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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein selektives, lasergestütztes Strahlschmelzverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine bevorzugte Anwendung eines lasergestützten Strahlschmelzverfahrens liegt im Laserschmelzen oder Lasersintern eines Pulvermaterials, wie es Gegenstand der eigenen Patentanmeldung
DE 10 2019 105 223 A1 ist.
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Die diesbezügliche Offenbarung soll von der Offenbarung der vorliegenden Erfindungsbeschreibung umfasst sein.
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Eine gattungsbildende Vorrichtung für ein selektives, lasergestütztes Strahlschmelzverfahren ist beispielsweise Gegenstand der
DE 10 2018 112 381 A1 , bei welcher der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Bauplatte aufgebracht wird und der pulverförmige Werkstoff mittels Laserstrahlung schichtweise lokal vollständig umgeschmolzen wird und nach seiner Erstarrung eine feste Materialschicht bildet.
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Anschließend wird die Bauplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet.
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Die für den Aufbau des Bauteils typischen Schichtstärken bewegen sich für alle Materialien im Bereich zwischen 15 bis 50 Mikrometer.
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Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden, findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre mit Argon oder Stickstoff statt.
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Allerdings wird es als Nachteil empfunden, dass bei der selektiven, schichtweisen Anfertigung von Werkstücken Stützstrukturen verwendet werden müssen, die das Werkstück auf der Bauplatte fixieren, um eine unerwünschte Bewegung des Werkstücks während des Laserschmelzverfahrens zu vermeiden.
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Solche Stützstrukturen sind bei dünnwandigen Bauteilen notwendig, um einen etwaigen Verzug durch die durch den Prozess eingebrachte Wärme des Fertigbauteils zu vermeiden.
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Solche Stütz- oder Anwendungsstrukturen haben die weitere Funktion, während des Prozesses, vor allem während des Wischvorganges, das aufgedruckte Werkstück (Bauteil) auf der Bauplatte zu fixieren, damit durch den Wischer, der einzelne Schichten von Metall aufträgt, kein Verschieben des Werkstücks erfolgt.
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Stützstrukturen sind generell dazu da, eine Verbindung zwischen gedrucktem Bauteil und Bauplattform herzustellen.
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Diese Stützstrukturen müssen nach abgeschlossenen 3-D-Druck aufwendig entfernt werden, was die Werkstücke, speziell in einer Serie, verteuert.
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Des Weiteren wird durch Verwendung von Stützstrukturen bei höher kohlenstoffhaltigen Stellen im Werkstück einem Verzug des Werkstücks entgegengewirkt.
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Wenn der Druck abgeschlossen ist und das Restpulver aus dem Druckbauraum entfernt ist, wird die Bauplatte samt gedrucktem Werkstück und den Stützstrukturen entnommen. Anschließend wird in einem sehr aufwändigen Trennvorgang (durch Drahterodieren, Schneiden, Sägen, Fräsen, Lasern, usw.) die Stützstruktur von der Bauplatte entfernt. Um die Bauplatte wieder druckfähig für den nächsten Druckjob zu machen, muss diese eben geschliffen werden. Es ist auf jeden Fall nach dem Trennvorgang ein Nachbearbeiten der Bauplatte zur Sicherstellung einer absoluten Ebenheit notwendig.
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Der Erfindung liegt deshalb, ausgehend von der
DE 10 2018 112 389 A1 , die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für ein selektives, lasergestütztes Strahlschmelzverfahren so weiterzubilden, dass Stützstrukturen weitgehend vermieden werden können und dass eine besonders einfache Entnahme des fertig gestellten Werkstücks von der Bauplatte, ohne wesentliche Nachbearbeitung der Bauplatte, möglich ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Vorteil der erfindungsgemäßen technischen Lehre ist die einfache Entnahme des gedruckten Bauteils aus dem Druckerbauraum ohne aufwendiges Trennen von Stützstruktur und Werkstück und Bauplatte.
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Ein besonderer Vorteil der technischen Lehre, nach Anspruch 1, ist, dass die Stützstrukturen mindestens teilweise oder sogar vollständig dann entfallen können, wenn eine Verkrallungsstruktur auf der Oberseite der Bauplatte in Richtung auf die darauf haftende Bodenseite des Werkstücks vorgesehen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser technischen Idee wird es bevorzugt, wenn mindestens die Oberseite der Bauplatte aus einer laserschmelzfesten Schicht, bevorzugt aus einer Keramikplatte gebildet ist, in deren Oberseite die Verkrallungsstruktur angeordnet ist. Die Verwendung einer Keramikplatte hat den Vorteil, einer besonders schmelzfesten und glatten Oberfläche. Der Begriff „Keramik“ umfasst eine Vielzahl anorganischer nichtmetallischer Werkstoffe, die grob in die Typen Irdengut, Steingut, Steinzeug, Porzellan und Sondermassen unterteilt werden können. Allgemeinsprachlich dient Keramik auch als Oberbegriff für die geformten und gebrannten Produkte, die als Bauteile oder Werkzeuge verwendet werden.
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Man unterscheidet unter anderem Tonkeramik und Glaskeramik. In dieser Beschreibung spielt die technische Keramik eine bedeutende Rolle, zu der auch die Verbundkeramik zählt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die erfindungsgemäße Keramikplatte aus einer technischen Keramik, insbesondere einer Verbundkeramik.
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In einer anderen Ausgestaltung kann jedoch auch eine Glaskeramik-Platte verwendet werden, wie sie bei Herdplatten elektrischer Herde gebräuchlich ist. Darunter werden Glaskeramiken verstanden, welche eine hohe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung, eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufgrund des geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Sie besitzen eine glatte, porenfreie Oberfläche. Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung einer solchen Glaskeramikplatte die Verkrallungsstruktur in die vorher glatte Oberfläche einegracht.
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Bei der Verwendung eines Verbundkeramik-Werkstoffes wird eine wärmedurchlässige und nicht zu dicke Keramikschicht auf die Bauplatte aufgebracht. Die Schichtdicken liegen bevorzugt im Bereich zwischen 2 - 30 mm. Diese Schicht oder Platte ist mit kleinsten Löchern versehen, die in ihrem Durchmesser von 1,5 mm bis zu 0,05 mm klein sein können.
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In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die beim Brennen eines beschichteten Tonkörpers entstehenden (natürlichen) Poren die erfindungsgemäße Verkrallungsstruktur bilden.
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Es kann auch vorgesehen werden, eine Glaskeramikplatte oder eine Verbundkeramikplatte entweder vor deren Härtungsprozess oder auch nachträglich - nach deren Fertigstellung - mit porenartigen Ausnehmungen an der Oberfläche zu versehen.
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Auf die unter Schutzgas-Atmosphäre eingeschlossene Bauplatte, die mit der Keramikschicht beschichtet oder belegt ist, wird nun begonnen, aufzudrucken. Die Schichtdicken bewegen sich normalerweise zwischen 20 und 150 µm. Bei den ersten zwei bis drei Schichten, je eingestellter Schichtdicke, handelt es sich um die notwendige Verbindungsschicht zwischen dem nachher zu fertigenden Werkstück und der Keramikplatte. Die kleinen Löcher, wie oben beschrieben, dienen zum Verkrallen des gelaserten Pulvers mit der Keramikschicht. Je nach Druck-Job gibt es unterschiedliche Lochabstände, Lochdurchmesser und Lochtiefen. Nach abgeschlossenem Druckjob und Entnahme des Restpulvers ist ohne großen Kraftaufwand auch die Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum möglich. Bei richtiger Konfiguration sind kein Schleifen oder eine anderweitige Nachbearbeitung der Bauplatte notwendig und es kann sofort wieder mit einem neuen Druck begonnen werden.
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Demnach besteht die erfindungsgemäße Verkrallungsstruktur in einer ersten Ausführungsform aus einer Vielzahl von halboffenen Ausnehmungen in der laserschmelzfesten Schicht, die bevorzugt aus einer Keramikplatte gebildet ist.
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Es ist jedoch nicht lösungsnotwendig, dass die laserschmelzfeste Schicht aus einer Keramikplatte gebildet wird, weil in anderen Ausführungsformen vorgesehen sein kann, dass die laserschmelzfeste Schicht aus einer perforierten Kunststoff- oder Glasplatte (z.B. der oben erwähnten Glaskeramikplatte) gebildet ist, deren Oberseite die Verkrallungsstruktur bildet.
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Grundvoraussetzung für eine derartige Verkrallungsstruktur ist demnach die Anordnung einer laserschmelzfesten Schicht auf der Oberseite der Bauplatte, wobei als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Keramikplatte, eine Glasplatte oder eine laserschmelzfeste Kunststoffplatte verwendet wird.
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Es ist ebenso möglich, auf der Bauplatte eine Mehrschicht-Konstruktion aus laserschmelzfesten Schichten vorzusehen, wobei die Verkrallungsstruktur bevorzugt aus einer gitterartigen Lochstruktur gebildet wird.
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Eine solche Lochstruktur kann aus beliebig geformten, bevorzugt zylindrischen Sacklöchern bestehen oder auch als die laserschmelzfeste Schicht durchdringende Durchgangsbohrungen.
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Statt der Anordnung von zylindrischen Sacklöchern oder Durchgangsbohrungen können auch Konuslöcher oder halb- oder viertelkugelige Profillöcher verwendet werden, die ebenfalls entweder als Sackausnehmungen oder als Durchgangsausnehmungen in der laserschmelzfesten Schicht angeordnet sind.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Verkrallungsstruktur allein aus einer Porenstruktur der laserschmelzfesten Schicht besteht oder in Kombination mit der oben genannten gitterartigen Lochstruktur vorhanden ist.
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Von besonderem Vorteil ist, dass sich die Verkrallungsstruktur unterhalb der Werkstück berührten Oberfläche der Bauplatte befindet, um so das fertiggestellte Werkstück leicht von der - ansonsten glatten - Bauplatte entnehmen zu können, ohne dass ein mechanischer Trennvorgang zwischen der Bodenseite des Werkstücks und der - ansonsten ebenen - Oberfläche der Bauplatte stattfinden muss.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, könnten als erfindungswesentlich beansprucht werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Die Verwendung der Begriffe „wesentlich“ oder „erfindungsgemäß“ oder „erfindungswesentlich“ ist subjektiv und impliziert nicht, dass die so benannten Merkmale zwangsläufig Bestandteil eines oder mehrerer Patentansprüche sein müssen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: Schematisierte Darstellung einer Vorrichtung für ein selektives, lasergestütztes Strahlschmelzverfahren.
- 2: Die perspektivische Ansicht einer Bauplatte, die in 1 verwendet wird.
- 3: Schnitt durch die obere Schicht der Bauplatte nach 2 mit der Anordnung eines Sacklochs.
- 4: Eine gegenüber 3 abgewandelte Ausführungsform.
- 5: Eine gegenüber 3 und 4 weitere abgewandelte Ausführungsform.
- 6: Schematisiert im Schnitt die Darstellung der Verkrallungsstruktur zwischen der Bodenseite des Werkstücks und der Oberseite der Bauplatte.
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In 1 ist schematisiert eine Strahlschmelz-Vorrichtung 1 dargestellt, bei der in einer abgeschlossenen und unter Schutzgasatmosphäre stehenden Kammer 2 ein Laser 3 angeordnet ist, der mit seinem Laserstrahl 4 ein Pulverbett 30 schichtweise aufschmilzt, welches auf einer heb- und senkbaren Bauplatte 10 angeordnet ist, um so schichtweise ein auf der Bauplatte 10 angeordnetes Werkstück 5 aufzuschmelzen.
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Zu diesem Zweck wird aus dem Pulvervorrat 6 mit Hilfe eines in Pfeilrichtung 9 bewegten Wischers 7 das Pulver auf das Pulverbett 30 aufgeschichtet.
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Der Laserstrahl 4 bildet somit eine schichtweise aufgeschmolzene Schmelzfläche 8, die, nach der Erstarrung, das profilierte Werkstück 5 ausbildet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberseite der Bauplatte 10 mit einer Keramikplatte 18 abgedeckt, deren Oberseite die erfindungsgemäße Verkrallungsstruktur 17 trägt.
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Überschüssiges Pulver aus dem Pulverbett 30 wird vom Wischer 7 in Pfeilrichtung 9 als Restpulver 16 in den Pulverbehälter 15 gefördert.
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Neues Pulver wird aus dem Pulvervorrat 6 durch Anheben der Hubvorrichtung 13 in Pfeilrichtung 14 bereitgestellt.
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Die Bauplatte 10 wird mit Hilfe der Hubvorrichtung 11 schrittweise in Pfeilrichtung 12 abgesenkt, um das aufzuschmelzende Werkstück 5 Schicht für Schicht anzufertigen.
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Die 2 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Bauplatte 10, die an ihrer Oberseite mit einer Keramikplatte 18 abgedeckt ist, auf welcher die Verkrallungsstruktur 17 aufgebracht ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Verkrallungsstruktur 17 aus einer ein Gitternetz 20 bildenden Lochstruktur 19, wobei die Lochstruktur 19 wahlweise aus den in 3 dargestellten Sacklöchern 21 bestehen kann oder aus den in 4 dargestellten Konuslöchern 24 oder den in 5 dargestellten halb- oder viertelkugeligen Profillöchern 25.
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Der Durchmesser 31 der jeweiligen Löcher 21, 24, 25 sollte etwa halb so groß sein, wie die Lochtiefe 23 bezogen auf die Plattendicke 22.
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Bei der Profilgebung und der Dimensionierung der Löcher 21, 24, 25 steht die leichte Entformbarkeit des Werkstücks von der Verkrallungsstruktur 17 im Vordergrund, was bedeutet, dass die Lochwandungen der Löcher 21 bis 25 auch konisch nach außen geöffnet sein können.
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Anstatt der Ausbildung von Sacklöchern 21, 24, 25 können auch Durchgangslöcher in der Keramikplatte 18 vorgesehen sein.
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Wie in der allgemeinen Beschreibung angegeben, wird eine Keramikplatte 18 wegen ihrer laserschmelzfesten Eigenschaft bevorzugt.
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Anstatt einer solchen Keramikplatte können jedoch auch andere laserschmelzfeste Materialien verwendet werden, wie z. B. eine Glaskeramikplatte oder eine geeignete laserschmelzfeste Kunststoffplatte.
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Die anzubringenden Löcher oder Ausnehmungen 21, 24, 25, welche die Lochstrukturen 19 mit dem Gitternetz 20 bilden, können mit einem Laserstrahl oder einem Plasmastrahl oder mechanisch durch die kinetische Energie von Beschußkörpern (Sandstrahlen) in die Oberfläche der Keramikplatte 18 eingebracht werden.
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Ebenso ist es möglich, die Verkrallungsstruktur 17 in der Keramikplatte 18 bei der Herstellung der Keramikplatte 18 vor deren Aushärtung einzubringen, wenn diese noch aus einem ungebrannten Tonmaterial besteht und erst nach dem Brennvorgang ihre laserschmelzfeste Oberfläche erhält.
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Die 6 zeigt, dass die Verkrallungsstruktur aus einem Schichtaufbau 26 der Materialschichten des Pulverbetts 30 gebildet wird, so dass ein schmelzfester und bruchsicherer Übergang zur Bodenseite 29 des im Schichtaufbau 27 aufgebauten Werkstücks 5 erfolgt.
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Die Bodenseite 29 des Werkstücks 5 kann somit leicht von der an sich glatten Oberseite 28 entformt werden, ohne dass es der aufwendigen Nachbearbeitung der Oberfläche der Bauplatte 10 und der Entfernung von ansonsten notwendiger Stützstrukturen kommen muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlschmelz-Vorrichtung
- 2
- Kammer
- 3
- Laser
- 4
- Laserstrahl
- 5
- Werkstück
- 6
- Pulvervorrat
- 7
- Wischer
- 8
- Schmelzfläche
- 9
- Pfeilrichtung
- 10
- Bauplatte
- 11
- Hubvorrichtung (Mitte)
- 12
- Pfeilrichtung
- 13
- Hubvorrichtung (rechts)
- 14
- Pfeilrichtung
- 15
- Pulverbehälter
- 16
- Restpulver
- 17
- Verkrallungsstruktur
- 18
- Keramikplatte
- 19
- Lochstruktur
- 20
- Gitternetz
- 21
- Sackloch
- 22
- Plattendicke
- 23
- Lochtiefe
- 24
- Konusloch
- 25
- Profilloch
- 26
- Schichtaufbau (innen)
- 27
- Schichtaufbau (oben)
- 28
- Oberseite (von 18)
- 29
- Bodenseite (von 5)
- 30
- Pulverbett
- 31
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019105223 A1 [0002]
- DE 102018112381 A1 [0004]
- DE 102018112389 A1 [0015]
