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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch Verfestigen eines Baumaterials mittels Energieeintrag.
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Bekannte Maschinen zum additiven Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Verfestigen eines verfestigbaren Materials weisen einen Bauraum auf, in dem das herzustellende Objekt auf einer Plattform hergestellt wird. Das zu verfestigende Material wird als Schicht auf der Plattform aufgetragen und mittels Energieeintragung an dem Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen verfestigt. Daraufhin wird die Plattform um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht aufgetragen und verfestigt und dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Objekt vollständig hergestellt ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der
EP 1 037 739 B2 bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Wechselbehälter, in dem das Objekt hergestellt wird und der unmittelbar nach Fertigstellung des Objektes mit diesem aus der Maschine heraus entnommen werden kann. Ein Vertikalantrieb zum Absenken der Plattform befindet sich hierbei, ebenso wie der Wechselbehälter, im Bauraum, wodurch er erhöhten Temperaturen, die durch den Energieeintrag zum Verfestigen des Materials im Bauraum verursacht werden, ausgesetzt ist. Dies kann sich in mehrerer Hinsicht nachteilig auswirken:
Bauteile des Vertikalantriebs, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, altern schneller. Temperaturunterschiede im Bauraum können zu einem Verzug des Vertikalantriebs führen. Des Weiteren können vermehrt Verschmutzungen durch Kondensate auftreten. Die während des Bauvorganges zunehmende Erwärmung kann außerdem mechanische Schwankungen verursachen.
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Aus der
EP 1 896 246 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Wechselbehälter als ein Innenbehälter ausgestaltet ist. Heizelemente in der Wandung des diesen umgebenden Außenbehälters erlauben ein gezieltes und somit effektives Beheizen des sich in dem Wechselbehälter befindlichen verfestigbaren Materials, ohne dass der gesamte Bauraum beheizt werden muss. Nachteilig ist auch hier, dass bei den auftretenden hohen Temperaturen eine Erwärmung der Bauteile des Vertikalantriebs, zum Beispiel durch Konvektion oder Wärmestrahlung, nicht verhindert werden kann.
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Ferner ist aus der
WO 2010/043280 A2 eine Vorrichtung bekannt, in der ein Wechselrahmen mit verschiedenen Heizzonen offenbart ist und der durch Glaskeramikplatten isoliert ist. Dem Baufortschritt folgend können einzelne Heizzonen zugeschaltet werden, so dass eine übermäßige thermische Belastung des Vertikalantriebes vermieden werden kann. Nachteilig hierbei wirken sich jedoch die hohen Kosten für einen derartigen Wechselbehälter aus. Des Weiteren ist der Wechselbehälter an seiner Oberseite offen um den Energieeintrag zu gewährleisten, wodurch eine Erwärmung der Bauteile des Vertikalantriebs, ebenfalls nicht ausgeschlossen werden kann.
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Bei einem beheizbaren Wechselbehälter, wie er beispielsweise aus der
EP 1 896 246 31 , sowie aus der
WO 2010/043280 A2 bekannt ist, treten die für die Erfindung der
EP 1 037 739 32 genannten sich nachteilig auswirkenden Erscheinungen in noch stärkerem Ausmaß auf, da durch die Beheizung des Wechselbehälters höhere Temperaturen im Bauraum auftreten können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, bei der die Wärmebelastung des Vertikalantriebs verringert werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1.
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Da eine starke Erwärmung des Vertikalantriebs bei einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden wird, sind die Materialanforderungen an den Vertikalantrieb nicht so hoch wie in einer vergleichbaren Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
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Erfindungsgemäß ist der Raum, in dem sich der Vertikalantrieb befindet, vom Bauraum abgegrenzt. Mit der erfindungsgemäßen thermischen Entkoppelung wird ein lokales Abkühlen des Wechselbehälters vermieden, das dort auftreten würde wo der Vertikalantrieb an der Trägervorrichtung angebracht ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Vertikalantrieb als Ganzes aus der Laser-Sintermaschine heraus entnommen werden kann, wodurch der Aufbau der Maschine modularer und somit das Ersetzen und Reinigen erleichtert werden.
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Von den Figuren zeigen:
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1 einen schematischen seitlichen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel einer Laser-Sintermaschine mit Wechselbehälter
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2 eine schematische Draufsicht auf den Bauraum und die Kammer, in der der Vertikalantrieb angeordnet ist, in einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
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3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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4 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Ausführungsbeispiel als Lasersintervorrichtung bzw. Laserschmelzvorrichtung mit Wechselbehälter ausgebildet ist.
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Die dargestellte Lasersintervorrichtung 1 weist ein Maschinengehäuse 2 auf, in dem ein Bauraum 3 untergebracht ist. Im oberen Bereich des Bauraums 3 ist eine Ablenkvorrichtung 4 eines Lasers 5 angeordnet, um den Laserstrahl 6 abzulenken und auf die Plattform 7 bzw. darauf geschichtetes pulverförmiges Material 8 zu fokussieren, das schichtweise auf die Plattform 7 durch einen Beschichter 9 aufgetragen wird. Das Sintermaterial 8 wird dem Beschichter 9 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter zugeführt. Das pulverförmige Material 8 kann beispielsweise ein Kunststoffpulver, ein Metallpulver, ein Keramikpulver oder ein Pulver aus kunststoffbeschichteten Sanden sein. Es sind jedoch auch alle anderen verfestigbaren pulverförmigen Materialien möglich.
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In den Bauraum 3 ist ein Wechselbehälter 10 einsetzbar, dessen Boden durch die Plattform 7 gebildet wird. Um die Höhenverfahrbarkeit der Plattform 7 zu gewährleisten, ist eine Trägervorrichtung 11 vorgesehen, die in den Wechselbehälter 10 eingreifen kann und auf welcher die Plattform 7 befestigbar ist. Des Weiteren ist ein Vertikalantrieb 12 vorgesehen, mit dem über die Trägervorrichtung 11 die vertikale Position der Plattform 7 einstellbar ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Positionen der Plattform 7 dargestellt: die oberste Stellung der Plattform 7 innerhalb des Wechselbehälters 10 zu Beginn des Sintervorgangs und die unterste Stellung der Plattform 7 innerhalb des Wechselbehälters 10 nach vollständiger Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist des Weiteren eine Wand 13 vorgesehen, die den Vertikalantrieb 12 vom Bauraum 3 trennt. Die Wand 13 ist so ausgebildet, dass sie einen Energieaustausch durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung zwischen dem Bauraum 3 und dem Vertikalantrieb 12 im Wesentlichen unterbindet. Dadurch wird der Wärmefluss vom Bauraum 3 zum Vertikalantrieb 12 hin vermindert.
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Der Begriff „Wand” bezeichnet nicht ausschließlich eine starr ausgebildete Vorrichtung zur Abtrennung, sondern eine Abtrennung im allgemeinen Sinn, die auch aus einer Folie oder dergleichen (beispielweise auch aus einem Rolladen) bestehen kann. Weiterhin kann die Wand auch Öffnungen aufweisen, sofern der Energieübertrag zwischen dem Bauraum 3 und dem Vertikalantrieb 12 hinreichend unterbunden werden kann.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Bauraum 3 und eine Kammer, in der der Vertikalantrieb 12 angeordnet ist, in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1, in der nur die wesentlichen Elemente gezeigt sind. Der im Bauraum 3 angeordnete Wechselbehälter 10 ist mit einer Heizung 21 beheizbar. Die Heizung 21 ist in der gezeigten Ausführungsform in der Wandung des Wechselbehälters 10 vorgesehen, sie kann aber auch an anderer Stelle angebracht sein. Die Heizung 21 kann beispielsweise als Strahlungs- und/oder Konvektionsheizung ausgebildet sein und an geeigneter Stelle im Bauraum 21 ausgebildet sein. Die Wand 13, die den Bauraum 3 mit dem Wechselbehälter 10 von dem Vertikalantrieb 12 trennt, erstreckt sich über die gesamte Breite und die gesamte Höhe des Bauraums 3, so dass sich der Vertikalantrieb 12 in einer vom Bauraum getrennten Kammer befindet. Es sei bemerkt, dass die Wand 13 nicht zwangsläufig zur Ausbildung einer vom Bauraum abgetrennten Kammer führen muss. Im Einzelfall kann eine Schutzwand zwischen Wechselbehälter 10 und Vertikalantrieb 12 ausreichend sein, deren Breite geringer ist als jene des Wechselbehälters 10.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Wand 13 ein in 2 nicht näher dargestelltes thermisch isolierendes Material. Dieses thermisch isolierende Material vermindert den Wärmefluss vom Bauraum 3 zum Vertikalantrieb 12 zusätzlich. Ein derartiges Material kann zum Beispiel Keramik, Teflon, Steinwolle, Mineralfaserplatten oder Ähnliches sein. Des Weiteren können in der Wand 13 auch ein oder mehrere Spalte vorgesehen sein, in denen ein Vakuum herrscht oder die mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt sind. Ein Spalt ist hierbei nicht auf eine parallele Form beschränkt, sondern kann eine beliebige Form aufweisen. Dies beinhaltet auch Hohlräume im allgemeinen Sinn.
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Insbesondere kann die Dicke eines solchen Spaltes variieren. Die Wand 13 kann auch aus mehreren derartigen Vorrichtungen zur Abgrenzung zusammengesetzt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform ist nicht auf einen beheizbaren Wechselbehälter beschränkt, sondern bezieht sich auch auf einen Wechselbehälter, der nicht beheizbar ist.
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3 zeigt eine schematische räumliche Darstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Plattform 7 ist auf der Trägervorrichtung 11 befestigbar, welche wiederum mit dem Vertikalantrieb 12 verbunden ist. Der Vertikalantrieb 12 ist erfindungsgemäß durch die Wand 13 von dem Bauraum 3 getrennt. Um eine Vertikalbewegung der Trägervorrichtung 11 und somit der Plattform 7 zu ermöglichen, sind in der Wand 13 zwei Längsschlitze 14 vorgesehen, in denen die Trägervorrichtung 11 nach oben und unten verfahrbar ist.
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Die Anzahl der Längsschlitze 14 ist nicht auf die Zahl zwei beschränkt; erfindungsgemäß vorgesehen ist zumindest ein Längsschlitz 14 in der Wand 13. Die Wand 13 kann aber auch mehr als zwei Längsschlitze 14 aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in zumindest einem Längsschlitz 14 eine in 3 nicht näher dargestellte Dichtung vorgesehen, die den Vertikalantrieb 12 mechanisch und/oder thermisch und/oder gasdicht gegenüber dem Bauraum 3 abdichtet. Die Dichtung kann beispielsweise als Gummilippe ausgebildet sein. Beispielsweise können zwei an den gegenüberliegenden Schlitzrändern eines Längsschlitzes 14 befestigte Gummilippen vorgesehen sein. Die Dichtung ist so ausgebildet, dass die Vertikalbewegung der Trägervorrichtung 14 durch die Dichtung möglichst nicht behindert wird.
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4 zeigt eine schematische Detailansicht der Vorrichtung mit erfindungsgemäßer thermischer Entkoppelung. Von dem Vertikalantrieb 12 sind eine Antriebsspindel 15, sowie eine Spindelabdeckung 16 gezeigt. An der Spindelabdeckung 16 ist einerseits die Trägervorrichtung 11 angebracht und andererseits ein Führungsschlitten 17, der wiederum an einer Führungsschiene 18 befestigt ist.
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Des Weiteren zeigt 4 die Befestigungsvorrichtung 19, mit der die Trägervorrichtung 11 am Vertikalantrieb 12 befestigbar ist. Da die Befestigungsvorrichtung 19 normalerweise eine Wärmebrücke vom Bauraum 3 zum Vertikalantrieb 12 darstellt, ist sie erfindungsgemäß so ausgebildet, dass sie einen hohen Wärmedurchgangswiderstand aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist sie mit einem mit Luft ausgefüllten Spalt 20 versehen, so dass nur eine oder mehrere punktuelle Verbindungen über die Befestigungsvorrichtung 19 zwischen der Trägervorrichtung 11 und dem Vertikalantrieb 12 bestehen. Die Befestigungsvorrichtung 19 kann beispielsweise mit Bolzen, Schrauben oder Ähnlichem ausgebildet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine in 4 nicht näher dargestellte Schicht eines thermisch isolierenden Materials vorgesehen, die zumindest einen Teil des mit Luft ausgefüllten Spaltes 20 ausfüllt. Der Spalt 20 kann auch vollständig mit dem thermisch isolierenden Material ausgefüllt sein. Des Weiteren muss der Spalt nicht linear sein, sondern kann z. B. L-förmig oder wellenförmig ausgebildet sein oder eine andere beliebige Form annehmen. Insbesondere kann die Dicke des Spaltes variieren. Der Spalt kann auch als Hohlraum ausgebildet sein. Es können auch mehrere derartige Spalte vorgesehen sein. Ein derartiger Spalt oder Hohlraum kann außer Luft auch mit einem anderen Gas gefüllt sein oder ein Vakuum enthalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebsspindel 15 an zwei Lagern befestigt, von denen eines ein Festlager und das andere ein in der Höhe variables und somit flexibles Lager ist. Dies hat die vorteilhafte Wirkung, dass die Höhe des flexiblen Lagers veränderbar ist, so dass eine durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Längenänderung des Vertikalantriebs ausgeglichen werden kann.
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Im Betrieb während des additiven Herstellens eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen eines verfestigbaren Materials tritt eine Erwärmung des Bauraums durch den Energieeintrag der Energiequelle, sowie gegebenenfalls ein Beheizen des Wechselbehälters auf. Die Wand 13 trennt den Bauraum von der Kammer in der der Vertikalantrieb 12 angeordnet ist und unterbindet so im Wesentlichen einen Energieaustausch durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung zwischen dem Bauraum 3 und dem Vertikalantrieb 12.
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Ein Verzug des Vertikalantriebes 12 aufgrund von Temperaturschwankungen wird dadurch zwar deutlich vermindert, er kann aber dennoch in geringem Ausmaß auftreten. Falls eine derartige geringe Längenänderung des Vertikalantriebs 12 auftritt, findet eine Höhenanpassung des flexiblen Lagers der Antriebsspindel 15 statt, so dass die Längenänderung ausgeglichen wird.
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Abwandlungen der beschriebenen Vorrichtung und des Verfahrens sind möglich. So ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Lasersintervorrichtung bzw. Laserschmelzvorrichtung gemäß 1 beschränkt. Anwendbar ist die vorliegende Erfindung zum Beispiel auch auf eine Elektronenstrahlsintervorrichtung oder Elektronenstrahlschmelzvorrichtung, auf Maskensintervorrichtungen, die eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Belichtungsmaske vorsehen, auf Linienbelichter, bei denen beispielsweise ein Array von Laserdioden vorgesehen ist, sowie auf 3-D Drucker. Die Erfindung ist also anwendbar auf alle Vorrichtungen, bei denen ein Objekt durch ein generatives Schichtaufbauverfahren aus einem verfestigbaren Material schichtweise aufgebaut bzw. hergestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1037739 B2 [0003]
- EP 1896246 B1 [0004]
- WO 2010/043280 A2 [0005, 0006]
- EP 189624631 [0006]
- EP 103773932 [0006]