DE102015222689A1

DE102015222689A1 - Formherstellungsvorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver

Info

Publication number: DE102015222689A1
Application number: DE102015222689.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fockele; Daniel Golz
Original assignee: Realizer GmbH
Current assignee: Realizer GmbH
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-18
Also published as: EP3377303B1; WO2017084781A1; RU2018121825A3; US20190001413A1; US10960467B2; EP3377303A1; JP2019502829A; JP6820346B2; KR20180085753A; RU2018121825A; CN108472875A; CN108472875B; RU2726134C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Formherstellungsvorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen, umfassend – einen Prozessraum (28) mit einem Pulvereinlass (32) für zu verarbeitendes Werkstoffpulver und einem Pulverauslass (36) für überschüssiges Werkstoffpulver, – eine an dem Pulvereinlass (32) angeschlossene oder anschließbare Pulverversorgungseinrichtung (80, 82) zur Bereitstellung von Werkstoffpulver in dem Prozessraum (28) und – eine an dem Pulverauslass (36) angeschlossene oder anschließbare Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) zur Rückgewinnung von zu verarbeitendem Werkstoffpulver aus dem überschüssigen Werkstoffpulver, wobei die Pulverversorgungseinrichtung (80, 82) und die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) zu einer als Wechselmodul (16) ausgestatteten Baugruppe zusammengefasst sind, welches Anschlussschnittstellen, nämlich wenigstens eine Eingangsschnittstelle (46) und wenigstens eine Ausgangsschnittstelle (48) aufweist, die anschlusskompatibel mit betreffenden Anschlussschnittstellen (40, 44) des Pulvereinlasses (32) und des Pulverauslasses (36) des Prozessraumes (28) sind, so dass einerseits überschüssiges Pulver aus dem Prozessraum (28) durch dessen Pulverauslass (36) hindurch der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) durch die wenigstens eine Eingangsschnittstelle (46) zugeführt werden kann und andererseits von der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) aufbereitetes Werkstoffpulver durch die wenigstens eine Ausgangsschnittstelle (48) dem Prozessraum (28) durch dessen Pulvereinlass (32) hindurch zugeführt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Formherstellungsvorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen, umfassend

• einen Prozessraum mit einem Pulvereinlass für zu verarbeitendes Werkstoffpulver und einem Pulverauslass für überschüssiges Werkstoffpulver;
• eine an dem Pulvereinlass angeschlossene oder daran anschließbare Pulverversorgungseinrichtung zur Bereitstellung von Werkstoffpulver in dem Prozessraum und
• eine an dem Pulverauslass angeschlossene oder daran anschließbare Pulverwiederaufbereitungseinrichtung zur Rückgewinnung von zu verarbeitendem Werkstoffpulver aus dem überschüssigen Werkstoffpulver.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Formherstellungsvorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens oder des selektiven Lasersinterns. Zum Stand der Technik betreffend das Gebiet des selektiven Laserschmelzens kann z. B. auf die DE 199 05 067 A1 , DE 101 12 591 A1 , WO 98/24574 A , DE 10 2009 038 165 A1 , DE 10 2012 221 641 A1 und EP 20 52 845 A2 verwiesen werden.
Es ist bekannt, dass mit dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens Formkörper, wie etwa Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke usw. entsprechend Geometriebeschreibungsdaten der entsprechenden Formkörper durch schichtweises Aufbauen aus metallischem oder keramischem Werkstoffpulver hergestellt werden können, wobei in einem Herstellungsprozess nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem normalerweise fokussiertem Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, erhitzt wird, so dass das Werkstoffpulver in den bestrahlten Bereichen zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird dabei jeweils entsprechend den Geometriebeschreibungsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs des Formkörpers oder ggf. daraus abgeleiteten Daten über die jeweilige Pulverschicht geführt. Das Werkstoffpulver wird beim selektiven Laserschmelzen normalerweise als bindemittel- und flussmittelfreies, metallisches, keramisches oder gemischt metallisch/keramisches Werkstoffpulver aufgebracht und durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so gewählt wird, dass das Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichtdicke möglichst vollständig aufgeschmolzen wird. Über der Zone der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstoffpulver wird üblicherweise eine Schutzgas-Atmosphäre z. B. Argon-Atmosphäre aufrecht erhalten.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist z. B. aus der EP 2 052 845 A2 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung handelt es sich um eine Formherstellungsvorrichtung, die nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens funktioniert. Sie umfasst eine Pulverwiederaufbereitungseinrichtung oder Pulverrückgewinnungseinrichtung zur Rückgewinnung von nicht verbrauchtem, überschüssigem Werkstoffpulver aus dem Prozessraum. Die Puverrückgewinnungseinrichtung umfasst eine Pulverausbringeinrichtung zum Ausbringen von Pulver aus dem Prozessraum und eine Pulversammeleinrichtung zum Sammeln des aus dem Prozessraum ausgebrachten Pulvers, wobei die Pulverrückgewinnungseinrichtung so gestaltet und an dem Prozessraum angeschlossen ist, dass die Puverrückgewinnung in einem nach außen abgeschlossenen Bereich in Schutzgas-Atmosphäre durchführbar ist. Die Pulverausbringeinrichtung der bekannten Formherstellungsvorrichtung umfasst eine Pulverabsaugeinrichtung mit einem in den Prozessraum hineinragenden Saugrüssel, dessen Saugöffnung zu verschiedenen Stellen innerhalb des Prozessraums führbar ist. Die Puverrückgewinnungseinrichtung weist eine Siebvorrichtung auf, mittels welcher grobe Bestandteile aus dem nicht verbrauchten, überschüssigen Werkstoffpulver aus früheren Formherstellungsprozessen der Formherstellungsvorrichtung abgefangen werden können, wobei das durchgesiebte feinere Pulver in einen flaschenförmigen Auffangbehälter gelangt, der von der Siebvorrichtung trennbar und an eine Pulvereinlassschnittstelle des Prozessraums anschließbar ist. Bei der bekannten Formherstellungsvorrichtung befindet sich die Pulvereinlassschnittstelle an der Oberseite des Prozessraumgehäuses. Von dort kann Werkstoffpulver in eine Vorratskassette einer Pulverschichtenpräparierungseinrichtung in dem Prozessraum eingebracht werden.
Das aus der EP 20 52 845 A2 bekannte Prinzip, den Nachschub von zu verarbeitendem Werkstoffpulver über eine obere Prozessraumschnittstelle in Pulverreservoirgefäße der Schichtenpräparationseinrichtung einzubringen, wurde bei einer aus der DE 10 2012 221 641 A1 bekannten Formherstellungsvorrichtung verlassen. Letztere ist mit einer Pulverfördereinrichtung ausgestattet, bei der ein Pulvereinlass mit seiner Einlassmündung in dem Boden des Prozessraums vorgesehen ist. Eine Pulverzuführeinrichtung dieser bekannten Pulverfördereinrichtung weist einen den Pulvereinlass mit einem Werkstoffpulvervorrat verbindenden Förderkanal mit einer darin längs angeordneten Pulverförderschnecke zur Förderung von Werkstoffpulver zum Pulvereinlass des Prozessraums auf. Ein ähnliches Konzept wird auch bei der Formherstellungsvorrichtung gemäß der DE 10 2009 038 165 A1 verfolgt.
Die vorstehend angesprochenen Formherstellungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik haben sich allgemein als zuverlässig in ihrer Funktion bei der Herstellung diverser Formkörper erwiesen.
Auch ist z. B. in der EP 20 52 845 A2 schon die Möglichkeit der Herstellung eines Formkörpers aus mehreren Werkstoffpulvern erwähnt. Es besteht durchaus Nachfrage nach solchen Formkörpern, die Zonen aus unterschiedlichen Werkstoffmaterialien aufweisen, seien es unterschiedliche Metalle oder einander abwechselnde Zonen aus Metall und Keramik usw.. Bei solchen Formkörpern kann es sich z. B. um Schmuckstücke, Zahnersatzelemente, Feinstfiltersysteme usw. handeln. Dabei ist es normalerweise gefordert, dass sich die Materialien der verschiedenen Zonen nicht mischen. Dies bedeutet, dass nach Herstellung einer ersten Zone das komplette pulverleitende System der Formherstellungsvorrichtung vom bisherigen Werkstoffpulver befreit werden muss, bis das sich davon unterscheidende Werkstoffpulver für die nächste Zone des Formkörpers in dem Formherstellungsprozess verwendet werden kann. Eine solche Vorgehensweise ist bei Formherstellungsvorrichtungen mit integrierten Pulverwiederaufbereitungseinrichtungen schwierig, da insbesondere die Reinigung der diversen Komponenten der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung vom vorausgehend für den Bauprozess verwendeten Pulver allgemein schwierig und aufwändig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formherstellungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche mit relativ geringem Aufwand einen Pulverwechsel bei einem Bauprozess ermöglicht, so dass hohe Anforderungen an die Materialreinheit des jeweils verwendeten Pulvers erfüllt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Formherstellungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Pulverversorgungseinrichtung und die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung zu einer als Wechselmodul ausgestatteten Baugruppe zusammengefasst sind, welches Anschlussschnittstellen, nämlich wenigstens eine Eingangsschnittstelle und wenigstens eine Ausgangsschnittstelle aufweist, die anschlusskompatibel mit betreffenden Anschlussschnittstellen des Pulvereinlasses und des Pulverauslasses des Prozessraums sind, so dass einerseits überschüssiges Pulver aus dem Prozessraum durch dessen Pulverauslass hindurch der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung durch die wenigstens eine Eingangsschnittstelle zugeführt werden kann und andererseits von der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung aufbereitetes Werkstoffpulver durch die wenigstens eine Ausgangsschnittstelle dem Prozessraum durch dessen Pulvereinlass hindurch zugeführt werden kann.
Das Wechselmodul kann von der Formherstellungsvorrichtung getrennt – und durch ein gleichartiges Wechselmodul ersetzt werden, welches z. B. für das Handling mit einem Werkstoffpulver vorbereitet ist, das sich vom Werkstoffpulver des abgelösten Wechselmoduls beispielsweise in Material oder/und der Korngrößenverteilung unterscheidet. Dabei ist vor dem Wechsel der Wechselmodule dafür zu sorgen, dass sämtliches in dem Prozessraum befindliches Werkstoffpulver aus dem Prozessraum ausgebracht wird, insbesondere vollständig in das Wechselmodul eingebracht wird, so dass nach Anschluss des folgenden Wechselmoduls kein Rest des Werkstoffpulvers aus den vorausgegangenen Formherstellungsschritten mehr zu Verunreinigungen führen kann. Das Befreien des Prozessraums von Werkstoffpulver ist normalerweise relativ einfach möglich, da der Prozessraum üblicherweise eine übersichtliche Geometrie aufweist, so dass jede Stelle des Prozessraums mit einer Pulverabsaugeinrichtung, z. B. einem Pulversaugschlauch, erreichbar ist.
Nach dem Konzept der vorliegenden Erfindung bereitet die im Allgemeinen kompliziertere und verschachtelte Geometrie der Pulverversorgungseinrichtung und der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung diesbezüglich keine Probleme, da diese Komponenten in dem Wechselmodul zusammengefasst sind und das jeweilige Wechselmodul stets mit dem gleichen Werkstoffpulver betrieben werden kann, so dass keine aufwändigen Reinigungsvorgänge bei den Wechselmodulen erforderlich sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das jeweilige Wechselmodul aus einer Trennstellung heraus, in der es von der Formherstellungsvorrichtung separiert ist, in einer definierte Anschlussstellung überführbar, in der es so in die Formherstellungsvorrichtung integriert ist, dass die einander zugeordneten Anschlussschnittstellen aneinander angeschlossen oder anschließbar sind. Dabei kann die Anordnung gemäß einer besonders bevorzugten Variante so getroffen sein, dass alle einander zugeordneten Anschlussschnittstellen beim Übergang des Wechselmoduls von der Trennstellung in die Anschlussstellung automatisch korrekt aneinander angeschlossen werden. Dabei kommen die Anschlussschnittstellen so miteinander in Verbindung, dass sie einen nach außen gut abgedichteten Übergang zwischen dem Wechselmodul und dem Prozessraum für die erforderliche Pulverbewegung bieten. Das Konzept des beim Übergang des Wechselmoduls in die Anschlussstellung automatisch korrekten Anschließens kann im Rahmen der Erfindung auch auf die Verbindung sonstiger Versorgungsleitungen übertragen sein, etwa auf einen korrekten Anschluss von Stromübertragungsschnittstellen, Datenübertragungsschnittstellen, Schutzgasleitungsschnittstellen, Wasserleitungsschnittstellen usw..
Die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung in dem Wechselmodul umfasst vorzugsweise eine Siebvorrichtung, z. B. Ultraschall-Siebvorrichtung, insbesondere zum Abfangen von Grobbestandteilen aus überschüssigem Werkstoffpulver aus dem Prozessraum. Solche Grobbestandteile können bei einem Bauprozess entstehen, etwa wenn Schmelzspritzer in das Pulverbett gelangen und dort zu einem Zusammenbacken mehrerer Pulverkörner jeweils führen, die dann die erwähnten Grobbestandteile bilden. Findet dies in Bereichen des Pulverbettes statt, die nicht zu Bereichen des Formkörpers werden und mithin überflüssiges Werkstoffpulver enthalten, so gelangen die betreffenden Grobbestandteile schließlich in die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung bzw. die Siebvorrichtung, um dort abgeschieden zu werden.
Die Siebvorrichtung ist in der Anschlussstellung des Wechselmoduls ausgangsseitig an der Ausgangsschnittstelle angeschlossen, so dass gesiebtes Werkstoffpulver durch die Ausgangsschnittstelle hindurch dem Pulvereinlass des Prozessraums als zu verarbeitendes Werkstoffpulver zuführbar ist. Zweckmäßigerweise ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zwischen der Siebvorrichtung und der Ausgangsschnittstelle ein Pufferbehälter für gesiebtes Werkstoffpulver vorgesehen, so dass stets ein ausreichender Vorrat für die jeweilige Pulverschichtenpräparation im Prozessraum vorhanden ist. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass der Siebvorrichtung Fördermittel zum Fördern von gesiebtem Pulver zum Pulvereinlass des Prozessraums nachgeschaltet sind, wobei solche Fördermittel Teil des Wechselmoduls oder/und Teil der Formherstellungsvorrichtung im Übrigen sein können. Insbesondere wenn es sich bei diesen Fördermitteln um eine Förderschneckeneinrichtung handelt, kann es vorgesehen sein, dass diese die Ausgangsschnittstelle des Wechselmoduls und die in der Anschlussstellung des Wechselmoduls mit der Ausgangsschnittstelle verbundene, dem Prozessraum zugeordnete Anschlussschnittstelle durchssetzt.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Wechselmodul einen der Eingangsschnittstelle nachgeschalteten Pulverauffangbehälter zur Aufnahme von überschüssigem Werkstoffpulver aus dem Prozessraum und ggf. eines zusätzlich eingebrachten Neupulvervorrates desselben Materials. Hierbei kann es sich um einen Haupttank mit vergleichsweise großem Aufnahmevolumen handeln, in dem stets genug Pulver für einen betreffenden Bauprozess aufgenommen sein sollte.
Der Pulverauffangbehälter kann gemäß einer Variante der zuletzt genannten Ausführungsform der Erfindung in der definierten Anschlussstellung des Wechselmoduls niedriger angeordnet sein, als der Pulverauslass des Prozessraums, so dass überschüssiges Pulver vom Pulverauslass des Prozessraums aus unter Schwerkraftunterstützung in den Pulverauffangbehälter gelangen kann. Vorzugsweise befindet sich der Pulverauslass des Prozessraums in dem Boden des Prozessraumgehäuses, so dass der Pulverauffangbehälter im Wesentlichen vollständig unterhalb des Prozessraums angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Ausführungsform der Erfindung mit Pulverauffangbehälter wird vorgeschlagen, dass der Pulverauffangbehälter einen Pulverauslass aufweist und dass zwischen dem Pulverauslass des Pulverauffangbehälters und einem Pulvereinlass der Siebvorrichtung eine Fördereinrichtung zur Förderung von Werkstoffpulver vom Pulverauffangbehälter zur Siebvorrichtung vorgesehen ist. Damit wird erreicht, dass im laufenden Betrieb der Formherstellungsvorrichtung immer wieder gesiebtes Werkstoffpulver in den Auffangbehälter gelangt, so dass sich Grobbestandteile des Werkstoffpulvers nicht in größerer Menge in dem Auffangbehälter ansammeln können.
Bei der Fördereinrichtung zur Förderung von Werkstoffpulver vom Pulverauffangbehälter zur Siebvorrichtung kann es sich z. B. um eine Gasstrom-Fördereinrichtung, insbesondere eine Schutzgasstrom-Fördereinrichtung mit einem Gasstrom-Kreislauf handeln, welche dazu eingerichtet ist, Pulverpartikel mittels eines Gasstromes zu fördern. Eine solche Gasstrom-Fördereinrichtung kann gemäß einer Variante der Erfindung ausgangsseitig einen Abscheider, vorzugsweise Zyklonabscheider, aufweisen, der dazu eingerichtet ist, Pulverpartikel aus dem Gasstrom abzuscheiden und der Siebvorrichtung zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich könnte die Fördereinrichtung auch eine Schneckenfördereinrichtung oder dgl. umfassen.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauslass des Prozessraums oder/und der Pulvereinlass des Prozessraums im Prozessraumboden münden. Auch dies ist eine Maßnahme, die ein Werkstoffpulverhandling ermöglicht, bei dem der Prozessraum nicht unnötig mit Werkstoffpulver an schwierig erreichbaren Stellen kontaminiert wird, so dass eine Reinigung des Prozessraums von Pulver mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Wechselmodul Laufrollen aufweist und somit auf den Laufrollen verfahrbar ist, um in die definierte Anschlussstellung bzw. in die Trennstellung überführt zu werden. Damit ist das Bewegen des Wechselmoduls sehr einfach möglich.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass eine Schutzgas-Fördereinrichtung vorgesehen ist und dass sämtliche von Pulver durchflossenen Komponenten des Wechselmoduls mittels der Schutzgas-Fördereinrichtung mit Schutzgas, z. B. Argon, spülbar sind, so dass die Komponenten unter Schutzgas-Atmosphäre betreibbar sind. Auch kann eine Schutzgas-Anlage vorgesehen, sein, die sowohl zum Spülen des Prozessraums als auch zum Spülen des daran jeweils angeschlossenen Wechselmoduls und etwaige weiterer Komponenten eingerichtet ist.
Es können automatische Dichtvorrichtungen vorgesehen sein, welche an den Anschlussschnittstellen wirksam werden, um die betreffenden Anschlüsse dort nach außen hin abzudichten, so dass das Wechselmodul und der Prozessraum beim Abkoppeln des Wechselmoduls nach außen hin abgeschlossen sind und ein unbeabsichtigtes Eindringen von Außenluft weitgehend unterbunden wird.
Die Formherstellungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise mit mehreren gleichartigen Wechselmodulen für unterschiedliche Werkstoffpulver ausgestattet, wobei diese Wechselmodule untereinander austauschbar in die Formherstellungsvorrichtung integrierbar sind.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt eine Formherstellungsvorrichtung nach der Erfindung mit einem in Anschlussstellung befindlichem Wechselmodul.
2 zeigt die Vorrichtung aus 1 mit einem in einer Trennstellung von der Formherstellungsvorrichtung separierten Wechselmodul.
3a–3c zeigen das Wechselmodul aus 1 und 2 in einer Vorderansicht, Seitenansicht und Rückansicht.
4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die Hauptkomponenten des Wechselmoduls in einer der definierten Anschlussstellung angenäherten Position an einem Prozessraum.
Gemäß 1 und 2 umfasst die Formherstellungsvorrichtung nach der Erfindung ein Gehäuse für diverse Komponenten, unter anderem für einen Prozessraum, der eine vordere Prozessraumtür 2 aufweist, in der zwei Beobachtungsfenster 4 und zwei Durchgriffe 6 vorgesehen sind, wobei diese Durchgriffe 6 von in den Figuren nicht erkennbaren Eingriffshandschuhen nach außen abgedichtet sind (Glove-Box-Prinzip). Die Prozessraumtür 2 kann nach Abschluss eines Bauprozesses geöffnet werden, um den hergestellten Formkörper mitsamt einer Substratplatte, auf welcher der Formkörper aufgebaut worden ist, aus dem Prozessraum herausnehmen zu können.
Ein Flachbildschirm 8 dient zur visuellen Anzeige diverser Informationen und ggf. auch zur Übertragung eines mittels einer Videokamera aufgenommenen Bildes des Inneren des Prozessraums. Das Gehäuse der Formherstellungsvorrichtung steht auf Laufrollen 10 auf, so dass die Formherstellungsvorrichtung somit leicht manövriert werden kann. Hinter den Gehäusetüren 12, 14 befinden sich diverse Komponenten der Formherstellungsvorrichtung, wie etwa Prozessrechner, Schutzgasflaschen, Stromversorgungskomponenten für die Laservorrichtung zum selektiven Laserschmelzen usw.. Das Gehäuse enthält ferner eine Bestrahlungseinrichtung zum selektiven Umschmelzen des Werkstoffpulvers. Die grundsätzliche Vorgehensweise beim Aufbauen eines Formkörpers nach der Methode des selektiven Laserschmelzens kann den eingangs genannten Dokumenten zum Stand der Technik entnommen werden, deren Inhalt insoweit durch Bezugnahme hierin aufgenommen sein soll.
Bei dem schichtweisen Aufbauen eines Formkörpers aus Werkstoffpulver fällt üblicherweise in jeder Pulverschicht Pulvermaterial an, welches nicht in dem Bereich liegt, der Teil des Formkörpers wird und daher als überschüssiges Pulvermaterial übrig bleibt. Ferner fällt auch bei der Präparation jeder einzelnen Pulverschicht auf vorausgehend darunter präparierten Pulverschichten bzw. auf der Basis-Bauplatte überschüssiges Werkstoffpulver, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Wiederaufbereitung in dem Wechselmodul zugeführt wird.
Das Wechselmodul 16 ist in 1 in seiner Anschlussstellung im Gehäuse der Formherstellungsvorrichtung dargestellt, wobei die dem Aufnahmeraum für das Wechselmodul 16 zugeordnete Abschlusstür 18 im geöffneten Zustand gezeigt ist.
Auch das Wechselmodul 16 steht auf Laufrollen 20, so dass es auf einfache Weise aus der in 1 gezeigten definierten Anschlussstellung herausgezogen und in eine Trennstellung überführt werden kann, wie dies z. B. in 2 dargestellt ist. Eine Griffstange 22 in einer Ausnehmung 24 im Gehäuse des Wechselmoduls 16 erlaubt das Einschieben des Wechselmoduls 16 in die Anschlussstellung und das Herausziehen des Wechselmoduls 16 aus der Anschlussstellung auf einfache Weise.
In 2, 3b und 3c ist bei 26 eine Anschlussschnittstellengruppe schematisch angedeutet. Diese Anschlussschnittstellengruppe 26 kommt beim Einschieben des Wechselmoduls 16 in die definierte Anschlussstellung automatisch in eine Anschlusskonfiguration, so dass die einander zugeordneten Anschlussschnittstellen des Wechselmoduls 16 und der Formherstellungsvorrichtung im Übrigen automatisch korrekt aneinander angeschlossen werden.
In 4 sind die im Wesentlichen internen Komponenten des Wechselmoduls 16 in einer der definierten Anschlussstellung des Wechselmoduls 16 angenäherten Position relativ zur Formherstellungsvorrichtung im Übrigen dargestellt, wobei die Formherstellungsvorrichtung im Übrigen durch den schematisch angedeuteten Prozessraum in 4 repräsentiert sind, da zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung die weiteren Komponenten der Formherstellungsvorrichtung keine Rolle spielen.
In dem Prozessraum 28 befindet sich eine in an sich bekannter Weise schrittweise absenkbare Bauplattform 30, auf welcher ein Formkörper nach und nach aus Werkstoffpulverschichten durch ortsselektives Bestrahlen der jeweiligen Schicht aufgebaut wird. Jede Pulverschicht wird in den Bereichen umgeschmolzen, die den der jeweiligen Schicht zugeordneten Querschnittsbereichen des Formkörpers entsprechen. Zur Präparation einer nachfolgend zu bestrahlenden Werkstoffpulverschicht wird dem Prozessraum 28 Werkstoffpulver über einen Pulvereinlass 32 im Prozessraumboden zugeführt. Ein Glättungsschieber, der in 4 bei 34 angedeutet ist, kann gemäß 4 von links nach rechts und rechts nach links hin- und herbewegt werden, um Werkstoffpulver, welches am Pulvereinlass 32 in den Prozessraum 28 eingebracht wird, mitzunehmen und über der Bauplattform 30 bzw. einer aus einem vorausgegangen Pulverpräparationsschritt hinterlassenen und bereits bestrahlten Pulverschicht glatt zu ziehen, so dass eine neue Pulverschicht für den nächsten Bestrahlungs- und Umschmelzprozess auf diese Weise präpariert wird. Der Glättungsschieber 34 kann zumindest bei seiner Bewegung nach rechts in 4 kurz vor Erreichen des Pulvereinlasses 32 angehoben und nach Überstreichen des Pulvereinlasses 32 wieder abgesenkt werden, so dass er eine jeweilige über den Prozessraumboden 29 nach oben hin hervorstehende Menge an Werkstoffpulver bei seiner Bewegung nach links in 4 mitnehmen kann, um damit die nächste Pulverschicht präparieren zu können. Dabei anfallendes überschüssiges Werkstoffpulver kann der Glättungsschieber 34 in entsprechender Weise wieder bei seiner Bewegung nach rechts mitnehmen und vor sich herschieben, so dass dieses überschüssige Pulver in den vorzugsweise schlitzförmigen Pulverauslass 36 gelangen kann, der ebenfalls in dem Prozessraumboden 29 vorgesehen ist.
Der Pulverauslass 36 ist über ein Verbindungsleitungsstück 38 mit einer Anschlussschnittstelle 40 verbunden. Der Pulvereinlass 32 ist über einen Verbindungsleitungsabschnitt 42 mit einer Anschlussschnittstelle 44 verbunden. Wie in 4 erkennbar, ist die dem Pulverauslass 36 zugeordnete Anschlussschnittstelle 40 mit einer Eingangsschnittstelle 46 des Wechselmoduls 16 verbindbar, wohingegen die dem Pulvereinlass 32 zugeordnete Anschlussschnittstelle 44 mit einer Ausgangsschnittstelle 48 gleichzeitig verbindbar ist, wenn das Wechselmodul 16 in die definierte Anschlussstellung überführt wird. In 4 ist ein Zustand kurz vor Erreichen der Anschlussstellung gezeigt.
An der Eingangsschnittstelle 46 ist ein Auffangbehälter 50 in dem Wechselmodul 16 angeschlossen, der einen Haupttank mit relativ großem Aufnahmevolumen für Werkstoffpulver darstellt. Der der Eingangsschnittstelle 46 nachgeschaltete Eingang 52 des Auffangbehälters 50 befindet sich an dessen höchster Stelle, wohingegen sich ein Ausgang 54 an der tiefsten Stelle des Auffangbehälters 50 befindet, und zwar in einem sich konisch nach unten hin verjüngenden Bereich des Auffangbehälters 50. Der Ausgang 54 des Auffangbehälters 50 mündet in eine Schneckenfördereinrichtung 56, welche Pulver, das den Auffangbehälter 50 an dessen Auslass 54 verlässt, in Richtung nach rechts in 4 zu einer Pulverzuführung 60 einer Gasstrom-Fördereinrichtung 62 transportiert.
Die Gasstrom-Fördereinrichtung 62 umfasst einen Gaskreislauf mit einer den Gasstrom fördernden Pumpe 64, einem der Pumpe 64 nachgeschalteten Puffer 66 und einem Zyklonabscheider 68. Die genannten Komponenten der Gasstrom-Fördereinrichtung sind durch Gasstrom-Leitungselemente 70 zu einem Kreislauf miteinander verbunden.
Im Förderbetrieb der Gasstrom-Fördereinrichtung 62 nimmt der durch Pfeile angedeutete Gasstrom das an der Pulverzuführung 60 anstehende Werkstoffpulver jeweils mit und führt dieses zum Zyklonabscheider 68, um es aus dem Gasstrom auszuscheiden. Die Pumpe 64 sorgt für die Aufrechterhaltung des Gasstromes.
Das von dem Zyklonabscheider 68 abgeschiedene Werkstoffpulver gelangt über einen Zwischentank 72 zu einer Pulverwiederaufbereitungsvorrichtung 74 in Gestalt einer Ultraschall-Siebvorrichtung 76, bei der Grobbestandteile des zugeführten Werkstoffpulvers abgefangen und in einen Behälter 78 abgeleitet werden. Das in dem Behälter 78 angesammelte Pulver wird in seiner grobkörnigen Form nicht weiter zur Formherstellung in der Formherstellungsvorrichtung verwendet.
Das feinkörnigere Pulver, welches die Siebvorrichtung 76 passiert, gelangt in einen Zwischentank 80, aus dem heraus es einer Schneckenfördereinrichtung 82 zugeführt wird, welche das durch den Siebvorgang wiederaufbereitete Werkstoffpulver dem Pulvereinlass 32 des Prozessraums zuführt.
Nicht dargestellt in den Figuren sind automatische Abdichtmittel, welche die Schnittstellen 40, 44, 46, 48 vorzugsweise selbsttätig nach außen hin abdichten, sobald das Wechselmodul 16 aus der definierten Anschlussstellung herausbewegt wird. In der Gasfördereinrichtung 62 wird vorzugsweise Schutzgas, insbesondere Argon, mittels der Pumpe 64 in Umlauf gepumpt.
Nicht dargestellt ist ferner eine Pulverabsaugeinrichtung, mittels welcher Pulver aus dem Prozessraum abgesaugt werden kann, so dass es ebenfalls in den Behälter 50 gelangt. Derartige Puvlerabsaugeinrichtungen sind an sich bekannt, so z. B. aus der EP 2 052 845 A2 .
An dem Prozessraum kann ggf. eine Schleuse vorgesehen sein, die die Entnahme oder das Einbringen von Gegenständen aus dem Prozessraum bzw. in den Prozessraum ermöglicht, ohne die Schutzgasatmosphäre in dem Prozessraum zu zerstören.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19905067 A1 [0002]
DE 10112591 A1 [0002]
WO 98/24574 A [0002]
DE 102009038165 A1 [0002, 0005]
DE 102012221641 A1 [0002, 0005]
EP 2052845 A2 [0002, 0004, 0005, 0007, 0044]

Claims

Formherstellungsvorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen, umfassend – einen Prozessraum (28) mit einem Pulvereinlass (32) für zu verarbeitendes Werkstoffpulver und einem Pulverauslass (36) für überschüssiges Werkstoffpulver, – eine an dem Pulvereinlass (32) angeschlossene oder anschließbare Pulverversorgungseinrichtung (80, 82) zur Bereitstellung von Werkstoffpulver in dem Prozessraum (28) und – eine an dem Pulverauslass (36) angeschlossene oder anschließbare Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) zur Rückgewinnung von zu verarbeitendem Werkstoffpulver aus dem überschüssigen Werkstoffpulver, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverversorgungseinrichtung (80, 82) und die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) zu einer als Wechselmodul (16) ausgestatteten Baugruppe zusammengefasst sind, welches Anschlussschnittstellen, nämlich wenigstens eine Eingangsschnittstelle (46) und wenigstens eine Ausgangsschnittstelle (48) aufweist, die anschlusskompatibel mit betreffenden Anschlussschnittstellen (40, 44) des Pulvereinlasses (32) und des Pulverauslasses (36) des Prozessraumes (28) sind, so dass einerseits überschüssiges Pulver aus dem Prozessraum (28) durch dessen Pulverauslass (36) hindurch der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) durch die wenigstens eine Eingangsschnittstelle (46) zugeführt werden kann und andererseits von der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) aufbereitetes Werkstoffpulver durch die wenigstens eine Ausgangsschnittstelle (48) dem Prozessraum (28) durch dessen Pulvereinlass (32) hindurch zugeführt werden kann.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselmodul (16) aus einer Trennstellung heraus in eine definierte Anschlussstellung überführbar ist, wobei es in der Anschlussstellung so in die Formherstellungsvorrichtung integriert ist, dass die einander zugeordneten Anschlussschnittstellen (40, 44, 46, 48) aneinander angeschlossen- oder anschließbar sind.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so getroffen ist, dass alle einander zugeordneten Anschlussschnittstellen (40, 44, 46, 48) beim Übergang des Wechselmoduls (16) von der Trennstellung in die Anschlussstellung automatisch korrekt aneinander angeschlossen werden.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) in dem Wechselmodul (16) eine Siebvorrichtung (76), vorzugsweise eine mittels Ultraschall zu Rüttelschwingungen anregbare Ultraschall-Siebvorrichtung, zum Abfangen von Grobbestandteilen aus überschüssigem Werkstoffpulver aus dem Prozessraum (28) aufweist.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Siebvorrichtung (76) ausgangsseitig an der Ausgangsschnittstelle (48) angeschlossen ist, so dass gesiebtes Werkstoffpulver durch die Ausgangsschnittstelle (48) hindurch dem Pulvereinlass (32) des Prozessraumes (28) als zu verarbeitendes Werkstoffpulver zuführbar ist.
Formenherstellungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Siebvorrichtung (76) und der Ausgangsschnittstelle (48) ein Pufferbehälter (80) für gesiebtes Werkstoffpulver vorgesehen ist.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Siebvorrichtung (76) Fördermittel (82) zum Fördern von gesiebtem Pulver zum Pulvereinlass (32) des Prozessraums (28) nachgeschaltet sind.
Formenherstellungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermittel (82) die Ausgangsschnittstelle (48) des Wechselmoduls (16) und die in der Anschlussstellung des Wechselmoduls (16) mit der Ausgangsschnittstelle (48) verbundene, dem Prozessraum (28) zugeordnete Anschlussschnittstelle (44) durchsetzen.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselmodul (16) einen der Eingangsschnittstelle (46) nachgeschalteten Pulverauffangbehälter (50) zur Aufnahme von überschüssigem Werkstoffpulver (51) aus dem Prozessraum (28) aufweist.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauffangbehälter (50) in der definierten Anschlussstellung des Wechselmoduls (16) niedriger angeordnet ist als der Pulverauslass (36) des Prozessraumes (28), so dass überschüssiges Pulver vom Pulverauslass (36) des Prozessraumes (28) aus unter Schwerkraftunterstützung in den Pulverauffangbehälter (50) gelangen kann.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4–8 und einem der Ansprüche 9–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauffangbehälter (50) einen Pulverauslass (54) aufweist und dass zwischen dem Pulverauslass (54) des Pulverauffangbehälters (50) und einem Pulvereinlass (53) der der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) eine Fördereinrichtung (62) zur Förderung von Werkstoffpulver (51) vom Pulverauffangbehälter (50) zur Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) vorgesehen ist.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (62) zur Förderung von Werkstoffpulver vom Pulverauffangbehälter (50) zur Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) eine Gasstrom-Fördereinrichtung, vorzugsweise Schutzgasstrom-Fördereinrichtung, und besonders bevorzugt eine Gasstrom-Fördereinrichtung mit einem Gasstromkreislauf, umfasst, welche dazu eingerichtet ist, Pulverpartikel mittels eines Gasstromes zu fördern.
Formherstellungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrom-Fördereinrichtung (62) ausgangsseitig einen Abscheider (68), vorzugsweise Zyklonabscheider, aufweist, der dazu eingerichtet ist, Pulverpartikel aus dem Gasstrom abzuschneiden und der Pulverwiederaufbereitungseinrichtung (74) zuzuführen.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauslass (36) des Prozessraumes (28) oder/und der Pulvereinlass (32) des Prozessraums (28) im Prozessraumboden (29) münden.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselmodul (16) Rollen (20) aufweist und auf den Rollen (20) verfahrbar ist, um in die definierte Anschlussstellung bzw. in die Trennstellung überführt zu werden.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schutzgasfördereinrichtung umfasst und das dass sämtliche von Pulver durchflossenen Komponenten des Wechselmoduls (16) mittels der Schutzgasfördereinrichtung mit Schutzgas, z. B. Argon, spülbar sind, so dass die Komponenten unter Schutzgasatmosphäre betreibbar sind.
Formherstellungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige Wechselmodule (16) vorzugsweise für unterschiedliche Werkstoffpulvermaterialien vorhanden sind, wobei die Wechselmodule (16) untereinander austauschbar mit der Formherstellungsvorrichtung in definierte Anschlussstellung kombinierbar sind.