DE102024200430A1

DE102024200430A1 - Schutzvorrichtung für einen Belichter einer additiven Herstellvorrichtung

Info

Publication number: DE102024200430A1
Application number: DE102024200430.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mattes; Sebastian Mehl
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2024-01-17
Filing date: 2024-01-17
Publication date: 2025-07-17

Abstract

Eine Schutzvorrichtung (40) dient für einen Belichter (18) einer Herstellvorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials (15), wobei der Belichter (18) in einer Prozesskammer (3) der Herstellvorrichtung angeordnet ist, und der Belichter (18) zumindest zwei Belichtungseinheiten (30, 31, 32) umfasst und jede Belichtungseinheit ein wenigstens auf ein Pixel in einer Arbeitsebene (7) richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene (7) zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung (18a) aufweist, die den Belichter (18) zur Arbeitsebene (7) hin begrenzt. Die Schutzvorrichtung (40) ist an der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18) anbringbar und dazu ausgebildet, die untere Begrenzung (18a) des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für einen Belichter einer additiven Herstellvorrichtung, eine additive Herstellvorrichtung mit einer solchen Schutzvorrichtung, ein Beströmungsverfahren für einen Belichter einer additiven Herstellvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts.
Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
WO 2015/091485 A1 offenbart ein 3D-Laserdrucksystem für die additive Fertigung, das eine Mehrzahl von Lasermodulen mit jeweils mindestens zwei Laserarrays enthält. Jedes Laserarrays umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterlasern, beispielsweise VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser), deren Laserlicht mittels eines optischen Elements auf eine Arbeitsebene abgebildet wird. Durch selektives Ein- und Ausschalten der Laserarrays und eine Bewegung des Belichters über die Arbeitsebene kann eine in der Arbeitsebene aufgebrachte Schicht eines Aufbaumaterials selektiv belichtet werden.
Bei der Vorrichtung der WO 2015/091485 A1 ist der Belichter in einer Prozesskammer, in der das Objekt hergestellt wird, vorgesehen. In dem Bauprozess können, insbesondere im Zuge der selektiven Verfestigung der Aufbaumaterialschichten, Verunreinigungen bzw. Prozessnebenprodukte, wie z.B. Rauch, Dämpfer, Spratzer, Partikel des Aufbaumaterials, etc., entstehen, welche sich in die Prozesskammeratmosphäre ausbreiten und sich an dem Belichter niederschlagen können. Sich an dem Belichter anlagernde Verunreinigungen können sich nachteilig für den Bauprozess und die Qualität des herzustellenden Objekts auswirken, da sie die auf die Arbeitsebene abzubildende Laserstrahlung beeinträchtigen können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Schutzvorrichtung für einen Belichter einer additiven Herstellvorrichtung bzw. eine alternative bzw. verbesserte additive Herstellvorrichtung bzw. ein verbessertes bzw. alternatives Beströmungsverfahren für einen Belichter einer additiven Herstellvorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, mit der oder dem insbesondere der Belichter der additiven Herstellvorrichtung zuverlässig von Prozessnebenprodukten freigehalten werden kann und die Qualität des herzustellenden Objekts verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 9, ein Beströmungsverfahren gemäß Anspruch 13 und ein Herstellverfahren gemäß Anspruch 14. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Die Herstellvorrichtung kann auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Schutzvorrichtung weitergebildet sein, und umgekehrt. Das Herstellverfahren kann auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale des Beströmungsverfahrens weitergebildet sein, und umgekehrt. Ebenso können die Verfahren durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein, und umgekehrt.
Eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung dient für einen Belichter einer Herstellvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials, wobei der Belichter in einer Prozesskammer der Herstellvorrichtung angeordnet ist, und der Belichter zumindest zwei Belichtungseinheiten umfasst und jede Belichtungseinheit ein wenigstens auf ein Pixel in einer Arbeitsebene richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene hin begrenzt. Die Schutzvorrichtung ist an der unteren Begrenzung des Belichters anbringbar, und ist dazu ausgebildet, die untere Begrenzung des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten. Der Begriff „Verunreinigungen“ wird hier und im Folgenden synonym zu dem Begriff „Prozessnebenprodukte“ verwendet.
Bei dem Belichter der additiven Herstellvorrichtung kann es sich insbesondere um einen über die Arbeitsebene verfahrbar in der Prozesskammer vorgesehenen Belichter handeln. Der Belichter kann mit seiner unteren Begrenzung beispielsweise in einem geringen Abstand von weniger als 10 cm, vorzugsweise weniger als 5 cm, besonders bevorzugt im Wesentlichen 1 cm, über der Arbeitsebene in der Prozesskammer vorgesehen sein. Eine Höhe der Prozesskammer kann beispielsweise zumindest 20 cm, bevorzugt zumindest 50 cm, besonders bevorzugt zumindest 60 cm und/oder höchstens 150 cm, bevorzugt höchstens 100 cm, besonders bevorzugt höchstens 80 cm betragen. Eine Verfahrgeschwindigkeit des Belichters kann beispielsweise zumindest 0,05 m/s, bevorzugt mindestens 0,1 m/s, besonders bevorzugt 0,6 m/s und/oder höchstens 5 m/s, bevorzugt höchstens 3 m/s, besonders bevorzugt höchstens 1,2 m/s betragen. Somit kann sich der Belichter, für den die Schutzvorrichtung geeignet ist, insbesondere von Belichtern unterscheiden, die außerhalb einer Prozesskammer der additiven Herstellvorrichtungen und/oder stationär in Bezug auf die Prozesskammer vorgesehen sind. Vorzugsweise ist der Belichter zum großflächigen und/oder selektiven Belichten einer in der Arbeitsebene aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials ausgebildet. Die „untere Begrenzung“ des Belichters meint vorzugsweis eine Begrenzung des Belichters, die der Arbeitsebene zugewandt ist.
Vorzugsweise ist der Belichter in der Prozesskammer mit einer Verfahrgeschwindigkeit verfahrbar bzw. wird verfahren, die einer Geschwindigkeit entspricht, mit der eine Schmelzfront in der Arbeitsebene, insbesondere auf einem Pulverbett, bewegt wird. Eine Schmelzfront kann dabei einen Bereich in der Arbeitsebene bzw. des Pulverbettes bezeichnen, in dem das Aufbaumaterial durch das Einwirken der Strahlbündel zu einem bestimmten Zeitpunkt teilweise oder vollständig aufgeschmolzen vorliegt. Nach einer Abkühlung kann das Aufbaumaterial dann an den Stellen, die von den Strahlbündeln abgetastet wurden, als ein Festkörper verbunden vorliegen.
Um die untere Begrenzung des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten, kann die Schutzvorrichtung insbesondere gemäß mindestens einer der folgenden Maßnahmen ausgebildet sein:

- Die Schutzvorrichtung kann ausgebildet sein, Bereiche der unteren Begrenzung des Belichters, die im Betrieb des Belichters nicht von Strahlbündeln durchlaufen werden, abzudecken. Dadurch können beispielsweise Bereiche, durch die im Betrieb des Belichters keine Strahlbündel hindurchtreten, abgedeckt und somit vor Verunreinigungen geschützt werden. Dadurch kann beispielsweise eine abschirmende Funktion der Schutzvorrichtung realisiert sein. Der Begriff „im Betrieb des Belichters“ meint insbesondere einen Zustand des Belichters, in dem eine Anzahl von Strahlbündeln auf die Arbeitsebene gerichtet, d.h. insbesondere aktiviert, bzw. die entsprechende(n) Belichtungseinheit(en) eingeschaltet wird/werden.
- Die Schutzvorrichtung kann eine Anzahl von Öffnungen aufweisen, wobei jede der Öffnungen als ein Kanal ausgebildet ist, der dazu ausgebildet ist, eine in der Prozesskammer auftretende Gasströmung von der unteren Begrenzung des Belichters abzuhalten. Dadurch kann beispielsweise eine strömungsabweisende Funktion der Schutzvorrichtung realisiert sein. Beispielsweise können dadurch in der Prozesskammer auftretende Verunreinigungen, die von der Gasströmung mitgeführt werden, von der unteren Begrenzung des Belichters abgehalten werden.
- Die Schutzvorrichtung kann eine Anzahl von Öffnungen aufweisen, wobei jede Öffnung so ausgebildet ist, dass sie im Zusammenspiel mit einer Bewegung der Schutzvorrichtung und des Belichters in der Prozesskammer, insbesondere einer Bewegung über die Arbeitsebene, eine (Gas-)Strömung nahe der Öffnung der Schutzvorrichtung erzeugt, die ein Prozesskammergas von der Öffnung weg bewegt.
- Die Schutzvorrichtung kann zumindest einen Gaseinlass zum Zuführen eines Gases aufweisen, der ausgebildet ist, die untere Begrenzung des Belichters zumindest abschnittsweise mit einem Gas zu beströmen. Damit kann beispielsweise eine Freiblasung der Schutzvorrichtung realisiert sein. Insbesondere können durch die Gaszufuhr Verunreinigungen von der unteren Begrenzung des Belichters aktiv abgehalten werden.

Hier und im Folgenden kann der Begriff „Anzahl“ sowohl „ein“ (hier: eine Öffnung) als auch „eine Mehrzahl von“ (hier: eine Mehrzahl von Öffnungen), d.h. mindestens zwei, bedeuten.
Durch die Schutzvorrichtung kann die untere Begrenzung des Belichters beispielsweise von Verunreinigungen freigehalten werden, sodass eine von dem Belichter erzeugte Strahlung im Wesentlichen ungehindert auf die Arbeitsebene auftreffen kann. Damit kann beispielsweise eine ausreichende Energiezufuhr für die vollständige Verfestigung der dem Objektquerschnitt entsprechenden Stellen einer Aufbaumaterialschicht bereitgestellt sein.
Vorzugsweise umfasst die Schutzvorrichtung zumindest einen Gaseinlass zum Zuführen eines Gases, wobei der zumindest eine Gaseinlass so ausgebildet ist, dass das aus ihm ausströmende Gas im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der unteren Begrenzung des Belichters austritt, wenn die Schutzvorrichtung am Belichter angebracht ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die untere Begrenzung des Belichters zumindest abschnittsweise mit einem Gas zu beströmen, insbesondere um die untere Begrenzung des Belichters aktiv von Verunreinigungen freizuhalten. Das durch den zumindest einen Gaseinlass zugeführte Gas kann beispielsweise Stickstoff sein.
Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung im Wesentlichen als eine Abdeckung, vorzugsweise eine Platte, mit Öffnungen ausgebildet, wobei an jeder Stelle der Abdeckung, die einem Bereich der unteren Begrenzung des Belichters entspricht, durch den im Betrieb des Belichters Strahlbündel hindurchtreten, wenn die Schutzvorrichtung am Belichter angebracht ist, genau eine Öffnung vorgesehen ist. Weiter bevorzugt ist die Schutzvorrichtung so ausgebildet, dass sie Bereiche der unteren Begrenzung des Belichters, durch die im Betrieb des Belichters keine Strahlbündel hindurchtreten, zumindest teilweise abdeckt, wenn die Schutzvorrichtung am Belichter angebracht ist. Dadurch können beispielsweise Bereiche der unteren Begrenzung des Belichters, durch die im Betrieb des Belichters keine Strahlbündel hindurchtreten, abgedeckt und somit vor Verunreinigungen geschützt werden. Beispielsweise können durch die Schutzvorrichtung für die Strahlbündel im Wesentlichen undurchlässige und durchlässige Bereiche an der unteren Begrenzung des Belichters ausgebildet sein, wie z.B. entsprechend einer Maske. Durch die plattenartige Ausgestaltung der Schutzvorrichtung kann diese beispielsweise eine geringe Dickenerstreckung aufweisen, sodass auch bestehende Belichter, die in einem geringen Abstand zur Arbeitsebene in der Prozesskammer vorgesehen sind, mit der Schutzvorrichtung aus- oder nachgerüstet werden können.
Eine Gesamtfläche der Öffnungen der Schutzvorrichtung im Verhältnis zu einer durch die Schutzvorrichtung abgedeckten Gesamtfläche kann beispielsweise kleiner als 20%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter bevorzugt kleiner als 10%, besonders bevorzugt im Wesentlichen 5% betragen.
Vorzugsweise bildet eine Wandung der Öffnung einen Strömungskanal für die Beströmung der unteren Begrenzung des Belichters mit dem Gas. Durch eine solche Wandung kann beispielsweise eine in der Prozesskammer auftretende Gasströmung von der unteren Begrenzung des Belichters abgehalten werden. Andererseits können die Öffnungen durch ihre Wandungen voneinander getrennt bereitgestellt sein, sodass insbesondere Verunreinigungen davon abgehalten werden können, von einer Öffnung in eine andere Öffnung zu gelangen. Vorzugsweise ist eine in dem Strömungskanal durch Zuführen eines Gases durch einen Gaseinlass (s.u.) erzeugte Strömungsgeschwindigkeit geringer als außerhalb des Strömungskanals in der Prozesskammer auftretende Gasströmungen der Prozesskammeratmosphäre, welche z.B. durch die Bewegung des Belichters über die Arbeitsebene hervorgerufen werden.
Vorzugsweise ist der Gaseinlass im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet, und eine Länge des schlitzförmigen Gaseinlasses erstreckt sich weiter bevorzugt über die gesamte Abmessung der Öffnung in einer Richtung parallel zur Länge der schlitzförmigen Öffnung. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass sich der schlitzförmige Gaseinlass im Wesentlichen über die gesamte Öffnung erstreckt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den gesamten Bereich der Öffnung mit dem Gas zu beströmen. Vorzugsweise ist der zumindest eine Gaseinlass so ausgebildet, dass das aus ihm ausströmende Gas eine laminare Strömung bildet.
Vorzugsweise weist die Öffnung zwei oder mehr Gaseinlässe auf, die in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene der unteren Begrenzung des Belichters voneinander beabstandet angeordnet sind. Dadurch können beispielsweise Verunreinigungen noch effizienter von der unteren Begrenzung des Belichters, insbesondere im Bereich der Öffnung, abgehalten werden.
Vorzugsweise umfasst die Schutzvorrichtung weiter zumindest eine Gaszuleitung, weiter bevorzugt mehrere Gaszuleitungen, zum Zuführen eines Gases zu dem zumindest einen Gaseinlass, und weiter bevorzugt zum Verteilen des Gases auf eine Mehrzahl von Gaseinlässen. Weiter bevorzugt sind die Öffnungen der Schutzvorrichtung in Kaskaden angeordnet und jeweils eine Gaszuleitung ist zwischen zwei benachbarten Kaskaden von Öffnungen vorgesehen, um alle Gaseinlässe der Öffnungen der jeweiligen Kaskade mit Gas zu versorgen, und/oder die Gaszuleitung weist weiter bevorzugt ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf, und beide Enden sind mit einem Gasvorrat verbunden, und wobei noch weiter bevorzugt ein Volumenverhältnis eines durch das erste Ende zugeführten Gases zu einem durch das zweite Ende zugeführten Gases einstellbar ist, insbesondere in Abhängigkeit einer Verfahrrichtung des Belichters, und/oder die Gaszuleitung weist weiter bevorzugt zwischen dem ersten und dem zweiten Ende einen sich verjüngend ausgebildeten Leitungsabschnitt auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine möglichst gleichmäßige Aufteilung des einströmenden Gasvolumens auf die verschiedenen Öffnungen der Schutzvorrichtungen zu bewirken.
Vorzugsweise umfasst die Schutzvorrichtung eine Schutzgas-Heizeinrichtung zum Beheizen des durch die Gaszuleitung zugeführten Gases. Diese kann beispielsweise passiv, z.B. als ein Wärmetauscher, oder aktiv, z.B. als ein separates Heizelement, ausgebildet sein, beispielsweise in Form zweier Aluminium-Schutzgas-Verteiler mit direktem Kontakt zur Prozesskammeratmosphäre. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die untere Begrenzung des Belichters zu beheizen und/oder eine Temperaturdifferenz zwischen der unteren Begrenzung des Belichters bzw. dem einströmenden Gas und einer in der Arbeitsebene aufgebrachten Aufbaumaterialschicht zu verringern.
Vorzugsweise ist stromaufwärts des Gaseinlasses ein erster Leitungsabschnitt, vorzugsweise eine Vorkammer, vorgesehen zum Zuführen eines Gases zu dem Gaseinlass, und der erste Leitungsabschnitt weist senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen größeren Querschnitt auf als der Gaseinlass. Weiter bevorzugt ist stromaufwärts des ersten Leitungsabschnitts ein zweiter Leitungsabschnitt vorgesehen, vorzugsweise ein Flachkanal, der senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen kleineren Querschnitt aufweist als der erste Leitungsabschnitt. Durch den zweiten Leitungsabschnitt kann beispielsweise eine Strömungsbeschleunigung erzielt werden und/oder das einströmende Gasvolumen kann möglichst gleichmäßig auf verschiedene Gaseinlässe aufgeteilt werden. Der erste Leitungsabschnitt kann beispielsweise für einen guten Druckausgleich der Strömung und einer Strömungsberuhigung dienen.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Gaseinlass ausgebildet und/oder im Betrieb wird das Gas so zugeführt, dass zumindest in einem Bereich der unteren Begrenzung des Belichters, vorzugsweise im Bereich einer Öffnung der Schutzvorrichtung, eine Vermischungszone gebildet wird, in der sich das aus dem Gaseinlass ausströmende Gas mit einer in der Prozesskammer herrschenden Gasatmosphäre vermischt, wobei die Vermischungszone in einem Abstand zur unteren Begrenzung des Belichters ausgebildet wird, insbesondere in einem Abstand von mindestens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm, weiter bevorzugt von mindestens 3 mm. Dadurch können beispielsweise in der Prozesskammer auftretende und/oder in der Gasatmosphäre mitgeführte Verunreinigungen von der unteren Begrenzung des Belichters abgehalten werden. Insbesondere kann die Vermischungszone durch eine schlitzförmige Ausgestaltung des zumindest einen Gaseinlasses, und/oder dessen Anordnung in einem definierten Abstand zur unteren Begrenzung des Belichters, und/oder einer entsprechenden Gasdurchflussrate des durch den zumindest einen Gaseinlass einströmenden Gases erzielt werden.
Vorzugsweise ist jede der Öffnungen jeweils als ein Kanal ausgebildet mit einer der unteren Begrenzung des Belichters zugewandten Eintrittsöffnung und einer der unteren Begrenzung des Belichters abgewandten Austrittsöffnung und einer die Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung miteinander verbindenden Wandung. Die Wandung kann insbesondere den weiter oben erwähnten Strömungskanal für die Beströmung der unteren Begrenzung des Belichters mit dem Gas bilden. Weiter bevorzugt verläuft die Wandung im Wesentlichen parallel zu einer aus den Strahlbündeln, die im Betrieb des Belichters die jeweilige Öffnung passieren, gebildeten Einhüllenden, und/oder im Wesentlichen parallel zu einem aus den Strahlbündeln, die im Betrieb des Belichters die jeweilige Öffnung passieren, gebildeten Strahlungskegel, vorzugsweise in einem Abstand von unter 1 mm zu der Einhüllenden bzw. dem Strahlungskegel, und/oder jeder Kanal weist eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt auf, und/oder eine Fläche der Eintrittsöffnung ist größer als eine Fläche der Austrittsöffnung, und/oder eine Fläche der Eintrittsöffnung und eine Fläche der Austrittsöffnung weisen ähnliche Formen auf, insbesondere im Wesentlichen rechteckige Formen. Damit kann beispielsweise eine Schutzvorrichtung bereitgestellt sein, die die Strahlbündel bzw. die Verfestigungsstrahlung des Belichters weitestgehend ungehindert passieren lässt. Zudem kann die Wandung beispielsweise in der Prozesskammer auftretende Gasströmungen, welche Verunreinigungen mit sich führen können, von der unteren Begrenzung des Belichters abhalten.
Vorzugsweise weist die Schutzvorrichtung weiter einen Rand auf, der von einer Ebene der Schutzvorrichtung in Richtung der Arbeitsebene vorsteht, wobei der Rand eine Anzahl von Öffnungen umschließt, bevorzugt eine Mehrzahl von Öffnungen umschließt. Dadurch kann beispielsweise verhindert oder zumindest verringert werden, dass eine in der Prozesskammer vorherrschende Gasatmosphäre und/oder Gasströmung, die z.B. durch eine Bewegung des Belichters in der Prozesskammer hervorgerufen wird, in die Öffnung(en) einströmen.
Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung ein aus einem metallischen Material hergestelltes Bauteil. Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung aus einem Material gefertigt, das im Wesentlichen eine Maßhaltigkeit unter den im Betrieb der Herstellvorrichtung auftretenden Temperaturschwankung erlaubt. Die Schutzvorrichtung kann beispielsweise aus dem Material INVAR36, einer Eisenbasislegierung mit 36% Nickel, gefertigt sein. Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung ein in einem additiven Herstellungsverfahren hergestelltes Bauteil. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Schutzvorrichtung mit großer geometrischer Komplexität herzustellen.
Vorzugsweise weist die Schutzvorrichtung weiter zumindest ein Befestigungselement zur, vorzugsweise reversiblen, Befestigung der Schutzvorrichtung am Belichter auf, wobei das Befestigungselement weiter bevorzugt als eine Schnellspann-Verbindung ausgebildet ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die Schutzvorrichtung auf einfache Art und Weise an dem Belichter anzubringen, beispielsweise um den Belichter mit der Schutzvorrichtung nachzurüsten, und/oder die Schutzvorrichtung von dem Belichter zu entfernen.
Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung dient zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials und umfasst eine Prozesskammer, in der das dreidimensionale Objekt in einem Baufeld in einer Arbeitsebene herstellbar ist, und einen Belichter zum, vorzugsweise selektiven, Belichten einer in dem Baufeld aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials, wobei der Belichter in der Prozesskammer angeordnet ist. Der Belichter umfasst zumindest zwei Belichtungseinheiten, und jede Belichtungseinheit erzeugt ein auf wenigstens ein Pixel in der Arbeitsebene richtbares Strahlbündel, und der Belichter weist an seiner der Arbeitsebene zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung auf, die den Belichter zur Arbeitsebene hin begrenzt. Weiter umfasst die Herstellvorrichtung eine oben beschrieben Schutzvorrichtung, die an der unteren Begrenzung des Belichters anbringbar oder angebracht ist. Mit einer solchen Herstellvorrichtung sind beispielsweise dieselben oder ähnliche Wirkungen erzielbar wie mit einer oben beschriebenen Schutzvorrichtung.
Vorzugsweise ist der Belichter in der Prozesskammer in einer Bewegungsrichtung über die Arbeitsebene verfahrbar vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise jede Belichtungseinheit des Belichters einzeln ansteuerbar. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die untere Begrenzung des Belichters als eine zumindest bereichsweise transluzente, insbesondere transparente, Platte, insbesondere als eine Glasplatte ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich weist der Belichter vorzugsweise weiter eine Heizvorrichtung zum Beheizen der unteren Begrenzung auf. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise die Belichtungseinheiten des Belichters in zueinander versetzten Reihen und/oder Spalten, oder in Kaskaden, angeordnet und die Schutzvorrichtung ist im Wesentlichen als eine Abdeckung mit Öffnungen ausgebildet, wobei die Öffnungen an den Belichtungseinheiten des Belichters entsprechenden Stellen in zueinander versetzten Reihen und/oder Spalten, bzw. in Kaskaden, angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise die Belichtungseinheiten als Lasermodule ausgebildet, wobei jedes Lasermodul aus einer Mehrzahl von Laserarrays gebildet ist, und jedes Laserarray aus einer Mehrzahl einzelner Laser, vorzugsweise VCSEL und/oder VECSEL, gebildet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Beströmungsverfahren bereitgestellt für einen Belichter einer Herstellvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials, wobei der Belichter in einer Prozesskammer der Herstellvorrichtung angeordnet ist, und der Belichter zumindest zwei Belichtungseinheiten umfasst und jede Belichtungseinheit ein wenigstens auf ein Pixel in einer Arbeitsebene richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene hin begrenzt, und wobei vorzugsweise eine oben beschrieben Schutzvorrichtung an der unteren Begrenzung des Belichters angebracht ist. Das Beströmungsverfahren umfasst zumindest einen Schritt des Zuführens eines Gases, sodass das Gas im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der unteren Begrenzung des Belichters ausströmt, um die untere Begrenzung des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten. Dadurch ist es beispielsweise möglich, ein weitestgehend ungehindertes Passieren der Strahlbündel durch die untere Begrenzung des Belichters zu ermöglichen, was die Qualität des herzustellenden Objekts verbessern kann. Als Gas sind insbesondere alle Inertgase geeignet, z.B. Stickstoff, Kohlendioxid, Argon und viel mehr. Das Gas kann weiter beispielsweise Stickstoff sein. Es ist auch möglich, mehrere Gase zu vermischen, um bestimmte Eigenschaften der Gasmischung zu erreichen. Es kann insbesondere eine Inertgas-Mischung, die durch Verbrennung von Verbrennungsgasen hergestellt wird, günstig verwendet werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials in einer additiven Herstellvorrichtung, wobei das Objekt in einer Prozesskammer der Herstellvorrichtung hergestellt wird, weist die Schritte auf: Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials in einem Baufeld in einer Arbeitsebene, und Belichten, vorzugsweise selektives Belichten, der in dem Baufeld aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials mit einem Belichter, wobei der Belichter in der Prozesskammer angeordnet ist, wobei der Belichter zumindest zwei Belichtungseinheiten umfasst und jede Belichtungseinheit ein auf wenigstens ein Pixel in der Arbeitsebene richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene hin begrenzt, und wobei eine oben beschriebene Schutzvorrichtung an der unteren Begrenzung des Belichters angebracht ist, und/oder wobei die Herstellvorrichtung eine oben beschrieben Herstellvorrichtung ist, und/oder wobei zumindest zeitweise ein oben beschriebenes Beströmungsverfahren durchgeführt wird. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf die Schutzvorrichtung beschriebenen Wirkungen auch in einem additiven Herstellungsverfahren zu erzielen.
Vorzugsweise umfasst das Herstellungsverfahren weiter einen Schritt des Übertragens von thermischer Energie, insbesondere Wärme, innerhalb des Belichters zu einer Belichteraußenseite, insbesondere zu einem der Arbeitsebene zugewandten Prozesskammerbereich außerhalb des Belichters, und/oder zu dem ausströmenden Gas. Dadurch ist es beispielsweise möglich, in dem Belichter erzeugte Wärme nach außen abzuführen bzw. die Belichtungseinheiten des Belichters zu kühlen, und/oder eine Temperaturdifferenz zwischen einer in der Arbeitsebene aufgebrachten Aufbaumaterialschicht und dem Belichter zu verringern.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren.

1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer additiven Herstellvorrichtung, in der die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung zum Einsatz kommt;
2a zeigt eine schematische Ansicht eines Belichters der in 1 gezeigten additiven Herstellvorrichtung von unten, wobei der Belichter mehrere Lasermodule aufweist;
2b zeigt schematisch eine Anordnung von Laserarrays in einem in 2a gezeigten Lasermodul;
2c zeigt schematisch eine Anordnung von Lasern in einem in 2b gezeigten Laserarray;
3 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung mit Blick auf die Oberseite der Schutzvorrichtung;
4 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht der in 3 gezeigten Schutzvorrichtung mit Blick auf die Unterseite der Schutzvorrichtung;
5a zeigt eine schematische, perspektivische und teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der in 3 und 4 gezeigten Schutzvorrichtung, wobei eine Schnittebene senkrecht zur Oberseite und Unterseite der Schutzvorrichtung verläuft;
5b zeigt eine Detailansicht der 5a, wenn die Schutzvorrichtung an der unteren Begrenzung des Belichters angebracht ist;
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasströmung im Betrieb der in 3 bis 5b gezeigten Schutzvorrichtung, wenn diese an dem Belichter der in 1 gezeigten additiven Herstellvorrichtung angebracht ist; und
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Reinheitsgrads der Gasatmosphäre im Betrieb der in 3 bis 5b gezeigten Schutzvorrichtung, wenn diese an dem Belichter der in 1 gezeigten additiven Herstellvorrichtung angebracht ist.

Nachfolgend wird mit Bezug auf 1 ein Ausführungsbeispiel einer additiven Herstellvorrichtung 1 beschrieben, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch eine obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Das herzustellende Objekt 2 kann auf der Grundplatte 11 als Bauunterlage aufgebaut werden, oder auf einer Bauplattform 12, die als Bauunterlage auf der Grundplatte 11 angebracht ist, wie in 1 gezeigt. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares, z.B. pulverförmiges, Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 16 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich (in den Figuren nicht gezeigt).
Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver oder metallhaltige Pulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Anstelle von Pulver können auch andere geeignete Materialien als Aufbaumaterial verwendet werden, z.B. Partikel, Pasten, Flüssigkeiten, etc.
Optional ist in der Prozesskammer 3 eine Strahlungsheizung 17 angeordnet, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 15 dient. Als Strahlungsheizung 17 kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
In der Prozesskammer 3 ist weiter ein ebenfalls in einer horizontalen Richtung B (s. 2a) über die Arbeitsebene 7 bewegbarer Belichter 18 angeordnet, der eine Laserstrahlung 19 erzeugt, die auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird. Der Belichter 18 ist vorzugsweise als ein Zeilenbelichter ausgebildet, der dazu ausgebildet ist, einen sich quer zu seiner Bewegungsrichtung B erstreckenden Bereich zu belichten, der sich quer zur Bewegungsrichtung B über den gesamten zu belichtenden Bereich erstreckt. An seiner dem Baufeld 8 bzw. der Arbeitsebene 7 zugewandten Seite, d.h. seiner Unterseite, weist der Belichter 18 eine untere Begrenzung 18a auf, die den Belichter zur Arbeitsebene 7 hin begrenzt. Die untere Begrenzung 18a kann beispielsweise eine für die Laserstrahlung 19 zumindest bereichsweise transluzente, insbesondere transparente, Platte sein, z.B. eine Glasplatte. Optional kann eine in den Figuren nicht gezeigte Heizvorrichtung an oder nahe der unteren Begrenzung 18a des Belichters zum Beheizen der unteren Begrenzung 18a vorgesehen sein.
Die Bewegungsrichtung B (s. 2a) des Belichters 18 kann parallel zur Bewegungsrichtung H des Beschichters 16 sein, wie in 1 gezeigt. Die Bewegungsrichtungen des Belichters 18 und des Beschichters 16 können jedoch auch voneinander abweichende Bewegungsrichtungen sein, z.B. senkrecht zueinander verlaufen; vorzugsweise sind sie jeweils horizontale Bewegungsrichtungen, d.h. senkrecht zur vertikalen Richtung V, in der der Träger 10 bewegbar ist.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 20, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Der Begriff „Steuereinheit“ bezeichnet insbesondere jede computerbasierte Steuervorrichtung, die in der Lage ist, den Betrieb der additiven Vorrichtung oder eines Bestandteils derselben zu steuern. Beispielsweise kann die Steuereinheit ein Computer sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der additiven Herstellvorrichtung in einer Speichervorrichtung gespeichert sein, von wo aus es, z.B. über ein Netzwerk oder mittels drahtloser Übertragung, in die additive Herstellvorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit, geladen werden kann.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Aufbaumaterialschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Der Beschichter 16 fährt zunächst zu dem Vorratsbehälter 14 und nimmt aus ihm eine Menge des Aufbaumaterials 15 auf, die ausreichend zum Aufbringen einer Schicht oder mehrerer Schichten ist. Dann fährt er über das Baufeld 8 und bringt dort eine dünne Schicht des Aufbaumaterials 15 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorhandene Aufbaumaterialschicht auf. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das Aufbaumaterial 15 mittels der Strahlungsheizung 17 auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend verfährt der Belichter 18 über die aufgebrachte und optional vorgeheizte Aufbaumaterialschicht und verfestigt das Aufbaumaterial 15 an den Stellen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen, indem er diese Stellen selektiv mit der Laserstrahlung 19 belichtet. Im Falle eines pulverförmigen Aufbaumaterials werden dabei die Pulverkörner an diesen Stellen durch die durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Die Belichtung der zu verfestigenden Stellen erfolgt vorzugsweise so, dass der Belichter in der Bewegungsrichtung B (s. 2a) über das Baufeld 8 verfährt und alle zu verfestigenden Stellen der Aufbaumaterialschicht, die jeweils unterhalb der momentanen Position des Belichters 18 liegen, gleichzeitig belichtet. Hierzu ist der Belichter dazu ausgebildet, in der Richtung quer zu seiner Bewegungsrichtung unterschiedliche Belichtungsprofile zu erzeugen. Das ist in der vorliegenden Ausführungsform durch eine Mehrzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer Belichtungseinheiten in Form von Laserarrays 31 (s.u.) verwirklicht.
Die 2a bis 2c zeigen schematisch eine Ansicht des Belichters 18 von unten, d.h. in Draufsicht auf dessen untere Begrenzung 18a. Die Bewegungsrichtung des Belichters 18 über das Baufeld 8 (s. 1) ist dabei durch einen Pfeil B dargestellt. 2a zeigt, wie auf der Unterseite des Belichters 18 eine Mehrzahl von Lasermodulen 30 in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet ist. 2b zeigt, wie jedes Lasermodul 30 aus einer Mehrzahl von Laserarrays 31, die die Belichtungseinheiten darstellen, gebildet ist. 2c zeigt, wie jedes Laserarray 31 aus einer Mehrzahl einzelner Laser 32 gebildet ist.
Die einzelnen Laser 32 können beispielsweise als Halbleiter-Diodenlaser vom Typ VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet sein. Diese Laserquellen haben eine Abstrahlrichtung senkrecht zur Haupterstreckung (Waferebene) und eine kreissymmetrische Strahldivergenz und sind besonders gut zur Anordnung in zweidimensionalen Arrays geeignet. Bei dem in 2c gezeigten Laserarray 31 sind die einzelnen Laser 32 zueinander versetzt, beispielsweise in Rautenform angeordnet, es sind jedoch auch beliebige andere Anordnungen möglich. Alle Laser 32 eines Laserarrays 31 werden bevorzugt gleichzeitig angesteuert. Die kleinste einzeln ansteuerbare Belichtungseinheit des Belichters 18 ist dann das Laserarray 31. Das hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines einzelnen Lasers nicht gleich eine vollständige Belichtungseinheit ausfällt, sondern der Leistungsabfall von den anderen Lasern des Laserarrays ausgeglichen werden kann. Alternativ kann jeder Laser oder eine Mehrzahl von Lasern individuell ansteuerbar sein.
Mehrere Laserarrays 31 sind zu einem Lasermodul 30 zusammengefasst. Das in 2b gezeigte Lasermodul 30 umfasst rein beispielhaft zwei Reihen von je 12 Laserarrays 31. Eine Reihe von Laserarrays ist hier als quer, vorzugsweise senkrecht, zur Bewegungsrichtung B nebeneinander angeordnete Laserarrays definiert. Für jedes Lasermodul 30 ist ferner ein (in den Figuren nicht gezeigtes) optisches Element bereitgestellt, mit dem das Laserlicht der Laserarrays 31 auf die Arbeitsebene 7 abgebildet wird. Das Laserlicht eines Laserarrays 31 wird dabei als ein Strahlbündel auf einen Bildpunkt (Pixel) in der Arbeitsebene 7 abgebildet. Jedes Lasermodul 30 ist auf einen bestimmten Bereich in der Arbeitsebene 7 gerichtet. Wenn der Belichter 18 in seiner Bewegungsrichtung B bewegt wird, bilden die Bildpunkte der eingeschalteten Laserarrays 31 eine Spur.
Bei dem in 2b gezeigten Lasermodul 30 sind die einzelnen Laserarrays 31 in zwei versetzten Reihen so angeordnet, dass die Spuren ihrer Bildpunkte in der Arbeitsebene bei einer Bewegung des Lasermoduls 30 in der Bewegungsrichtung B aneinandergrenzen. Wenn beispielsweise die Laserarrays 31 quer zur Bewegungsrichtung eine Breite von 0,1 mm haben und in einem verkleinernden Abbildungsmaßstab von 1:5 auf das Baufeld abgebildet werden, haben die aneinandergrenzenden Spuren der Laserarrays 31 eine Breite von 0,02 mm. Anders ausgedrückt hat der Belichter 18 in einer Richtung quer zu seiner Bewegungsrichtung B eine Auflösung von 0,02 mm.
Um die gesamte Breite des Belichters 18 auszunutzen, sind mehrere Lasermodule 30 in der Richtung quer zur Bewegungsrichtung B in einer Reihe angeordnet. Eine Reihe von Lasermodulen ist als quer, vorzugsweise senkrecht, zur Bewegungsrichtung B nebeneinander angeordnete Lasermodule 30 definiert. Bei dem in 2a gezeigten Belichter umfasst jede Reihe rein beispielhaft elf Lasermodule 30. Aufgrund der optischen Verkleinerung der Lasermodule 30 durch das optische Element (in den Figuren nicht gezeigt) ist die Gesamtbreite einer bei einer Bewegung eines Lasermoduls 30 in der Bewegungsrichtung B aus den Bildpunkten aller Laserarrays 31 des Lasermoduls 30 gebildeten Spur um den Verkleinerungsmaßstab schmaler als das Lasermodul 30 selber. Das Rastermaß der Spuren aller Lasermodule in einer Reihe, also der Mittenabstand der Spuren zueinander, entspricht aber dem (unverkleinerten) Rastermaß der Lasermodule 30. Somit verbleibt zwischen den durch eine einzelne Reihe von Lasermodulen 30 belichtbaren Spuren ein nicht belichtbarer Bereich.
Um eine kontinuierliche Belichtung der Arbeitsebene 7 in der Richtung quer zur Bewegungsrichtung B zu ermöglichen, sind daher mehrere Reihen von Lasermodulen 30 versetzt zueinander angeordnet. Der in 2a gezeigte Belichter 18 umfasst rein beispielhaft fünf zueinander versetzte Reihen von Lasermodulen 30. Anders ausgedrückt sind die Lasermodule 30 in der Bewegungsrichtung B des Belichters gestuft hintereinander in Kaskaden angeordnet, wobei die Lasermodule 30 einer Kaskade in der Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Bewegungsrichtung B zueinander versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind. In 2a bilden beispielsweise die am weitesten links gelegenen Lasermodule 30 der fünf Reihen eine erste Kaskade. Mehrere solcher Kaskaden sind dann in der Richtung quer zur Bewegungsrichtung B nebeneinander angeordnet. Innerhalb jeder Kaskade sind die Lasermodule 30 so weit versetzt zueinander angeordnet, dass die Spuren der Bildpunkte ihrer Laserarrays 31 aneinandergrenzen.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält der Belichter 108 Lasermodule, jedes Lasermodul enthält 32 Laserarrays, und jedes Laserarray enthält 282 VCSEL. In diesem Fall weist der Belichter 3456 einzeln ansteuerbare Belichtungseinheiten (Laserarrays) auf.
Weiter ist in 2a die untere Begrenzung 18a des Belichters 18 gezeigt. Aufgrund der Anordnung der einzelnen Laser 32 in Laserarrays 31 und Lasermodulen 30 tritt im Betrieb des Belichters 18 nicht durch alle Bereiche der unteren Begrenzung 18a Laserlicht. Somit gibt es Bereiche der unteren Begrenzung 18a, durch die im Betrieb des Belichters 18 Laserlicht bzw. Strahlbündel hindurchtreten oder hindurchtreten können, in 2a entsprechen diese den Bereichen der Lasermodule 30. Durch die übrigen Bereiche der unteren Begrenzung 18a tritt im Betrieb des Belichters 18 kein Laserlicht bzw. Strahlbündel hindurch.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 2 bis 5b eine Schutzvorrichtung 40 beschrieben, die an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 anbringbar bzw. angebracht ist.
Die Schutzvorrichtung 40 ist dazu ausgebildet, die untere Begrenzung 18a des Belichters 18 zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten.
Die Schutzvorrichtung 40 ist im Wesentlichen als eine Abdeckung in Form einer Platte mit einer Oberseite 41 und einer Unterseite 42 ausgebildet. Die Oberseite 41 ist dem Belichter zugewandt und die Unterseite 42 weist vom Belichter weg bzw. ist im eingebauten Zustand der Arbeitsebene 7 zugewandt. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite 41 der Platte, 4 auf die Unterseite 42 der Platte, und 5a zeigt eine perspektivische und teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der Schutzvorrichtung 40, wobei die Unterseite 42 der Schutzvorrichtung 40 nach oben weist. Die Schutzvorrichtung 40 ist so an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 (s. 1, 2a) anbringbar, dass ihre Oberseite 41 an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 anliegt (s. z.B. 5b).
Die Schutzvorrichtung 40 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 43 in Form von Kanälen auf, die die Schutzvorrichtung jeweils von der Oberseite 41 zur Unterseite 42 durchdringen, sowie zwischen den Öffnungen bzw. Kanälen 43 angeordnete Gaszuleitungen 50.
Jeder Kanal 43 weist an der Oberseite 41 der Schutzvorrichtung eine Eintrittsöffnung 43a auf, an der Unterseite 42 der Schutzvorrichtung eine Austrittsöffnung 43b, sowie eine die Eintrittsöffnung 43a und die Austrittsöffnung 43b verbindende Wandung 44. Die Wandung 44 eines Kanals 43 bildet einen Strömungskanal für die Beströmung der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 mit einem Gas, wie weiter unten beschrieben. Wie am besten aus 4, 5a ersichtlich ist, ist die Wandung 44 jedes Kanals im Wesentlichen beispielhaft kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Kanal von der Eintrittsöffnung 43a zur Austrittsöffnung 43b verjüngend ausgebildet ist. Eine Fläche der Eintrittsöffnung 43a ist somit größer als eine Fläche der Austrittsöffnung 43b des Kanals 43. Das Verhältnis der Flächen einer Eintrittsöffnung zur einer Austrittsöffnung kann auch umgekehrt sein, oder die Flächen können gleich groß sein. Die Fläche der Eintrittsöffnung 43a und die Fläche der Austrittsöffnung 43b weisen ähnliche Formen auf, in vorliegender Ausführungsform im Wesentlichen rechteckige Formen bzw. die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken. Anstelle von rechteckigen Formen sind auch andere Formen, wie z.B. Kreis, Oval, Ellipse und Vieleck, als Querschnitt der Kanäle und der Ein- und/oder Austrittsöffnungen möglich.
Wie in 3 gezeigt, ist die Oberseite 41 der Schutzvorrichtung 40 im Wesentlichen planar, d.h. eben, ausgebildet. Die Ebene der Oberseite 41 definiert eine Ebene der Schutzvorrichtung 40. An den Seiten der Schutzvorrichtung 40 können Befestigungselemente, hier in Form von Löchern 46, bereitgestellt sein, die der Befestigung der Schutzvorrichtung 40 an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 dienen. Die Löcher 46 können z.B. zur Aufnahme von Schrauben, Befestigungsstiften o.ä. ausgebildet sein. Anstelle der Löcher 46 können beliebige andere Befestigungselemente bereitgestellt sein, die geeignet sind, die Schutzvorrichtung 40 an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 zu befestigen, vorzugsweise lösbar bzw. reversibel zu befestigen, wie z.B. magnetische Befestigungselemente, Rastverbindungen, etc. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Befestigungselemente als Schellspann-Verbindungen ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform können Klickleisten, Klemmen oder Saugnäpfe verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform können auch chemische Verbindungen, wie z.B. ablösebare Klebstoffe benutzt werden. Dadurch können die Montagelöcher bzw. die Löcher 46 an der Schutzvorrichtung wegfallen.
Die Anzahl und Anordnung der Öffnungen 43 in der Schutzvorrichtung 40 ist so gewählt, dass an jeder Stelle der Schutzvorrichtung 40, die einem Bereich der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 entspricht, durch den im Betrieb des Belichters Strahlbündel bzw. Laserlicht hindurchtreten, wenn die Schutzvorrichtung 40 am Belichter 18 angebracht ist, genau eine Öffnung 43 vorgesehen ist. Mit anderen Worten sind die Eintrittsöffnungen 43a der Kanäle 43 an der Oberseite 41 der Schutzvorrichtung an den Stellen vorgesehen, die den Bereichen der Lasermodule 30 des Belichters 18 (s. 2a) entsprechen. Die Bereiche der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18, durch die im Betrieb des Belichters kein Strahlbündel bzw. Laserstrahlung hindurchtritt, werden von der Schutzvorrichtung 40 abgedeckt, wenn die Schutzvorrichtung am Belichter 18 angebracht ist. Die Kanäle 43 bilden somit für das Laserlicht des Belichters 18 durchlässige Bereiche der Schutzvorrichtung 40. Die kegelstumpfförmige Gestalt der Kanäle 43 ist vorzugsweise an den aufgrund des verkleinernden Abbildungsmaßstabs (s.o.) konvergierenden Strahlungsverlauf der Laserstrahlung, d.h. einer aus den Strahlbündeln im Betrieb des Belichters gebildeten Einhüllenden, angepasst. In 5b ist rein schematisch die Einhüllende der Strahlbündel eines Lasermoduls (s. 2a, 2b) durch gestrichelte Linien 33 dargestellt. Mit anderen Worten begrenzt die Einhüllende 33 vorzugsweise einen Bereich, der im Betrieb des Belichters 18 von der Laserstrahlung 19 eines Lasermoduls 30 passiert wird. Die Pfeile der Linien 33 in 5b geben die Richtung an, in der die Laserstrahlung den jeweiligen Kanal 43 durchläuft. Vorzugsweise ist die Wandung 44 des Kanals 43 geringfügig größer ausgebildet als die Einhüllende 33, beispielsweise mit einem Abstand von höchstens einem Millimeter (z.B. 0,8 mm) zur Einhüllenden 33.
Somit sind die Öffnungen bzw. Kanäle 43 der Schutzvorrichtung 40 in zueinander versetzten Reihen bzw. in gestuften Kaskaden (Spalten) angeordnet, entsprechend der Anordnung der Lasermodule 30 des Belichters 18 (s. 2a). In 3, 4 ist rein beispielhaft eine Schutzvorrichtung mit neun Reihen von je 12 Öffnungen 43 dargestellt, d.h. 12 Kaskaden mit jeweils neun Öffnungen 43, womit die gezeigte Schutzvorrichtung 40 beispielsweise für einen Belichter 18 von neun Reihen von je 12 Lasermodulen 30 geeignet ist.
In vorliegender Ausführungsform sind die Gaszuleitungen 50 der Schutzvorrichtung 40 jeweils zwischen zwei benachbarten Kaskaden (Spalten) von Öffnungen 43 angeordnet. Beispielsweise kann jeweils eine Gaszuleitung den Öffnungen 43 einer Kaskade zugeordnet sein, um diese mit einem Gas zu versorgen, wie weiter unten beschrieben. Jede Gaszuleitung erstreckt sich, wie in 4 gezeigt, von einem ersten Ende 51a der Gaszuleitung 50 zu einem dem ersten Ende 51a gegenüberliegenden zweiten Ende 51b. Zumindest eines der beiden Enden 51a, 51b, vorzugsweise beide Enden 51a, 51b, sind mit einem in den Figuren nicht gezeigten Gasvorrat und optional einer ebenfalls nicht gezeigten Gasfördereinrichtung, z.B. einer Turbine, verbunden, um der Gaszuleitung 50 Gas zuzuführen. Vorzugsweise ist ein Volumenverhältnis des durch das erste Ende 51a zugeführten Gases zu dem durch das zweite Ende 51b zugeführten Gases einstellbar, insbesondere in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung B des Belichters. Hierzu können beispielsweise entsprechende Regelungseinrichtungen, z.B. Ventile zur Steuerung einer Gasdurchflussmenge (in den Figuren nicht gezeigt), vorgesehen sein. Weiter kann die Schutzvorrichtung 40 eine in den Figuren nicht gezeigte Heizeinrichtung umfasst zum Beheizen des durch die Gaszuleitungen 50 zugeführten Gases. Als Gas kann beispielsweise Stickstoff verwendet werden.
Zwischen dem ersten Ende 51a und dem zweiten Ende 51b ist die Gaszuleitung 50 verjüngend ausgebildet. In vorliegender Ausführungsform ist ein sich verjüngend ausgebildeter Leitungsabschnitt 52 im mittleren Bereich der Gaszuleitung 50 zwischen den beiden Enden 51a, 51b vorgesehen, der eine sich kontinuierlich von dem jeweiligen Ende 51a, 51b zur Mitte hin verkleinernde Querschnittsfläche aufweist.
Die Unterseite 42 der Schutzvorrichtung (s. insbesondere 4, 5a) kann durch die Austrittsöffnungen 43b der Kanäle 43 und die Gaszuleitungen 50 gebildet sein, welche in vorliegender Ausführungsform nach unten (d.h. in Richtung der Arbeitsebene 7, s. 1, wenn die Schutzvorrichtung 40 am Belichter angebracht ist) hervorstehend ausgebildet sind. Gemäß einer in den Figuren nicht gezeigten Weiterbildung der Schutzvorrichtung können die Kanäle 43 und/oder die Gaszuleitungen 50 auch in die Platte der Schutzvorrichtung integriert sein, sodass die Schutzvorrichtung eine planar, d.h. eben, ausgebildete Unterseite 42 aufweist. Dabei sind vorzugsweise die Unterseite und die Oberseite parallel zueinander. In einer weiteren Ausführungsform kann die Unterseite der Schutzvorrichtung geneigt, d.h. in einem Winkel, zur Oberseite verlaufen. Die Neigung der Unterseite zur Oberseite kann in diesem Fall vorteilhaft mit Bezug auf eine Gasströmung der Prozesskammeratmosphäre umgesetzt sein.
Weiter weist jede Öffnung bzw. jeder Kanal 43 in vorliegender Ausführungsform der Schutzvorrichtung 40 zwei Gaseinlässe 53, 54 auf zum Zuführen eines Gases von der Gaszuleitung 50 zu dem Kanal 43. Die Gaseinlässe 53, 54 sind jeweils schlitzförmig ausgebildet, wobei sich eine Längsrichtung des Schlitzes in 5a, 5b in die Zeichenebene hinein erstreckt, d.h. parallel zur Ebene der Schutzvorrichtung 40 (bzw. Ebene der Oberseite 41) verläuft. Die Länge der schlitzförmigen Öffnung des jeweiligen Gaseinlasses 53, 54 ist im Wesentlichen gleich groß wie die Abmessung des Kanals 43 parallel zur Längsrichtung des Schlitzes (in 5a, 5b in die Zeichenebene hinein) bzw. parallel zur Ebene der Schutzvorrichtung 40. Damit erstreckt sich die Länge des schlitzförmigen Gaseinlasses 53, 54 über die gesamte Abmessung des Kanals 43 in einer Richtung parallel zur Länge der schlitzförmigen Öffnung 53 bzw. 54. Die Gaseinlässe 53, 54 sind so ausgebildet, dass aus ihnen ausströmendes Gas im Wesentlichen parallel zur Ebene der Schutzvorrichtung 40 austritt, und somit parallel zur unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 (s. 1, 2a) austritt, wenn die Schutzvorrichtung 40 am Belichter 18 angebracht ist. Zudem durchströmt aus den Gaseinlässen 53, 54 austretendes Gas im Wesentlichen die gesamte Fläche des Kanals 43 parallel zur Ebene der Schutzvorrichtung 40.
Die Gaseinlässe 53 und 54 sind in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Schutzvorrichtung 40 voneinander beabstandet. In 5a, 5b ist der erste Gaseinlass 53 näher an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 als der zweite Gaseinlass 54, wenn die Schutzvorrichtung 40 am Belichter 18 angebracht ist. Vorzugsweise sind beide Gaseinlässe 53 und 54 näher an der Oberseite 41 der Schutzvorrichtung, d.h. der Eintrittsöffnung 43a, angeordnet als an der Unterseite 42 der Schutzvorrichtung bzw. der Austrittsöffnung 43b des jeweiligen Kanals 43. Beispielsweise können die Gaseinlässe 53, 54 in einem Bereich des Kanals angrenzend an die Eintrittsöffnung 43a vorgesehen sein, der einem Drittel einer Gesamterstreckung des Kanals 43 von der Eintrittsöffnung 43a zur Austrittsöffnung 43b entspricht.
Zum Zuführen des Gases zu den Gaseinlässen 53 und 54 weist die Gaszuleitung 50 einen Zufuhrkanal 55 auf, der gasleitend mit dem nicht gezeigten Gasreservoir (s.o.) in Verbindung steht, sowie ausgehend von dem Zufuhrkanal 55 einen zweiten Leitungsabschnitt 56 und einen ersten Leitungsabschnitt 57. Der zweite Leitungsabschnitt 56 weist senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen kleineren Querschnitt auf als die angrenzenden Leitungsabschnitte, d.h. als der erste Leitungsabschnitt 57 und der Zufuhrkanal 55. Der zweite Leitungsabschnitt 56 kann beispielsweise als ein Flachkanal ausgebildet sein. Insbesondere kann der zweite Leitungsabschnitt 56 in Durchströmungsrichtung des Gases Richtungsänderungen aufweisen, z.B. gewunden sein, um das Gas von dem Zufuhrkanal 55 in Richtung der Gaseinlässe 53, 54 zu leiten. In 5a, 5b weist der zweite Leitungsabschnitt 56 eine 180°-Windung auf, welche den Zufuhrkanal 55 mit dem ersten Leitungsabschnitt 57 gasleitend verbindet. Der zweite Leitungsabschnitt 56 bildet beispielsweise eine Engstelle für das durchströmende Gas, welches beim Durchströmen des zweiten Leitungsabschnitts 56 einen Druckverlust und eine Homogenisierung der Strömungseigenschaften erfährt.
Der erste Leitungsabschnitt 57 weist senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen größeren Querschnitt auf als der angrenzende zweite Leitungsabschnitte 56 und die Gaseinlässe 53, 54. Der erste Leitungsabschnitt 57 kann beispielsweise als eine Vorkammer vor den Gaseinlässen 53, 54 ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der erste Leitungsabschnitt 57 in Durchströmungsrichtung des Gases im Wesentlichen eine einheitliche Richtung, d.h. keine Richtungsänderungen, auf. Der erste Leitungsabschnitt 57 kann somit der Strömungsberuhigung des durchströmenden Gases dienen. Durch die an den ersten Leitungsabschnitt 57 anschließenden schlitzförmigen Gaseinlässe 53, 54 kann das in den Kanal 43 einströmende Gas nochmals eine Beschleunigung, d.h. Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, erfahren.
Die Schutzvorrichtung 40 kann aus einem metallischen Material, beispielsweise aus dem Material INVAR36, gefertigt sein. Es muss nicht ausschließlich eine einzige Art eines Metalls genutzt werden. Beispielsweise können zwei oder mehr metallische Materialien kombiniert werden. Es können neben Metall auch andere Materialien, ebenso deren Kombinationen, zur Herstellung der Schutzvorrichtung verwendet werden, wie z.B. Kunststoff, Glas oder Keramik. Vorzugsweise ist die Schutzvorrichtung 40 ein in einem additiven Herstellungsverfahren hergestelltes Bauteil.
Im Betrieb der in Bezug auf 1 beschriebenen additiven Herstellvorrichtung 1 ist die Schutzvorrichtung 40 an der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 angebracht. Somit deckt die Schutzvorrichtung 40 die Bereiche der unteren Begrenzung 18a, durch die im Betrieb des Belichters 18, insbesondere bei der selektiven Belichtung einer aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials, keine Strahlbündel hindurchtreten, ab. Dadurch kann eine Anlagerung von Verunreinigungen an diesen Bereichen der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 verhindert werden. Die den Lasermodulen 30 entsprechenden Bereichen der unteren Begrenzung 18a des Belichters sind für die Strahlbündel durchlässig, da die Schutzvorrichtung 40 an den entsprechenden Stellen Öffnungen 43 aufweist. Die Laserstrahlung 19 kann durch die Öffnungen 43 der Schutzvorrichtung 40 hindurchtreten und auf die Arbeitsebene 7 abgebildet werden. Durch die dreidimensionale Ausgestaltung der Kanäle ist es zudem möglich, in der Prozesskammer auftretende Gasströmungen, die z.B. bedingt durch die Bewegung des Belichters in der Prozesskammer auftreten können, von der unteren Begrenzung 18a des Belichters abzuhalten, was ebenfalls zu einem Reinhaltungseffekt der Schutzvorrichtung 40 beitragen kann.
Weiter wird im Betrieb Gas durch die Gaszuleitungen und die Gaseinlässe 53, 54 in die Öffnungen 43 eingeleitet. Das Gas wird zumindest während des Schrittes der selektiven Verfestigung einer oder mehrerer Aufbaumaterialschichten eingeleitet, vorzugsweise auch davor und/oder danach, besonders bevorzugt während des gesamten Herstellungsvorgangs. Durch das in die Öffnungen 43 einströmende Gas können die Bereiche der unteren Begrenzung 18a, durch die im Betrieb des Belichters Strahlbündel hindurchtreten, weitestgehend von Verunreinigungen freigehalten werden.
Die Gasströmungen im Bereich der Öffnungen bzw. Kanäle 43 sind schematisch in 6 dargestellt. Durch den ersten Gaseinlass 53 strömt ein erster Gasteilstrom 63 in den durch die Wandung 44 des Kanals 43 gebildeten Strömungskanal, und durch den zweiten Gaseinlass 54 strömt ein zweiter Gasteilstrom 64 in den Strömungskanal. Die beiden Gasteilströme 63, 64 treten dabei im Wesentlichen parallel zur Ebene der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 aus den Gaseinlässen 53, 54 aus. Zumindest im Bereich der Gaseinlässe 53, 54 sind die Gasteilströme 63, 64 vorzugsweise laminare Strömungen. Durch die Gasteilströme 63, 64 kann ein an die untere Begrenzung 18a des Belichters 18 angrenzender Bereich des durch die Wandung 44 des Kanals 43 gebildeten Strömungskanals mit dem durch die Gaseinlässe 53, 54 einströmenden Gas geflutet werden, d.h. es entsteht eine Schutzschicht bestehend aus dem eingeleiteten Gas. Diese kann ein Eindringen der Prozesskammeratmosphäre, welche Verunreinigungen mit sich führen kann, in die Kanäle verhindern.
Allgemein umfasst ein Beströmungsverfahren für den Belichter 18 zumindest einen Schritt des Zuführens eines Gases, sodass das Gas im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 ausströmt, um die untere Begrenzung des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten.
Insbesondere kann durch das Zuführen des Gases durch die zwei Gaseinlässe 53, 54 in den jeweiligen Kanal 43 eine Vermischungszone in dem Kanal 43 gebildet werden, in der sich das aus den Gaseinlässen 53, 54 ausströmende Gas mit einer in der Prozesskammer herrschenden Gasatmosphäre (Prozesskammeratmosphäre) vermischt. Diese Vermischungszone ist in einem Abstand zur unteren Begrenzung 18a des Belichters 18 ausgebildet, insbesondere in einem Abstand von mindestens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm, weiter bevorzugt von mindestens 3 mm.
7 zeigt schematisch einen Reinheitsgrad der Gasatmosphäre im Bereich eines Kanals 43 und einem unmittelbar daran angrenzenden Bereich der Prozesskammer 3. Ein Reinheitsgrad von 1 bezeichnet in der Darstellung der 7 einen 100%-igen Anteil des durch die Gaseinlässe 53, 54 zugeführten Prozessgases. Der Reinheitsgrad nimmt mit zunehmender Vermischung des zugeführten Prozessgases mit der in der Prozesskammer vorherrschenden Gasatmosphäre ab. Wie in 7 gezeigt weist der unmittelbar an die untere Begrenzung 18a des Belichters 18 angrenzende Bereich des Kanals 43 einen Reinheitsgrad von im Wesentlichen 100% auf, d.h. es gelangt im Wesentlichen kein Gas aus der Prozesskammer, welches Verunreinigungen mit sich führen kann, an die untere Begrenzung 18a des Belichters. Auch in einigem Abstand (z.B. ein Drittel einer Erstreckung des Kanals von der Eintrittsöffnung 43a zur Austrittsöffnung 43b) von der unteren Begrenzung 18a des Belichters ist ein Reinheitsgrad noch größer als 0,999990, d.h. auch hier bilden die Gasteilströme 63, 64 noch ausreichenden Schutz vor eindringengen Verunreinigungen. Es sei bemerkt, dass in 7 Bereiche mit einem Reinheitsgrad von unter 0,999990 einheitlich, d.h. nicht weiter differenziert, dargestellt sind.
Die oben erwähnte Vermischungszone kann beispielsweise über die in 7 gezeigte Verteilung des Reinheitsgrads der Gasatmosphäre im Bereich eines Kanals 43 definiert sein. In dem Beispiel der 7 kann als Vermischungszone z.B. ein Bereich des Kanals definiert sein, in dem der Reinheitsgrad der Gasatmosphäre zwischen 0,999991 und 0,999997 beträgt.
Gemäß einer in den 6 und 7 schematisch gezeigten Weiterbildung der Schutzvorrichtung 40 ist an der Unterseite 42 der Schutzvorrichtung 40 ein umlaufender Rand 60 ausgebildet, der von einer Ebene der Schutzvorrichtung 40 in Richtung der Arbeitsebene 7 vorsteht. Der umlaufende Rand 60 umschließt eine Anzahl von Öffnungen bzw. Kanälen 43, bevorzugt eine Mehrzahl von Öffnungen bzw. Kanälen. Der umlaufende Rand 60 kann beispielsweise eine strömungsabweisende Funktion haben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in Bezug auf die Figuren beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr sind Modifikationen und Weiterbildungen der in Bezug auf die Figuren beschriebenen Schutzvorrichtung und/oder additive Herstellvorrichtung möglich.
Bei der oben beschriebenen Schutzvorrichtung sind die Öffnungen als Kanäle ausgebildet, die die Schutzvorrichtung von der Oberseite 41 zur Unterseite 42 durchdringen, d.h. die Öffnungen weisen eine Erstreckung senkrecht zur Ebene der plattenförmigen Schutzvorrichtung auf. Die Öffnungen können jedoch auch als Löcher in einer Platte ausgebildet sein, insbesondere wenn die Schutzvorrichtung eine geringere Dicke senkrecht zur Ebene der Platte aufweist.
Auch kann in einer Anzahl der Kanäle 43 der Schutzvorrichtung lediglich ein einziger Gaseinlass, oder mehr als zwei Gaseinlässe, zum Einleiten des Gases in den durch die Wandung 44 gebildeten Strömungskanal vorgesehen sein. Die Gaseinlässe können beispielsweise auch an unterschiedlichen Seiten der den Strömungskanal bildenden Wandung vorgesehen sein. Die Schutzvorrichtung kann auch ohne Gaseinlässe ausgebildet sein.
Weiter kann die Schutzvorrichtung ohne die Kanäle 43 ausgebildet sein, und die Schutzvorrichtung kann eine Anzahl von Gaseinlässen aufweisen zum Beströmen der unteren Begrenzung des Belichters mit einem Gas.
Gemäß einer Weiterbildung kann thermische Energie, insbesondere Wärme, von einem Bereich innerhalb des Belichters zu einer Belichteraußenseite übertragen werden, insbesondere zu einem der Arbeitsebene zugewandten Prozesskammerbereich außerhalb des Belichters, und/oder zu dem ausströmenden Gas. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Belichter zu kühlen, und zugleich auftretende Temperaturdifferenzen zu verringern.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und Verfestigen, insbesondere selektives Verfestigen, eines Aufbaumaterials unter Verwendung eines in der Prozesskammer vorgesehenen Belichters angewendet werden.
Als Belichter kann jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers bzw. mehrerer Laser können beispielsweise eine oder mehrere andere Lichtquellen, ein oder mehrere Elektronenstrahl(en) oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden. Weiter ist die Erfindung auch auf Herstellverfahren anwendbar, bei denen eine durch selektiven Materialauftrag eines oder auch mehrerer verschiedener Aufbaumaterialien vorbereitete Schicht nach dem Auftrag derselben auf das teilweise aufgebaute Bauteil, insbesondere zum Zweck der porenfreien Verbindung der aufgetragenen Schicht mit dem teilweise aufgebauten Bauteil, selektiv belichtet wird.
Allgemein kann die Erfindung auf jede Vorrichtung bzw. in jedem Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts angewandt werden, bei der/dem ein Belichter in einer Prozesskammer der Herstellvorrichtung angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/091485 A1 [0003, 0004]

Claims

Schutzvorrichtung für einen Belichter (18) einer Herstellvorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials (15), wobei der Belichter (18) in einer Prozesskammer (3) der Herstellvorrichtung angeordnet ist, und der Belichter (18) zumindest zwei Belichtungseinheiten (30, 31, 32) umfasst und jede Belichtungseinheit ein wenigstens auf ein Pixel in einer Arbeitsebene (7) richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene (7) zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung (18a) aufweist, die den Belichter (18) zur Arbeitsebene (7) hin begrenzt, wobei die Schutzvorrichtung (40) an der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18) anbringbar ist, und die Schutzvorrichtung (40) dazu ausgebildet ist, die untere Begrenzung (18a) des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend zumindest einen Gaseinlass (53, 54) zum Zuführen eines Gases, der so ausgebildet ist, dass das aus ihm ausströmende Gas im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der unteren Begrenzung (18a) des Belichters austritt, wenn die Schutzvorrichtung (40) am Belichter (18) angebracht ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzvorrichtung im Wesentlichen als eine Abdeckung, vorzugsweise eine Platte, mit Öffnungen (43) ausgebildet ist, wobei an jeder Stelle der Abdeckung, die einem Bereich der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18) entspricht, durch den im Betrieb des Belichters Strahlbündel hindurchtreten, wenn die Schutzvorrichtung (40) am Belichter (189 angebracht ist, genau eine Öffnung (43) vorgesehen ist, und wobei die Schutzvorrichtung (40) vorzugsweise Bereiche der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18), durch die im Betrieb des Belichters keine Strahlbündel hindurchtreten, zumindest teilweise abdeckt, wenn die Schutzvorrichtung am Belichter angebracht ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, wobei eine Wandung (44) der Öffnung (43) einen Strömungskanal für die Beströmung der unteren Begrenzung (18a) des Belichters mit dem Gas bildet, und/oder wobei der Gaseinlass (53, 54) im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet ist, und wobei sich vorzugsweise eine Länge des schlitzförmigen Gaseinlasses über die gesamte Abmessung der Öffnung (43) in einer Richtung parallel zur Länge der schlitzförmigen Öffnung erstreckt, und/oder wobei eine Öffnung (43) zwei oder mehr Gaseinlässe (53, 54) aufweist, und die Gaseinlässe in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene der unteren Begrenzung (18a) des Belichters voneinander beabstandet angeordnet sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2 und 3, oder Anspruch 4, weiter umfassend zumindest eine Gaszuleitung (50), vorzugsweise mehrere Gaszuleitungen, zum Zuführen eines Gases zu dem zumindest einen Gaseinlass (53, 54), und vorzugsweise Verteilen des Gases auf eine Mehrzahl von Gaseinlässen, wobei die Öffnungen (43) der Schutzvorrichtung vorzugsweise in Kaskaden angeordnet sind und jeweils eine Gaszuleitung (50) zwischen zwei benachbarten Kaskaden von Öffnungen vorgesehen ist, um alle Gaseinlässe der Öffnungen der jeweiligen Kaskade mit Gas zu versorgen, und/oder wobei die Gaszuleitung (50) vorzugsweise ein erstes Ende (51a) und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende (51b) aufweist, und beide Enden mit einem Gasvorrat verbunden sind, und wobei weiter bevorzugt ein Volumenverhältnis eines durch das erste Ende (51a) zugeführten Gases zu einem durch das zweite Ende (51b) zugeführten Gases einstellbar ist, insbesondere in Abhängigkeit einer Verfahrrichtung (B) des Belichters, und/oder die Gaszuleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende einen sich verjüngend ausgebildeten Leitungsabschnitt (52) aufweist.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei stromaufwärts des Gaseinlasses (53, 54) ein erster Leitungsabschnitt (57), vorzugsweise eine Vorkammer, vorgesehen ist zum Zuführen eines Gases zu dem Gaseinlass und der erste Leitungsabschnitt (57) senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen größeren Querschnitt aufweist als der Gaseinlass (53, 54), und wobei vorzugsweise stromaufwärts des ersten Leitungsabschnitts (57) ein zweiter Leitungsabschnitt (56) vorgesehen ist, vorzugsweise ein Flachkanal, der senkrecht zur Durchströmungsrichtung einen kleineren Querschnitt aufweist als der erste Leitungsabschnitt.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der zumindest eine Gaseinlass (53, 54) ausgebildet ist und/oder im Betrieb das Gas so zugeführt wird, dass zumindest in einem Bereich der unteren Begrenzung (18a) des Belichters, vorzugsweise im Bereich einer Öffnung (43) der Schutzvorrichtung, eine Vermischungszone gebildet wird, in der sich das aus dem Gaseinlass (53, 54) ausströmende Gas mit einer in der Prozesskammer (3) herrschenden Gasatmosphäre vermischt, wobei die Vermischungszone in einem Abstand zur unteren Begrenzung (18a) des Belichters ausgebildet wird, insbesondere in einem Abstand von mindestens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm, weiter bevorzugt von mindestens 3 mm.
Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei jede der Öffnungen jeweils als ein Kanal (43) ausgebildet ist mit einer der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18) zugewandten Eintrittsöffnung (43a) und einer der unteren Begrenzung (18a) des Belichters abgewandten Austrittsöffnung (43b) und einer die Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung miteinander verbindenden Wandung (44), wobei die Wandung (44) im Wesentlichen parallel zu einer aus den Strahlbündeln, die im Betrieb des Belichters (18) die jeweilige Öffnung passieren, gebildeten Einhüllenden (33) verläuft, vorzugsweise in einem Abstand von unter 1 mm zu der Einhüllenden, und/oder wobei vorzugsweise jeder Kanal (43) eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt aufweist, und/oder wobei vorzugsweise eine Fläche der Eintrittsöffnung (43a) größer ist als eine Fläche der Austrittsöffnung (43b), und/oder wobei vorzugsweise eine Fläche der Eintrittsöffnung (43a) und eine Fläche der Austrittsöffnung (43b) ähnliche Formen aufweisen, insbesondere im Wesentlichen rechteckige Formen.
Herstellvorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials (15), wobei die Herstellvorrichtung umfasst: eine Prozesskammer (3), in der das dreidimensionale Objekt (2) in einem Baufeld (8) in einer Arbeitsebene (7) herstellbar ist, einen Belichter (18) zum, vorzugsweise selektiven, Belichten einer in dem Baufeld (8) aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials (15), wobei der Belichter in der Prozesskammer (3) angeordnet ist, wobei der Belichter (18) zumindest zwei Belichtungseinheiten (30, 31, 32) umfasst und jede Belichtungseinheit ein auf wenigstens ein Pixel in der Arbeitsebene (7) richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene (7) zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung (18a) aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene (7) hin begrenzt, und wobei die Herstellvorrichtung (1) weiter eine Schutzvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst, die an der unteren Begrenzung (18a) des Belichters anbringbar ist.
Herstellvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Belichter (18) in der Prozesskammer (3) in einer Bewegungsrichtung (B) über die Arbeitsebene (7) verfahrbar vorgesehen ist, und/oder wobei jede Belichtungseinheit (30, 31, 32) des Belichters (18) einzeln ansteuerbar ist.
Herstellvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die untere Begrenzung (18a) des Belichters (18) als eine zumindest bereichsweise transluzente, insbesondere transparente, Platte, insbesondere als eine Glasplatte ausgebildet ist.
Herstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Belichter (18) weiter eine Heizvorrichtung zum Beheizen der unteren Begrenzung (18a) aufweist.
Beströmungsverfahren für einen Belichter (18) einer Herstellvorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials (15), wobei der Belichter (18) in einer Prozesskammer (3) der Herstellvorrichtung angeordnet ist, und der Belichter (18) zumindest zwei Belichtungseinheiten (30, 31, 32) umfasst und jede Belichtungseinheit (31) ein wenigstens auf ein Pixel in einer Arbeitsebene (7) richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene (7) zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung (18a) aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene (7) hin begrenzt, und wobei vorzugsweise eine Schutzvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 an der unteren Begrenzung (18a) des Belichters angebracht ist, wobei das Beströmungsverfahren zumindest einen Schritt des Zuführens eines Gases umfasst, sodass das Gas im Wesentlichen parallel zu einer Ebene der unteren Begrenzung (18a) des Belichters ausströmt, um die untere Begrenzung des Belichters zumindest teilweise von Verunreinigungen freizuhalten.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch selektives schichtweises Verfestigen eines Aufbaumaterials (15) in einer additiven Herstellvorrichtung (1), wobei das Objekt in einer Prozesskammer (3) der Herstellvorrichtung hergestellt wird, mit den Schritten: Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials in einem Baufeld (8) in einer Arbeitsebene (7), und Belichten der in dem Baufeld (8) aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials (15) mit einem Belichter (18), wobei der Belichter in der Prozesskammer (3) angeordnet ist, wobei der Belichter (18) zumindest zwei Belichtungseinheiten (30, 31, 32) umfasst und jede Belichtungseinheit (31) ein auf wenigstens ein Pixel in der Arbeitsebene (7) richtbares Strahlbündel erzeugt, und der Belichter an seiner der Arbeitsebene (7) zugewandten Unterseite eine untere Begrenzung (18a) aufweist, die den Belichter zur Arbeitsebene (7) hin begrenzt, und wobei eine Schutzvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 an der unteren Begrenzung (18a) des Belichters (18) angebracht ist, und/oder wobei die Herstellvorrichtung (1) eine Herstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 ist, und/oder wobei zumindest zeitweise ein Beströmungsverfahren nach Anspruch 13 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend einen Schritt des Übertragens von thermischer Energie, insbesondere Wärme, innerhalb des Belichters (18) zu einer Belichteraußenseite, insbesondere zu einem der Arbeitsebene (7) zugewandten Prozesskammerbereich außerhalb des Belichters, und/oder zu dem ausströmenden Gas.