DE202006016477U1

DE202006016477U1 - Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes

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Publication number: DE202006016477U1
Application number: DE202006016477U
Authority: DE
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2016-10-25
Also published as: DE112007003157A5; WO2008049384A1

Abstract

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (2) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung (3) oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (4) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (2) entsprechenden Stellen, mit
– einer in einem Bauraum (5) angeordneten Tragevorrichtung (6) zum Tragen des Objektes (2) mit einem Träger (7) mit einer dem Objekt (2) zugewandten Oberseite (8),
– einer den Träger (7) umgreifenden Wandung (10) zur randseitigen Begrenzung des Baumaterials (4),
– einer Aufbringvorrichtung (11) zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials (4) auf die Tragevorrichtung (6) oder eine zuvor gebildete Schicht und
– einer Bestrahlungsvorrichtung (12) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials (4) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (2) entsprechenden Stellen,
dadurch gekennzeichnet, daß
– der Träger (7) der Tragevorrichtung (6) während des Bauvorganges höhenfest angeordnet ist und
– die Wandung (10) mittels einer programmgesteuerten Verstelleinrichtung (15)...

Description

Die Erfindung/Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials, insbesondere eines Pulvermaterials, mit den weiteren Merkmalen des Anspruches 1.
Derartige Vorrichtungen werden in der Regel als Lasersintermaschinen, Laserschmelzmaschinen oder Stereolithographiemaschinen bezeichnet, je nach dem, welches Aufbaumaterial verwendet wird und wie der Prozeß innerhalb der Vorrichtung abläuft.
Mit derartigen Vorrichtungen ist es möglich, anhand von abgespeicherten Werkstückdaten, z.B. CAD-Daten, aus entsprechend geeigneten Werkstoffen durch Einwirkung von fokussierter Strahlung komplizierte Bauteile zu fertigen. Zunächst waren derartige Vorrichtungen zum Herstellen von Prototypen vorgesehen (Rapid Prototyping), die Weiterentwicklung derartiger Vorrichtungen, insbesondere der Einsatz von Pulvermaterialien, die ohne zusätzliche Binderkomponenten verfestigbar sind, insbesondere aufschmelzbar sind, hat dazu geführt, daß mit derartigen Vorrichtungen hergestellte Bauteile nicht nur als Prototypen verwendet und eingesetzt werden können, sondern auch als fertige Funktionsteile Einsatz finden. An fertige Funktionsteile werden allerdings höhere Anforderungen an Genauigkeit und Filigranität gestellt als an Prototypen, so daß die Bestrebung besteht, die genannten Vorrichtungen so auszubilden, daß die hergestellten Bauteile mit immer höherer Präzision gefertigt werden können.
Eine bekannte Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ergibt sich beispielsweise aus DE 101 58 169 A1 . Die in dem Bauraum angeordnete Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes weist einen höhenverstellbaren Träger auf mit einer dem Objekt zugewandten Oberseite. Beim aufeinanderfolgenden Aufbringen von Baumaterialschichten wird der Träger abgesenkt, so daß zwischen der Fokussierungsoptik der Bestrahlungsvorrichtung und der zu verfestigenden Schicht immer im wesentlichen derselbe Abstand besteht. Zwar erreichen die Vorrichtungen mit höhenverstellbaren Trägern eine hohe Präzision, was die Lagerung und Verstellung der Elemente der Trägereinrichtung anbelangt, dennoch ergeben sich beim Bauprozeß aufgrund der Höhenverstellbarkeit und der Lagerung des Trägers unter Umständen Ungenauigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, daß die Vorrichtung mit einer höheren Präzision arbeitet und dadurch hoch präzise Funktionsteile hergestellt werden können. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung/Neuerung dadurch gelöst, daß der Träger der Tragevorrichtung zumindest während des Bauvorganges höhenfest angeordnet ist und die Wandung, die den Träger umgibt, mittels einer programmgesteuerten Verstelleinrichtung höhenverstellbar gelagert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–13.
Durch die Erfindung kann der Träger der Tragevorrichtung sehr massiv und völlig spielfrei mit einem Maschinengestell verbunden werden, welches auch die Bestrahlungsvorrichtung trägt, so daß sehr definierte Verhältnisse gegeben sind. Die Wandung, die gemäß der Erfindung nach oben und unten verschiebbar gelagert ist, steht nicht in unmittelbaren Kontakt mit dem Werkstück selbst, so daß die Höhenverstellbarkeit der Wandung eher unkritisch ist.
Um sich den während des Bauvorganges stetig ändernden Abstand von dem Trägerboden und der Objektoberseite anzupassen, ist es vorteilhaft, die Aufbringvorrichtung und gegebenenfalls mindestens eine Dosiereinrichtung programmgesteuert höhenverstellbar auszulegen. Somit wird es ermöglicht, die Aufbringvorrichtung beispielsweise durch ein Computerprogramm gezielt auf gewünschte, für den konkreten Bauprozeß vorteilhafte Höhen verfahren zu können.
Um die Anzahl der beweglichen Einzelteile und der benötigten Antriebe zu verringern und damit die gesamte Vorrichtung zu vereinfachen, ist es zweckmäßig, die Aufbringvorrichtung und die umlaufende Wandung in einer gemeinsam höhenverstellbaren Baueinheit zusammenzufassen. Ferner kann diese Baueinheit wenigstens einen Dosierbehälter der Dosiereinrichtung mitumfassen.
Weiter ist es vorteilhaft im Strahlengang der Bestrahlungsvorrichtung eine an sich bekannte Fokussiereinrichtung anzuordnen, durch die der Fokus des Bearbeitungsstrahls höhenabhängig einstellbar ist. Insbesondere bei der Tatsache, daß der Abstand zwischen Laser und Objektoberfläche sich im Verlauf des Verfahrens bei fest angeordnetem Laser stetig ändert, ist es vorteilhaft, die Abstandsänderung zwischen Laser und Bauteiloberfläche mittels beispielsweise einer computergesteuerten Fokussiereinrichtung derart zu steuern, daß die Strahleigenschaften bei dem sich ändernden Abstand konstant bleiben.
Alternativ kann es vorteilhaft sein, im Falle einer nicht starren Anordnung des Lasers, die Bestrahlungseinrichtung als Bestandteil der höhenverstellbaren Baueinheit auszubilden. In diesem Falle wäre die Fokussiereinrichtung zum Ausgleich der Abstandsänderung zwischen Laser und Objektoberfläche grundsätzlich entbehrlich.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme ist es, die umlaufende Wandung nach Art einer höhenverstellbaren Hülse die den Träger umgreift und/oder auf dessen Außenrand geführt ist auszubilden. Insbesondere, daß die umlaufende Wandung an dem Außenrand des Trägers geführt wird, stellt eine unmittelbare und damit einfache Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dar.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der obere Rand der Wandung bis zur Oberseite des Trägers oder darunter absenkbar ist. Dadurch wird ein großer und komfortabler Zugangsbereich zur Objektträgeroberfläche erreicht, was besonders das Entnehmen des Objektes und/oder der Trägerplatte wesentlich vereinfacht. Dieser Vorteil kann auch dadurch erreicht oder gesteigert werden, indem die Wandung vollständig nach oben über den Träger verfahrbar und/oder von diesen wegfahrbar und/oder wegschwenkbar und/oder entnehmbar ist.
Im übrigen sei noch darauf hingewiesen, daß der Träger fest mit einem Maschinengestell der Vorrichtung verbunden ist. Dies bedeutet einerseits, daß der Träger integral oder nicht lösbar mit dem Maschinengestell verbunden ist oder, daß der Träger als eine beispielsweise entnehmbare Trägerplatte ausgebildet ist, die mittels Fixierungselementen temporär mit dem Maschinengestell der Vorrichtung verbunden wird. Gerade das Vorsehen einer lösbaren Trägerplatte ermöglicht es, nach dem Aufbauvorgang das Objekt samt der Trägerplatte auf einfache Weise aus dem Bauraum der Vorrichtung zu entnehmen und das Lösen des Objektes von der Trägerplatte außerhalb der Vorrichtung vorzunehmen. Dies hat zum einen den Vorteil, daß während des Ablösens des Objektes von der Trägerplattform die Vorrichtung parallel genutzt werden kann.
Im weiteren wird vorgeschlagen, im Maschinenbereich unterhalb des Trägers eine Pulverauffangvorrichtung anzuordnen. Das in einer derartigen Pulverauffangvorrichtung aufgenommene Pulver kann beispielsweise automatisiert über eine Absaugvorrichtung in die Vorratsbehälter der Dosiervorrichtung zurückgeführt und schließlich dem Aufbauzyklus damit wieder zur Verfügung gestellt werden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten selektiven Lasersinteranlage;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen selektiven Lasersinteranlage;
3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß 2 in Objektentnahmestellung.
In Zeichnungsfigur 1 ist eine selektive Lasersinteranlage aus dem Stand der Technik dargestellt. Diese umfaßt eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes 2 durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung 3 oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials 4 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 2 entsprechenden Stellen. Die Vorrichtung 1 umfaßt eine in einem Bauraum 5 angeordnete Tragevorrichtung 6 zum Tragen eines Objektes 2. Dabei wird das Objekt 2 auf der Oberseite 8 eines Trägers 7 aufgebaut und dieser über einen Antrieb 9 höhenverstellbar (Pfeil A) gelagert. Der Träger 7 wird von einer Wandung 10 zur randseitigen Begrenzung des Baumaterials 4 abgeschlossen. Mittels einer Aufbringvorrichtung 11 wird das Aufbaumaterial 4 schichtweise auf die Tragevorrichtung 6 oder eine zuvor gebildete Schicht aufgebaut und anschließend über eine Bestrahlungsvorrichtung 12, die üblicherweise einen Laser 13 und eine Ablenkvorrichtung 14 umfaßt, zum Bestrahlen der aufgetragenen Schichten des Aufbaumaterials 4 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 2 entsprechenden Stellen.
Der erfindungsgemäße Gegenstand geht aus Zeichnungsfigur 2 hervor. Dieser unterscheidet sich vom Stand der Technik im wesentlichen dadurch, daß der Träger 7 der Tragevorrichtung 6 während des Bauvorganges höhenfest angeordnet ist und die Wandung 10 mittels einer programmgesteuerten Verstelleinrichtung 15 höhenverstellbar gelagert ist. Die Verstelleinrichtung 15 ist vorzugsweise computergesteuert und umfaßt einen Antrieb 16. Die Aufbringvorrichtung 11 umfaßt eine Beschichtereinheit 17, die horizontalbeweglich (Pfeil B) gelagert ist. Mittels der Beschichtereinheit 17 wird das Aufbaumaterial 4 (Pulvermaterial) über den Bauraum 5 verteilt und/oder zur Erzeugung einer möglichst glatten obersten Schicht verwendet. Die Dosiereinrichtung 18 umfaßt Antriebe und Zylinder mittels derer Aufbaumaterial 4 aus den Dosierbehältern 20 vertikal bewegt (Pfeil C) und anschließend über die Aufbringvorrichtung 11 über den Baubereich 5 horizontal aufgezogen werden kann. Die Aufbringvorrichtung 11, die umlaufende Wandung 10 sowie die Dosiereinrichtung 18 bilden eine gemeinsam computergesteuert höhenverstellbare Baueinheit 19, die über den Antrieb 16 bewegt wird. Ferner umfaßt die Dosiereinrichtung 18 zwei Dosierbehälter 20.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 keine seitlich angeordneten Dosierbehälter 20 auf, sondern verwendet zum Materialauftrag ein über dem Bauraum 5 „schwebendes", zumindest in der Horizontalen verfahrbares Beschichtersieb. In diesem Fall hat die Beschichtereinheit 17 lediglich die Aufgabe, das auf dem Träger 7 aufgesiebte Aufbaumaterial 4 zu glätten.
Im Strahlengang der Bestrahlungsvorrichtung 12 ist vorzugsweise eine an sich bekannte Fokussiereinrichtung 21 angeordnet, durch die der Fokus des Bearbeitungsstrahls 3 abhängig von der Aufbauhöhe des Objektes 2 einstellbar ist. Selbstverständlich ist es nicht zwingend erforderlich, die Bestrahlungsvorrichtung 12 starr zu fixieren. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Bestrahlungsvorrichtung 12 als Bestandteil der höhenverstellbaren Baueinheit 19 auszubilden (nicht dargestellt).
In der dargestellten Ausführungsform ist die umlaufende Wandung 10 nach Art einer höhenverstellbaren Hülse 22 ausgebildet, die den Träger 7 umgreift und auf dessen Außenrand 23 geführt ist. Dabei ist der obere Rand 24 der Wandung 10 bis zur Oberseite 8 des Trägers 7 oder darunter absenkbar. Alternativ, aber nicht in Zeichnungsfigur 2 dargestellt, kann es vorgesehen sein, die Wandung 10 derart auszulegen, daß diese nach oben über den Träger 7 fahren und/oder von diesem weggefahren und/oder weggeschwenkt und/oder entnommen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wandabschnitte 10, die an der Tragevorrichtung 6 angrenzen an ihrer Oberseite, mit sich zu den Dosierbehältern 20 hin abgeschrägten Oberflächen versehen. Damit wird beim Zurückfahren der Baueinheit 19 ein leichteres Zurückführen des Aufbaumaterials 4 in die Dosierbehälter 20 erreicht. Träger 7 ist fest mit einem Maschinengestell 25 der Vorrichtung 1 verbunden.
In Zeichnungsfigur 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in Werkstückentnahmestellung dargestellt. Die Baueinheit 19 wird mit Beschichtereinheit 17, Dosiereinrichtung 18 und der Hülse 22 über den Antrieb 16 nach oben verfahren. Das oberhalb des Trägers 7 verbleibende, nicht verfestigte Baumaterial 4 fällt an den Rändern 23 des Trägers 7 nach unten durch eine Siebeinrichtung 27 in mindestens einen Auffangbehälter 28 (vgl. Pfeil D). In der dargestellten Ausführungsform ist der Auffangbehälter 28, da er in einem Hinterschnitt des Randumfangs 23 angeordnet ist, mindestens zweiteilig ausgebildet, um vom Maschinengestell 25 gelöst werden zu können. Alternativ kann der Auffangbehälter 28 einen gleichen oder größeren Hülseninnendurchmesser 30 aufweisen und einstückig ausgebildet sein. Im Falle des größeren Hülseninnendurchmessers 30 des Auffangbehälters 28 ist es zweckmäßig, das Baumaterial 4 über schräge Seitenflächen der Tragevorrichtung 6 zu dem Auffangbehälter 28 zu führen.
Unterhalb des Trägers 7 ist eine, vorzugsweise von einer Steuereinrichtung angesteuerte Schwingungseinrichtung 29 angeordnet, die die Bewegungen des Baumaterials 4 ausgehend von der Baufläche hin zu den Auffangbehältern 28 fördert. In der in Zeichnungsfigur 3 dargestellten Ausführungsform ist die Siebeinrichtung 27 an der Tragevorrichtung 26 angeordnet. Alternativ kann die Siebeinrichtung 27 an dem Auffangbehälter 28 befestigt sein. Ferner ist es vorteilhaft, die Siebeinrichtung 27 mit der Schwingungseinrichtung 29 zu koppeln, damit das in der Siebeinrichtung 27 anfallende Baumaterial 4 leichter das Sieb 27 durchlaufen kann.

1: Vorrichtung
2: Objekt
3: Strahlung
4: Aufbaumaterial
5: Bauraum
6: Tragevorrichtung
7: Träger
8: Oberseite von 7
9: Antrieb von 7
10: Wandung
11: Aufbringvorrichtung
12: Bestrahlungsvorrichtung
13: Laser
14: Ablenkvorrichtung
15: Verstelleinrichtung
16: Antrieb von 10
17: Beschichtereinheit
18: Dosiereinrichtung
19: Baueinheit
20: Dosierbehälter
21: Fokussiereinrichtung
22: Hülse
23: Außenrand von 7
24: Rand von 10
25: Maschinengestell
26: Befestigungselement
27: Siebeinrichtung
28: Auffangbehälter
29: Schwingungseinrichtung
30: Hülseninnendurchmesser von 28
A: Pfeil von 7
B: Pfeil von 11
C: Pfeil von 18
D: Pfeil

Claims

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes (2) durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung (3) oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Aufbaumaterials (4) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (2) entsprechenden Stellen, mit – einer in einem Bauraum (5) angeordneten Tragevorrichtung (6) zum Tragen des Objektes (2) mit einem Träger (7) mit einer dem Objekt (2) zugewandten Oberseite (8), – einer den Träger (7) umgreifenden Wandung (10) zur randseitigen Begrenzung des Baumaterials (4), – einer Aufbringvorrichtung (11) zum Aufbringen von Schichten des Aufbaumaterials (4) auf die Tragevorrichtung (6) oder eine zuvor gebildete Schicht und – einer Bestrahlungsvorrichtung (12) zum Bestrahlen von Schichten des Aufbaumaterials (4) an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes (2) entsprechenden Stellen, dadurch gekennzeichnet, daß – der Träger (7) der Tragevorrichtung (6) während des Bauvorganges höhenfest angeordnet ist und – die Wandung (10) mittels einer programmgesteuerten Verstelleinrichtung (15) höhenverstellbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringvorrichtung (11) und gegebenenfalls eine Dosiereinrichtung (18) programmgesteuert höhenverstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringvorrichtung (11) und die umlaufende Wandung (10) eine gemeinsam höhenverstellbare Baueinheit (19) bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Dosierbehälter (20) der Dosiereinrichtung (18) in die höhenverstellbare Baueinheit (19) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Bestrahlungsvorrichtung (12) eine an sich bekannte Fokussiereinrichtung (21) angeordnet ist, durch die der Fokus des Bearbeitungsstrahls (3) höhenabhängig einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsvorrichtung (12) Bestandteil der höhenverstellbaren Baueinheit (19) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Wandung (10) nach Art einer höhenverstellbaren Hülse (22) den Träger (7) umgreift oder auf dessen Außenrand (23) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand (24) der Wandung (10) bis zur Oberseite (8) des Trägers (7) oder darunter absenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (10) vollständig nach oben über den Träger (7) verfahrbar und/oder von diesem wegfahrbar und/oder wegschwenkbar und/oder entnehmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) fest mit einem Maschinengestell (25) der Vorrichtung (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Maschinenbereich unterhalb des Trägers (7) eine Pulverauffangeinrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverauffangeinrichtung eine Siebeinrichtung (27) und/oder mindestens eine Auffangbehälter (28) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) und/oder die Siebeinrichtung (27) mit einer Schwingungseinrichtung (29) in Wirkverbindung steht.