DE102018210530A1

DE102018210530A1 - Fertigungsanlage zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen und Verfahren

Info

Publication number: DE102018210530A1
Application number: DE102018210530.8A
Authority: DE
Inventors: Hannes Willeck; Aitor Echaniz; Lukas Loeber; Martin Selten; Martin Schoepf; Andreas Burghardt; Arne Stephen Fischer; Benjamin Seitz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Fertigungsanlage 1 zur Herstellung eines Gegenstands durch schichtweises Aufbauen aus Materialschichten 2, 2a-d, mit einer Auftragungseinrichtung 3, 3a-b zur Bereitstellung der Materialschichten 2, 2a-d, mit einer Bestrahlungseinheit zur selektiven Bestrahlung einer jeweils zuletzt aufgetragenen Materialschicht 2, 2a-d derart, dass Abschnitte der Materialschicht 2, 2a-d verschmelzen und/oder versintern, wobei die Auftragungseinrichtung 3, 3a-b eine Zuführungseinheit zum Auftragen eines Materialschlickers 7, 7a-d und/oder einer Materialsuspension als Materialschicht 2, 2a-d aufweist.

Description

Stand der Technik
Es wird eine Fertigungsanlage zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen aus Materialschichten vorgeschlagen. Die Fertigungsanlage weist eine Auftragungseinrichtung zur Bereitstellung der Materialschichten auf. Ferner weist die Fertigungsanlage eine Bestrahlungseinheit zur selektiven Bestrahlung einer jeweils zuletzt aufgetragenen Materialschicht derart, dass Abschnitte der Materialschicht verschmelzen und/oder versintern.
Verfahren der additiven Fertigung für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen nehmen einen immer bedeutenderen Platz in der Industrie ein. Ein vielversprechender Vertreter dieser Fertigungstechnologien ist das selektive Laserschmelzen, welches die Herstellung hochkomplexer Metallbauteile ermöglicht. Diese Technik verwendet ein metallisches Pulver als ein Ausgangsmaterial und einen Laser zum Aufschmelzen des Pulvers. Dies geschieht selektiv im Pulverbett. Durch Wiederholung der Prozessfolge kann so Schicht für Schicht das Bauteil aufgebaut werden. Ein solcher Prozess findet vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre mit kontinuierlicher Zuführung statt.
Die Druckschrift DE 10 2006 014 835 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigen Werkstoffen. Die Vorrichtung weist ein Prozessraumgehäuse mit einem Prozessraum auf, in welchem eine Trägeranordnung als Basis für den Schichtaufbau angeordnet ist. Die Vorrichtung weist ferner eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung der jeweils zuletzt auf die Trägeranordnung aufgetragenen Pulverschicht auf. Durch das Bestrahlen wird die Pulverschicht selektiv versintert. Die Vorrichtung weist eine Schutzgasfördereinrichtung zum Durchleiten von Schutzgas durch das Prozessraumgehäuse auf.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Fertigungsanlage zur Herstellung eines Gegenstandes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen aus Materialschichten mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vorgeschlagen. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
Es wird eine Fertigungsanlage zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen aus Materialschichten vorgeschlagen. Die Fertigungsanlage ist insbesondere eine Fertigungsanlage zur additiven Fertigung. Im Speziellen ist die Fertigungsanlage eine SLM-Anlage (Selective-Laser-Melting) oder eine Anlage zum Laserauftragsschweißen. Der Gegenstand ist vorzugsweise ein metallisches Werkstück. Der Gegenstand kann ein komplexer Gegenstand mit insbesondere unregelmäßiger Geometrie sein. Der Gegenstand wird beispielsweise durch eine Mehrzahl an Materialschichten aufgebaut. Die Materialschichten umfassen einen metallischen Werkstoff. Insbesondere können die Materialschichten einen keramischen Werkstoff umfassen. Der Gegenstand kann aus gleichartigen Materialschichten aufgebaut werden, alternativ kann der Gegenstand aus unterschiedlichen Materialschichten aufgebaut werden. Beispielsweise werden hierzu Materialschichten unterschiedlicher Komponenten und/oder Zusammensetzung nacheinander aufgetragen.
Die Fertigungsanlage weist eine Auftragungseinrichtung zur Bereitstellung der Materialschichten auf. Die Auftragungseinrichtung weist beispielsweise ein Reservoir zur Bevorratung des Materials für die Materialschichten auf. Mittels der Auftragungseinrichtung kann die Materialschicht beispielsweise auf eine Grundplatte aufgetragen werden. Die Materialschichten sind insbesondere flächige Materialschichten. Mittels der Auftragungseinrichtung kann beispielsweise auf eine bereits aufgetragene Materialschicht eine weitere und/oder weitere Materialschichten aufgetragen werden. Die Auftragung der Materialschicht erfolgt beispielsweise durch ein Verfahren der Auftragungseinrichtung in eine Auftragungsrichtung. Die Auftragungseinrichtung kann beispielsweise als ein Schlitten ausgebildet sein und/oder mittels einer Lineareinheit in Auftragungseinrichtung verschiebbar sein.
Die Fertigungsanlage weist eine Bestrahlungseinheit, vorzugsweise eine Lasereinheit, auf. Mittels der Lasereinheit ist ein Laserstrahl bereitstellbar. Die Lasereinheit ist insbesondere ausgebildet, den Laserstrahl selektiv abzulenken. Die Lasereinheit ist zur selektiven Bestrahlung einer jeweils zuletzt aufgetragenen Materialschicht ausgebildet. Abschnitte der selektiven Bestrahlung werden insbesondere erhitzt, sodass der bestrahlte Abschnitt der Materialschicht verschmilzt und/oder versintert. Durch das Bestrahlen einer Materialschicht mit dem Laserstrahl ist der solide Gegenstand und/oder das solide Werkstück aufbaubar. Die Lasereinheit ist somit zur selektiven Bestrahlung einer jeweils zuletzt aufgetragenen Materialschicht mit einem Laserstrahl ausgebildet, wobei der Laserstrahl Abschnitte der Materialschicht zum Verschmelzen und/oder Versintern bringt. Beispielsweise ist die Lasereinheit ausgebildet, einen Laserstrahl unterschiedlicher Intensität und/oder Leistung zu generieren, sodass Abschnitte unterschiedlich stark erhitzbar sind, beispielsweise dann, wenn unterschiedliche Materialschichten aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Die Fertigungsanlage kann insbesondere auch eine Mehrzahl an Lasereinheiten aufweisen, insbesondere zur gleichzeitigen und/oder schnelleren Bestrahlung der Materialschichten, insbesondere an unterschiedlichen Abschnitten. In einer Variante ist die Bestrahlungseinheit als eine Elektronenstrahleinheit ausgebildet. Die Elektronenstrahleinheit ist zur selektiven Bestrahlung der Materialschicht mit einem Elektronenstrahl ausgebildet, so dass das metallische Werkstück mittels selektivem Elektronenstrahlschmelzen (Selective Electron Beam Melting (SEMB)) aus den Materialschichten aufgebaut wird.
Die Auftragungseinrichtung weist eine Zuführungseinheit auf. Mittels der Zuführungseinheit ist ein Materialschlicker und/oder eine Materialsuspension als eine Materialschicht auftragbar. Insbesondere kann mittels der Zuführungseinheit ein pastöser und/oder cremiger Materialschlicker als Materialschicht aufgetragen werden. Ferner kann es vorgesehen sein, dass mittels der Zuführungseinheit eine flüssige und/oder ölige Materialsuspension als Materialschicht aufgetragen werden kann. Die Zuführungseinheit ist zur Handhabung von Materialschlicker und/oder Materialsuspension, insbesondere zur Handhabung eines pastösen, flüssigen, cremigen und/oder öligen Materials ausgebildet. Der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension weist insbesondere eine Metallkomponente auf. Beispielsweise ist die Metallkomponente in einem organischen oder einem nicht-organischen Bindemittel als Matrix vorhanden. Beispielsweise ist die Metallkomponente ein metallisches Pulver, welches mit dem organischen und/oder nicht-organischen Bindemittel den Materialschlicker und/oder die Materialsuspension bildet.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit der Fertigungsanlage ein additives Fertigungsverfahren durchführbar ist, welches ohne die Verwendung eines volatilen metallischen Pulvers auskommt. Durch die Verwendung von metallischen Schlickern und/oder Suspensionen lassen sich mehrere Defizite solcher bisherigen Verfahren und/oder Vorrichtungen vermeiden. Durch die Verwendung von metallischen Schlickern ist eine Reduzierung der aufwendigen Sicherheitsvorkehrung, die die Verwendung von metallischen Pulvern benötigt, möglich. Beispielsweise ist das in den metallischen Schlickern gebundene metallische Pulver nicht lungengängig, sodass ein Werker den Schlicker sicher handhaben kann. Weiterhin vorteilhaft ist, dass beim selektiven Aufschmelzen des metallischen Schlickers eine verminderte Emission störender Partikel, beispielsweise von Spritzern beim Aufschmelzen, auftreten. Mittels der Verwendung von Materialschlicker und/oder Materialsuspension sind insbesondere Gegenstände mit einer Dichte ähnlich zu Gegenständen aus klassischen Verfahren herstellbar, aber auch Gegenstände mit erhöhter Dichte. Weiterhin vorteilhaft bei der Verwendung von Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen ist, dass ein Schlicker und/oder eine Suspension einfacher als homogene Schicht auftragbar ist, als bei der Verwendung von Pulvern.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auftragungseinrichtung eine Fördereinheit aufweist. Die Fördereinheit ist insbesondere als eine aktive Einheit ausgebildet.
Mittels der Fördereinheit kann der Metallschlicker und/oder die Materialsuspension gefördert werden. Insbesondere erfolgt die Förderung des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension von der Auftragungseinrichtung in Richtung der Materialschicht und/oder einer Grundplatte. Die Förderung des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension erfolgt vorzugsweise mit einer Fördergeschwindigkeit, wobei die Fördereinheit insbesondere ausgebildet ist, die Fördergeschwindigkeit einzustellen und/oder anzupassen. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Auftragungseinrichtung bereitzustellen, welche ein aktives Aufbringen der Materialschichten vorsieht, wobei insbesondere eine Materialschichtdicke durch Variation der Fördergeschwindigkeit möglich ist. Mittels der Fördereinheit kann ferner auf physikalische Eigenschaften des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension, beispielsweise der Zähigkeit, reagiert werden, sodass beispielsweise ein zäher werdender Materialschlicker beim Austrocknen durch stärkeres fördern mit der Fördereinheit weiterverwendet werden kann und gleichbleibende Materialschichten erhältlich sind.
Optional ist es vorgesehen, dass die Fördereinrichtung ein Druckelement zur Förderung des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension mittels einer Druckbeaufschlagung aufweist. Beispielsweise ist das Druckelement als ein Kolben ausgebildet, welcher die Materialsuspension und/oder den Materialschlicker mit einer Kraft und/oder Druck beaufschlagt. Durch das Beaufschlagen mit der Kraft wird insbesondere der Druck im Kolben erhöht und mehr Materialschlicker und/oder Materialsuspension zum Aufbringen der Materialschicht gefördert. Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch eine Variation der Druckbeaufschlagung und/oder der Kraftbeaufschlagung die Förderung des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension variierbar und/oder einstellbar ist. Die Druckbeaufschlagung und/oder die Kraftbeaufschlagung erfolgt beispielsweise senkrecht zur Auftragungsrichtung und/oder zur Grundplatte. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fertigungsanlage bereitzustellen, welche eine aktive Förderung konstruktiv einfach umsetzt und ausfallsicher ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung eine Förderschnecke zur Förderung des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension aufweist. Beispielsweise ist die Fördereinrichtung als ein zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, in welchem die Förderschnecke angeordnet ist. Mittels einer Rotation und/oder Drehung der Förderschnecke um eine Drehachse ist beispielsweise eine Materialschlickerförderung und/oder eine Materialsuspensionsförderung in Richtung einer Zylinderachse des Hohlzylinders möglich. Durch eine Variation einer Dreh- und/oder Rotationsgeschwindigkeit der Förderschnecke kann insbesondere eine Fördergeschwindigkeit variiert und/oder angepasst werden. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fördereinrichtung bereitzustellen, welche insbesondere ein Verklumpen und/oder Verfestigen des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension vorsieht, in dem das Material mittels der Schnecke beispielsweise durchmischt wird.
Optional ist es vorgesehen, dass die Fördereinrichtung eine Förderöffnung zum selbstfließenden Auftragen des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension aufweist. Die Förderöffnung ist insbesondere so dimensioniert, dass der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension frei, insbesondere basierend auf der Gravitationskraft, durch die Förderöffnung fließen kann. Die Förderöffnung ist somit insbesondere größer als eine Öffnung, die nötig ist, die Fließgrenze der Materialsuspension und/oder des Materialschlickers zu überschreiten. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Durchmesser der Förderöffnung veränderbar ist. Beispielsweise ist die Förderöffnung ähnlich zu einer Blende im Durchmesser variierbar. Durch eine Veränderung des Durchmessers der Förderöffnung kann insbesondere eine Förderung und/oder eine Fördergeschwindigkeit beim Auftragen des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension angepasst werden. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fertigungsanlage bereitzustellen, bei der die Fördereinrichtung konstruktiv einfach umsetzbar ist.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auftragungseinrichtung eine Unterstützungseinheit aufweist. Die Unterstützungseinheit ist zur Unterstützung des Fließverhaltens des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension ausgebildet und/oder eingerichtet. Die Unterstützungseinheit kann beispielsweise in der Fördereinheit und/oder bei der Fördereinheit angeordnet sein. Beispielsweise ist die Unterstützungseinheit eine Schüttel- und/oder Rütteleinheit, welche ein Reservoir, die Fördereinheit und/oder Förderöffnung rüttelt und/oder schüttelt, sodass das Fließverhalten, pastöse und/oder cremige Verhalten des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension weiter aufrechterhalten wird. Insbesondere ist die Unterstützungseinheit ausgebildet, ein Verklumpen, ein Verfestigen und/oder Zäherwerden des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension zu verhindern. Insbesondere kann die Unterstützungseinheit als eine Ultraschalleinheit ausgebildet sein, welche mittels Ultraschallwellen das Auftragen der Materialsuspension und/oder des Materialschlickers unterstützt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fertigungsanlage bereitzustellen, welche besonders lange und/oder dauerhaft den Umgang und/oder die Verwendung eines Materialschlickers und/oder Materialsuspension ermöglicht.
Optional ist es vorgesehen, dass die Auftragungseinrichtung ein Glättungselement zum Glätten der jeweils obersten und/oder zuletzt aufgetragenen Materialschicht aufweist. Beispielsweise ist das Glättungselement eine Glättungslippe und/oder eine Glättungsrakel. Beispielsweise wird das Glättungselement durch ein Verschieben in Auftragungsrichtung über die Materialschicht gezogen, welche so geglättet wird. Das Glättungselement kann ein Metallglättungselement, ein Kunststoffglättungselement oder ein Gummiglättungselement darstellen. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension eine selbstglättende Materialschicht bildet, beispielsweise durch Verfließen beim und/oder während des Auftragens.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auftragungseinrichtung eine Mehrzahl an Reservoirs aufweist. In den Reservoirs ist insbesondere der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension lagerbar und/oder mittels der Reservoirs bereitstellbar. Insbesondere ist es vorgesehen, dass in den unterschiedlichen Reservoirs unterschiedliche Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen bevorratet werden und/oder bevorratet sind. Insbesondere ist die Auftragungseinrichtung ausgebildet, dass jeweils ein Reservoir zur Bereitstellung der gerade aufzutragenden Materialschicht auswählbar ist. Insbesondere ist die Auftragungseinrichtung ausgebildet, dass zwischen den Reservoirs zum Auftragen der Materialschicht wählbar ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fertigungsanlage bereitzustellen, welche die gleichzeitige Handhabung unterschiedlicher Materialien, Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen ermöglicht, und so den Aufbau komplexer Gegenstände ermöglicht. Insbesondere sind so Gegenstände herstellbar, welche aus unterschiedlichen Materialabschnitten aufgebaut sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fertigungsanlage eine Mehrzahl an Auftragungseinrichtungen aufweist. Insbesondere sind die Auftragungseinrichtungen gleichartig ausgebildet und im Speziellen sind die Auftragungseinrichtungen ausgebildet wie vorher beschrieben. In den Auftragungseinrichtungen können insbesondere unterschiedliche Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen angeordnet sein und/oder verwendet werden. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Fertigungsanlage bereitzustellen, welche die Verwendung unterschiedlicher Materialien, Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen ermöglicht, wobei die unterschiedlichen Materialien, Materialschlicker und/oder Materialsuspensionen insbesondere auch gleichzeitig auftragbar sind.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Mehrzahl an Auftragungseinrichtungen unabhängig voneinander bewegbar sind. Beispielsweise sind die unterschiedlichen Auftragungseinrichtungen an unterschiedlichen Linearachsen und/oder Lineareinheiten aufgehängt. Besonders bevorzugt ist es ferner, dass die unterschiedlichen Auftragungseinrichtungen jeweils eigene Antriebseinheiten zur Bewegung der Auftragungseinrichtungen aufweisen. Die Auftragungsrichtungen der Auftragungseinrichtungen können gleichgerichtet sein, alternativ können die Auftragungsrichtungen der Auftragungseinrichtungen auch gewinkelt zueinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es, dass die Auftragungseinrichtungen in parallelen und/oder gleichgerichteten Ebenen zueinander bewegbar sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fertigungsanlage eine Entbinderungseinrichtung aufweist. Die Entbinderungseinrichtung ist ausgebildet, eine Materialschicht mindestens teilweise von einem Bindemittel zu befreien. Die Entbinderungseinrichtung ist ausgebildet, die Materialschicht vorzugsweise nur partiell und/oder nicht vollständig zu entbindern. Bei dem Entbindern der Materialschicht wird beispielsweise Lösungsmittel, Verflüssiger, Dispergiermittel, Benetzungsmittel, Plastifizierer, Weichmacher, Trennmittel und/oder Gleitmittel mindestens teilweise entfernt. Das Entbindern erfolgt vorzugsweise durch Verdampfen und/oder Sublimieren von Komponenten des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension. Das Entbindern des Materialschlickers und/oder der Materialsuspension dient insbesondere einer Verfestigung und/oder Verdichtung des aufgetragenen Materialschlickers, der Materialsuspension und/oder der Materialschicht. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine qualitativ hochwertige Materialschicht bereitzustellen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fertigungsanlage eine Absaugeinrichtung aufweist. Mittels der Absaugeinrichtung ist eine lokale Absaugung von Gas, Partikeln und/oder Aerosol möglich. Insbesondere dient die Absaugeinrichtung zur lokalen Absaugung von Prozessabfällen, beispielsweise von Rauch und/oder Spritzern. Die Absaugung mittels der Absaugeinrichtung erfolgt insbesondere jeweils an dem Abschnitt, an dem mittels der Lasereinheit die Materialschicht aufgeschmolzen und/oder versintert wird. Insbesondere ist die Absaugeinrichtung ausgebildet, die Absaugung lokal nachzuführen, insbesondere zu dem jeweiligen Abschnitt, an dem mittels des Laserstrahls die Materialschicht bestrahlt wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine sichere Handhabung der Fertigungsanlage durch einen Werker zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Auftragungseinrichtung den Materialschlicker und/oder die Materialsuspension umfasst. Der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension umfasst insbesondere ein Metallpulver, welches beispielsweise in eine Matrix eingebettet, gelöst und/oder suspendiert ist. Die Matrix wird insbesondere vom Bindemittel, kurz auch Binder genannt, gebildet. Der Materialschlicker und/oder die Materialsuspension umfasst beispielsweise ein Metallpulver, ein Lösungsmittel, einen Verflüssiger, ein Dispergiermittel, ein Benetzungsmittel, einen Plastifizierer, einen Weichmacher, ein Trennmittel und/oder ein Gleitmittel.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen aus einer Materialschicht. Dabei wird eine Materialschicht aufgetragen. Die Materialschicht wird mittels einer Bestrahlungseinheit, vorzugsweise einer Lasereinheit, selektiv bestrahlt, wobei durch das Bestrahlen der Materialschicht ein Abschnitt verschmilzt und/oder versintert wird. Die Bereitstellung und/oder das Auftragen der Materialschicht erfolgt mittels dem Auftragen einer Materialsuspension und/oder eines Materialschlickers. Die jeweils zuletzt aufgetragene Materialsuspension und/oder Materialschlicker wird abschnittsweise und/oder selektiv mittels der Lasereinheit bestrahlt und versintert und/oder verschmolzen. Insbesondere kann die Materialsuspension und/oder der Materialschlicker, welcher als Materialschicht aufgetragen wurde, vor dem Bestrahlen teilweise entbindert werden.
Weitere Vorteile, Wirkungen und Vorteile ergeben sich aus den beigefügten Figuren und deren Beschreibung. Dabei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Fertigungsanlage als ein erstes Ausführungsbeispiel;
2 eine Draufsicht auf die Fertigungsanlage aus 1;
3 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage;
4 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage;
5a und 5b Seitenansichten einer Materialschicht;
6 eine Seitenansicht einer Fertigungsanlage mit Absaugung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage 1. Die Fertigungsanlage 1 ist eine additive Fertigungsanlage. Mittels der Fertigungsanlage 1 kann ein Gegenstand aus Materialschichten 2 hergestellt werden. Durch schichtweises Auftragen von Materialschichten 2 und selektives Aushärten kann der Gegenstand hergestellt werden.
Die Fertigungsanlage 1 weist eine Auftragungseinrichtung 3 auf. Mittels der Auftragungseinrichtung 3 wird die Materialschicht 2 auf eine Grundplatte 4 aufgetragen. Die Grundplatte 4 ist insbesondere eine absenkbare und/oder verfahrbare Grundplatte 4. Durch das Absenken der Grundplatte 4 kann ein Niveau der jeweils obersten Materialschicht 2 eingestellt und/oder gleichbleibend festgelegt werden. Die Auftragungseinrichtung 3 ist in eine Auftragungsrichtung 5 verfahrbar und/oder verschiebbar. Dazu weist die Auftragungseinrichtung 3 beispielsweise eine Lineareinheit zum Verschieben und/oder Verfahren in Auftragungsrichtung 5 auf.
Die Auftragungseinrichtung 3 weist ein Gehäuse 6 auf. Das Gehäuse 6 ist als ein Hohlkörper ausgebildet. Beispielsweise ist der Hohlkörper und/oder das Gehäuse 6 in diesem Ausführungsbeispiel als ein quaderförmiger Körper ausgebildet. In der Auftragungseinrichtung 3 und insbesondere im Gehäuse 6 ist ein Materialschlicker 7 angeordnet. Der Materialschlicker 7 weist ein Metall, beispielsweise in Form gebundener und/oder suspendierter Pulverteilchen 8 auf. Der Materialschlicker 7 weist einen Binder 9 auf, wobei der Binder 9 insbesondere flüssig und/oder ölig ausgebildet ist. Der Materialschlicker 7 ist als eine pastöse, flüssige und/oder ölige Masse ausgebildet.
Die Auftragungseinrichtung 3 und insbesondere das Gehäuse 6 weist eine Förderöffnung 10 auf. Durch die Förderöffnung 10 kann der Materialschlicker 7 auf die Grundplatte 4 als Materialschicht 2 aufgetragen werden. Insbesondere ist die Förderöffnung 10 so dimensioniert, dass der Materialschlicker 7 durch die Förderöffnung 10 frei fließen kann. Die Förderöffnung 10 ist insbesondere begrenzt durch zwei Förderelemente 11, wobei die Förderelemente 11 eine trichterförmige Öffnung für die Förderöffnung 10 bilden. Die Förderelemente 11 dienen einer materialschlickereffizienten Nutzung. Im Bereich der Öffnung 10 und insbesondere an einem der Förderelemente 11 ist ein Glättungselement 12 angeordnet. Das Glättungselement 12 ist als eine Glättungslippe und/oder als ein Glättungsrakel ausgebildet. Das Glättungselement 12 zieht aufgetragenen Materialschlicker 7 eben und/oder gerade. Dazu wird das Glättungselement 12 zusammen mit der Auftragungseinrichtung 3 in Auftragungsrichtung 5 verschoben, wobei so die Materialschicht 2 geglättet und/oder nivelliert wird.
Die Auftragungseinrichtung 3 weist eine Fördereinheit 13 auf. Die Fördereinheit 13 weist einen Stempel und/oder Kolben als ein Druckelement 14 auf. Mittels des Druckelementes 14 wird ein Druck 15, beispielsweise in Form einer Kraftbeaufschlagung, auf den metallischen Schlicker 7 in dem Gehäuse 6 ausgeübt. Insbesondere wird das Druckelement 14 von dem Gehäuse 6 geführt. Das Gehäuse 6 und das Druckelement 14 bilden beispielsweise eine Spritzenanordnung. Mittels der Druckbeaufschlagung mit dem Druck 15 wird der Materialschlicker 7 durch die Förderöffnung 10 gefördert und so auf die Grundplatte 4 in Form der Materialschicht aufgetragen. Mittels der Fördereinrichtung 13 kann das Fließverhalten und/oder die Förderung des Materialschlickers 7 zum Auftragen der Materialschicht 2 gefördert werden.
Die Auftragungseinrichtung 3 weist eine Unterstützungseinheit 16 auf. Die Unterstützungseinheit 16 ist hier als ein Ultraschallgenerator ausgebildet. Mittels der Unterstützungseinheit 16 werden Ultraschallwellen durch und/oder in den Materialschlicker 7 im Gehäuse 6 eingebracht, sodass einer Verfestigung des Materialschlickers 7 entgegengewirkt wird und das Fließverhalten des Materialschlickers 7 unterstützt wird.
Die Fertigungsanlage 1 weist eine Lasereinheit 17 auf. Die Lasereinheit 17 ist zur Generierung eines Laserstrahls 18 ausgebildet. Der Laserstrahl 18 wird von der Lasereinheit 17 auf die Materialschicht 2 abgelenkt. Mittels der Lasereinheit 17 wird die Materialschicht 2 mittels des Lasers 18 selektiv bestrahlt und am Bestrahlungsort erwärmt. Somit wird mittels der Lasereinheit 17 die Materialschicht 2 selektiv aufgeschmolzen und versintert. Mittels des Aufschmelzens und Versinterns ist der Gegenstand aus der Materialschicht 2 herstellbar.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Fertigungsanlage 1 aus 1. Auf die Grundplatte 4 ist hier teilweise schon die Materialschicht 2 aufgetragen. Die Materialschicht 2 ist eine Schicht aus Materialschlicker 7. Die Materialschicht 2 wird mittels der Auftragungseinrichtung 3 aufgetragen. Dazu wird die Auftragungseinrichtung 3 in Auftragungsrichtung 5 verschoben und so der Materialschlicker 7 auf die Grundplatte 4 aufgetragen. Nicht dargestellt in dieser Figur ist die Fördereinheit 13. Bei Weglassen der Fördereinrichtung 13 kann beispielsweise die Förderung als eine selbstfließende Ausgabe des Materialschlickers 7 ausgebildet sein. Dazu ist die Förderöffnung 10 so groß dimensioniert, dass der Materialschlicker 7 frei aus der Förderöffnung 10 auf die Grundplatte 4 fließen kann. Durch Fortbewegen des Gehäuses 6 und/oder der Auftragungseinrichtung 3 in Auftragungsrichtung 5 wird so der Materialschlicker auf die gesamte Grundplatte 4 aufgetragen. Das Gehäuse 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein quaderförmiges Gehäuse 6 ausgebildet.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage, welches zwei Auftragungseinrichtungen 3a und 3b umfasst. In den Auftragungseinrichtungen 3a und 3b befinden sich unterschiedliche Materialschlicker 7a und 7b. Beispielsweise ist der Materialschlicker 7a eine dünnflüssige Suspension und der Materialschlicker 7b eine pastöse Masse. Die Auftragungseinrichtungen 3a und 3b werden jeweils in Auftragungsrichtung 5a und 5b verschoben, wobei die Auftragungsrichtungen 5a und 5b gleichgerichtet sind. Die Fortbewegung der Auftragungseinrichtung 3a und Auftragungseinrichtung 3b erfolgt mit unterschiedlichen Auftragungsgeschwindigkeiten. Insbesondere ist die Auftragungsgeschwindigkeit der vorlaufenden Auftragungseinrichtung 3b größer als die der nachlaufenden Auftragungseinrichtung 3a. Die Gehäuse 6a und 6b sind beispielsweise mit unabhängigen Lineareinheiten verbunden und werden durch die unabhängigen Lineareinheiten gefördert.
Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass mittels der vorlaufenden Auftragungseinrichtung 3b eine erste Materialschicht aufgetragen wird und mittels der nachlaufenden Auftragungseinrichtung 3b eine weitere Materialschicht 2a auf die Materialschicht 2b aufgetragen wird. Somit ist ein effizientes Auftragen von Materialschichten 2a und 2b möglich.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage 1, welches mehrere Reservoirs 19a, 19b, 19c und 19d aufweist. Die Reservoirs 19a-19d sind insbesondere in der Auftragungseinrichtung 3 angeordnet. Insbesondere sind die Reservoirs 19a-19d durch Unterteilung des Gehäuses 6 mittels Trennelementen 20 erreichbar. In den unterschiedlichen Reservoirs 19a-19d sind unterschiedliche Materialschlicker 7a, 7b, 7c und 7d angeordnet. Somit kann mittels der einen Auftragungseinrichtung 3 und insbesondere mit dem einen Gehäuse 6 eine Mehrzahl an unterschiedlichen Materialschichten 2a, 2b, 2c und 2d gleichzeitig aufgetragen werden. Die Materialschicht 2a wird mit dem Materialschlicker 7a aus dem Reservoir 19a aufgetragen. Analog werden die Materialschichten 2b, 2c und 2d jeweils mit dem entsprechenden Materialschlicker 7b, 7c und 7d aus dem jeweiligen Reservoir 19b, 19c und 19d aufgetragen. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine Auftragungseinrichtung bereitzustellen, mit welcher eine Mehrzahl an Materialschichten gleichzeitig und zeitsparend aufgetragen werden kann. Insbesondere kann so ein Gegenstand aus unterschiedlichen Materialkomponenten hergestellt werden.
5a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsanlage mit zwei Entbinderungseinrichtungen 21a und 21b. Auf die Grundplatte 4 ist eine Materialschicht 2 aufgetragen. Insbesondere ist die Materialschicht 2 eine frische und/oder eine nicht entbinderte Materialschicht 2. In der Materialschicht 2 sind die metallischen Pulverteilchen 8 in dem Binder 9 angeordnet und besitzen einen relativ großen Abstand zueinander. Die Materialschicht 2 weist eine Materialdichte 1 auf.
In der Grundplatte 4 ist eine Entbinderungseinrichtung 21a in Form einer Heizplatte angeordnet. Eine weitere Entbinderungseinheit 21b ist in Form eines Heizstrahlers überhalb der Materialschicht 2 angeordnet. Mittels der Entbinderungseinrichtung 21b wird eine Wärmestrahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, auf die Materialschicht 2 eingestrahlt. Mittels der Entbinderungseinrichtung 21a und 21b wird die Materialschicht 2 erwärmt. Durch das Erwärmen wird ein Teil des Binders 9 verdampft und/oder sublimiert.
5b zeigt die Materialschicht 2 auf der Grundplatte 4 aus 1, nachdem diese mittels der Entbinderungseinrichtung 21a und 21b teilweise entbindert wurde. Durch das Entbindern und/oder durch das Entwärmen und dem damit verbundenen Abdampfen von Binder 9 ist die Materialschicht 2 nach dem Entbindern verdichtet. Die Materialschicht 2 bildet eine verdichtete Materialschicht mit einer Materialschichtdicke, die größer ist als für die frische Materialschicht 2. Die metallischen Pulverteilchen 8 sind in der entbinderten Materialschicht 2 näher zusammen als für die frische Materialschicht 2. Die Materialschicht 2, welche partiell entbindert wurde, wird anschließend mit dem Laserstrahl 18 aus der Lasereinheit 17 selektiv bestrahlt und verfestigt.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Fertigungsanlage 1, welches eine Absaugeinrichtung 22 aufweist. Die Absaugeinrichtung 22 dient der Absaugung von Prozessrauch und/oder Prozessabfällen, beispielsweise von Spritzern. Die Absaugeinrichtung 22 weist zwei Absaugungen 23 auf, welche zur Förderung eines Gasstroms 24 ausgebildet sind. Der Gaststrom verläuft dabei von einer Absaugung 23 zur nächsten Absaugung 23. Zwischen den beiden Absaugungen 23 ist insbesondere der Abschnitt der Materialschicht angeordnet, welcher aktuell von dem Laser der Lasereinheit 17 bestrahlt wird. Dazu wird beispielsweise die Absaugung 23 nachgeführt zu dem jeweiligen Ort, an dem der Laserstrahl 18 gerade selektiv bestrahlt. Mittels der Absaugeinrichtung 22 werden insbesondere auch Bestandteile des Binders abgeführt, welche bei dem Bestrahlen mit dem Laserstrahl 18 freigesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006014835 A1 [0003]

Claims

Fertigungsanlage (1) zur Herstellung eines Gegenstands durch schichtweises Aufbauen aus Materialschichten (2, 2a-d), mit einer Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) zur Bereitstellung der Materialschichten (2, 2a-d), mit einer Bestrahlungseinheit zur selektiven Bestrahlung einer jeweils zuletzt aufgetragenen Materialschicht (2, 2a-d) derart, dass Abschnitte der Materialschicht (2, 2a-d) verschmelzen und/oder versintern, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) eine Zuführungseinheit zum Auftragen eines Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder einer Materialsuspension als Materialschicht (2, 2a-d) aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) eine Fördereinheit (13) zum aktiven Fördern des Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder der Materialsuspension aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (13) ein Druckelement (14) zur Förderung des Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder der Materialsuspension mittels Druckbeaufschlagung aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (13) eine Förderschnecke zur Förderung des Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder der Materialsuspension aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (13) eine Förderöffnung (10) zur selbstfließenden Ausgabe des Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder der Materialsuspension aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) eine Unterstützungseinheit (16) zur Unterstützung des Fließverhaltens des Materialschlickers (7, 7a-d) und/oder der Materialsuspension bei der Auftragung aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) ein Glättungselement (11) zum Glätten der jeweils obersten Materialschicht (2, 2a-d) aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) eine Mehrzahl an Reservoirs (19a-19d) zur Bereitstellung unterschiedlicher Materialschlicker(7, 7a-d) und/oder Materialsuspensionen als Materialschichten (2, 2a-d) aufweist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl an dergleichen Auftragungseinrichtungen (3, 3a-b) zur Bereitstellung unterschiedlicher Materialien für die Materialschichten (2, 2a-d).
Fertigungsanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtungen (3, 3a-b) unabhängig bewegbar sind.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Entbinderungseinrichtung (21a, 21b) zur partiellen Entbinderung der Materialschicht (2, 2a-d).
Fertigungsanlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entbindereinrichtung (21a, 21b) als Thermoeinrichtung zum Erwärmen der Materialschicht (7, 7a-d) ausgebildet ist.
Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Absaugeinrichtung (22) zur lokalen Absaugung von Prozessprodukten.
Fertigungsanalage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragungseinrichtung (3, 3a-b) den Materialschlicker (7, 7a-d) und/oder die Materialsuspension umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch schichtweises Aufbauen aus einer Materialschicht (2, 2a-d), insbesondere mit der Fertigungsanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Materialschicht aufgetragen wird und die Materialschicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv bestrahlt wird, wobei die Bereitstellung und/oder das Auftragen der Materialschicht (2, 2a-d) als Auftragen einer Schicht aus einer Materialsuspension und/oder eines Materialschlickers (7, 7a-d) erfolgt.