Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rakeleinheit für ein Additive Manufacturing System mit pulverförmigem Ausgangsmaterial. Mit der erfindungsgemäßen Rakeleinheit wird eine verbes serte Linearität der Rakel und Parallelität zur Bauebene erreicht.

Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Herstellung von Werkstücken, auch unter dem Be griff Additive Manufacturing (AM) bekannt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Man spricht auch von „generativen Herstellungsverfahren“ oder „3D-Druck“. Das Rohmaterial kann dabei in Pulverform, Drahtform oder flüssig sein. Zu den Pulverfahren zählen beispielsweise das Selective Laser Melting (SLM), das Selective Laser Sintering (SLS) oder das Electron Beam Melting (EBM). Das Rohmaterial besteht dabei aus Kunststoffen oder Metallen.

Bei den mit einem Rohmaterial in Pulverform arbeitenden Verfahren wird das Material in Form einer Schicht auf eine absenkbare Arbeitsfläche aufgetragen, um dort abschnittsweise ge schmolzen oder gesintert zu werden. Anschließend wird die Arbeitsfläche um eine Schichtdicke abgesenkt. Auf die Schicht wird dann eine weitere Schicht aufgetragen und so verfahren wie mit der ersten Schicht. Dabei werden die zu schmelzenden bzw. zu sinternden Abschnitte so ge wählt, dass schichtweise das dreidimensionale Werkstück aufgebaut wird.

Für die Qualität der Bauteile ist es wesentlich, dass die einzelnen Schichten eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Insbesondere muss die Schicht sowohl in der gesamten Ebene gleich dick sein als auch parallel zur Bauebene liegen, die anfänglich auf der absenkbaren Arbeitsfläche liegt und danach dann auf der jeweils zuvor bearbeiteten Schicht. Um dies zu erreichen, ist ein entsprechend präziser Pulverauftrag erforderlich, was wiederum an erster Stelle eine hochprä zise Rakel und Rakelführung erfordert. Hierbei treten zweierlei Probleme bei den Rakeln des Stands der Technik auf, die umso gravierender werden je größer die Rakel wird und je höher die Temperaturen im Bauraum werden. Dies sind einmal ein Durchhängen der Rakel, was eine Abweichung von der Linearität der Rakel und damit eine dünnere Pulverschicht in der Regel in der Mitte der Bewegungsbahn verursacht, und zum anderen die thermische Ausdehnung.

Waren die AM Verfahren anfänglich reine Rapid Prototyping Verfahren, die nur Designmodelle und oftmals in verkleinertem Maßstab lieferten, ist die Technik mittlerweile so weit fortgeschrit ten, dass auch größere Funktionsbauteile gebaut werden können. Insbesondere stehen neben den zunächst ausschließlich aus Polymeren bestehenden Pulvermaterialien nun auch Materia lien aus Metall, Glas und Keramik zur Verfügung. Dementsprechend sind auch die Anforderun gen an die Bauraumgröße gewachsen und mit diesen die geforderten Rakelgrößen, was die vorstehend genannten Probleme mit sich bringt.

Ferner bedarf die Verarbeitung von Metallen oder Keramik einer erheblich größeren Schmelz oder Sintertemperatur als die Kunststoffe. Daher werden für diese Verfahren auch neben stär keren Lasern Elektronenstrahlkanonen als Bestrahlungseinheiten benutzt, die mehr Energie in das Pulver eintragen können. Die so erzeugten Temperaturen erwärmen auch die Rakel, die das auf die soeben erstarrte letzte Schicht neu aufgebrachte Pulver zur neuen Schicht verteilt. Die dabei auftretende thermische Ausdehnung der Rakel erzeugt Spannungen und Deformatio nen in der Rakel zwischen den Befestigungspunkten.

Naturgemäß treten thermische Probleme bei den Polymerpulvern nur in geringerem Maße auf, da dort nur Temperaturen typischerweise von bis zu etwa 180 °C im vorgeheizten Pulverbett auftreten, während bei Metallen wie Titan und Titanlegierungen Temperaturen von bis zu über 1200 °C an der vorgeheizten Pulverbettoberfläche erforderlich sind. Die größten Probleme er geben sich daher bei Elektronenstrahl-Verfahren mit Metallpulvern, die das Hauptanwendungs feld der vorliegenden Erfindung sind. Dort treten beispielsweise an der Klinge der Rakel typi scherweise Temperaturen von etwa 400 °C in der Mitte der Rakel und etwa 50 °C in deren Randbereichen, die nicht über dem Pulverbett gelegen sind, auf. Hierdurch wird in der Aufhän gung der Klingen und den Klingen selbst durch die resultierende unterschiedlich starke thermi sche Ausdehnung eine beträchtliche Spannung erzeugt. Diese verursacht eine Abweichung von der Linearität.

Stand der Technik

In der EP 2 010 370 B1 wird beispielsweise eine Pulverauftragsvorrichtung beschrieben, die ein einfaches Wechseln ermöglichen und dabei die Parallelität zur Bauebene aufrechterhalten soll. Dabei wird ein auswechselbares Beschichtungsmodul, das in eine rahmenförmige Aufnahme vorrichtung eingesetzt werden kann, benutzt. In dem Beschichtungsmodul sind zwei Klingen an den Rändern über einen Steg verschraubt. Die Einstellungen der Klingen zur Bauebene erfolgt über die rahmenförmige Aufnahmevorrichtung, in die das Beschichtungsmodul mit den Stegen eingehängt werden kann. Somit besteht das Problem, dass die nur an den Außenseiten gela gerten Klingen sich bei größeren Dimensionen durchbiegen können. Beim Auftreten von thermi schem Verzug wirkt sich die doppelte Aufhängung, einmal der Klingen im Beschichtungsmodul in der rahmenförmigen Aufnahmevorrichtung und dann die rahmenförmige Aufnahmevorrich tung in der Gesamtvorrichtung, besonders negativ auf die Linearität und Parallelität der Klingen zur Bauebene aus.

Aufgabe

Ausgehend von diesen Problemen war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rakel einheit bereitzustellen, mit der die Nachteile der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung bereit zustellen, die auch bei großen Dimensionen und hohen Arbeitstemperaturen besonders gleich mäßige und parallel zur Bauebene ausgerichtete Pulverschichten aufzutragen vermag.

Beschreibung der Erfindung

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Rakeleinheit gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestal tungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Rakeleinheit für ein Additive Manufacturing System mit pulverförmigem Ausgangsmaterial umfasst eine Rakel und eine in dem Additive Manufacturing System horizon tal beweglich zu lagernde Aufhängung.

Wenn in der vorliegenden Anmeldung von einer Rakel gesprochen wird, so umfasst dieser Be griff sowohl die eigentlichen Klingen als auch eine damit gebildete Verbundeinheit, beispiels weise also bei einer Doppelklinge die beiden Klingen sowie die diese verbindenden Mittel.

Die Aufhängung umfasst eine Traverse, die auf der einen Seite in einem Festlager und auf der anderen Seite in einem Loslager gelagert ist, wobei die Traverse über das Festlager und das Loslager jeweils mit einer Führungskonsole verbunden ist.

Die Rakel ist über eine Vielzahl von Befestigungsmitteln entlang ihrer Länge hängend unter der Traverse befestigt, wobei die Befestigungsmittel eine Abstandsjustierung zwischen Rakel und Traverse zur parallelen Ausrichtung der Rakel zu einer Bauebene des Additive Manufacturing Systems erlauben. Entsprechend der Länge der Rakel ist hierzu eine Anzahl an Befestigungs mitteln vorzusehen, die die Abstände zwischen diesen ausreichend kurz hält, um ein Durchhän gen zu verhindern und eine präzise Justierung der Linearität der hängenden Rakel zu ermögli chen. Über die Gesamtheit der justierbaren Befestigungsmittel kann dann die Parallelität zur Bauebene hergestellt werden.

Der wesentliche Gesichtspunkt ist die Planarität der aufgebrachten Schicht. Hierbei sind der maximal erreichbaren Präzision Grenzen gesetzt durch die Pulverkorngröße des verwendeten Metallpulvers. Mit dem erfindungsgemäßen Rakelsystem wird eine Planarität der Pulverschicht angestrebt, die einer Abweichung von weniger als dem halben durchschnittlichen Pulverkorn durchmesser dso entspricht. Gängige Metallpulver für das EBM Verfahren liegen derzeit bei ei nem durchschnittlichen Pulverkorndurchmesser dso von etwa 50 pm. Für Sonderfälle werden auch Pulver mit kleineren Durchmessern verwendet. Dementsprechend liegt die angestrebte Präzision für den gängigen Anlagenbetrieb bei einer Abweichung von höchstens 25 pm, vor zugsweise höchstens 10 pm.

Die Rakel kann eine Einzelklinge, Doppelklinge oder Mehrfachklinge umfassen. Diese sind symmetrisch mittenzentriert unter einem massiven Block angeordnet, durch den die Befesti gungsmittel zur Traverse laufen. Die Verbindung mit dem Block erfolgt innerhalb von Ausspa rungen, die im Bereich der senkrechten Befestigungsmittel angeordnet sind, mittels horizontaler Bolzen und zwischen den einzelnen Klingen eingefügten Abstandshaltern. Die Klingen beste hen aus flexiblen dünnen Blechen, in die eine kammartige Zähnung eingearbeitet ist, damit sie sich Unebenheiten flexibel anpassen können. Parallel zu den Klingen sind seitlich des Blocks Vorabstreifer aufgeschraubt. Sie weisen mit ihrer Unterkante einen Abstand zur Unterkante der Klingen von üblicherweise bis zu einem Millimeter, in der Regel etwa 0,5 mm, auf. Die Vorab streifer erfüllen den Zweck, den Druck durch das Pulver auf die Klinge zu minimieren und eine erste Verteilung und Glättung des Pulvers zu bewirken. Der gesamte Block ist mit einer dachar tigen Konstruktion, die flach, gewölbt oder gewinkelt ausgeführt sein kann, abgedeckt.

Die Führungskonsolen sind vorzugsweise für eine momentensteife Führung im Additive Manu facturing System geeignet. Eine momentensteife Führung bedeutet, dass die Führungskonsolen derart mit dem Additive Manufacturing System verbunden sind, dass eine Übertragung eines Moments von den Führungskonsolen auf das Additive Manufacturing System möglich ist. Es sind damit nur translatorische Bewegungen in der vorgesehenen Richtung über die Bauebene möglich, nicht jedoch in den anderen Raumrichtungen oder Rotationen.

Die horizontal bewegliche Lagerung der Aufhängung in dem Additive Manufacturing System kann beispielsweise über Schienen oder Führungsstäbe erfolgen. Diese können einzeln oder mehrfach, insbesondere doppelt, auf jeder Seite vorhanden sein. Sie müssen nicht horizontal ausgerichtet sein und als Auflager agieren, sondern können auch vorzugsweise vertikal ausge richtet sein. Letzteres ist vor allem bei einer Ausgestaltung der Schienen und der Schienenauf nahme der Führungskonsole in Form einer schwalbenschwanzartigen Verbindung und doppel ten Schienen vorteilhaft zur Ausbildung der momentensteifen Verbindung der Führungskonsolen mit dem Bauraum des Additive Manufacturing Systems.

Die Traverse der Rakeleinheit kann als Hohlkörper ausgeführt sein. Dies trägt bei gleichzeitig hoher Steifigkeit zur Gewichtsreduktion bei. Der Hohlkörper kann dabei an den Stirnseiten of fen, d. h. rohrförmig, oder geschlossen sein. Vorzugsweise weist die Traverse einen rechtecki gen oder ovalen Querschnitt auf. Dies bietet bei der Lagerung einen größeren Widerstand ge gen Drehmomente.

Bevorzugt umschließt das Festlager die Traverse an ihrem Umfang an mindestens zwei Seiten und verhindert eine Bewegung der Traverse relativ zum Festlager in allen drei Raumrichtungen.

An dem inneren Umfang des Festlagers kann ein Zentrierungsbolzen angebracht sein, der in formschlüssigem Eingriff mit einer entsprechenden Bohrung in der Traverse steht. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Positionierung der Traverse auf den Führungskonsolen erreicht. Zudem unterstützt der Zentrierungsbolzen die Befestigung der Traverse und verhindert insbe sondere in einer Ebene parallel zur Bauebene eine Bewegung der Traverse in orthogonaler Richtung zur Bewegungsrichtung der Traverse über die Bauebene.

Das Loslager kann die Traverse an ihrem Umfang derart mit Gleitelementen umschließen, dass eine Bewegung der T raverse relativ zum Loslager entlang ihrer Längsachse ermöglicht wird, während eine Bewegung in den zwei dazu senkrechten Raumrichtungen verhindert wird. Deh nen die Rakel und die Traverse sich bei Temperaturerhöhung aus, so kann hierüber eine Aus gleichsbewegung erfolgen, sodass keine Spannungen in der Rakel auftreten, die zu einer De formation führen können.

Bevorzugt weist die Rakel eine Länge von 0,1 - 5 m, vorzugsweise 0,2 - 4,5 m oder 0,25 - 4 m oder 0,3 - 3 m oder 0,3 - 2,5 m, auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Rakeleinheit sind umso größer, je länger die Rakel ist.

Bevorzugt beträgt die Parallelitätsabweichung DR, definiert als Differenz zwischen größtem und kleinstem Abstand zwischen Rakel und Bauebene, 1 - 50 pm, vorzugsweise 2 - 45 pm oder 3 - 40 pm oder 4 - 35 pm oder 5 - 30 pm oder 10 - 25 pm. Mit der Parallelitätsabweichung DR werden definitionsgemäß sowohl Neigungen der Rakel erfasst als auch Abweichungen von der Linearität. Sie ist ein Maß für die Güte der Justierung der Rakel. Die erfindungsgemäße Rakel einheit erreicht damit eine hervorragende Gleichmäßigkeit der Schichtdicken und erzielt dadurch verbesserte Bauteileigenschaften. So lassen sich beispielsweise geringere Schichtdi cken noch zuverlässig produzieren, wodurch die Oberflächengüte und die Auflösung steigen.

Die Aufhängung verfügt bevorzugt pro Meter Rakellänge über 3 - 30, vorzugsweise 3 - 25 oder 3 - 20 oder 3 - 15 oder 3 - 10 oder 3 - 5, Befestigungsmittel. Diese Anzahl an Befestigungspunk ten hat sich als ausreichend erwiesen, um auch bei sehr langen Rakeln und hohen Arbeitstem peraturen noch sicher die Linearität der Rakel einstellen zu können. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel verschraubte Bolzen. Die Bolzen müssen dabei über ausreichend lange Gewinde verfügen, um den notwendigen Verstellweg bieten zu können.

Dann können die Bolzen einfach mittels einer Mutter justiert werden. Dies erfolgt beim Einbau der Rakel. Bei Bedarf können dann die einzelnen Bolzen nachjustiert werden, um Linearität und Parallelität wiederherzustellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann bei der Rakeleinheit im laufenden Betrieb des Additive Manufacturing Systems eine Veränderung des Abstands der Rakel zur Traverse mittels auf die Befestigungsmittel wirkender elektromechanischer und/oder hydraulischer Stell glieder erfolgen. In dieser automatischen Variante der Rakeleinheit wird über optische und/oder mechanische Sensoren die Abweichung von der Linearität und Parallelität gemessen und über wacht. Diese Information wird dann zur Ansteuerung von Stellgliedern, wie beispielsweise Stell motoren oder Hydraulikleitungen mit Aktoren, genutzt, die die Länge der Befestigungsmittel ent sprechend korrigieren, um Linearität und Parallelität wiederherzustellen. Mit Hilfe dieses aktiven Systems kann nochmals eine weitere Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Schichtdicken er zielt werden und dadurch weiter verbesserte Bauteileigenschaften. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass das Additive Manufacturing System dabei nicht angehalten werden muss zur Nachjustierung, sodass ein unterbrechungsfreier Betrieb möglich wird.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht der Rakeleinheit.

Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht der Rakeleinheit von der Festlagerseite aus gesehen.

Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht der Rakeleinheit von der Loslagerseite aus gesehen.

Figur 4 ist eine perspektivische Schnittansicht der Rakeleinheit mit Schnitt durch ein Befesti gungsmittel.

Figur 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt von Figur 4, der den unteren Bereich des Befestigungs mittels und die Rakel zeigt.

Fiqurenbeschreibunq

Die Figuren zeigen lediglich eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante als Beispiel für die Erfin dung. Sie sind daher nicht als einschränkend zu verstehen.

Figur 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Rakeleinheit, die in Figur 2 und Figur 3 noch einmal perspektivisch dargestellt ist. Die in den Figuren gezeigte Ausgestal tungsvariante der Rakeleinheit ist mit einer Rakel (1) mit Doppelklinge ausgerüstet. Die Aufhän gung (2) umfasst die T raverse (3), die in der Abbildung auf der linken Seite in dem Festlager (4) und auf der rechten Seite in dem Loslager (5) gelagert ist, welche wiederum jeweils mit einer Führungskonsole (6) verbunden sind. Die Rakel (1) ist in diesem Beispiel mit sieben Befesti gungsmitteln (7) in Form von Bolzen mit endständigen Gewinden und zugehörigen Muttern an der Traverse (3) befestigt. Die Länge der Rakel (1) beträgt 2 m. Dementsprechend verfügt die Rakelaufhängung über 3,5 Befestigungsmittel pro Meter Rakellänge. Die damit erzielte Paralle litätsabweichung DR betrug 10 pm.

Die Traverse (3) trägt ihr Eigengewicht und die mechanische Last der Rakel (1). Ihr Durchbie gen kann über die Befestigungsmittel (7) ausgeglichen werden, sodass die darunter hängende Rakel (1) geradlinig und parallel zur Bauebene ausgerichtet werden kann. Wie in den Figuren 2 und 3 sichtbar ist, ist die Traverse (3) in diesem Beispiel als rohrförmiger Hohlkörper mit recht eckiger Querschnittsfläche und abgerundeten Kanten ausgebildet. Die Führungskonsolen (6) sind für eine momentensteife Führung mit je zwei Schienenaufnahmen (8) versehen, die mit Schienen mit im Wesentlichen trapezförmigem Querschnitt in der Art einer Schwalbenschwanz verbindung in Eingriff zu bringen sind. Diese Schienen sind seitlich des Baubehälters mit der Ar beitsfläche angebracht. Auf diese Weise ist ein verwindungsfreies Verfahren der Rakeleinheit über die Bauebene zur Einebnung des aufgetragenen Pulvers gewährleistet.

Wie in Figur 3 zu erkennen ist, wird das Loslager (5) hier mittels vier Gleitelementen (9) gebil det, die die Traverse (3) umfassen. Eine Ausdehnung der Traverse (3) in ihrer Längsachse ist somit möglich. Auf der Festlagerseite wird die Traverse (3) starr gehalten, kann sich aber in Richtung der Loslagerseite ausdehnen und durch das Loslager (5) gleiten, sodass keine Zwangskräfte in die Traverse (3) eingebracht werden.

In Figur 4 und Figur 5 ist der Bereich um ein Befestigungsmittel (7) vergrößert in Schnittdar stellung abgebildet. Die Bolzen der Befestigungsmittel (7) laufen in dem gezeigten Beispiel in einer Führungshülse im Inneren der Traverse (3). Die gekröpften Bereiche geben den maxima len Stellweg für die Justierung der Klingen (10) vor. Die beiden Klingen (10) sind symmetrisch mittenzentriert unter einem massiven Mittelblock (11) befestigt. Die Befestigung erfolgt in ent sprechenden Aussparungen des massiven Mittelblocks (11) über horizontale Bolzen, an denen die Klingen (10) mit Abstandshaltern voneinander getrennt befestigt sind. Seitlich davon sind die beiden Vorabstreifer (12) an den Außenseiten des Mittelblocks (11) angebracht.

Für eine aktive Steuerung der Rakeleinheit (nicht in den Figuren dargestellt) kann beispiels weise an den Führungskonsolen (6) eine Lasersensorik angebracht werden, die Linearität und Parallelität der Rakel (1) überwacht. Die so gewonnenen Informationen können dann zum Bei spiel über elektrische Stellmotoren, die die Muttern antreiben, oder Piezoelemente zur Nachjus tierung verwendet werden.

Bezuqszeichenliste

1 Rakel

2 Aufhängung

3 T raverse 4 Festlager

5 Loslager

6 Führungskonsole

7 Befestigungsmittel

8 Schienenaufnahme 9 Gleitelement

10 Klinge

11 Mittel block

12 Vorabstreifer