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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 26.
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STAND DER TECHNIK
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Freiformfabrikation oder additive Fertigung ist ein Verfahren zum Ausbilden dreidimensionaler Gegenstände durch sukzessives Schmelzen von ausgewählten Teilen von Pulverschichten, die auf einem Arbeitstisch bereitgestellt werden. Ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dieser Technik sind in
US 2009/0152771 offenbart.
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Eine solche Vorrichtung kann einen Arbeitstisch, auf dem der dreidimensionale Gegenstand ausgebildet werden soll, einen Pulverspender, der dazu angeordnet ist, eine dünne Schicht Pulver auf dem Arbeitstisch zum Ausbilden eines Pulverbetts auszulegen, eine Strahlkanone zum Liefern von Energie an das Pulver, wodurch ein Schmelzen des Pulvers stattfindet, Elemente zum Steuern des Strahls, der durch die Strahlkanone über dem Pulverbett zum Bilden eines Querschnitts des dreidimensionalen Gegenstands durch Schmelzen von Teilen des Pulverbetts abgegeben wird und einen Steuerungscomputer umfassen, in dem Informationen gespeichert sind, die aufeinanderfolgende Querschnitte des dreidimensionalen Gegenstands betreffen. Ein dreidimensionaler Gegenstand wird durch aufeinanderfolgendes Schmelzen von aufeinander folgenden ausgebildeten Querschnitten von Pulverschichten, die schrittweise durch den Pulverspender abgelegt werden, ausgebildet.
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Es besteht ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglicht, größere dreidimensionale Gegenstände herzustellen. Jedoch benötigen größere Gegenstände mit der wie oben beschriebenen existierenden Technologie größere Ablenkungen des Energiestrahls und bei einer bestimmten Größe der dreidimensionalen Gegenstände kann eine maximale Ablenkung erreicht werden. Überschreiten der maximalen Ablenkungen des Energiestrahls kann die Qualität des Energiestrahls und die Fähigkeit zu Heizen und/oder das Pulvermaterial zu schmelzen beeinflussen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung, die den oben genannten Bedarf der Technik lösen, zur Verfügung zu stellen.
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Das oben genannte Ziel ist durch die Merkmale in dem Verfahren nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 26 erreicht.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands durch sukzessives Schmelzen eines aufgebrachten Pulvers vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen von mindestens einem Pulverbehälter, der Pulver umfasst, das zum Ausbilden des dreidimensionalen Gegenstandes verwendet wird. Bereitstellen einer vorbestimmten Menge von Pulver auf einem Unterstützungsaufbau. Richten eines Energiestrahls über den Unterstützungsaufbau, was bewirkt, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers sintert, und bewirkt, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers sich mit dem Unterstützungsaufbau verbindet. Richten eines Energiestrahls über den Unterstützungsaufbau, was bewirkt, dass das Pulver in gewählten Bereichen entsprechend einem Modell schmilzt, um einen ersten Abschnitt des dreidimensionalen Gegenstands zu bilden. Rotieren des Unterstützungsaufbaus um eine Drehachse zum Erstellen des dreidimensionalen Gegenstands, wobei der dreidimensionale Gegenstand Schicht auf Schicht in einer radialen Richtung bezüglich der Drehachse gebaut wird.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass dreidimensionale Gegenstände, die sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstrecken, einfach hergestellt werden können.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass Objekte, die eine Drehachse aufweisen, besonders zum Herstellen geeignet sind. Jedoch ist diese Ausführungsform auf keinen Fall auf das Herstellen von Objekten, die eine solche Drehachse aufweisen beschränkt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Bereitstellen des Pulverbehälters, der in einer radialen Richtung bezüglich der Drehachse beweglich ist.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Menge an Pulver durch justieren des Abstands des Pulverbehälters zu dem dreidimensionalen Gegenstand reguliert werden kann.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Abstand zwischen einer Öffnung des Pulverbehälters und einer äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands konstant bei einem vorbestimmten Wert gehalten um zu erlauben, dass eine vorbestimmte Menge von Pulver den Pulverbehälter auf die äußere Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands verlässt.
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Da die Öffnung des Pulverbehälters eine vordefinierte Größe aufweist, kann eine vorbestimmte Menge von Pulver die Öffnung verlassen. Dies kann sicherstellen, dass die Pulverschichtdicke auf einem konstanten Niveau gehalten wird.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein Abstand zwischen einer Öffnung des Pulverbehälters und einer äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands variiert werden, um zu erlauben, dass ein Verlassen von einer Menge von Pulver von dem Pulverbehälter auf die äußere Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands variiert werden kann. Durch Anpassen des Abstands zwischen der Öffnung und der Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstandes kann die Menge von Pulver, die den Pulverbehälter verlässt variiert werden. Eine andere Möglichkeit ist es, einen Verschluss zum Erhöhen oder Verringern der Öffnungsfläche der Öffnung zu verwenden. Eine variable Menge von Pulver kann nötig sein, während der dreidimensionale Gegenstand wächst. Falls die Rotationsgeschwindigkeit konstant gehalten wird, wird mehr Pulver in einer zweiten Schicht im Vergleich zu einer ersten Schicht benötigt, wobei die zweite Schicht oberhalb der zweiten Schicht vorgesehen ist.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands und der Öffnung des Pulverbehältnisses gemessen und der gemessene Abstand wird zum Bewegen des Pulverbehälters zu einer vorbestimmten Position verwendet.
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Ein Vorteil dieser beispielhaften Ausführungsform ist, dass der Abstand konstant überwacht werden kann und es dadurch möglich ist, kleine Änderungen bezüglich der Position des Pulverspenders zum Halten des Abstands innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu machen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Position der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands berechnet und die berechnete Position wird zum Bewegen des Pulverbehälters zu einer vorbestimmten Position verwendet.
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Da die Dicke einer aufgebrachten Pulverschicht bekannt sein kann, bevor sie aufgebracht wird, ist die Größe und dadurch die genaue Position des dreidimensionalen Gegenstands bekannt bevor der dreidimensionale Gegenstand herzustellen begonnen wird. Die Dickeninformation kann in dem Berechnungsschritt verwendet werden, um die Position der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands zu einem beliebigen vorbestimmten Zeitpunkt und Position zu bestimmen.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Drehachse des Unterstützungsaufbaus in einer horizontalen Richtung.
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Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie zumindest einen Abschnitt der Drehachse und später des dreidimensionalen Gegenstands vorsieht, der im Wesentlichen horizontal sein wird. Dieser horizontale Abschnitt kann dazu geeignet sein, das Pulver darauf bereitzustellen. Die Öffnung des Pulverbehältnisses kann deswegen oberhalb der im Wesentlichen horizontalen Oberfläche angeordnet sein. Pulver, das auf der horizontalen Oberfläche aufgebracht ist, kann nicht in andere Positionen des dreidimensionalen Gegenstands fallen, bevor diese gesintert werden, was der Fall sein kann, falls das Pulver auf einer Oberfläche, die relativ zu der horizontalen Ebene geneigt ist, aufgebracht worden wäre.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Pulver unter Verwendung des Elektronenstrahls gesintert und unter Verwendung des Laserstrahls geschmolzen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Pulver unter Verwendung des Laserstrahls gesintert und unter Verwendung des Elektronenstrahls geschmolzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Pulver unter Verwendung einer ersten Elektronenstrahlquelle sintert und unter Verwendung einer mindestens zweiten Elektronenstrahlquelle geschmolzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Pulver unter Verwendung einer ersten Laserstrahlquelle gesintert und unter Verwendung von einer mindestens zweiten Laserstrahlquelle geschmolzen.
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Der Vorteil beim Verwenden einer ersten Energiequelle zum Sintern und einer zweiten Energiequelle zum Schmelzen ist, dass diese unabhängig voneinander arbeiten können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Energiestrahlen beim Sintern im Vergleich zum Schmelzen sehr unterschiedlich sein können, was bedeutet, dass die Strahleigenschaften nicht von einem ersten Betrieb, wenn gesintert wird, zu einem zweiten Betrieb, wenn geschmolzen wird, verändert werden müssen. Dies für eine einzelne Energiestrahlquelle zu tun kann Zeit erfordern. Ein weiterer Vorteil ist, dass man eine erste Form von Energiestrahlquelle zum Sintern und eine zweite Form von Energiestrahlquelle zum Schmelzen verwenden kann. Das Sintern benötigt keine spezielle Strahlqualität, die darüber hinausgeht, dass die Leistung, die in das Material eingebracht wird, definiert werden muss. Es kann durch einen relativ großen Leuchtfleck erreicht werden. Das impliziert, dass das Sintern durch Widerstandsheizen oder Infrarotheizen oder einen breiten Leuchtfleck von einem Laser oder einer Elektronenstrahlquelle durchgeführt werden kann. Das Schmelzen kann einen genau definierten Energiestrahlleuchtfleck benötigen, der eine vollständig unterschiedliche Konfiguration der Energiequelle benötigt, falls dieselbe Quelle zum Sintern verwendet wird. Der Vorteil zweier unterschiedlicher Energiestrahlquellen für unterschiedliche Zwecke, nämlich Sintern und Schmelzen zu haben, kann Zeit sparen und kann die Qualität des Strahls beim Schmelzen erhöhen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein neu Fokussieren des Elektronenstrahls und/oder des Laserstrahls durchgeführt werden, während der dreidimensionale Gegenstand sich in einer radialen Richtung ausdehnt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bewegen der Elektronenstrahlquelle in einer radialen Richtung durchgeführt werden, während sich der dreidimensionale Gegenstand in der radialen Richtung ausdehnt, um den Abstand zwischen der Elektronenstrahlquelle mit Bezug zu einer oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands bei einem konstanten Wert zu halten.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Bewegen von mindestens einem Fokussierlinsenelement in einer radialen Richtung durchgeführt werden, währende der dreidimensionale Gegenstand sich in der radialen Richtung ausdehnt, um den Fokus der Strahlquelle auf der oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands zu halten.
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Der Vorteil eines Refokussierens oder eines Änderns der Position der Energiestrahlquelle während der dreidimensionale Gegenstand kann entscheidend für die Endqualität des dreidimensionalen Gegenstands sein. Falls es nicht möglich ist die Energiestrahlquelle oder den Strahlleuchtfleck zu bewegen und/oder zu refokussieren, kann die Qualität innerhalb eines kleinen Bereichs von Bauteildurchmessern des dreidimensionalen Gegenstands gut sein oder gesetzt werden, dass sie nicht so gut ist bei jedem Bauteildurchmesser des dreidimensionalen Gegenstands. Refokussieren gleicht Strahlleuchtpunktqualitätsunterschiede, die auftreten können, während der dreidimensionale Gegenstand in seiner Größe wächst, aus.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Wärmequelle zum Beibehalten der Wärme des hergestellten dreidimensionalen Gegenstands vorgesehen.
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Die Wärmequelle kann angeordnet sein, um die vertikale Fläche des dreidimensionalen Gegenstands an der Vorderseite, Rückseite oder Vorder- und Rückseite zu heizen. Diese kann die Schmelz- und Sintereinrichtung unterstützen und eine vorbestimmte Temperatur des Aufbaus in der Herstellungszeit halten. Da nahezu die vollständige vertikale Fläche des dreidimensionalen Gegenstands sichtbar ist, kann die Wärmequelle alle Teile des dreidimensionalen Artikels heizen, um sicherzustellen, dass alle Teile des dreidimensionalen Gegenstands dieselbe Temperatur haben können. Dieses kann die internen Spannungen auf ein Minimum reduzieren. Dies kann auch unterstützen, dieselbe Mikrostruktur über den gesamten Aufbau zu halten.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine erste Energiestrahlquelle an einer ersten Position vorgesehen sein, die einen variablen Fokusabstand in einem ersten Intervall von einem Zentrum der Drehachse aufweist, mindestens eine zweite Energiestrahlquelle kann an einer zweiten Position vorgesehen sein, die einen variablen Fokusabstand in einem zweiten Intervall von einem Zentrum der Drehachse aufweist. Schalten von der mindestens ersten Energiestrahlquelle zu der mindestens zweiten Energiestrahlquelle, wenn sich der dreidimensionale Gegenstand einen vorbestimmten Abstand von dem Zentrum der Drehachse erweitert hat.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die unterschiedlichen Energiestrahlquellen für eine bestimmte Fokustiefe optimiert sind. Während der Aufbau wächst, kann ein Schalten von einer ersten Energiestrahlquelle zu einer zweiten automatisch erfolgen, während die Position der äußeren Oberfläche vorher bekannt ist oder durch eine Kamera bemessen werden kann.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung tritt das Schmelzen einer vorbestimmten Menge von Pulver weniger als eine Umdrehung der Rotation auf, nachdem das Sintern derselben vorbestimmten Menge von Pulver stattgefunden hat. Das bedeutet, dass die Wärme, die beim Sintern des Pulvers zugefügt wurde, in dem späteren Schmelzprozess verwendet werden kann. Je kürzer die Zeit zwischen dem Sintern und Schmelzen ist, desto weniger Energie bleibt ungenutzt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein erster und zweiter Pulververdichter, zwischen denen das Pulver auf dem Unterstützungsaufbau vorgesehen ist, vorgesehen, wobei der erste und zweite Pulververdichter mit einer Distanz T beabstandet sind, welche die Dicke des dreidimensionalen Gegenstands definiert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann mindestens der erste oder zweite Pulververdichter an dem Pulverbehälter angeordnet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der erste oder zweite Pulververdichter fixiert in der Vakuumkammer angeordnet sein.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der erste oder zweite Pulververdichter beweglich an einem beweglichen Stützaufbau innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein.
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Der Vorteil den ersten und zweiten Pulververdichter zu haben ist, dass sichergestellt wird, dass Pulver nicht von dem dreidimensionalen Gegenstand fällt. Weiterhin kann es unterstützen, sicherzustellen, dass die vertikalen Wände vertikal werden und nicht bezügliche einer vertikalen Richtung geneigt sind, während der Aufbau wächst.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Pulververdichter während des Aufbaus geändert werden und dadurch ein Ändern einer Dicke des dreidimensionalen Gegenstands erlauben. Dieses kann eine erste Dicke an einem ersten radialen Abstand und eine zweite Dicke an einem zweiten radialen Abstand von dem Zentrum des Unterstützungsaufbaus erlauben. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Pulververdichter kann die Dicke T des dreidimensionalen Gegenstands definieren. Mindestens einer der Pulververdichter kann federbelastet sein, sodass dieser mindestens einen Teil seiner Oberfläche gegen eine vertikale Wand des dreidimensionalen Gegenstands drückt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Laserstrahl und/oder der Elektronenstrahl in eine Richtung parallel zu der Drehachse abgetastet/gerastert werden.
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Das Rastern des Strahls in einer Richtung parallel zu der Drehachse kann den gesamten Sinter- und/oder Schmelzbereich mit kleiner oder keiner Fokusabweichung effektiv abdecken.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Leistung des Laserstrahlquelle oder Elektronenstrahlquelle ein- und ausgeschaltet werden.
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Das Einschalten und Ausschalten des Energiestrahls kann verwendet werden, um die Energiezufuhr auf den dreidimensionalen Gegenstand genau einzustellen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass es möglich ist, komplexe Strukturen, welche ein Springen des Strahlleuchtpunkts von einer ersten Position zu einer zweiten Position ohne ein Schmelzen dazwischen benötigen, herzustellen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Aufbauunterstützung kontinuierlich oder schrittweise rotiert.
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Eine schrittweise Bewegung kann eine Art von Verhinderung, die verhindert, dass das Pulver aus dem Pulverbehälter heraustritt, während die Aufbauunterstützung sich nicht bewegt, benötigen. Dieses kann durch Anbringen der Öffnung des Pulverbehältnisses auf den dreidimensionalen Gegenstand oder durch ein beliebiges Verschlussmittel, das in den Pulverbehälter vorgesehen ist, durchgeführt werden.
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Der Vorteil einer kontinuierlichen Bewegung der Aufbauunterstützung ist, dass die Pulverzufuhr nicht gestoppt werden muss und die Aufbauzeit minimiert wird.
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Das Verfahren entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst ferner den Schritt des Bereitstellens mindestens eines Pulverbehältnisses und des Unterstützungsaufbaus innerhalb einer Vakuumkammer.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands durch sukzessives Schmelzen von Teilen von aufgebrachtem Pulver vorgesehen. Diese Vorrichtung umfasst: mindestens einen Pulverbehälter, der Pulver umfasst, das zum Ausbilden des dreidimensionalen Gegenstands zu verwenden ist, Mittel zum Bereitstellen einer vorbestimmten Menge von Pulver auf einem Unterstützungsaufbau, Mittel zum Richten eines Energiestrahls über den Unterstützungsaufbau, der verursacht, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers sintert und verursacht, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers sich mit dem Unterstützungsaufbau verbindet, Mittel zum Richten eines Energiestrahls über den Unterstützungsaufbau, der veranlasst, dass das Pulver in gewählten Bereichen entsprechend einem Modell schmilzt, um einen ersten Abschnitt des dreidimensionalen Gegenstands auszubilden, wobei die Vorrichtung ferner umfasst: einen Motor zum Rotieren des Unterstützungsaufbaus um eine Drehachse zum Verstellen des dreidimensionalen Gegenstands, wobei der dreidimensionale Gegenstand Schicht auf Schicht in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse aufgebaut ist.
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Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung, den Figuren und abhängigen Ansprüchen. Der Vorteil der unterschiedlichen Ausführungsformen der Vorrichtung ist ähnlich zu dem Vorteil des entsprechenden Verfahrens und muss darum in diesem Kontext nicht wiederholt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in dem Folgenden in einer nicht beschränkenden Weise mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben. Dieselben Bezugszeichen werden verwendet um entsprechende ähnliche Teile über die verschiedenen Figuren der Zeichnungen hinweg zu kennzeichnen.
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1a ist eine schematische Vorderansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1b zeigt eine schematische Vorderansicht der ersten beispielhaften Ausführungsform mit einem teilweise fertiggestellten dreidimensionalen Gegenstand;
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1c zeigt eine schematische Seitenansicht der ersten beispielhaften Ausführungsform in 1a;
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1d zeigt eine schematische Vorderansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1e zeigt eine schematische Seitenansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2a zeigt eine schematische Vorderansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2b zeigt eine schematische Seitenansicht der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a zeigt eine schematische Vorderansicht einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3b zeigt eine schematische Seitenansicht der fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt eine schematische Vorderansicht der sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt eine schematische Vorderansicht einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6a zeigt eine vergrößerte Vorderansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform des Pulverbehälters und des dreidimensionalen Gegenstands entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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6b zeigt eine vergrößerte Seitenansicht der ersten beispielhaften Ausführungsform des Pulverbehälters und des dreidimensionalen Gegenstands, wie in 6a gezeigt;
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7a zeigt eine vergrößerte Vorderansicht einer zweiten beispielhafte Ausführungsform des Pulverbehälters und des dreidimensionalen Gegenstands entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
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7b zeigt eine vergrößerte Seitenansicht der zweiten beispielhaften Ausführungsform des Pulverbehälters und des dreidimensionalen Gegenstands, wie in 7a gezeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Um das Verständnis dieser Erfindung zu erleichtern werden einige Begriffe im Folgenden definiert. Die hier definierten Begriffe haben Bedeutungen, wie sie im Allgemeinen von einem Fachmann in dem für diese Erfindung relevanten Gebiet verstanden werden. Begriffe wie „ein”, „einer” und „der, die, das” sind nicht beabsichtigt, sich nur auf ein Objekt zu beziehen, sondern beinhalten die generelle Klasse, aus der ein spezifisches Beispiel zur Darstellung verwendet werden kann. Die Terminologie wird verwendet um spezifische Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben, aber ihre Verwendung beschränkt die Erfindung nicht, mit Ausnahme der Ansprüche.
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Der Begriff „dreidimensionale Strukturen” und dergleichen wie hier verwendet, beziehen sich generell auf gewollte oder hergestellte dreidimensionale Konfigurationen (z. B. von strukturellem Material oder Materialien), die dazu bestimmt sind, für einen bestimmten Zweck verwendet zu werden. Solche Strukturen können z. B. mit der Hilfe eines dreidimensionalen CAD-Systems gestaltet werden.
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Der Begriff „Elektronenstrahl”, wie hier in verschiedenen Ausführungsformen verwendet, betrifft einen Strahl beliebiger geladener Partikel. Die Quelle eines geladenen Partikelstrahls kann eine Elektronenkanone oder einen linear Beschleuniger usw. beinhalten.
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1a und 1b zeigen eine Vorderansicht eines Teils einer additiven Fertigungsvorrichtung 100 zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands durch sukzessives Schmelzen von Teilen von aufgebrachtem Pulver entsprechend der vorliegenden Erfindung. 1c zeigt eine Seitenansicht eines Teils der additiven Fertigungsvorrichtung 100 in 1a.
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Die Vorrichtung 100 kann mindestens einen Pulverbehälter 118 umfassen, der Pulver 125 umfasst, das zum Ausbilden des dreidimensionalen Gegenstands zu verwenden ist.
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Die Vorrichtung 100 kann ferner Mittel zum Bereitstellen einer vorbestimmten Menge Pulver auf einem Unterstützungsaufbau 114 umfassen. Das Mittel zum Bereitstellen von Pulver kann in der Form eines Pulverbehälters 118, der mit einer Öffnung 127 versehen ist, sein. Die Öffnung kann gestaltet sein, um eine vorbestimmte Menge von Pulver pro Zeiteinheit aus dem Pulverbehälter austreten zu lassen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Öffnung 127 mit einem Verschluss (nicht dargestellt) zum Öffnen und Schließen der Öffnung versehen sein und dadurch das Eindecken des Pulvers auf den Unterstützungsaufbau 114 beginnen bzw. stoppen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine Harke 129 an der Öffnung 127 angebracht sein. Die Harke 129 kann das Pulver von dem Pulverbehälter 118 gleichmäßig auf dem Unterstützungsaufbau 114 verteilen.
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Die Vorrichtung 100 kann ferner Mittel zum Richten eines Energiestrahls 120 über den Unterstützungsaufbau umfassen, der mindestens einen Abschnitt des Pulvers zu sintern veranlasst und mindestens einen Abschnitt des Pulvers veranlasst, sich an den Unterstützungsaufbau 114 zu binden. Der Energiestrahl kann ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl sein. In einem Fall, in dem der Energiestrahl ein Laserstrahl ist, kann das Mittel zum Richten des Energiestrahls in der Form von schwenkbaren Spiegeln sein. In einem Fall, dass der Energiestrahl ein Elektronenstrahl ist, kann das Mittel zum Richten des Energiestrahls in der Form einer oder mehrere Umlenkungsspulen sein. Eine Quelle 112 zum Generieren des Energiestrahls kann eine Elektronenstrahlquelle oder eine Laserstrahlquelle sein. Wenn das Pulver gesintert ist, sind Pulverpartikel leicht miteinander verbunden aber nicht verschmolzen. Gesinterte Pulverpartikel können zu Pulver getrennt werden, d. h., dass ein gesinterter Körper mit leicht verbundenen Pulverpartikeln mittels eines geeigneten Mittels zum Beispiel eines hohen Druckstoßes in Pulver zerstört werden. Der gesinterte Körper kann auch an dem Unterstützungsaufbau 114 angebracht sein. Fixieren des gesinterten Körpers an dem Unterstützungsaufbau bedeutet, dass der gesinterte Körper sich bewegen wird, wenn der
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Unterstützungsaufbau sich bewegt. Die Vorrichtung kann ferner Mittel zum Richten eines Energiestrahls über dem Unterstützungsaufbau 114 umfassen, um ein Schmelzen des Pulvers in gewählten Bereichen entsprechend einem Modell zu veranlassen, um einen ersten Abschnitt des dreidimensionalen Gegenstands auszubilden. Das Schmelzen eines bestimmten Volumens des dreidimensionalen Gegenstands kann stattfinden, nachdem das bestimmte Volumen gesintert wurde. Das Modell für den dreidimensionalen Gegenstand kann in einem Steuerungscomputer gespeichert sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Modell durch CAD Software gestaltet worden sein. Das Modell kann in geeignete Scheiben entsprechend dem Herstellungsverfahren des dreidimensionalen Gegenstands geschnitten werden.
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Die Vorrichtung kann ferner einen Motor 130 zum Rotieren des Unterstützungsaufbaus 114 um eine Drehachse zum Herstellen des dreidimensionalen Gegenstands 116 umfassen, wobei ein dreidimensionaler Gegenstand Schicht um Schicht in einer radialen Richtung mit Bezug zu der Drehachse hergestellt wird. Der Motor 130 und der Unterstützungsaufbau 114 können mittels einer Welle 135 aneinander angebracht werden. Die Welle 135 kann aus einem Material hergestellt sein, das einen geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Der dreidimensionale Gegenstand 116 breitet sich in einer radialen Richtung, wenn von dem Zentrum des Unterstützungsaufbaus 114 aus betrachtet, aus. Pulver kann nicht von dem Unterstützungsaufbau fallen, da die Pulverpartikel aneinander gesintert sind, bevor sie eine Position erreichen, in der die Partikel fallen können, d. h. eine Position in der eine Oberfläche des Unterstützungsaufbaus nach unten zeigt. Dreidimensionale Gegenstände 116 können Schicht um Schicht hergestellt werden, wobei eine erste Schicht, die einen ersten Durchmesser aufweist, mit einer zweiten Schicht bedeckt ist, die einen zweiten Durchmesser aufweist. Der Unterschied des Durchmessers zwischen der ersten und zweiten Schicht wird durch die Dicke der Pulverschicht, die auf dem Unterstützungsaufbau 114 aufgebracht ist, bestimmt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Versorgung von Pulver kontinuierlich während des Aufbaus des dreidimensionalen Gegenstands. Das heißt, dass die Versorgung des Pulvers nicht gestoppt wird, bevor der dreidimensionale Gegenstand fertiggestellt ist. Das neu aufgebrachte Pulver wird kontinuierlich gesintert, um das Pulver an dem Unterstützungsaufbau oder der vorher hergestellten Schicht des dreidimensionalen Gegenstands 116 anzubringen. Der Abstand zwischen dem Energiestrahl und der Versorgung des Pulvers ist so gewählt, dass das Sintern fertiggestellt ist, bevor ein Abschnitt der auf dem Unterstützungsaufbau aufgebrachten Pulverschicht in Gefahr ist, von dem Unterstützungsaufbau zu fallen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform können der Pulverbehälter 118 und der Unterstützungsaufbau 114 in einer schließbaren Kammer 110 umschlossen sein. Diese schließbare Kammer 110 kann eine Vakuumkammer sein.
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1d zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind eine getrennte Pulverharke und eine Pulververdichtungseinrichtung 155 zwischen dem Pulverbehälter 118 und dem Strahl der Energiestrahlquelle 112 angeordnet. Die Pulverharke und die Verdichtungseinrichtung sind beweglich in einer radialen Richtung von der zentralen Achse des dreidimensionalen Gegenstands 114 angeordnet. Die Harke und die Verdichtungseinrichtung verdichten, wie die Bezeichnung nahelegen kann, das Pulver, das von dem Pulverbehälter kommt und an der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands aufgebracht wird. Die Harke und die Verdichtungseinrichtung können federgespannt sein, d. h., dass eine Federspannung auf diese Einrichtung aufgebracht werden kann, um einen vorbestimmten Druck auf der Pulverschicht beizubehalten. Die Einrichtung 155 kann ferner mit einer Vibrationseinrichtung versehen sein, die der Einrichtung erlaubt zu vibrieren und dadurch das Pulver weiter verdichtet.
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In 2a und 2b ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. 2a ist identisch zu 1b außer, dass 2a eine Tür 150 zum Schließen der schließbaren Kammer 110 umfasst. Die Tür ist durch ein Gelenk 140 an der verschließbaren Kammer 110 angebracht. Die Seitenansicht in 2b illustriert, dass der Schaft 135, der den Motor 130 an den Unterstützungsaufbau 114 anbringt, durch die verschließbare Kammer 110 durchläuft. In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine geeignete Dichtung zwischen dem Schaft 135 und der verschließbaren Kammer vorgesehen, sodass Vakuumbedingungen innerhalb der verschlossenen Kammer 110 erreicht werden können.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner Mittel zum beweglichen Bereitstellen des Pulverbehälters 118, um in einer radialen Richtung beweglich zu sein, um einen Abstand zwischen dem Pulverbehälter 118 und einer äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116 bei einem konstanten vorbestimmten Wert zu halten. Das Mittel zum beweglichen Bereitstellen des Pulverbehälters, kann in der Form eines Motors sein, der mittels Gang/Gängen und/oder Kette/Ketten und/oder Riemen mit dem Pulverbehälter verbunden ist. Das Mittel zum Bewegen des Pulverbehälters kann auch pneumatisch oder hydraulisch sein. Der Abstand zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116 kann durch Messen des Abstands zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche gehalten werden. Falls der Abstand unter eine vorbestimmte Grenze fällt, wird der Pulverbehälter einen vorbestimmten Abstand angehoben, um innerhalb eines akzeptablen Bereichs eines Abstands von der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116 zu fallen. In einer alternativen Ausführungsform findet keine Messung statt, um die Distanz zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten. Es wird von Beginn an angenommen, dass die Rotationsgeschwindigkeit in Kombination mit der Größe und Form der Öffnung 127 des Pulverbehälters 118 und der Art von Pulver, das auf dem Unterstützungsaufbau 114 verteilt wird, eine vorbestimmte Pulverdicke erzeugt. Für jede Umdrehung des Unterstützungsaufbaus wird der Pulverbehälter einen Weg, welcher der Dicke des Pulvers entspricht, angehoben. Durch Variieren der Geschwindigkeit des Unterstützungsaufbaus kann die Dicke variiert werden. Eine langsamere Rotationsgeschwindigkeit des Unterstützungsaufbaus kann in einer dickeren Pulverschicht resultieren und eine schnellere Rotationsgeschwindigkeit des Unterstützungsaufbaus kann in einer dünneren Pulverschicht resultieren. Die Tatsache, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Unterstützungsaufbaus die Dicke der Pulverschicht auf dem Unterstützungsaufbau beeinflusst, kann verwendet werden, um die Dicke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dicke der Pulverschicht durch Ändern des Abstands der Öffnung 127 und der optionalen Harke 129 des Pulverbehälters 118 zu der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116 geändert werden. Ein größerer Abstand zwischen der Öffnung und der äußeren Oberfläche verursacht, dass eine größere Menge an Pulver aus der Öffnung austritt, und desto größer ist die Pulverschicht. In einer alternativen Ausführungsform zeigt die Öffnung in einer Richtung zu der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116. Das heißt, dass die Öffnung durch die äußere Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands geschlossen werden kann, falls der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und der Öffnung Null ist. Bei dieser Nulldistanz tritt kein Pulver aus dem Pulverbehälter aus. Erhöhen des Abstands von dem Pulverbehälter zu der äußeren Oberfläche erlaubt, dass Pulver von dem Pulverbehälter austritt. Anpassen des Abstands zwischen der Öffnung des Pulverbehälters und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands kann ein Feineinstellen der Dicke der aufgebrachten Pulverschicht erlauben.
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Während der dreidimensionale Gegenstand in seiner Größe wächst, d. h. mehr Schichten an dem Unterstützungsaufbau angebracht sind, desto größer wird der äußere Durchmesser sein. Falls die Rotationsgeschwindigkeit bei einer konstanten Geschwindigkeit gehalten wird, wird die Dicke der Pulverschicht bei einem größeren Durchmesser dünner als die Pulverschicht bei einem kleineren Durchmesser. Durch Anpassen der Rotationsgeschwindigkeit mit der Größe des dreidimensionalen Gegenstands kann eine konstante Dicke des aufgebrachten Pulvers erreicht werden, wenn ein Pulverbehälter verwendet wird, der eine vorbestimmte Menge von Pulver pro Zeiteinheit zur Verfügung stellt. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine konstante Winkelgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands eine vorbestimmte Dicke der aufgebrachten Pulverschicht, unabhängig von dem Durchmesser des dreidimensionalen Gegenstands, halten.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Winkelgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands geändert werden, um die Dicke der aufgebrachten Pulverschicht zu ändern. Eine schnelle Winkelgeschwindigkeit wird im Vergleich zu einer langsameren Winkelgeschwindigkeit eine dünnere aufgebrachte Pulverschicht für eine gegebene Menge an Pulver, welche die Öffnung 127 des Pulverbehälters 118 verlässt, zur Verfügung stellen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Winkelgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands in Kombination mit einem geänderten Abstands der Öffnung des Pulverbehälters zu der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands geändert werden. In dieser Ausführungsform können zwei unabhängige Parameter zum Ändern der Dicke der Pulverschicht geändert werden, d. h., der Abstand der Öffnung des Pulverbehälters zu der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands und die Winkelgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer additiven Fertigungsvorrichtung 100, die in 4 dargestellt ist, wird mindestens eine Elektronenstrahlquelle 192, die einen Elektronenstrahl 122 generiert, zum Sintern des Pulvers verwendet und mindestens eine Laserstrahlquelle 193, die einen Laserstrahl 121 generiert wird zum Schmelzen des Pulvers verwendet. Die Elektronenstrahlquelle 192 ist im Vergleich zu der Laserstrahlquelle 193 näher an dem Pulverbehälter angeordnet da der Elektronenstrahl zum Sintern verwendet wird, das vor dem Schmelzen desselben Pulvermaterials stattfindet. In 4 sind nur eine Elektronenstrahlquelle und eine Laserstrahlquelle offenbart. Natürlich können mehrere Elektronenstrahlquellen genauso wie mehrere Laserstrahlquellen verwendet werden. In 4 ist weiterhin eine erste optionale Kamera 170 und eine zweite optionale Kamera 172. Die erste und zweite Kamera können zum Detektieren von Defekten, Temperatur- und/oder Oberflächencharakteristika der obersten Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands 116 verwendet werden.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform für eine additive Fertigungsvorrichtung 100 wird mindestens eine Laserstrahlquelle, die mindestens einen Laserstrahl generiert, zum Sintern des Pulvers verwendet und mindestens eine Elektronenstrahlquelle, die mindestens einen Elektronenstrahl generiert, zum Schmelzen des Pulvers verwendet.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer additiven Fertigungsvorrichtung 100 wird mindestens eine erste Elektronenstrahlquelle, die mindestens einen ersten Elektronenstrahl generiert, zum Sintern des Pulvers verwendet und mindestens eine zweite Elektronenstrahlquelle, die mindestens einen zweiten Elektronenstrahl generiert, zum Schmelzen des Pulvers verwendet.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer additiven Fertigungsvorrichtung 100 wird mindestens eine erste Laserstrahlquelle, die mindestens einen ersten Laserstrahl generiert, zum Sintern des Pulvers verwendet und mindestens eine zweite Laserstrahlquelle, die mindestens einen zweiten Laserstrahl generiert, zum Schmelzen des Pulvers verwendet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist mindesten eine Wärmequelle zum Halten der Wärme des hergestellten dreidimensionalen Gegenstands vorgesehen. In 3a ist eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen Wärmequelle zum Halten der Wärme des dreidimensionalen Gegenstands dargestellt. In 3a ist eine Anzahl von Wärmeelementen 160 vorgesehen, die eine Widerstands- oder eine IR-Wärmequelle sein können. Die Wärmeelemente können wie in 4a angeordnet sein, d. h., dass kleine Umfangswärmequellen zum Heizen eines Ursprungs des dreidimensionalen Gegenstands vorgesehen sind. Wärmequellen für größere Durchmesser sind angeordnet, sodass später hergestellte Teile des dreidimensionalen Gegenstands geheizt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Steuerungseinheit eine oder mehrere Wärmequellen schalten, während der dreidimensionale Aufbau wächst. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Leistung während der Herstellungszeit des dreidimensionalen Gegenstands für jede der Wärmequellen 160 geändert werden, sodass eine gewünschte Wärmeverteilung in dem dreidimensionalen Gegenstand erreicht wird. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann mindestens eine Wärmequelle in einer vorbestimmten Art zum Herstellen einer gewünschten Pulververteilung in dem dreidimensionalen Gegenstand ein- und ausgeschaltet werden. 3b zeigt eine Seitenansicht der Anordnung, wie in 3a dargestellt. In 3 wird gezeigt, dass ein optionaler Satz von Wärmequellen 162 an den gegenüberliegenden Seiten als die Wärmequellen 160 angewendet werden kann, wodurch der dreidimensionale Gegenstand von beiden Seiten geheizt wird.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine erste Energiestrahlquelle an einer ersten Position vorgesehen sein, die einen variablen Fokusabstand in einem ersten Bereich von einem Zentrum der Drehachse aufweist, und mindestens eine zweite Energiestrahlquelle an einer zweiten Position vorgesehen sein, die einen variablen Fokusabstand in einem zweiten Bereich von einem Zentrum der Drehachse aufweist. Ein Schalter zum Umschalten von der ersten Energiestrahlquelle zu der mindestens zweiten Energiestrahlquelle, wenn der dreidimensionale Gegenstand sich einen vorbestimmten Abstand von dem Zentrum der Drehachse ausgedehnt hat. Eine erste Energiestrahlquelle kann zum Bauen des inneren Teils eines dreidimensionalen Gegenstands verwendet werden und eine zweite Energiestrahlquelle kann zum Bauen des äußeren Teils des dreidimensionalen Gegenstands verwendet werden. Die erste und zweite Energiestrahlquelle sind dazu geeignet, den Energiestrahl in einem ersten und zweiten Fokusabstandsbereich zu fokussieren.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Elektronenstrahlquelle beweglich angeordnet sein, d. h., dass der Abstand von der Elektronenstrahlquelle zu der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands durch Bewegen der Elektronenstrahlquelle nach außen (radiale Richtung), während der dreidimensionale Gegenstand in seiner Größe wächst, konstant gehalten werden.
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In 5 ist ein beispielhafter dreidimensionaler Gegenstand 116 gezeigt, der dazu geeignet sein kann, mit der erfinderischen Vorrichtung gebaut zu sein. Der dreidimensionale Gegenstand, der in 5 gezeigt ist, kann beispielsweise ein Kompressorrad oder ein Turbinenrad für einen Abgasturbo, eine Rotationsscheibe in einem Turbinenmotor, ein Luftkompressorrad usw. sein. Es kann auch möglich sein, eine Anzahl von diskreten Teilen mit dem erfinderischen Verfahren und der erfinderischen Vorrichtung zu bauen, zum Beispiel eine Anzahl von diskreten Rotorblättern für Turbinenmotoren.
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Der Unterstützungsaufbau 114 kann ein geschmiedeter Schaft für ein Abgasturboturbinenrad sein. Der Unterstützungsaufbau 144 kann vorgefertigt sein und gewünschte Materialeigenschaften für eine gewünschte Anwendung aufweisen. Turbinenradblätter werden auf den Unterstützungsaufbau (Turbinenwelle) hergestellt, die im Vergleich zu dem Unterstützungsaufbau ein anderes Material aufweisen können. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Turbinenwelle aus einer gewünschten Stahlverbindung hergestellt sein und die Turbinenschaufel kann aus Ti oder Ti6A14V hergestellt sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Unterstützungsaufbau ein gebrauchtes Kompressionsrad sein, das teilweise defekt ist, d. h. Teile von oder mehrere der Kompressorschaufeln können defekt sein. Das Kompressorrad kann in die Maschine eingeführt werden. Bevor es möglich ist, schon hergestellte Aufbauten einzuführen, d. h. nicht nur einen homogenen Schaft, muss die Höhe von allen Flügeln auf einen gleichen Abstand von der zentralen Achse gesetzt werden, d. h. in dem Fall der Kompressorschaufel die Kompressorwelle. Dies kann vor dem Einführen des teilweisen defekten Kompressorrads in die additive Fertigungsmaschine durch Entfernen von Abschnitten der Schaufeln in einem geeigneten Schleifverfahren erreicht werden oder die Blätter werden teilweise in einer Drehbank gekürzt.
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Pulver kann in einer getrennten Einrichtung vorgeheizt werden, um die Pulverpartikel aneinander mit denen zu reparierenden dreidimensionalen Gegenstand zu sintern, nicht schmelzen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der zu reparierende Gegenstand in einer vorgefertigten Form zusammen mit Pulver eingeführt werden und die Form mit dem Pulver und dem dreidimensionalen Gegenstand kann in eine Einrichtung zum Sintern des Pulvers mit dem zu reparierenden dreidimensionalen Gegenstand eingeführt werden. Aus dieser Einrichtung kann ein dreidimensionaler Gegenstand kommen, der zum Hinzufügen einer vorbestimmten Menge von Material in der erfinderischen Vorrichtung und dem erfinderischen Verfahren, wie im Obigen und im Folgenden offenbart, geeignet ist.
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6a und 6b zeigen eine vergrößerte Vorderansicht und eine Seitenansicht von jeweils dem Pulverbehälter zusammen mit dem dreidimensionalen Gegenstand. Wenn Pulver 125 von dem Pulverbehälter 118 auf den dreidimensionalen Gegenstand aufgebracht ist, existiert ein bestimmter Abstand von dem Pulverbehälter zu dem Energiestrahl, in dem das Pulver nicht gesintert ist. In dem Bereich, in dem das Pulver nicht gesintert ist, besteht eine Gefahr, dass Pulver von dem dreidimensionalen Gegenstand 116 in der Nähe seiner Vorderseite 116a und Rückseite 116b runterfällt, was in einem dreidimensionalen Gegenstand resultiert, der dünner wird während er radial zwischen seiner Vorderseite 116a und seiner Rückseite 116b, wie in 6b gezeigt, wächst.
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Um die Dicke T zwischen der Vorderseite 116a und der Rückseite 116b des dreidimensionalen Artikels 116 zu halten ist ein Pulververdichter 195, wie in 7a und 7b gezeigt, an dem Pulverbehälter 118 angebracht.
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Der Pulververdichter 195 kann ein erstes und ein zweites Pulververdichterelement aufweisen, die an dem Pulverbehälter im Wesentlichen parallel zu einer radialen Richtung der Drehachse angeordnet sein können, wo das Pulver zwischen dem ersten und zweiten Pulververdichterelement 195a, 195b jeweils bereitgestellt wird. Das erste und zweite Pulververdichterelement 195a und 195b machen es jeweils möglich, Pulvermaterial auf dem Unterstützungsaufbau oder der oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands zu halten, ohne von der oberen Oberfläche runterzufallen und dadurch einen dreidimensionalen Gegenstand herzustellen, der nicht defekt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform können das erste und zweite Pulververdichterelement 195a und 195b mit einer Federkraft auf den schon hergestellten dreidimensionalen Gegenstand 116 angeordnet sein. Die Federkraft kann sicherstellen, dass ein enger Verschluss zwischen dem dreidimensionalen Gegenstand und dem ersten und zweiten Verdichterelement existiert, was folglich sicherstellt, dass kein Pulver runterfällt und auch sicherstellt, dass die Dicke zwischen der Vorderseite 116a und der Rückseite 116b des dreidimensionalen Gegenstands konstant gehalten wird. Die Verdichterelemente 195a und 195b können aus Stahl, Titan, Inconel oder anderen Superlegierungen sein. Sie können auch aus Keramik sein. In einer alternativen Ausführungsform kann mindestens ein erster Pulververdichter 195a, 195b fest innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann mindestens ein Pulververdichter 195a, 195b beweglich an einem getrennten Aufbau angeordnet sein, der.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ferner Mittel zum Refokussieren des Elektronenstrahls und/oder des Laserstrahls, während sich der dreidimensionale Gegenstand ausdehnt, aufweisen.
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Das Mittel zum Bewegen der Elektronenstrahlquelle oder der Laserstrahlquelle in einer radialen Richtung, während sicher der dreidimensionale Gegenstand ausdehnt, zum Halten des Abstands zwischen der Elektronenstrahlquelle oder Laserquelle mit Bezug zu einer oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands bei einem konstanten Wert kann mechanisch sein, zum Beispiel durch Riemen, Gangrad/Gangräder, Ketten/Ketten sein, die mit einem elektrischen Motor verbunden sind.
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Ein Vakuumbalg kann zwischen der Elektronenkanone und/oder Laserkanone und der Vakuumkammer angeordnet sein, um zu erlauben, dass das Vakuum erhalten wird, während die Elektronenstrahlquelle und/oder Laserstrahlquelle sich nach außen in einer radialen Richtung von der Zentrumsachse des dreidimensionalen Gegenstands bewegt.
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Die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst ferner Mittel zum Bewegen mindestens eines Fokussierlinsenelements in einer radialen Richtung, während sich der dreidimensionalen Gegenstand ausdehnt, zum Halten eines Fokuspunktes der Laserstrahlquelle auf einer oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands.
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8 zeigt ein Flowchart für ein Verfahren zum Ausbilden eines dreidimensionalen Gegenstands durch sukzessives Schmelzen von aufgebrachtem Pulver.
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In einem ersten Schritt 810 des Verfahrens ist mindestens ein Pulverbehälter vorgesehen, wobei der Pulverbehälter Pulver umfasst, das zum Ausbilden des dreidimensionalen Gegenstands zu verwenden ist.
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In einem zweiten Schritt 820 wird eine vorbestimmte Menge von Pulver auf einem Unterstützungsaufbau bereitgestellt. Die vorbestimmte Menge von Pulver kann durch eine Öffnung des Pulverbehälters bereitgestellt werden. Der Pulverbehälter kann über dem Unterstützungsaufbau angeordnet sein. Alternativ existiert eine mechanische Anordnung zum Transportieren einer ausreichenden Menge Pulver, die aus dem Pulverbehälter austritt, zu dem Unterstützungsaufbau.
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In einem dritten Schritt 830 wird ein Energiestrahl über den Unterstützungsaufbau gerichtet, der verursacht, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers sintert und versursacht, dass mindestens ein Abschnitt des Pulvers mit dem Unterstützungsaufbau verbunden ist. Durch aneinander Sintern der Pulverpartikel wird ein Körper von gesinterten Partikeln auf dem Unterstützungsaufbau ausgebildet. Das Sintern bedeutet, dass die Pulverpartikel leicht miteinander verbunden sind, was es ermöglicht, nach dem Sintern die Verbindung zwischen den Partikeln durch geeignete Mittel zu zerstören, wie z. B. Druckluft, und dadurch den Körper zurück zu Pulver zu zerstören. In dem Sinterschritt können die Pulverpartikel nicht nur miteinander verbunden werden, wodurch der Körper gebildet wird, sondern können auch mit dem Unterstützungsaufbau verbunden werden.
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In einem vierten Schritt 840 wird ein Energiestrahl über den Unterstützungsaufbau gerichtet, was ein Schmelzen des Pulvers in ausgewählten Bereichen entsprechend einem Modell verursacht, um einen ersten Abschnitt des dreidimensionalen Gegenstands auszubilden. Das Modell kann mit einem geeigneten CAD Werkzeug gestaltet werden. Das CAD Modell kann in eine vorbestimmte Anzahl von Querschnitten entsprechend den Querschnitten des herzustellenden dreidimensionalen Gegenstands geschnitten werden. Die Dicke der Querschnitte entspricht der Pulverdicke einer vorbestimmten Pulverschicht auf dem Unterstützungsaufbau. Der Energiestrahl wird im Fall eines Elektronenstrahls durch mindestens eine geeignete Ablenkungsspule gerichtet und im Falle eines Laserstrahls als Energiestrahl durch einen schwenkbaren Spiegel gerichtet.
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In einem fünften Schritt 850 wird der Unterstützungsaufbau um eine Drehachse zum Herstellen des dreidimensionalen Gegenstands gedreht, wobei der dreidimensionale Gegenstand Schicht auf Schicht in einer radialen Richtung bezüglich der Drehachse aufgebaut wird. Pulver kann den Pulverbehälter kontinuierlich verlassen, während der Unterstützungsaufbau gedreht wird. Die Rotationsgeschwindigkeit des Unterstützungsaufbaus ist an den äußeren Durchmesser des dreidimensionalen Gegenstands angepasst, um dieselbe Dicke für jede aufgebrachte Schicht auf dem Unterstützungsaufbau zu erzeugen. Das bedeutet zum Beispiel, dass die Rotationsgeschwindigkeit für eine vergrößerte Dicke bei derselben Pulvermenge pro Zeiteinheit, die von der Öffnung des Pulverbehältnisses auf den Unterstützungsaufbau austritt, verringert werden kann. Eine alternative Art um Sicherzustellen, dass dieselbe Schichtdicke aufgebracht wird, ist die Menge von Pulver zu erhöhen, während sich der äußere Durchmesser des dreidimensionalen Gegenstands vergrößert. Dies kann durch Vergrößern des Abstands zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands und/oder Verringern der Rotationsgeschwindigkeit des dreidimensionalen Gegenstands zum Beibehalten der Winkelgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands erreicht werden.
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Das Pulver in dem Pulverbehälter kann jede Sorte von Metallmaterial entweder als reines Material, als Legierung oder als eine Mischung von unterschiedlichen Metallen in Pulverform sein. Andere Arten von Materialien können auch verwendet werden, jedoch muss, falls ein Elektronenstrahl als der Energiestrahl verwendet wird, das Pulvermaterial elektrisch leitend sein. Falls ein Laserstrahl als der Energiestrahl verwendet wird, kann jede Art von Material inklusive elektrisch nicht-leitenden Materialien verwendet werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Pulverbehälter in einer radialen Richtung bezüglich der Drehachse beweglich vorgesehen, um einen Abstand zwischen dem Pulverbehälter und einer äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands bei einem konstanten vorbestimmten Wert zu halten. Es kann wichtig sein, den Abstand zwischen dem Pulverbehälter und dem Unterstützungsaufbau bei einem konstanten Abstand über die Aufbausequenz des dreidimensionalen Gegenstands hinweg zu halten, um Pulverschichten mit derselben Dicke und derselben Oberflächenqualität bereitzustellen. Variieren des Abstands zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands kann diese zwei Parameter beeinflussen und dadurch die Qualität des dreidimensionalen Gegenstands beeinflussen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Abstand zwischen dem Pulverbehälter und der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands durch Bewegen des Behälters mit Rückmeldeinformationen von Messungen des Abstands zwischen dem Behälter und der Oberfläche konstant gehalten werden. Die Messung kann durch eine Kamera, die Bilder von dem Abstand aufnimmt, durchgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Interferometer zum Messen des Abstands von der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands zu einer fixen Position verwendet werden. Anstelle eines Messens eines Abstands kann die Bewegung des Pulverbehälters vor dem Starten des Herstellens bekannt sein. Da die Dicke der Pulverschicht vor einem Starten des Herstellens bekannt sein kann, kann man wissen, wie weit sich der dreidimensionale Gegenstand in seiner Ausdehnung pro Umdrehung erhöht. Die Bewegung des Pulverbehälters kann aus den Informationen erhalten werden.
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Dieselbe Messung und/oder vorbestimmte Anpassung des Pulverbehälters kann zum Anpassen der Position der Laserstrahlquelle und/oder Elektronenstrahlquelle verwendet werden.
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Das Pulver kann unter Verwendung des Elektronenstrahls gesintert werden und unter Verwendung von mindestens dem Laserstrahl geschmolzen werden. Das Sintern und Schmelzen kann gleichzeitig durchgeführt werden aber für unterschiedliche Gebiete des dreidimensionalen Gegenstands. Alternativ findet das Sintern für ein erstes Gebiet statt und danach findet das Schmelzen für das gleiche erste Gebiet statt, wenn das Sintern nicht auf einem zweiten Gebiet durchgeführt wird, wenn das Schmelzen stattfindet.
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Das Pulver kann auch unter Verwendung des Elektronenstrahls gesintert und unter Verwendung von mindestens dem Laserstrahl geschmolzen werden. Auch hier können das Schmelzen und Sintern gleichzeitig für unterschiedliche Gebiete stattfinden oder nacheinander für das gleiche Gebiet mit keinem Überlapp beim Durchführen des Schmelzens für ein erstes Gebiet und Sintern für ein zweites Gebiet.
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Das Pulver kann auch unter Verwendung einer ersten Elektronenstrahlquelle gesintert und unter Verwendung einer zweiten Elektronenstrahlquelle geschmolzen werden. Auch hier können das Schmelzen und Sintern gleichzeitig für unterschiedliche Gebiete stattfinden oder hintereinander für das gleiche Gebiet mit keinem Überlapp beim Durchführen des Schmelzens für ein erstes Gebiet und Sintern für ein zweites Gebiet.
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Das Pulver kann auch unter Verwendung einer ersten Laserstrahlquelle gesintert und unter Verwendung mindestens einer zweiten Laserstrahlquelle geschmolzen werden. Auch hier können das Schmelzen und Sintern gleichzeitig für unterschiedliche Gebiete stattfinden oder nacheinander für das gleiche Gebiet mit keinem Überlapp beim Durchführen des Schmelzens für ein erstes Gebiet und Sintern für ein zweites Gebiet.
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Der Elektronenstrahl und/oder der Laserstrahl können neu fokussiert werden, während der dreidimensionale Gegenstand sich ausdehnt.
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Elektronenstrahlquelle kann durch Bewegen der Quelle in einer radialen Richtung, während sich der dreidimensionale Gegenstand ausdehnt, zum Halten des Abstands zwischen der Elektronenstrahlquelle mit Bezug zu einer oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands bei einem konstanten Wert refokussiert werden.
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Die Laserstrahlquelle kann durch Bewegen von mindestens einem Fokuslinsenelement in einer radialen Richtung, während sich der dreidimensionale Gegenstand ausdehnt, zum Halten des Fokus der Laserstrahlquelle auf der oberen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands refokussiert werden.
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Mindestens eine Wärmequelle kann zum Halten der Wärme des hergestellten dreidimensionalen Gegenstands vorgesehen werden. Die Wärmequelle kann in der Form einer Widerstandsheizung und/oder einer Infrarotheizung sein. Die Wärmequellen können an einer Rückseite des dreidimensionalen Gegenstands und/oder an der Vorderseite des dreidimensionalen Gegenstands vorgesehen sein. Der Abstand der Heizung zu der Vorder- und/oder Rückseite des dreidimensionalen Gegenstands kann für jedes Heizungselement zum Variieren der Leistung auf den Aufbau variiert werden.
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Mindestens eine erste Energiestrahlquelle kann an einer ersten Position vorgesehen werden, die einen variablen Fokusabstand in einem ersten Bereich von einem Zentrum der Drehachse aufweist. Mindestens eine zweite Energiestrahlquelle kann an einer zweiten Position vorgesehen sein, die einen variablen Fokusabstand in einem zweiten Bereich von einem Zentrum der Drehachse aufweist.
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Die mindestens erste Energiestrahlquelle kann auf die mindestens zweite Energiestrahlquelle umgeschaltet werden, wenn der dreidimensionale Gegenstand sich einen vorbestimmten Abstand von dem Zentrum ausgedehnt hat. Durch Verwenden unterschiedlicher Energiestrahlquellen zum Aufbauen unterschiedlicher Teile des dreidimensionalen Gegenstands kann das Endergebnis des fertigen Gegenstands verbessert werden. Das liegt daran, dass unterschiedliche Energiestrahlquellen, die relativ zu der zentralen Achse des Unterstützungsaufbaus fixiert positioniert sind, einen optimalen Fokusabstandsbereich aufweisen können, die sich teilweise überlappen, d. h., dass eine erste Energiestrahlquelle einen ersten Fokusabstandsbereich aufweisen kann, der sich teilweise mit einem zweiten Energiestrahlquellenfokusabstandsbereich überlappt. Wenn diese zwei Energiestrahlquellen in einer Position relativ zu der zentralen Achse des Unterstützungsaufbaus fixiert sind, kann es sehr geeignet sein, das Sintern und/oder Schmelzen von einer Quelle zu einer anderen zu wechseln, wenn ein erster Fokusabstand außerhalb einer Reichweite aber innerhalb einer Reichweite der anderen ist.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands und dem Pulverbehälter und/oder der Energiestrahlquelle bei einem fixierten Abstand durch Bewegen der zentralen Achse des dreidimensionalen Gegenstands gehalten. Eine beispielhafte Ausführungsform, wie dieses aussehen kann, ist in 1e gezeigt. Für einen kleinen Durchmesser des dreidimensionalen Gegenstands, wie durch 116 in 1e dargestellt, ist die zentrale Achse des dreidimensionalen Gegenstands auf einer ersten Position. Wenn der dreidimensionale Gegenstand fertiggestellt ist, mit 176 in 1e bezeichnet, hat sich die zentrale Achse des dreidimensionalen Gegenstands zu einer zweiten Position bewegt. In 1e wurde der dreidimensionale Gegenstand einen Abstand D zwischen der ersten und zweiten Position bewegt, der gleich einem radialen Wachstum des dreidimensionalen Gegenstands zwischen der ersten und zweiten Position ist.
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Das Schmelzen einer vorbestimmten Menge von Pulver kann weniger als eine Umdrehung der Rotation, nach dem Sintern derselben vorbestimmten Menge von Pulver stattgefunden hat, stattfinden. Um den Prozess zu beschleunigen, kann das Schmelzen in einem beliebigen Winkelintervall innerhalb einer vollständigen Umdrehung von einem Sintern des gleichen Gebiets durchgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform findet das Schmelzen mit derselben Energiestrahlquelle wie der Sinterquelle statt und dieses kann unter Verwendung der Strahlungsquelle, die zum Sintern und Schmelzen alterniert, durchgeführt werden.
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Ein erster und ein zweiter Pulververdichter können an dem Pulverbehälter angeordnet sein, sodass Pulver zwischen dem ersten und zweiten Pulververdichter bereitgestellt wird. Die Anwendung des ersten und zweiten Pulververdichters verhindert, dass Pulver von dem dreidimensionalen Gegenstand fällt, bevor es auf die vorhergehende geschmolzene und/oder gesinterte Pulverschicht gesintert wird.
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Der Laserstrahl und/oder der Elektronenstrahl können in einer Richtung, die parallel oder senkrecht zu der Drehachse ist, gerastert werden. Dieses kann effektiv jede Position der aufgebrachten Pulverschicht mit dem Energiestrahl abdecken, der ein Stattfinden von Schmelzen und/oder Sintern an einer gewünschten Position innerhalb eines gegebenen Winkelabschnitts des dreidimensionalen Gegenstands ermöglicht.
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Die Leistung der Laserstrahlquelle und/oder Elektronenstrahlquelle kann ein- oder ausgeschaltet werden. Dies erlaubt eine kontrollierbare variable Leistungsübertragung von dem Elektronen- und/oder Laserstrahl auf den dreidimensionalen Gegenstand.
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Der Unterstützungsaufbau kann kontinuierlich oder schrittweise gedreht werden. Mit einem kontinuierlich gedrehten Unterstützungsaufbau kann das Bereitstellen von Pulver auch konstant sein, um eine gleichmäßige und gesteuerte Dicke der Pulverschicht auf dem Unterstützungsaufbau zu erstellen. Im Fall einer schrittweisen Bewegung des Unterstützungsaufbaus kann der Pulveraufbau unterbrochen werden, während der Unterstützungsaufbau sich nicht dreht.
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Der mindestens eine Pulverbehälter und der Unterstützungsaufbau können innerhalb einer Vakuumkammer vorgesehen sein. Dies erlaubt Herstellen von dreidimensionalen Gegenständen ohne Kontaminierungen von der Umgebungsluft. Es erlaubt weiterhin eine kontrollierbare Umgebung, wie ein nicht-reaktives Gas, das in die Kammer zugeführt werden kann, wie Stickstoff, Helium und/oder Argon. Im Falle einer Verwendung einer Elektronenstrahlquelle als Mittel für den Energiestrahl kann mindestens ein Teil der Elektronenstrahlquelle innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und viele Modifikationen sind innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche möglich. Solche Modifikationen können beispielsweise eine unterschiedliche Strahlkanone als den beispielhaften Elektronenstrahl wie einen Laserstrahl involvieren. Andere Materialien als metallisches Pulver wie beispielsweise Pulver aus Polymeren und Pulver aus Keramik können verwendet werden.
