DE10236907A1

DE10236907A1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem oder keramischem Werkstoff

Info

Publication number: DE10236907A1
Application number: DE10236907A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fockele; Dieter Schwarze
Original assignee: Individual
Current assignee: SLM Solutions Group AG; Realizer GmbH
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem Werkstoff angegeben. Die Vorrichtung umfasst einen Träger für den Schichtaufbau, eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf dem Träger präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des Formkörpers mit einer Strahlung, die das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich zum Verschmelzen bringt, eine Nivellier- und Glättungseinrichtung (32) zur Präparierung der jeweils folgenden Werkstoffpulverschicht, wobei die Nivellier- und Glättungseinrichtung (32) einen im Abstand entsprechend der gewünschten Pulverschichtdicke über der zuletzt bestrahlten Schicht hinweg bewegbaren Glättungsschieber (68) zur Einebnung der Pulverschicht aufweist. Der Glättungsschieber (68) ist so beschaffen, dass er bei der Einebnung und Nivellierung des Werkstoffpulvers lokalen fixierten Hindernissen (55) zonenweise nachgiebig ausweichen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem ein- oder mehrkomponentigem Werkstoff, mit einem Träger für den Schichtaufbau, einer Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf dem Träger präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers mit einer Strahlung, insbesondere fokussierten Laserstrahlung, die das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich durch Erhitzen zum Verschmelzen oder ggf. zum Versintern bringt, einer Nivellier- und Glättungseinrichtung zur Präparierung der jeweils folgenden Werkstoffpulverschicht auf der zuletzt bestrahlten Schicht, wobei die Nivellier- und Glättungseinrichtung wenigstens einen im Abstand entsprechend der gewünschten Pulverschichtdicke über der zuletzt bestrahlten Schicht hinweg bewegbaren Glättungsschieber zur Einebnung einer jeweiligen Menge an Werkstoffpulver unter Bildung einer Schicht der gewünschten Dicke über der zuletzt bestrahlten Schicht aufweist. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet des selektiven Laserschmelzens und geht sowohl verfahrensmäßig, als auch vorrichtungsmäßig von einer Technologie aus, wie sie z.B. in der DE 199 05 067 A1 , in der DE 101 12 591 A1 , in der WO 98/24 574 oder in der dazu korrespondierenden DE 196 49 865.1 beschrieben ist, wenngleich die Erfindung auch auf das Gebiet des Lasersinterns anwendbar ist.

Bei der hier betrachteten Technologie geht es um ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers, z.B. eines Prototyps eines Produkts oder Bauteils, eines Werkzeugs oder eines Ersatzteils, entsprechend dreidimensionalen CAD-Daten eines Modells des Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem oder keramischem Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, erhitzt wird und bei dem der Laserstrahl jeweils entsprechend den CAD-Querschnittsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs des Modells oder daraus abgeleiteten Daten über die jeweilige Pulverschicht geführt wird. Das Werkstoffpulver wird beim selektiven Laserschmelzen als Bindemittel- und flussmittelfreies, metallisches, keramisches oder gemischt metallisch/keramisches Werkstoffpulver aufgebracht und durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so ausgewählt wird, dass das Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichtdicke möglichst vollständig aufgeschmolzen wird. Über der Wechselwirkungszone von Laserstrahl mit dem metallischen Werkstoffpulver wird eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten.

Die aus der WO 98/24 574 bzw. der DE 196 49 865.1 bekannte Vorrichtung zur Durchführung des selektiven Laserschmelzens weist eine Prozesskammer mit Schutzgaseinlass und Schutzgasauslass an entgegengesetzten Seiten der Prozesskammer auf. In der Prozesskammer ist ein Träger in Form eines Kolbens vorgesehen, der den Schichtenaufbau trägt und jeweils nach Bestrahlung der zuletzt präparierten Schicht um den Betrag der gewünschten Schichtdicke der nächstfolgenden Schicht absenkbar ist, so dass die Schichtenpräparation und die folgende Bestrahlung stets in derselben Höhenebene stattfinden können.

Nach jedem abgeschlossenen Bestrahlungsvorgang wird eine jeweilige Pulvermenge in die Prozesskammer eingebracht, wobei das neu eingebrachte Material mittels einer Nivelliereinrichtung in Form eines Glättungsschiebers über der zuletzt präparierten Schicht nach deren Bestrahlung und Absenkung verteilt wird, so dass eine möglichst ebene und glatte Schicht mit einer Schichtdicke von beispielsweise 0,05 mm oder 0,1 mm für den nächsten Bestrahlungsvorgang gebildet wird.

Die Qualität der Präparation der aufeinanderfolgenden Pulverschichten im Sinne des Einhaltens einer jeweiligen vorbestimmten Schichtdicke und des Schaffens einer jeweiligen ebenen Pulverschichtoberfläche spielt eine wesentliche Rolle beim selektiven Laserschmelzen, da sie die Homogenität des aus dem Pulver erschmolzenen und wiedererstarrten Materials des Formkörpers beeinflusst.

Beim Betrieb einer Vorrichtung nach der WO 98/24 574 hat es sich gezeigt, dass während des Verschmelzens des Metallpulvers Spritzer erschmolzenen Materials entstehen können, die sich auf der Oberfläche vorher bestrahlter Bereiche der betreffenden Schicht absetzen und dort anhaften. Dabei entstehen unerwünschte Unebenheiten, die die Präparation der nächsten Pulverschicht erschweren bzw. die Qualität der Präparation der nächsten Pulverschicht beeinträchtigen können. Häufig stehen derartige Unebenheiten über das Maß der gewünschten nächsten Schichtdicke hinaus von der zuletzt bestrahlten Schicht nach oben hin ab, so dass bei der Schichtenpräparation eine Kollision zwischen einer solchen Unebenheit und dem Glättungsschieber stattfinden kann und der Präparationsvorgang unterbrochen werden muss. Glättungsschieber bekannter Bauart können dabei beschädigt und schnell unbrauchbar werden.

In der DE 199 05 067 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, bei der die Nivellier- und Glättungseinrichtung eine Schleifvorrichtung aufweist, die mit einer elektromotorisch angetriebenen Schleifwelle etwaige auf verschmolzenen und erstarrten Bereichen der zuletzt bestrahlten Schicht nach oben hin abstehende und anhaftende Unebenheiten zumindest teilweise abschleifen kann.

Mittels der Schleifvorrichtung werden zu Unebenheiten auf der Oberfläche des verschmolzenen Materials erstarrte Schmelzspritzer zumindest so weit abgeschliffen, dass ihre Höhe nicht über die gewünschte Dicke der nächsten zu präparierenden Pulverschicht hinausreicht.

Bei einer Vorrichtung gemäß der DE 199 05 067 A1 umfasst die Nivellier- und Glättungseinrichtung einen über die zuletzt präparierte Schicht hinweg verfahrbaren Pulverspender, der während seiner Fahrbewegung Werkstoffpulver für die zu präparierende Schicht abgibt. Der Pulverspender ist Bestandteil einer verfahrbaren Schichtenpräparator-Baugruppe. Der Pulverspender hat eine Reservoirkammer zur Aufnahme von Werkstoffpulver und einen zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Glättungsschieber liegenden Ausgabespalt, der dicht oberhalb des Oberflächenniveaus der zu präparierenden nächsten Schicht nach unten hin mündet, um bedarfsweise Werkstoffpulver für die Schichtenbildung nach unten hin auslaufen zu lassen, welches vom folgenden Glättungsschieber dann fein verteilt und in der gewünschten Schichtdicke nivelliert wird. Der Ausgabespalt des Pulverspenders erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Breite des Giättungsschiebers. Entsprechendes gilt für die Schleifwelle in der Schichtenpräparator-Baugruppe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Herstellung eines Formkörpers bereitzustellen, bei der die Nivellier- und Glättungseinrichtung eine zuverlässige Präparation der jeweiligen Werkstoffpulverschichten auf einfachere Weise und mit einfacheren Mitteln als bisher ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 der Glättungsschieber so beschaffen ist, dass er bei der Einebnung und Nivellierung des Werkstoffpulvers lokalen fixierten Hindernissen zonenweise nachgiebig ausweichen kann.

Ein nach der Erfindung gestalteter Glättungsschieber ist in sich steif genug, um loses Werkstoffpulver bei seiner Glättungsbewegung über der jeweiligen zuletzt bestrahlten Schicht einzuebenen, und zwar mit der gewünschten Pulverschichtdicke. Trifft der, Glättungsschieber dabei auf lokal fixierte Hindernisse, wie etwa die oben bereits angesprochenen singulären kleinen Erhebungen bzw. Spitzen aufgrund von erstarrten Schmelzspritzern oder dgl., so überfährt er diese Hindernisse bei der weiteren Glättungsbewegung; wobei das Glättungsschiebermaterial nur im Bereich der Zone der Kollision mit dem Hindernis eine nennenswerte vorwiegend elastische Deformation erfährt und somit der Glättungsschieber dem Hindernis zonenweise nachgiebig ausweichen kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Glättungsschieber bzw. dessen Abstreifelement aus einem weichelastischen Material gebildet. Gute Ergebnisse wurden mit Kunststoffmaterialien, insbesondere Silikon erzielt. Bei Versuchen mit solchen weichelastischen Kunststoff-Glättungsschiebern wurde festgestellt, dass es gelegentlich zu Verletzungen bzw. Rissbildungen des Glättungsschiebers aufgrund von Kollisionen mit scharfkantigen Spitzen erstarrter Schmelzspritzer bei der Pulverschichtenpräparation kommen kann. Dabei hat sich auch gezeigt, dass solche einzelnen Risse die Funktionsfähigkeit des Glättungsschiebers nicht in kritischer Weise beeinträchtigen, da das weichelastische Kunststoffmaterial die Tendenz gezeigt hat, den Rissspalt unmittelbar nach Rissbildung quasi zu schließen bzw. sehr klein zu machen. Verschleiß im Sinne solcher Risse, die sich bei längerem Einsatz des Glättungsschiebers an zufälligen Stellen des Kunststoffelementes bilden, kann somit über eine vergleichsweise lange Nutzperiode akzeptiert werden. Erst wenn sich nach dauerhaftem Einsatz ein merklicher Verschleiß des Glättungsschiebers zeigt, sollte eine Auswechslung des Glättungsschiebers erfolgen. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, dass der Glättungsschieber bedarfsweise auswechselbar an einer Glättungsschieberhalterung der Nivellier- und Glättungseinrichtung angeordnet ist. Das auswechselbare Kunststoffelement kann z.B. ein stabförmiges Vierkant-Element sein, welches normalerweise in horizontaler Ausrichtung an der Glättungsschieberhalterung der Nivellier- und Glättungseinrichtung angeordnet ist. Wie erwähnt, kann das stabförmige Kunststoffelement einen Viertkant-Querschnitt haben. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnittsformen, etwa Dreiecksquerschnitt oder Kreisquerschnitt, wobei im letzteren Fall der Glättungsschieber in einer Variante auch als Rolle ausgebildet sein kann, die drehbar gelagert ist, jedoch nicht unbedingt motorisch angetrieben sein muss.

Auf eine Schleifwelle, wie sie aus der DE 199 05 067 A1 bekannt ist, kann bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verzichtet werden, wodurch die Konstruktion von Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung wesentlich vereinfacht ist. Auch der Betrieb bei der Schichtenpräparation gestaltet sich mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung einfacher, da der aus der DE 199 05 067 A1 bekannte Schritt des Abschleifens von lokal fixierten Hindernissen entfallen kann. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass beim Betrieb der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung solche lokalen Hindernisse aufgrund erstarrter Schmelzspritzer oder dgl. toleriert werden können, weil der Glättungsschieber so beschaffen ist, dass er ihnen zonenweise nachgiebig ausweichen kann und dennoch eine ansonsten ebene und auf die erforderliche Dicke nivellierte Pulverschicht präparieren kann. Etwaige über diese Pulverschicht nach oben hin abstehende kleine Spitzen erstarrter Schmelzspritzer aus dem vorausgegangenen Belichtungsschritt können toleriert und bei dem nächsten Belichtungsschritt wieder eingeschmolzen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Glättungsschieber eine Vielzahl kleiner, normalerweise dicht nebeneinander von einem Träger nach unten hängender Pulverabstreifelemente auf, die jeweils nachgiebig und zurückfedernd aus ihrer Normallage auslenkbar sind, um einem lokalen Hindernis bei der Schichtenpräparation auszuweichen. In der einfachsten Variante dieser Ausführungsform ist der Glättungsschieber bürstenartig ausgestaltet, wobei die nachgiebig auslenkbaren Pulverabstreifelemente die Borsten bilden. Es können relativ kurze und in sich steife Borsten vorgesehen sein, die bei einem Auftreffen auf ein Hindernis seitlich ausgelenkt werden und nach Passieren des Hindernisses in ihre Ausgangsstellung federnd zurückdrängen. Versuche haben ergeben, dass solche bürstenartigen Glättungsschieber zuverlässig funktionieren und nur geringen Verschleiß bei normaler Betriebsweise zeigen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nivellier- und Glättungseinrichtung einen über der zuletzt bestrahlten Schicht hinweg vor- und zurückverfahrbaren Pulverspender umfasst, der während seiner Fahrbewegung Werkstoffpulver für die jeweils zu präparierende Werkstoffpulverschicht abgeben kann. Ein solcher verfahrbarer Pulverspender kann eine Vordosierung der Pulvermenge vornehmen, so dass der bei der Schichtenpräparation dem Pulverspender nachfolgende Glättungsschieber allenfalls geringe Pulvermengen vor sich herzuschieben hat. Vorzugsweise sind der Pulverspender und die Nivellier- und Glättungseinrichtung gemeinsame Bestandteile einer verfahrbaren Schichtenpräparator-Baugruppe.

Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Schichtenpräparator-Baugruppe in Richtung ihrer normalen Vorschubbewegung vor und hinter dem Pulverspender einen jeweiligen Glättungsschieber aufweist, der so beschaffen ist, dass er bei der Einebnung und Nivellierung des Werkstoffpulvers lokalen Hindernissen zonenweise nachgiebig ausweichen kann. Bei der letztgenannten Ausführungsform kann die horizontal hin- und herbewegbare Schichtenpräparator-Baugruppe sowohl bei Fahrt in der einen Richtung als auch bei Fahrt in der anderen Richtung zur Präparation einer betreffenden Pulverschicht genutzt werden, wobei der jeweilige Glättungsschieber zur Wirkung kommt, der in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung dem Pulverspender folgt. Leerlauffahrten der Schichtenpräparator-Baugruppe sind somit nicht erforderlich. Zweckmäßigerweise sollte der Pulverspender ein Reservoir für die Aufnahme einer für mehrere Schichten ausreichenden Pulvermenge haben, so dass ein Nachfüllen des Werkstoffpulvers während der Herstellung eines Formkörpers möglichst selten erforderlich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
1 zeigt in einer schematischen Teilschnitt-Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung.
2 zeigt in einer nicht maßstäblichen und teils gebrochen gezeichneten Teilschnitt-DarstellungeineSchichtenpräparator-Baugruppe in ihrer Betriebslage relativ zu einem bereits teilweise fertiggestellten Formkörper.
3 zeigt in einer Darstellung gemäß 2 eine Schichtenpräparator-Baugruppe mit bürstenartigen Glättungsschiebern.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht von schräg unten auf eine konkrete Ausführungsform der Schichtenpräparator-Baugruppe.
5 zeigt die Schichtenpräparator-Baugruppe aus 4 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben.
6 zeigt in einer der 2 ähnlichen Darstellung die Schichtenpräparator-Baugruppe in einer Lückenfüll-Betriebsart.
In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung teilweise im Schnitt dargestellt.
Die Vorrichtung hat abgesehen von der Schichtpräparator-Baugruppe einen grundsätzlichen Aufbau wie die in DE 199 05 067 A1 beschriebene Vorrichtung und umfaßt ein Außengehäuse 3, in dem sich eine horizontale Stützplatte 5 befindet, die das Gehäuse 3 in einen oberen, die Prozesskammer 7 enthaltenden Bereich 9 und in einen eine Steuerungseinrichtung 13 der Vorrichtung aufnehmenden unteren Bereich 11 unterteilt. In der von dem Prozesskammergehäuse 15 mit Deckel 17 begrenzten Prozesskammer 7 befindet sich der gesteuert vertikal verfahrbare Träger 19 zur Abstützung des Schichtenaufbaus und des entstehenden Formkörpers 21. Der eine im Wesentlichen horizontale Stützfläche bildende Träger 19 weist an seiner Unterseite einen vertikalen Antriebsschaft 23 auf, der durch eine Führung der Plattform 5 hindurch geführt ist und an seinem unteren Ende über zwei einander entgegengesetzt angeordnete Seitenarme 24 mit einem jeweiligen vertikal geführten Linearantrieb 25 verbunden ist. Die Linearantriebsanordnung 25 wird von der Steuereinrichtung 13, die ein Steuerrechner im Gehäuse 3 umfaßt, angesteuert, um den Träger 19 zur Präparation einer jeweiligen folgenden Werkstoffpulverschicht vorzugsweise um das Maß der gewünschten Schichtdicke jeweils abzusenken oder ggf. bei Bedarf anzuheben.
Zu Beginn der Herstellung eines Formkörpers 21 wird der Träger i 9 gesteuert in eine vertikale Startposition verfahren, deren Lage in 1 mit S angedeutet ist. Dann wird die noch zu erläuternde Schichtenpräparator-Baugruppe 32 aktiviert, um auf dem Träger 19 eine erste Werkstoffpulverschicht P bestimmter Schichtdicke zu präparieren. Die Schichtdicke beträgt beispielsweise etwa 0,1 mm. Sie kann jedoch abhängig von den Gegebenheiten größer oder kleiner gewählt werden. Nach Fertigstellung der ersten Schicht L kommt dann die Bestrahlungseinrichtung 34 zum Einsatz, um die Schicht L in einem ihr zugeordneten Querschnittsbereich des Modells des herzustellenden Formkörpers 21 abschnittsweise mit einem fokussierten Laserstrahl 36 abzutasten, dessen Energiedichte in der Ebene S ausreicht, um das Pulvermaterial über den Schmelzpunkt zu erhitzen und zu verschmelzen, so dass nach Erstarrung der aufgeschmolzenen Bereiche diese eine möglichst homogen zusammenhängende Festphase bilden. Die optische Fokussiereinrichtung 40 befindet sich zwischen dem Laser 38 und einem X-Y-Scanner 42 mit (nicht näher dargestellten) Schwenkspiegeln, die nach Maßgabe der jeweiligen CAD-Querschnittsdaten des herzustellenden Formkörpers 21 unter der Steuerung der Steuerungseinrichtung 13 bewegt werden, um den Laserstrahl 36 entsprechend zu führen. Die optische Einrichtung 34 befindet sich außerhalb der Prozesskammer 7. Ein oberes Fenster 44 in dem Deckel 17 des Prozesskammergehäuses läßt den Laserstrahl 36 zur Prozesskammer 7 hin durchtreten. Vorzugsweise ist das Fenster 44 mit einer auf die Wellenlänge des Lasers 38 abgestimmten Antireflexionsscfiicht beschichtet.
Nach Bestrahlung der ersten Schicht L und somit Herstellung der ersten Schicht des Formkörpers 21 wird dann der Träger 19 um das Maß der gewünschten nächsten Schichtdicke gesteuert abgesenkt und es folgt die Präparation der nächsten Schicht, die dann wieder entsprechend dem Muster des dieser nächsten Schicht zugeordneten Querschnitts des Formkörpers 21 mittels Laserstrahl 36 selektiv verschmolzen wird. Diese Vorgehensweise wird dann entsprechend wiederholt, bis der Formkörper 21 fertiggestellt ist.
Auf der mit Blick auf 1 erkennbaren Rückseite der Prozesskammer 7 ist dicht oberhalb der Ebene S ein Schutzgasverteiler 45 vorgesehen, dem Schutzgas, vorzugsweise Argon, über eine äußere Schutzgaszuführung zugeführt wird. Auf der in 1 nicht erkennbaren gegenüberliegenden Seite befindet sich vorzugsweise auf gleichem Höhenniveau knapp oberhalb der Ebene S ein entsprechender Schutzgassammler, der das Schutzgas zu einer Schutzgasabführungsleitung abführt. Vorzugsweise ist die Schutzgasabführungsleitung über ein Filter und eine Pumpe mit dem Schutzgaseinlass verbunden, so dass das Schutzgas im Kreislauf gepumpt werden kann. Wie auch bereits in der WO 98/24 574 beschrieben, dient das Schutzgas dazu, Luftsauerstoff möglichst von dem jeweiligen Schmelzbereich (Wechselwirkungsbereich zwischen Laserstrahlung und Pulver) fernzuhalten, um Oxidationsvorgänge zu vermeiden. Der sich vorzugsweise über nahezu die gesamte Breite der Prozesskammer 7 erstreckende Schutzgasverteiler 45 und das als Schutzgassammler ausgebildete entsprechende Gegenstück sorgen dafür, dass die Schutzgasströmung möglichst laminar ist.
An dem Gehäusedeckel 17 ist bei 48 eine Videoüberwachungskamera 48 vorgesehen, mittels der die Vorgänge in der Prozesskammer 7 an einem Monitor der Steuerungseinrichtung 13 oder/und an einem Monitor eines externen Rechners 50 beobachtet werden können. Der externe Rechner 50 ist über ein Netzwerk 52 mit dem internen Rechner der Steuerungseinrichtung 13 verbunden.
Der externe Rechner 50 dient dazu, die CAD-Daten zur Beschreibung des herzustellenden Formkörpers 21 aufzubereiten und in ein für den Rechner der Steuerungseinrichtung 13 erforderliches Format umzusetzen und die so präparierten Daten an den Rechner der Steuerungseinrichtung 13 über das Netzwerk 52 zu senden. Es sei darauf hingewiesen, dass an den Rechner 50 über das Netz 52 weitere Vorrichtungen zur Formkörperherstellung angeschlossen sein können.
Zur Erläuterung des Aufbaus und der Arbeitsweise der bereits angesprochenen Schichtenpräparator-Baugruppe 32 und insbesondere der dazugehörigen Glättungsschieber 68 wird nachstehend auf 2 Bezug genommen.
2 zeigt in einer stark schematisierten Schnittseitenansicht eine gebrochene Teildarstellung des Trägers 19 mit einem Ausschnitt des im Entstehen befindlichen Formkörpers 21. Die Plattform 19 ist in der Darstellung gemäß 2 bereits um den Betrag der aktuell zu präparierenden Werkstoffpulverschicht , abgesenkt worden. Die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 fährt über die zuletzt bestrahlte Schicht L des entstehenden Formkörpers 21 hinweg in Richtung des Pfeiles R, wobei der untere Rand 69 der Schichtenpräparator-Baugruppe 32 einen vertikalen Abstand S zu der horizontalen ebenen Oberfläche der zuletzt verfestigten Schicht L hat und dieser Abstand S der gewünschten aktuell zu präparierenden Pulverschichtdicke entspricht.
Von der Schichtenpräparator-Baugruppe 32 ist in 2 nur der untere Teil mit zwei Glättungsschiebern 68 zu erkennen. Zwischen den beiden Glättungsschiebern 68 befindet sich – nach oben versetzt – der Ausgabespalt 66 des in die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 integrierten Pulverspenders 62.
Der Pulverspender 62 kann einen Vorrat an Werkstoffpulver aufnehmen und in der in 2 erkennbaren Weise Pulver P über den Ausgabespalt 66 zwischen den Glättungsschiebern 68 nach unten hin ausgeben.
2 stellt eine Momentaufnahme der Schichtenpräparator-Baugruppe 32 bei der Bewegung von links nach rechts dar. Bei dieser Bewegungsrichtung ist es der links eingezeichnete Glättungsschieber 68, welcher aktuell das Pulver P bei der gewünschten Schichtdicke S einebnet. Nachdem die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 mit der Präparation der nächstfolgend zu belichtenden Schicht fertig ist, kann sie in einer Parkposition auf der rechten Seite verbleiben, solange der Vorgang der Bestrahlung der präparierten Schicht und der Vorgang des darauffolgenden Absenkens der Plattform 19 dauern. Zur Präparation der nächstfolgenden Pulverschicht kann dann die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 entgegengesetzt zur vorausgegangenen Fahrtrichtung bewegt werden, um Pulver auf der zuletzt verfestigten Schicht abzulegen und eine betreffende Pulverschicht zu präparieren. Bezogen auf 2 würde sich die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 somit nach Fertigstellung und Bestrahlung der aktuell präparierten Schicht sowie nach Absenkung der Trägerplattform 19 entgegengesetzt der mit Pfeil R gekennzeichneten Richtung dann von rechts nach links bewegen. Zur Glättung der Pulverschicht würde dann der in 2 rechts eingezeichnete Glättungsschieber 68 wirksam werden.
Bei den Glättungsschiebern 68 des Ausführungsbeispiels nach 2 handelt es sich um Vierkant-Silikonstäbe, welche in der gezeigten Weise so ausgerichtet sind, dass eine jeweilige Seite 69 zuunterst liegt und horizontal ausgerichtet ist. Es sei an dieser Stelle jedoch gleich darauf hingewiesen, dass auch andere Profilformen bzw. Ausrichtungen betreffender Glättungsschieber 68 im Rahmen der Erfindung möglich sind. Gute Ergebnisse wurden bei Versuchen z.B. mit horizontal ausgerichteten, länglichen Glättungsschieberelementen erzielt, welche zuunterst eine Kante bzw. Ecke, etwa eines Dreieckprofils, aufwiesen. Wie bereits erwähnt, können auch Rundprofile zum Einsatz. kommen. Wichtig ist jedoch, dass die Glättungsschieber in sich steif genug sind, so dass sie bei einer Kollision mit einem Hindernis 55 nur jeweils im Bereich der Kollisionszone ausweichen, jedoch das vor ihnen vom Pulverspender hingelegte Metallpulver verdrängen und dabei so verschieben können, dass es in der gewünschten Weise eine Schicht bildet. Eine solche Situation ist in 2 skizziert. Aufgrund eines erstarrten und an der Schicht L fixierten Schmelzspritzers ist bei der Bestrahlung der zuletzt verfestigten Schicht L eine Erhebung 55 entstanden, deren oberster Bereich noch oberhalb der momentan präparierten Pulverschicht liegt und somit ein Hindernis für die Glättungsschieber 68 darstellt. Wie bei 71 in 2 angedeutet, kommt es beim Überfahren des Hindernisses 55 zu einer punktuellen, im Wesentlichen elastischen reversiblen Materialverdrängung an dem betreffenden Glättungsschieber 68, die sich jedoch auf die unmittelbare Kollisionszone beschränkt, so dass der Glättungsschieber 68 ungeachtet der Störung 55 eine sehr gut eingeebnete und nivellierte Pulverschicht erzeugen kann.
Die Glättungsschieber 68 sind bedarfsweise auswechselbar an Glättungsschieberhalterungen 73 befestigt. Da es sich bei den als Abstreifelemente wirkenden Glättungsschiebern 68 um sehr kostengünstige Elemente handelt und eine Auswechslung mit geringem Aufwand erfolgen kann, stellt der Austausch der Glättungsschieber 68 kein Problem dar. Wie bereits erwähnt, ist es jedoch normalerweise nicht erforderlich, einen Glättungsschieber nach Auftreten erster schmaler Risse gleich auszuwechseln.
3 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 2 in einer der 2 entsprechenden Darstellung, jedoch mit anderen Glättungsschieberelementen 68a. Wie auch bei der Ausführungsform nach 2 erstrecken sich die Glättungsschieber 68a und der Ausgabespalt 66 senkrecht zur Zeichenebene über eine ausreichende Länge, so dass normalerweise eine Präparationsfahrt über den bereits erstellten Teil 21 des Formkörpers ausreicht, um eine vollständige Pulverschicht abzulegen und zu glätten.
Bei den Glättungsschiebern 68a gemäß 3 handelt es sich um längliche Bürstenelemente mit Borsten 75, die im gezeigten Beispiel normalerweise vertikal von einem Trägerabschnitt 77 nach unten hängen. Das Borstenensemble ist in sich steif genug, um von dem Spalt 66 des Pulverspenders ausgegebenes Pulver einzuebnen und auf der gewünschten Schichtdicke zu nivellieren. An dem bei 55 in 3 gezeigten Hindernis können jedoch die unmittelbar damit kollidierenden Borsten 75 ausweichen, um nach Überwindung des Hindernisses wieder in eine ihrer Ausgangslage zumindest näherungsweise entsprechende Position zurückzukehren.
Auch die Glättungsschieber 68a gemäß 3 funktionieren zuverlässig und sind wenig verschleißanfällig.
In den 4 und 5 ist eine Schichtenpräparator-Baugruppe der in 2 gezeigten Art detaillierter und im ausgebauten Zustand dargestellt. An der in 4 erkennbaren Unterseite der Schichtenpräparator-Baugruppe 32 sind die auswechselbaren und aus Silikon bestehenden Glättungsschieber 68 in den Glättungsschieberhaltern 73 angeordnet. Es handelt sich bei diesen Glättungsschiebern 68 im Beispielsfall der 4 um Viertkant-Silikonstangen. Zwischen den Glättungsschiebern 68 ist der Ausgabespalt 66 des Pulverspenders 62 erkennbar. Der Pulverspender 62 enthält Mittel zur dosierten Abgabe des Werkstoffpulvers. Diese Dosiermittel umfassen im Beispielsfall eine Dosierwelle, welche abhängig von ihrer jeweiligen Drehstellung Werkstoffpulver über den Spalt 66 ausgibt. Der allgemeine Aufbau einer solchen Dosierwelle ist z.B. in 5 der DE 199 05 067 A1 gezeigt.
Mit 83 ist in 4 und in 5 ein steuerbarer Elektromotor zum Antrieb der sich über die gesamte Länge des Ausgabespaltes 66 parallel dazu und oberhalb davon erstreckenden Dosierwelle 85 bezeichnet. Weiterhin erkennbar in den 4 und 5 sind Rahmenelemente 76 zur Befestigung der Baugruppe 32 an Linearführungsmittel und Antriebsmittel, die die Baugruppe 32 bei ihrer Präparationsfahrt führen und antreiben.
In 5 ist an der Oberseite der Baugruppe 32 die Pulverzuführungsöffnung 79 der Reservoirkammer 70 erkennbar. In der in 1 gezeigten linken Parkposition kann die Schichtenpräparator- Baugruppe 32 bei Bedarf neues Werkstoffpulver aus dem Pulverreservoir 80 nachtanken, beispielsweise in der in der DE 199 05 067 A1 beschriebenen Weise. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, welche die Öffnung 79 beim Nachtanken von Werkstoffpulver nach außen hin abdichten. Hierzu gehört unter anderem die in 5 teilweise gezeigte Dichtung 81, welche mit einer Gegenfläche der Nachfüllstation 80 beim Nachtanken in Berührung kommt.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nachstehend eine interessante Verwendungsmöglichkeit einer Vorrichtung der hier betrachteten Art zur Herstellung eines Formkörpers erläutert. Die Verwendung der Vorrichtung bezieht sich auf das Schließen von Poren, Ausbrüchen oder sonstigen unerwünschten lochartigen Strukturen in Oberflächen. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem beispielsweise metallischen oder keramischen Körper, der eine obere Fläche 90 aufweist, welche im Wesentlichen eben ist, jedoch bei 92 unerwünschte Vertiefungen aufweist. Gemäß 6 werden diese Vertiefungen 92 mit Werkstoffpulver P gefüllt, wobei dies in der Prozesskammer einer Vorrichtung gemäß 1 erfolgen kann. Die Ebene der Oberfläche 90 ist dabei horizontal ausgerichtet. Die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 gibt das Pulver P über den Ausgabespalt 66 nach unten aus, so dass der in Bewegungsrichtung R hintere Glättungsschieber 68 das Pulver in dem Bereich der Vertiefungen 92 glattstreichen kann. Die Unterseite 69 der Glättungsschieber 68 befindet sich im Wesentlichen auf denn Niveau der Ebene 90 der Oberfläche des Körpers 21a, so dass nach einer Glättungsfahrt der Schichtenpräparator-Baugruppe 32 die Vertiefungen 92 im Wesentlichen bis zur Ebene 90 mit Werkstoffpulver P aufgefüllt sind. Danach kommt die optische Einrichtung 34 gemäß 1 zum Einsatz, um das Werkstoffpulver in den Vertiefungen 92 zu einer zusammenhängenden Festphase jeweils zu verschmelzen, so dass die Vertiefungen 92 anschließend verschwunden sind. In der in 6 skizzierten Weise können somit löchrige Oberflächen von beispielsweise metallischen oder keramischen Körpern 21a mittels selektivem Laserschmelzen repariert werden. Diese Körper können ansonsten auf irgendeine Art und Weise hergestellt worden sein.
Selbstverständlich lässt sich in der in 6 skizzierten Weise auch bei der oben beschriebenen schichtweisen Herstellung von Formkörpern eine jeweilige zuletzt verfestigte Schicht bei Bedarf reparieren. Insbesondere die den Formkörper abschließende obere Oberflächenschicht kann auf diese Weise mit hoher Oberflächenqualität ausgebildet werden.
In 6 ist die Schichtenpräparator-Baugruppe 32 mit Glättungsschiebern 68 der in 2 gezeigten Art dargestellt. Selbstverständlich kommen auch die Glättungsschieber 68a gemäß 3 für den in 6 skizzierten Anwendungsfall in Frage. Unter Inkaufnahme gewisser Nachteile können bei der Anwendung gemäß 6 ggf. auch starre Glättungsschieber herkömmlicher Art verwendet werden.
Dem Gesichtspunkt der Oberflächenreparatur, wie er vorstehend erläutert wurde, kommt im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbständige Bedeutung zu. Die Anmelder behalten sich vor, darauf Anspruch zu richten.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers (21) durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem oder keramischem Werkstoff, mit einem Träger (19) für den Schichtaufbau, einer Bestrahlungseinrichtung (34) zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf dem Träger (19) präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers (21) mit einer Strahlung, insbesondere fokussierten Laserstrahlung, die das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich durch Erhitzen zum Verschmelzen oder ggf. zum Versintern bringt, einer Nivellier- und Glättungseinrichtung zur Präparierung der jeweils folgenden Werkstoffpulverschicht auf der zuletzt bestrahlten Schicht, wobei die Nivellier- und Glättungseinrichtung wenigstens einen im Abstand der gewünschten Pulverschichtdicke über der zuletzt bestrahlten Schicht hinweg bewegbaren Glättungsschieber zur Einebnung und Nivellierung einer jeweiligen Menge an Werkstoffpulver über der zuletzt bestrahlten Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68) so beschaffen ist, dass er bei der Einebnung und Nivellierung des Werkstoffpulvers lokalen fixierten Hindernissen (55) zonenweise nachgiebig ausweichen kann.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68) aus einem weichelastischen Material gebildet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68) aus einem Kunststoff, insbesondere Silikonmaterial, gebildet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68) aus wenigstens einem im Wesentlichen stabförmigen Kunststoffelement besteht, das in horizontaler Ausrichtung an einer Glättungschieberhalterung (73) der Nivellierund Glättungseinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68a) eine Vielzahl kleiner, normalerweise dicht nebeneinander von einem Träger (77) nach unten hängender Pulverabstreifelemente (75) aufweist, die jeweils nachgiebig und zurückfedernd aus ihrer Normallage auslenkbar sind, um einem lokalen Hindernis bei der Schichtenpräparation auszuweichen.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68a) bürstenartig ausgestaltet ist, wobei die nachgiebig auslenkbaren Pulverabstreifelemente (75) die Borsten bilden.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glättungsschieber (68, 68a) bedarfsweise auswechselbar an einer Glättungschieberhalterung (73) der Nivellier- und Glättungseinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nivellier- und Glättungseinrichtung einen über der zuletzt bestrahlten Schicht hinweg vor- und zurück verfahrbaren Pulverspender (62) umfaßt, der während seiner Fahrbewegung Werkstoffpulver für die jeweils zu präparierende Werkstoffpulverschicht abgeben kann.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverspender (62) und die Nivellier- und Glättungseinrichtung gemeinsame Bestandteile einer verfahrbaren Schichtenpräparator-Baugruppe (32) sind.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenpräparator-Baugruppe (32) in Richtung ihrer normalen Vorschubbewegung vor und hinter dem Pulverspender (62) einen jeweiligen Glättungsschieber (68; 68a) aufweist, der so beschaffen ist, dass er bei der Einebnung und Nivellierung des Werkstoffpulvers lokalen Hindernissen zonenweise nachgiebig ausweichen kann.