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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL OBJECT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/194404
Kind Code:
A1
Abstract:
Method for producing a three-dimensional workpiece (3) made from meltable starting material, wherein the workpiece (3) is divided into 3D sections (10) by section planes lying parallel to each other, each area section being spatially delimited by an outer contour (25) of the workpiece (3), wherein in a first method step the starting material is melted using a melting unit (4), wherein the starting material is melted using two-dimensional coordinates inside the area sections, wherein the area sections are iteratively constructed layer by layer, and each area section starting from the second area section to be constructed is at least partially melted, and wherein in a subsequent method step the outer contour (25) of each area section of the workpiece (3) is trimmed, wherein the starting material is a sheet-type material, wherein a distance between two area sections lying one on top of the other corresponds to the thickness of a sheet, wherein, in a surface region being melted, at least one lower part of the sheet (1) lying against a boundary region between the sheet (1) and an underlying area section of the workpiece (3), and one upper part of the underlying area section, also lying against said boundary region, are impinged upon during melting.

Inventors:
KRUCK, Stefan (Götzenäcker 12, Aichhalden, 78733, DE)
Application Number:
EP2017/060765
Publication Date:
November 16, 2017
Filing Date:
May 05, 2017
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK GMBH (Johann-Maus-Strasse 2, Ditzingen, 78733, DE)
International Classes:
B22F3/105; B23K26/342; B29C64/141; B29C67/02; B33Y10/00; B33Y30/00
Attorney, Agent or Firm:
WESTPHAL, MUSSGNUG & PARTNER, PATENTANWÄLTE MBB (Am Riettor 5, Villingen-Schwenningen, 78048, DE)
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Claims:
Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Werk¬ stücks (3) aus aufschmelzbarem Ausgangsmaterial, wobei das Werkstück (3) durch parallel zueinander liegende Schnitt¬ ebenen in Raumschnitte (10) aufgeteilt ist, die jeweils durch eine Außenkontur (25) des Werkstücks (3) räumlich begrenzt sind, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Ausgangsmaterial mit einer AufSchmelzeinheit (4) aufge¬ schmolzen wird, wobei das Aufschmelzen entsprechend zwei¬ dimensionaler Koordinaten innerhalb von den Raumschnitten (10) erfolgt, wobei die Raumschnitte in einem iterativen Aufbau Schicht für Schicht aufgebaut und ab einem zweit aufgebauten Raumschnitt je Raumschnitt zumindest teilflä¬ chig aufgeschmolzen werden, und wobei in einem nachfolgen¬ den Verfahrensschritt je Raumschnitt die Außenkontur (25) des Werkstücks (3) beschnitten wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Aus¬ gangsmaterial ein blechförmiges Material ist, wobei ein Abstand zwischen zwei aufeinander liegenden Raumschnitten (10) einer Blechdicke entspricht, wobei, in einem unter AufSchmelzwirkung stehenden Flächenbereich, zumindest ein unterer Teil des Blechs (1), der an einem Grenzbereich zwischen dem Blech (1) und einem darunter liegenden Raum¬ schnitt des Werkstücks (3) anliegt, und einen oberen Teil des darunter liegenden Raumschnitts, der ebenfalls an dem Grenzbereich anliegt, beim Aufschmelzen beaufschlagt wer¬ den . 2. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das in zumindest einer Dicke bevorratete Blech (1) ein Tafelzu¬ schnitt ist. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das zu¬ mindest in einer Dicke bevorratete Blech (1) in einem auf¬ gewickelten Zustand, also einem Coil (2) vorgespeichert ist .

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine un¬ terste, zuerst aufgetragene Blechschicht auf einem Objekt¬ träger (12) aufliegt.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die un¬ terste Blechschicht von einer Antriebseinheit entsprechend der jeweiligen Schichtdicke nach jedem Schichtauftrag nach unten verfahren wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Schneideinheit (5) zum Schneiden von Blechreststücken (8) des Bleches (1) verwendet wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Blech (1) durch die AufSchmelzeinheit (4) abgeschnitten wird .

Verfahren nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auf¬ schmelzeinheit (4) und die Schneideinheit (5) eine einzige Einheit bilden, die ein Laser ist.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumin¬ dest zur Bildung der untersten Blechschicht das Blech (1) derart abgeschnitten wird, dass die unterste Blechschicht durch zumindest eine Anbindung (9) an dem Blech (1) gehal¬ ten ist, wobei die Anbindung (9) aus zumindest einem Teil¬ bereich des Blechs (1) besteht.

Verfahren nach Anspruch 9,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Blech (1) so geschnitten wird, dass Ausnehmungen gebildet werden, die geeignet sind, die Blechreststücke (8) anderer Blechschichten nach unten durchfallen zu lassen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Blechreststücke (8) durch einen Auffangbereich (11) aufge¬ fangen werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aus¬ gestaltung der Anbindungen (9) durch Computergestüt ze Be¬ rechnung festgelegt wird, um Blechreststücke (8) oberer Blechschichten nach unten durchfallen zu lassen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Blechreststücke (8) entlang Zwischenschnitten (14) zer¬ kleinert werden, wobei die Zwischenschnitten (14) durch computergestützte Berechnung festgelegt werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumin¬ dest eine Anbindung (9) zu einem festgelegten Zeitpunkt von der Schneideinheit (5) durchtrennt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Blech (1) in einem zumindest teilweise ausgesparten Zu¬ stand als Vormaterial vorliegt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass nach ei¬ nem Schmelzvorgang und einem Abschneide-, bzw. Trennvor¬ gang zwischen dem abgeschnittenen Blech (1) und dem zumin- dest teilweise erstellten Werkstück (3) durch dessen Rela¬ tivbewegungen orthogonal zu den Schnittebenen die Blech¬ reststücke (8) abtransportiert werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der

Schmelzvorgang unter Einwirkung eines Schutzgases abläuft.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Blech (1) in verschiedenen Dicken bevorratet wird und ent¬ sprechend der Geometrie des zu erstellenden Werkstücks (3) unterschiedliche Blechdicken für verschiedene Raumschnitte verwendet werden. 19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Raumschnitt in Teilschnitten (20) aufgeteilt wird, wobei eine Breite des Blechs (1) einer Breite der Teilschnitte (20) entspricht, wobei nach jedem AufSchmelzvorgang eines Teilschnitts (20) das Blech (1) entlang Zusatzschnitten

(27) abgeschnitten wird und nach Abarbeitung des Teil¬ schnitts (20) das Blech (1) zusätzlich zur Vorschubbewe¬ gung (26) seitlich versetzt wird, wobei dieser Vorgang iterativ wiederholt wird, bis der gesamte Raumschnitt ab- gedeckt ist, wobei nach Abarbeitung dieser Verfahrens- schritte der Verfahrensschritt des Beschneidens der Teil¬ schnitte (20) entlang der Außenkontur (25) folgt.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Aus gangswerkstoff Metall ist.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor ei¬ nem Aufschmelzvorgang die oberste Blechschicht auf die da runterliegende Blechschicht aufgepresst wird.

22. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werk¬ stücks (3) aus aufschmelzbarem Ausgangsmaterial, wobei das Werkstück (3) durch parallel zueinander liegende Schnittebenen in Raumschnitte (10) aufgeteilt ist, die jeweils durch eine Außenkontur (25) des Werkstücks (3) räumlich begrenzt sind, wobei das Ausgangsmaterial mit einer AufSchmelzeinheit (4) aufgeschmolzen wird, wobei das Aufschmelzen entsprechend zwei¬ dimensionaler Koordinaten innerhalb von den Raumschnitten er¬ folgt, wobei die Raumschnitte zumindest teilflächig aufge¬ schmolzen werden,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Aus¬ gangsmaterial ein blechförmiges Material ist, wobei ein Ab¬ stand zwischen zwei aufeinander liegenden Raumschnitten (10) einer Blechdicke (19) entspricht.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus einem blechförmigen Vorma ¬ terial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Ober ¬ begriff des Anspruchs 22. Werkstücke werden heute vermehrt mittels additiver Fertigung erstellt. Die additive Fertigung wurde in der Vergangenheit auch Rapid Prototyping genannt, was jedoch aufgrund der Leis ¬ tungsfähigkeit neuer Anlagen als Bezeichnung nicht treffend gewählt ist. Neue Anlagen eignen sich nämlich nicht nur für Prototypen sondern zunehmend auch für die Serienfertigung. Die Fertigung erfolgt direkt auf der Basis der rechnerinternen Da ¬ tenmodelle aus formlosem (Flüssigkeiten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, drahtförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich um urformende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine spe ¬ ziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstücks gespeichert haben (zum Beispiel Gussformen). Hierin liegt ein Vorteil der additiven Fertigungsverfahren, da keine Werkzeugkosten anfallen. Zudem lassen sich oftmals Geo- metrien herstellen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden nicht oder nur sehr schwierig möglich wären.

Hier und im Folgenden wird die additive Fertigung entsprechend dem im Volksmund gebräuchlichen Begriff 3D-Druck genannt.

Hier und im Folgenden - insbesondere in den Patentansprüchen - ist mit Werkstück der herzustellende, dreidimensionale Gegen ¬ stand gemeint, aufgrund des beschreibenden Herstellungsprozes ¬ ses ist jedoch auch das nur teilweise fertiggestellte Werk ¬ stück mit Werkstück bezeichnet. Am Markt bekannte 3D-Druck Verfahren haben insbesondere für den Druck von metallischen Bauteilen den Nachteil, dass der Basiswerkstoff als Pulver vorliegen muss. Dieses Pulver wird zumeist schichtweise aufgetragen und je Schicht von einem La ¬ ser aufgeschmolzen. Diese Pulver sind insbesondere für Metall ¬ pulver sehr teuer, was unter anderem am aufwändigen Herstell ¬ verfahren liegt. Solche Pulververwendung kommt insbesondere beim selektiven Lasersintern - hier und im Folgenden SLS ge ¬ nannt - zum Einsatz.

Aus der US-PS 5,637,175 ist ein Verfahren bekannt, welches mit Blechschichten arbeitet. Hierbei werden die Blechschichten aufeinandergestapelt , verklebt oder verlötet und an der Außen ¬ kontur innerhalb des Werkstückschnitts ausgeschnitten. Dieses Verfahren wird hier und im Folgenden mit Laminated-Object- Manufacturing, kurz LOM bezeichnet.

Aus der WO 99/02342 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, wel ¬ ches ebenfalls dem LOM zugeordnet werden kann. Bei dem in die ¬ ser Druckschrift beschriebenen Verfahren wird ein Verbundmate ¬ rial eingesetzt, welches aus dem eigentlichen Werkstoff und einer niedriger schmelzenden Lotschicht besteht. Die Lot ¬ schichten werden nach jedem Schichtaufbau aufgeschmolzen, wo ¬ mit ein Verkleben der laminaren Schichten entsteht.

Aus der DE 101 60 772 AI ist ein Verfahren bekannt, welches ebenfalls dem LOM zugeordnet werden kann. Hierbei kommen zwei Verfahrensabschnitte zur Anwendung. Im ersten Verfahrensab ¬ schnitt werden Folienausschnitte - entsprechend der Werkstück ¬ schnitte ausgeschnitten - aufeinander gestapelt. Bei diesen Folienausschnitten ist jeweils eine niedrigschmelzendere

Schicht zwischengelegt. Der gesamte Schichtaufbau - also das aus kaum verbundenen laminaren Lagen bestehende Werkstück - wird in einem zweiten Verfahrensschritt einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierbei tritt eine zumindest teilweise stoffliche Verbindung ein, da das niedriger schmelzende Material schmilzt .

Die DE 4124961 AI offenbart ein Verfahren, bei dem Folien aus einer Platte zugeschnitten werden. Die einzelnen Folien werden mittels eines Laserschweißverfahrens zusammengefügt, um den gewünschten Körper schichtweise aufzubauen. Bei diesem Verfah ¬ ren werden also zuerst Teilkörper entsprechend der Ebenen ¬ schnitte gebildet -Verfahrensschritt 1- , welche dann zusam- mengefügt werden -Verfahrensschritt 2- .

Alle dem LOM zuzuordnenden Verfahren haben zum Ziel, dass die Werkstückschnitte aus einem Plattenmaterial ausgeschnitten werden, womit ein Schneidwerkzeug oder ein Laser nur die Au- ßenkontur abfahren muss. Es werden also in einem ersten Ver ¬ fahrensschritt Teilkörper gebildet, die nachträglich zusammen ¬ gefügt werden. Die einzelnen Schichten sind untereinander qua ¬ si geklebt oder mit einem Fremdmaterial Stoffschlüssig verbun ¬ den, womit im Werkstück quasi Laminarschichten vorhanden sind. Auch ein Diffusionsschweißen, also ein Aufeinanderpressen der Schichten nahe des Schmelzpunktes des Werkstoffs ist bekannt. Die LOM Verfahren haben also das Hauptziel, die Erstellungs ¬ zeit der 3D-Druck-Werkstücke zu verkürzen, was dadurch erzielt wird, dass lediglich die Außenkontur gelasert (oder geschnit- ten) wird. Im Gegensatz hierzu haben beispielsweise die SLS- Verfahren das Hauptziel, einen Stoffschluss durch das gesamte Werkstück zu erzielen, womit möglichst keine Laminarschichten vorhanden sind, sondern lediglich ein schichtweiser Herstel- lungsprozess .

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen 3D-Druck er ¬ möglicht, ohne als Ausgangsmaterial ein Pulver zu benötigen. Das Ausgangsmaterial soll möglichst als marktübliche Massenwa- re zur Verfügung stehen. Das Werkstück soll trotzdem an den nötigen Stellen gewünschte Festigkeiten durch durchgängigen Stoffschluss aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 22.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Um das Werkstück herzustellen, wird zunächst ein 3D-Modell des Werkstücks erzeugt, mit dem das zu fertigende Werkstück durch parallel zueinander liegenden Schnittebenen in Raumschnitten aufgeteilt wird, wobei jeder Raumschnitt zwischen zwei aufei ¬ nander liegenden Schnittebenen und durch die Außenkontur des Werkstücks räumlich begrenzt ist. In diesem 3D-Modell wird auch definiert, wo ein Aufschmelzen zweier aufeinander liegen ¬ der Raumschnitte erfolgen sollte, zum Beispiel entsprechend zweidimensionaler Koordinaten. Das erfindungsgemäße Verfahren weist als Ausgangswerkstoff bzw. als AufSchmelzmaterial ein Blech bzw. mehrere Bleche auf. Dies bedeutet, dass das Auf ¬ schmelzmaterial vor dem AufSchmelzvorgang in festem Zustand vorliegt. Das Blech wird schichtweise aufgetragen, wobei jede Schicht einem Raumschnitt des 3D-Modells entspricht und die Schichten in der gleichen Reihenfolge wie in dem 3D-Modell aufgetragen werden. Die Dicke einer Schicht entspricht somit der Distanz zwischen zwei aufeinander liegenden Schnittebenen des 3D-Modells. Nach dem Auftrag einer neuen Schicht, welche direkt auf die darunterliegende Schicht aufgetragen wird, wird diese entsprechend des 3D-Bauteilschnittes aus dem 3D- Datenmodell aufgeschmolzen. Dieses Aufschmelzen erzeugt eine Stoffschlüssige Verbindung mit der darunterliegenden Schicht. Solche AufSchmelzvorgänge können auch als Schmelzschweißen be ¬ zeichnet werden. An einer Bearbeitungsposition wird die neue, oberste Schicht über zumindest deren unteren Teil und die da- runterliegende Schicht zumindest über deren oberen Teil aufge- schmolzen. Dieser AufSchmelzvorgang erfolgt ab der zweiten Blechschicht. Die erste, unterste Blechschicht muss nicht auf ¬ geschmolzen werden, da die zweite, darüberliegende Schicht bei deren AufSchmelzvorgang die unterste Schicht mitanschmilzt. Das Aufschmelzen erfolgt mit einer AufSchmelzeinheit . Unter Einsatz von Steuermitteln und entsprechender Antriebe erfolgt das Verschieben der AufSchmelzeinheit oder des Blechverbunds entsprechend der gewünschten X- und Y-Koordinaten im jeweili ¬ gen Raumschnitt. Die Steuermittel steuern zudem den Relativab- stand S zwischen AufSchmelzeinheit und der obersten Blech ¬ schicht. Als Blech wird ein flaches Walzwerkfertigprodukt be ¬ zeichnet. Besonders dünne Bleche werden als Folie bezeichnet. Hier und im Folgenden wird der Begriff Blech als übergreifende Bezeichnung verwendet.

Die Erfindung beschreibt ein zumindest teilflächiges Auf ¬ schmelzen des Ausgangsmaterials. Dies bietet den Vorteil, dass ganz neue Werkstücke entwickelt werden können, da beispiels ¬ weise aufeinandergelegte Bleche mit einer lediglich an den Randbereichen aufgeschmolzenen Bereichen generiert werden kön ¬ nen. Somit ergibt sich eine gesamte Außenhülle, die laminare Innenbereiche aufweist, welche ihrerseits mit großen Zugkräf ¬ ten beansprucht werden können. Mit geeigneter Wahl der Werk ¬ stücklage während der Erstellung im 3D-Drucker kann somit die Bauteilfestigkeit (durch Lage der laminaren Innenbereiche) be ¬ stimmt werden.

Vorzugsweise liegt das Ausgangsblech in einem Tafelzuschnitt vor. Jede Blechschicht wird als Tafel auf die nächste Blech- schicht aufgesetzt.

Vorteilhafterweise liegt das Ausgangsblech in einem Coilzu- stand vor, also aufgerollt. Dies bietet den Vorteil, dass jede neue Schicht einfach von der Rolle abgewickelt werden kann. Das Ausgangsblech liegt also in einem quasi Endloszustand vor. Dies bietet den Zusatzvorteil, dass bei geringen benötigten Werkstückquerschnitten auch nur eine geringe Blechfläche nach ¬ geschoben werden muss. Bei einer Tafelverwendung müsste immer eine neue Tafel nachgeschoben werden, was viel Abfall zur Fol- ge hätte.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Objektträger verwendet, der die unterste Blechschicht aufnimmt. In einer Weiterbildung der Erfindung wird die unterste Blech ¬ schicht von einer Antriebseinheit entsprechend der jeweiligen Schichtdicke nach jedem Schichtauftrag nach unten, das heißt, entlang einer quer zu den Schnittebenen laufenden Achse in Richtung des erst aufgetragenen Blechschicht, verfahren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die unterste Blechschicht von einer Antriebseinheit verfahren, sondern die oberste, also neu aufgetragene Blechschicht wird verfahren .

Vorteilhafterweise ist eine Schneideinheit angeordnet, welche geeignet ist, das Blech entlang der Außenkontur des neu aufge ¬ tragenen Raumschnittes des Werkstückes so zu schneiden, dass Blechreststücke entstehen. Die Blechreststücke sind damit die Teile des Blechs, die nicht innerhalb des Raumschnitts, bzw. der Blechschicht des Werkstücks angeordnet sind. Diese Blech ¬ reststücke bilden also nicht, wie die von der Aufschmelzein- heit geschmolzenen Flächenbereiche einen Materialverbund mit dem zu druckenden Werkstück, sondern Abfallstücke.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die AufSchmelzeinheit geeignet ausgebildet, auch als Schneideinheit eingesetzt zu werden . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind AufSchmelzeinheit und Schneideinheit als eine einzige Einheit ausgebildet, welche ein Laser ist.

Vorzugsweise wird zumindest die unterste Blechschicht derart an zumindest einer Anbindung gehalten, welche zumindest einen Teilbereich des Ausgangsbleches aufweist und auf dem Aufnahme ¬ rahmen aufliegt. Hierdurch bildet diese Blechschicht eine Art Rahmen, der das gesamte Druckobjekt hält.

Vorteilhafterweise weist die Anbindung zumindest einer Blech ¬ schicht derartige Ausnehmungen auf, dass diese Ausnehmungen geeignet sind, die Blechreststücke anderer Blechschichten durchfallen zu lassen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Auffangbereich angeordnet, der die Blechreststücke auffängt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels com ¬ putergestützter Berechnung Anbindungen so berechnet werden, dass diese geeignet sind, Blechreststücke oberer Schichten durchfallen zu lassen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Größe der Reststücke mittels Zwischenschnitten begrenzt. Die Zwischenschnitte werden mittels computergestützter Berechnung und geeigneten Algorithmen festgelegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden eine oder mehrere Anbindungen zum gewünschten Zeitpunkt von der Schneideinheit durchtrennt.

Vorteilhafterweise liegt das Blech in einem zumindest teilwei ¬ se ausgesparten Zustand vor. Somit kann beispielsweise Loch ¬ blech oder ein Gitterblech verwendet werden. Dies bietet den Vorteil, dass eine geringere AufSchmelzleistung erforderlich ist .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann nach dem AufSchmelzvorgang und einem etwaigen Abschneidevor ¬ gang entlang der Werkstückaußengeometrie das zumindest teil ¬ weise vorhandene Werkstück nach unten abgesenkt werden und das verbleibende Blech kann darüber abtransportiert werden. Natür ¬ lich kann auch das Blech angehoben werden und über dem Werk- stück hinweg abtransportiert werden. Wichtig ist die Relativ ¬ bewegung zwischen verbleibendem Blech und Werkstück.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung findet der Schmelzvorgang unter Einwirkung von Schutzgas statt. Somit kann beispielsweise die gesamte Kammer der Vorrichtung unter Schutzgas gesetzt werden, womit vermieden wird, dass Oxide in die Schmelznaht gelangen. Es wird ein besseres Schmelzergebnis erzielt . In einer Weiterbildung der Erfindung werden Bleche in ver ¬ schiedenen Dicken bevorratet wird und entsprechend der Geomet ¬ rie des zu erstellenden Werkstücks unterschiedliche Blechdi ¬ cken für verschiedene Raumschnitte verwendet. Die Blechdicke gibt gewissermaßen die "Auflösung" des Werkstücks vor. Werden dicke Blechschichten verwendet, so ergibt sich eine treppen- formige Außenkontur, die als "Auflösung" bezeichnet werden kann. Wenn nun eine grobe "Auflösung" ausreichend ist, können dickere Blechschichten verwendet werden. Wenn beispielsweise Teilgeometrien des Werkstücks gröbere Auflösungen zulassen, können für diese Teilgeometrien dickere Bleche verwendet wer ¬ den. Die Erstellungszeit der Werkstücke wird somit drastisch reduz iert .

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Fall, wenn das Blech so schmal ausgebildet, dass es nicht die gesamte Fläche, bzw. Breite des Raumschnittes abdeckt. Der Raumschnitt wird dann in parallel zueinander laufende Teil ¬ schnitte aufgeteilt, wobei eine Blechschicht jetzt nicht mehr dem ganzen Raumschnitt, sondern nur einem Teilschnitt ent- spricht. Das Blech wird verfahrensgemäß aufgeschmolzen und dann entlang Zusatzschnitten, welche vorteilhafterweise gerade ausgebildet sind, abgeschnitten. Somit entsteht deutlich weni ¬ ger Abfall, als bei Blechen, die den gesamten Raumschnitt ab ¬ decken. Nach jedem Teilschnitt muss das Blech dann zusätzlich zur eigentlichen Vorschubbewegung seitlich versetzt werden, bis durch die iterative Schrittfolge der vorhergehenden

Schritte der gesamte Raumschnitt abgedeckt ist. Wenn der ge ¬ samte Raumschnitt abgedeckt (und somit an den gewünschten Be ¬ reichen aufgeschmolzen) ist, wird die Außenkontur beschnitten. Für das seitliche Versetzen des Bleches wird dieses vorteil ¬ hafterweise mit einer Relativbewegung in Z-Richtung, also or ¬ thogonal zur Blechoberfläche, vom Werkstück entfernt. Dieses Entfernen bildet einen Abstand zwischen Blech und Werkstück, womit die Verschiebebewegungen nicht durch Anstoßen negativ beeinflusst werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Werkstoff Metall. Gerade die Metallpulver bei den zu ersetzen ¬ den Verfahren sind sehr teuer, wobei mit dem erfindungsgemäßen Einsatz von Metallblech sehr viel Einsparpotential vorliegt.

Vorteilhafterweise wird die jeweils oberste Blechschicht auf die darunterliegenden Blechschichten aufgepresst. Dies hat den Vorteil, dass etwaige Lufteinschlüsse und/oder Hohlräume ent- fernt werden. Der Pressvorgang kann mittels einer ganzflächi ¬ gen Walze oder mittels teilflächigen Pressvorgängen, wie einem Walzvorgang erfolgen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines drei- dimensionalen Werkstücks aus aufschmelzbarem Ausgangsmaterial, wobei das Werkstück durch parallel zueinander liegenden

Schnittebenen in Raumschnitten aufgeteilt ist, die jeweils durch eine Außenkontur des Werkstücks räumlich begrenzt sind, wobei das Ausgangsmaterial mit einer Aufschmelzein- heit aufgeschmolzen wird, wobei das Aufschmelzen entsprechend zweidimensionaler Koordinaten innerhalb von den Raumschnitten erfolgt, wobei die Raumschnitte zumindest teilflächig aufge ¬ schmolzen werden, zeichnet sich dadurch aus, dass das Aus ¬ gangsmaterial ein blechförmiges Material ist, wobei ein Ab- stand zwischen zwei aufeinander liegenden Raumschnitten einer Blechdicke entspricht.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführ ¬ lich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer

Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einer Coil Vorspeicherung und einem Tragerahmen .

Fig. 2 eine Draufsicht des Blechs entsprechend des Ausfüh ¬ rungsbeispiels nach Figur 1 mit Anbindung.

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Werkstücks mit laminaren, nicht aufgeschmolzenen Innenbereichen und aufge ¬ schmolzener Außenhülle.

Fig. 4 eine Schnittansicht eines in grobaufgelöste und fein ¬ aufgelöste Teilbereiche unterteiltes Werkstücks

Fig. 5 einen Schnittansicht von zwei miteinander verschmol ¬ zenen Blechen

Fig. 6 eine Draufsicht eines Raumschnitts eines Werkstücks beim Aufbau der entsprechenden Blechschicht mit einem Blech,

Fig. 7 eine Schnittansicht durch zwei miteinander verschmol ¬ zene Bleche, wobei die oberste Blechschicht nicht über die gesamte Dicke aufgeschmolzen wird.

In den Figuren sind nur die wichtigsten und erfindungsgemäßen Bauteile gezeigt. Einzelne Maschinenbautechnische Bauteile werden nicht gezeigt und/oder nicht beschrieben. In der Seitenansicht der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks 3 gezeigt. Das Blech 1 ist auf einem Coil 2 bevor ¬ ratet. Mit einer Coilführung 13 kann das Blech 1 entsprechend der Schichten angehoben werden. Die unterste Blechschicht liegt auf einem Tragerahmen 7 auf. In der untersten Blech ¬ schicht sind nicht näher dargestellten Ausnehmungen einge ¬ schnitten, durch die die Blechreststücke 8 der oberen Blech ¬ schichten hindurch fallen können. Die Blechreststücke 8 müssen jedoch nicht zwangsläufig nach unten durchfallen, sondern kön ¬ nen auch mit dem Blechrest abtransportiert werden, nachdem das Blech 1 angehoben wurde. Die Schneideinheit 5 und die Auf ¬ schmelzeinheit 4 bilden in diesem Ausführungsbeispiel eine einzige Einheit, nämlich einen Laser. Die Steuermittel 6 über- mittein an entsprechende Einheiten die Ausführung von Bewegun ¬ gen, nämlich in den X und Y Achsen, das heißt in einer Ebene parallel zu den Schnittebenen, sowie der Z-Achse, die orthogo ¬ nal zu den Schnittebenen läuft, wobei diese Bewegungen nach jeder ausgeführten Schicht betätigt wird. Die Steuermittel 6 übermitteln auch an die Coilführungseinheit 13, wann eine Be ¬ wegung ausgeführt wird und wann das Blech 1 vom Coil 2 nachge ¬ zogen wird. Die Ausführung mit dem Coil 2 bietet den großen Vorteil, dass immer nur so viel Blech 1 vom Coil 2 nachgezogen wird, wie für die aktuelle Schicht gerade nötig ist.

In der Draufsicht nach Figur 2 ist ein Blech 1 gemäß dem Aus ¬ führungsbeispiel der Vorrichtung nach Figur 1 gezeigt. Das Blech 1 ist als Ausbruch aus dem „Endlosstreifen" des Coils 2 gezeigt. Das bisher gefertigte Werkstück 3 wurde schon mit dem darüber liegenden Blech 1 verschmolzen, so dass die Außenkon ¬ tur 25 des aktuellen Raumschnitts sichtbar ist. Die ausge ¬ schnittenen Blechreststücke 8 lassen rings um das Werkstück 3 lediglich eine verbleibende Anbindung 9 an dem Blech 1 stehen. Nach Abtransportieren oder Durchfallen der Blechreststücke 8 werden Ausnehmungen gebildet. Entlang der Zwischenschnitte 14 können die Blechreststücke 8 so abgeschnitten und zerkleinert werden, dass diese gut nach unten durchfallen können.

Die Schnittansicht nach Figur 3 zeigt ein Werkstück 3, welches in den Raumschnitten 10 des Werkstückes 3 nur teilweise aufge ¬ schmolzene Bereiche aufweist. Diese Bereiche sind so gewählt, dass sich eine aufgeschmolzene Außenhülle 16 und ein laminarer Innenbereich 15 ergibt. Durch geeignete Wahl der Werkstücklage im 3D-Drucker kann somit beispielsweise eine Belastungsrich- tung des Werkstücks 3 entlang der laminaren Innnenbereiche 15 gelegt werden, womit sich ein hochbeanspruchbares Werkstück 3 ergibt, welches in sehr kurzer Zeit gedruckt werden kann.

Die Schnittansicht nach Figur 4 zeigt ein Werkstück 3, welches in eine grobaufgelöste Teilgeometrie 17 und eine feinaufgelös ¬ te Teilgeometrie 18 aufgeteilt ist. Hierdurch ergibt sich ein Werkstück, welches durch geeignete Wahl des zu verwendenden Blechs für die verschiedenen Teilbereiche sehr schnell herge ¬ stellt werden kann.

Die Schnittansicht nach Figur 5 zeigt einen Schnitt durch zwei miteinander verschmolzene Bleche 1. Am verfestigten Bereich 22 des aktuellen Raumschnitts ist zu erkennen, dass die Dicke des neuen Blechs 1 ist, als die ursprüngliche Blechdicke 19, also dass beide Bleche 1 Stoffschlüssig miteinander verbindet. Der hier gezeigte Laserstrahl 24 schmilzt den Werkstoff an der ak ¬ tuellen Bearbeitungsposition auf, womit der Flüssigbereich 23 des aktuellen Raumschnitts 23 entsteht. Auch hierbei ist zu erkennen, dass die darunterliegende Blechschicht mitaufge- schmolzen wird. Die Bearbeitungsrichtung in diesem Schnitt ist von rechts nach links.

Die Draufsicht nach Figur 6 zeigt einen Raumschnitt des Werk ¬ stücks 3. Der aufzutragende Raumschnitt wird in parallelen Streifen 20, auch Teilschnitte 20 genannt, aufgeteilt. Durch seitliches, das heißt, quer zur Blechvorschubrichtung 26 er ¬ folgendes, Verschieben zusätzlich zur eigentlichen Vorschubbe ¬ wegung wird in einem iterativen Verfahren nach und nach der gesamte Raumschnitt abgedeckt. In jedem Teilschnitt 20 wird zuerst flächig aufgeschmolzen und dann entlang den Zusatz ¬ schnitten 27 wird das Blech 1 an einer Geraden abgetrennt. Wenn die gesamte Fläche des Raumschnitts abgedeckt ist, wird an der Außenkontur 25 des aktuellen Raumschnitts beschnitten. Somit fallen die Blechreststücke 8 ab.

Die Schnittansicht nach Figur 7 zeigt einen Aufbau gemäß der Figur 5, wobei in der Figur 7 eine Lasereinstellung zu sehen ist, die erst innerhalb des Werkstoffs wirkt. Der Laserstrahl 24 ist somit so eingestellt, dass nicht die gesamte Blechdicke 19 aufgeschmolzen wird, sondern nur ein Unterer- Teildickenbereich 28. Dies kann den Vorteil haben, dass dicke Bleche mit weniger Energie verbunden werden können. Als weite ¬ rer Vorteil eines solchen Aufbaus kann sicher genannt werden, dass weniger Verzug auftritt.

Bezugszeichenliste

1 Blech

2 Coil

3 Werkstück

4 AufSchmelzeinheit

5 Schneideinheit

6 Steuermittel

7 Tragerahmen

8 Blechreststück

9 Anbindung

10 Raumschnitt

11 Auffangbereich

12 Objektträger

13 Coilführungseinheit

14 Zwischenschnitt

15 Laminarer Innenbereich

16 Außenhülle

17 Grobaufgelöste Teilgeometrie

18 Feinaufgelöste Teilgeometrie

19 Ursprüngliche Blechdicke

20 Streife

22 Verfestigter Bereich

23 Flüssigbereich

24 Laserstrahl

25 Außenkontur

26 Blechvorschubrichtung

27 Zusatzschnitt

28 Unterer-Teildickenbereich