DE102004057865B4

DE102004057865B4 - Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes

Info

Publication number: DE102004057865B4
Application number: DE102004057865A
Authority: DE
Inventors: Frank Carsten Herzog; Kerstin Katharina Herzog
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: DE102004057865A1; DE102004064050B4

Abstract

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, mit
– einer in einem Bauraum (4) angeordneten Tragevorrichtung (5) zum Tragen des Objektes mit einem höhenverstellbaren Träger mit einer dem Objekt zugewandten Oberseite (7),
– einer Aufbringvorrichtung (8) zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung (5) oder eine zuvor gebildete Schicht und
– einer Dosiereinrichtung (9) zur Zuführung des Aufbaumaterials,
– einer Bestrahlungsvorrichtung (10) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
in Verfahrrichtung der Aufbringvorrichtung (8) seitlich neben dem Bauraum (4) und/oder einer Dosierkammer mindestens ein Überlaufbehälter (21) angeordnet ist, der eine motorisch höhenverstellbare Bodenplattform (22) hat und die Aufbringvorrichtung (8) derart ausgebildet ist, daß sie zum Transport von im...

Description

Die Erfindung/Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials. Nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 wird das Aufbaumaterial an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen verfestigt. Dazu ist eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes vorgesehen, die in einem Bauraum eines Behälters angeordnet ist. Die Tragevorrichtung weist einen höhenverstellbaren Träger mit einer dem Objekt zugewandten Oberseite auf. Um das Aufbaumaterial schichtweise auf die Tragevorrichtung oder eine zuvor gebildete Schicht aufbringen zu können, ist eine Aufbringvorrichtung vorgesehen, die mit einer Dosiereinrichtung zur Zuführung des Aufbaumaterials zusammenwirkt. Zur Verfestigung der Schichten an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen ist eine Bestrahlungsvorrichtung vorgesehen, die beim Stand der Technik in der Regel als Laser geeigneter Wellenlänge und/oder Energie vorgesehen ist.
In derartigen Vorrichtungen werden Laser-Sinter-Verfahren, insbesondere selektive Laser-Sinter-Verfahren oder Laserschmelzverfahren durchgeführt, wobei beim typischen Sinterverfahren verfestigbare Aufbaumaterialien nur soweit erhitzt werden, daß es sich zu einem festen Formkörper verbinden. Bei Laserschmelzverfahren werden insbesondere metallische Werkstoffe schichtweise komplett durchgeschmolzen, um aus dem Aufbaumaterial ohne wesentliche Nachbearbeitung z. B. verwendbare Werkzeuge, insbesondere Prototyp-Werkzeuge herzustellen.
Derartige Verfahren werden zusammen mit anderen Verfahren unter dem Oberbegriff „Rapid Prototyping" subsumiert.
Bekannte Vorrichtungen weisen in der Regel neben dem Bauraum zur Materialzuführung einen gesonderten Vorratsbehälter auf, der mit der Dosiereinrichtung zur Zuführung des Aufbaumaterials zusammenwirkt. Nach dem eigentlichen Bauvorgang wird das fertig gestellte dreidimensionale Objekt nach Abkühlung aus dem Bauraum entnommen, der Bauraum wird dann vollständig entleert und von den Pulverrückständen, gesäubert die beim Bauprozeß nicht verfestigt wurden. Dies ist umständlich, das Handling vom Aufbaumaterial ist auch für die Bedienungsperson aus Gesundheitsaspekten nicht problemlos durchführbar. Automatische Vorrichtungen zum Entleeren des Bauraumes und zum Überführen des Aufbaumaterials in den Dosierbehälter sind kompliziert, wartungsintensiv und teuer.
Aus DE 101 58 169 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Verfestigen eines mittels Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials bekannt, in deren Bauraum sich eine Tragevorrichtung zum Tragen eines Objektes mit einem höhenverstellbaren Träger, einer Aufbringeinrichtung, einer Dosiereinrichtung und einer Bestrahlungseinrichtung angeordnet sind. Die Dosiereinrichtung weist eine Plattform auf, die gesondert und unabhängig von der neben ihr in einer gesonderten Kammer angeordneten Tragevorrichtung höhenverstellbar ist.
Aus EP 1 466 718 A2 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Verfestigen eines mittels Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterials bekannt, bei welcher in Verfahrrichtung einer Aufbringeinheit seitlich neben einem Bauraum und Dosierkammer Überlaufbehälter angeordnet sind.
DE 201 07 262 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte, die seitlich neben einem Bauraum angeordnete Überlaufbehälter aufweist. Es sind Mittel vorgesehen, um Aufbaumaterial aus den Überlaufbehältern in einen Vorratsbehälter zu transportieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, daß sie problemloser, insbesondere im Hinblick auf das Pulverhandling innerhalb der Maschine zu bedienen ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-16.
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, überschüssiges Aufbaumaterial innerhalb des Behälterbereiches aufzufangen, wozu neben dem Bauraum mindestens ein Überlaufbehälter angeordnet ist, der ebenfalls mit einer höhenverstellbaren Bodenplattformen ausgerüstet ist. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung von zwei Überlaufbehältern beidseitig neben dem kombinierten Bau-/Dosierraum. Um Aufbaumaterial von den Überlaufbehältern in den Bau-/Dosierraum zurückzufördern, ist es lediglich erforderlich, die höhenverstellbaren Bodenplattform(en) etwas anzuheben, wenn sich der Beschichterrakel ganz außen an der Behälterseitenkante befindet. Durch Verfahren des Beschichters über den Überlaufbehälter in Richtung des Bauraumes wird Material schichtweise (in weit dickeren Schichten als beim Aufbauprozeß) zurückgeführt. Dadurch bekommt die Beschichtereinrichtung eine Doppelfunktion, sie dient nämlich als Beschichter im eigentlichen Sinne und als Fördereinrichtung zur Förderung des Aufbaumaterials aus den Überlaufbehältern zurück in den Bau-/Dosierraum. Eine derartige Art der Rückführung ist sowohl bei Vorrichtungen von dreidimensionalen Objekten möglich, die einen getrennten Bauraum und einen getrennten Dosierraum haben, als auch bei solchen, bei denen Bauraum und Dosierkammer ohne Zwischenwandung zusammenhängen. Der Beschichter dient gleichzeitig als Rückführelement von Aufbaumaterial in den Dosierbehälter, wobei die Überlaufbehälter gleichzeitig die Funktion von Dosierbehältern übernehmen können, das heißt der Beschichterrakel aus den Überlaufbehältern hoch gedrücktes Material sogleich auf die Bauplattform beschichten kann und überschüssiges Material in die eigentliche Dosierkammer (oder den anderen Überlaufbehälter) zurückführt.
Es hat sich bei bestimmten Aufbaumaterialien insbesondere in Verbindung mit Laserschmelzverfahren als zweckdienlich erwiesen, das Verfahren unter Überdruck und insbesondere in einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre durchzuführen. In Weiterbildung der Erfindung wird der mit Überdruck beaufschlagte Gasraum auf den Behälter selbst beschränkt, wodurch Gas gespart werden kann und die Vorrichtungen zur Erzeugung des Überdruckes relativ klein dimensioniert werden können. Wenn der Deckel den Behälter seitlich übergreift, besteht die Möglichkeit einer besonders guten Dichtung und Verrastung des Deckels mit dem Behälter. Vorteilhafterweise wird der Deckel mit den Seitenwandungen des Behälters verrastet, wobei die Verrastung im Bereich der Seitenwandungen vorgenommen werden kann.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung im geschlossenen Zustand;
2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung unter Weglassung der Gehäuseseitenwandungen;
3 eine perspektivische Ansicht des Behälters mit Bau- und Dosierraum;
4 eine Draufsicht auf den Behälter mit zusammengefaßtem Bau-/Dosierraum, Überlaufbehältern und Aufbringvorrichtung;
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit höhenverstellbaren Plattformen in zwei Überlaufbehältern.
Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Behälter 3 angeordnet ist, der einen Bauraum 4 beinhaltet. Im Bauraum 4 ist eine Tragevorrichtung 5 mit einem höhenverstellbaren Träger 6 vorgesehen, der eine dem Objekt zugewandte Oberseite 7 hat. Ferner ist eine Aufbringvorrichtung 8 vorgesehen, mit der Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung 5 oder eine zuvor daraus gebildete Schicht aufgetragen werden können. Die Aufbringvorrichtung 8 wirkt mit einer Dosiereinrichtung 9 zusammen, mit der das Aufbaumaterial dosiert zur Verfügung gestellt wird.
Schließlich ist zur Verfestigung des Aufbaumaterials eine Bestrahlungsvorrichtung 10 vorgesehen, die aus einem Laser 11 besteht, der mit seinem Auskoppelbereich 12 über den Bereich des Bauraums 4 angeordnet ist und über optisch leitende Elemente 13 wie beispielsweise justierbare Umlenkspiegel und dergleichen mit einem Scanner 14 zusammenwirkt, der ebenfalls Teil der Bestrahlungsvorrichtung ist. Über nicht im einzelnen dargestellte bewegbare Spiegel des Scanners 14 wird der Laserstrahl computergesteuert auf die zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht gelenkt.
Wie insbesondere aus den 3 und 4 hervorgeht, ist innerhalb des Bauraums 4 eine Plattform 15 der Dosiereinrichtung 9 angeordnet, die gesondert und unabhängig von der neben ihr ohne dazwischenliegende Trennwand angeordneten Tragevorrichtung 5 im Bauraum höhenverstellbar ist, wodurch der Bauraum 4 gleichzeitig auch als Vorratsbehälter für das Aufbaumaterial dient. Aus 4 ergibt sich, daß beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberseite 7 der Tragevorrichtung 5 als auch die Plattform 15 der Dosiereinrichtung 9 im wesentlichen dieselbe Fläche aufweisen. Mehr oder weniger der gesamte Bodenbereich 16 des Bauraums 4 wird von der Oberseite 7 und der Plattform 15 eingenommen.
Wie sich aus 3 ergibt, sind sowohl die Tragevorrichtung 5 als auch die Plattform 15 als aus dem Bodenbereich 16 des Behälters 3 herausfahrbare im wesentlichen identische Stempel 17a, b ausgebildet, was zur Folge hat, daß sich unter die Plattform 15 bzw. die Oberfläche 7 kein Aufbaumaterial einlagern kann, wodurch die Höhenverfahrbarkeit der beiden Elemente 5 und 15 eingeschränkt wäre. Die Stempel 17a, b werden mit Seitenwandungen 18 in entsprechend geformten Ausnehmungen 19 des Bodenbereiches 16 dichtend geführt. Sowohl die Tragevorrichtung 5 als auch die Plattform 15 können mit Bauplatten versehen werden, auf die das Aufbaumaterial aufgeschmolzen werden kann.
Aus 4 ergibt sich außerdem, daß der Bauraum 4 einen im wesentlichen rechtwinkligen Grundriß aufweist und sowohl die Oberseite 7, Tragevorrichtung 5 als auch die Plattform 15 im wesentlichen rechtwinklig ausgebildet sind.
Die Tragevorrichtung 5 befindet sich vor Beginn eines Verfestigungsvorganges in einer angehobenen oberen Stellung, die Plattform 15 hingegen in einer abgesenkten unteren Stellung, wobei der Bauraum 4 ausgenommen das Volumen des Stempels 17a der Tragevorrichtung 5 im wesentlichen vollständig mit Aufbaumaterial gefüllt ist.
Die Aufbringvorrichtung 8 überstreicht die beiden unmittelbar und ohne Trennwand nebeneinander liegenden Plattformen, nämlich die Oberseite der Tragevorrichtung 5 und die Plattform des Schichters. Sie weist eine Mehrzahl von Beschichterrakeln 20 auf, die für eine gleichmäßige und dosierte Verteilung des Aufbaumaterials auf der Tragevorrichtung 5 sorgen.
In Verfahrrichtung der Aufbringvorrichtung 8 sind beidseitig neben dem Bauraum 4 innerhalb des Behälters 3 Überlaufbehälter 21 angeordnet, die optional ebenfalls höhenverstellbare Bodenplattformen 22 haben können. Zum Entleeren der Überlaufbehälter muß dann lediglich der Rakel in eine Randposition gefahren werden und ist dann in der Lage durch die Bodenplattformen 22 hochgedrücktes Material wieder in den Bauraum 4 zurückzufördern.
Aus Zeichnungsfigur 2 ergibt sich, daß der Behälter 3 mittels eines druckdichten Deckels 30 verschließbar ist, wobei der Deckel 30 Seitenbereiche 31 aufweist, die den Behälter 3 seitlich übergreifen. Der Deckel 30 ist mit dem Behälter 3 fest verrastbar, in dem Deckel 30 ist ein Fenster zur Einkopplung der Strahlung angeordnet, auf dem der Scanner 14 sitzt. Der Behälter 3 weist ferner eine Schutzgaseinlaß- und/oder -auslaßvorrichtung auf, so daß der Behälter 3 mit Schutzgas unter Druck gesetzt werden kann oder der Bauvorgang zumindest in sauerstoffreduzierter Atmosphäre stattfinden kann. Optional ist noch eine Heizeinrichtung im Behälter angeordnet, um das Aufbaumaterial in üblicher Weise vorzuheizen, falls das erforderlich erscheint.
In Zeichnungsfig. 2 ist noch zu sehen, daß der Behälter innerhalb des Gehäuses von einem ersten Gehäusebereich 40 in einen daneben liegenden zweiten Gehäusebereich 41 verfahren werden kann, wobei in dem Gehäusebereich 40 der Bauprozeß stattfindet und der Gehäusebereich 41 als Entnahmestation dient. Zu diesem Zweck ist der Behälter 3 auf einem Schlitten 42 angeordnet, der auf Schienen 43 geführt und von einer Antriebseinheit 44 von einem Gehäusebereich in den anderen Gehäusebereich verfahrbar ist. Der Deckel 30 ist mit seinen Seitenbereichen fest im Gehäusebereich 40 montiert, der Behälter wird auf den Schienen unter dem Deckel, d. h. zwischen die Seitenbereich 31 des Deckels eingefahren und durch Federn 45 mittels eines Vertikalantriebes 46 von unten an den Deckel gedrückt und dann über Verriegelungseinrichtungen 47 fest mit der Konstruktion des Deckels 30 verrastet.
5 zeigt einen Behälter 3 mit einem Bauraum 4, in welchem eine Tragevorrichtung 5 mit einem Träger 6 vorgesehen ist, der eine dem Objekt zugewandte Oberseite 7 hat. Eine in Querrichtung verfahrbare Aufbringvorrichtung 8 ist mit Beschichterrakeln 20 versehen. Neben dem Bauraum befindet sich eine Dosierkammer, deren Plattform 15 ebenfalls höhenverstellbar ist und die bis zu einem gewissen Level mit verfestigbarem Aufbaumaterial gefüllt ist. Die beiden Überlaufbehälter 21, die links und rechts vom Bauraum bzw. von der Dosierkammer angeordnet sind, sind voll, die Plattformen 22 sind ein Stückchen nach oben gefahren, so daß die Beschichterrakel 20 die Möglichkeit haben, überstehendes Aufbaumaterial in Pfeilrichtung 48 in die Dosierkammer zurückzuführen. Ein gleiches Prinzip ergibt sich, wenn der Bauraum 4 und die Dosierkammer erfindungsgemäß ohne Trennwand ausgebildet sind. Auch dann läßt sich das in 5 gezeigte Pulverrückführverfahren mittels Beschichterrakel durchführen.

Claims

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, mit – einer in einem Bauraum (4) angeordneten Tragevorrichtung (5) zum Tragen des Objektes mit einem höhenverstellbaren Träger mit einer dem Objekt zugewandten Oberseite (7), – einer Aufbringvorrichtung (8) zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials auf die Tragevorrichtung (5) oder eine zuvor gebildete Schicht und – einer Dosiereinrichtung (9) zur Zuführung des Aufbaumaterials, – einer Bestrahlungsvorrichtung (10) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrrichtung der Aufbringvorrichtung (8) seitlich neben dem Bauraum (4) und/oder einer Dosierkammer mindestens ein Überlaufbehälter (21) angeordnet ist, der eine motorisch höhenverstellbare Bodenplattform (22) hat und die Aufbringvorrichtung (8) derart ausgebildet ist, daß sie zum Transport von im Überlaufbehälter (21) durch dessen Bodenplattform (22) angehobenen Aufbaumaterials in den Bauraum (4) und/oder Vorratsbehälter geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrrichtung der Aufbringvorrichtung (8) beidseitig neben dem Bauraum (4) und der Dosiereinrichtung Überlaufbehälter (21) angeordnet sind, die mit höhenverstellbaren Bodenplattformen (22) ausgebildet sind und Aufbaumaterial durch die obere Öffnung der Überlaufbehälter (21) mittels der Aufbringvorrichtung (8) in dem Bauraum (4) und/oder Vorratsbehälter überführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Überlaufbehälter (21) zusammen mit dem Bauraum (4), einem Vorratsbehälter einer Dosiereinrichtung (9) und der Aufbringvorrichtung (8) in einem Behälter (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) mittels eines druckdichten Deckels (30) verschließbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (30) den Behälter (3) seitlich übergreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (30) mit dem Behälter (3) verrastbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Deckel (30) ein Fenster zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) mit einer Schutzgaseinlaß- und/oder -auslaßvorrichtung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) bezüglich seines Innenraums durch eine Heizeinrichtung beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bauraum (4) mindestens eine Plattform (15) der Dosiereinrichtung (9) angeordnet ist, die gesondert und unabhängig von der neben ihr ohne dazwischenliegende Trennwand angeordneten Tragevorrichtung (5) in dem Bauraum (4) höhenverstellbar ist, wodurch der Bauraum (4) auch als Vorratsbehälter für das Aufbaumaterial ausgebildet ist und wobei die Tragevorrichtung (5) als aus dem Bodenbereich (16) des Bauraumes (4) herausfahrbarer Stempel (17a) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Oberseite (7) der Tragevorrichtung (5) als auch die Plattform (15) im wesentlichen dieselbe Fläche aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Plattform (15) der Dosiereinrichtung (9) als Bauplattform als auch der höhenverstellbare Träger (6) mit seiner dem Objekt zugewandten Oberseite (7) als Dosierplattform wahlweise verwendbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf der Oberseite (7) des höhenverstellbaren Trägers (6) als auch auf der Plattform (15) der Dosiereinrichtung (9) vorbereitete Bauplatten oder Grundkörper montierbar sind, mit denen das Aufbaumaterial durch einen Sinter/Schmelzprozeß verwindbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (15) als aus dem Bodenbereich (16) des Bauraums (4) herausfahrbare Stempel (17b) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel (17a, 17b) mit Seitenwandungen (18) in entsprechend geformten Ausnehmungen (19) des Bauraumbodens geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Tragevorrichtung (15) vor Beginn eines Verfestigungsvorganges im wesentlichen in einer angehobenen Stellung befindet und die Plattform (15) sich im wesentlichen in einer abgesenkten unteren Stellung befindet und der Bauraum (4) ausgenommen das Volumen des Stempels (17a) der Tragevorrichtung (5), im wesentlichen vollständig, mit Aufbaumaterial gefüllt ist.