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Die
Erfindung betrifft eine Substratplatte zum Auftrag von zumindest
einer ersten Schicht eines Aufbaumaterials zur Herstellung eines
dreidimensionalen Formkörpers
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf generative Fertigungsverfahren,
bei denen komplexe, dreidimensionale Bauteile schichtweise aus Werkstoffpulvern
aufgebaut werden. Die Anwendungsfelder der Erfindung liegen neben
dem Rapid Prototyping und den benachbarten Disziplinen Rapid Tooling
und Rapid Manufacturing insbesondere im Bereich der Herstellung
von Serienwerkzeugen und – funktionsteilen.
Dazu gehören
beispielsweise Spritzgusswerkzeuge mit oberflächennahen Kühlkanälen sowie Einzelteile und Kleinserien
von Funktionsbauteilen für
die Medizin, den Maschinenbau, Flugzeugbau und Automobilbau.
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Zu
den für
die vorliegende Erfindung relevanten generativen Fertigungsverfahren
zählen
das Laserschmelzen, das beispielsweise aus der
DE 196 49 865 C1 der Fraunhofer
Gesellschaft bekannt ist, und das Lasersintern, das beispielsweise
aus der
US 4,863,538 der
Universität
von Texas bekannt ist.
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Bei
dem aus der
DE 196
49 865 C1 bekannten Verfahren des Laserschmelzens werden
die Bauteile aus handelsüblichen,
einkomponentigen, metallischen Werkstoffpulvern ohne Bindemittel
oder sonstige Zusatzkomponenten hergestellt. Dazu wird das Werkstoffpulver
jeweils als dünne
Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal
entsprechend der gewünschten
Bauteilgeometrie mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen. Die Energie
des Laserstrahls wird so gewählt,
dass das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über eine
gesamte Schichtdicke vollständig
aufgeschmolzen wird. Gleichzeitig wird eine Schutzgasatmosphäre über der
Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem metallischen Werkstoffpulver
aufrechterhalten, um Fehlstellen im Bauteil zu vermeiden, die beispielsweise
durch Oxidation hervorgerufen werden können. Zur Durchführung des Verfahrens
ist eine Vorrichtung bekannt, welche aus der
1 der
DE 196 49 865 C1 hervorgeht.
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Bei
dem aus der
US 4,863,538 bekannten Verfahren
des Lasersinterns werden die Bauteile durch schichtweisen Aufbau
aus speziell für
das Lasersintern entwickelten Werkstoffpulvern hergestellt, die
neben dem Grundwerkstoff eine oder mehrere Zusatzkomponenten enthalten.
Die verschiedenen Pulverkomponenten unterscheiden sich hinsichtlich des
Schmelzpunktes.
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Beim
Lasersintern wird das Werkstoffpulver als dünne Schicht auf eine Bauplattform
aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal entsprechend der Geometriedaten
des Bauteils mit einem Laserstrahl bestrahlt. Die niedrig-schmelzenden
Komponenten des Werkstoffpulvers werden durch die eingestrahlte
Laserenergie aufgeschmolzen, andere bleiben im festen Zustand. Die
Befestigung der Schicht an der vorherigen Schicht erfolgt über die
aufgeschmolzenen Pulverkomponenten, die beim Erstarren eine Verbindung
herstellen. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Bauplattform
um eine Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter wird
eine neue Pulverschicht aufgebracht.
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Während des
Herstellens des Formkörpers wird
zum schichtweisen Auftragen des Aufbaumaterials ein Träger in einer
Prozesskammer schrittweise abgesenkt. Zur Minimierung thermischer
Spannungen in dem herzustellenden Formkörper wird eine auf dem Träger angeordnete
Substratplatte auf eine Temperatur von beispielsweise bis zu 500 °C erwärmt.
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Durch
den Wärmeleitwiderstand
der Substratplatte und durch Wärmeverluste
aufgrund von Strahlung und Konvektion entsteht über die Substratplattendicke
ein Temperaturgradient. Dies bedeutet, dass die unmittelbar dem
Träger
zugewandte Unterseite der Substratplatte eine höhere Temperatur aufweist als
die Oberseite. Dies hat zur Folge, dass eine stärkere Längenausdehnung der Unterseite
der Substratplatte im Vergleich zur Oberseite gegeben ist. Im erwärmten Zustand
bildet sich daher eine Krümmung über die
Substratplatte, insbesondere bei runden Substratplatten in Form
eines Hohlkugelsegmentes, aus. Die Substratplatte liegt dann im
Wesentlichen nur noch an einem Punkt in der Mitte auf, und der Wärmeübergang
vom Träger
auf die Substratplatte ist vermindert und kann nicht mehr gewährleistet
werden.
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Sofern
die Dicke der Substratplatte reduziert wird, um das Problem der
Verformung zu lösen,
wird zwar der absolute Temperaturunterschied zwischen der Oberseite
und der Unterseite der Substratplatte geringer, der Temperaturgradient
hingegen wird steiler. Dies hat zur Folge, dass die Verformung noch größer wird.
Sofern die Dicke der Substratplatte erhöht wird, um das Problem der
Verformung zu lösen, weist
dies zwar den Vorteil auf, dass sich die dickere Substratplatte
in geringerem Maß gegenüber einer dünnen Substratplatte
aufwirft, jedoch überwiegt
der Nachteil, dass die absolute Temperaturdifferenz zwischen der
Oberseite und der Unterseite der Substratplatte wesentlich größer ist
und dass eine sehr hohe Kraft erforderlich ist, um die Substratplatte
in Kontakt mit dem Träger
zu halten.
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Deshalb
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Substratplatte zu
schaffen, bei welcher eine geringe Temperaturdifferenz zwischen
der Unterseite und der Oberseite der Substratplatte gegeben ist
und geringe Niederzugkräfte,
insbesondere bei großflächigen Substratplatten,
erforderlich sind, um die Substratplatte in Kontakt mit dem Träger zu halten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Substratplatte, welche in einen zum Träger weisenden Auflageabschnitt
und einen zur Aufnahme des schichtweise herzustellenden Formkörpers dienenden
Aufnahmeabschnitt an der Oberseite der Substratplatte unterteilt
ist, werden die Vorteile einer dicken und einer dünnen Substratplatte
beibehalten und deren jeweilige Nachteile kompensiert. Der Auflageabschnitt
umfasst zumindest eine Vertiefung, die sich von einer Auflagefläche des
Auflageabschnittes zumindest in einer Richtung bis zum Aufnahmeabschnitt
der Substratplatte erstreckt. Durch die zumindest eine Vertiefung
im Auflageabschnitt wird die Temperaturverteilung in der Substratplatte
nur geringfügig
beeinflusst, so dass sich im Wesentlichen die Temperaturverteilung
einer dicken Substratplatte einstellt. Dies ermöglicht, dass die thermischen
Verformungen geringer werden. Die Biegesteifigkeit wird im Wesentlichen
nur durch die Dicke des Aufnahmeabschnittes bestimmt. Die für die Biegesteifigkeit wirksame
Dicke der Substratplatte wird somit durch den Abstand zwischen dem
Grund der zumindest einen Vertiefung und der Aufnahmefläche an der
Oberseite der Substratplatte bestimmt. Durch die zumindest eine
Vertiefung werden deshalb geringere Haltekräfte oder Niederzugkräfte benötigt, um
die thermisch induzierten Verformungen zu kompensieren. Gleichzeitig
kann durch das Vorhandensein von wenigstens einer Vertiefung ein
Aufwerfen der Substratplatte verhindert oder erheblich reduziert
werden.
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Die
Substratplatte kann als solche auf dem Träger vorgesehen oder Teil eines
vorgefertigten Rohlings sein, der ebenfalls in gleicher Weise wie
die Substratplatte als solche auf dem Träger zur Herstellung eines dreidimensionalen
Formkörpers
beziehungsweise zur Fertigstellung eines dreidimensionalen Formkörpers angeordnet
ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Substratplatte einen mit Vertiefungen ausgebildeten, zum
Träger
weisenden Auflageabschnitt und einen Aufnahmeabschnitt aufweist,
wobei der Aufnahmeabschnitt in seiner Dicke kleiner als der Auflageabschnitt
ausgebildet ist. Die Höhe
der Vertiefungen bestimmt die Dicke des Auflageabschnittes. Durch
die Vertiefungen wird der Auflageabschnitt unterbrochen und die
wirksame Dicke der gesamten Substratplatte ist im Hinblick auf die
Biegesteifigkeit der Substratplatte auf die Dicke des Aufnahmeabschnittes
reduziert, so dass die Niederzugkräfte gering sind. Gleichzeitig
bildet der Auflageabschnitt zusammen mit dem Aufnahmeabschnitt in
Teilbereichen eine dicke Substratplatte, so dass sich der Temperaturgradient
verringert und eine geringe Verformung erzielt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein am Träger
aufliegender Flächenanteil
des Auflageabschnittes größer als
der zum Träger
weisende Flächenanteil
der Vertiefungen ausgebildet ist. Dadurch ist ein hinreichender
Wärmetransport
des Trägers
zum Aufnahmeabschnitt sichergestellt, um die Substratplatte oder
einen Rohling auf Betriebstemperatur von beispielsweise 300 °C bis 500 °C aufzuheizen,
so dass ein eigenspannungsarmer Aufbau des Formkörpers ermöglicht ist.
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Die
Vertiefungen sind vorteilhafterweise als rechteckförmige, halbkreisförmige, keilförmige, trapezförmige, kreissegmentförmige oder
als mehreckförmige
Querschnitte ausgebildet. Die Querschnittsgeometrie als auch die
Größe und die
Anzahl der Vertiefungen stehen in Abhängigkeit von einem für die Substratplatte
verwendeten Werkstoff, den Abmessungen, der Bearbeitungstemperatur
sowie von den Eigenschaften des Schutzgasstromes, wie beispielsweise
Wärmeleitfähigkeit,
Strömungsge schwindigkeit
und/oder Gastemperatur. Bevorzugt wird eine Geometrie für die Vertiefungen
gewählt, welche
durch eine Dreh- oder Fräsbearbeitung
als auch durch Erodieren in den Auflageabschnitt der Substratplatte
eingebracht wird.
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Der
Auflageabschnitt der Substratplatte weist vorteilhafterweise sternförmig zu
dessen Mittelpunkt verlaufende, konzentrisch zu dessen Mittelpunkt
angeordnete, geradlinig oder gekrümmt verlaufende, parallel zueinander
verlaufende, sich kreuzende oder schachbrettförmig angeordnete Vertiefungen auf.
Auch ist vorteilhafterweise eine beliebige Kombination der vorgenannten
Anordnungsmöglichkeiten gegeben.
Die Vertiefungen können
entlang der Substratplatte in einer Ebene verlaufen oder in unterschiedlichen
Höhen positioniert
sein oder Höhensprünge aufweisen.
Bei der Fertigstellung von speziellen Rohlingen oder zur Herstellung
von Formkörpern,
welche eine von einer planen Auflagefläche abweichende Kontur erfordern,
werden die Verläufe
der Vertiefungen in der Höhe,
der Größe, der
Verlaufsform an die entsprechenden Konturen angepasst, um ein gleichmäßig verteiltes
Wärmeausdehnungsverhalten über die
gesamte Substratplatte zu erzielen.
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Zur
Positionierung und Lagefixierung der Substratplatte auf dem Träger ist
bevorzugt eine Halteeinrichtung vorgesehen, welche in einer Position angeordnet
ist, deren Lage unabhängig
von Wärmedehnungen
der Substratplatte aufrechterhalten bleibt. Dadurch erfolgt eine
gleichmäßige Wärmedehnung
der Substratplatte beim Aufheizen auf die Betriebstemperatur und
Spannungen zwischen der Substratplatte und dem Träger infolge
ungleicher Längenausdehnungen
werden verringert oder verhindert. Gleichzeitig wirken beim Abkühlen der
Substratplatte nach dem Herstellen des Formkörpers gleichgerichtete Kräfte zum
Fixpunkt der Substratplatte, von dem aus bei Erwärmung die Längenausdehnungen erfolgt sind.
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Zur
Ausrichtung und lagerichtigen Positionierung der Substratplatte
ist in dem Auflageabschnitt ein Ausrichtelement vorgesehen, welches
an einem komplementär
ausgebildeten Ausrichtelement des Trägers angreift. Diese Ausrichtelemente
können beispielsweise
als ein Positionierstift in einem Langloch ausgebildet sein, wobei
die Anordnung des Langloches wahlweise an dem Träger oder dem Auflageabschnitt
vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ist das eine Ausrichtelement,
welches beispielsweise als langlochförmige Aussparung oder Vertiefung
ausgebildet ist, zur Halteeinrichtung derart ausgerichtet, dass
eine Längenausdehnung
des Auflageabschnittes ungehindert erfolgt.
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Die
Halteeinrichtung ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im
Flächenschwerpunkt
der Substratplatte angeordnet. Dadurch kann eine weitgehend homogene
und gleichförmige Wärmeausdehnung
in alle Richtungen der Substratplatte erfolgen, und die Haltevorrichtung
ist in einem neutralen Fixpunkt angeordnet, der von der Wärmeausdehnung
nicht verändert
oder nahezu nicht verändert
wird.
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Die
Halteeinrichtung ist bevorzugt als lösbare Verbindung ausgebildet,
welche durch ein Rast- oder Federelement auswechselbar zum Träger aufgenommen
ist. Dadurch wird ein schneller Austausch der Substratplatte oder
des fertiggestellten Rohlinges ermöglicht. Die Rüstzeiten
für einen
nachfolgenden Aufbauprozess werden reduziert.
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Die
Haltevorrichtung weist vorteilhafterweise einen Arretierbolzen auf,
der in ein Passelement am Träger
einsetzbar ist. Das Feder- oder Rastelement greift zur Fixierung
der Halteeinrichtung an dem Arretierbolzen an, wodurch ein Niederzug
erzielt wird, um den Auflageabschnitt zur Anlage auf dem Träger zu bringen.
Gleichzeitig erfolgt eine passgenaue Ausrichtung der Substratplatte über eine
an dem Arretierbolzen vorgesehene Passfläche, welche mit dem Passelement
zusammenwirkt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass am äußeren Randbereich
des Auflageabschnittes zumindest ein Befestigungselement angreift,
welches den äußeren Randbereich
des Auflageabschnittes zum Träger
niederhält.
Diese Befestigungselemente sind bevorzugt bei Substratplatten mit
größeren Abmessungen,
insbesondere mit größerem Außendurchmesser,
vorgesehen, um eine Aufwerfung der Substratplatte zu unterbinden.
Diese Befestigungselemente können
zusätzlich
zur Halteeinrichtung vorgesehen sein, wobei beispielsweise bei runden
Substratplatten die Halteeinrichtung im Mittelpunkt vorgesehen ist
und die Befestigungselemente radial im äußeren Randbereich über den
Umfang verteilt angeordnet sind. Alternativ kann auch vorgesehen
sein, dass ausschließlich
die Befestigungselemente im äußeren Randbereich über den
Umfang verteilt vorgesehen sind, ohne dass eine Halteeinrichtung
vorgesehen ist.
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Die
Befestigungselemente sind bevorzugt als Niederzuggewinde ausgebildet,
welche von der Oberseite der Substratplatte aus zugänglich sind. Dadurch
kann ein Zugriff von außen
auf das Befestigungselement gegeben sein, um die Substratplatte zum
Träger
zu fixieren. Die Befestigungselemente ihrerseits sind innerhalb
des Trägers
positioniert. Vorteilhafterweise sind die Befestigungselemente so
gestaltet, dass sie nach dem Anziehen zusammen mit der Substratplatte
einen vollständig
geschlossenen Aufnahmeabschnitt bilden.
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Die
Befestigungselemente sind bevorzugt in dem Träger federgelagert gehalten.
Somit wird der Randbereich des Auflageabschnittes unter Federkraft
niedergehalten, um unabhängig
von der Temperatur ein sicheres Anliegen des Auflageabschnittes auf
dem Träger
zu ermöglichen.
Gleichzeitig ist vorteilhafterweise ein radiales Spiel zur Aufnahme
der Befestigungselemente vorgesehen, so dass Wärmeausdehnungen im Träger und
in der Substratplatte ungehindert voneinander erfolgen können.
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Zur
Erhöhung
des Automatisierungsgrades ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass
die Befestigungselemente einen Schaft aufweisen, der den Träger durchquert
und an einer Unterseite des Trägers für eine Betätigungseinrichtung
zugänglich
ist. Dadurch sind die Befestigungselemente durch Handhabungseinrichtungen
betätigbar,
wobei eine nur geringe Einschränkung
des Bauraumes gegeben ist.
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Nach
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Halteeinrichtung als Spannelement ausgebildet ist, welches vorzugsweise
eine Zugspannzange, eine Flügelstange,
einen Hohlkegelschaft oder eine Gewindestange aufweist, die den
Träger
durch quert und auf einer Unterseite des Trägers über eine Betätigungseinrichtung
zugänglich
ist. Die Ausgestaltung einer Zugstangenanordnung weist den Vorteil
auf, dass eine definierte Spannkraft mit Selbsthemmung bei einem Energieausfall
aufgebracht wird. Eine gute Automatisierbarkeit ist gegeben. Die
Ausführungsform
mit einer Flügelstange
weist des Weiteren den Vorteil auf, dass kein Verschleiß der Spannelemente
gegeben ist. Die Ausgestaltung einer Halteeinrichtung nach dem Hohlkegelschaftprinzip
weist den Vorteil auf, dass geringe fertigungstechnische Anforderungen
an den Spannbolzen gegeben sind und eine Selbsthemmung vorliegt.
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Nach
einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Befestigungselemente als Schnellspanneinrichtung, beispielsweise
als Wendelnutspannelement ausgebildet sind, die vorzugsweise von
der Oberseite der Substratplatte aus zugänglich sind. Durch diese Befestigungselemente
kann der Spannweg begrenzt und eine definierte Spannkraft zum Niederhalten
der Substratplatte zum Träger
erzielt werden.
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Die
vorgenannten Ausführungsformen
der Halteeinrichtungen und Befestigungselemente können einzeln
oder in beliebiger Kombination miteinander vorgesehen sein, um die
Substratplatte oder einen vorgefertigten Rohling zum Träger zu positionieren
und fixieren.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten
Beispielen näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer
Prozesskammer in einer Bearbeitungsposition beim schichtweisen Aufbau
eines Formkörpers,
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3 eine schematische Schnittdarstellung der
Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Kühlposition,
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4 eine schematische Schnittdarstellung der
Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Absaugposition,
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5a u. b eine perspektivische
Ansicht einer erfindungsgemäßen Substratplatte,
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6a bis cc eine schematische
Darstellung alternativer Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Substratplatte
gemäß 5a und b,
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7a eine schematische Draufsicht
auf eine erste Ausführungsform
eines Trägers
mit einer Substratplatte in einer Aufbaukammer,
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7b eine schematische Schnittdarstellung
entlang der Linie I-I in 7a,
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7c eine schematische Schnittdarstellung
entlang der Linie II-II in 7a,
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7d eine schematische Schnittdarstellung
entlang der Linie III-III in 7a,
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7e eine schematische Draufsicht
auf eine zweite Ausführungsform
eines Trägers
mit einer Substratplatte in einer Aufbaukammer,
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7f eine schematische Schnittdarstellung entlang
der Linie I-I in 7e,
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In
1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
11 zur
Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers durch aufeinanderfolgendes
Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials dargestellt.
Die Herstellung eines Formkörpers
durch Laserschmelzen ist beispielsweise in der
DE 196 49 865 C1 beschrieben.
Die Vorrichtung
11 umfasst eine in einem Maschinengestell
14 angeordnete
Strahlquelle
16 in Form eines Lasers, beispielsweise eines
Festkörperlasers,
welcher einen gerichteten Strahl abgibt. Dieser Strahl wird über eine
Strahlablenkeinrichtung
18, beispielsweise in Form eines
oder mehrerer ansteuerbarer Spiegel, als abgelenkter Strahl auf
eine Arbeitsebene in einer Prozesskammer
21 fokussiert.
Die Strahlablenkeinrichtung
18 ist entlang einer Linearführung
22 zwischen
einer ersten Prozesskammer
21 und einer weiteren Prozesskammer
24 motorisch
verfahrbar angeordnet. Über
Stellantriebe kann eine exakte Position der Strahlablenkeinrichtung
18 zu
den Prozesskammern
21,
24 angefahren werden. In
dem Maschinengestell
14 ist des Weiteren eine Steuer- und
Recheneinheit
26 zum Betrieb der Vorrichtung
11 und
zur Einstellung einzelner Parameter für die Arbeitsprozesse zur Herstellung
der Formkörper
vorgesehen.
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Die
erste Prozesskammer 21 und zumindest eine weitere Prozesskammer 24 sind
getrennt zueinander angeordnet und hermetisch getrennt voneinander
vorgesehen.
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In 2 ist die Prozesskammer 21 beispielhaft
im Vollquerschnitt dargestellt. Die Prozesskammer 21 umfasst
ein Gehäuse 31 und
ist durch eine Öffnung 32 zugänglich,
welche durch wenigstens ein Verschlusselement 33 verschließbar ist.
Das Verschlusselement 33 ist bevorzugt als schwenkbarer Deckel
ausgebildet, der durch Verriegelungselemente 34, wie beispielsweise
Kniehebelelemente, in einer geschlossenen Position fixierbar ist.
Zur Abdichtung der Prozesskammer 21 ist an dem Gehäuse 31 nahe
der Öffnung 32 eine
Dichtung 36 vorgesehen, die vorzugsweise als Elastomerdichtung
ausgebildet ist. Das Verschlusselement 33 weist einen Bereich 37 auf,
der für
die elektromagnetische Strahlung des La serstrahls durchlässig ist.
Bevorzugt ist ein Fenster 38 aus Glas oder Quarzglas eingesetzt,
welches Antireflexbeschichtungen an der Ober- und Unterseite aufweist. Das Verschlusselement 33 kann
vorzugsweise wassergekühlt
ausgebildet werden.
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Die
Prozesskammer 21 umfasst eine Bodenfläche 41. In diese Bodenfläche 41 mündet von
unten eine Aufbaukammer 42, in welcher ein Träger 43 auf- und
abbewegbar vorgesehen und geführt
ist. Der Träger 43 umfasst
zumindest eine Bodenplatte 44, die über eine Hubstange oder Hubspindel 46 auf-
und abbewegbar angetrieben ist. Hierzu ist ein Antrieb 47,
beispielsweise ein Zahnriemenantrieb, vorgesehen, welcher die feststehende
Hubspindel 46 auf- und abbewegt. Die Bodenplatte 44 des
Trägers 43 wird
vorzugsweise zumindest während
des schichtweisen Aufbaus durch ein fluides Medium gekühlt, welches
vorzugsweise Kühlkanäle in der
Bodenplatte 44 durchströmt.
Zwischen der Bodenplatte 44 und der Bauplattform 49 des
Trägers 43 ist
eine Isolierschicht 48 aus einem mechanisch stabilen, thermisch isolierenden
Material angeordnet. Dadurch kann eine Erwärmung der Hubspindel 46 durch
die Heizung der Bauplattform 49 und eine damit einhergehende
Beeinflussung der Positionierung des Trägers 43 verhindert
werden.
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Entlang
der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 verfährt
eine Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56, welche ein Aufbaumaterial 57 in
die Aufbaukammer 42 aufbringt. Durch selektives Aufschmelzen
des Aufbaumaterials 57 wird eine Schicht auf den Formkörper 52 aufgebaut.
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Das
Aufbaumaterial 57 besteht bevorzugt aus Metall- oder Keramikpulver.
Auch andere für
das Laserschmelzen und Lasersintern geeignete und verwendete Werkstoffe
werden eingesetzt. In Abhängigkeit
des herzustellenden Formkörpers 52 werden die
einzelnen Werkstoffpulver ausgewählt.
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Die
Prozesskammer 21 weist an einer Seite eine Einströmdüse 61 zur
Zuführung
von Schutzgas oder Inertgas auf. An einer gegenüberliegenden Seite ist eine
Absaugdüse
oder Absaugöffnung 62 vorgesehen,
um das zugeführte
Schutz- oder Inertgas abzuführen.
Während
der Herstel lung des Formkörpers 52 wird
eine laminare Strömung
an Schutz- oder Inertgas erzeugt, um beim Aufschmelzen des Aufbaumaterials 57 eine
Oxidation zu vermeiden und das Fenster 38 im Verschlusselement 33 zu
schützen.
Vorzugsweise wird die hermetisch abgeriegelte Prozesskammer 21 während des
Aufbauprozesses unter einem Überdruck
von beispielsweise 20 hPa gehalten, wobei auch deutlich höhere Drücke denkbar
sind. Dadurch kann während
des Aufbauprozesses kein Luftsauerstoff in die Prozesskammer 21 eindringen.
Bei der Umwälzung
des Schutz- oder Inertgases kann gleichzeitig eine Kühlung erfolgen.
Außerhalb
der Prozesskammer 21 ist vorzugsweise eine Kühlung und
Filtrierung des Schutz- oder Inertgases von aufgenommenen Partikeln
des Aufbaumaterials 57 vorgesehen.
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Die
Aufbaukammer 42 ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet.
Weitere Geometrien können
ebenfalls vorgesehen sein. Der Träger 43 oder zumindest Teile
des Trägers 43 sind
an die Geometrie der Aufbaukammer 42 angepasst. In der
Aufbaukammer 42 wird der Träger 43 zum schichtweisen
Aufbau gegenüber
der Bodenfläche 41 nach
unten bewegt. Die Höhe
der Aufbaukammer 42 ist an die Aufbauhöhe beziehungsweise die maximal
aufzubauende Höhe eines
Formkörpers 52 angepasst.
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Eine
Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 schließt unmittelbar
an die Bodenfläche 41 an
und erstreckt sich nach unten, wobei diese Umfangswand 83 an
der Bodenfläche 41 aufgehängt ist.
In der Umfangswand 83 ist zumindest eine Einlassöffnung 112 vorgesehen.
Diese Einlassöffnung 112 steht
mit einer Zuführleitung 111 in
Verbindung, welche ein Filter 126 außerhalb des Gehäuses 31 aufnimmt.
Umgebungsluft wird über
das Filter 126 und die Versorgungsleitung 111 durch
die Einlassöffnung 112 der Aufbaukammer 42 zugeführt. Die
Aufbaukammer 42 weist des Weiteren zumindest eine Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 auf, an welche sich eine Abführleitung 114 anschließt, die
aus dem Gehäuse 31 herausführt und
in eine Abscheidevorrichtung 107 mündet. Dieser nachgeschaltet
ist ein Filter 108, welches über eine Verbindungsleitung 118 den
aus der Aufbaukammer 42 abgeführten Volumenstrom abführt. Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Einlassöffnung 112 und
die Auslassöffnung 113 miteinander
fluchten. Ebenso können
die Öffnungen 112, 113 zueinander
versetzt angeordnet sein, sowohl in Bezug auf die Höhe als auch
deren Zuführposition
in radialer Richtung beziehungsweise rechtwinklig zur Längsachse
der Aufbaukammer 42.
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Die
Bauplattform 49 setzt sich aus einer Heizplatte 136 und
einer Kühlplatte 132 zusammen. In
der Heizplatte 136 sind strichliniert Heizelemente 87 dargestellt.
Des weiteren umfasst die Heizplatte 136 einen nicht näher dargestellten
Temperaturfühler.
Die Heizelemente 87 und der Temperaturfühler stehen mit Versorgungsleitungen 91, 92 in
Verbindung, die wiederum durch die Hubspindel 46 zur Bauplattform 49 geführt sind.
Am Außenumfang 93 der
Bauplattform 49 ist eine umlaufende Nut 81 vorgesehen,
in welcher ein oder mehrere Dichtringe 82 eingesetzt sind,
dessen oder deren Durchmesser geringfügig veränderbar und an die Einbausituation
und Temperaturschwankungen anpassbar ist. Der oder die Dichtringe 82 liegen
an einer Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 an.
Dieser Dichtring 82 weist eine Oberflächenhärte auf, welche geringer ist
als die der Umfangswand 83. Die Umfangswand 83 weist vorteilhafterweise
eine Oberflächenhärte auf,
welche größer als
die Härte
des Aufbaumaterials 57 ist, welches für den Formkörper 52 vorgesehen
ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Beschädigung der
Umfangswand 83 bei längerem
Gebrauch verhindert wird und lediglich der Dichtring 82 als
Verschleißteil
entsprechend den Wartungsintervallen ausgetauscht werden muss. Vorteilhafterweise
ist die Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 oberflächenbeschichtet,
beispielsweise verchromt.
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Die
Bodenplatte 44 umfasst eine Wasserkühlung, welche zumindest während des
Aufbaus des Formkörpers 52 in
Betrieb ist. Über
eine Kühlleitung 86,
welche durch die Hubspindel 46 der Bodenplatte 44 zugeführt ist,
wird Kühlflüssigkeit
den in der Bodenplatte 44 vorgesehenen Kühlkanälen zugeführt. Als
Kühlmedium
ist vorzugsweise Wasser vorgesehen. Durch die Kühlung kann die Bodenplatte 44 beispielsweise
auf eine im wesentlichen konstante Temperatur von 20 °C bis 40 °C eingestellt
werden.
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Der
Träger 43 weist
zur Aufnahme eines Formkörpers 52 eine
Substratplatte 51 auf, welche auf den Träger 43 fest
oder lösbar
durch eine Arretierung und/oder eine Ausrichthilfe positioniert
ist. Die Heizplatte 136 wird vor Beginn der Herstellung
eines Formkörpers 52 auf
eine Betriebstemperatur zwischen 300 °C und 500 ° C aufgeheizt, um einen spannungsarmen,
rissfreien Aufbau des Formkörpers 52 zu
ermöglichen.
Der nicht näher
dargestellte Temperaturfühler
erfasst die Aufheiztemperatur oder Betriebstemperatur während des
Aufbaus des Formkörpers 52.
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Die
Bauplattform 49 weist Kühlkanäle 101 auf,
welche sich bevorzugt quer durch die gesamte Bauplattform 49 erstrecken.
Es können
ein oder mehrere Kühlkanäle 101 vorgesehen
sein. Die Position der Kühlkanäle 101 ist
beispielsweise an die Isolierschicht 48 angrenzend gemäß dem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle 101 sich
nicht nur unterhalb von Heizelementen 87, sondern auch
oberhalb und/oder zwischen den Heizelementen 87 erstrecken.
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Nach
dem Fertigstellen des Formkörpers 52 wird
der Träger 43 aus
der in 2 dargestellten
Position in eine erste Position oder Kühlposition 121 abgesenkt.
Diese Position ist in 3 dargestellt.
Bereits während
des Absenkens des Trägers 43 kann ein
Volumenstrom aus der Umgebung über
das Filter 126 und die Versorgungsleitung 111 der
Aufbaukammer 42 zugeführt
und über
die Auslassöffnung 113 und
Abführleitung 114 aus
der Aufbaukammer 42 abgeführt werden. Bereits zu diesem
Zeitpunkt als auch noch während
des Aufbaus des Formkörpers 52 kann
eine Kühlung
der Aufbaukammer 42 gegeben sein.
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Die
Kühlposition 121 des
Trägers 43 ist
derart vorgesehen, dass Kühlkanäle 101 der
Bauplattform 49 mit der zumindest einen Einlassöffnung 112 und
zumindest einen Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 fluchten.
Der Volumenstrom durchströmt
die Kühlkanäle 101,
wodurch zumindest eine Kühlung
der Bauplattform 49 gegeben ist. Die Kühlung kann durch einen gepulsten Saugstrom
erfolgen. Durch die Länge
der Pulsdauer, sowie deren Unterbrechung, kann die Abkühlrate in dem
Formkörper 52 bestimmt
werden. Bevorzugt ist eine gleichmäßige Kühlung über eine vorbestimmte Zeitdauer
vorgesehen, damit der Aufbau von Eigenspannungen im Formkörper 52 gering
gehalten wird. Die Kühlung
kann auch durch einen Volumenstrom vorgesehen sein, der in seiner
Durchflussmenge kontinuierlich zunimmt oder abnimmt. Ebenso kann ein
Wechsel zwischen Zu- und Abnahme vorgesehen sein, um die gewünschte Abkühlrate zu
erzielen. Durch den in der Heizplatte 136 vorgesehenen
Temperaturfühler
kann die Abkühlrate
erfasst werden. Gleichzeitig kann über diesen Temperaturfühler die noch
verbleibende Temperatur des Formkörpers 52 abgeleitet
werden. Diese Kühlposition 121 wird
solange eingehalten, bis der Formkörper 52 auf eine Temperatur
von beispielsweise weniger als 50 °C abgekühlt ist. Gleichzeitig kann
in dieser Kühlposition 121 die
Bodenplatte 44 weiterhin gekühlt werden. Zusätzlich kann
ebenso vorgesehen sein, dass an die Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 angrenzend oder in der Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 Kühlkanäle oder
Kühlschläuche vorgesehen
sind, welche ebenfalls dazu beitragen, dass eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und des Trägers 43 ermöglicht ist.
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Nach
dem Kühlen
des Formkörpers 52 auf die
gewünschte
oder voreingestellte Temperatur, wird der Träger 43 in eine weitere
Position oder Absaugposition 128 überführt, welche in 4 dargestellt ist. Diese beispielhaft
dargestellte Absaugposition 128 dient zum Entfernen, insbesondere
zur Absaugung des Aufbaumaterials 57, welches beim Herstellen
des Formkörpers 52 nicht
verfestigt wurde. Vor dem Anlegen eines Saugstromes, der die Aufbaukammer 42 durchströmt, wird
die Aufbaukammer 42 durch ein Verschlusselement 123 geschlossen. Dieses
Verschlusselement 123 weist Befestigungselemente 124 auf,
welche an oder in der Öffnung 32 angreifen,
um das Verschlusselement 123 dicht zur Aufbaukammer 42 festzulegen.
Das Verschlusselement 123 ist bevorzugt transparent ausgebildet,
so dass das Absaugen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 überwacht
werden kann. Durch einen die Aufbaukammer 42 durchströmenden Saugstrom
wird eine Verwirbelung in der Aufbaukammer 42 erzeugt, wodurch
das nicht verfestigte Aufbaumaterial 57 abgesaugt und der
Abscheidevorrichtung 107 und dem Filter 108 zugeführt wird.
Gleichzeitig erfolgt durch die Absaugung weiterhin eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und der Bauplattform 49.
Zusätzlich
kann über
zumindest eine Düse in
dem Verschlusselement 123 eine weitere Luftzufuhr ermöglicht sein.
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Die
Absaugung des Aufbaumaterials 57 kann durch einen konstanten
Volumenstrom, einen gepulsten Volumenstrom oder einen Volumenstrom mit
einem zunehmenden oder abnehmenden Massendurchsatz betrieben werden.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Absaugung oder einer durch das
Bedienpersonal einstellbaren Zeitdauer wird die Absaugung beendet.
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Zur
Entnahme des Formkörpers 52 wird
das Verschlusselement 123 von der Aufbaukammer 42 abgenommen
und der Träger 43 fährt in eine
obere Position, so dass der Formkörper 52 zumindest
teilweise oberhalb der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 zur Entnahme positioniert wird.
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In
den 5a und b sind eine
Draufsicht auf die Unterseite (5a)
und die Oberseite (5b) einer
erfindungsgemäßen Substratplatte 51 dargestellt.
Die Substratplatte 51 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als runder plattenförmiger Körper ausgebildet.
Die Geometrie der Substratplatte 51 kann an die Geometrie
der Aufbaukammer 42 angepasst sein, so dass die Substratplatte 51 sich
bis zur Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 erstreckt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Geometrie der Substratplatte 51 der
Geometrie des Formkörpers 52 entspricht
und eine entsprechende Ergänzungsplatte vorgesehen
ist, um die Bereiche von der Außenkontur
der Substratplatte 51 bis zur Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 zu überbrücken.
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Die
Ansicht gemäß 5a zeigt eine Unterseite
oder einen Auflageabschnitt 181 einer Substratplatte 51 mit
einer Auflagefläche 185,
welche auf dem Träger 43 aufliegt.
Der Auflageabschnitt 181 weist Vertiefungen 182 auf,
die gemäß dem Ausführungsbeispiel
durch rechteckförmig
ausgebildete Nuten vorgesehen sind. Diese Vertiefungen 182 sind
sternförmig
zum Mittelpunkt 183 der Substratplatte 51 ausgerichtet.
Des Weiteren sind konzentrisch zum Mittelpunkt 183 weitere
Vertiefungen 182 vorgesehen, wodurch sich das in 5a dargestellte Muster ergibt
und die Auflagefläche 185 bestimmt
wird. Die sternförmig
ausgerichteten und geradlinig verlaufenden Vertiefungen 182 sind
vorteilhafterweise eingefräst.
Die konzentrisch zum Mittelpunkt 183 verlaufenden Vertiefungen 182 sind
bevorzugt durch Drehbearbeitung hergestellt. Alternativ kann auch
vorgesehen sein, dass derartige Ausgestaltungen eines Auflageabschnittes 181 auch
durch Gießen,
Prägen, Pressen
oder dergleichen hergestellt werden.
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In
dem Auflageabschnitt 181 ist ein Ausrichtelement 189 vorgesehen,
welches in Form einer Langlochbohrung oder einer langlochförmigen Vertiefung
ausgebildet ist. In diese Langlochbohrung greift ein komplementäres Ausrichtelement 147 ein, welches
beispielsweise als Positionierstift ausgebildet ist. Die Ausrichtung
des Ausrichtelementes 189 zum Mittelpunkt 183 ist
derart vorgesehen, dass bei Erwärmung
der Substratplatte 51 eine spannungsfreie Wärmeausdehnung
ermöglicht
ist. Im Mittelpunkt 183 ist eine Aufnahmebohrung 187 dargestellt, welche
zur Aufnahme einer Halteeinrichtung 138 ausgebildet ist.
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Die
Ansicht gemäß 5b zeigt die Oberseite der
erfindungsgemäßen Substratplatte
nach 5a. Die Substratplatte 51 besteht
neben dem Auflageabschnitt 181 aus einem Aufnahmeabschnitt 186 mit
einer Aufnahmefläche 188,
die die Oberseite der Substratplatte 51 bildet, auf der
der Formkörper 52 schichtweise
aufgebaut wird. Der Auflageabschnitt 181 weist neben den
Vertiefungen 182 Zonen 184 auf, die von den Vertiefungen 182 begrenzt
sind. Im Bereich der Vertiefungen 182 bildet der Grund oder
der Boden der Vertiefung 182 den Übergangsbereich zum Aufnahmeabschnitt 186,
der in 5b strichliniert
dargestellt ist.
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Die
Tiefe der Vertiefungen 182 bestimmt die Dicke des Auflageabschnittes 181,
welcher im Bereich der Zonen 184 fließend in den Aufnahmeabschnitt 186 übergeht.
Da die Dicke des Aufnahmeabschnittes 186 kleiner als die
Dicke des Auflageabschnittes 181 ausgebildet ist, besteht
die Substratplatte 51 aus einem dünnen und einem dicken plattenförmigen Körper. Die
Temperaturverteilung im Auflageabschnitt 181 wird durch
die Vertiefungen 182 nur geringfügig beeinflusst, so dass weiterhin
die Temperaturverteilung einer dicken Substratplatte vorliegt und
ein Aufwerfen der Substratplatte und thermische Verformungen erheblich
reduziert werden. Die Vertiefungen 182 in dem Auflageabschnitt 181 reduzieren
die für
die Biegesteifigkeit wirksame Dicke auf die Dicke des Aufnahmeabschnittes 186,
so dass geringere Haltekräfte
oder Niederzugkräfte
benötigt werden,
um die durch den Träger
thermisch induzierten Verformungen zu kompensieren. Dadurch werden
die erfindungsgemäßen Vorteile
erzielt.
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In 6a ist eine weitere alternative
Ausführungsform
eines Auflageabschnittes 181 der Substratplatte dargestellt.
Diese Ausführungsform
weist ausschließlich
sternförmig
zum Mittelpunkt 183 verlaufende Vertiefungen 182 auf.
Die Anzahl der Vertiefungen 182 sowie deren Breite und
deren Querschnittsverlauf ist an die Abmessungen der Substratplatte 51,
den Werkstoff der Substratplatte 51 als auch die Bearbeitungstemperatur
beim schichtweisen Aufbau eines Formkörpers angepasst.
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In 6b ist eine weitere alternative
Ausgestaltung eines Auflageabschnittes 181 dargestellt, bei
der die Vertiefungen 182 ausschließlich konzentrisch zum Mittelpunkt 183 der
Substratplatte vorgesehen sind. Auch diese Ausführungsform weist die Vorteile
einer Kombination eines dünnen
plattenförmigen
Körpers
und eines dicken plattenförmigen
Körpers
auf.
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In 6c ist eine weitere alternative
Ausführungsform
eines Auflageabschnittes 181 einer Substratplatte 51 dargestellt.
Geradlinig verlaufende und sich kreuzende Vertiefungen 182 bilden
ein schachbrettförmiges
Muster. Die geradlinig und parallel zueinander angeordneten Vertiefungen 182 können sich
auch in beliebigen Winkeln zueinander schneiden. Vorteilhafterweise
ist eine regelmäßige Anordnung
der Vertiefungen 182 vorgesehen, um gleichmäßige Wärmeausdehnungen
und Wärmeverteilungen
zu erzielen. Diese regelmäßigen Anordnungen können insbesondere
bei runden Substratplatten 51 punktsymmetrisch zum Mittelpunkt 183 ausgebildet sein.
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Die
Ausführungsformen
gemäß den 5a, b, 6a bis c zeigen die Anordnung eines Ausrichtelementes 189 in
den Zonen 184 zwischen den Vertiefungen 182, so
dass die Vertiefungen 182 einen freien Durchgang aufweisen.
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In 7a ist eine schematische
Draufsicht auf einen Träger 43 in
einer Aufbaukammer 42 dargestellt. Die Aufbaukammer 42 ist
in dem Gehäuse 31 der
Prozesskammer 21, 24 positioniert. Durch die in 7a dargestellten Schnitte
wird der Aufbau des Trägers 43 sowie
die Aufnahme und Anordnung der Substratplatte 51 am Träger 43 nachfolgend
anhand der 7b bis 7d näher beschrieben.
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Die
erste bevorzugte Ausführungsform
betrifft einen Träger 43,
der zur Aufnahme einer Substratplatte 51 vorgesehen ist,
die im Durchmesser im Verhältnis
zu der nachfolgenden Ausführungsform gemäß den 7e bis 7f kleiner ausgebildet ist. Der Schnitt
gemäß 7b zeigt einen Träger 43 mit
einer Bodenplatte 44, welche auf einer Hubspindel 46 positioniert
ist. Zur Verbindung zwischen der Bodenplatte 44 und der
Hubspindel 46 ist ein Spannelement 50 vorgesehen,
welches zwischen den beiden Elementen 44, 46 positioniert
ist. Die Bodenplatte 44 weist eine Wasserkühlung auf,
welche zumindest während des
Aufbaus des Formkörpers 52 in
Betrieb ist. Diese Wasserkühlung
ist beispielsweise durch eine Kühlwassernut 66 ausgebildet.
Die Kühlwassernut 66 ist von
außen
eingestochen und wird durch ein Verschlusselement 67, beispielsweise
eine Hülse
verschlossen, wobei zur Kühlwassernut 66 benachbart jeweils
ein Dichtungselement 68 vorgesehen ist, um eine dichte
Anordnung des Verschlusselementes 67 zur Kühlwassernut 66 zu
schaffen. Die Kühlwassernut 66 ist
beispielsweise nicht vollumfänglich
vorgesehen, sondern im Umfang unterbrochen, so dass ein gesteuertes
Zuführen
von Kühlflüssigkeit
an einem Ende und ein gezieltes Abführen der aufgewärmten Kühlflüssigkeit
am anderen Ende der Kühlwassernut 66 ermöglicht ist.
Durch die Kühlung
kann die Bodenplatte 44 während der Herstellung des Formkörpers beispielsweise
auf eine im wesentlichen konstante Temperatur von 20 °C bis 40 °C eingestellt
werden. Als Kühlmedium
ist vorzugsweise Wasser vorgesehen, wobei jegliche weitere Kühlflüssigkeit,
Kühlemulsion,
Kühlöle oder
dergleichen vorgesehen sein können.
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Zwischen
der Bodenplatte 44 und einer Bauplattform 49 ist
eine Isolierschicht 48 vorgesehen. Diese Isolierschicht 48 weist
vorteilhafterweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Druckfestigkeit
auf und dient als thermische Trennung zwischen der Bauplattform 49 und
der Bodenplatte 44.
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Die
Bauplattform 49 umfasst eine Kühlplatte 132 und eine
Heizplatte 136, die durch eine Halteeinrichtung 138 miteinander
verbunden sind. In eine zentrale Bohrung der Kühlplatte 132 ist ein
Passelement 139 eingesetzt, welches am oberen Ende einen umlaufenden
Bund 141 aufweist, um die Heizplatte 136 zur Kühlplatte 132 zu
positionieren. Am unteren Ende des Passelementes 139 ist
ein lösbares
Befestigungsmittel 142 vorgesehen, durch welches das Passelement 139 beziehungsweise
die Heizplatte 136 zur Kühlplatte 132 lösbar fixiert
ist. In dem Passelement 139 ist in einer Bohrung ein Rast-
oder Federelement 143 eingesetzt, welches durch eine Verschlussschraube 144 in
dem Passelement 139 fixiert ist.
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Durch
diese Ausgestaltung des Passelementes 139 ist eine schnell
auswechselbare Aufnahme für
eine Substratplatte 51 geschaffen, welche einen Arretierbolzen 146 an
deren Unterseite aufweist, der in die Bohrung des Passelementes 139 eingesetzt
wird. In einer montierten Position gemäß 7b rastet das als Ringfeder ausgebildete
Rast- und Federelement 143 an einer umlaufenden Vertiefung
des Arretierbolzens 146 ein und fixiert die Substratplatte 51 eng
anliegend zur Heizplatte 136. Zur lagerichtigen Positionierung
sowie als Verdrehsicherung für
die Substratplatte 51 gegenüber der Heizplatte 136 kann
ein Positionierstift 147 vorgesehen sein.
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Die
Bauplattform 49 ist zur Isolierung durch Zylinderstifte 70 ausgerichtet
und lagerichtig positioniert. Zusätzlich sind Durchgänge 151 vorgesehen, über die
Versorgungsleitungen 91, 92 durch die Hubspindel 46 der
Heizplatte 136 zugeführt
und von dieser wiederum abgeführt
werden können.
Die Heizplatte 136 umfasst Heizelemente 87, beispielsweise Rohrheizkörper, welche
in den Ausnehmungen 152 angeordnet sind. Alternativ können auch
Heizdrähte oder
weitere Heizmedien vorgesehen sein, welche ermöglichen, dass die Heizplatte 136 während des Aufbaus
des Formkörpers 52 auf
eine Temperatur von beispielsweise 300 °C bis 500 °C aufgeheizt werden kann, um
einen spannungsarmen, rissfreien Aufbau des Formkörpers 52 zu
ermöglichen.
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Die
Heizplatte 136 weist angrenzend zur Kühlplatte 132 am Außenumfang 93 eine
Dichtung 82 auf, welche in einer Nut 81 vorgesehen
ist. Im oberen Bereich sind beispielsweise zwei Dichtungen 82 vorgesehen,
welche durch Ringfedern unterlegt sind. Des Weiteren können alternativ
andere Dichtungselemente 82 vorgesehen sein, welchen den Träger 43 in
der Aufbaukammer 42 führen.
An eine obere Stirnfläche 96 der
Heizplatte 136 angrenzend oder unmittelbar darunterliegend
ist ein Abstreiferelement 97 vorgesehen, welches bevorzugt
aus einem Filzring ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung wird
ermöglicht,
dass trotz der unterschiedlichen Ausdehnungen der Heizplatte 136 und
der Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 eine dichte
Anordnung geschaffen ist. Zusätzlich
kann durch das oder die Abstreiferelemente 97 ein Eindringen
des Aufbaumaterials 57 zwischen dem Träger 43 und der Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 verhindert werden.
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In
der Kühlplatte 132 sind
Kühlkanäle 101 vorgesehen,
welche die Kühlplatte 132 vollständig durchdringen.
Beispielsweise sind zwei Kühlkanäle 101 mit
einem quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt vorgesehen,
welche parallel zueinander verlaufen und auch kreuzweise zueinander
vorgesehen sind. Die Ausgestaltung und Anordnung der Kühlkanäle 101 ist
beliebig. Es können
mehrere Kühlkanäle 101 vorgesehen
sein, welche kreuzweise zueinander angeordnet sein können. Es
können ebenso
ein oder mehrere Kühlkanäle 101 vorgesehen
sein, welche in gleichmäßigen oder
ungleichmäßigen Winkelabschnitten über den
Umfang verteilt sind und eine Art speichenförmige Ausgestaltung bilden.
Die Anzahl, Geometrie, Größe des Querschnitts sowie
der Strömungsweg
der Kühlkanäle 101 ist
an die eingesetzte Kühlung
sowie deren Anschlüsse, welche
an der Aufbaukammer 42 vorgesehen sind, angepasst.
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In 7c ist eine schematische
Schnittdarstellung entlang der Linie II-II in 7a dargestellt. Aus
dieser Schnittdarstellung geht beispielhaft eine Befestigung durch
Verschraubung 156 der Kühlplatte 132 unter
Zwischenschaltung der Isolierschicht 48 hervor. Ein Befestigungselement 160 nimmt
ein Längenausgleichselement 166 auf,
so dass durch Temperaturänderungen
hervorgerufene Längenänderungen
und somit auftretende Spannungen ausgeglichen werden können. Somit
ist der schichtweise Aufbau des Trägers 43, der gemäß dieser
Ausführungsform
eine Bodenplatte 44, eine Isolierschicht 48, eine Kühlplatte 132 sowie
eine Heizplatte 136 umfasst, durch lösbare Schraubverbindungen aufgebaut
und zueinander positioniert. Durch beispielsweise die Zylinderstifte 70 (7b) erfolgt eine lagerichtige
Ausrichtung. Die Zylinderstifte 70 durchqueren die Isolierschicht 48 vollständig, so
dass die Kühlplatte 132 eine
bestimmte Ausrichtung zur Bodenplatte 44 aufweist.
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In 7d ist eine weitere schematische Schnittdarstellung
entlang der Linie III-III gemäß 7a dargestellt. Aus dieser
Schnittdarstellung geht die Anordnung von Temperaturfühlern 88 hervor,
welche innerhalb der Kühlplatte 132 nahe
der Heizplatte 136 beziehungsweise im Übergangsbereich positioniert
sind. Diese Temperaturfühler 88 erfassen
die Aufheiztemperatur oder Betriebstemperatur während des Aufbaus des Formkörpers 52.
Ebenso kann durch diese Temperaturfühler 88 eine Abkühlung der
Heizplatte 136 durch die Kühlung der Kühlplatte 132 über die
Kühlkanäle 101 erfasst
werden. Daraus lässt
sich die Abkühlgeschwindigkeit
beziehungsweise die Abkühlrate
für den
fertiggestellten Formkörper 52 bestimmen
und kontrollieren. Die Anordnung der Temperaturfühler 88 ist nur beispielhaft. Deren
Versorgungsleitungen 92 werden in Analogie zu den Versorgungsleitungen 91 der
Heizelemente 87 über
die Hubspindel 46 zu- und abgeführt. Ein Anschluss 157 für die Temperaturfühler ist
in 7c dargestellt.
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In 7e ist eine schematische
Draufsicht auf einen Träger 43 in
Analogie zu 7a dargestellt.
Die in der 7f dargestellte
Schnittdarstellung zeigt eine erfindungsgemäße alternative Ausführungsform
zu einem Träger 43 gemäß den 7a bis 7e, wobei die in den 7e bis 7f dargestellte Ausführungsform
eines Trägers 43 zur
Aufnahme von Substratplatten 51 mit größerem Durchmesser besonders
geeignet ist. Bei der nachfolgenden Beschreibung der 7f werden die abwei chenden Ausgestaltungen
oder alternativen Ausgestaltungen näher erörtert. Hinsichtlich der baugleichen
oder dem Prinzip nach baugleichen Elemente und Teile gemäß der ersten
Ausführungsform
wird auf die vorangegangenen Figuren Bezug genommen.
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In 7f ist eine schematische
Schnittdarstellung entlang der Linie I-I gemäß 7e dargestellt. Die Bodenplatte 44 weist
eine nach unten offene Kühlwassernut 66 auf,
welche durch ein Verschlusselement 67, beispielsweise eine
Scheibe, mittels einer Verschraubung verschlossen ist. Über schematisch
dargestellte Kühlleitungen 86 wird
das Kühlmedium
zu- und abgeführt.
Oberhalb der Bodenplatte 44 ist eine Isolierschicht 48 vorgesehen,
welche einen Freiraum 131 ausweist. In der Isolierschicht 48 ist
eine Durchbrechung 151 vorgesehen, um die Versorgungsleitungen 91 für die Heizelemente 87 zu-
und abzuführen.
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Die
Substratplatte 51 wird im Unterschied zur ersten Ausführungsform
im äußeren Randbereich durch
Befestigungselemente 161 niedergehalten oder fixiert, vorzugsweise
verschraubt. Dadurch wird sichergestellt, dass Verwölbungen
der Substratplatte 51 verhindert werden. Die Anforderungen
an eine Reproduzierbarkeit sind sehr hoch und liegen beispielsweise
in einem Bereich von weniger als 0,05 mm.
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Die
Substratplatte 51 wird über
einen Positionierstift 147 und ein zentrales Passelement 139 zur Heizplatte 136 positioniert
und über
das Rast- oder Federelement 143 darin
positioniert. Im äußeren Randbereich
sind Befestigungselemente 161 vorgesehen, welche die Substratplatte 51 niederhalten,
so dass diese bündig
beziehungsweise vollflächig
auf der Heizplatte 136 anliegt. Die Befestigungselemente 161 weisen
an einem zur Substratplatte 51 weisenden Ende ein Außengewinde 162 und
eine Innensechskantaufnahme 163 auf. Die Befestigungselemente 161 sind
federgelagert gehalten. Nach dem Aufsetzen der Substratplatte 51 ist
die Innensechskantaufnahme 163 über die Bohrung 164 zugänglich, so
dass im Anschluss daran eine Verschraubung erfolgen kann, wodurch
die Substratplatte 51 zur Heizplatte 136 niedergehalten
wird. Diese Befestigungsmöglichkeit
ist nur beispielhaft. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, um eine schnelle
Montage und Demontage der Substratplatte 51 zu ermöglichen, die
während
dem Betrieb eine plane Anlage der Substratplatte 51 zur
Heizplatte 136 ermöglicht,
sind ebenfalls denkbar.
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Die
Kühlplatte 132 ist über ein
Längenausgleichselement 166 durch
ein Befestigungselement 160 zur Isolierschicht 48 und
zur Bodenplatte 44 fixiert. Als Längenausgleichselement 166 kann
ein Tellerfederpaket, oder dergleichen vorgesehen sein, um einen
Ausgleich durch die thermische Längenänderung
zu ermöglichen.