DE102022121405A1

DE102022121405A1 - Additive Fertigungsvorrichtung und additives Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102022121405A1
Application number: DE102022121405.2A
Authority: DE
Inventors: Marko Bärtl; Peter Koppa; Marc Timmer
Original assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Current assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2024-02-29
Also published as: US20250381599A1; CN119497653A; WO2024041750A1; EP4577369A1; JP2025528236A

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Fertigungsanlage zur additiven Fertigung von Gegenständen, insbesondere für eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen. Des Weiteren wird ein verbessertes additives Fertigungsverfahren vorgeschlagen.
Der Prozess der additiven Fertigung erlaubt die Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen derselben aus einem pulverförmigen Werkstoff (Werkstoffpulver) mittels optischer Wechselwirkung. Bei dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (Selective Laser Melting, SLM) kommen dabei insbesondere metallische Werkstoffpulver zum Einsatz, die bevorzugt mittels eines fokussierten Laserstrahls schichtweise zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen werden. Auf diese Weise können beispielsweise Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke etc. hergestellt werden.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens ist beispielsweise in der DE 10 2019 200 680 A1 beschrieben. Der Gegenstand dieser Anmeldung ist hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Der schichtweise Aufbau der Gegenstände bei den additiven Fertigungsverfahren ermöglicht eine große geometrische Freiheit in deren Gestaltung. Zudem sind für die additive Fertigung keine produktspezifischen Werkzeuge notwendig, wodurch eine wirtschaftliche Fertigung kleiner Bauteilstückzahlen möglich wird. Daher kommen additive Verfahren häufig im Bereich des Rapid Prototyping und in der Kleinserienfertigung zum Einsatz.
Um von den Vorteilen der additiven Verfahren auch im Rahmen einer Serienfertigung mit hohen Bauteilstückzahlen profitieren zu können, ist jedoch eine Steigerung der Produktivität der additiven Fertigungsanlagen, insbesondere der SLM Fertigungsanlagen, wünschenswert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung (Vorrichtung zur additiven Fertigung von Gegenständen) bereitzustellen, mit der die Produktivität einer additiven Fertigungsanlage, insbesondere einer SLM Fertigungsanlage, gesteigert werden und bevorzugt gleichzeitig die Herstellungsqualität der zu fertigenden Gegenstände verbessert werden kann. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes additives Fertigungsverfahren, insbesondere ein SLM Fertigungsverfahren, bereitzustellen, mit dem sowohl die Produktivität der Fertigungsanlage als auch bevorzugt die Qualität der gefertigten Gegenstände erhöht werden kann.
Zur Lösung der Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung umfasst eine Prozesskammer zur Bereitstellung mindestens eines Arbeitsraums im Bereich mindestens eines Baufelds. Die Vorrichtung kann insbesondere für ein Verfahren des selektiven Laserschmelzens vorgesehen sein. In diesem Fall können bevorzugt metallische Werkstoffe zum Einsatz kommen.
Als Arbeitsraum wird insbesondere ein Raum/ein Volumen der Prozesskammer bezeichnet, in dem der schichtweise Aufbau eines oder mehrerer Gegenstände erfolgt. Unter einem Baufeld wird bevorzugt ein zweidimensionaler Bereich in dem Arbeitsraum verstanden, in dem die optische Wechselwirkung zur Verfestigung des pulverförmigen Werkstoffs stattfindet. Beim selektiven Laserschmelzen kann ein Baufeld somit einen zweidimensionalen Bereich im Arbeitsraum umfassen, in dem ein fokussierter Laserstrahl auf eine oberste Schicht des pulverförmigen Werkstoffs auftrifft.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung mindestens eine Trennwand, welche die Prozesskammer in mindestens zwei Teilkammern unterteilt, wobei mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt. Je nach Größe der Prozesskammer und der zu fertigenden Gegenstände kann die Prozesskammer mittels einer Trennwand in zwei Teilkammern, mittels zwei Trennwänden in vier Teilkammern, mittels drei Trennwänden in sechs Teilkammern etc. unterteilt werden. Jede der auf diese Weise gebildeten Teilkammern kann mindestens einen Arbeitsraum bereitstellen. Alternativ kann nur eine vorbestimmte Anzahl der gebildeten Teilkammern mindestens einen Arbeitsraum bereitstellen. Bevorzugt können Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum im Wesentlichen die gleiche Größe (das gleiche Volumen) aufweisen. Es ist jedoch ebenso möglich Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum in unterschiedlichen Größen zu bilden.
Die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, weist bevorzugt mindestens einen Beschichter und mindestens ein Optikmodul auf. Dies bedeutet, dass alle durch Trennwände gebildeten Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum bevorzugt mindestens einen Beschichter und mindestens ein Optikmodul aufweisen. Dabei dient der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld der Teilkammer. Mit anderen Worten bringt der Beschichter in dem mindestens einen Arbeitsraum der Teilkammer schichtweise das Werkstoffpulver auf das dort vorhandene Baufeld auf.
Das mindestens eine Optikmodul, das ein Teil einer Bestrahlungseinrichtung oder die Bestrahlungseinrichtung selbst sein kann, dient zum ortsselektiven Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs. Mit anderen Worten bestrahlt das Optikmodul gezielt den im Bereich des Baufelds der Teilkammer vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gemäß Geometrievorgaben für einen oder mehrere zu fertigende Gegenstände, nachdem der Beschichter eine neue Schicht Werkstoffpulver auf das Baufeld aufgetragen hat. Das Optikmodul kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das Werkstoffpulver mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv zu bestrahlen, so dass dieses punktuell so stark erhitzt wird, dass es kurzfristig vollständig in die flüssige Phase übertritt und sich beim Erstarren verfestigt. Bevorzugt ist das Optikmodul über der Teilkammer und beabstandet zu dieser angeordnet.
Da bevorzugt alle durch die mindestens eine Trennwand gebildeten Teilkammern mit mindestens einem Arbeitsraum mindestens einen separaten Beschichter und mindestens ein separates Optikmodul aufweisen, können unterschiedliche Gegenstände/unterschiedliche Arten von Gegenständen aus unterschiedlichen Werkstoffen in den einzelnen Teilkammern gefertigt werden. Dadurch können die Flexibilität und die Produktivität der Fertigungsanlage gesteigert werden.
Ferner umfasst die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass zum Zu- und Abführen eines Schutzgases in die Teilkammer. Dies bedeutet, dass jede Teilkammer, welche zur additiven Fertigung von Gegenständen genutzt wird, eine separate Schutzgasatmosphäre mit einer separaten Schutzgasströmung aufweisen kann. Die Schutzgasatmosphäre kann zum einen die Oxidation des metallischen Werkstoffs verhindern, zum anderen kann die Schutzgasströmung dazu beitragen, Schmauch und Schmelzspritzer, die bei der Bestrahlung des Werkstoffs durch das Optikmodul entstehen, aus dem Baufeld abzuführen. Beispielsweise können Argon und/oder Helium oder Stickstoff oder Neon (oder andere) als Schutzgase zum Einsatz kommen. Durch die Aufteilung der Prozesskammer in einzelne Teilkammern mit einem separaten Optikmodul und einer separaten Schutzgasströmung kann die Schmauchbildung reduziert und die Abführung des entstandenen Schmauchs verbessert werden. Dies ermöglicht die Bereitstellung konstanter Prozessbedingungen in den Teilkammern und erhöht somit die Herstellungsqualität der gefertigten Gegenstände.
Zur Zu- und Abführung des Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, ist entweder der mindestens eine Gaseinlass oder der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Trennwand angeordnet. Beispielsweise kann eine Gasabfuhr durch die Trennwand erfolgen, indem das Schutzgas durch die Trennwand (nach oben) abgesaugt wird. Dazu können beispielsweise geeignete Kanäle/Rohrleitungen in der Trennwand angebracht sein, durch die das Schutzgas mittels einer oder mehrere Absaugeinrichtungen aus den Teilkammern gefördert werden kann. Kommt beispielsweise eine Prozesskammer mit zwei Teilkammern zum Einsatz, in denen das gleiche Schutzgas verwendet wird, so kann das abgesaugte Schutzgas einem gemeinsamen Filtersystem zur Reinigung zugeführt werden. In diesem Fall ist auch ein gemeinsamer Kanal/eine gemeinsame Rohrleitung durch die Trennwand und eine gemeinsame Absaugsaugeinrichtung möglich.
Der Einsatz von getrennten Teilkammern zur additiven Fertigung von Gegenständen erlaubt jedoch auch die Verwendung von unterschiedlichen Schutzgasen in den einzelnen Teilkammern. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung sowohl der Flexibilität und als auch der Qualität des Fertigungsprozesses, da das jeweilige Schutzgas gemäß den unterschiedlichen Anforderungen an die Fertigung der unterschiedlichen Gegenstände in den einzelnen Teilkammern ausgewählt werden kann (z.B. im Hinblick auf die benötigten Prozessparameter für die Fertigung der verschiedenen Gegenstände). Hierbei kann die Abfuhr der unterschiedlichen Schutzgase über getrennte Kanäle/ Rohrleitungen in der Trennwand mittels separater Absaugeinrichtungen zu getrennten Filtersystemen erfolgen. Insbesondere kann es sich bei den erwähnten Filtersystemen um Umluftfiltersysteme handeln, welche die Absaugeinrichtung umfassen und das gereinigte Schutzgas über den mindestens einen Gaseinlass wieder der mindestens einen Teilkammer zuführen.
Es ist ebenso möglich, dass anstelle des mindestens einen Gasauslasses, der mindestens eine Gaseinlass der mindestens einer Teilkammer, welche den mindestens einen Arbeitsraum bereitstellt, in der mindestens einen Trennwand angeordnet/integriert ist. Das Schutzgas kann in diesem Fall beispielsweise von oben durch die Trennwand und seitlich aus dieser in die Teilkammer(n) geleitet werden. Der mindestens eine Gaseinlass kann dabei bevorzugt derart in der Trennwand angeordnet sein, dass das zugeführte Schutzgas gleichmäßig über das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums strömen kann.
Durch die Integration des Gaseinlasses oder des Gasauslasses in der Trennwand steht in der Teilkammer ein größerer Bereich für den mindestens einen Arbeitsraum zur Verfügung, da keine zusätzlichen Elemente zur Zu- oder Abfuhr des Schutzgases in der Teilkammer angeordnet werden müssen. Folglich kann die Produktivität der additiven Fertigung gesteigert werden, da eine größere Anzahl von Gegenständen in der Teilkammer hergestellt werden kann.
Weiters können mittels Integration der Gaszufuhr in der Trennwand die durch die Trennwand gebildeten Teilkammern aus zentralen Gaseinlässen, die beispielsweise auf beiden Seiten der Trennwand angeordnet sein können, mit Schutzgas versorgt werden. Alternativ kann mittels Gasauslässen auf beiden Seiten der Trennwand, Schutzgas aus mehreren Teilkammern abgeführt werden. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die einzelnen Teilkammern der Prozesskammer, welcher Strömungsverluste reduzieren und somit die Effizienz der Fertigungsanlage steigern kann.
Gemäß einer Ausführungsform können der mindestens eine Gaseinlass und der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Teilkammer einander gegenüberliegend angeordnet sein. Dies bedeutet, dass entweder der mindestens eine Gaseinlass oder der mindestens eine Gasauslass gegenüber der mindestens einen Trennwand angeordnet sein kann. Wenn der mindestens eine Gasauslass in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist, so kann sich der Gaseinlass der Teilkammer in einem Element/Bauteil befinden, das in einem äußeren Bereich der Teilkammer angeordnet ist und der Trennwand gegenüberliegt. In diesem Fall kann eine Strömung über dem Baufeld ausgebildet werden, die parallel zu diesem von einer äußeren Seite zu einer inneren Seite der Teilkammer strömt. Dadurch kann eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung erzielt werden, wodurch Schmauch und Schmelzspritzer kontinuierlich abgeführt werden können. Unter einer inneren Seite einer Teilkammer soll die Seite verstanden werden, die an die mindestens eine Trennwand und somit an eine benachbarte Teilkammer angrenzt.
Wenn hingegen der mindestens eine Gaseinlass in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist, kann sich der Gasauslass der mindestens einen Teilkammer in einem Element/Bauteil befinden, das in einem äußeren Bereich der Teilkammer angeordnet ist. In diesem Fall kann eine Strömung über dem Baufeld ausgebildet werden, die parallel zu diesem von der inneren Seite zu der äußeren Seite der Teilkammer strömt. Bevorzugt grenzt das Element, in dem sich der Gasauslass befindet direkt an das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums an, so dass dort entstehender Schmauch und Schmelzspritzer direkt abgesaugt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld in der Trennwand angeordnet sein. Beispielsweise kann die Pulverzufuhr des mindestens einen Beschichters direkt in die Trennwand integriert sein, so dass das Werkstoffpulver z.B. über einen Kanal/eine Rohrleitung in der Trennwand auf das Baufeld des mindestens eines Arbeitsraums der mindestens einen Teilkammer gelangen kann. Dadurch kann der Arbeitsraum in der Teilkammer größer gestaltet und somit die Produktivität der Fertigungsanlage zusätzlich erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ferner einen Baubehälterträger umfassen, der unterhalb der Prozesskammer angeordnet ist und dessen Oberseite die Prozesskammer nach unten abschließt. Mit anderen Worten kann die Oberseite des Baubehälterträgers die Unterseite/einen Teil der Unterseite der Prozesskammer umfassen. Um den mindestens einen in der Trennwand angeordneten Gasein- oder auslass gegen die Oberseite des Baubehälterträgers abzudichten, kann die Trennwand an ihrer Unterseite mindestens eine Dichtung aufweisen.
Der Baubehälterträger kann mindestens einen Baubehälter mit einer Bauplatte und einer Hubvorrichtung aufweisen, der den mindestens eine Arbeitsraum aufnimmt. Dies bedeutet, dass der mindestens eine Arbeitsraum der mindestens einen Teilkammer in dem mindestens einen Baubehälter angeordnet sein kann. Der Baubehälterträger kann eine Vielzahl von Baubehältern umfassen. Insbesondere kann jede Teilkammer der Prozesskammer mindestens einen Baubehälter enthalten. Es ist ebenso möglich, dass eine Teilkammer mehrere Baubehälter aufweist.
Die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters kann insbesondere das Baufeld in dem Arbeitsraum des Baubehälters stützen. Dies bedeutet, dass ein oder mehrere zu fertigende Gegenstände auf der Bauplatte aufgebaut werden können. Die Hubvorrichtung kann die Bauplatte vertikal positionieren, so dass der mindestens eine Arbeitsraum z.B. durch Absenken der Bauplatte in dem Baubehälter gebildet werden kann. Insbesondere kann die Hubvorrichtung die Bauplatte nach jedem Aufbauschritt um eine Schichtdicke (Dicke einer Schicht aufzutragenden Werkstoffpulvers) vertikal nach unten bewegen. Ein Aufbauschritt kann dabei ein Aufbringen des Werkstoffpulvers auf die Bauplatte mittels des mindestens einen Beschichters und ein Verfestigen des Werkstoffs mittels des mindestens einen Optikmoduls umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger den mindestens einen Baubehälter von einer ersten Position in eine zweite Position bewegen. Bei dem Baubehälterträger kann es sich bevorzugt um einen zylindrischen Träger handeln, der rotiert werden kann, um den mindestens einen Baubehälter von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen. Die Rotation kann vorzugsweise um eine Längsachse des Baubehälters erfolgen.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälterträger eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und beispielsweise als Quader, Würfel oder Pyramidenstumpf ausgeführt ist. Zur Bewegung des mindestens einen Baubehälters kann anstelle/zusätzlich zu der Rotation des Baubehälterträgers eine translatorische Bewegung desselben ausgeführt werden, um den mindestens einen Baubehälter von der ersten in die zweite Position zu bewegen. Sowohl bei der rotatorischen als auch bei der translatorischen Bewegung führt der Baubehälterträger zur Bewegung des Baubehälters selbst eine Bewegung durch (Eigenbewegung). Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälterträger keine Eigenbewegung durchführt bzw. nur Teile des Baubehälterträgers bewegt werden. Beispielsweise kann in diesem Fall der mindestens einen Baubehälter mittels eines Greifers von der ersten in die zweite Position bewegt werden.
Unter einer Bewegung des Baubehälters von einer ersten und in einer zweiten Position soll eine Bewegung des Baubehälters von einer beliebigen Position in eine weitere beliebige Position des Baubehälters in der Prozesskammer verstanden werden. Die Anzahl der Positionen in der Prozesskammer ist nicht auf zwei beschränkt, sondern der Baubehälter kann in eine Vielzahl von Positionen bewegt werden. Durch den Begriff „von einer ersten Position in eine zweite Position“ soll lediglich ausgedrückt werden, dass der Baubehälter von einer Position in eine nächste Position bewegt wird. Er kann somit auch von der zweiten Position in eine dritte Position, von der dritten Position in eine vierte Position etc. bewegt werden. In einer ersten Position kann sich der Baubehälter beispielsweise in einer ersten Teilkammer befinden, während er sich in einer zweiten (nächsten) Position z.B. in einer anderen Teilkammer der Prozesskammer befinden kann. Es ist ebenso möglich, dass sich beide Positionen in einer Teilkammer befinden. Ebenso kann sich eine der Positionen unterhalb der mindestens einen Trennwand befinden, beispielsweise um Werkstoffpulver aus dem in der Trennkammer angeordneten Beschichter auf die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters aufzubringen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Baubehälter um seine Längsachse rotierbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Bauplatte des mindestens einen Baubehälters um ihre Längsachse und/oder die Längsachse des Baubehälters rotierbar sein. Insbesondere kann der Baubehälter eine zylindrische Form aufweisen (Bauzylinder). Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Baubehälter eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und beispielsweise als Quader oder Würfel ausgeführt ist. Je nach Ausführungsform des Baubehälters kann die Bauplatte beispielsweise eine runde oder eine rechteckige Form aufweisen. Die Bauplatte kann derart an/in dem Baubehälter gelagert sein, dass ihre Längsachse mit der Längsachse des Baubehälters übereinstimmt. In diesem Fall umfasst eine Rotation um die Längsachse der Bauplatte gleichzeitig eine Rotation um die Längsachse des Baubehälters. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Längsachsen der Bauplatte und des Baubehälters nicht übereinstimmen und die Bauplatte z.B. auf einem von der Längsachse beabstandeten Radius eines Bauzylinders angeordnet ist. Hierbei kann eine Rotation der Bauplatte um die Längsachse des Bauzylinders eine Bewegung der Bauplatte entlang dieses Radius bedeuten. Eine Rotation der Bauplatte um ihre eigene Längsachse kann in diesem Fall außerhalb der Längsachse des Bauzylinders, in einer von dieser um den besagten Radius beanstandeten Position stattfinden. Eine Rotation des mindestens einen Baubehälters oder dessen Bauplatte ermöglicht die Berücksichtigung unterschiedlicher Bauteilorientierungen für unterschiedliche zu fertigende Gegenstände. Dadurch können die Flexibilität und Produktivität der Fertigungsanlage zusätzlich gesteigert werden. Unter einer Bauteilorientierung soll dabei die Orientierung/Ausrichtung eines zu fertigenden Gegenstands im Arbeitsraum verstanden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld in der Trennwand integriert sein. Bevorzugt kann die Trennwand in diesem Fall an ihrer Unterseite mindestens eine Abstreiferlippe aufweisen. In dieser Ausführungsform kann der mindestens eine Beschichter vollständig in der Trennwand enthalten sein, insbesondere können auch alle Funktionen des Beschichters mit Hilfe der Trennwand ausgeführt werden. Wie bereits oben beschrieben, kann die Pulverzufuhr des Beschichters beispielsweise über einen Kanal/eine Rohrleitung in der Trennwand erfolgen. Dabei kann die jeweils benötigte Menge an Werkstoffpulver z.B. mittels einer Förderwelle bereitgestellt und über den Kanal in der Trennwand der Bauplatte des Baubehälters zugeführt werden. Durch die an der Unterseite der Trennwand befindliche Abstreiferlippe kann das Werkstoffpulver auf der Bauplatte verteilt werden, wenn der Baubehälter die Trennwand auf dem Weg von einer ersten zu einer zweiten Position passiert. Dies bedeutet, dass im Rahmen einer Bewegung des Baubehälters gleichzeitig das Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Baufeld (Beschichten) erfolgt. Bevor die Bauplatte unter der Trennwand mit der Abstreiferlippe hindurchbewegt wird, kann diese mittels der Hubvorrichtung vertikal geeignet positioniert, z.B. um eine Schichtdicke abgesenkt werden.
Mittels dieser Ausführungsform kann die Funktion des Beschichtens vollständig in bereits vorhandene Bauteile der Vorrichtung integriert werden, so dass keine separate Beschichterkomponente zum Zuführen und Verteilen des Werkstoffpulvers auf dem Baufeld notwendig ist. Dies ermöglicht einen vergrößerten Arbeitsraum in jeder Teilkammer und reduziert zusätzlich den Bauteilaufwand für die Fertigungsanlage.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger zudem mindestens eine Werkstoffabfuhröffnung aufweisen. Über diese kann überschüssiges Werkstoffpulver aus dem mindestens einen Baubehälter, insbesondere von dessen Bauplatte abgeführt werden. Dies kann durch eine Eigenbewegung, wie beispielsweise eine Rotation, des Baubehälterträgers erfolgen, beispielsweise während dieser den mindestens einen Baubehälter von einer ersten in eine zweite Position bewegt. Bei einer solchen Bewegung wird die Oberfläche des Baubehälterträgers kontinuierlich an/unter der mindestens einen Abstreiferlippe an der Unterseite der mindestens einen Trennwand vorbei-/hindurchgeführt, so dass auf der Oberfläche befindlicher überschüssiger Werkstoff kontinuierlich der mindestens einen Werkstoffabführung zugeführt werden kann. Diese kann dazu bevorzugt auf der Oberseite des Baubehälterträgers angeordnet sein. Besonders bevorzugt können eine Vielzahl von Werkstoffabfuhröffnungen auf der Oberseite des Baubehälterträgers angeordnet sein. Der überschüssige Werkstoff kann durch die Werkstoffabführöffnung(en) einem oder mehreren Pulverüberlaufbehältern zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann mindestens eine der mindestens zwei Teilkammern einen Raum zum Vor- und Nachbereiten des schichtweisen Aufbauens von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff bereitstellen. Mit anderen Worten kann mindestens eine Teilkammer, die mittels der mindestens einen Trennwand gebildet wird, nicht als Arbeitsraum zum additiven Fertigen von Gegenständen genutzt werden, sondern z.B. als Entpack- und/oder Rüststation dienen. In diesem Fall ist kein separates Optikmodul in der betreffenden Teilkammer nötig. Eine solche Ausführungsform ermöglicht es, auch die Vor- und Nachbereitung der herzustellenden/hergestellten Gegenstände in die Fertigungs-anlage zu integrieren. Dadurch kann der Gesamtprozess optimiert und die Produktivität der Fertigung zusätzlich gesteigert werden, da beispielsweise keine Wegstrecke zwischen einer Rüststation und der additiven Fertigungsanlage zurückgelegt werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine erste der mindestens zwei Teilkammern einen ersten Beschichter aufweisen. Dieser kann einen ersten pulverförmigen Werkstoff auf ein erstes Baufeld aufbringen, das von einer ersten Bauplatte eines ersten Baubehälters gestützt wird, der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt. Weiters kann eine zweite der mindestens zwei Teilkammer einen zweiten Beschichter aufweisen. Dieser kann wiederum einen zweiten pulverförmigen Werkstoff auf ein zweites Baufeld aufbringen, das von einer zweiten Bauplatte eines zweiten Baubehälters gestützt wird, der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt. Insbesondere kann der zweite Werkstoff verschieden zu dem ersten Werkstoff sein. Es ist jedoch ebenso möglich, dass es sich bei dem ersten und zweiten Werkstoff um den gleichen Werkstoff handelt. Die Belichtung kann in den Arbeitsräumen simultan erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Teilkammer ein erstes Optikmodul aufweisen, das den im Bereich des ersten Baufelds vorliegenden ersten pulverförmigen Werkstoff ortselektiv bestrahlen kann. Die zweite Teilkammer kann dementsprechend ein zweites Optikmodul aufweisen, das den im Bereich des zweiten Baufelds vorliegenden zweiten pulverförmigen Werkstoff ortselektiv bestrahlen kann. Die Anzahl der Teilkammern ist nicht auf zwei beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Teilkammern vorhanden sein, auf deren Baufelder bevorzugt ein unterschiedlicher Werkstoff aufgetragen werden kann, der nachfolgend von dem Optikmodul der jeweilige Teilkammer bestrahlt wird. Auf diese Weise können in verschiedenen Teilkammern einer Prozesskammer Gegenstände aus unterschiedlichen Werkstoffen additiv gefertigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger den ersten Baubehälter mit der ersten Bauplatte von der ersten Teilkammer in die zweite Teilkammer bewegen, und den zweiten Baubehälter mit der zweiten Bauplatte von der zweiten Teilkammer in die erste Teilkammer bewegen. Dies ermöglicht die Herstellung von Gegenständen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Beispielsweise kann der erste Baubehälter, auf dessen Bauplatte eine Pulverschicht des ersten Werkstoffs aufgetragen wurde, nach der Bestrahlung durch das erste Optikmodul in die zweite Teilkammer bewegt werden. Gleichzeitig kann der zweite Baubehälter mit dem zweiten Werkstoff nach der Bestrahlung in die erste Teilkammer bewegt werden. Dann können die beiden Bauplatten vertikal positioniert, z.B. um eine Schichtdicke abgesenkt werden, und es kann in der zweiten Teilkammer eine Pulverschicht des zweiten Werkstoffs auf den ersten Werkstoff und in der ersten Teilkammer eine Pulverschicht des ersten Werkstoffs auf den zweiten Werkstoff aufgetragen werden. Nach der Bestrahlung durch das erste und zweite Optikmodul in den beiden Teilkammern können die beiden Baubehälter erneut von der einen in die andere Teilkammer bewegt und der Prozess wiederholt werden. Dies ermöglicht beispielsweise den Aufbau von Gegenständen in Sandwichbauweise.
Die genaue Position des ersten und zweiten Baufelds nach einer Bewegung von einer in eine andere Teilkammer kann mittels einer geeigneten Sensorik detektiert und an das erste und zweite Optikmodul übermittelt werden. Auf diese Weise kann der fokussierte Laserstrahl der beiden Optikmodule immer korrekt positioniert werden. Zusätzlich kann die Position des ersten und zweiten Baufelds mittels Rotation des ersten und zweiten Baubehälters und/oder deren Bauplatten wie oben beschrieben angepasst werden.
Bevorzugt können der erste und zweite Beschichter in der mindestens einen Trennwand integriert sein. Dabei kann der erste Beschichter an einer ersten Position in/an der Trennwand angebracht und der zweite Beschichter an einer zweiten Position in/an der Trennwand angebracht sein. An der Unterseite der Trennwand kann an der ersten Position eine erste Abstreiferlippe angeordnet sein und an der zweiten Position kann eine zweite Abstreiferlippe angeordnet sein. Es ist ebenso möglich, dass an der Unterseite der Trennwand eine durchgehende Abstreiferlippe angeordnet ist. Mittels der in der Trennwand integrierten Beschichter kann abwechselnd der erste und zweite Werkstoff auf das erste und zweite Baufeld aufgebracht werden. Insbesondere kann der erste und zweite Werkstoff abwechselnd der ersten und zweiten Bauplatte zugeführt und durch Bewegung des ersten und zweiten Baubehälters auf den Bauplatten verteilt werden.
Überschüssiges Werkstoffpulver kann durch die Eigenbewegung, insbesondere die Rotation des Baubehälterträgers wie oben beschrieben mittels der Abstreiferlippe(n), der mindestens einen Werkstoffabfuhröffnung zugeführt werden. Handelt es sich bei dem ersten und zweiten Werkstoff um unterschiedliche Werkstoffe, so kann das durch die Werkstoffabführung vermischte Werkstoffpulver einem oder mehreren Pulverüberlaufbehältern zur Wiederaufbereitung zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Teilkammer und die zweite Teilkammer einen gemeinsamen Gaseinlass oder einen gemeinsamen Gasauslass aufweisen. Bevorzugt kann der gemeinsame Gasein- oder -auslass wie oben beschrieben in der mindestens einen Trennwand angeordnet/integriert sein. Dabei kann das Schutzgas aus der ersten und zweiten Teilkammer, die bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten der Trennwand angeordnet sind, z.B. über Öffnungen in den beiden Seiten der Trennwand, in einen gemeinsamen Auslasskanal in der Trennwand gesaugt werden. Auf ähnliche Art und Weise kann ein gemeinsamer Gaseinlass in die erste und zweite Teilkammer realisiert werden, indem Schutzgas von oben durch einen Kanal in der Trennwand über Öffnungen in deren Seitenflächen in die erste und zweite Teilkammer geleitet wird. Da in diesem Fall das gleiche Schutzgas in beiden Teilkammern verwendet wird, kann bei einem gemeinsamen Gasauslass durch die Trennwand ein gemeinsames Filtersystem verwendet werden. Bei einem gemeinsamen Gaseinlass durch die Trennwand ist nur eine Schutzgasversorgung notwendig. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die beiden Teilkammern, welcher Strömungsverluste reduzieren und somit die Effizienz der Fertigungsanlage steigern kann.
Ein Verfahren, das sich der oben beschriebenen Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen eines Gegenstands aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung bedient, umfasst zumindest einen der nachfolgend beschriebenen Schritte.
In einem ersten Schritt wird mindestens ein Arbeitsraum in mindestens einer Teilkammer im Bereich eines Baufelds bereitgestellt, wobei die mindestens eine Teilkammer durch Teilung einer Prozesskammer mittels mindestens einer Trennwand gebildet wird. Insbesondere kann eine Vielzahl von Teilkammern mittels einer Vielzahl von Trennwänden gebildet werden. Der Arbeitsraum kann bevorzugt in einem Baubehälter bereitgestellt werden, der eine Bauplatte und eine Hubvorrichtung aufweist.
In einem zweiten Schritt wird der mindestens einen Teilkammer ein Schutzgas zugeführt. Mit anderen Worten wird in der mindestens einen Teilkammer eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut, die zum einen die Oxidation des metallischen Werkstoffs verhindern und zum anderen dazu beitragen kann, Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld abzuführen.
Wenn eine Schutzgasatmosphäre in der mindestens einen Teilkammer aufgebaut ist, wird in einem dritten Schritt mittels mindestens eines Beschichters pulverförmigem Werkstoff auf das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums in der mindestens einen Teilkammer aufgebracht. Das Baufeld des mindestens einen Arbeitsraums kann bevorzugt von der Bauplatte des Baubehälters gestützt werden. Diese kann mittels der Hubvorrichtung vertikal positioniert werden. Insbesondere kann die Bauplatte von der Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden, bevor das Werkstoffpulver von dem mindestens eine Beschichter auf das Baufeld gebracht wird. Wie oben beschrieben, kann der mindestens eine Beschichter bevorzugt in der mindestens einen Trennwand angeordnet sein.
Nach dem Aufbringen des Werkstoffpulvers auf das Baufeld erfolgt in einem vierten Schritt ein ortsselektives Bestrahlen des im Bereich des Baufelds vorliegenden pulverförmigen Werkstoffs mittels mindestens eines Optikmoduls. Mit anderen Worten wird der im Bereich des Baufelds der Teilkammer vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gemäß Geometrievorgaben für einen oder mehrere zu fertigende Gegenstände von dem mindestens einen Optikmodul gezielt bestrahlt. Insbesondere wird das Werkstoffpulver von dem Optikmodul mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv bestrahlt und punktuell so stark erhitzt, dass es kurzfristig vollständig in die flüssige Phase übertritt und sich beim Erstarren verfestigt.
Nach der Bestrahlung des Werkstoffs wird in einem fünften Schritt das Schutzgas aus der mindestens einen Teilkammer abgeführt, um Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld zu entfernen. Das abgeführte Schutzgas wird vorzugsweise einem Filtersystem zur Reinigung zugeführt und danach über den mindestens einen Gaseinlass wieder in die Teilkammer eingeleitet. Insbesondere kann dabei eine kontinuierlicher Gasströmung über dem Baufeld aufgebaut werden, die für konstante Prozessbedingungen bei der Bestrahlung des Werkstoffpulvers sorgt. Mit anderen Worten sind der zweite Verfahrensschritt der Schutzgaszufuhr und der fünfte Verfahrensschritt der Schutzgasabfuhr nicht als einmalige Schritte innerhalb des Verfahrensablaufs zu verstehen, sondern diese Schritte finden kontinuierlich statt.
Die Schritte zwei bis fünf, d.h. das schichtweise Auftragen und Verfestigen des Werkstoffpulvers auf das Baufeld unter einer kontinuierlichen Schutzgasströmung, werden wiederholt bis der Gegenstand vollständig aufgebaut/hergestellt ist. Dabei erfolgt entweder das Zuführen des Schutzgases in die mindestens eine Teilkammer oder das Abführen des Schutzgases aus der mindestens eine Teilkammer mittels mindestens eines Gaseinlasses oder mindestens eines Gasauslasses, der in der mindestens einen Trennwand angeordnet ist. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Schutzgasversorgung für die mindestens eine Teilkammer, wodurch Strömungsverluste reduziert werden können. Zudem steht in der mindestens einen Teilkammer ein größerer Bereich für den mindestens einen Arbeitsraum zur Verfügung, da keine zusätzlichen Elemente zur Zu- oder Abfuhr des Schutzgases in der Teilkammer angeordnet werden müssen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zusätzlich zumindest einer der folgenden Schritte zwischen dem zweiten und dritten der oben beschriebenen Schritten ausgeführt werden.
Es kann vor dem Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs mittels des mindestens einen Beschichters eine erste Bauplatte mit Hilfe einer ersten Hubvorrichtung in vertikaler Richtung in einer ersten Teilkammer positioniert werden. Insbesondere kann die erste Bauplatte von der ersten Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden. Die erste Bauplatte kann in einem ersten Baubehälter, der einen ersten Arbeitsraum aufnimmt, zur Stützung eines ersten Baufelds angeordnet sein. In gleicher Weise kann eine zweite Bauplatte mittels einer zweiten Hubvorrichtung in vertikaler Richtung in einer zweiten Teilkammer positioniert werden. Insbesondere kann auch die zweite Bauplatte von der zweiten Hubvorrichtung um eine Schichtdicke abgesenkt werden. Die zweite Bauplatte kann in einem zweiten Baubehälter, der einen zweiten Arbeitsraum aufnimmt, zur Stützung eines zweiten Baufelds angeordnet sein.
Nach der vertikalen Positionierung der ersten und zweiten Bauplatte können in einem weiteren Schritt der erste und zweite Baubehälter mittels eines Baubehälterträgers, in dem der erste und zweite Baubehälter angeordnet sind, von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt werden. Insbesondere können der erste und zweite Baubehälter von einer ersten Position in der ersten und zweiten Teilkammer in eine zweite Position unter die Trennwand bewegt werden. In der Trennwand sind vorzugsweise ein erster und zweiter Beschichter angeordnet, welche ein erstes Werkstoffpulver auf das erste Baufeld und ein zweites Werkstoffpulver auf das zweite Baufeld aufbringen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das erste und zweite Werkstoffpulver aus einem ersten und zweiten Kanal in der Trennwand, der ersten und zweiten Bauplatte zugeführt und mittels mindestens einer an einer Unterseite der Trennwand angeordneten Abstreiflippe auf der ersten und zweiten Bauplatte verteilt werden
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Baubehälterträger zwischen dem dritten und vierten Schritt, d.h. vor dem ortselektiven Bestrahlen des Werkstoffpulvers, den ersten und zweiten Baubehälter von der zweiten Position in eine dritte Position bewegen. Insbesondere können der erste und zweite Baubehälter von der zweiten Position unterhalb der beiden Beschichter in der Trennwand in eine dritte Position bewegt werden, in der sich der zweite Baubehälter in der ersten Teilkammer und der erste Baubehälter in der zweiten Teilkammer befindet. In dieser dritten Position kann das erste und zweite Werkstoffpulver mittels des mindestens einen Optikmoduls in der jeweiligen Teilkammer ortsselektiv bestrahlt und dadurch verfestigt werden.
Durch die Wiederholung der vorstehend beschriebenen Schritte kann das erste und zweite Werkstoffpulver im Wechsel auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen werden. Auf diese Weise können im vorliegenden Fall Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise hergestellt werden. Die Anzahl der Teilkammern, der Beschichter und der Werkstoffpulver ist jedoch nicht auf zwei beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Teilkammern, Beschichtern und Werkstoffpulvern vorhanden sein, so dass auch Gegenstände aus mehr als zwei Werkstoffen hergestellt werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren

1a und 1b: zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung;
2a und 2b: zeigen schematisch eine Innenansicht der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung in einer räumlichen Darstellung;
3a und 3b: zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung;
4a bis 4c: zeigen schematisch eine Draufsicht sowie zwei Schnittdarstellungen der in 3a und 3b dargestellten Vorrichtung;
5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung;
6a und 6b: zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Draufsicht;
7a und 7b: zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung der in 6a und 6b dargestellten Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand beispielhafter Figuren detailliert beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind im Ganzen oder teilweise kombinierbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird, sofern dies nicht notwendig ist.
Die 1a und 1b zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung. Die Schnittebene der Querschnittsdarstellung in 1b ist in 1a durch dünne gepunktete Linien markiert.
Die gezeigte Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 1, die durch eine Trennwand 2 in eine erste Teilkammer 1a und eine zweite Teilkammer 1b aufgeteilt wird. Die Prozesskammer 1 mit ihren Teilkammern 1a, 1b ist der Übersichtlichkeit halber nur in 1b dargestellt. In den beiden Teilkammern 1a, 1b ist jeweils ein Beschichter 22a, 22b angeordnet. Des Weiteren ist oberhalb jeder Teilkammer 1a, 1b ein Optikmodul 9a, 9b und an den äußeren Seiten jeder Teilkammer 1a, 1b ein Gaseinlass 4a, 4b angebracht. Der Gasauslass jeder Teilkammer 1a, 1b befindet sich in der Trennwand 2 (durch Pfeil in der Trennwand 2 angedeutet). Die Prozesskammer 1 ist auf einem Gehäuse 3 platziert. Unterhalb der Prozesskammer 1 ist in dem Gehäuse 3 ein Baubehälterträger 5 angebracht, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Baubehälter 11a und einen zweiten Baubehälter 11b enthält. Jeder der beiden Baubehälter 11a, 11b umfasst wiederum eine Hubvorrichtung 10a, 10b und eine Bauplatte 12a, 12b. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Baubehälterträger 5 eine zylindrische Form auf und auch die Baubehälter 11a, 11b sind als Bauzylinder ausgeführt. Die Oberseite 5a des Baubehälterträgers schließt die Prozesskammer 1 nach unten ab bzw. bildet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Teil der Unterseite der Prozesskammer 1.
Zum schichtweisen Aufbauen eines oder mehrerer Gegenstände mittels selektiven Laserschmelzen bringen die Beschichter 22a, 22b eine Schicht eines pulverförmigen, vorzugsweise metallischen Werkstoffs auf jeweils ein Baufeld auf, das von den Bauplatten 12a, 12b gestützt wird. Nachfolgend wird die aufgebrachte Pulverschicht von dem Optikmodulen 9a, 9b mit einem fokussierten Laserstrahl ortsselektiv bestrahlt. Insbesondere bestrahlen die Optikmodule 9a, 9b den auf den Bauplatten 12a, 12b vorliegenden pulverförmigen Werkstoff gezielt mit jeweils einem fokussierten Laserstrahl 19a, 19b gemäß Geometrievorgaben für die zu fertigende Gegenstände. Nach der Bestrahlung senken die Hubvorrichtungen 10a, 10b die Bauplatten 12a, 12b um eine Schichtdicke ab und die Beschichter 22a, 22b bringen eine weitere Schicht Werkstoffpulver auf das jeweilige Baufeld auf. Der Arbeitsraum für den schichtweisen Aufbau der zu fertigenden Gegenstände wird auf diese Weise in dem Baubehältern 11a, 11b gebildet.
Die Aufteilung der Prozesskammer 1 in zwei Teilkammern 1a, 1b, die jeweils einen Arbeitsraum für die additive Fertigung bereitstellen ermöglicht es, unterschiedliche Gegenstände mit unterschiedlichen Eigenschaften in einer Fertigungsanlage herzustellen. Da beide Teilkammern 1a, 1b jeweils einen eigenen Beschichter 22a, 22b und ein eigenes Optikmodul 9a, 9b aufweisen, können beispielsweise Gegenstände aus unterschiedlichen Werkstoffen in den einzelnen Teilkammern 1a, 1b hergestellt werden.
Um Oxidation des metallischen Werkstoffpulvers zu verhindern und Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld abzuführen, wird über die seitlich an den Teilkammern 1a, 1b angeordneten Gaseinlässe 4a, 4b ein Schutzgas in die Teilkammern eingeleitet. Dieses strömt über das Baufeld und wird zentral über Gasauslässe in der Trennwand 2 wieder abgeführt (durch Pfeile in 1b angedeutet). Dabei wird eine kontinuierliche Gasströmung aufgebaut. Eine Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Gasauslässe ist in 4c gezeigt und wird in Verbindung mit dieser Figur näher beschrieben.
Die Anordnung der Gasein- und -auslässe in den beiden Teilkammern 1a, 1b ermöglicht eine homogene Strömung über dem jeweiligen Baufeld, die für konstante Prozessbedingungen sorgt. Durch die Aufteilung der Prozesskammer 1 in zwei Teilkammern 1a, 1b, die jeweils eine separate Schutzgasströmung aufweisen, können Schmauch und Schmelzspritzer zuverlässig abgeführt werden.
Zudem werden durch die Anordnung der Gasauslässe in der Trennwand 2 zusätzliche Bauteile zur Gasabfuhr in den Teilkammern 1a, 1b vermieden, so dass ein größerer Arbeitsraum für die additive Fertigung der Gegenstände zur Verfügung steht. Wenn in beiden Teilkammern das gleiche Schutzgas verwendet wird, besteht die Möglichkeit einen gemeinsamen Gasauslass in der Trennwand 2 zu realisieren, durch den das verunreinigte Schutzgas einem gemeinsamen Filtersystem zugeführt werden kann. Dadurch kann der Bauteilaufwand der Fertigungsanlage reduziert werden.
Es ist jedoch ebenso möglich getrennte Gasauslässe in der Trennwand 2 anzubringen, wodurch unterschiedliche Schutzgase in den beiden Teilkammern 1a, 1b verwendet werden können. Dadurch wird nochmals eine höhere Flexibilität und Qualität des Fertigungsprozesses erzielt, da das jeweilige Schutzgas gemäß den unterschiedlichen Anforderungen an die Fertigung der unterschiedlichen Gegenstände in den beiden Teilkammern ausgewählt werden kann.
Weiters kann nur eine der beiden Teilkammern 1a, 1b zur additiven Fertigung genutzt werden, während die andere Teilkammer 1a, 1b als Entpack- und Rüststation dienen kann. In diesem Fall ist kein separates Optikmodul 9a, 9b in der betreffenden Teilkammer 1a, 1b nötig. Eine solche Ausführungsform ermöglicht es, auch die Vor- und Nachbereitung der herzustellenden/hergestellten Gegenstände in die Fertigungs-anlage zu integrieren. Dadurch kann der Gesamtprozess optimiert und die Produktivität der Fertigung zusätzlich gesteigert werden, da beispielsweise keine Wegstrecke zwischen einer Rüststation und der additiven Fertigungsanlage zurückgelegt werden muss.
Die 2a und 2b zeigen schematisch eine Innenansicht der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung in einer räumlichen Darstellung. Insbesondere zeigen die 2a und 2b ein Ausführungsbeispiel des Baubehälterträger 5 mit den Baubehältern 11a, 11b.
In 2a ist der Baubehälter 5 in einer Position gezeigt, in der sich die Baubehälter 11a, 11b in einer ersten Position befinden. Dabei befindet sich der erste Baubehälter 11a in/unterhalb der ersten Teilkammer 1a und der zweite Baubehälter in/unterhalb der zweiten Teilkammer 1b (vgl. 1b). Durch Rotation des Baubehälterträgers 5 um seine Längsachse befinden sich die beiden Baubehälter 11a, 11b in 2b in einer zweiten Position, in welcher der erste Baubehälter 11a in/unterhalb der zweiten Teilkammer 1b und der zweite Baubehälter in/unterhalb der ersten Teilkammer 1a positioniert ist. Die Rotation des Baubehälters 5 ist durch den unterhalb des Baubehälters 5 dargestellten Pfeil angedeutet. Die unterhalb der Baubehälter 11a, 11b dargestellten Pfeile veranschaulichen, dass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auch die einzelnen Baubehälter 11a, 11b um ihre Längsachse gedreht werden können.
Durch die Bewegung der beiden Baubehälter 11a, 11b von einer Teilkammer 1a, 1b in eine andere Teilkammer 1a, 1b, die beide einen separaten Beschichter 22a, 22b und ein separates Optikmodul 9a, 9b aufweisen, können Gegenstände aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden. Beispielsweise kann nach dem Auftragen und Verfestigen einer Pulverschicht, bei dem sich die beiden Baubehälter 11a, 11b in der ersten Position befinden, der Baubehälterträger 5 rotiert werden, so dass sich die Baubehälter 11a, 11b dann in der zweiten Position befinden. Während in der ersten Position, in der sich der erste Baubehälter 11a in der ersten Teilkammer 1a befand, ein erster Werkstoff auf ein erstes Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgetragen und verfestigt wurde, kann nun in der zweiten Teilkammer 1b ein zweiter Werkstoff auf das erste Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgetragen und verfestigt werden. Gleiches gilt in umgekehrter Art und Weise für ein zweites Baufeld des zweiten Baubehälters 11b. Nachfolgend kann der Baubehälterträger 5 erneut rotiert werden, so dass beide Baubehälter 11a, 11b sich wieder in der ersten Position befinden und eine neue Schicht des Ausgangswerkstoffs auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen und verfestigt werden kann. Auf diese Weise können Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise gefertigt werden.
Die genaue Position des ersten und zweiten Baufelds der Baubehälter 11a, 11b in den Teilkammern 1a, 1b nach einer Rotation des Baubehälterträgers 5 kann mittels einer geeigneten Sensorik detektiert und an die Optikmodule 9a, 9b übermittelt werden. Auf diese Weise kann der fokussierte Laserstrahl der beiden Optikmodule 9a, 9b immer korrekt positioniert werden. Zusätzlich kann die Position des ersten und zweiten Baufelds mittels Rotation des ersten und zweiten Baubehälters angepasst werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel rotieren die Baubehälter 11a, 11b um ihre Längsachse, so dass unterschiedliche Bauteilorientierungen in den beiden Baubehältern 11a, 11b realisiert werden können. Es ist jedoch ebenso möglich, dass anstelle der Baubehälter oder zusätzlich zu den Baubehältern, die Bauplatten 12a, 12b rotiert werden können. Diese können zentrisch in dem Baubehälter 11a, 11b gelagert sein, so dass die jeweilige Bauplatte 12a, 12b die gleiche Längsachse wie der Baubehälter 11a, 11b aufweist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Bauplatten 12a, 12b beabstandet zur Längsachse des Baubehälters 11a, 11b gelagert sind. In diesem Fall können die Bauplatten 12a, 12b vorzugsweise sowohl um ihre eigene Längsachse als auch um die Längsachse des Baubehälters 11a, 11b rotiert werden. Daraus resultiert ein hoher Freiheitsgrad im Hinblick auf die Positionierung der zu fertigenden Gegenstände im Arbeitsraum.
Es ist ebenso möglich, dass die gezeigte Vorrichtung mehr als eine Trennwand 2 aufweist. Beispielsweise kann die Prozesskammer 1 mittels zwei z.B. senkrecht zueinander angeordneter Trennwände 2 in vier Teilkammern 1a, 1b aufgeteilt werden. Verfügt jede dieser Teilkammern 1a, 1b über einen eigenen Beschichter 22a, 22b und ein eigenes Optikmodul 9a, 9b können in diesem Fall Gegenstände aus bis zu vier Werkstoffen gefertigt werden. Je nach Größe der Prozesskammer 1 können auch mehr als zwei Trennwände 2 zur Aufteilung der Prozesskammer 1 in mehr als vier Teilkammern 1a, 1b in der Prozesskammer 1 angebracht werden.
Die 3a und 3b zeigen schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Querschnittsdarstellung. Die Schnittebene der Querschnittsdarstellung in 3b ist in 3a durch dünne gepunktete Linien markiert. Die Prozesskammer 1 mit ihren Teilkammern 1a, 1b ist der Übersichtlichkeit halber wiederum nur in 3b dargestellt. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorherigen lediglich dadurch, dass die Beschichter 22a, 22b nicht mehr in der ersten und zweiten Teilkammer 1a, 1b vorhanden sind. Alle anderen Elemente sind baugleich zu der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung. Die beiden Beschichter 22a, 22b sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Trennwand 2 integriert. Eine Realisierung dieser Integration wird nachfolgend in Verbindung mit 4b näher beschrieben.
Die 4a bis 4c zeigen schematisch eine Draufsicht sowie zwei Schnittdarstellungen der in den 3a und 3b dargestellten Vorrichtung. Die 4a dient dabei im Wesentlichen zur Definition der Schnittebenen A-A und B-B durch die Vorrichtung, die in den 4b und 4c dargestellt sind.
Dabei zeigt die 4b beispielhaft eine Integration eines einzelnen Beschichters 22 in die Trennwand 2, der in der Schnittebene A-A angeordnet ist. Ein zweiter Beschichter kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung in der Trennwand 2 integriert sein (z.B. in einer Ebene, die aus einer Spiegelung der Schnittebene A-A an der Mittellinie B-B resultiert). Insbesondere können mit diesen beiden in die Trennwand 2 integrierten Beschichtern 22 in gleicher Weise wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise gefertigt werden. Es ist ebenso möglich, dass die Vorrichtung mehr als eine Trennwand 2 aufweist. Beispielsweise kann die Prozesskammer 1 mittels zwei Trennwänden 2 in vier Teilkammern 1a, 1b aufgeteilt werden, wobei in jeder Trennwand 2 jeweils zwei Beschichter 22 integriert werden können. Somit ermöglicht auch das vorliegende Ausführungsbeispiel der Vorrichtung die Herstellung von Gegenständen aus mehr als zwei Werkstoffen.
Man kann erkennen, dass eine Menge an Werkstoffpulver 7 dem Beschichter 22 von oben durch die Trennwand 2 zugeführt wird. Die schichtweise benötigte Werkstoffpulvermenge 7 kann beispielsweise über eine Förderwelle in der Trennwand 2 bereitgestellt werden. Diese gelangt dann über eine trichterförmige Öffnung auf der dem Baubehälterträger 5 zugewandten Seite des Beschichters 22 auf die Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5. Mittels einer an der Unterseite der Trennwand 2 angeordneten Abstreiferlippe 23 kann das Werkstoffpulver 7 durch eine Rotation des Baubehälterträgers 5 auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgebracht werden. Insbesondere kann die benötigte Menge Werkstoffpulver 7 über die trichterförmige Öffnung des Beschichters 22 direkt auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a gelangen, so dass mittels der Abstreiferlippe 23 eine Verteilung des Werkstoffpulvers 7 auf dem Baufeld durch Rotation des Baubehälterträgers 5 erfolgen kann. Dazu kann der Baubehälter 11a vorab in eine geeignete Position in Bezug auf den Beschichter 22 rotiert werden. Bevor das Werkstoffpulver 7 auf das Baufeld des ersten Baubehälters 11a aufgebracht wird, kann dessen Bauplatte 12a bevorzugt um eine Schichtstärke abgesenkt werden.
Die 4c zeigt beispielhaft eine Integration zweier Gasauslässe 24a, 24b in die Trennwand 2, durch welche die Schutzgasabfuhr aus der ersten und der zweiten Teilkammer 1a, 1b erfolgen kann. Dabei wird das Schutzgas aus der ersten Teilkammer 1a über einen ersten Gasauslass 24a und das Schutzgas aus der zweiten Teilkammer 1b über einen zweiten Gasauslass 24b abgeführt. Zur Abdichtung der Gasauslässe 24a, 24b gegenüber der Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5 sind im Bereich der Gasauslässe an der Unterseite der Trennwand 2 Dichtungen 24aa, 24ba angebracht. Das durch Schmauch und Schmelzspritzer verunreinigte Schutzgas, welches durch die Gasauslässe 24a, 24b aus den beiden Teilkammern 1a, 1b abgeführt wird, kann jeweils einem Filtersystem zugeführt werden (nicht dargestellt). Bevorzugt kann es sich dabei um ein Umluftfiltersystem handeln, in dem das Schutzgas gereinigt und danach über die Gaseinlässe 4a, 4b wieder in die Teilkammern 1a, 1b geleitet wird. Wenn in beiden Teilkammern 1a, 1b das gleiche Schutzgas verwendet wird, so kann dieses einem gemeinsamen Filtersystem zur Reinigung zugeführt werden. In diesem Fall ist auch ein gemeinsamer Gasauslass 24a, 24b durch die Trennwand 2 möglich.
Die 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung.
In einem Schritt S500 werden zunächst eine erste Teilkammern 1a und eine zweite Teilkammer 1b durch Teilung einer Prozesskammer 1 mittels einer Trennwand 2 gebildet, und es wird in jeder der beiden Teilkammern 1a, 1b ein Arbeitsraum im Bereich eines Baufelds bereitgestellt. Jede der beiden Teilkammern 1a, 1b umfasst dazu einen Baubehälter 11a, 11b, der wiederum eine Bauplatte 12a, 12b und eine Hubvorrichtung 10a, 10b aufweist (siehe dazu z.B. 1b, 3b und 4c). Die Bereitstellung des Arbeitsraums in den beiden Teilkammern erfolgt, indem die Bauplatten 12a, 12b mittels der Hubvorrichtungen 10a, 10b in den Baubehältern 11a, 11b vertikal positioniert, insbesondere um eine Schichtdicke (Dicke einer Schicht aufzutragenden Werkstoffpulvers) abgesenkt werden. Des Weiteren wird in beiden Teilkammern 1a, 1b eine Schutzgasatmosphäre/ Schutzgasströmung aufgebaut, um eine Oxidation des aufzutragenden Werkstoffpulvers zu verhindern und Schmauch und Schmelzspritzer aus dem Baufeld zu entfernen. Dabei erfolgt die Gaszufuhr in die erste Teilkammer 1a über einen ersten Gaseinlass 4a und die Gaszufuhr in die zweite Teilkammer 1b über einen zweiten Gaseinlass 4b. Der Gasauslass der beiden Teilkammern 1a, 1b erfolgt über die Trennwand (siehe dazu 4c).
Nach der vertikalen Positionierung der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b werden in einem nächsten Schritt S510 der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b mittels eines Baubehälterträgers 5, in dem der erste und zweite Baubehälter angeordnet sind, von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt. Im vorliegenden Fall werden der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b von einer ersten Position in der ersten und zweiten Teilkammer 1a, 1b in eine zweite Position unter die Trennwand 2 bzw. angrenzend an die Trennwand 2 bewegt. In der Trennwand 2 sind ein erster und zweiter Beschichter angeordnet (siehe hierzu 4b), welche ein erstes Werkstoffpulver 7a auf das erste Baufeld und ein zweites Werkstoffpulver 7b auf das zweite Baufeld aufbringen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das erste und zweite Werkstoffpulver 7a, 7b aus einem ersten und zweiten Kanal in der Trennwand 2, der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b zugeführt und mittels mindestens einer an einer Unterseite der Trennwand 2 angeordneten Abstreiflippe 23 auf der ersten und zweiten Bauplatte 12a, 12b verteilt werden (siehe hierzu auch 4b).
Nach dem Auftragen des ersten und zweiten Werkstoffpulvers 7a, 7b auf das erste und zweite Baufeld, werden die Baubehälter 11a, 11b in einem nächsten Schritt S520 mittels des Baubehälterträgers 5 von der zweiten Position in eine dritte Position bewegt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der erste und zweite Baubehälter 11a, 11b von der zweiten Position unterhalb der beiden Beschichter in der Trennwand 2 in eine dritte Position bewegt werden, in der sich der zweite Baubehälter 11b in der ersten Teilkammer 1a und der erste Baubehälter 11b in der zweiten Teilkammer 1b befindet. In der dritten Position befinden sich die beiden Baubehälter 11a, 11b zudem jeweils in einem Bestrahlungsbereich 9aa, 9ba eines ersten und zweiten Optikmoduls 9a, 9b und gleichzeitig in einem optimalen Bereich der Schutzgasströmung zwischen dem Gaseinlass 4a, 4b und dem Gasauslass der jeweiligen Teilkammer. Daher kann in dieser Position in einem nächsten Schritt S530, das erste und zweite Werkstoffpulver mittels der Optikmodule 9a, 9b ortsselektiv bestrahlt und dadurch verfestigt werden.
Während der Rotation von der zweiten in die dritte Position kann überschüssiges Werkstoffpulver 7a, 7b, das sich auf der Oberseite 5a des Baubehälterträgers 5a befinden kann, mittels der Abstreiflippe 23 über die Werkstoffabfuhröffnungen 6a, 6b in einen oder mehrere Pulverüberlaufbehältern (nicht dargestellt) gefördert/geschoben werden.
Durch die Wiederholung der vorstehend beschriebenen Schritte S500 bis S530 kann das erste und zweite Werkstoffpulver 7a, 7b im Wechsel auf das erste und zweite Baufeld aufgetragen werden. Auf diese Weise können gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Gegenstände aus zwei Werkstoffen in Sandwichbauweise hergestellt werden. Dabei kann der Baubehälterträger 5 kontinuierlich rotieren, d.h. sowohl das Auftragen als auch das Bestrahlen des ersten und zweiten Werkstoffpulvers 7a, 7b kann bereits während der Rotation des Baubehälterträgers 5 stattfinden. Ebenso kann während der Rotation kontinuierlich überschüssiges Werkstoffpulver 7a, 7b von der Oberfläche 5a des Baubehälterträgers entfernt werden, da dieser ständig unter der Abstreiferlippe 23 hindurch bewegt wird. Durch den somit kontinuierlich stattfindenden Prozess des Werkstoffauftragens und -verfestigens kann die Herstellung von additiv gefertigten Gegenständen deutlich beschleunigt und damit die Produktivität der Fertigungsanlage gesteigert werden.
Die 6a und 6b zeigen schematisch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum schichtweisen Aufbauen von Gegenständen aus pulverförmigem Werkstoff mittels optischer Wechselwirkung in einer räumlichen Darstellung und in einer Draufsicht. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorherigen dadurch, dass an den äußeren Seiten der ersten und zweiten Teilkammer 1a, 1b, ein erster und zweiter Gasauslass 24a, 24b anstelle des ersten und zweiten Gaseinlasses 4a, 4b angeordnet ist. Zudem umfasst der Baubehälterträger 5 in diesem Ausführungsbeispiel sechs anstelle von lediglich zwei Baubehältern 11a, 11b. Aus diesem Grund sind die beiden Optikmodule 9a, 9b nicht direkt gegenüberliegend auf beiden Seiten der Trennwand 2 angeordnet, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen z.B. in den 1a und 3a gezeigt, sondern in Erstreckungsrichtung der Trennwand beabstandet voneinander angebracht (vgl. 6b). Gleiches gilt für den ersten und zweiten Gasauslass 24a, 24b, die im Unterschied zu den in den 1a und 3a gezeigten Gaseinlässen 4a, 4b ebenfalls nicht gegenüberliegend, sondern in Erstreckungsrichtung der Trennwand 2 beabstandet voneinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Gasauslässe 24a, 24b in diesem Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass Schmauch und Schmelzspritzer (auch Prozessnebenprodukte genannt) direkt am Ort der Entstehung abgesaugt werden können. Die Gaszufuhr in die beiden Teilkammern 1a, 1b erfolgt dabei über entsprechende Gaseinlässe in der Trennwand 2. Dies wird in Verbindung mit den 7a und 7b nachfolgend näher erläutert.
Die 7a und 7b zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung der in 6a und 6b dargestellten Vorrichtung.
In 7a sind in einer Draufsicht die Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba der beiden in den 6a und 6b gezeigten Optikmodule 9a, 9b dargestellt. Durch die jeweils gegenüberliegenden Gasein- und auslässe in den beiden Teilkammern 1a, 1b ist in den Bestrahlungsbereichen 9aa, 9ba jeweils eine Schutzgasströmung vorhanden. Dabei strömt das Schutzgas aus in der Trennwand angeordneten Gaseinlässen in Richtung der Gasauslässe 24a, 24b. Dies wird durch dünne Pfeile in den Bestrahlungsbereichen 9aa, 9ba angedeutet.
Es wird deutlich, dass die Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba mit der zugehörigen Schutzgasströmung derart angeordnet sind, dass die Baufelder der in diesem Ausführungsbeispiel vorhandenen sechs Baubehälter 11a, 11b mittels Rotation des Baubehälterträgers 5 kontinuierlich nacheinander bestrahlt werden können. Insbesondere kann bei kontinuierlicher Rotation des Baubehälterträger 5 auf jedem Baufeld der sechs Baubehälter 11a, 11b immer ein Prozessschritt der additiven Fertigung (Aufbringen des Werkstoffpulvers, Bestrahlen des Werkstoffpulvers, Absenken der Bauplatten) stattfinden.
7b zeigt die in 6a und 6b dargestellte Vorrichtung in der Schnittebene A-A. Die Schnittebene A-A ist in der 7a definiert und entspricht der Schnittebene A-A gemäß den 4a und 4b. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in dieser Schnittebene neben dem Beschichter 22, der Gaseinlass 4 in die Trennwand 2 integriert. Dabei erfolgt die Gaszufuhr von oben durch die Trennwand 2 und wird nachfolgend seitlich in die zweite Teilkammer 1b eingeleitet. Die Einleitstelle ist dabei direkt gegenüber dem Gasauslass 24b angeordnet, so dass gleichmäßige Schutzgasströmung über dem Baufeld eines in den Bestrahlungsbereich 9ba eintretenden Baubehälters 11a, 11b ausbilden kann. Der Gaszustrom in die Teilkammer 1b, die Gasströmung über das Baufeld sowie die Gasabfuhr durch den Gasauslass 24b sind in 7b mit entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet.
Analog zu dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung ein weiterer Beschichter und ein weiterer Gaseinlass kann in gleicher Weise z.B. auf einer der Schnittebene A-A gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung in die Trennwand 2 integriert sein. Der weitere Gaseinlass kann insbesondere direkt gegenüber dem Gasauslass 24a angeordnet sein, um eine gleichmäßige Schutzgasströmung über dem Baufeld eines in den Bestrahlungsbereich 9aa eintretenden Baubehälters 11a, 11b auszubilden. Werden zwei unterschiedliche Schutzgase in der ersten und zweiten Teilkammer 1a, 1b verwendet, so werden diese unterschiedlichen Filtersystemen (nicht dargestellt) zur Reinigung zugeführt.
Wenn in beiden Teilkammern 1a, 1b das gleiche Schutzgas verwendet wird, kann dieses in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch über eine gemeinsame Fallleitung in der Trennwand 2 nach unten geführt und mittels Abzweigen zu den Gaseinlässen an den Bestrahlungsbereiche 9aa, 9ba geleitet werden. In diesem Fall kann das verunreinigte Schutzgas durch die beiden Gasauslässe 24a, 24b zu einem gemeinsamen Filtersystem geleitet werden
Da auch in diesem Ausführungsbeispiel zwei Beschichter 22 in der Trennwand 2 integriert sein können, ist auch hier eine Fertigung von Gegenständen aus zwei Materialien in Sandwichbauweise möglich. Ebenso kann auch hier mehr als eine Trennwand 2 mit integrierten Beschichtern 22 und Gaseinlässen 4 in der Prozesskammer 1 angebracht sein, so dass auch das vorliegende Ausführungsbeispiel der Vorrichtung eine Fertigung von Gegenständen aus mehr als zwei Materialien ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019200680 A1 [0003]

Claims

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