SCHICHTWEISEN FERTIGUNG DREIDIMENSIONALER OBJEKTE, MIT GESTRICKTE FASERMETALLDICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Sintern oder Schmelzen mit einem Hochenergiestrahl, insbesondere Laserstrahl, von pulverförmigem Material,

mit einem im Wesentlichen zylindermantelförmigen Grundkörper und einem an einer Innenseite des Grundkörpers entlang einer Zylinderachse des

Grundkörpers verfahrbaren Kolben,

wobei der Kolben an seiner Oberseite ein Substrat für das Aufwachsen eines dreidimensionalen Objekts aufweist,

und wobei am Kolben eine an der Innenseite des Grundkörpers anliegende Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials ausgebildet ist. Eine solche Bauzylinder-Anordnung ist aus der EP 1 347 853 B1 bekannt geworden.

Durch das schichtweise Fertigen dreidimensionaler Objekte mittels Lasersintern oder Laserschmelzen (auch genannt„selective laser sintering" oder„selective laser melting") können Objektgeometrien gefertigt werden, die mit

herkömmlichen Techniken (die beispielweise auf einem Gießprozess oder einem Fräsen eines Vollkörpers beruhen) nicht zugänglich sind.

Dabei wird auf einem Substrat (auch Bauplattform genannt) in einem

Bauzylinder eine dünne Schicht eines pulverförmigen Materials aufgetragen und dann an ausgewählten Orten mit einem Bearbeitungslaserstrahl

aufgeheizt, bis das pulverförmige Material aufschmilzt oder sintert.

Anschließend wird das Substrat in dem Bauzylinder um eine Schichtdicke des Pulvers abgesenkt, eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen und wiederum an ausgewählten Orten durch den

Bearbeitungslaserstrahl erhitzt, und so fort. Das Auftragen und das Erhitzen des pulverförmigen Materials finden meist unter Ausschluss von Luft statt, um Oxidationsprozesse zu vermeiden, insbesondere wenn ein metallisches pulverförmiges Material verarbeitet wird. Eine Maschine für die schichtweise Fertigung dreidimensionaler Objekte ist beispielsweise aus der EP 2 732 890 A2 bekannt geworden.

Ein analoges Vorgehen ist auch mit einem Elektronenstrahl möglich, der das pulverförmige Material lokal sintert oder aufschmilzt.

Eine Schwierigkeit bei dem beschriebenen Vorgehen ist das Verfahren des Substrats im Bauzylinder bei anliegendem pulverförmigem Material. Zum einen soll nicht unnötig pulverförmiges Material verlorengehen, und zum anderen kann das pulverförmige Material Undichtigkeiten am Bauzylinder hervorrufen, die einen unerwünschten Lufteintrag in das zu fertigende Objekt zur Folge haben. Um mechanische Spannungen im fertigen Bauteil zu vermeiden, ist es zudem vorteilhaft, das pulverförmige Material vor der Einwirkung des

Bearbeitungslaserstrahls vorzuwärmen.

Die EP 1 347 853 B1 offenbart eine Apparatur zur schichtweisen Fertigung von dreidimensionalen Objekten mittels Laserschmelzen, wobei in einer luftdichten Kammer eine Arbeitskammer angeordnet ist. Die Arbeitskammer ist mit einem Bauzylinder versehen. Ein Kolben im Bauzylinder wird gegen den Bauzylinder mit metallischen Kolbenringen aus Gusseisen abgedichtet. Oberhalb und unterhalb einer Zielfläche sind Heizkomponenten vorgesehen.

Metallische Kolbenringe aus Gusseisen sind grundsätzlich geeignet, eine gute Abdichtung des pulverförmigen Materials zu bewirken, wobei sie auch bei hohen Temperaturen einsetzbar sind. Allerdings müssen die metallischen Kolbenringe vergleichsweise exakt gefertigt werden, um Spalten beispielsweise aufgrund einer Unrundheit zu vermeiden. Da die metallischen Kolbenringe mit Übermaß ausgebildet sind, liegen diese mit großer Kraft an der Innenseite des Grundkörpers des Bauzylinders an, so dass die Betätigung des Kolbens sehr schwergängig ist.

Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2015 211 538.0 ist es bekannt geworden, an einem Kolben eine Pulverdichtung aus

keramischen Fasern, etwa A Os-Fasern, vorzusehen, mit denen das

Pulvermaterial zurückgehalten werden kann. Keramische Fasern sind jedoch unelastisch, was die Dichtwirkung beeinträchtigen kann. Zudem können abgebrochene Faserteilchen das pulverförmige Material verunreinigen und so die Qualität des gefertigten dreidimensionalen Objekts beeinträchtigen. Bei Verwendung von Graphitfaserfilzen als Pulverdichtung, wie in der SD- Druckmaschine TrumaForm LF der TRUMPF GmbH & Co. KG, Ditzingen, DE, können ebenfalls abgebrochene Faserteilchen oder auch herausgelöste Fasern das pulverförmige Material verunreinigen. Zudem sind Graphitfasern bei höheren Temperaturen (>350°) an Luftsauerstoff nicht mehr

oxidationsbeständig, was Zylinderwechselprozesse behindern kann.

Aus der EP 0 248 132 B1 ist eine Metallfaserstruktur bekannt geworden, mit der ein Gasfluss in einem Drehkompressor oder einer Turbine blockiert werden kann. Die Metallfaserstruktur ist von ringförmiger Gestalt. Eine andere

Fasermetalldichtung für eine Gasturbine ist aus der US 4,381 ,173 bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauzylinder-Anordnung vorzuschlagen, bei der eine einfache und beständige Abdichtung des Kolbens gegenüber dem pulverförmigen Material möglich ist, insbesondere wobei die Qualität des gefertigten dreidimensionalen Objekts nicht beeinträchtigt wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bauzylinder-Anordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,

dass die Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials als eine umlaufende Fasermetalldichtung aus miteinander verpressten Metallfasern ausgebildet ist, wobei die verpressten Metallfasern unter elastischer

Druckspannung zwischen dem Kolben und der Innenseite des Grundkörpers angeordnet sind.

Die Erfindung schlägt vor, eine Pulverdichtung am Kolben aus einer

Fasermetalldichtung einzurichten. Diese enthält eine Vielzahl von für sich elastischen Metallfasern (Metalldrähten), die miteinander verpresst wurden und nach dem Verpressen einen einheitlichen, als Ganzes handhabbaren

Dichtkörper ausbilden. Die Verformung beim Verpressen erfolgt aufgrund des metallischen Materials der Fasern teilweise plastisch, wodurch bereits ein guter Faserzusammenhalt erreicht werden kann, teilweise aber auch elastisch.

Die elastische Verformung des Presslings geht nach dem Verpressen wieder zurück, bzw. der Pressling weitet sich wieder etwas auf („Auffederung"), wobei im Wesentlichen Biegungen der Metallfasern zurückgehen. Man beachte, dass die Auffederung nicht nur in der Richtung des Verpressens (etwa der axialen Richtung), sondern auch in andere Richtungen erfolgt (etwa in radialer

Richtung und azimutaler Richtung). Um eine besonders große Auffederung zu erreichen, erfolgt das Verpressen beim Anfertigen der Fasermetalldichtung typischerweise kalt (Kaltverformung ohne zusätzliche Beheizung, bei

Raumtemperatur). Die Fasermetalldichtung ist also (innerhalb gewisser

Grenzen) formflexibel.

Die Fasermetalldichtung kann dann unter elastischer Spannung, insbesondere radialer elastischer Druckspannung, zwischen dem Kolben und der Innenseite des Grundkörpers des Bauzylinders eingespannt werden. Dadurch wird eine gute beidseitige Anlage erreicht, auch wenn Unebenheiten oder Unrundheiten an der Innenseite des Grundkörpers oder an der Auflage für die

Fasermetalldichtung an der Außenseite des Kolbens bestehen sollten; auch einzelne anliegende Pulverpartikel können ausgeglichen werden und führen insbesondere nicht zu einer azimutalen Spaltbildung. Die benötigte Kraft für eine elastische Verformung ist relativ gering, da diese im Wesentlichen auf der Biegeverformung von Metallfasern beruht; entsprechend ist der Kolben vergleichsweise leicht betätigbar. Über die elastische Verformung der

Fasermetalldichtung können insbesondere unterschiedliche

Wärmeausdehnungen von Kolben und Grundkörper (bedingt durch die verwendeten Materialen oder auch aufgrund von Temperaturdifferenzen bei schnellem Verschieben des Kolbens), oder auch lokal unterschiedliche

Wärmeausdehnungen im Kolben oder im Grundkörper aufgrund von

Temperaturgefällen gut ausgeglichen werden. Ebenso können leichte Verkippungen des Substrats gegenüber dem Grundkörper ausgeglichen werden, etwa bei der Justage des Substrats.

Über die Menge des verpressten metallischen Fasermaterials im

Dichtkörpervolumen kann die Dichte und damit die Durchlässigkeit gegenüber dem - meist metallischen - pulverförmigen Material eingestellt werden. Man beachte, dass für eine Dichtigkeit gegenüber Pulver bereits relativ geringe Dichten genügen. Die Dichte sollte auch nicht zu hoch gewählt werden, um den elastischen Verformungsbereich nicht zu stark zu begrenzen.

Die Metallfasern sind typischerweise mit einem Durchmesser zwischen 0,1 mm und 0,4 mm, meist zwischen 0,2 mm und 0,25 mm ausgebildet. Eine typische Dichte der verpressten Metallfasern beträgt zwischen 30% und 60%, meist um ca. 40%. Bei diesen Maßen hat sich ein gutes elastischen Verhalten

eingestellt. Die Fasermetalldichtung ist typischerweise dicht für Pulverpartikel mit einem Durchmesser zwischen 25 pm und 100 pm, nicht aber gasdicht.

Die Metallfasern bilden typischerweise (bereits vor dem Verpressen) ein Geflecht oder Gestrick aus, wodurch ein besonders guter Zusammenhalt der Fasern erreicht wird, so dass sich einzelne Fasern nicht lösen und nicht in das pulverförmige Material geraten können. Die Verpressung der Metallfasern erfolgt typischerweise in einem speziellen Werkzeug vorab, wobei der im voll verpressten Zustand für die Metallfasern verbleibende Raum typischerweise im Wesentlichen dem Raum am montierten Bauzylinder für die

Fasermetalldichtung (bei Raumtemperatur) entspricht. Die Verpressung der Metallfasern bei der Fertigung der Fasermetalldichtung erfolgt typischerweise in axialer Richtung.

Beim Verpressen der Metallfasern (sowohl in der Fertigung der

Fasermetalldichtung, als auch beim Einsetzen der Fasermetalldichtung in den Bauzylinder), und auch im Betrieb (beim Verfahren des Kolbens einschließlich der Fasermetalldichtung im Grundkörper) kommt es in der Regel zu keinen oder allenfalls sehr wenigen Faserbrüchen, da die Fasern aufgrund ihrer metallischen Eigenschaften nicht spröde sind.

Das metallische Material der Fasern ist grundsätzlich geeignet, auch bei höheren Temperaturen (> 500 °C) eingesetzt zu werden (anders etwa als Elastomere). Auch ein Aussetzen der Fasern in einem heißen Zustand an Luftsauerstoff kann durch geeignete Wahl des metallischen Faserwerkstoffs ermöglicht werden (anders als etwa Graphitfasern, die bei höheren

Temperaturen abrauchen).

Im Rahmen der Erfindung wird als Hochenergiestrahl typischerweise ein Laserstrahl eingesetzt; alternativ ist auch ein Elektronenstrahl (bei Betreib im Vakuum) möglich. Der Hochenergiestrahl reicht aus, um eine Schicht des pulverförmigen Materials aufzuschmelzen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bauzylinder- Anordnung ist vorgesehen, dass die miteinander verpressten Metallfasern ein Metallgestrick ausbilden. Durch die beim Stricken ausgebildeten Schlaufen wird ein besonders guter Zusammenhalt der Metallfasern erreicht. Insgesamt werden nur wenige einzelne Fasern eingesetzt; Faserenden entstehen im Wesentlichen nur durch Schneidprozesse. Entsprechend können sich kaum einzelne Fasern aus der Fasermetalldichtung lösen und ins pulverförmige Material gelangen und dieses verunreinigen. Somit ist eine besonders gute Qualität des gefertigten dreidimensionalen Objekts möglich.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der das Metallgestrick als ein umlaufend geschlossenes Strumpfgestrick

ausgebildet ist. Das umlaufende Strumpfgestrick kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch, entsprechend dem abzudichtenden Kolbenumfang, und ohne azimutale Enden ausgebildet werden, wodurch eine besonders gleichmäßige Dichtwirkung erreicht wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Fasermetalldichtung durch das Einbringen in den Grundkörper bei Raumtemperatur bezüglich ihres Durchmessers um wenigstens 0,4 mm und/oder um wenigstens 0,8% elastisch gestaucht ist. Diese Stauchung reicht in der Regel gut aus, um durch

Wärmeausdehnung bedingtes Spiel zwischen Kolben und Grundkörper auszugleichen und so auch bei höheren Temperaturen eine gute Dichtwirkung für das pulverförmige Material zu unterhalten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die

Fasermetalldichtung so ausgebildet ist, insbesondere bezüglich ihres Materials und/oder ihrer Dichte, dass sich eine Wärmeausdehnung des

Innendurchmessers des Grundkörpers und eine Wärmeausdehnung des Außendurchmessers der Fasermetalldichtung zwischen Raumtemperatur RT und der Einsatztemperatur ET um maximal einen Faktor 2 unterscheiden, bevorzugt um maximal einen Faktor 1 ,5 unterscheiden, mit 500°C ^ ET < 1000°C. Durch die ähnlichen Wärmeausdehnungen bzw.

Wärmeausdehnungskoeffizienten kann sichergestellt werden, dass die

Pulverdichtung dem Grundkörper in ausreichendem Maße folgen kann, so dass die Dichtwirkung auch bei der Einsatztemperatur erhalten bleibt. Die

Einsatztemperatur wird im Wesentlichen durch die gewünschte Temperatur des pulverförm igen Materials bestimmt.

Bevorzugt ist weiter eine Ausführungsform, bei der die Fasermetalldichtung in eine Nut an der Außenseite des Kolbens eingesetzt ist, wobei die

Fasermetalldichtung die Nut radial überragt. Diese Geometrie hat sich für einen festen axialen Sitz der Fasermetalldichtung bewährt. Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Nut durch einen ersten Dichtungsträgerteil und einen zweiten Dichtungsträgerteil, der mit einer Bajonettmechanik gegenüber dem ersten Dichtungsträgerteil verdrehbar ist, ausgebildet wird. Beispielweise bildet eines der

Dichtungsträgerteile eine„Schulter" aus, und eines der Dichtungsträgerteile einen„Deckel". Durch die zweiteilige Ausbildung kann eine starke

(möglicherweise teilweise plastische) Verformung der Fasermetalldichtung beim Anbringen der Fasermetalldichtung am Kolben vermieden werden, und die Fasermetalldichtung kann eng in der Nut anliegen.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Fasermetalldichtung aus einem Material gefertigt ist, das bei einer Einsatztemperatur ET beständig gegen Korrosion an Luftsauerstoff ist, mit 500°C < ET < 1000X. Mit dieser Ausführungsform ist ein Wechsel des Bauzylinders (bzw. eines Teils davon) an einer Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte erleichtert bzw. beschleunigt möglich. Die Fasermetalldichtung kann im heißen Zustand Luftsauerstoff ausgesetzt werden, ohne dass diese beschädigt wird. Entsprechend braucht mit einem Wechsel des Bauzylinders (bzw. eines Teils davon) nicht abgewartet werden, bis dieser erkaltet ist, wenn beim Wechsel die Dichtung (typischerweise von der vom gefertigten Objekt abgewandten Seite) mit Luftsauerstoff in Berührung kommt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Fasermetalldichtung aus einem Material gefertigt ist, bei dem eine Streckgrenze R _P , o,2 ^ET bei einer Einsatztemperatur ET wenigstens 75% der Streckgrenze R _p , o,2 ^RT bei

Raumtemperatur RT beträgt, nachdem die Fasermetalldichtung über 100 Stunden bei der Einsatztemperatur ET gehalten wurde, mit 500°C < ET < 1000°C. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Absolutwert der Streckgrenze R _P , o,2 ^ET bei der Einsatztemperatur ET nach 100 Stunden wenigstens 100 MPa. Durch diese Materialwahl ist sichergestellt, dass die elastische Druckspannung, mit der die Fasermetalldichtung an den Grundkörper drückt, auch bei der Einsatztemperatur noch im Wesentlichen erhalten bleibt, und somit auch die Dichtigkeit gewährleistet bleibt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Fasermetalldichtung aus einem Edelstahl, insbesondere Ni-haltigem Edelstahl, oder einer Ni- Legierung, insbesondere Hastalloy oder Inconel, besonders bevorzugt ausscheidungsgehärtetes Inconel 718, gefertigt. Diese Materialien sind aufgrund ihrer Eigenschaften, insbesondere hohen Korrosionsbeständigkeit und geringen Materialerweichung bei höherer Temperatur, besonders für die vorliegende Erfindung geeignet.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Substrat und die Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials an einem oberen Teil des Kolbens ausgebildet sind, der lösbar an einem übrigen Teil des Kolbens angeordnet ist, insbesondere mit einem Klemmmechanismus und/oder einer Verdrehsicherung, und dass in dem übrigen Teil des Kolbens eine

Heizeinrichtung ausgebildet ist, mit der das Substrat auf eine Einsatztemperatur ET aufgeheizt werden kann, wobei 500°C < ET < 1000°C. Durch die

Ablösbarkeit des oberen Teils (Teilbarkeit des Kolbens) kann bei einem

Wechsel des zu fertigenden Objekts der übrige Teil des Kolbens mit

verschiedenen Bauzylinder-Anordnungen genutzt werden. Insbesondere ist nur eine Heizeinrichtung nötig.

Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, die vorsieht, dass der übrige Teil einen mittleren Teil des Kolbens umfasst, in welchem die

Heizeinrichtung zur Temperierung des Substrats vorgesehen ist, dass der übrige Teil weiterhin einen unteren Teil des Kolbens umfasst, in welchem eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Kolbens vorgesehen ist, dass zwischen dem mittleren Teil und dem unteren Teil eine thermische Isolation vorgesehen ist, insbesondere eine Keramikplatte,

und dass der untere Teil des Kolbens eine umlaufende, an der Innenseite des Grundkörpers anliegende Dichtung zur Abdichtung von Gas ausgebildet ist, die ganz oder teilweise aus einem Elastomermaterial gefertigt ist. Bei dieser Bauform kann die Gasdichtigkeit des Kolbens gegenüber dem Grundkörper im Baubetrieb über die Dichtung zur Abdichtung von Gas („Gasdichtung") am unteren Teil sichergestellt werden; aufgrund des dort verwendeten

Elastomermaterials kann eine besonders hohe Dichtwirkung erzielt werden. Der Einsatz des temperaturempfindlichen Elastomermaterials ist möglich, weil mittels der thermischen Isolation zum mittleren Teil (der die Heizeinrichtung enthält) und der Kühleinrichtung im unteren Teil dort eine vergleichsweise geringe Temperatur eingerichtet werden kann, insbesondere sehr viel geringer als im Bereich der Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials („Pulverdichtung") im oberen Teil.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Dichtung zur Abdichtung von Gas als eine hydraulische oder pneumatische Dichtung ausgebildet ist, deren

Außendurchmesser durch einen Druck von Hydraulikflüssigkeit oder Gas in der Dichtung einstellbar ist. Dadurch kann beim Aus- und/oder Einfahren des unteren Teils in den Grundkörper der Bauzylinder-Anordnung die Gasdichtung radial zusammengezogen werden, so dass diese das Verfahren des Kolbens nicht behindert und auch eine Gefahr von Beschädigungen der Gasdichtung verringert ist.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der der Grundkörper einen im Wesentlichen zylindermantelförmigen Isolationskörper umfasst, der zumindest die Innenseite des Grundkörpers ausbildet,

wobei der Isolationskörper aus einem Material mit einer spezifischen

Wärmeleitfähigkeit λικ besteht, mit λικ ^ 3 W/(m*K), insbesondere wobei das Material des Isolationskörpers eine Keramik oder ein Glas, bevorzugt

Quarzglas, besonders bevorzugt opakes Quarzglas, ist. Dies verringert eine Wärmeübertragung durch den Grundkörper, insbesondere so dass ein unterer Teil des Kolbens und insbesondere eine dortige Gasdichtung keinen oder nur einen geringen Wärmeeintrag über den Grundkörper erfährt.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte durch Lasersintern oder Laserschmelzen von pulverförmigem Material,

umfassend

- eine Prozesskammer, an der eine Vorratszylinder-Anordnung für das pulverförmige Material und eine Bauzylinder-Anordnung mit einem Substrat zum Aufwachsen eines dreidimensionalen Objekts angeschlossen sind, und in welcher ein Schieber zum Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen

Materials aus der Vorratszylinder-Anordnung auf das Substrat der Bauzylinder- Anordnung angeordnet ist,

- einen Bearbeitungslaser zur Erzeugung eines Bearbeitungslaserstrahls oder eine Einkoppeleinrichtung für einen Bearbeitungslaserstrahl, und

- eine Scanneroptik zum Scannen des Bearbeitungslaserstrahls über das Substrat,

die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bauzylinder-Anordnung

erfindungsgemäß wie oben beschrieben ausgebildet ist, und dass eine

Austauschmechanik vorgesehen ist, mit der der Grundkörper zusammen mit dem Substrat einschließlich darauf gefertigtem dreidimensionalem Objekt und der Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials gegen einen weiteren Grundkörper zusammen mit einem weiteren Substrat und einer weiteren Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials für die

Fertigung eines nächsten dreidimensionalen Objekts auf dem weiteren Substrat ausgetauscht werden kann. Mit dieser Maschine ist es möglich,

dreidimensionale Objekte in schneller Folge zu fertigen. Durch den Austausch der Grundkörper samt Substrat, gefertigtem Objekt und Dichtung kann mit der Fertigung des neuen dreidimensionalen Objekts grundsätzlich begonnen werden, auch wenn das zuvor gefertigte dreidimensionale Objekt noch nicht abgekühlt ist. Durch den Grundkörper, das Substrat und die Dichtung und typischerweise einen oben abschließenden Deckel kann das Objekt zu einem gewissen Grad vor Luftsauerstoff geschützt werden, falls erforderlich. Die Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials ist aus Metallfasern gefertigt, mit denen (im Gegensatz zu Graphitfasern) ein Kontakt mit

Luftsauerstoff bei erhöhten Temperaturen nicht zu einer Beschädigung oder Zerstörung der der Dichtung führt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die

Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung, montiert an einer Prozesskammer, während einer Laserschmelzbearbeitung eines zu fertigenden Objekts;

Fig. 2 die Bauzylinder-Anordnung von Fig. 1 nach Fertigstellung des

Objekts, beim Einfahren von Riegeln; Fig. 3 die Bauzylinder-Anordnung von Fig. 1 , nach Auftrennen des

Kolbens zwischen oberem Teil und übrigem Teil; eine schematische Querschnittsdarstellung des Austauschs eines Teils der Bauzylinderanordnung von Fig. 1 , nämlich des

Grundkörpers mit Substrat und Pulverdichtung („Baukammer") sowie gefertigtem Objekt, gegen eine neue, leere Baukammer; die neue, leere Baukammer von Fig. 4, beim Ankoppeln des übrigen Teils des Kolbens; eine schematische Schrägansicht einer Fasermetalldichtung für die Erfindung; eine schematische Querschnittsansicht eines Presswerkzeugs zur Fertigung einer Fasermetallsichtung für die Erfindung, im noch unverpressten Zustand; das Presswerkzeug von Fig. 7a, im verpressten Zustand; ein schematischer Querschnitt einer Fasermetalldichtung für die Erfindung, in einem zweiteiligen Dichtungsträger mit

Bajonettmechanik, im geöffneten Zustand; die Fasermetalldichtung und der Dichtungsträger von Fig. 8a, im verschlossenen Zustand; eine schematische Querschnittsdarstellung einer

erfindungsgemäßen Maschine zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte. Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bauzylinder- Anordnung 1 , die an eine Öffnung 2 im Boden 3 eine Prozesskammer angebaut ist. Die Bauzylinder-Anordnung 1 ist über Haken 31 an der

Prozesskammer eingehängt (nur in Fig. 1 dargestellt); die Haken 31 sind Teil einer Austauschmechanik 30 für Baukammern (siehe unten).

Die Bauzylinder-Anordnung 1 umfasst einen Grundkörper 5, der hier zumindest innenseitig aus einem Quarzglas geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist und eine kreiszylindermantelförmige Gestalt hat. Weiterhin umfasst die Bauzylinder- Anordnung 1 einen Kolben 6, welcher in axialer Richtung (in Fig. 1 von oben nach unten) im Grundkörper 5 verfahrbar ist. Der Kolben 6 weist einen oberen Teil 7 auf, an welchem ein Substrat 8 ausgebildet ist.

Auf dem Substrat 8 wird ein dreidimensionales Objekt 11 schichtweise gefertigt, indem jeweils oberseitiges pulverförmiges Material 10 mit einem

Hochenergiestrahl 12, hier einem Laserstrahl 13, abgetastet wird. Die Energie des Hochenergiestrahls 12 reicht aus, um eine oberste Schicht des

pulverförmigen Materials 10 aufzuschmelzen. Das pulverförmige Material 10 ist typischerweise ein Metallpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen 25 μιη bis 100 μιτι, meist mit einem D50-Wert von 40-60 pm.

Der obere Teil 7 des Kolbens 6 ist mit einer Dichtung 9 zur Abdichtung des pulverförmigem Materials 10 versehen („Pulverdichtung"), die als eine

Fasermetalldichtung ausgebildet ist (vgl. hierzu Fig. 6ff). Die Pulverdichtung 9 liegt mit radialer Druckspannung an der Innenseite des Grundkörpers 5 an.

Der obere Teil 7 des Kolbens 6 liegt auf einem übrigen Teil 23 des Kolbens 6 auf; beide Teile 7, 23 sind mit einer nicht näher dargestellten Spannvorrichtung (die ebenfalls Teil der Austauschmechanik 30 ist) reversibel aneinander verspannt, so dass die beiden Teile 7, 23 leicht voneinander getrennt und aneinander befestigt werden können. Im übrigen Teil 23 des Kolbens 6 ist eine Heizeinrichtung 14 (hier mit elektrischen Heizschleifen, nur in Fig. 1 dargestellt) ausgebildet, mit der das Substrat 8 von unten beheizt werden kann; typischerweise wird eine

Einsatztemperatur des Substrats 8 und des pulverförmigen Materials 10 von zwischen 500°C und 1000°C eingestellt, bevorzugt zwischen 500 °C und 650 °C.

In der gezeigten Ausführungsform umfasst der übrige Teil 23 des Kolbens 6 einen mittleren Teil 15, in welchem die Heizeinrichtung 14 ausgebildet ist, und einen unteren Teil 16, an welchem eine Dichtung 17 zur Abdichtung von Gas angeordnet ist („Gasdichtung"), ausgebildet. Die Gasdichtung 17 ist aus einem Elastomer gefertigt, beispielsweise aus Silikon, und kann mit Gasdruck eines Arbeitsgases aufgeblasen werden, um ihren Radius zu vergrößern und so eine engere Anlage an den Grundkörper 5 zu ermöglichen („pneumatische

Dichtung"). Im unteren Teil 16 ist weiterhin eine Kühlvorrichtung 18 (hier Kühlschlangen für ein Kühlwasser, nur in Fig. 1 dargestellt) vorgesehen, mit der der untere Teil 16, und insbesondere die Gasdichtung 17, auf einer moderaten Temperatur (meist um 100°C oder weniger) gehalten werden kann. Zwischen dem mittleren Teil 15 und dem unteren Teil 16 ist eine thermische Isolation 22, ausgebildet als eine Keramikplatte, angeordnet. Am unteren Teil 16 ist der Arm 19 einer Hubeinrichtung befestigt, mit dem der Kolben 6 axial verfahrbar ist.

Während der Fertigung des Objekts 11 ist in der Prozesskammer und im

Grundkörper 5 um das Objekt 11 herum eine Schutzgasatmosphäre (etwa N2 oder ein Edelgas wie Argon) eingerichtet. Die Gasdichtung 17 verhindert ein Eindringen von Luftsauerstoff aus der Umgebung.

Am Grundkörper 5 ist zudem eine Riegelmechanik 20 ausgebildet, mit der Riegel 21 radial aus- und einfahrbar sind. Die Riegelmechanik 20 ist ebenfalls Teil der Austauschmechanik 30. Nach der Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts 11 wird der Kolben 6 nach unten verfahren, vgl. Fig. 2, bis die Unterseite des Substrats 8 bzw. des oberen Teils 7 gerade noch axial oberhalb der Riegel 21 liegt. Sodann werden die Riegel 21 radial nach innen eingefahren.

Die Gasdichtung 17 hat den Grundkörper 5 verlassen. Der Innenraum der Bauzylinder-Anordnung 1 ist dann noch durch die Pulverdichtung 9 geschützt, wobei nun geringe Mengen Luftsauerstoff an das Objekt 11 gelangen können. Da jedoch keine Schmelzprozesse mehr stattfinden, ist dieser geringe

Sauerstoffeintrag in der Regel unkritisch. Falls gewünscht, kann noch eine Abdeckung auf die obere Öffnung 2 gelegt werden, um die darüber liegende Prozesskammer vor Sauerstoffeintrag zu schützen.

Nach einem Entkoppeln von oberem Teil 7 und übrigem Teil 23 und weiterem Absenken des Kolbens 6 wird dieser aufgetrennt. Der obere Teil 7 bleibt auf den Riegeln 21 liegen, vgl. Fig. 3, und der übrige Teil 23 des Kolbens 6 wird weiter zurückgefahren.

Nun kann die Baukammer 25, das ist der Grundkörper 5 zusammen mit dem Substrat 8 (einschließlich darauf angeordnetem gefertigtem Objekt 11 ) und der Pulverdichtung 9, hier verschlossen mit einer Abdeckung 24, von der

Prozesskammer (vgl. deren Boden 3) entfernt werden, vgl. Fig. 4. Die

Baukammer 25 und das Objekt 11 sind dabei noch heiß, insbesondere mehr als 500°C heiß. Durch die Pulverdichtung 9 und die Abdeckung 24 bleibt die im Inneren vorliegende Schutzgasatmosphäre weitgehend erhalten. Die

Pulverdichtung 9 kann aufgrund des metallischen Materials ihrer Fasern den von unten angreifenden Luftsauerstoff aushalten. Die Abkühlung der

Baukammer 25 und des gefertigten Objekts 11 kann dann abseits der

Prozesskammer in einem Abkühllager erfolgen, typischerweise über mehrere Stunden. Parallel dazu wird eine neue Baukammer 26, mit neuem Grundkörper 5 und neuem oberen Teil 7 des Kolbens 6, an der Öffnung 2 der Prozesskammer angeordnet.

Sodann fährt der Kolben 6 bzw. dessen übriger Teil 23 von unten an den oberen Teil 7 des Kolbens 6 der neuen Baukammer 26 heran, vgl. Fig. 5. Sobald ein Kontakt hergestellt ist, können die Riegel 21 radial nach außen zurückgefahren werden. Bei weiterem Anheben des Kolbens 6 fährt der untere Teil 23 in den neuen Grundkörper 5 ein; hierfür kann die Gasdichtung 17 kurzzeitig entspannt werden, um das Einfädeln der Gasdichtung 17 zu erleichtern.

Anschließend kann auf dem Substrat 8 der neuen Baukammer 26 mit dem schichtweisen Fertigen eines neuen dreidimensionalen Objekts begonnen werden. Eine Abkühlung des zuvor gefertigten dreidimensionalen Objekts 1 1 (vgl. Fig. 4) braucht nicht abgewartet zu werden.

Die Fig. 6 zeigt in einer schematischen Schrägansicht eine

Fasermetalldichtung 60, wie sie in einer erfindungsgemäßen Bauzylinder- Anordnung zum Einsatz kommt. Die Fasermetalldichtung 60 ist geschlossen ringförmig ausgebildet und besteht aus miteinander verpressten Metallfasem 61.

Typischerweise sind die Metallfasern bereits vor dem Verpressen ineinander verschlungen, typischerweise gewebt oder gestrickt, und/oder verdrillt und/oder aufgerollt (nicht näher dargestellt).

Zur Fertigung einer Fasermetalldichtung 60 für die Erfindung wird

typischerweise wie folgt vorgegangen: In einem Schritt 1 erfolgt zunächst ein Rundstricken eines Metalldrahtschlauchs (auch genannt Strumpfgestrick), typischerweise mit einem Durchmesser von ca. 80 mm. In einem Schritt 2 wird der Schlauch auf eine benötigte axiale Länge zugeschnitten, soweit erforderlich. In einem Schritt 3 wird das erhaltene Schlauchstück abgeklopft, um durch den Schnitt verursachte lose Drahtstücke zu entfernen, soweit erforderlich. In einem Schritt 4 wird Schlauchstück zu einer Gestrickschnur verdrillt. Anschließend wird in einem Schritt 5 die Schnur in ein Pressgesenk (Presswerkzeug) spiralförmig eingelegt. Schließlich erfolgt in einem Schritt 6 das Verpressen in eine Ringform.

Alternativ zu den Schritten 4 und 5 ist es auch möglich, den

Metalldrahtschlauch bzw. das Schlauchstück direkt oder nach einem axialen Aufrollen in ein Pressgesenk einzusetzen, wobei das Schlauchstück wie ein Strumpf über einen Kern des Pressgesenks übergestülpt wird.

Die Fig. 7a zeigt in einem schematischen Querschnitt ein Pressgesenk 70, mit dem eine Fasermetalldichtung für die Erfindung gefertigt werden kann.

Das rotationssymmetrische Pressgesenk 70 umfasst ein Innenteil 71 , das eine Schulter 72 aufweist, und ein im Wesentlichen rohrförmiges Außenteil 73. Im gezeigten Beispiel ist ein Metalldrahtschlauch 74 über den Kern 75 des Pressgesenks 70 gestülpt. Falls gewünscht, kann der Kern 75 nach oben hin auch konisch ausgebildet sein (nicht dargestellt), um ein Überstülpen des Metalldrahtschlauchs 74 zu erleichtern. Durch Absenken eines Pressstempels 76 wird der Metalldrahtschlauch 74 verpresst.

Dabei wird der Metalldrahtschlauch plastisch und auch elastisch verformt. Durch das Verpressen wird die Fasermetalldichtung 60 erhalten, vgl. Fig. 7b. Nach Entfernen des Presswerkzeugs kommt es zu einer Auffederung

(elastischen Weitung) der Fasermetalldichtung 60, vgl. die gestrichelte eingezeichneten Konturlinien 81 , wodurch der Außenradius, der Innenradius und die axiale Höhe der Dichtung 60 wieder zunehmen. Dieser elastische Verformungsbereich („elastisches Spiel") kann genutzt werden, um die Fasermetalldichtung 60 im montiertem Zustand in einer Bauzylinder-Anordnung einen elastischen Druck in radialer Richtung

aufzuprägen. Dadurch liegt zum einen die Fasermetalldichtung eng an der Innenseite des Grundkörpers und der Außenseite des Kolbens an, zum anderen können unterschiedliche thermische Ausdehnungen von Kolben und Grundkörper in einem gewissen Umfang ausgeglichen werden.

Für die Montage einer Fasermetalldichtung 60 kann am Kolben, etwa am Substrat, ein erstes Dichtungsträgerteil 82 mit einer Schulter 83 sowie ein zweites, deckelartiges Dichtungsträgerteil 84 vorgesehen sein, vgl. Fig. 8a. Am ersten Dichtungsträgerteil 82 ist eine Führungsnut 85 für eine Führungsnase 86 am zweiten Dichtungsträgerteil 84 ausgebildet; Führungsnut 85 und

Führungsnase 86 bilden eine Bajonettmechanik aus. Man beachte, dass typischerweise wenigstens zwei solche Führungsnuten 85 und Führungsnasen 86 vorgesehen sind, wobei zur Vereinfachung nur ein Satz in Fig. 8a dargestellt ist.

Bei abgenommenem zweiten Dichtungsträgerteil kann die Fasermetalldichtung ohne (oder allenfalls mit geringer) Verformung auf die Schulter 83 des ersten Dichtungsträgerteils 82 aufgesetzt werden.

Sodann kann das zweite Dichtungsträgerteil 84 mittels der Bajonettmechanik auf dem ersten Dichtungsträgerteil 82 aufgespannt (aufgedreht) werden, wodurch sich eine Nut 87 ausbildet, in der die Fasermetalldichtung 60 gehalten bzw. axial eingeklemmt ist, vgl. Fig. 8b. Man beachte, dass die

Fasermetalldichtung 60 radial über die Nut 87 übersteht. Das Drahtmaterial (Material der Metallfasern) der Fasermetalldichtung weist bevorzugt eine vergleichsweise geringe Wärmedehnung auf, typischerweise entsprechend dem Werkstoff des Grundkörpers (bzw. dessen Innenseite) der Bauzylinder-Anordnung. Dadurch kann die Vorspannung auch bei der

Einsatztemperatur näherungsweise konstant gehalten werden. In der Regel weicht die Wärmedehnung des Drahtmaterials weniger als 20% von der Wärmedehnung des Werkstoffs des Grundkörpers ab. Das Drahtmaterial sollte weiterhin oberhalb 500 °C, und bevorzugt bis wenigstens 600 °C, oxidationsfest an Luftsauerstoff sein, damit bei Entnahme der Baukammer im heißen Zustand die Fasermetalldichtung nicht abraucht oder sonst beschädigt wird. Das

Drahtmaterial sollte weiterhin so gewählt sein, dass dessen E-Modul bei Erwärmung auf die Einsatztemperatur nur geringfügig abfällt, bevorzugt weniger als 20% gegenüber Raumtemperatur über (wenigstens) 100 Stunden. Ebenso sollte die Streckgrenze (R _P , 0,2) bei Erwärmung nur geringfügig abfallen, bevorzugt weniger als 30% gegenüber Raumtemperatur über (wenigstens) 100 Stunden. Besonders bevorzugt als Drahtmaterialien, die auch die obigen Eigenschaften erfüllen können, sind Nickelbasislegierungen wie Inconel 718 oder Inconel X750 oder Nimonic 90.

Die Fig. 9 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine 90 zur schichtweisen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts 11 (oder auch mehrerer dreidimensionaler Objekte).

Die Maschine 90 umfasst eine gasdichte Prozesskammer 92, die in nicht näher dargestellter Weise mit einem Inertgas (Schutzgas), etwa Stickstoff oder einem Edelgas wie Argon, gefüllt und/oder gespült werden kann.

An die Prozesskammer 92 angeschlossen ist eine Vorratszylinder-Anordnung 93 für ein pul verförmiges Material 10 (gepunktet dargestellt), aus dem das dreidimensionale Objekt 11 durch Lasersintern oder Laserschmelzen gefertigt wird. Das pulverförmige Material 10 kann beispielsweise aus Metallpartikeln mit einer mittleren Korngröße (D50) von 25-100 pm bestehen. Durch schrittweises Hochfahren eines Pulver-Kolbens 95 mit einer Pulver-Hubeinrichtung 96 wird eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 10 über das Niveau des Bodens 3 der Prozesskammer 92 angehoben, so dass mit einem motorisch betätigbaren Schieber 97 diese kleine Menge zu einer erfindungsgemäßen Bauzylinder-Anordnung 1 (etwa ausgebildet wie in Fig. 1 dargestellt) verbracht werden kann.

Die ebenfalls an die Prozesskammer 92 angeschlossene Bauzylinder- Anordnung 1 verfügt über den Kolben 6, auf dem oberseitig (auf dem Substrat, nicht näher dargestellt) das dreidimensionale Objekt 11 aufgebaut wird. Jeweils vor der Fertigung einer neuen Schicht des dreidimensionalen Objekts 11 wird der Kolben 6 mit einer Hubeinrichtung 91 um einen Schritt abgesenkt, und eine kleine Menge des pulverförmigen Materials 10 wird mit dem Schieber 97 in die Bauzylinder-Anordnung 1 gestrichen.

Sodann wird die neu aufgetragene Pulverschicht von oben mit einem

Bearbeitungslaserstrahl 100 (hier aus einem lokalen Bearbeitungslaser 101 und durch ein Fenster 103 in die Prozesskammer 92 eindringend) an Stellen, die für eine lokale Verfestigung (Aufschmelzen, Aufsintern) des pulverförmigen

Materials 10 vorgesehen sind, lokal beleuchtet und dadurch lokal stark erwärmt. Der Bearbeitungslaserstrahl 100 wird dabei durch eine Scanneroptik 102 (insbesondere enthaltend einen oder mehrere Spiegel, die insgesamt um wenigstens zwei Achsen verschwenkbar sind) über das Substrat geführt (gerastert).

Danach werden weitere Schichten gefertigt, bis das dreidimensionale Objekt 11 fertiggestellt ist. Überschüssiges pulverförmiges Material 10 kann mit dem Schieber 97 in einen Sammelbehälter 94 gestrichen werden.

Für eine schnelle Abfolge der Fertigung von dreidimensionalen Objekten kann die Bauzylinder-Anordnung 1 (bzw. deren Grundkörper einschließlich oberem Teil des Kolbens 6) getauscht werden, wie in Fig. 1 bis 5 beschrieben. Bezugszeichenliste 1 Bauzylinder-Anordnung

2 Öffnung (Prozesskammer)

3 Boden (Prozesskammer)

5 Grundkörper

6 Kolben

7 oberer Teil (Kolben)

8 Substrat

9 Dichtung zur Abdichtung des pulverförmigen Materials

(Pulverdichtung)

10 pulverförmiges Material

11 dreidimensionales Objekt

12 Hochenergiestrahl

13 Laserstrahl

14 Heizeinrichtung

15 mittlerer Teil (Kolben)

16 unterer Teil (Kolben)

17 Dichtung zur Abdichtung von Gas (Gasdichtung)

18 Kühleinrichtung

19 Arm

20 Riegeleinrichtung

21 Riegel

22 thermische Isolation

23 übriger Teil (Kolben)

24 Abdeckung

25 Baukammer

26 neue Baukammer

30 Austauschmechanik Haken

Fasermetalldichtung

Metallfaser

Pressgesenk (Presswerkzeug)

Innenteil

Schulter (Innenteil)

Außenteil

Metalldrahtschlauch (Strumpfgestrick)

Kern

Pressstempel

Konturlinien (Fasermetalldichtung nach Auffederung) erstes Dichtungsträgerteil

Schulter (erstes Dichtungsträgerteil)

zweites Dichtungsträgerteil

Führungsnut (Bajonettmechanik)

Führungsnase (Bajonettmechanik)

Nut

Maschine

Hubeinrichtung

Prozesskammer

Vorratszylinder-Anordnung

Sammelbehälter

Pulver-Kolben

Pulver-Hubeinrichtung

Schieber

Bearbeitungslaserstrahl

Bearbeitungslaser

Scanneroptik (Laserscanner)

Fenster