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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 210 242 A1 bekannt. Mittels der bekannten Vorrichtung lassen sich beispielsweise als Prototypen dienende Werkstücke durch selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren von Metallpulver mittels einer Laserstrahleinrichtung herstellen. Hierbei weist die bekannte Vorrichtung eine in einer gegenüber der Umgebung senkrechten Achse drehbar gelagerte Trägereinrichtung auf, die einen topfförmigen Aufbaubehälter für das Material bzw. Pulver ausbildet. Ein der Ausbildung einer Pulverschicht in dem Aufbaubehälter dienender Pulververteiler erstreckt sich in radialer Richtung von der Achse und ist gegenüber der Achse der Trägereinrichtung ortsfest, jedoch höhenverstellbar zur Achse angeordnet. Dadurch lässt sich durch Einstellung eines entsprechenden Hubes zwischen dem Pulververteiler und dem Aufbaubehälter bei gleichzeitiger Drehung des Aufbaubehälters um seine Achse jeweils eine zusätzliche Pulverschicht durch den Pulververteiler in den Aufbaubehälter einbringen, die anschließend, bei einer weiteren Drehung des Aufbaubehälters bzw. der Trägereinrichtung in den Arbeitsbereich eines Laserstrahls gelangt, um dort zur Ausbildung einer Schicht des Werkstücks selektiv aufgeschmolzen zu werden. Weiterhin weist die bekannte Vorrichtung auch einen sogenannten Beschichter auf, der der Glättung der Oberfläche der eingebrachten Pulverschicht an deren Oberfläche dient. Eine Verdichtung der Pulverschicht, insbesondere über die gesamte Höhe der Pulverschicht durch den Beschichter ist nicht erwähnt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung ermöglicht es, während einer vollständigen Drehung des Aufbaubehälters die zuvor in den Aufbaubehälter durch die Pulververteiler eingebrachte Schicht an Pulver aufzuschmelzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass diese bei relativ geringem vorrichtungstechnischem Aufwand eine erhöhte Leistung aufweist. Weiterhin wird eine hohe Qualität der mittels der Vorrichtung hergestellten Werkstücke erzielt.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik die Trägereinrichtung ortsfest, d.h. nicht drehbar anzuordnen, und lediglich die zum Einbringen des Pulvers in einem Aufbaubehälter unmittelbar benötigten Elemente relativ zu dem Aufbaubehälter drehbar anzuordnen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, innerhalb der Trägereinrichtung mit relativ geringem Aufwand gleichzeitig mehrere Aufbaubehälter für die Werkstücke und Vorratsbehälter zur Bevorratung des Pulvers anzuordnen, wobei mittels eines Verteilerelements, das drehbar zur Trägereinrichtung angeordnet ist, beim Überstreichen eines Vorratsbehälters Pulver aus dem Vorratsbehälter mitgenommen und in den dem Vorratsbehälter zugeordneten Aufbaubehälter eingebracht wird. Vorzugsweise sind der wenigstens eine Aufbaubehälter und/oder der wenigstens eine Vorratsbehälter in Richtung einer senkrechten Achse zumindest teilweise verstellbar angeordnet, Die damit verbundene erhöhte Leistungsfähigkeit beim Vorsehen mehrerer Aufbaubehälter und Vorratsbehälter wird kombiniert mit einem zusätzlichen Verdichterelement, das dazu ausgebildet ist, die zuvor in einen Aufbaubehälter eingebrachte (oberste) Pulverschicht zu verdichten. Die Verdichtung des Pulvers vor dem selektiven Aufschmelzen des Pulvers mittels einer Strahlungseinrichtung führt zu einer Erhöhung der Schüttdichte des Pulvers. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Schichtdicken der geschmolzenen Pulverschichten im Vergleich zum Ausgangszustand relativ wenig streuen und die die Qualität negativ beeinflussende Restporosität in dem geschmolzenen Material verringert wird. Zusammengefasst wird dadurch ein konstanter Schmelzprozess erzielt, der aufgrund der geringeren Porosität auch zu geringeren Defekten in dem aufgeschmolzenen Material und zu einer erhöhten Festigkeit des Werkstücks führt.
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Wesentlich ist auch, dass für die Verdichtereinrichtung grundsätzlich unterschiedliche konstruktive Gestaltungen zur Verfügung stehen. Diese reichen von einem einfachen Drücken über eine Andrückwalze, wie sie nachfolgend noch näher im Rahmen eines Ausführungsbeispiels beschrieben wird, über Stoßwellen durch Klopfen mittels einer mechanischen Einrichtung bis zu Vibrationen. Wesentlich ist lediglich, dass die Verdichtereinrichtung zumindest zur Reduzierung der Schichtdicke durch Verdichtung der obersten, gerade in einem Aufbaubehälter eingebrachten Pulverschicht führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung, die es ermöglicht, bei einer vollständigen Drehung des Verteilerelements um seine Drehachse in jedem der Aufbaubehälter jeweils eine Pulverschicht einzubringen, wobei eine mit Blick auf einen kompakten Aufbau der Vorrichtung besonders vorteilhafte Anordnung der Aufbaubehälter und Vorratsbehälter ermöglicht wird, sieht vor, dass wenigstens zwei Vorratsbehälter und wenigstens zwei Aufbaubehälter vorgesehen sind, deren Bodenbereiche bzw. Bodenplatten in Richtung der senkrechten Achse verstellbar angeordnet sind, wobei die Anzahl der Vorratsbehälter der Anzahl der Aufbaubehälter entspricht, wobei jedem Aufbaubehälter ein Bearbeitungsstrahl zum selektiven Aufschmelzen des pulverförmigen Materials zugeordnet ist, und wobei die wenigstens zwei Vorratsbehälter und zwei Aufbaubehälter einander um die Drehachse betrachtet abwechseln, wobei die Winkelabstände zwischen den wenigstens zwei Vorratsbehältern und zwei Aufbaubehältern vorzugsweise jeweils gleich groß ausgebildet sind.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung, die es ermöglicht, die Verdichtereinrichtung zusammen mit dem Verteilerelement im Bereich der Drehachse anzuordnen und miteinander zu koppeln, und die es zusätzlich erlaubt, in Abhängigkeit von dem Pulver bzw. den herzustellenden Werkstücken den Verdichtungsgrad des Pulvers einzustellen, sieht vor, dass die Verdichtereinrichtung als eine um eine Achse drehbare Verdichterwalze ausgebildet ist, die zusammen mit dem Verteilerelement um die Drehachse drehbar und in konstantem Drehwinkel zum Verteilerelement angeordnet ist, dass sich die Verdichterwalze radial von der Drehachse erstreckt, und dass die Verdichterwalze höhenverstellbar angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung, die es zum einen ermöglicht, dass die Qualität der Werkstücke besonders gut ist, und die darüber hinaus die Einwirkzeit des Bearbeitungsstrahls auf das Pulver reduziert, sieht vor, dass auf der dem Verteilerelement abgewandten Seite der Verdichtereinrichtung oder zwischen dem Verteilerelement und der Verdichtereinrichtung eine Heizeinrichtung angeordnet ist, die zusammen mit dem Verteilerelement und dem Verdichterelement in der Drehachse drehbar gelagert ist, und die sich radial von der Drehachse erstreckt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es insbesondere in einer konkreten Ausgestaltung der Heizeinrichtung als Strahlungswärmequelle, die in geringem Abstand zur Oberseite des Aufbaubehälters angeordnet ist, dass jede Pulverschicht, die zuvor von dem Verteilerelement in einen Aufbaubehälter eingebracht wurde, vorgeheizt werden kann. Dadurch besteht eine geringere Temperaturdifferenz zwischen der aufgeheizten (obersten) Pulverschicht und dem Schmelzpunkt des Pulvers, der mittels des nachfolgenden Bearbeitungsstrahls erzielt wird. Dies führt zu geringeren Schmelzzeiten, da der Bearbeitungsstrahl das pulverförmige Material lediglich um eine relativ geringe Temperaturdifferenz aufheizen muss. Darüber hinaus führt die erhöhte und Temperatur der zu schmelzenden im Bereich der aufzuschmelzenden Pulverschicht zu geringeren Eigenspannungen bzw. Verzügen in den Werkstücken. Zusätzlich können auch Werkstücke mit erhöhter Neigung von Erstarrungsrissen rissfrei aufgebaut werden. Da die Heizrichtung simultan mit der Verteilereinrichtung bewegt wird, entstehen durch das rotatorische Prinzip keine zusätzlichen Nebenzeiten, die sich nachteilig auf die Herstellkosten der Werkstücke auswirken würden.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es unter Umständen auch vorteilhaft sein kann, die Reihenfolge zwischen dem Verdichten und dem Erwärmen der Pulverschicht durch die Heizeinrichtung umzukehren. Darüber hinaus kann es je nach Beschichtung, d.h. der Fließfähigkeit des Pulvers aufgrund von Pulvergröße, Pulverform, Temperatur usw. auch vorteilhaft sein, die Heizeinrichtung auch in den Bereichen der Vorratsbehälter zu aktivieren. Dadurch wird zumindest erreicht, dass das von dem Verteilerelement aus dem Vorratsbehälter in den Aufbaubehälter geförderte Pulver ebenfalls bereits vorgeheizt ist, so dass die Heizeinrichtung im Bereich des Aufbaubehälters – im Gegensatz zu nicht vorgeheiztem Pulver – eine geringere Temperaturerhöhung bewirken muss.
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Wichtig für die Möglichkeit, den gesamten Querschnitt des Aufbaubehälters als potentielle Querschnittsfläche für ein Werkstück nutzen zu können und darüber hinaus eine gleichmäßig hohe Qualität des Werkstücks im Bereich jeder aufzuschmelzenden Schicht bereitzustellen, ist es, dass von dem Verteilerelement in einen Aufbaubehälter gefördertes Pulver innerhalb des Aufbaubehälters mit einer konstanten Schichtdicke und einer konstanten Schichtdichte bereitsteht. Hierzu ist es wesentlich, aufgrund des rotativen Prinzips den Querschnitt des Vorratsbehälters, der von dem Verteilerelement bei seiner Drehbewegung überstrichen wird, derart an den Querschnitt des Aufbaubehälters anzupassen, dass eine gleichmäßige Schüttdichte bzw. Schichtdicke erzielt wird. Insbesondere ist es daher vorgesehen, dass bei einem Aufbaubehälter, der einen runden Querschnitt aufweist (welcher bevorzugt deshalb gewählt wird, weil dadurch die Investitionskosten von an einer Trägereinrichtung austauschbar befestigten Aufbaubehältern reduziert sind) die Vorratsbehälter eine unregelmäßige Form bzw. einen unregelmäßigen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt wird dabei, wie oben erläutert, derart gewählt, dass sich beim Überführen des Pulvers in den Aufbaubehälter durch das Verteilerelement in dem Aufbaubehälter eine gleichmäßige Schichtdicke bzw. Schichtdichte einstellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Vorrichtung zum generativen Herstellen von Werkstücken und
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2 einen vereinfachten Längsschnitt durch die Vorrichtung im Bereich eines Verteilerelements gemäß der 1.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung 10 dient zum Herstellen von Werkstücken 1 aus einem metallischen Pulver 2 durch selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des Pulvers 2 mittels eines beweglichen Bearbeitungsstrahls 3. Bei dem Bearbeitungsstrahl 3 handelt es sich beispielsweise um einen Elektronenstrahl zum Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting (EBM)) und/oder um einen Laserstrahl zum selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)), wobei die Vorrichtung 10 dazu ausgebildet ist, gleichzeitig mindestens zwei Werkstücke 1 mittels zweier Bearbeitungsstrahlen 3 (2) herzustellen. Hierzu weist die Vorrichtung 10 beispielhaft zwei separate Einrichtungen 100 zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls 3 auf, wobei die Bearbeitungsstrahlen 3 beispielsweise mittels einer nicht dargestellten optischen Einrichtung zur Ausbildung eines Arbeitsbereichs beweglich sind. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, lediglich eine einzige Einrichtung 100 vorzusehen, wobei die Bearbeitungsstrahlen 3 durch entsprechende Auskopplung bzw. optische Elemente erzeugt und ausgelenkt werden. Weiterhin wird erwähnt, dass das Herstellen der lediglich in der 2 erkennbaren Werkstücke 1 durch jeweils selektives Aufschmelzen der in einem Aufbaubehälter 15 befindlichen, jeweils obersten Schicht 4 an Pulver 2 erfolgt, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Die Vorrichtung 10 weist eine im Wesentlichen topfförmig ausgebildete Trägereinrichtung 11 mit einem Bodenbereich 12 und einer radial umlaufenden Begrenzungswand 13 auf. Wie am besten anhand der 1 erkennbar ist, sind beispielhaft zwei an der Trägereinrichtung 11 austauschbar befestigte Aufbaubehälter 15 vorgesehen, die in Bezug zu einer Drehachse 16, die eine Symmetrieachse der Trägereinrichtung 11 ausbildet, in gleichmäßigen Winkelabständen, d.h. um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Weiterhin weisen die beiden Aufbaubehälter 15, wie anhand der 1 erkennbar ist, jeweils eine runde Querschnittsfläche mit einem (identischen) Durchmesser d auf. Die Mittelpunkte der beiden Aufbaubehälter 15 sind auf einem Teilkreisdurchmesser 17 um die Drehachse 16 angeordnet, derart, dass eine radial umlaufende Begrenzungswand 18 des Aufbaubehälters 15 einerseits zur Drehachse 16 beabstandet ist, und andererseits radial bis an die Begrenzungswand 13 der Trägereinrichtung 11 heranreicht (2). Jeder Aufbaubehälter 15 weist darüber hinaus neben seiner radial umlaufenden Begrenzungswand 18 einen von der Begrenzungswand 18 an seinem Außenumfang umschlossenen, beweglichen Bodenbereich 19 auf, der in Wirkverbindung mit einer heb- und senkbar angeordneten Stützplatte 21 angeordnet ist, die auf der dem Aufbaubehälter 15 abgewandten Seite über eine Säule 22 mit einem nicht dargestellten Hubantrieb verbunden ist. Beim Absenken der Bodenplatte 19 vergrößert sich somit der Abstand t zwischen der Bodenplatte 19 und der oberen Stirnseite 23 der Begrenzungswand 18.
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In den beiden Zwischenräumen zwischen den zwei Aufbaubehältern 15 ist jeweils ein Vorratsbehälter 25 für das Pulver 2 angeordnet. Wie am besten anhand der 1 erkennbar ist, sind die beiden Vorratsbehälter 25 jeweils mit relativ geringem Abstand zwischen den beiden Aufbaubehältern 15 angeordnet.
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Die Bereiche zwischen den Vorratsbehältern 25 und den Aufbaubehältern 15 sind vorzugsweise mit einer nicht dargestellten Deckplatte verschlossen bzw. überbrückt.
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Auch die beiden Vorratsbehälter 25 sind in gleichmäßigen Winkelabständen, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel um 180° in Bezug zur Drehachse 16 zueinander versetzt angeordnet. Wie darüber hinaus anhand der 1 erkennbar ist, ist die Umfangskontur 26 bzw. der Querschnitt der beiden Vorratsbehälter 25 ungleichförmig, d.h. insbesondere nicht kreisförmig, ausgebildet. Die beiden Vorratsbehälter 25 weisen jeweils eine Begrenzungswand 27 auf, innerhalb derer eine bewegliche Bodenplatte 28 mittels einer Säule 29 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Hubantrieb verbunden ist (2). Die obere Stirnfläche 31 der beiden Vorratsbehälter 25 verlaufen bündig mit den beiden Stirnflächen 31 der beiden Aufbaubehälter 15.
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In der Drehachse 16 ist ein leistenförmiges Verteilerelement 35 drehbar gelagert, das sich radial von der Drehachse 16 bis in den Bereich der Begrenzungswand 13 der Trägereinrichtung 11 erstreckt, wobei das Verteilerelement 35 vorzugsweise auf der (oberen) Stirnfläche 36 der Begrenzungswand 13 aufliegt bzw. in geringem Abstand zu dieser angeordnet ist. Beispielhaft verläuft die Drehrichtung des Verteilerelements 35 gemäß der 1 in Richtung des Pfeils 37 im Gegenuhrzeigersinn. In Bewegungsrichtung vor dem Verteilerelement 35 weist dieses an seinem der Drehachse 16 abgewandten radialen Endbereich einen Mitnehmer 38 auf, der im Bereich der Stirnfläche 36 der Begrenzungswand 13 verläuft.
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In Drehrichtung des Verteilerelements 35 betrachtet ist ein Vorratsbehälter 35 jeweils einem dem Vorratsbehälter 35 vorausfolgenden Aufbaubehälter 15 zugeordnet. Ferner ist in Höhe der Stirnflächen 21, 29 und 36 jeweils zwischen einem Aufbaubehälter 15 und dem diesem Aufbaubehälter 15 nicht zugeordneten Vorratsbehälter 25 ein Pulverablauf 39 ausgebildet, der beispielsweise mit einer Unterdruckquelle verbunden ist, um in den Bereich des Pulverablaufs 39 gelangendes Pulver 2 aus dem Bereich der Vorrichtung 10 zu entfernen bzw. abzusaugen.
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Wie lediglich anhand der 1 erkennbar ist, ist in einem Winkel α in Drehrichtung des Verteilerelements 35 betrachtet nach dem Verteilerelement 35 eine Verdichtereinrichtung 40 in Form einer Verdichterwalze 41 angeordnet. Die Verdichterwalze 41 erstreckt sich in radialer Richtung ebenfalls von der Drehachse 16 bis in den Bereich der Stirnfläche 36 der Begrenzungswand 13 der Trägereinrichtung 11 und ist um eine Achse 42 drehbar, wobei die Achse 42 senkrecht zur (gegenüber der Umgebung senkrechten) Drehachse 16 angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Verteilerelement 35 in einer senkrecht zur Zeichenebene der 2 verlaufenden Richtung höhenverstellbar angeordnet, um den Verdichtungsgrad des Pulvers 2 in dem Aufbaubehälter 15 ohne Verstellung der Trägereinrichtung 11 bzw. des Aufbaubehälters 15 einstellen zu können. Wiederum in einem Winkel β ist der Verdichtereinrichtung 40 eine Heizeinrichtung 45 nachgeschaltet. Die Heizeinrichtung 45 ist bevorzugt in Form einer Strahlungswärmequelle 46 ausgebildet, die beispielhaft eine rechteckförmige Abstrahlfläche aufweist, wobei die Abstrahlfläche bevorzugt in lediglich geringem Abstand zur obersten Schicht 4 des Pulvers 2 in einem Aufbaubehälter 15 angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind das Verteilerelement 35, die Verdichtereinrichtung 40 und die Heizeinrichtung 45 in Bezug auf ihre Winkelposition zur Drehachse 16 starr zueinander angeordnet bzw. miteinander verbunden. Weiterhin erstrecken sich sowohl das Verteilerelement 35, als auch die Verdichtereinrichtung 40 und die Heizeinrichtung 45 radial bis in den Bereich der Begrenzungswand 13.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 10 wird wie folgt erläutert: Zum Herstellen der Werkstücke 1 in den beiden Aufbaubehältern 15 wird zunächst die Bodenplatte 28 des jeweiligen Vorratsbehälters 25 um einen Wegbetrag angehoben, der erforderlich ist, um nachfolgend in einem Aufbaubehälter 15 eine Schicht 4 mit der gewünschten Schichtdicke zu erzeugen. Gleichzeitig wird die jeweilige Bodenplatte 19 des Aufbaubehälters 15 um das benötigte Maß für die gewünschte Schichtdicke abgesenkt. Dieser Verstellvorgang ist in der 2 durch die Pfeile 41 und 42 an den beiden Säulen 22 und 29 verdeutlicht. Anschließend gelangt das Verteilerelement 35 bei seiner Drehung um die Drehachse 16 zunächst in Überdeckung mit einem Vorratsbehälter 25, wobei durch das Verteilerelement 35 das über die Begrenzungswand 27 des Vorratsbehälters 25 hinausragende Pulver 2 durch das Verteilerelement 35 mitgenommen und nachfolgend in dem Aufbaubehälter 15 abgegeben wird, um eine oberste Schicht 4 an Pulver 2 zu erzeugen. Anschließend gelangt das Verteilerelement 35 in den Bereich eines Pulverablaufs 39, wo gegebenenfalls an dem Verteilerelement 35 noch anhaftendes Pulver 2 abgesaugt bzw. entfernt wird, damit es nachfolgend nicht zu Fehldosierungen bei dem nachfolgenden Aufbaubehälter 15 kommt. Während der Drehbewegung des Verteilerelements 35 gelangt nachfolgend zunächst die Verdichtereinrichtung 40 in Wirkverbindung mit der gerade durch das Verteilerelement 35 in den Aufbaubehälter 15 eingebrachten obersten Schicht 4 und verdichtet das Pulver 2 auf das gewünschte Maß. Anschließend gelangt die Heizeinrichtung 45 in Wirkverbindung mit der verdichteten Schicht 4 und erwärmt diese. Sobald dies erfolgt ist und die Heizeinrichtung 45 außerhalb eines Arbeitsbereichs des Bearbeitungsstrahls 3 ist, kann der Bearbeitungsstrahl 3 die oberste Schicht 4 des Pulvers 2 zur Herstellung des jeweiligen Werkstücks 1 selektiv aufschmelzen. Der Vorgang des Aufschmelzens muss spätestens beendet sein, bevor das Verteilerelement 35 bei seiner nachfolgenden Drehbewegung wieder Pulver 2 aus dem Vorratsbehälter 25 in den betreffenden Aufbaubehälter 15 überführt.
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Die soweit beschrieben Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210242 A1 [0002]
