DE102020201896A1

DE102020201896A1 - Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen

Info

Publication number: DE102020201896A1
Application number: DE102020201896.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Findeisen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fertigungssystem (10) für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten sowie ein Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial (30) in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren.Es ist vorgesehen, dass in einem Fertigungssystem (10) für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten eine Laservorrichtung (14) und eine Beschichtereinheit (20) jeweils mittels einer Steuer- und Recheneinheit (42) mit Betriebsprogramm (44) so geschaltet werden, dass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang von Fertigungsmaterial (30) realisierbar ist. Zudem wird ein entsprechendes Verfahren vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten sowie ein Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren.
Die additiven Fertigungsverfahren sind zunehmend in der industriellen Produktion als etablierte Technik anzusehen. Dabei sind verschiedene Verfahrenstypen bereits als bekannt anzusehen, welche basierend auf zuvor erstellten Konstruktionsdaten eine Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen aus formlosen oder formneutralen Materialien ermöglichen. Die hierfür eingesetzten Materialien können beispielsweise zuvor in Pulverform vorliegen. Neben der allgemeinen Bezeichnung als additives Fertigungsverfahren werden auch weitere Begriffe verwendet, um mittels eines schichtweisen Auftragens eines Ausgangsmaterials letztendlich einen Gegenstand zu erzeugen. Neben dem Begriff des 3D-Druckens werden solche Verfahren auch als generative Fertigung oder Herstellungsverfahren mittels Rapid-Technologien bezeichnet. Je nach grundlegender Ausrichtung des eingesetzten Verfahrens sind Varianten mit komplett aufgeschmolzenen Ausgangsstoffen aber auch Varianten mit nur zum Teil aufgeschmolzenen Zusatzstoffen als bereits bekannt anzusehen. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz von unterschiedlichen Lasertechnologien weit verbreitet und stellt zunehmend einen Standard für den industriellen Anwendungszweck dar. Um die Produktivität aller Verfahren weiter zu erhöhen, sind zunehmend kontinuierliche Verfahrenskonzepte im Fokus der technischen Entwicklung.
Dabei sollen die zu fertigenden Gegenstände vor allem automatisiert die vorgesehenen Fertigungsschritte durchlaufen, wobei ein jeweiliger Transport zu den einzelnen Bearbeitungsstationen eben kontinuierlich mittels entsprechend automatisierten Transportvorrichtungen durchgeführt wird. Bei der Entwicklung eines kontinuierlichen 3D-Druckers im Schrägbettverfahren, beispielsweise mittels des Einsatzes der selektiven Lasersintertechnologie oder der selektiven Laserschmelztechnologie, wird das zu fertigende Bauteil in einem ersten Produktionsbereich zunächst erzeugt, um anschließend nach einem Abkühlungsvorgang in einem zweiten Bereich entnommen zu werden. Viele bisherige Ansätze sehen in dem eigentlichen Fertigungsprozess, welcher beispielsweise sowohl einen Materialauftrag für die nächste Schicht als auch einen Verfestigungsschritt desselben umfasst, einen sequenziellen Verfahrensablauf vor. Dabei läuft das Beschichten und das anschließende Verfestigen beziehungsweise das Belichten mit hochenergetischer Strahlung stets nacheinander ab. Lediglich ein Beheizungsprozess überschneidet sich teilweise schon mit dem Beschichten. Der sequenzielle Verfahrensablauf geht mit einem entsprechenden Zeitbedarf einher, sodass an dieser Stelle Optimierungspotentiale vorhanden sind, um an dieser Stelle die ungewollte Produktivitätseinschränkung aufzuheben. Aus dem Stand der Technik sind bereits erste Ansätze bekannt. Nachfolgend werden einige Beispiele vorgestellt, welche sich im weitesten Sinne mit der zuvor erläuterten Thematik beschäftigen.
So ist aus der Druckschrift WO 2015/003804 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung als bekannt zu entnehmen. Insbesondere werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur laserbasierten generativen Bauteilfertigung offenbart. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Bearbeitungskopf, mit dem mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen nebeneinander und/oder teilweise überlappend auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden. Der Bearbeitungskopf wird mit einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt, während die voneinander getrennten Laserstrahlen unabhängig voneinander in der Intensität moduliert werden, um die gewünschte Belichtungsgeometrie zu erhalten. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren lassen sich die Laserleistung und die Bauraumgröße bei der generativen Fertigung kostengünstig skalieren.
Aus der Druckschrift DE 102 35 434 A1 ist zudem eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels eines generativen Fertigungsverfahrens als bekannt zu entnehmen. Es werden insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schichtweisen, generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines verfestigbaren flüssigen oder pulverförmigen Aufbaumaterials vorgesehen. Durch eine Drehbewegung des Baubereichs, in dem die Objekte hergestellt werden, gegenüber einer Materialauftragevorrichtung zum Auftragen von Schichten des Aufbaumaterials und einer Verfestigungseinrichtung, können die Materialauftragevorrichtung und die Verfestigungseinrichtung gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen des Baubereichs eingesetzt werden.
Aus der Druckschrift WO 2018/087217 A1 ist zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Werkstoffschicht mit energetischer Strahlung als bekannt zu entnehmen. Insbesondere werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Werkstoffschicht mit energetischer Strahlung, insbesondere zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch schichtweises Aufschmelzen eines pulverförmigen Werkstoffes, offenbart. Bei dem Verfahren werden ein oder mehrere energetische Strahlen einer oder mehrerer Strahlquellen auf eine zu bearbeitende Schicht gerichtet und durch dynamische Strahlführung über die Schicht geführt, um Bereiche der Schicht zu bearbeiten. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der energetischen Strahlen durch zeitliche Modulation auf mehrere Einzelstrahlen aufgeteilt wird, die räumlich getrennt auf die zu bearbeitende Schicht gerichtet werden. Die Aufteilung erfolgt dabei so, dass die Summe der Leistungen der Einzelstrahlen abzüglich von durch die Aufteilung bedingten Leistungsverlusten jeweils der Leistung des energetischen Strahls entspricht. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lassen sich die für die Bearbeitung eingesetzten Strahlquellen besser ausnutzen, sodass im Falle der generativen Fertigung der Anteil des wertschöpfenden Prozesses an der gesamten Prozesszeit maximiert und die Produktivität der Fertigungsanlage gesteigert werden kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Fertigungssystem und ein alternatives Verfahren jeweils für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten bereitzustellen, welche beschleunigte Fertigungsprozesse ermöglichen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten bereitgestellt wird. Solch ein Fertigungssystem umfasst dabei eine Steuer- und Recheneinheit mit Betriebsprogramm, eine mit der Steuer- und Recheneinheit gekoppelte Beschichtereinheit zur Bereitstellung von Fertigungsmaterial auf einer Fertigungsebene des Fertigungssystems und eine mit der Steuer- und Recheneinheit gekoppelten Laservorrichtung zur Verfestigung des jeweils mittels der Beschichtereinheit aufgetragenen Fertigungsmaterials, wobei die Laservorrichtung wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit mit einer zugehörigen Laseroptik aufweist. Während eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten ist dabei mittels der Steuer- und Recheneinheit in Abhängigkeit einer jeweiligen Position der Beschichtereinheit während einer Fahrt auf einer linearen Bahnbewegung über der Fertigungsebene, die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit vor und/oder nach der jeweiligen Position der Beschichtereinheit zum Zwecke eines Verfestigungsschritts von aufgetragenen Fertigungsmaterial schaltbar oder während eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten ist, dabei mittels der Steuer- und Recheneinheit in Abhängigkeit einer Position eines Laserstrahls der wenigstens einen Lasereinheit während eines Verfestigungsschritts auf einer linearen Bahnbewegung des Laserstrahls über der Fertigungsebene die Beschichtereinheit vor und/oder nach der jeweiligen Position des Laserstrahls steuerbar, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisierbar ist. Somit weist solch ein Fertigungssystem implizit jegliche Komponenten auf, welche es für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren qualifiziert.
Solch ein additives und pulverbettbasiertes Fertigungsverfahren kann beispielsweise einen Drucker im Schrägbettverfahren aufweisen, wobei die Beschichtereinheit und Laservorrichtung entsprechend auf einer schrägen Ebene vor einer Prozesskammer und eine Pulverkammer angeordnet sind. Hinter der Prozesskammer schließt sich beispielsweise dann ein Pulvertunnel an. Das vorgestellte Fertigungssystem ermöglicht beschleunigte Fertigungsprozesse, da ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisierbar ist, sodass eine Verkürzung einer Zykluszeit um mehr als 50 % erreichbar ist. Mit anderen Worten wird bei dem vorgesehenen simultanen Betrieb, welcher mit dem vorgestellten Fertigungsprozess erreichbar ist, ein Bereich des aufgetragenen Fertigungsmaterials, welches beispielsweise in Form eines Pulvers und somit als Pulverbett vorgesehen sein kann, partiell verfestigt beziehungsweise belichtet und dann für die Beschichtereinheit entsprechend freigegeben. Diese kann dann, während die Laservorrichtung noch einen weiteren Bereich belichtet, schon den freigegebenen Bereich beschichten. Bei einer Anordnung mit mehreren Lasereinheiten kann dies dabei mittels der Steuer- und Recheneinheit und dem Betriebsprogramm derart vorgesehen sein, dass jeweils die Lasereinheit, welche mit der Beschichtereinheit im Betrieb kollidieren würde, zumindest temporär deaktivierbar beziehungsweise in einen deaktiven Betriebsmodus schaltbar ist, während die übrigen Lasereinheiten ihre jeweiligen Belichtungsvorgänge beziehungsweise Verfestigungsschritte fortsetzen. Damit wird eine Parallelisierung der Prozesse und eine deutliche Reduzierung der Bauzeit erreicht.
Dieses Vorgehen kann auch für die Rückfahrt der Beschichtereinheit angewendet werden. Die Steuer- und Recheneinheit mit Betriebsprogramm kann beispielsweise zumindest teilweise eine konventionelle speicherprogrammierbare Steuereinheit umfassen. Über entsprechende Anpassungen beziehungsweise mittels des Betriebsprogramms sind benutzerdefiniert jegliche vorgestellte Einsatzszenarien entsprechend realisierbar. So kann mittels einer weiteren softwaretechnischen Ausbaustufe ein vollständiger simultaner Betrieb zwischen der Beschichtereinheit und der wenigstens einen Lasereinheit der Laservorrichtung erfolgen. Dazu kann beispielsweise eine Bahnplanung der Laservorrichtung derart gestaltet sein, dass das Verfestigen beziehungsweise das Belichten von einer Seite in der Fertigungsebene zur anderen erfolgt. Beispielsweise kann diese Bahnplanung von links nach rechts und anschließend über dieser Bahn dann eine neue Bahn von rechts nach links vorsehen und so weiter. Eine lineare Bahnplanung unterscheidet sich dabei von einer kreisförmig geführten Materialauftragsweise erheblich und führt zu einer anderen technisch realisierbaren Gestaltungsfreiheit der zu fertigenden dreidimensionalen Objekte. Insbesondere ist es somit vermeidbar, dass während des Materialauftragens ein ungewünschter Radius der aktuell aufzutragenden Materialbahn aufgrund einer kreisförmigen Bahnführung hinzunehmen ist. Ortsfeste Lasereinheiten bieten zudem den technischen Vorteil, dass gegenüber ortsveränderlichen Systemen deutliche Genauigkeitsvorteile in der Prozessführung erreichbar sind und somit eine besonders hohe Qualität der zu erstellenden Objekte erzielbar ist. Damit ist es dann mittels des vorgestellten Fertigungssystems möglich, dass ein Bereich innerhalb dieser Laserbahnen bereits für die Beschichtereinheit freigegeben wird und somit eine weitere Parallelisierung des Prozesses erfolgt. Insbesondere, wenn nur eine Lasereinheit vorgesehen ist, ist diese zuletzt genannte Variante mit einer entsprechenden modifizierten Bahnplanung besonders vorteilhaft, um den Gesamtfertigungsprozess mittels des vorgestellten Fertigungssystems zu beschleunigen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten bereitgestellt wird. Solch ein Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Fertigungssystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, Betreiben des Fertigungssystems, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisiert wird. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für das vorgestellte Verfahren.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
So ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Beschichtereinheit zwischen der Laservorrichtung und der Fertigungsebene angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein besonders kompaktes Fertigungssystem realisierbar. Auch ist somit der vorgesehene simultane Betriebsmodus besonders gut realisierbar. Insbesondere ist es somit besonders gut möglich, in Richtung Fertigungsebene ausgesendete Laserstrahlen hochpräzise vor oder hinter eine sich aufgrund eines Beschichtungsvorgangs in Bewegung befindliche Beschichtereinheit zu platzieren, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials nicht nur realisierbar ist, sondern hochpräzise möglich ist, sodass ein hoher Anteil der Fertigungszeit entsprechend im simultanen Betriebsmodus durchführbar ist.
Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Fertigungsebene in einzelne Fertigungsfelder unterteilt ist, wobei eine Anzahl der Fertigungsfelder wenigstens gemäß einer jeweiligen Anzahl der Lasereinheiten vorgesehen ist, sodass eine Zuordnung von jeweils einer ortsfesten Lasereinheit zu einem jeweiligen Fertigungsfeld realisierbar ist. Auf diese Weise kann ein Anwender des vorgestellten Fertigungssystems mittels der Steuer- und Recheneinheit mit Betriebsprogramm eine besonders detaillierte Planung und Kontrolle im laufenden Betrieb durchführen, sodass ein besonders effizienter und beschleunigter Betriebsablauf realisierbar ist. Es ist somit auch im Sinne dieser Ausgestaltung vorstellbar, dass die Anzahl der Fertigungsfelder über der jeweiligen Anzahl der Lasereinheiten vorgesehen ist. Beispielsweise ist es auch vorstellbar, dass die Fertigungsebene in finite Fertigungsfelder unterteilt ist. Somit ist ein noch intensiverer simultaner Betrieb des Prozesses erreichbar. Insofern legt die Anzahl der Lasereinheiten nicht zwangsläufig die Anzahl der Fertigungsfelder fest.
Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit für Fertigungsfelder, welche zumindest teilweise von der aktuellen Position der Beschichtereinheit überdeckt sind, mittels der Steuer- und Recheneinheit für die Dauer der Überdeckung vorübergehend deaktivierbar sind oder wobei die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit für Fertigungsfelder mittels der Steuer- und Recheneinheit und eines intelligenten Zusatzprogramms für die Steuer- und Recheneinheit steuerbar ist, wobei das intelligente Zusatzprogramm ausgelegt ist, jeweilige Laserbahnen so vorzusehen, dass der Beschichtungsprozess ohne Einschränkungen durchführbar ist. Auf diese Weise können auch im simultanen Betriebsmodus ungewollte Kollisionen zwischen der Beschichtereinheit und der Laservorrichtung zuverlässig unterbunden werden, sodass ein besonders sicherer Fertigungsprozess auch während eines simultanen Betriebsmodus gewährleistbar ist. Somit kann auch ein noch intensiverer simultaner Betrieb erreicht werden.
Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die einzelnen Fertigungsfelder einzeln mittels einer mit der Steuer- und Recheneinheit gekoppelten Heizvorrichtung beheizbar sind, sodass das aufgetragene Fertigungsmaterial vor, während und nach einem jeweiligen Verfestigungsschritt beheizbar ist. Somit kann diese zusätzliche Funktionalität den zuvor erläuterten simultanen Betriebsmodus des vorgestellten Fertigungssystems unterstützen.
Des Weiteren ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Heizvorrichtung je Fertigungsfeld ein Heizstrahlelement umfasst, wobei die jeweiligen Heizstrahlelemente zwischen der Lasereinheit und der Beschichtereinheit vorgesehen sind. Diese Anordnung unterstützt den zuvor erläuterten simultanen Betriebsmodus auf vorteilhafte Weise, da somit besonders zuverlässig eine vorteilhafte Abdeckung der gesamten Fertigungsebene mit Prozesswärme gegeben ist, sodass ein besonders gleichmäßiger und somit zuverlässiger Fertigungsprozess mittels des vorgestellten Fertigungssystems gewährleistbar ist.
Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Heizvorrichtung je Fertigungsfeld wenigstens ein Heizelement umfasst, wobei das wenigstens eine Heizelement im Wesentlichen stabförmig ist und über einem jeweiligen Randbereich des Fertigungsfeldes zwischen der Lasereinheit und der Beschichtereinheit vorgesehen ist. Diese Anordnung unterstützt ebenfalls den zuvor erläuterten simultanen Betriebsmodus auf vorteilhafte Weise, da somit besonders zuverlässig eine vorteilhafte Abdeckung der gesamten Fertigungsebene mit Prozesswärme gegeben ist, sodass ein besonders gleichmäßiger und somit zuverlässiger Fertigungsprozess mittels des vorgestellten Fertigungssystems gewährleistbar ist.
Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Fertigungssystem zudem eine mit der Steuer- und Recheneinheit gekoppelte Wärmebildkameravorrichtung und/oder eine Pyrometervorrichtung umfasst, welche jeweils ausgelegt sind, während des aktiven Fertigungsprozesses wenigstens eine Information über das aufgetragene Fertigungsmaterial in der Fertigungsebene zu erfassen, sodass in Abhängigkeit dieser wenigstens einen Information eine Intensität der wenigstens einen Lasereinheit schaltbar ist. Auf diese Weise ist es zusätzlich möglich, eine prozessabhängige Steuerung der jeweiligen Laserstrahlen beziehungsweise allgemein der Laservorrichtung bereitzustellen. Dabei erfasst die Wärmebildkameravorrichtung und/oder die Pyrometervorrichtung, welche beispielsweise zumindest eine Wärmebildkamera beziehungsweise zumindest ein Pyrometer oder jeweils eine vergleichbare Komponente umfasst, eine aktuell sich während des Fertigungsprozesses einstellende Temperaturverteilung des Pulverbettes beziehungsweise des aufgetragenen Fertigungsmaterials in der Fertigungsebene, sodass eine prozessabhängige Laserbahn und ein entsprechend paralleler Beschichtungsvorgang planbar und realisierbar ist. Dadurch ist es möglich, neben einer Verbesserung der Bauteilqualität, eine noch kürzere Zykluszeit zu realisieren. Zudem ist es somit möglich, gezielt die Heizvorrichtung oder einzelne Elemente davon in Abhängigkeit der gemessenen Werte zu steuern. Somit kann eine besonders gleichmäßige Pulverbetttemperatur erreicht werden.
Schlussendlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sechs Lasereinheiten oder sechs Doppel-Lasereinheiten mit jeweiligen zugehörigen Laseroptiken vorgesehen sind. Diese Anzahl lässt sich besonders gut in einer symmetrischen Anordnung, beispielsweise zwei mal drei, über der Fertigungsebene vorsehen, sodass ein besonders guter simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisierbar ist.
Insofern kann alternativ auch eine Doppelbelegung der Lasereinheiten stattfinden. Dabei werden beispielsweise sechs Lasereinheiten symmetrisch angeordnet und weitere (asymmetrische) Einheiten belichten nochmals diese Fläche, sodass eine weitere Beschleunigung des Fertigungsprozesses erreichbar ist. Beispielsweise ist diese Variante dann umsetzbar beziehungsweise einsetzbar, wenn stets ähnliche Bauteile zu belichten sind und dabei ein gesonderter Bereich des Laserfelds einen besonders hohen Belichtungsaufwand aufweist. Dabei könnte dieser zykluszeitbegrenzende Prozessschritt des Laserns deutlich verkürzt werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht von einem Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten;
2 eine detaillierte schematische Seitenansicht von einem Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten;
3 eine schematische Perspektivansicht von einem Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten;
4 eine weitere schematische Perspektivansicht von einem Fertigungssystem für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten;
5 ein Verfahrensablaufdiagramm von einem Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht von einem Fertigungssystem 10 für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten. Insbesondere wird eine mögliche Ausführungsvariante von solch einem Fertigungssystem 10 dargestellt. Das Fertigungssystem 10 ist dabei mit einem Schrägbettdrucker 12 für den Einsatz in einem additiven Fertigungsverfahren dargestellt. In dieser stark vereinfachten Darstellung werden lediglich in groben Zügen die einzelnen Stationen eines in solch einem Fertigungssystem 10 betriebenen Verfahrens dargestellt. Bezogen auf die Bildebene wird links in einem ersten Schritt gedruckt. Dafür ist eine Laservorrichtung 14 mit nicht näher gezeigten Lasereinheiten mit zugehörigen ebenfalls in dieser 1 nicht näher dargestellten Laseroptiken in einer Prozesskammer 16 schematisch dargestellt, welche mittels eines Laserstrahls 18, welcher beispielsweise von einer der nicht näher dargestellten Lasereinheiten der Laservorrichtung 14 emittiert wird, ein zuvor durch eine Beschichtereinheit 20 aufgetragenes Fertigungsmaterial in Form eines Pulvers bearbeitet, sodass ein Gegenstand 22 schichtweise gedruckt werden kann. Der Laserstrahl 18 trifft dabei auf einen noch nicht fertig erstellten Gegenstand 22, welcher in einem Pulverbettbereich 24 vorgesehen ist. Der Pulverbettbereich 24 kann beispielsweise in einer zumindest teilweise geschlossenen in der Prozesskammer 16 angeordneten Pulverkammer 26 vorgesehen sein. Der Gegenstand 22 wird dabei während des Druckvorgangs von links nach rechts auf einem dafür vorgesehenen Transportsystem 28 bewegt. Während dieser Bewegung kann die Beschichtungsvorrichtung 20 entsprechend die nächste Schicht auf den Gegenstand 22 beschichten, welche anschließend oder noch während des Auftragens mittels der Laservorrichtung 14 bearbeitet wird. Die Prozesskammer 16 ist hier nur schematisch dargestellt und kann andere Formen aufweisen. Insbesondere kann diese Prozesskammer 16 getrennt von dem Pulverbettbereich 24 vorgesehen sein. Im Anschluss an das Drucken wird der Gegenstand 22 außerhalb der Prozesskammer 16 entpackt, wobei überschüssiges Fertigungsmaterial 30 in einen unterhalb des Transportsystems 28 positionierten Sammler 32 fällt. Nach dem Entpacken schließen sich im rechten Bildbereich noch die Schritte der Handhabung und Reinigung an.
2 zeigt eine detaillierte schematische Seitenansicht von einem Fertigungssystem 10 für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten. Es handelt sich dabei insbesondere um eine detaillierte Ansicht des in 1 dargestellten Fertigungssystems 10. Es werden somit die in 1 bereits eingeführten Bezugszeichen auch in dieser 2 verwendet, ohne dass diese an dieser Stelle erneut eingeführt werden. Die dargestellte Laservorrichtung 14 ist hier mit insgesamt drei Lasereinheiten 34 mit jeweils zugehörigen Laseroptiken 36 dargestellt. In einer nicht näher gezeigten Ausführungsvariante ist es jedoch vorstellbar, dass lediglich eine Lasereinheit 34 mit zugehöriger Laseroptik 36 vorgesehen ist. Auch können mehr als drei solcher Einheiten in beliebiger Anzahl vorgesehen sein. Die Darstellung ist an dieser Stelle stark vereinfacht, wobei die jeweiligen Lasereinheiten 34 mit den jeweiligen zugehörigen Laseroptiken 36 als eine bauliche Einheit dargestellt sind. Es ist jedoch vorstellbar, dass diese beiden Komponenten separat voneinander vorgehalten sind und eben mittels der jeweiligen zugehörigen Laseroptiken 36 die ausgesendeten Laserstrahlen 18 entsprechend in Richtung einer Fertigungsebene 38 des Fertigungssystems 10 lenkbar sind. Zwischen den Lasereinheiten 34 mit den jeweiligen zugehörigen Laseroptiken 36 und der Fertigungsebene 38 des Fertigungssystems 10 ist zudem (wie in 1) eine Beschichtereinheit 20 dargestellt, welche über der Fertigungsebene 10 in einem benutzerdefinierten Abstand in beide Richtungen bewegbar ausgelegt ist, sodass eine definierte Menge an nicht näher dargestelltem Fertigungsmaterial appliziert beziehungsweise dort auftragbar ist. Die Lasereinheiten 34 sind in aufsteigender Reihenfolge von unten links nach oben rechts nummeriert (bezogen auf die Bildebene). Das Fertigungssystem 10 befindet sich in dem Zustand eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten beziehungsweise von den Gegenständen 22. Dies ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die dargestellte Beschichtereinheit 20 als auch die jeweiligen Lasereinheiten 34 aktiv sind. Ein Bewegungspfeil 40 an der Beschichtereinheit 20 deutet an, dass sich diese in Bewegung befindet und in Begriff ist, eine weitere Materialschicht von dem Fertigungsmaterial beziehungsweise von dem Fertigungspulver aufzutragen. Mittels einer schematisch und stark vereinfacht dargestellten Steuer- und Recheneinheit 42 mit Betriebsprogramm 44 sind in Abhängigkeit einer jeweiligen Position der Beschichtereinheit 20 während einer Fahrt auf einer linearen Bahnbewegung über der Fertigungsebene 38 die drei ortsfesten Lasereinheiten 34 vor und/oder nach der jeweiligen Position der Beschichtereinheit 20 zum Zwecke eines Verfestigungsschritts von aufgetragenen Fertigungsmaterial schaltbar, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisierbar ist. Jeweils an der Position, wo sich die Beschichtereinheit 20 befindet, ist die jeweilige Lasereinheit 34 deaktiviert. In der 2 ist dies für die Position der Beschichtereinheit 20 links unten (bezogen auf die Bildebene) der Fall. Die erste Lasereinheit 34 ist demnach vorübergehend beziehungsweise temporär deaktiviert und sendet demnach momentan keinen Laserstrahl 18 aus. Zwischen der dargestellten Steuer- und Recheneinheit 42 mit Betriebsprogramm 44 und der Laservorrichtung 14 beziehungsweise der Beschichtereinheit 20 und jeglichen weiteren Komponenten des Fertigungssystems 10 visualisiert ein Doppelpfeil 46 den interaktiven funktionellen Zusammenhang. Als weitere Komponenten sind in dieser 2 vier Heizstrahlelemente 48 dargestellt, welche zwischen den Lasereinheiten 34 und der Beschichtereinheit 20 in der Prozesskammer 16 angeordnet sind. Abstände sowie bauliche Ausführungsformen dieser vier Heizstrahlelemente 48 sind dabei je nach Einsatzzweck und zu fertigendem Gegenstand 22 frei wählbar und können in nicht näher dargestellten Ausführungsvarianten des vorgestellten Fertigungssystems 10 entsprechend variieren. In einer ebenfalls nicht näher dargestellten Variante des Fertigungssystems 10 ist es zudem vorstellbar, dass während eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten beziehungsweise Gegenständen 22 mittels der Steuer- und Recheneinheit 42 in Abhängigkeit einer jeweiligen Position eines Laserstrahls 18 der wenigstens einen Lasereinheit 34 während eines Verfestigungsschritts auf einer linearen Bahnbewegung des Laserstrahls 18 über der Fertigungsebene 38 die Beschichtereinheit 20 vor und/oder nach der jeweiligen Position des Laserstrahls 18 steuerbar ist, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisierbar ist.
3 zeigt eine schematische Perspektivansicht von einem Fertigungssystem 10 für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten. Es werden dabei die gleichen Bezugszeichen verwendet, welche in den 1 bis 2 bereits verwendet werden, sodass diese nicht erneut eingeführt werden. Insbesondere ist in dieser 3 eine beispielhafte Anordnung von sechs Lasereinheiten 34 der Laservorrichtung 14 dargestellt. Jeweils drei Lasereinheiten 34 sind dabei an sich gegenüberliegenden Randbereichen einer Fertigungsebene 38 des Fertigungssystems 10 angeordnet dargestellt, wobei die drei Lasereinheiten 34 auf der schräg ausgerichteten Fertigungsebene 38 leicht versetzt übereinander vorgesehen sind. Im Wesentlichen auf gleicher Höhe sind über einem mittig vorgesehenen Hauptbereich der Fertigungsebene 38 sechs Laseroptiken 36 dargestellt, wobei jeweils eine Laseroptik 36 jeweilig zu einer der dargestellten Lasereinheiten 34 zugehörig ist. Form und Ausgestaltungen der Lasereinheiten 34 und Laseroptiken 36 sind in anderen nicht dargestellten Ausführungsformen des vorgestellten Fertigungssystems 10 frei variierbar.
4 zeigt eine weitere schematische Perspektivansicht von einem Fertigungssystem 10 für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten. Es werden dabei die gleiche Bezugszeichen verwendet, welche in den 1 bis 2 bereits verwendet werden, sodass diese an dieser Stelle nicht erneut eingeführt werden. Es handelt sich bei dem hier in 4 dargestellten Fertigungssystem 10 um einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau, wie dieser bereits in 3 dargestellt ist. Dabei sind in dieser 4 die Lasereinheiten 34 und Laseroptiken 36 nicht dargestellt, sodass ein direkter Blick auf die Fertigungsebene 38 des Fertigungssystems 10 frei ist.
Die Fertigungsebene 38 ist zudem in einzelne Fertigungsfelder 49 aufgeteilt, wobei in dieser dargestellten Ausführungsvariante insgesamt sechs Fertigungsfelder 49 vorgesehen sind, welche jeweils im Wesentlichen rechteckig und im Wesentlich in gleicher Größe vorgesehen sind. Aufteilung, Anzahl, Anordnung sowie jegliche andere Gestaltungsgrößen dieser Fertigungsfelder 49 sind in weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsvarianten des vorgestellten Fertigungssystems 10 frei wählbar und insbesondere in Abhängigkeit von einem jeweiligen Einsatzzweck des Fertigungssystems 10 frei variierbar. Die Fertigungsfelder 49 sind von unten nach oben (bezogen auf die Bildebene) durchnummeriert dargestellt. Die Beschichtereinheit 20 ist somit vor den Fertigungsfeldern 49 eins und zwei positioniert beziehungsweise überdeckt ansatzweise diese bereits, sodass die nicht näher dargestellten Lasereinheiten 34 mit zugehörigen Laseroptiken 36 in diesem Bereich der Fertigungsfelder 49 eins und zwei deaktiviert sind. Zudem ist die Beschichtereinheit 20 des Fertigungssystems 10 nunmehr zu erkennen, welche sich über die gesamte Breite der Fertigungsebene 38 erstreckt. Auch ist nunmehr der Blick auf eine beispielhafte Ausführungsform einer Heizvorrichtung 50 des Fertigungssystems 10 dargestellt. Diese Heizvorrichtung 50 umfasst dabei ein Gitter aus einzelnen Heizelementen 52, welche im Wesentlichen stabförmig vorgesehen sind und in einem jeweiligen Randbereich der jeweiligen Fertigungsfelder 49 vorgesehen sind. Dabei sind diese Heizelemente 52 zwischen den in dieser 4 nicht näher dargestellten Lasereinheiten 34 und der Beschichtereinheit 20 vorgesehen.
5 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm 100 von einem Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten. In einem ersten Verfahrensschritt 110 wird ein Fertigungssystem 10 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 120 wird das Fertigungssystem 10 betrieben, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials realisiert wird.
Bezugszeichenliste

10: Fertigungssystem
12: Schrägbettdrucker
14: Laservorrichtung
16: Prozesskammer
18: Laserstrahl
20: Beschichtereinheit
22: Gegenstand
24: Pulverbettbereich
26: Pulverkammer
28: Transportsystem
30: Fertigungsmaterial
32: Sammler
34: Lasereinheit
36: Laseroptik
38: Fertigungsebene
40: Bewegungspfeil
42: Steuer- und Recheneinheit
44: Betriebsprogramm
46: Doppelpfeil
48: Heizstrahlelement
49: Fertigungsfeld
50: Heizvorrichtung
52: Heizelement
100: Verfahrensablaufdiagramm
110: erster Verfahrensschritt
120: zweiter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/003804 A1 [0004]
DE 10235434 A1 [0005]
WO 2018/087217 A1 [0006]

Claims

Fertigungssystem (10) für die Verwendung in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, umfassend eine Steuer- und Recheneinheit (42) mit Betriebsprogramm (44), eine mit der Steuer- und Recheneinheit (42) gekoppelte Beschichtereinheit (20) zur Bereitstellung von Fertigungsmaterial auf einer Fertigungsebene (38) des Fertigungssystems (10), eine mit der Steuer- und Recheneinheit (42) gekoppelten Laservorrichtung (14) zur Verfestigung des jeweils mittels der Beschichtereinheit (20) aufgetragenen Fertigungsmaterials, wobei die Laservorrichtung (14) wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit (34) mit einer zugehörigen Laseroptik (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten mittels der Steuer- und Recheneinheit (42) in Abhängigkeit einer jeweiligen Position der Beschichtereinheit (20) während einer Fahrt auf einer linearen Bahnbewegung über der Fertigungsebene (38) die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit (34) vor und/oder nach der jeweiligen Position der Beschichtereinheit (20) zum Zwecke eines Verfestigungsschritts von aufgetragenen Fertigungsmaterial (30) schaltbar ist oder, dass während eines aktiven Fertigungsprozesses von dreidimensionalen Objekten mittels der Steuer- und Recheneinheit (42) in Abhängigkeit einer jeweiligen Position eines Laserstrahls (18) der wenigstens einen Lasereinheit (34) während eines Verfestigungsschritts auf einer linearen Bahnbewegung des Laserstrahls (18) über der Fertigungsebene (38) die Beschichtereinheit (20) vor und/oder nach der jeweiligen Position des Laserstrahls (18) steuerbar ist, sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials (30) realisierbar ist.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtereinheit (20) zwischen der Laservorrichtung (14) und der Fertigungsebene (38) angeordnet ist.
Fertigungssystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fertigungsebene (38) in einzelne Fertigungsfelder (46) unterteilt ist, wobei eine Anzahl der Fertigungsfelder (49) wenigstens gemäß einer jeweiligen Anzahl der Lasereinheiten (34) vorgesehen ist, sodass eine Zuordnung von jeweils einer ortsfesten Lasereinheit (34) zu einem jeweiligen Fertigungsfeld (49) realisierbar ist.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit (34) für Fertigungsfelder (49), welche zumindest teilweise von der aktuellen Position der Beschichtereinheit (20) überdeckt sind, mittels der Steuer- und Recheneinheit (42) für die Dauer der Überdeckung vorübergehend deaktivierbar sind, oder wobei die wenigstens eine ortsfeste Lasereinheit (34) für Fertigungsfelder (49) mittels der Steuer- und Recheneinheit (42) und eines intelligenten Zusatzprogramms für die Steuer- und Recheneinheit (42) steuerbar ist, wobei das intelligente Zusatzprogramm ausgelegt ist, jeweilige Laserbahnen so vorzusehen, dass der Beschichtungsprozess ohne Einschränkungen durchführbar ist.
Fertigungssystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 4, wobei die einzelnen Fertigungsfelder (49) einzeln mittels einer mit der Steuer- und Recheneinheit (42) gekoppelten Heizvorrichtung (50) beheizbar sind, sodass das aufgetragene Fertigungsmaterial (30) vor, während und nach einem jeweiligen Verfestigungsschritt beheizbar ist.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei die Heizvorrichtung (50) je Fertigungsfeld (49) ein Heizstrahlelement (48) umfasst, wobei die jeweiligen Heizstrahlelemente (48) zwischen der Lasereinheit (34) und der Beschichtereinheit (20) vorgesehen sind.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei die Heizvorrichtung (50) je Fertigungsfeld (49) wenigstens ein Heizelement (52) umfasst, wobei das wenigstens eine Heizelement (52) im Wesentlichen stabförmig ist und über einem jeweiligen Randbereich des Fertigungsfeldes (49) zwischen der Lasereinheit (34) und der Beschichtereinheit (20) vorgesehen ist.
Fertigungssystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fertigungssystem (10) zudem eine mit der Steuer- und Recheneinheit (42) gekoppelte Wärmebildkameravorrichtung und/oder eine Pyrometervorrichtung umfasst, welche jeweils ausgelegt sind, während des aktiven Fertigungsprozesses wenigstens eine Information über das aufgetragene Fertigungsmaterial (30) in der Fertigungsebene (38) zu erfassen, sodass in Abhängigkeit dieser wenigstens einen Information eine Intensität der wenigstens einen Lasereinheit (34) schaltbar ist.
Fertigungssystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sechs Lasereinheiten (34) oder sechs Doppel-Lasereinheiten mit jeweiligen zugehörigen Laseroptiken (36) vorgesehen sind.
Verfahren zur Durchführung von simultanen Beschichtungs- und Verfestigungsvorgängen von Fertigungsmaterial (30) in einem additiven und pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Fertigungssystems (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; - Betreiben des Fertigungssystems (10), sodass ein simultaner Beschichtungs- und Verfestigungsvorgang des Fertigungsmaterials (30) realisiert wird.