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Title:
APPARATUS FOR THE ADDITIVE MANUFACTURING OF A THREE-DIMENSIONAL BODY IN A POWDER BED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024755
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an apparatus for the additive manufacturing of a three-dimensional body in a powder bed, said apparatus comprising a manufacturing region having a lowerable surface on which the powder bed is located, and at least one doctor blade for transporting and evenly distributing a powdered material over the surface. The at least one doctor blade can be moved about a rotational axis which is perpendicular to the surface of the powder bed, and the length of the doctor blade corresponds to at least the greatest distance between the rotational axis and the edge of the manufacturing region. Nozzles are designed on the at least one doctor blade in order to apply the powdered material to the surface of the powder bed. The following are also located on the apparatus: a device for feeding the powdered material into the at least one doctor blade and to the nozzles; a device for rotating the at least one doctor blade over the surface of the powder bed; and a device with which at least one energy beam is directed onto the surface of the powder bed, the focal spot of the energy beam being movable in two dimensions.

Inventors:
BEYER, Eckhard (Am Alten Bahndamm 52, Dresden, 01328, DE)
BRUECKNER, Frank (Otto-Pilz-Straße 76, Dresden, Dresden, DE)
RIEDE, Mirko (Ferdinand-Freiligrath-Straße 16, Freital, 01705, DE)
Application Number:
EP2017/069489
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
August 02, 2017
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (Hansastraße 27c, München, 80686, DE)
TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN (Helmholtzstr. 10, Dresden, 01069, DE)
International Classes:
B22F3/105; B29C64/153; B29C64/20; B29C64/214; B29C64/241; B33Y30/00
Foreign References:
DE102014221885A12016-04-28
DE10235434A12004-02-12
DE102010034311A12012-02-16
DE102013007482A12014-10-30
DE102010041284A12012-03-29
DE202007016591U12008-02-07
DE10309519A12004-09-16
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB (An der Frauenkirche 20, Dresden, 01067, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers (5) in einem Pulverbett mit einem Fertigungsbereich (1), der eine absenkbare Oberfläche (2), auf der das Pulverbett angeordnet ist, aufweist, und mindestens einem Rakel (3) zur Förderung und zum gleichmäßigen Verteilen eines pulverförmigen Werkstoffs auf der Oberfläche (2), der um eine Rotationsachse (4) bewegbar ist, die senkrecht zur Oberfläche (2) des Pulverbetts ausgerichtet ist, und

dessen Länge mindestens dem größten Abstand von der Rotationsachse (4) bis zum Rand des Fertigungsbereichs (1) entspricht, und an dem Düsen zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf die Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet sind, und einer Einrichtung (7) zum Zuführen von pulverförmigem Werkstoff in den mindestens einen Rakel (3) und zu den Düsen, und einer Einrichtung (8) zur Ausführung einer Rotationsbewegung des mindestens einen Rakels (3) über die Oberfläche des Pulverbetts, und einer Einrichtung, mit der mindestens ein Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Energiestrahl ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des mindestens einen Energiestrahls so abgestimmt ist, dass der mindestens eine Energiestrahl nicht auf den mindestens einen Rakel (3) auftrifft.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Rakel (3) eine mechanische Werkstoffzuführung, insbesondere eine Förderschnecke, und/oder eine pneumatische Zuführung zur Förderung des pulverför- migen Werkstoffs zu den Düsen des Rakels (3) ausgebildet ist.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rakel (3) über der Oberfläche (2) des Fertigungsbereichs (1) angeordnet sind und mit den Rakeln (3) verschiedene pulverförmige Werkstoffe und/oder pulverförmige Werkstoffe mit verschiedenen mittleren Partikelgrößenbereichen auf die Oberfläche des Pulverbetts aufbringbar sind.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rakel (3) mehrere Arme ausgehend von der Rotationsachse aufweist.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8) zur Ausführung einer Rotationsbewegung des mindestens einen Rakels (3) so eingerichtet ist, dass der mindestens eine Rakel (3) vom Rand des Fertigungsbereichs (1) aus bewegbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um die Rotationsachse (4) rotierend eine Einrichtung zum lokalen Vorwärmen des pulverförmigen Werkstoffs, bevorzugt mittels Infrarotstrahlung oder Induktion, und/oder ein Abstreifer angeordnet ist/sind.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsbereich (1) in mindestens zwei Arbeitsbereiche teilbar ist und gleichzeitig in jedem Arbeitsbereich dreidimensionale Körper (5) herstellbar sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (4) des Rakels (3) in einem Abstand zum Mittel- oder Flächenschwerpunkt des Fertigungsbereichs (1) angeordnet ist.

Description:
Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett.

Bei Verfahren zur generativen Fertigung in einem Pulverbett, beispielsweise durch Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM), wird ein pulverförmiger Werkstoff mittels Rakel auf eine Plattform in einem Fertigungsbereich aufgetragen oder mittels Düsen auf die Plattform aufgebracht und mit einem Abstreifer gleichmäßig auf der Plattform verteilt. Anschließend wird das Pulverbett entlang einer vorgegebenen Geometrie mit einem Energiestrahl bestrahlt und dabei in den bestrahlten Bereichen aufgeschmolzen oder gesintert. Vor jedem Aufbringen einer neuen Schicht wird die Plattform um die Dicke einer Schicht abgesenkt. Weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs werden aufgebracht und entlang einer vorgegebenen Geometrie mit mindestens einem Energiestrahl bestrahlt, bis der ge- wünschte dreidimensionale Körper ausgebildet ist.

Die Prozessgeschwindigkeit bei derartigen Verfahren, die mit bekannten Vorrichtungen durchgeführt werden, hängt vor allem vom Pulverauftrag und der Bestrahlung der Oberfläche des Pulverbetts ab. So kann eine Bestrahlung der

Oberfläche des Pulverbetts nur erfolgen, wenn der der Pulverauftrag für die jeweilige Schicht abgeschlossen ist. Dadurch ist das Verfahren relativ langsam.

Ein weiterer Nachteil bekannter Vorrichtungen ist, dass bei der Verwendung verschiedener pulverförmiger Werkstoffe zur gezielten Ausbildung verschiedener Eigenschaften in dem herzustellenden dreidimensionalen Körper die Pulverzuführung aufwändig zu leeren und anschließend neu zu befüllen ist, bevor der Rakel mit einem anderen Werkstoff genutzt werden kann. Das senkt die ohnehin niedrige Arbeitsgeschwindigkeit und Produktivität weiter ab.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der dreidimensionale Körper mittels generativer Fertigung im Pulverbett mit einer höheren Arbeitsgeschwindigkeit und Produktivität herstellbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen dargestellt. Eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett weist einen Fertigungsbereich mit einer absenkbaren Oberfläche auf. Auf der absenkbaren Oberfläche wird ein Pulverbett angeordnet. Jeweils vor dem Aufbringen einer neuen Schicht pulverförmigen Werkstoffs wird die absenkbare Oberfläche um eine eingestellte Schichtdicke, die in der Regel der Dicke der vorab ausgebildeten Schicht entspricht, abgesenkt.

Weiter weist die Vorrichtung mindestens einen Rakel zur Förderung eines pulverförmigen Werkstoffs auf die absenkbare Oberfläche der Fertigungsbereichs auf, mit dem der pulverförmige Werkstoff auch gleichmäßig auf der Fläche verteilt wird. Der mindestens eine Rakel ist um eine Rotationsachse, die senkrecht zur Oberfläche des Pulverbetts ausgerichtet ist, bewegbar. Die Länge des Rakels entspricht mindestens dem längsten Abstand zwischen der Rotationsachse und dem Rand des Fertigungsbereichs, so dass der mindestens eine Rakel bei seiner Rotationsbewegung um die Rotationsachse jeden Punkt der Oberfläche des Pulverbetts überstreicht. Durch die rotierende Bewegung des mindestens einen Rakels über die Oberfläche des Pulverbetts wird der aufgebrachte pul- verförmige Werkstoff gleichmäßig auf der Oberfläche des Pulverbetts verteilt und überschüssiger pulverförmiger Werkstoff von der Oberfläche des Pulverbetts herunter geschoben.

An dem mindestens einen Rakel sind Düsen angeordnet, mittels derer der pulverförmige Werkstoff auf die Oberfläche des Pulverbetts aufgebracht wird.

Weiterhin sind an der Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Zuführen von pulverförmigem Werkstoff zu dem mindestens einen Rakel und zu den Düsen, sowie eine Einrichtung zur Ausführung der Rotationsbewegung des mindestens einen Rakels über die Oberfläche des Pulverbetts angeordnet. Eine Einrichtung zur Ausführung der Rotationsbewegung kann ein elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betriebener Antrieb sein.

Die Vorrichtung weist auch eine Einrichtung, mit der mindestens ein Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional über die Oberfläche des Pulverbetts bewegbar ist, auf. Mit dem Energiestrahl wird der pulverförmige Werkstoff entlang einer

vorgebbaren Geometrie aufgeschmolzen oder gesintert.

Die Fläche der Oberfläche zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs kann eine beliebige geometrische Form aufweisen. Bevorzugt ist sie rund, quadratisch oder rechteckig.

Der mindestens eine Energiestrahl kann ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl sein. Die Steuerung des mindestens Energiestrahls sollte dabei so abgestimmt sein, dass der mindestens eine Energiestrahl nicht auf den mindestens einen Rakel trifft. Erfindungsgemäß wird der Bereich in Rotationsrichtung nach dem mindestens einen Rakel mit dem mindestens einen Energiestrahl bestrahlt, ohne dass die Rotationsbewegung des Rakels unterbrochen werden muss.

In dem mindestens einen Rakel kann eine mechanische Werkstoffzuführung, insbesondere eine Förderschnecke, und/oder eine pneumatische Zuführung für den pulverförmigen Werkstoff zu den Düsen des mindestens einen Rakels ausgebildet sein. Es kann auch eine Förderung des Pulvers durch peristaltische Verformung der Zuführungsleitung erreicht werden. Dabei sollte durch die Düsen vorteilhafterweise in einem Bereich nahe der Rotationsachse weniger pulverförmiger Werkstoff auf die Oberfläche des Pulverbetts abgegeben werden als in randnahen Bereichen. Dies kann beispielsweise durch einen größeren Abstand der Düsen voneinander an dem mindestens einen Rakel im Bereich der Rotationachse erreicht werden.

Über der Oberfläche des Fertigungsbereichs können mehrere Rakel angeordnet sein. Diesen Rakeln können verschiedene pulverförmige Werkstoffe und/oder pulverförmige Werkstoffe mit unterschiedlichen mittleren

Partikelgrößenbereichen zugeführt und von diesen auf die Oberfläche des Pulverbetts aufgebracht werden. Damit kann eine aufwändige Reinigung der Rakel bei einem Wechsel des aufzubringenden Werkstoffs entfallen.

Der mindestens eine Rakel kann mehrere Arme, die von der Rotationsachse ausgehen, aufweisen. Diese Ausführungsvariante erlaubt das Aufbringen eines pulverförmigen Werkstoffs in verschiedenen Bereichen des Pulverbetts zur gleichen Zeit und damit eine Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit. Es können auch unterschiedliche pulverförmige Werkstoffe zu den Armen eines Rakels geführt werden.

Die Rotationsachse für die Bewegung des mindestens einen Rakels kann außermittig angeordnet sein, so dass auch dreidimensionale Körper ohne einen Hohlraum im Bereich der Rotationsachse ausgebildet werden können.

Die Rotationsbewegung des mindestens einen Rakels kann durch die Einrichtung zur Ausführung dieser Rotationsbewegung von der Rotationsachse aus erfolgen. In einer Alternative kann die Einrichtung zur Ausführung dieser Rotationsbewegung so eingerichtet sein, dass die Rotationsbewegung vom Rand des Fertigungsbereichs erfolgt. Dazu kann beispielsweise bei einem Fertigungsbereich mit einer kreisförmigen Grundfläche eine Führung, wie z. B. eine Schiene, umlaufend auf dem äußeren Rand des Fertigungsbereichs und oberhalb der Oberfläche des Pulverbetts angeordnet sein. Der mindestens eine Rakel sollte so angeordnet werden, dass er auf zwei sich gegenüberliegenden

Punkten der Führung verschieblich gelagert ist, so dass er bei Ausführung einer rotierenden Bewegung jeden Punkt der Oberfläche des Pulverbetts überstreicht. Die Einrichtung zum Ausführen der Rotationsbewegung des mindestens einen Rakels kann den mindestens einen Rakel an mindestens einem der Auflagepunkte entlang der Führung bewegen. In einer Alternative kann der

Rakel mit der Führung an den Stirnseiten des Rakels fest verbunden sein und zum Erreichen einer Rotationsbewegung von einer ortsfest angeordneten Einrichtung zum Ausführen der Rotationsbewegung die Führung zusammen mit befestigten mindestens einen Rakel über dem Fertigungsbereich rotierend bewegt werden.

Es können weitere Funktionselemente angeordnet sein, die um die Rotationsachse rotieren. Beispielsweise kann eine Einrichtung zum lokalen Vorwärmen des pulverförmigen Werkstoffs, bevorzugt mittels Infrarotstrahlung oder In- duktion, angeordnet sein. Durch das lokale Vorwärmen des Pulverbetts kann das Aufschmelzen oder Sintern des pulverförmigen Werkstoffs durch die Bestrahlung mit dem Energiestrahl schneller erreicht werden.

Alternativ oder gleichzeitig kann ein Abstreifer um die Rotationsachse rotie- rend angeordnet sein, so dass er dem mindestens einen Rakel nachläuft und den aufgebrachten pulverförmigen Werkstoff glatt streicht. Durch die damit erreichbare ebene Oberfläche kann eine höhere Fertigungsgenauigkeit erzielt werden. Der Fertigungsbereich kann in mehrere Arbeitsbereiche unterteilt werden, in denen gleichzeitig dreidimensionale Körper herstellbar sind. Damit kann in kürzerer Zeit eine höhere Anzahl dreidimensionaler Körper hergestellt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere Energiestrahlen zur Bestrahlung des pulverförmigen Werkstoffs eingesetzt werden. Dies erhöht die Arbeitsgeschwindigkeit und die Produktivität weiter. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein kontinuierlicher Werkstoffauftrag auf die Oberfläche eines Pulverbetts erfolgen. In Rotationsrichtung unmittelbar nach dem mindestens einen Rakel kann die Oberfläche des Pulverbetts mit mindestens einem Energiestrahl bestrahlt werden und eine weitere Schicht pulverförmigen Werkstoffs aufgebracht werden. Eine Unterbrechung oder ein Abschluss eines einzelnen Prozessschritts zur Durchführung eines nächsten ist nicht notwendig, d. h. der Pulverauftrag muss nicht für die Bestrahlung des Werkstoffs unterbrochen werden und umgekehrt.

Durch eine Ausbildung der Vorrichtung mit mehreren Rakeln oder Rakelarmen kann lagenweise oder innerhalb einer Lage ein Wechsel des pulverförmigen Werkstoffs erfolgen, so dass die Materialeigenschaften des herzustellenden Körpers gezielt beeinflusst werden können.

Nachfolgend soll die Vorrichtung an Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht, und

Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform mit einem

herzustellenden Körper in einer Draufsicht.

In Figur 1 ist ein Fertigungsbereich 1 mit einer absenkbaren Oberfläche 2 dargestellt. Die Grundfläche des Fertigungsbereichs 1 und der absenkbaren Oberfläche 2 ist rechteckig. Auf der absenkbaren Oberfläche 2 wird ein Pulverbett aus pulverförmigem Werkstoff aufgebracht.

Mittig auf und senkrecht zu der Oberfläche 2 ist die Rotationsachse 4 angeordnet, um die ein Rakel 3 in Richtung des Pfeils 6 rotiert. Die Länge des Rakels 3 entspricht dabei dem Abstand von der Rotationsachse 4 bis zu den Ecken des Fertigungsbereichs 1, so dass jeder Punkt auf der Oberfläche des Pulverbetts überstrichen wird.

An dem Rakel 3 sind Düsen zum Aufbringen eines pulverförmigen Werkstoffs auf die Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet. Über eine Vorrichtung 7 zum Zuführen von pulverförmigem Werkstoff wird pulverförmiger Werkstoff dem Rakel 3 zugeführt und durch eine in dem Rakel 3 ausgebildete Förderschnecke zu den Düsen gefördert. Dabei wird in einem Bereich nahe der Rotationsachse 4 weniger pulverförmiger Werkstoff auf die Oberfläche des Pulverbetts auf- gebracht, als in den Randbereichen des Fertigungsbereichs 1, um eine gleichmäßige Dicke der aufgebrachten Schicht zu gewährleisten. Dies wird durch einen größeren Abstand der Düsen voneinander im Bereich der Rotationachse 4 als am außenliegenden Bereich des Rakels 3 erreicht. Der Rakel 3 ist außerdem so ausgebildet, dass der Werkstoff beim Aufbringen auf die Oberfläche des Pulverbetts gleichmäßig verteilt wird.

Ein elektrisch betriebener Antrieb ist als Einrichtung 8 zum Ausführen einer Rotationsbewegung an der Rotationsachse 4 angeordnet und rotiert den Rakel 3 um die Rotationsachse 4.

In Rotationsrichtung 6 nach dem Rakel wird mittels einer Einrichtung, mit der ein Laser- oder Elektronenstrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional bewegt werden kann (nicht in der Figur gezeigt), der Werkstoff durch zweidimensionale Auslenkung des Laser- oder Elektronenstrahls entlang einer vorgegebenen Geometrie bestrahlt, so dass er in dem bestrahlten Bereich aufschmilzt oder sintert. Der Laser- oder Elektronenstrahl wird dabei so geführt, dass er nicht auf den Rakel 3 trifft.

Mit dem Aufbringen weiterer Schichten wird die absenkbare Oberfläche 2 jeweils um die Schichtdicke der zuvor aufgebrachten Pulverschicht abgesenkt.

In Figur 2 ist in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Auf einen Fertigungsbereich 1 mit kreisförmiger Grundfläche und mit einer absenkbaren Oberfläche 2 wird ein Pulverbett aus einem pulverförmigen Werkstoff aufgebracht. Der Werkstoff wird dem Rakel 3 mittels einer Einrichtung 7 zur Zuführung des pulverförmigen Werkstoffs zu dem Rakel 3 zugeführt. In dem Rakel 3 ist eine pneumatische Zuführung zur Förderung des Werkstoffs zu den in dem Rakel 3 ausgebildeten Düsen ausgebildet. Die Länge des Rakels 3 ist größer als der Radius des Fertigungsbereiches. Der Rakel wird wie im Beispiel zu Figur 1 von einem elektrisch betriebener Antrieb um die Rotationsachse 4 rotiert, um den pul- verförmigen Werkstoff gleichmäßig als eine Schicht auf der Oberfläche des Pulverbetts aufzubringen und zu verteilen.

In Rotationsrichtung 6 nach dem Rakel wird mit einem Laser- oder Elektro- nenstrahl strahl der pulverförmige Werkstoff bestrahlt, so dass er aufschmilzt oder sintert. Durch das Aufbringen weiterer Schichten und deren Bestrahlung entlang einer vorgebbaren Geometrie, wobei die absenkbare Oberfläche nach jeder Schicht um die Dicke einer Schicht abgesenkt wird, wird der dreidimensionale Körper 5 gebildet.