kann dementsprechend ein zweites Optikmodul aufweisen, das den im Bereich des zweiten Baufelds vorliegenden zweiten pulverförmigen Werkstoff ortselektiv bestrahlen kann. Die Anzahl der Teilkammern ist nicht auf zwei beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Teilkammern vorhanden sein, auf deren Baufelder bevorzugt ein unterschiedlicher Werkstoff aufgetragen werden kann, der nachfolgend von dem Optikmodul der jeweilige Teilkammer bestrahlt wird. Auf diese Weise können in verschiedenen Teilkammern einer Prozesskammer Gegenstände aus unterschiedlichen Werkstoffen additiv gefertigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger den ersten Baubehälter mit der ersten Bauplatte von der ersten Teilkammer in die zweite Teilkammer bewegen, und den zweiten Baubehälter mit der zweiten Bauplatte von der zweiten Teilkammer in die erste Teilkammer bewegen. Dies ermöglicht die Herstellung von Gegenständen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Beispielsweise kann der erste Baubehälter, auf dessen Bauplatte eine Pulverschicht des ersten Werkstoffs aufgetragen wurde, nach der Bestrahlung durch das erste Optikmodul in die zweite Teilkammer bewegt werden. Gleichzeitig kann der zweite Baubehälter mit dem zweiten Werkstoff nach der Bestrahlung in die erste Teilkammer bewegt werden. Dann können die beiden Bauplatten vertikal positioniert, z.B. um eine Schichtdicke abgesenkt werden, und es kann in der zweiten Teilkammer eine Pulverschicht des zweiten Werkstoffs auf den ersten Werkstoff und in der ersten Teilkammer eine Pulverschicht des ersten Werkstoffs auf den zweiten Werkstoff aufgetragen werden. Nach der Bestrahlung durch das erste und zweite Optikmodul in den beiden Teilkammern können die beiden Baubehälter erneut von der einen in die andere Teilkammer bewegt und der Prozess wiederholt werden. Dies ermöglicht beispielsweise den Aufbau von Gegenständen in Sandwichbauweise.
Die genaue Position des ersten und zweiten Baufelds nach einer Bewegung von einer in eine andere Teilkammer kann mittels einer geeigneten Sensorik detektiert und an das erste und zweite Optikmodul übermittelt werden. Auf diese Weise kann der fokussierte Laserstrahl der beiden Optikmodule immer korrekt positioniert werden. Zusätzlich kann die Position des ersten und zweiten Baufelds mittels Rotation des ersten und zweiten Baubehälters und/oder deren Bauplatten wie oben beschrieben angepasst werden. Bevorzugt können der erste und zweite Beschichter in der mindestens einen Trennwand integriert sein. Dabei kann der erste Beschichter an einer ersten Position in/an der Trennwand angebracht und der zweite Beschichter an einer zweiten Position in/an der Trennwand angebracht sein. An der Unterseite der Trennwand kann an der ersten Position eine erste Abstreiferlippe angeordnet sein und an der zweiten Position kann eine zweite Abstreiferlippe angeordnet sein. Es ist ebenso möglich, dass an der Unterseite der Trennwand eine durchgehende Abstreiferlippe angeordnet ist. Mittels der in der Trennwand integrierten Beschichter kann abwechselnd der erste und zweite Werkstoff auf das erste und zweite Baufeld aufgebracht werden. Insbesondere kann der erste und zweite Werkstoff abwechselnd der ersten und zweiten Bauplatte zugeführt und durch Bewegung des ersten und zweiten Baubehälters auf den Bauplatten verteilt werden.
Überschüssiges Werkstoffpulver kann durch die Eigen bewegung, insbesondere die Rotation des Baubehälterträgers wie oben beschrieben mittels der Abstreiferi ippe(n), der mindestens einen Werkstoffabfuhröffnung zugeführt werden. Handelt es sich bei dem ersten und zweiten Werkstoff um unterschiedliche Werkstoffe, so kann das durch die Werkstoffabführung vermischte Werkstoffpulver einem oder mehreren Pulverüberlaufbehältern zur Wiederaufbereitung zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Teilkammer und die zweite Teilkammer einen gemeinsamen Gaseinlass oder einen gemeinsamen Gasauslass aufweisen. Bevorzugt kann der gemeinsame Gasein- oder -auslass wie oben beschrieben in der mindestens einen Trennwand angeordnet/integriert sein. Dabei kann das Schutzgas aus der ersten und zweiten Teilkammer, die bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten der Trennwand angeordnet sind, z.B. über Öffnungen in den beiden Seiten der Trennwand, in einen gemeinsamen Auslasskanal in der Trennwand gesaugt werden. Auf ähnliche Art und Weise kann ein gemeinsamer Gaseinlass in die erste und zweite Teilkammer realisiert werden, indem Schutzgas von oben durch einen Kanal in der Trennwand über Öffnungen in deren Seitenflächen in die erste und zweite Teilkammer geleitet wird. Da in diesem Fall das gleiche Schutzgas in beiden Teilkammern verwendet wird, kann bei einem gemeinsamen Gasauslass durch die Trennwand ein gemeinsames Filtersystem verwendet werden. Bei einem gemeinsamen Gaseinlass durch die Trennwand ist nur eine Schutzgasversorgung notwendig. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die beiden Teilkammern, welcher Strömungsverluste reduzieren und somit die Effizienz der Fertigungsanlage steigern kann.
Ein Verfahren, das sich der oben beschriebenen Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen eines Gegenstands aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung bedient, umfasst zumindest einen der nachfolgend beschriebenen Schritte.
In einem ersten Schritt wird mindestens ein Arbeitsraum in mindestens einer Teilkammer im Bereich eines Baufelds bereitgestellt, wobei die mindestens eine Teilkammer durch Teilung einer Prozesskammer mittels mindestens einer Trennwand gebildet wird. Insbesondere kann eine Vielzahl von Teilkammern mittels einer Vielzahl von Trennwänden gebildet werden. Der Arbeitsraum kann bevorzugt in einem Baubehälter bereitgestellt werden, der eine Bauplatte und eine Hubvorrichtung aufweist.
In einem zweiten Schritt wird der mindestens einen Teilkammer ein Schutzgas zugeführt. Mit anderen Worten wird in der mindestens einen Teilkammer eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut, die zum einen die Oxidation des metallischen Werkstoffs verhindern und zum anderen dazu beitragen kann, Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld abzuführen.
Wenn eine Schutzgasatmosphäre in der mindestens einen Teilkammer aufgebaut ist, wird in einem dritten Schritt mittels mindestens eines Beschichters pulverförmigem Werkstoff auf das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums in der mindestens einen Teilkammer aufgebracht. Das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums kann bevorzugt von der Bauplatte des Baubehälters gestützt werden. Diese kann mittels der Hubvorrichtung vertikal positioniert werden. Insbesondere kann die Bauplatte von der Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden, bevor das Werkstoffpulver von dem mindestens eine Beschichter auf das Baufeld gebracht wird. Wie oben beschrieben, kann der mindestens eine Beschichter bevorzugt in der mindestens einen Trennwand angeordnet sein.
Nach dem Aufbringen des Werkstoffpulvers auf das Baufeld erfolgt in einem vierten Schritt ein ortsselektives Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs mittels mindestens eines Optikmoduls. Mit anderen Worten wird der im Bereich des Baufelds der Teilkammer vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gemäß Geometrievorgaben für einen oder mehrere zu fertigende Gegenstände von dem mindestens einen Optikmodul gezielt bestrahlt. Insbesondere wird das Werkstoffpulvervon dem Optikmodul mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv bestrahlt und punktuell so stark erhitzt, dass es kurzfristig vollständig in die flüssige Phase übertritt und sich beim Erstarren verfestigt.
Nach der Bestrahlung des Werkstoffs wird in einem fünften Schritt das Schutzgas aus der mindestens einen Teilkammer abgeführt, um Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld zu entfernen. Das abgeführte Schutzgas wird vorzugsweise einem Filtersystem zur Reinigung zugeführt und danach über den mindestens einen Gaseinlass wieder in die Teilkammer eingeleitet. Insbesondere kann dabei eine kontinuierlicher Gasströmung über dem Baufeld aufgebaut werden, die für konstante Prozessbedingungen bei der Bestrahlung des Werkstoffpulvers sorgt. Mit anderen Worten sind der zweite Verfahrensschritt der Schutzgaszufuhr und der fünfte Verfahrensschritt der Schutzgasabfuhr nicht als einmalige Schritte innerhalb des Verfahrensablaufs zu verstehen, sondern diese Schritte finden kontinuierlich statt.
Die Schritte zwei bis fünf, d.h. das schichtweise Aufträgen und Verfestigen des Werkstoffpulvers auf das Baufeld unter einer kontinuierlichen Schutzgasströmung, werden wiederholt bis der Gegenstand vollständig aufgebaut/hergestellt ist. Dabei erfolgt entweder das Zuführen des Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer oder das Abführen des Schutzgases aus der mindestens eine Teilkammer mittels mindestens eines Gaseinlasses oder mindestens eines Gasauslasses, der in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die mindestens eine Teilkammer, wodurch Strömungsverluste reduziert werden können. Zudem steht in der mindestens einen Teilkammer ein größerer Bereich für den mindestens einen Arbeitsraum zur Verfügung, da keine zusätzlichen Elemente zur Zu- oder Abfuhr des Schutzgases in der Teilkammer angeordnet werden müssen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zusätzlich zumindest einer der folgenden Schritte zwischen dem zweiten und dritten der oben beschriebenen Schritten ausgeführt werden.
Es kann vor dem Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs mittels des mindestens einen Beschichters eine erste Bauplatte mit Hilfe einer ersten Hubvorrichtung in vertikaler Richtung in einer ersten Teilkammer positioniert werden. Insbesondere kann die erste Bauplatte von der ersten Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden. Die erste Bauplatte kann in einem ersten Baubehälter, der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt, zur Stützung eines ersten Baufelds angeordnet sein. In gleicher Weise kann eine zweite Bauplatte mittels einer zweiten Hubvorrichtung in vertikaler Richtung in einer zweiten Teilkammer positioniert werden. Insbesondere kann auch die zweite Bauplatte von der zweiten Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden. Die zweite Bauplatte kann in einem zweiten Baubehälter, der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt, zur Stützung eines zweiten Baufelds angeordnet sein.
Nach der vertikalen Positionierung der ersten und zweiten Bauplatte können in einem weiteren Schritt der erste und zweite Baubehälter mittels eines Baubehälterträgers, in dem der erste und zweite Baubehälter angeordnet sind, von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt werden. Insbesondere können der erste und zweite Baubehälter von einer ersten Position in der ersten und zweiten Teilkammer in eine zweite Position unter die Trennwand bewegt werden. In der Trennwand sind vorzugsweise ein erster und zweiter Beschichter angeordnet, welche ein erstes Werkstoffpulver auf das erste Baufeld und ein zweites Werkstoffpulver auf das zweite Baufeld aufbringen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das erste und zweite Werkstoffpulver aus einem ersten und zweiten Kanal in der Trennwand, der ersten und zweiten Bauplatte zugeführt und mittels mindestens einer an einer Unterseite der Trennwand angeordneten Abstreiflippe auf der ersten und zweiten Bauplatte verteilt werden
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger zwischen dem dritten und vierten Schritt, d.h. vor dem ortselektiven Bestrahlen des Werkstoffpulvers, den ersten und zweiten Baubehälter von der zweiten Position in eine dritte Position bewegen. Insbesondere können der erste und zweite Baubehälter von der zweiten Position unterhalb der beiden Beschichter in der Trennwand in eine dritte Position bewegt werden, in der sich der zweite Baubehälter in der ersten Teilkammer und der erste Baubehälter in der zweiten Teilkammer befindet. In dieser dritten Position kann das erste und zweite Werkstoffpulver mittels des mindestens einen Optikmoduls in der jeweiligen Teilkammer ortsselektiv bestrahlt und dadurch verfestigt werden.
Durch die Wiederholung der vorstehend beschriebenen Schritte kann das erste und zweite Werkstoffpulver im Wechsel auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen werden. Auf diese Weise können im vorliegenden Fall Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise hergestellt werden. Die Anzahl der Teilkammern, der Beschichter und der Werkstoffpulver ist jedoch nicht auf zwei beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Teilkammern, Beschichtern und Werkstoffpulvern vorhanden sein, so dass auch Gegenstände aus mehr als zwei Werkstoffen hergestellt werden können. Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. la und lb: zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 2a und 2b: zeigen schematisch eine Innenansicht der in den Fig. la und lb gezeigten Vorrichtung in einer räumlichen Darstellung;
Fig. 3a und 3b: zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 4a bis 4c: zeigen schematisch eine Draufsicht sowie zwei Schnittdarstellungen der in Fig. 3a und 3b dargestellten Vorrichtung;
Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung;
Fig. 6a und 6b: zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Draufsicht;
Fig. 7a und 7b: zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung der in Fig. 6a und 6b dargestellten Vorrichtung. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird, sofern dies nicht notwendig ist.
Die Fig. la und lb zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung. Die Schnittebene der Querschnittsdarstellung in Fig. lb ist in Fig. la durch dünne gepunktete Linien markiert.
Die gezeigte Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 1, die durch eine Trennwand 2 in eine erste Teilkammer la und eine zweite Teilkammer lb aufgeteilt wird. Die Prozesskammer 1 mit ihren Teilkammern la, lb ist der Übersichtlichkeit halber nur in Fig. lb dargestellt. In den beiden Teilkammern la, lb ist jeweils ein Beschichter 22a, 22b angeordnet. Des Weiteren ist oberhalb jeder Teilkammer la, lb ein Optikmodul 9a, 9b und an den äußeren Seiten jeder Teilkammer la, lb ein Gaseinlass 4a, 4b angebracht. Der Gasauslass jeder Teilkammer la, lb befindet sich in der Trennwand 2 (durch Pfeil in der Trennwand 2 angedeutet). Die Prozesskammer 1 ist auf einem Gehäuse 3 platziert. Unterhalb der Prozesskammer 1 ist in dem Gehäuse 3 ein Baubehälterträger 5 angebracht, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Baubehälter 11a und einen zweiten Baubehälter 11b enthält. Jeder der beiden Baubehälter 11a, 11b umfasst wiederum eine Hubvorrichtung 10a, 10b und eine Bauplatte 12a, 12b. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Baubehälterträger 5 eine zylindrische Form auf und auch die Baubehälter 11a, 11b sind als Bauzylinder ausgeführt. Die Oberseite 5a des Baubehälterträgers schließt die Prozesskammer 1 nach unten ab bzw. bildet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Teil der Unterseite der Prozesskammer 1.
Zum schichtweisen Aufbauen eines oder mehrerer Gegenstände mittels selektiven Laserschmelzen bringen die Beschichter 22a, 22b eine Schicht eines pulverförmigen, vorzugsweise metallischen Werkstoffs auf jeweils ein Baufeld auf, das von den Bauplatten 12a, 12b gestützt wird. Nachfolgend wird die aufgebrachte Pulverschicht von dem Optikmodulen 9a, 9b mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv bestrahlt. Insbesondere bestrahlen die Optikmodule 9a, 9b den auf den Bauplatten 12a, 12b vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gezielt mit jeweils einem fokussierten Laserstrahl 19a, 19b gemäß Geometrievorgaben für die zu fertigende Gegenstände. Nach der Bestrahlung senken die Hubvorrichtungen 10a, 10b die Bauplatten 12a, 12b um eine Schichtdicke ab und die Beschichter 22a, 22b bringen eine weitere Schicht Werkstoffpulver auf das jeweilige Baufeld auf. Der Arbeitsraum für den schichtweisen Aufbau der zu fertigenden Gegenstände wird auf diese Weise in dem Baubehältern 11a, 11b gebildet.
Die Aufteilung der Prozesskammer 1 in zwei Teilkammern la, 1b, die jeweils einen Arbeitsraum für die additive Fertigung bereitstellen ermöglicht es, unterschiedliche Gegenstände mit unterschiedlichen Eigenschaften in einer Fertigungsanlage herzustellen. Da beide Teilkammern la, lb jeweils einen eigenen Beschichter 22a, 22b und ein eigenes Optikmodul 9a, 9b aufweisen, können beispielsweise Gegenstände aus unterschiedlichen Werkstoffen in den einzelnen Teilkammern la, lb hergestellt werden.
Um Oxidation des metallischen Werkstoffpulvers zu verhindern und Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld abzuführen, wird über die seitlich an den Teilkammern la, lb angeordneten Gaseinlässe 4a, 4b ein Schutzgas in die Teilkammern eingeleitet. Dieses strömt über das Baufeld und wird zentral über Gasauslässe in der Trennwand 2 wieder abgeführt (durch Pfeile in Fig. lb angedeutet). Dabei wird eine kontinuierliche Gasströmung aufgebaut. Eine Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Gasauslässe ist in Fig. 4c gezeigt und wird in Verbindung mit dieser Figur näher beschrieben.
Die Anordnung der Gasein- und -auslässe in den beiden Teilkammern la, lb ermöglicht eine homogene Strömung über dem jeweiligen Baufeld, die für konstante Prozessbedingungen sorgt. Durch die Aufteilung der Prozesskammer 1 in zwei Teilkammern la, lb, die jeweils eine separate Schutzgasströmung aufweisen, können Schmauch und Schmelzspritzer zuverlässig abgeführt werden.
Zudem werden durch die Anordnung der Gasauslässe in der Trennwand 2 zusätzliche Bauteile zur Gasabfuhr in den Teilkammern la, lb vermieden, so dass ein größerer Arbeitsraum für die additive Fertigung der Gegenstände zur Verfügung steht. Wenn in beiden Teilkammern das gleiche Schutzgas verwendet wird, besteht die Möglichkeit einen gemeinsamen Gasauslass in der Trennwand 2 zu realisieren, durch den das verunreinigte Schutzgas einem gemeinsamen Filtersystem zugeführt werden kann. Dadurch kann der Bauteilaufwand der Fertigungsanlage reduziert werden.
Es ist jedoch ebenso möglich getrennte Gasauslässe in der Trennwand 2 anzubringen, wodurch unterschiedliche Schutzgase in den beiden Teilkammern la, lb verwendet werden können. Dadurch wird nochmals eine höhere Flexibilität und Qualität des Fertigungsprozesses erzielt, da das jeweilige Schutzgas gemäß den unterschiedlichen Anforderungen an die Fertigung der unterschiedlichen Gegenstände in den beiden Teilkammern ausgewählt werden kann.
Weiters kann nur eine der beiden Teilkammern la, lb zur additiven Fertigung genutzt werden, während die andere Teilkammer la, lb als Entpack- und Rüststation dienen kann. In diesem Fall ist kein separates Optikmodul 9a, 9b in der betreffenden Teilkammer la, lb nötig. Eine solche Ausführungsform ermöglicht es, auch die Vor- und Nachbereitung der herzustellenden/hergestellten Gegenstände in die Fertigungs-anlage zu integrieren. Dadurch kann der Gesamtprozess optimiert und die Produktivität der Fertigung zusätzlich gesteigert werden, da beispielsweise keine Wegstrecke zwischen einer Rüststation und der additiven Fertigungsanlage zurückgelegt werden muss.
Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch eine Innenansicht der in den Fig. la und lb gezeigten Vorrichtung in einer räumlichen Darstellung. Insbesondere zeigen die Fig. 2a und 2b ein Ausführungsbeispiel des Baubehälterträger 5 mit den Baubehältern 11a, 11b.
In Fig. 2a ist der Baubehälter 5 in einer Position gezeigt, in der sich die Baubehälter 11a, 11b in einer ersten Position befinden. Dabei befindet sich der erste Baubehälter 11a in/unterhalb der ersten Teilkammer la und der zweite Baubehälter in/unterhalb der zweiten Teilkammer lb (vgl. Fig. lb). Durch Rotation des Baubehälterträgers 5 um seine Längsachse befinden sich die beiden Baubehälter 11a, 11b in Fig. 2b in einer zweiten Position, in welcher der erste Baubehälter 11a in/unterhalb der zweiten Teilkammer lb und der zweite Baubehälter in/unterhalb der ersten Teilkammer la positioniert ist. Die Rotation des Baubehälters 5 ist durch den unterhalb des Baubehälters 5 dargestellten Pfeil angedeutet. Die unterhalb der Baubehälter 11a, 11b dargestellten Pfeile veranschaulichen, dass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auch die einzelnen Baubehälter 11a, 11b um ihre Längsachse gedreht werden können.
Durch die Bewegung der beiden Baubehälter 11a, 11b von einer Teilkammer la, lb in eine andere Teilkammer la, lb, die beide einen separaten Beschichter 22a, 22b und ein separates Optikmodul 9a, 9b aufweisen, können Gegenstände aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden. Beispielsweise kann nach dem Aufträgen und Verfestigen einer Pulverschicht, bei dem sich die beiden Baubehälter 11a, 11b in der ersten Position befinden, der Baubehälterträger 5 rotiert werden, so dass sich die Baubehälter 11a, 11b dann in der zweiten Position befinden. Während in der ersten Position, in der sich der erste Baubehälter 11a in der ersten Teilkammer la befand, ein erster Werkstoff auf ein erstes Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgetragen und verfestigt wurde, kann nun in der zweiten Teilkammer lb ein zweiter Werkstoff auf das erste Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgetragen und verfestigt werden. Gleiches gilt in umgekehrter Art und Weise für ein zweites Baufeld des zweiten Baubehälters 11b. Nachfolgend kann der Baubehälterträger 5 erneut rotiert werden, so dass beide Baubehälter 11a, 11b sich wieder in der ersten Position befinden und eine neue Schicht des Ausgangswerkstoffs auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen und verfestigt werden kann. Auf diese Weise können Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise gefertigt werden.
Die genaue Position des ersten und zweiten Baufelds der Baubehälter 11a, 11b in den Teilkammern la, lb nach einer Rotation des Baubehälterträgers 5 kann mittels einer geeigneten Sensorik detektiert und an die Optikmodule 9a, 9b übermittelt werden. Auf diese Weise kann der fokussierte Laserstrahl der beiden Optikmodule 9a, 9b immer korrekt positioniert werden. Zusätzlich kann die Position des ersten und zweiten Baufelds mittels Rotation des ersten und zweiten Baubehälters angepasst werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel rotieren die Baubehälter 11a, 11b um ihre Längsachse, so dass unterschiedliche Bauteilorientierungen in den beiden Baubehältern 11a, 11b realisiert werden können. Es ist jedoch ebenso möglich, dass anstelle der Baubehälter oder zusätzlich zu den Baubehältern, die Bauplatten 12a, 12b rotiert werden können. Diese können zentrisch in dem Baubehälter 11a, 11b gelagert sein, so dass die jeweilige Bauplatte 12a, 12b die gleiche Längsachse wie der Baubehälter 11a, 11b aufweist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Bauplatten 12a, 12b beabstandet zur Längsachse des Baubehälters 11a, 11b gelagert sind. In diesem Fall können die Bauplatten 12a, 12b vorzugsweise sowohl um ihre eigene Längsachse als auch um die Längsachse des Baubehälters 11a, 11b rotiert werden. Daraus resultiert ein hoher Freiheitsgrad im Hinblick auf die Positionierung der zu fertigenden Gegenstände im Arbeitsraum.
Es ist ebenso möglich, dass die gezeigte Vorrichtung mehr als eine Trennwand 2 aufweist. Beispielsweise kann die Prozesskammer 1 mittels zwei z.B. senkrecht zueinander angeordneter Trennwände 2 in vier Teilkammern la, lb aufgeteilt werden. Verfügt jede dieser Teilkammern la, lb über einen eigenen Beschichter 22a, 22b und ein eigenes Optikmodul 9a, 9b können in diesem Fall Gegenstände aus bis zu vier Werkstoffen gefertigt werden. Je nach Größe der Prozesskammer 1 können auch mehr als zwei Trennwände 2 zur Aufteilung der Prozesskammer 1 in mehr als vier Teilkammern la, lb in der Prozesskammer 1 angebracht werden.
Die Fig. 3a und 3b zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung. Die Schnittebene der Querschnittsdarstellung in Fig. 3b ist in Fig. 3a durch dünne gepunktete Linien markiert. Die Prozesskammer 1 mit ihren Teilkammern la, lb ist der Übersichtlichkeit halber wiederum nur in Fig. 3b dargestellt. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorherigen lediglich dadurch, dass die Beschichter 22a, 22b nicht mehr in der ersten und zweiten Teilkammer la, lb vorhanden sind. Alle anderen Elemente sind baugleich zu der in den Figuren la und lb gezeigten Vorrichtung. Die beiden Beschichter 22a, 22b sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Trennwand 2 integriert. Eine Realisierung dieser Integration wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 4b näher beschrieben.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen schematisch eine Draufsicht sowie zwei Schnittdarstellungen der in den Fig. 3a und 3b dargestellten Vorrichtung. Die Fig. 4a dient dabei im Wesentlichen zur Definition der Schnittebenen A-A und B-B durch die Vorrichtung, die in den Fig. 4b und 4c dargestellt sind.
Dabei zeigt die Fig. 4b beispielhaft eine Integration eines einzelnen Beschichters 22 in die Trennwand 2, der in der Schnittebene A-A angeordnet ist. Ein zweiter Beschichter kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung in der Trennwand 2 integriert sein (z.B. in einer Ebene, die aus einer Spiegelung der Schnittebene A-A an der Mittellinie B- B resultiert). Insbesondere können mit diesen beiden in die Trennwand 2 integrierten Beschichtern 22 in gleicher Weise wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwich- bauweise gefertigt werden. Es ist ebenso möglich, dass die Vorrichtung mehr als eine Trennwand 2 aufweist. Beispielsweise kann die Prozesskammer 1 mittels zwei Trennwänden 2 in vier Teilkammern la, 1b aufgeteilt werden, wobei in jeder Trennwand 2 jeweils zwei Beschichter 22 integriert werden können. Somit ermöglicht auch das vorliegende Ausführungsbeispiel der Vorrichtung die Herstellung von Gegenständen aus mehr als zwei Werkstoffen.
Man kann erkennen, dass eine Menge an Werkstoffpulver 7 dem Beschichter 22 von oben durch die Trennwand 2 zugeführt wird. Die schichtweise benötigte Werkstoffpulvermenge 7 kann beispielsweise über eine Förderwelle in der Trennwand 2 bereitgestellt werden. Diese gelangt dann über eine trichterförmige Öffnung auf der dem Baubehälterträger 5 zugewandten Seite des Beschichters 22 auf die Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5. Mittels einer an der Unterseite der Trennwand 2 angeordneten Abstreiferlippe 23 kann das Werkstoffpulver 7 durch eine Rotation des Baubehälterträgers 5 auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgebracht werden. Insbesondere kann die benötigte Menge Werkstoff pulver 7 über die trichterförmige Öffnung des Beschichters 22 direkt auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a gelangen, so dass mittels der Abstreiferlippe 23 eine Verteilung des Werkstoffpulvers 7 auf dem Baufeld durch Rotation des Baubehälterträgers 5 erfolgen kann. Dazu kann der Baubehälter 11a vorab in eine geeignete Position in Bezug auf den Beschichter 22 rotiert werden. Bevor das Werkstoffpulver 7 auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgebracht wird, kann dessen Bauplatte 12a bevorzugt um eine Schichtstärke abgesenkt werden.
Die Fig. 4c zeigt beispielhaft eine Integration zweier Gasauslässe 24a, 24b in die Trennwand 2, durch welche die Schutzgasabfuhr aus der ersten und der zweiten Teilkammer la, lb erfolgen kann. Dabei wird das Schutzgas aus der ersten Teilkammer la über einen ersten Gasauslass 24a und das Schutzgas aus der zweiten Teilkammer lb über einen zweiten Gasauslass 24b abgeführt. Zur Abdichtung der Gasauslässe 24a, 24b gegenüber der Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5 sind im Bereich der Gasauslässe an der Unterseite der Trennwand 2 Dichtungen 24aa, 24ba angebracht. Das durch Schmauch und Schmelzspritzer verunreinigte Schutzgas, welches durch die Gasauslässe 24a, 24b aus den beiden Teilkammern la, lb abgeführt wird, kann jeweils einem Filtersystem zugeführt werden (nicht dargestellt). Bevorzugt kann es sich dabei um ein Umluftfiltersystem handeln, in dem das Schutzgas gereinigt und danach über die Gaseinlässe 4a, 4b wieder in die Teilkammern la, lb geleitet wird. Wenn in beiden Teilkammern la, lb das gleiche Schutzgas verwendet wird, so kann dieses einem gemeinsamen Filtersystem zur Reinigung zugeführt werden. In diesem Fall ist auch ein gemeinsamer Gasauslass 24a, 24b durch die Trennwand 2 möglich.
Die Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung.
In einem Schritt S500 werden zunächst eine erste Teilkammern la und eine zweite Teilkammer lb durch Teilung einer Prozesskammer 1 mittels einer Trennwand 2 gebildet, und es wird in jeder der beiden Teilkammern la, lb ein Arbeitsraum im Bereich eines Baufelds bereitgestellt. Jede der beiden Teilkammern la, lb umfasst dazu einen Baubehälter 11a, 11b, der wiederum eine Bauplatte 12a, 12b und eine Hubvorrichtung 10a, 10b aufweist (siehe dazu z.B. Fig. lb, 3b und 4c). Die Bereitstellung des Arbeitsraums in den beiden Teilkammern erfolgt, indem die Bauplatten 12a, 12b mittels der Hubvorrichtungen 10a, 10b in den Baubehältern 11a, 11b vertikal positioniert, insbesondere um eine Schichtdicke (Dicke einer Schicht aufzutragenden Werkstoffpulvers) abgesenkt werden. Des Weiteren wird in beiden Teilkammern la, lb eine Schutzgasatmosphäre/ Schutzgasströmung aufgebaut, um eine Oxidation des aufzutragenden Werkstoffpulvers zu verhindern und Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld zu entfernen. Dabei erfolgt die Gaszufuhr in die erste Teilkammer la über einen ersten Gaseinlass 4a und die Gaszufuhr in die zweite Teilkammer lb über einen zweiten Gaseinlass 4b. Der Gasauslass der beiden Teilkammern la, lb erfolgt über die Trennwand (siehe dazu Figur 4c).
Nach der vertikalen Positionierung der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b werden in einem nächsten Schritt S510 der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b mittels eines Baubehälterträgers 5, in dem der erste und zweite Baubehälter angeordnet sind, von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt. Im vorliegenden Fall werden der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b von einer ersten Position in der ersten und zweiten Teilkammer la, lb in eine zweite Position unter die Trennwand 2 bzw. angrenzend an die Trennwand 2 bewegt. In der Trennwand 2 sind ein erster und zweiter Beschichter angeordnet (siehe hierzu Fig. 4b), welche ein erstes Werkstoffpulver 7a auf das erste Baufeld und ein zweites Werkstoffpulver 7b auf das zweite Baufeld aufbringen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das erste und zweite Werkstoff pulver 7a, 7b aus einem ersten und zweiten Kanal in der Trennwand 2, der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b zugeführt und mittels mindestens einer an einer Unterseite der Trennwand 2 angeordneten Abstreiflippe 23 auf der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b verteilt werden (siehe hierzu auch Fig. 4b).
Nach dem Aufträgen des ersten und zweiten Werkstoffpulvers 7a, 7b auf das erste und zweite Baufeld, werden die Baubehälter 11a, 11b in einem nächsten Schritt S520 mittels des Baubehälterträgers 5 von der zweiten Position in eine dritte Position bewegt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b von der zweiten Position unterhalb der beiden Beschichter in der Trennwand 2 in eine dritte Position bewegt werden, in der sich der zweite Baubehälter 11b in der ersten Teilkammer la und der erste Baubehälter 11b in der zweiten Teilkammer lb befindet. In der dritten Position befinden sich die beiden Baubehälter 11a, 11b zudem jeweils in einem Bestrahlungsbereich 9aa, 9ba eines ersten und zweiten Optikmoduls 9a, 9b und gleichzeitig in einem optimalen Bereich der Schutzgasströmung zwischen dem Gaseinlass 4a, 4b und dem Gasauslass der jeweiligen Teilkammer. Daher kann in dieser Position in einem nächsten Schritt S530, das erste und zweite Werkstoffpulver mittels der Optikmodule 9a, 9b ortsselektiv bestrahlt und dadurch verfestigt werden.
Während der Rotation von der zweiten in die dritte Position kann überschüssiges Werkstoff pul ver 7a, 7b, das sich auf der Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5a befinden kann, mittels der Abstreiflippe 23 über die Werkstoffabfuhröffnungen 6a, 6b in einen oder mehrere Pulverüberlaufbehältern (nicht dargestellt) gefördert/geschoben werden.
Durch die Wiederholung der vorstehend beschriebenen Schritte S500 bis S530 kann das erste und zweite Werkstoffpulver 7a, 7b im Wechsel auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen werden. Auf diese Weise können gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise hergestellt werden. Dabei kann der Baubehälterträger 5 kontinuierlich rotieren, d.h. sowohl das Aufträgen als auch das Bestrahlen des ersten und zweiten Werkstoffpulvers 7a, 7b kann bereits während der Rotation des Baubehälterträgers 5 stattfinden. Ebenso kann während der Rotation kontinuierlich überschüssiges Werkstoffpulver 7a, 7b von der Oberfläche 5a des Baubehälterträgers entfernt werden, da dieser ständig unter der Abstreiferlippe 23 hindurch bewegt wird. Durch den somit kontinuierlich stattfindenden Prozess des Werkstoffauftragens und -verfestigens kann die Herstellung von additiv gefertigten Gegenständen deutlich beschleunigt und damit die Produktivität der Fertigungsanlage gesteigert werden.
Die Fig. 6a und 6b zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Draufsicht. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorherigen dadurch, dass an den äußeren Seiten der ersten und zweiten Teilkammer la, 1b, ein erster und zweiter Gasauslass 24a, 24b anstelle des ersten und zweiten Gaseinlasses 4a, 4b angeordnet ist. Zudem umfasst der Baubehälterträger 5 in diesem Ausführungsbeispiel sechs anstelle von lediglich zwei Baubehältern 11a, 11b. Aus diesem Grund sind die beiden Optikmodule 9a, 9b nicht direkt gegenüberliegend auf beiden Seiten der Trennwand 2 angeordnet, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen z.B. in den Fig. la und 3a gezeigt, sondern in Erstreckungsrichtung der Trennwand beabstandet voneinander angebracht (vgl. Fig. 6b). Gleiches gilt für den ersten und zweiten Gasauslass 24a, 24b, die im Unterschied zu den in den Fig. la und 3a gezeigten Gaseinlässen 4a, 4b ebenfalls nicht gegenüberliegend, sondern in Erstreckungsrichtung der Trennwand 2 beabstandet voneinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Gasauslässe 24a, 24b in diesem Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass Schmauch und Schmelzspritzer (auch Prozessnebenprodukte genannt) direkt am Ort der Entstehung abgesaugt werden können. Die Gaszufuhr in die beiden Teilkammern la, lb erfolgt dabei über entsprechende Gaseinlässe in der Trennwand 2. Dies wird in Verbindung mit den Fig. 7a und 7b nachfolgend näher erläutert.
Die Fig. 7a und 7b zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung der in Fig. 6a und 6b dargestellten Vorrichtung.
In Fig. 7a sind in einer Draufsicht die Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba der beiden in den Figuren 6a und 6b gezeigten Optikmodule 9a, 9b dargestellt. Durch die jeweils gegenüberliegenden Gasein- und auslässe in den beiden Teilkammern la, lb ist in den Bestrahlungsbereichen 9aa, 9ba jeweils eine Schutzgasströmung vorhanden. Dabei strömt das Schutzgas aus in der Trennwand angeordneten Gaseinlässen in Richtung der Gasauslässe 24a, 24b. Dies wird durch dünne Pfeile in den Bestrahlungsbereichen 9aa, 9ba angedeutet.
Es wird deutlich, dass die Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba mit der zugehörigen Schutzgasströmung derart angeordnet sind, dass die Baufelder der in diesem Ausführungsbeispiel vorhandenen sechs Baubehälter 11a, 11b mittels Rotation des Baubehälterträgers 5 kontinuierlich nacheinander bestrahlt werden können. Insbesondere kann bei kontinuierlicher Rotation des Baubehälterträger 5 auf jedem Baufeld der sechs Baubehälter 11a, 11b immer ein Prozessschritt der additiven Fertigung (Aufbringen des Werkstoffpulvers, Bestrahlen des Werkstoffpulvers, Absenken der Bauplatten) stattfinden.
Fig. 7b zeigt die in Fig. 6a und 6b dargestellte Vorrichtung in der Schnittebene A- A. Die Schnittebene A-A ist in der Fig. 7a definiert und entspricht der Schnittebene A-A gemäß den Fig. 4a und 4b. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dieser Schnittebene neben dem Beschichter 22, der Gaseinlass 4 in die Trennwand 2 integriert. Dabei erfolgt die Gaszufuhr von oben durch die Trennwand 2 und wird nachfolgend seitlich in die zweite Teilkammer lb eingeleitet. Die Einleitstelle ist dabei direkt gegenüber dem Gasauslass 24b angeordnet, so dass gleichmäßige Schutzgasströmung über dem Baufeld eines in den Bestrahlungsbereich 9ba eintretenden Baubehälters 11a, 11b ausbilden kann. Der Gaszustrom in die Teilkammer lb, die Gasströmung über das Baufeld sowie die Gasabfuhr durch den Gasauslass 24b sind in Fig. 7b mit entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet.
Analog zu dem in Fig. 4b gezeigten Ausführungsbeispiel kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung ein weiterer Beschichter und ein weiterer Gaseinlass kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung in die Trennwand 2 integriert sein. Der weitere Gaseinlass kann insbesondere direkt gegenüber dem Gasauslass 24a angeordnet sein, um eine gleichmäßige Schutzgasströmung über dem Baufeld eines in den Bestrahlungsbereich 9aa eintretenden Baubehälters 11a, 11b auszubilden. Werden zwei unterschiedliche Schutzgase in der ersten und zweiten Teilkammer la, lb verwendet, so werden diese unterschiedlichen Filtersystemen (nicht dargestellt) zur Reinigung zugeführt.
Wenn in beiden Teilkammern la, lb das gleiche Schutzgas verwendet wird, kann dieses in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch über eine gemeinsame Fallleitung in der Trennwand 2 nach unten geführt und mittels Abzweigen zu den Gaseinlässen an den Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba geleitet werden. In diesem Fall kann das verunreinigte Schutzgas durch die beiden Gasauslässe 24a, 24b zu einem gemeinsamen Filtersystem geleitet werden
Da auch in diesem Ausführungsbeispiel zwei Beschichter 22 in der Trennwand 2 integriert sein können, ist auch hier eine Fertigung von Gegenständen aus zwei Materialien in Sandwichbauweise möglich. Ebenso kann auch hier mehr als eine Trennwand 2 mit integrierten Beschichtern 22 und Gaseinlässen 4 in der Prozesskammer 1 angebracht sein, so dass auch das vorliegende Ausführungsbeispiel der Vorrichtung eine Fertigung von Gegenständen aus mehr als zwei Materialien ermöglicht.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff (7, 7a, b) mittels optischer Wechselwirkung, insbesondere nach dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens umfassend: eine Prozesskammer (1) zur Bereitstellung mindestens eines Arbeitsraums im Bereich eines Baufelds; mindestens eine Trennwand (2), welche die Prozesskammer (1) in mindestens zwei Teilkammern (la, b) unterteilt, wobei eine der mindestens zwei Teilkammern (la, b) den Arbeitsraum bereitstellt; einen Beschichter (22, 22a, b) zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs (7) auf das Baufeld; ein Optikmodul (9a, b) einer Bestrahlungseinrichtung zum ortsselektiven Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs (7a, b); einen Gaseinlass (4, 4a, b) zum Zuführen eines Schutzgases in die Teilkammer (la, b); und einen Gasauslass (24a, b) zum Abführen des Schutzgases aus der Teilkammer (la, b); wobei der Gaseinlass (4a, b) und/oder der Gasauslass (24a, b) in der mindestens einen Trennwand (2) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gaseinlass (4, 4a, b) und der Gasauslass (24a, b) in der mindestens einen Teilkammer (la, b) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens einen Beschichter (22, 22a, b) zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs (7) auf das Baufeld in der Trennwand (2) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 ferner umfassend: einen Baubehälterträger (5), der unterhalb der Prozesskammer (1) angeordnet ist und dessen Oberseite (5a) die Prozesskammer nach unten abschließt, wobei der Baubehälterträger (5) mindestens einen Baubehälter (11a, b) mit einer Bauplatte (12a, b) und eine Hubvorrichtung (10a, b) aufweist, der den Arbeitsraum aufnimmt, wobei die Hubvorrichtung (10a, b) dazu eingerichtet ist, die Bauplatte (12a, b) in einer der mindestens zwei Teilkammern (la, b) vertikal zu positionieren und die Bauplatte (12a, b) dazu eingerichtet ist, das Baufeld zu stützen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Baubehälterträger (5) dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Baubehälter (11a, b) von einer ersten Position in eine zweite Position zu bewegen. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der mindestens eine Baubehälter (11a, b) um seine Längsachse rotierbar ist, und/oder die Bauplatte (12a, b) des mindestens einen Baubehälters (11a, b) um ihre Längsachse und/oder um die Längsachse des Baubehälters (11a, b) rotierbar ist. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Beschichter (22, 22a, b) zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs (7) auf das Baufeld in der Trennwand (2) integriert ist, und/oder die Trennwand (2) an ihrer Unterseite mindestens eine Abstreiferlippe
(23) aufweist. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Baubehälterträger (5) mindestens eine Werkstoffabfuhröffnung (6a, b) aufweist. Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern (la, b) dazu eingerichtet ist, einen Raum zum Vor- und Nachbereiten des schichtweisen Aufbauens von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff (7) bereitzustellen. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erste (la) der mindestens zwei Teilkammern (la, b) einen ersten Beschichter (22a) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen ersten pulverförmigen Werkstoff (7a) auf ein erstes Baufeld aufzubringen, das von einer ersten Bauplatte (12a) eines ersten Baubehälters (11a) gestützt wird, der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt; und eine zweite (lb) der mindestens zwei Teilkammer (la, b) einen zweiten Beschichter (22b) aufweist, der dazu eingerichtet ist, einen zweiten pulverförmigen Werkstoff (7b) auf ein zweites Baufeld aufzubringen, das von einer zweiten Bauplatte (12b) eines zweiten Baubehälters (11b) gestützt wird, der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der ersten Teilkammer (la) ein erstes Optikmodul (9a) zugewiesen ist, das dazu eingerichtet ist, den im Bereich des ersten Baufelds vorliegenden ersten pulverförmigen Werkstoff (7a) ortselektiv zu bestrahlen, und der zweiten Teilkammer (lb) ein zweites Optikmodul (9b) zugewiesen ist, das dazu eingerichtet ist, den im Bereich des zweiten Baufelds vorliegenden zweiten pulverförmigen Werkstoff (7b) ortselektiv zu bestrahlen. 2. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Baubehälterträger (5) dazu eingerichtet ist, den ersten Baubehälter (11a) mit der ersten Bauplatte (12a) von der ersten Teilkammer (la) in die zweite Teilkammer (lb) zu bewegen, und den zweiten Baubehälter (11b) mit der zweiten Bauplatte (12b) von der zweiten Teilkammer (lb) in die erste Teilkammer (la) zu bewegen. 3. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste Teilkammer (la) und die zweite Teilkammer (lb) einen gemeinsamen Gaseinlass (4a, b) und/oder einen gemeinsamen Gasauslass (24a, b) aufweisen. 4. Verfahren zum schichtweisen Aufbauen eines Gegenstands aus pulverförmigem Werkstoff (7, 7a, b) mittels optischer Wechselwirkung unter Verwendung einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche umfassend zumindest einen der Schritte:
(1) Bereitstellen eines Arbeitsraums in mindestens einer Teilkammer (la, b) im Bereich eines Baufelds, wobei die mindestens eine Teilkammer (la, b) durch Teilung einer Prozesskammer (1) mittels mindestens einer Trennwand (2) gebildet wird;
(2) Zuführen eines Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer (la, b),
(3) Aufbringen von pulverförmigem Werkstoff (7, 7a, b) auf das Baufeld des Arbeitsraums der mindestens einen Teilkammer (la, b) mittels mindestens eines Beschichters (22, 22a, b),
(4) ortsselektives Bestrahlen des im Bereich des mindestens einen Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs mittels mindestens eines Optikmoduls (9a, b); und
(5) Abführen des Schutzgases aus der mindestens einen Teilkammer (la, b), (6) Wiederholen der vorstehenden Schritte (2) bis (5) bis zum vollständigen Aufbau des Gegenstands, wobei das Zuführen des Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer (la, b) und/oder das Abführen des Schutzgases aus der mindestens einen Teilkammer (la, b) mittels mindestens eines Gaseinlasses (4a, b) oder mindestens eines Gasauslasses (2a, b) erfolgt, der in der mindestens einen Trennwand (2) angeordnet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei zusätzlich zumindest einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
- vertikale Positionierung einer ersten Bauplatte (12a) zur Stützung eines ersten Baufelds in einem ersten Baubehälter (11a), der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt, mittels einer ersten Hubvorrichtung (10a) in einer ersten Teilkammer (la), und vertikale Positionierung einer zweiten Bauplatte (12b) zur Stützung eines zweiten Baufelds in einem zweiten Baubehälter (11b), der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt, mittels einer zweiten Hubvorrichtung (10b) in einer zweiten Teilkammer (lb); und
- Bewegen des ersten und zweiten Baubehälters (11a, b) von einer ersten Position in eine zweite Position mittels eines Baubehälterträgers (5), in dem der erste und zweite Baubehälter (11a, b) angeordnet sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei zusätzlich der folgende Schritt ausgeführt wird:
- Bewegen des ersten und zweiten Baubehälters (11a, b) von der zweiten Position in eine dritte Position mittels des Baubehälterträgers (5).
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