Wechselbaubehälter und Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks,

Prozessstation und System dafür

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft einen Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks, aufweisend:

- ein Gehäuse, das einen Bauraum mit einer Grundfläche und einer Mantelfläche umgibt,

- eine Bauplattform, die den Bauraum grundflächenseitig begrenzt, und

- eine Heizeinrichtung mit einer der Mantelfläche des Bauraums zugeordneten Mantel- Heizung.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer Laserstrahlquelle oder einer Elektronenstrahlquelle.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Prozessstation für ein mit einer Vorrichtung für die Additive Fertigung hergestelltes Werkstück.

Schließlich betrifft die Erfindung ein System für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks.

Der Begriff „Additive Fertigung“ bezeichnet ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück durch schichtweisen Aufbau hergestellt wird. Synonym verwendet werden hierfür auch die Begriffe „Additive Manufacturing“, „3D-Druck“, „Rapid Prototyping“ oder „generative Fertigung“. Der Begriff wird nachfolgend so verwendet, dass er die Herstellung des Werkstücks durch schichtweisen Aufbau umfasst, nicht aber vorausgehende oder sich eventuell hieran anschließende Verfahrensschritte, selbst wenn diese Verfahrensschritte die physikalischen und chemischen Eigenschaften des additiv gefertigten Werkstücks beeinflussen. Beispiele für begrifflich nicht erfasste Verfahrensschritte sind eine nachfolgende (Hoch-)Temperatur-behandlung des additiv gefertigten Werkstücks, ein Nachverdichten desselben durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder ein kontrollierter Abkühlprozess.

Der schichtweise Aufbau des Werkstücks erfolgt in einer „Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks“. Um den Durchsatz dieser Vorrichtung zu erhöhen, können vor- und nachbearbeitende Fertigungsschritte in einer anderen Vorrichtung als der Vorrichtung für die Additive Fertigung, mithin in einer „externen“ Station durchgeführt werden; eine solche Station wird nachfolgend als „Prozessstation“ bezeichnet.

Ein „Wechselbaubehälter“ im Sinne der Erfindung ist sowohl bei der Additiven Fertigung dreidimensionaler Werkstücke als auch bei den der Additiven Fertigung vorausgehenden oder sich hieran anschließenden Verfahrensschritten ersetzbar. Er ist so ausgestaltet, dass er in einer „Vorrichtung für die Additive Fertigung“, darüber hinaus aber auch in einer „Prozessstation“ einsetzbar ist, denn: Der Additiven Fertigung kann beispielsweise eine Vorbehandlung der zur Additiven Fertigung verwendeten Ausgangsstoffe in einer ersten Prozessstation vorausgehen oder an die Additive Fertigung kann sich eine Nachbehandlung des additiv gefertigten Werkstücks in einer zweiten Prozessstation anschließen. Ein einfaches Beispiel für eine Vorbehandlung ist eine Vortemperierung der zur Additiven Fertigung verwendeten Ausgangsstoffe. Ein einfaches Beispiel für eine Nachbehandlung ist ein kontrolliertes Abkühlen des Werkstücks im Wechselbaubehälter bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum. Ein kontrolliertes Abkühlen des Werkstücks dient dazu, thermische Spannungen durch zu schnelles Abkühlen zu vermeiden, da dies zu Rissen und Verzug des additiv gefertigten Werkstücks führen kann. Vorzugsweise erfolgt das kontrollierte Abkühlen in einer inerten Atmosphäre; es kann aber auch in einer oxydierenden Atmosphäre erfolgen, um das Werkstück sowie den wiederverwendbaren Ausgangsstoff zu passivieren.

Stand der Technik

Additive Fertigungsverfahren werden häufig zur Herstellung dreidimensionaler Formteile aus Kunststoff, Metall oder Keramik eingesetzt. Zu den üblichen Verfahren gehören das selektive Laserstrahlsintern (SLS, Selective Laser Sintering) von Kunststoff pulvern bzw. Laserstrahlschmelzen (LBM, Laser Beam Melting; synonym auch: SLM, Selective Laser Melting) von Metallpulvern oder Keramikpulvern, aber auch das EBM (Electron Beam Melting) von Metallpulvern. Bei diesen Schichtaufbautechniken erfolgt der Werkstückaufbau schichtweise in einem Pulverbett. Nach dem Bereitstellen einer ersten Pulverschicht wird diese mit einem Laser selektiv aufgeschmolzen. Nicht belichtetes Pulver verbleibt im Bauraum; die Schicht aus selektiv aufgeschmolzenem und losem Pulver wird mit einer weiteren Pulverschicht bedeckt und diese anschließend selektiv aufgeschmolzen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis durch Schichtaufbau das Werkstück hergestellt ist. Nach dem Abschluss des schichtweisen Werkstück-Aufbaus ist es notwendig, den Bauraum mit dem un verfestigten, losen Pulver und dem darin befindlichen additiv gefertigten Werkstück abkühlen zu lassen, bevor das lose Pulver entfernt und das Werkstück aus der Vorrichtung genommen werden kann. Da insbesondere bei der Herstellung metallischer und keramischer Werkstücke häufig eine hohe Bauraum-Temperatur benötigt wird, muss der Abkühlprozess langsam erfolgen. Nur so können Verzug, thermische Spannungen und Risse im Werkstück zuverlässig verhindert werden. Häufig werden definierte Abkühlraten und Haltezeiten vorgegeben. Das Werkstück verbleibt während des Abkühlprozesses in der Vorrichtung für die Additive Fertigung.

Ein solches Vorgehen hat aber den Nachteil, dass die Vorrichtung aufgrund der notwendigen Abkühlphase für einen gewissen Zeitraum nicht genutzt werden kann.

Aus der US 2008 / 0 190905 A1 ist eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks bekannt, die einen Baubehälter mit einem darin angeordneten Innenbehälter aufweist. Der Innenbehälter ist der Begrenzungsrahmen für das pulverförmige Ausgangsmaterial; er kann über eine Öffnung im Baubehälter aus dem Baubehälter entnommen werden. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass das Abkühlen des sich im Innenbehälter befindenden Werkstücks nach der Entnahme des Innenbehälters außerhalb der Vorrichtung für die Additive Fertigung durchgeführt werden kann. Ist der Innenbehälter samt Werkstück entnommen, steht die Vorrichtung für die Additive Fertigung unmittelbar für einen weiteren additiven Fertigungsvorgang zur Verfügung. Dadurch, dass der Innenbehälter selbst aber keine Heizeinrichtung umfasst, ist es möglich, dass das Werkstück während des Transports zu einer Abkühlstation unkontrolliert abkühlt, was zu Rissen oder einem Verzug des Werkstücks führen kann.

Auch in der US 2018 / 0 161 934 A1 wird vorgeschlagen, die Additive Fertigung und das kontrollierte Abkühlen des Werkstücks bis zu dessen Entnahme aus dem Bauraum räumlich zu trennen und in unterschiedlichen Vorrichtungen vorzunehmen. Die darin beschriebene Vorrichtung weist in einem separaten Gehäuse eine Vorrichtung für die Additive Fertigung und in einem anderen Gehäuse eine Heizstation auf. Die Baukammer mit dem darin befindlichen Bauraum wird von der Vorrichtung für die Additive Fertigung zur Heizstation in einer Luftschleuse transportiert. Um zu verhindern, dass die Baukammer während des Transfers unkontrolliert abkühlen kann, ist die Baukammer mit Heizelementen in Form von Widerstandsheizelementen, Quarzlampen oder mit Elektromagneten ausgestattet. Die in der US 2018 / 0 161 934 A1 genannten Heizelemente sind ausschließlich für den Transport der Baukammer zur Heizstation ausgelegt. Die eigentliche Heizeinrichtung ist indes in der Heizstation angeordnet. Dies kann sich aber als nachteilig erweisen, wenn größere Bauräume beheizt und/oder unvorhergesehene, zeitliche Verzögerungen während des Transports der Baukammer kompensiert werden müssen. In diesen Fällen können während des Transports im Bauraum Temperaturunterschiede und Temperatur- Inhomogenitäten auftreten, für deren Kompensation die Heizeinrichtung der Baukammer nicht ausgelegt ist. Die Folge ist ein erhöhtes Risiko von Rissbildung oder eines Verzugs des Werkstücks. Außerdem können sich die Temperaturabweichungen m Bauraum auch auf andere Prozessparameter auswirken, die ebenfalls eine Rissbildung oder einen Verzug des Werkstücks begünstigen können. Beispiele hierfür sind das Auftreten von Druckänderungen, insbesondere des Prozessgasdrucks im Gasraum, oder Veränderungen in der Prozessgas- Zusammensetzung.

Aus der DE 102005030854 B3 ist ein Baubehälter mit einem wechselbaren Innenbehälter bekannt. Der Baubehälter weist Heizelemente in den Behälterwandungen auf. Der Innenbehälter hat eine möglichst einfache Bauart; er ist aus Aluminium gefertigt. Der Behälter kann eine hohle Seitenwand aufweisen, in der Heizstrahler angeordnet sind.

Aus der DE 202013009787 U1 ist eine Anlage zur Herstellung von Werkstücken bekannt, die neben einer Werkstückerzeugungssektion auch eine Nachbehandlungssektion umfasst. Bei der Entnahme einer Baukammer aus der Werkstückerzeugungssektion wird diese im Bereich ihrer Oberseite mit einem Deckel geschlossen. Der Deckel ist dazu geeignet, die Baukammer gegenüber der Umgebungsatmosphäre abzudichten. Die Baukammer kann so zur Nachbehandlungssektion transportiert werden.

Aus der DE 102015211 538 A1 ist eine Bauzylinder-Anordnung für eine Maschine zur schichtweisen Fertigung von 3D- Objekten bekannt, deren Isolationskörper aus Keramik oder Glas gefertigt ist, das Infrarot-Strahlung gut reflektiert, so dass die Aufheizung des Isolationskörpers durch Wärmestrahlung reduziert wird.

Die DE 102013222 339 A1 lehrt eine Vorrichtung zum Herstellen eines 3D-Objekts, bei der ein Bauraum und ein Vertikalantrieb für die Plattform durch eine Wand voneinander getrennt sind. Technische Aufgabenstellung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, einen Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks anzugeben, in dem die Ausgangsmaterialien vorbehandelt und das Werkstück samt den restlichen Ausgangsmaterialien nachbehandelt werden können, bei dem das Risiko für eine Rissbildung oder einen Verzug des Werkstücks - insbesondere während des Transports des Wechselbaubehälters - verringert ist, und der darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung eines additiv gefertigten Werkstücks ermöglicht.

Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks, eine entsprechende Prozessstation sowie ein System für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks anzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Hinsichtlich des Wechselbaubehälters wird diese Aufgabe ausgehend von einem Wechselbaubehälter der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine verschließbare Abdeckung aufweist und die Mantel-Heizung eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder eine UV-Strahlungsquelle umfasst, wobei zwischen der Infrarot-Strahlungsquelle und/oder der UV-Strahlungsquelle einerseits und dem Bauraum andererseits eine Trennwand aus einem für Infrarot-Strahlung und UV-Strahlung transparentem Material angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die Entstehung von Ausschuss bei der Herstellung additiv gefertigter Werkstücke verringert werden kann, wenn der Wechselbaubehälter mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist, die mit hoher Leistung und einem guten Wirkungsgrad betrieben werden kann. Hierdurch ist die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters nicht nur beim Transport einsetzbar, sondern darüber hinaus auch für die Durchführung weiterer Heizvorgänge geeignet, für die es ansonsten einer separaten Prozessstation mit eigener Heiz-Einheit bedurft hätte.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Mantel-Heizung eine Infrarot- Strahlungsquelle und/oder eine UV-Strahlungsquelle umfasst. Sowohl bei Infrarot- Strahlungsquellen als auch bei UV-Strahlungsquellen erfolgt die Energieübertragung durch Strahlung. Diese Art der Energieübertragung erweist sich gegenüber anderen Arten der Energieübertragung wie Konvektion oder Wärmeleitung als vorteilhaft, da sie regelmäßig einen Betrieb der Strahlungsquellen mit hoher Leistung ermöglicht und gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad aufweist.

Hinsichtlich eines Wechselbaubehälters mit einer Infrarot-Strahlungsquelle hat es sich besonders bewährt, wenn die Infrarot-Strahlungsquelle eine Leistung bezogen auf die Länge des Heizfilaments im Bereich von 20 W/cm bis 50 W/cm, besonders bevorzugt im Bereich von 25 W/cm bis 40 W/cm aufweist. In diesen Leistungsbereichen weisen Rundrohr- Infrarotstrahler mit Wolframfilamenten typischerweise Filament-Temperaturen von 1.500°C bis 2.300°C auf. Dies entspricht Peak-Wellenlängen von etwa 1,0 pm bis 1,4 pm. Aufheizversuche mit verschiedenen Metallpulvern haben gezeigt, dass insbesondere Strahlung mit Peak-Wellenlängen zwischen 1,1 pm und 1,3 pm zur effizienten Aufheizung der meisten Metallpulver, insbesondere von Metallpulvern aus Eisen, Aluminium, Titan, Nickel, Kobalt Wolfram, Tantal, Molybdän, Platin, Rhenium, Ruthen, Silber, Gold, Iridium, Niob, Magnesium und deren Legierungen, geeignet ist.

UV-Strahlungsquellen hingegen erweisen sich als vorteilhaft bei der Erwärmung von Pulvern, mit einem Pulveranteil an hochreflektiven Metallen von 50 Gew.% oder mehr. Hochreflektive Metalle sind beispielsweise Gold, Silber, Chrom, Nickel oder Kupfer. UV-Strahlungsquellen erweisen sich aber insbesondere vorteilhaft bei der Erwärmung von Kupferpulver oder kupferhaltigen Pulvern. Kupferpulver und kupferhaltige Pulver reflektieren auf sie auftreffende Strahlung in hohem Maße. Aufheizversuche haben gezeigt, dass ein besonders effizienter Energieeintrag in diese Pulver mit UV-Strahlung erreicht werden kann, insbesondere, wenn die UV-Strahlung Wellenlängen im Bereich von 250 nm bis 450 nm aufweist.

Ein Wechselbaubehälter mit einer solchen Heizeinrichtung hat mehrere Vorteile:

Der erfindungsgemäße Wechselbaubehälter muss mit Energie versorgt werden, um die Heizeinrichtung betreiben zu können. Die hierfür notwendige Energie kann zwar grundsätzlich auch durch einen internen Akkumulator bereitgestellt werden. In den meisten Fällen dürfte der Wechselbaubehälter jedoch mit einer externen Stromquelle verbunden sein, insbesondere, wenn er in einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation eingesetzt ist. Darüber hinaus kann eine Bereitstellung weiterer Medien (z.B. Kühlflüssigkeit, Pulverausgangsmaterial, Prozessgas) erforderlich sein. Im einfachsten Fall erfolgt die Bereitstellung von Medien über Versorgungsleitungen, wie Kabel und Schläuche, die über lösbare Verbindungen, beispielsweise mit Steckern und Schnellkupplungen, mit dem Wechselbaubehälter verbunden werden können. Auf diese Weise kann der Wechselbauchbehälter einfach von der Vorrichtung für die Additive Fertigung gelöst und mit einer Prozessstation verbunden werden. Bei kurzen, schnellen Transportwegen erweist es sich als unproblematisch, wenn der Wechselbaubehälter während des Transportvorgangs nicht mit einer Medienversorgung verbunden ist. Anders ist die Situation aber, wenn für den Transportweg ein gewisser Zeitraum benötigt wird, beispielweise, weil die Vorrichtung für die Additive Fertigung und die Prozessstation räumlich voneinander getrennt erfolgen. Dann kann es notwendig sein, auch während des Transports einige Prozessparameter zu überwachen und gegebenenfalls auftretenden Abweichungen möglichst zeitnah entgegenzusteuern. Hierdurch kann die Entstehung von Ausschuss verringert werden. Zum Beispiel kann die Infrarot-Strahlungsquelle und/oder die UV- Strahlungsquelle während des Transports betrieben werden, um ein zu schnelles Abkühlen des im Wechselbaubehälter befindlichen Werkstücks zu vermeiden. Auch wenn für einen „normalen“ Transportvorgang die erfindungsgemäße Heizeinrichtung gewissermaßen überdimensioniert sein mag, ist es möglich, dass beispielsweise während des Transportvorgangs unerwartete zeitliche Verzögerungen auftreten können, die durch den erfindungsgemäßen Wechselbaubehälter besser kompensierbar sind. Insbesondere aber können auch Heizvorgänge, die ansonsten in der Prozessstation durchgeführt werden müssten, bereits während des Transports begonnen werden. Dies trägt sowohl zu einer Prozessbeschleunigung als auch zu einer verringerten Ausschuss-Entstehung durch Rissbildung und Verzug des Werkstücks bei. Darüber hinaus kann auf eine zusätzliche Heiz- Einheit in der Prozessstation verzichtet werden.

Bei der Additiven Fertigung ist der Bauraum meist mit pulverförmigem Ausgangsmaterial gefüllt. Um zu vermeiden, dass die Infrarotstrahlungsquelle oder die UV-Strahlungsquelle mit dem Inhalt des Bauraums in Berührung kommen kann, ist erfindungsgemäß zwischen der Strahlungsquelle und dem Bauraum eine für Infrarotstrahlung und UV-Strahlung transparente Trennwand angeordnet. Infrarotstrahlung wird in drei Bänder (IR-A, IR-B, IR-C) eingeteilt: IR-A-Strahlung weist Wellenlängen im Bereich von 0,78 pm bis 1,4 pm auf; die Wellenlängen von IR-B-Strahlung liegen im Bereich von 1,4 pm bis 3,0 pm und die von IR-C- Strahlung im Bereich von 3 pm bis 1000 pm. UV-Strahlung erfasst gemäß DIN 5031, Teil 7 den Wellenlängenbereich von 100 nm bis 380 nm. Vorteilhafterweise ist die Trennwand aus Quarzglas oder Glaskeramik gefertigt. Die Trennwand schützt die Infrarotstrahlungsquelle vor Verschmutzungen; sie ist im Gegensatz zur Infrarotstrahlungsquelle einfach zu reinigen. Darüber hinaus erleichtert die Trennwand eine Reparatur oder einen Austausch der Strahlungsquelle. Der besondere Vorteil einer aus einem für Infrarot-Strahlung und UV- Strahlung transparenten Material gefertigten Trennwand liegt aber darin, dass es möglich ist, einen vorhandenen Wechselbaubehälter schnell umzurüsten, je nachdem, ob bei der Additiven Fertigung eine UV-Strahlungsquelle und/oder eine Infrarot-Strahlungsquelle zum Einsatz kommen soll. Dies ist nicht nur kostengünstig, sondern es dürfte auch dazu beitragen, dass eine geringere Anzahl an Wechselbaubehältern bereitgehalten werden muss. Auch ist eine Nachrüstung eines bestehenden Bauraums eines Wechselbaubehälters mit einer durch eine Trennwand separierten Infrarotstrahlungsquelle einfach und kostengünstig durchführbar.

Dadurch, dass das Gehäuse eine verschließbare Abdeckung aufweist, sind die Ausgangsmaterialien, aber auch ein sich im Bauraum befindendes Werkstück vor äußeren Einflüssen geschützt. Vorzugsweise ist die verschließbare Abdichtung gasdicht. Gasdichtheit liegt vor, wenn die Leckrate höchstens ca. 10 ⁷ mbar*l/s beträgt. Diese lässt sich beispielsweise mit einer Universal Schnüffel-Lecksuche oder einer Helium Lecksuche bestimmen. Die Gasdichtheit wird nach DIN EN 1330-8:1998 bestimmt. In der Praxis kann evtl auch eine höhere Leckrate von 10 ⁶ mbar*l/s in Kauf genommen werden. Im einfachsten Fall ist die verschließbare Abdeckung ein Deckel. Dies hat den Vorteil, dass der Wechselbaubehälter einfach von oben mit Ausgangsmaterial beschickt werden kann. Auch die Entnahme des Werkstücks wird hierdurch erleichtert.

Vorzugsweise ist der Wechselbaubehälter für die Additive Fertigung eines Werkstücks aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial ausgelegt. Der erfindungsgemäße Wechselbaubehälter ist insbesondere auch für Ausgangsmaterialien geeignet, die sich elastisch verformen lassen, bevor sie brechen, und sich durch eine hohe Sprödigkeit auszeichnen. Daher zerreißen diese Werkstoffe im Zugversuch nahe der Elastizitätsgrenze ohne oder mit nur geringer plastischer Verformung Diese Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen der Gruppen 5xxx/6xxx/7xxx, Titanlegierungen, Werkzeugstähle, Cobalt-Chrom-Legierungen, Titanaluminide, Stellite, Refraktärmetalle, Refraktärmetalllegierungen, Edelmetalle, Edelmetalllegierungen, Eisenbasislegierung, z.B. „Invar, Formgedächtnislegierungen“ lassen sich in einer herkömmlichen Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer reinen Plattform-Heizung kaum verarbeiten. Denn derart gefertigte Werkstücke weisen regelmäßig hohe Eigenspannungen auf und neigen zur Rissbildung.

Es hat sich bewährt, wenn das pulverförmige Ausgangsmaterial ein Aluminium-, ein Edelmetall- und/oder ein Refraktärmetall-Pulver umfasst. Edelmetalle in diesem Sinne sind Gold, Platin, Iridium, Palladium, Osmium, Silber, Rhodium und Ruthenium; Refraktärmetalle sind die Metalle der 4., 5. und 6. Nebengruppe. Hierzu gehören Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram. Vorteilhafterweise ist das Aluminium-, Edelmetall- und/oder Refraktärmetall- Pulver oder eine Mischung davon die Hauptkomponente des pulverförmigen Ausgangsmaterials.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Heizeinrichtung eine der Bauplattform zugeordnete Plattform-Heizung umfasst.

Ein Wechselbaubehälter mit einer zusätzlichen Plattform-Heizung bietet den Vorteil einer möglichst gleichmäßigen Beheizbarkeit des Bauraums und dessen Inhalts. Eine Mantel- Heizung beheizt den Bauraum und die im Bauraum befindlichen Teile, wie beispielsweise das Werkstück oder etwaig vorhandenes Restpulver nur von der Seite. Dies kann dazu führen, dass der äußere, der Mantelheizung zugewandte Bereich des Bauraums stärker als dessen Innenbereich erwärmt wird. Eine zusätzlich zu der Mantel-Heizung vorgesehene Plattform-Heizung wirkt diesem Phänomen entgegen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters ist vorgesehen, dass die Additive Fertigung des Werkstücks mindestens eine Hochtemperaturbehandlung und eine Niedertemperaturbehandlung umfasst, und dass die Heizeinrichtung derart ausgelegt ist, dass die Hochtemperaturbehandlung und die Niedertemperaturbehandlung mit ihr durchführbar sind.

Bei der Herstellung additiv gefertigter Werkstücke werden Hochtemperaturbehandlungen häufig in einer separaten Prozessstation durchgeführt, die über eine eigene Heiz-Einheit verfügt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Infrarotstrahlungsquelle kann sowohl die Hochtemperaturbehandlung als auch die Niedertemperaturbehandlung mit der Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters durchgeführt werden. Dies ist möglich, da Infrarot- Strahlungsquellen regelmäßig mit hoher Leistung betrieben werden können und gleichzeitig einen guten Wirkungsgrad aufweisen. Auf eine zusätzliche Heiz-Einheit in der Prozessstation kann folglich verzichtet werden. Idealerweise ist die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters derart ausgelegt, dass mit ihr sämtliche Heizvorgänge bei der Additiven Fertigung des Werkstücks und auch die nachfolgenden Heizvorgänge bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum durchführbar sind.

Es hat sich bewährt, wenn das Gehäuse mit einer Kühleinrichtung versehen ist.

Die Kühleinrichtung schirmt die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters thermisch ab. Sie trägt in erster Linie dazu bei, dass die thermische Beanspruchung einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation durch einen darin eingesetzten Wechselbaubehälter möglichst geringgehalten wird. Mit Hilfe der Kühleinrichtung kann aber auch dem Bauraum Wärme entzogen werden. Die Kühlwirkung der Kühleinrichtung ist aber nicht auf den Bauraum und dessen Inhalt beschränkt: auch sämtliche Bauteile des Wechselbaubehälters können schnell und zuverlässig mit der Kühleinrichtung abgekühlt werden, bevor das Werkstück und überschüssiges Ausgangsmaterial aus dem Bauraum entfernt wird. Hierdurch wird eine Oxidation von Bauteilen des Wechselbaubehälters, aber auch des meist pulverförmigen Ausgangsmaterials verringert. Vor allem aber ermöglicht ein Wechselbaubehälter mit einer Heizeinrichtung und einer Kühleinrichtung eine beliebige Aneinanderreihung von Heiz- und Abkühlvorgängen. Hierdurch kann nicht nur die ansonsten notwendige Wartezeit verkürzt, sondern auch die Effizienz der Vorgänge verbessert werden. Insbesondere lassen sich durch die Kombination einer Infrarot-Heizeinrichtung mit einem mit der Kühleinrichtung kühlbaren Gehäuse definierte Heiz- oder Abkühlrampen sowie Haltezeiten einfach und schnell realisieren. Es versteht sich, dass das Vorsehen einer Kühleinrichtung die alternative oder parallele Durchführung anderer Abkühlverfahren nicht ausschließt. So kann der Wechselbaubehälter zusätzlich mit Kühl-Anschlüssen ausgestattet sein, über die ein fluides Medium durch den Bauraum geleitet werden kann. Ein Kühlverfahren, das ein durch den Bauraum geführtes, fluides Medium zur Kühlung nutzt, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 102017211 381 A1 beschrieben. Vorzugsweise weist der Wechselbaubehälters Kühl-Anschlüsse auf, die zur Durchführung des aus der DE 102017211 381 A1 bekannten Abkühlverfahrens ausgelegt sind.

Vorteilhafterweise ist die Bauplattform mit einer Kühleinheit versehen.

Eine der Bauplattform zugeordnete Kühleinheit trägt zu einer verbesserten Einsteilbarkeit der gewünschten Heiz- und Abkühlrampen bei. Sie hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie zu einer gleichmäßigen Abkühlung des Bauraums und dessen Inhalts beiträgt. Auch bei einem Abkühlvorgang kann sich das bereits oben zur Mantel-Heizung erläuterte Phänomen einstellen, dass der äußere, der Mantel-Heizung zugewandte Bereich des Bauraums eine andere Temperatur als dessen Innenbereich aufweist. Eine zusätzlich vorgesehene, der Bauplattform zugeordnete Kühleinheit wirkt diesem Phänomen entgegen.

Eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Bauraums lässt sich auch dadurch erreichen, dass im Bauraum parallel zum Aufbau des Werkstücks eine zusätzliche „Hilfsstruktur“ aufgebaut wird. Da die Hilfsstruktur selbst Wärme leitet, lässt sie sich als Temperaturbrücke zum Ausgleich von Temperaturunterschieden und zur Einstellung einer gleichmäßigen Bauraum-Temperatur nutzen. Die Hilfsstruktur leitet insbesondere die von der Mantel- und/oder Plattform-Heizeinrichtung eingebrachte Wärme in das Innere des Bauraums. Aber: Die Hilfsstruktur kann nicht nur als Heizstruktur, sondern auch als Kühlstruktur verwendet werden. Besonders vorteilhaft erweist sich ein solches Vorgehen bei einem großen Bauraum-Durchmesser von mehr als 150 mm. Die Form, das Volumen und die Position der Hilfsstruktur lassen sich mit einer zuvor durchgeführten thermischen Simulation errechnen. Zusätzlich kann die Hilfsstruktur mehrmals durch die Laser- oder Elektronenstrahlquelle belichtet werden und ggf. mit Kavitäten als Strahlfallen versehen werden.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das Gehäuse einen oder mehrere Medien- Anschlüsse für die Zu-/Abführung eines Kühlfluids aufweist.

Eine Kühlung des Gehäuses oder der Bauplattform mit einem Kühlfluid ist einfach realisierbar. Im einfachsten Fall kann das Gehäuse, eine Montageplatte für die Bauplattform oder die Bauplattform selbst mit Kühlkanälen versehen werden. Durch die Integration der Kühlkanäle in ein bereits vorhandenes Bauteil wird wenig zusätzlicher Bauraum benötigt. Lediglich für die Medien-Anschlüsse ist zusätzlicher Bauraum vorzusehen.

Darüber hinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Gehäuse einen oder mehrere Gas-Anschlüsse für die Zuführung oder Abführung eines Prozessgases umfasst.

Häufig sind die Ausgangsmaterialien, wie sie bei der Additiven Fertigung eingesetzt werden, oxidationsempfindlich. Zusätzliche Gas-Anschlüsse ermöglichen eine Beaufschlagung des Bauraums und des damit in fluidischer Verbindung stehenden Gasraums mit einem Prozessgas. Ein Prozessgas in diesem Sinne kann daher beispielsweise ein Inertgas sein, das zu einer inerten Atmosphäre führt; es kann aber auch ein reaktives Gas sein, beispielsweise ein reduzierendes Gas. Über die Gas-Anschlüsse kann das Prozessgas dem Bauraum bzw. dem Gasraum zu- und abgeführt werden oder es kann der Bauraum und der darüber befindliche Gasraum über die Gas-Anschlüsse evakuiert werden. Mehrere Gas- Anschlüsse ermöglichen zudem ein besonders homogenes Evakuieren, Beaufschlagen oder Inertisieren des Gas- und/oder Bauraums. Mit ihnen können insbesondere Verwirbelungen im Gas- und Bauraum erzeugt werden, die dazu beitragen, ein Verbleiben bzw. einen Einschluss von Sauerstoff (sogenannte „Sauerstoffnester“) im Ausgangsmaterial zu verhindern. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters weist das Gehäuse einen oder mehrere Pulver-Anschlüsse zur inerten Entnahme von Pulver aus dem Bauraum und/oder zur Rückführung von Pulver in den Bauraum auf.

Aus EHS- und QM-Gesichtspunkten ist in der Regel eine inerte Atmosphäre innerhalb des Bauraums notwendig. Ist der Wechselbaubehälter abgekühlt, ermöglichen die Pulver- Anschlüsse eine Entnahme von Pulver aus dem Bauraum, ohne hierdurch eine vorhandene Gas-Atmosphäre zu beeinträchtigen. Anschließend kann das Werkstück unter „Normalatmosphäre“ ausgebaut und der Wechselbaubehälter neu gerüstet werden.

Darüber hinaus ist über die Pulver-Anschlüsse auch eine Zuführung von weiterem Pulver in den Bauraum oder in einen Vorratsraum der Vorrichtung möglich, und zwar ohne hierdurch eine eventuell vorhandene Inertgasatmosphäre zu beeinträchtigen. Der Vorteil einer nachträglichen Zuführbarkeit von weiterem Pulver besteht darin, dass der Pulvervorrat im Wechselbaubehälter gering sein kann, sodass dieser nur geringen Anteil am Volumen des Wechselbaubehälters erfordert.

Vorteilhafterweise sind die Medien-Anschlüsse und/oder die Gas-Anschlüsse und/oder die Pulver-Anschlüsse mit selbstabdichtenden Schnellkupplungen versehen.

Um den Wechselbaubehälter möglichst einfach und schnell in eine Vorrichtung zur Additiven Fertigung eines Werkstücks bzw. in einer Prozessstation einbauen und wieder ausbauen zu können, sind dessen Anschlüsse mit selbstabdichtenden Schnellkupplungen versehen. Insbesondere kann ein ausgebauter Wechselbaubehälter so schnell wieder an die Strom-, Kühlfluid-, Gas- und/oder Pulver-Versorgung einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder einer Prozessstation angeschlossen werden.

Die Temperatur der Mantelfläche des Bauraums kann mit außerhalb des Bauraums angeordneten Pyrometern gemessen werden. Vorteilhafterweise umfasst der Wechselbaubehälter mehrere Temperatursensoren, mit denen die Temperaturverteilung im Bauraum überwacht werden kann. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mehreren Temperatursensoren so ausgelegt sind, dass sie in den Bauraum hineingeschoben werden können. Außerdem hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn mindestens einer der Gas-Anschlüsse mit einem Gas-Sensor verbunden ist, mit dem die Atmosphäre im Gas- und/oder Bauraum des Wechselbaubehälters bzw. der darin vorhandene Sauerstoffgehalt überwacht werden kann. Insbesondere während eines Transfers des Wechselbaubehälters ist es sinnvoll, die Prozessparameter innerhalb des Bauraums sorgfältig zu überwachen. Zu diesen Prozessparametern gehören neben der Temperatur und der Temperaturverteilung auch der Gasdruck im Gas- und/oder Bauraum und dessen zeitlicher Verlauf, die Gas- Zusammensetzung, insbesondere aber der Sauerstoffgehalt im Gas- und/oder Bauraum. Vorzugsweise liegen ein Ausgangssignal des Gas-Sensors und/oder ein Ausgangssignal der Temperatursensoren als Eingangssignal an einer Kontroll-Einheit an, mit der in Abhängigkeit von den daran anliegenden Eingangssignalen, die Strahlungsleistung der Infrarotstrahlungsquelle verändert gesteuert oder geregelt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass Prozessabweichungen schnell und einfach erkannt und ihnen durch eine Anpassung der Strahlungsleistung der Infrarotstrahlungsquelle entgegengewirkt werden kann.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters weist das Gehäuse ein Steckverbindungselement zum Anschluss einer elektrischen Leitung auf.

Das Steckverbindungselement ermöglicht eine einfache und schnelle Verbindung des Wechselbaubehälters mit einer elektrischen Leitung. Der Begriff elektrische Leitung ist nicht auf Verbindungsleitungen mit einer Stromquelle begrenzt, sondern er umfasst alle Arten von Leitungen, über die ein elektrischer Strom fließen kann. Insbesondere fallen hierunter Datenkabel über die der Wechselbaubehälter mit anderen Vorrichtungen kommunizieren kann, aber auch Verbindungskabel, über die Bauteile des Wechselbaubehälters, wie Sensoren oder Heizelemente, mit anderen externen Einheiten, wie z.B. einer Regeleinheit, elektrisch verbunden werden können. Eine Steckverbindung ist einfach herzustellen und zu trennen; sie ermöglicht insbesondere einen reibungslosen Einbau und Ausbau des Wechselbaubehälters, beispielsweise in eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks oder in eine Prozessstation.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wechselbaubehälter gasdicht, vorzugsweise vakuumdicht, ist.

Bei vielen Ausgangsmaterialien ist es notwendig, Sauerstoff aus dem Bauraum möglichst vollständig zu entfernen, um eine Oxidation des Ausgangmaterials zu vermeiden. Hierzu wird der Bauraum und der mit dem Bauraum in fluidischer Verbindung stehende Gasraum meist mit einem Inertgas beaufschlagt. Ein gasdichter Wechselbaubehälter verhindert das Eindringen von unerwünschten Umgebungs-Gasen, insbesondere von Luftsauerstoff, in den Bauraum des Wechselbaubehälters. Beim Beaufschlagen des Bauraums und des mit dem Bauraum in fluidischer Verbindung stehenden Gasraums mit einem Inertgas ist grundsätzlich auf eine möglichst homogene Verteilung des Inertgases zu achten. Lokal kann es jedoch dazu kommen, dass mit Reststauerstoff-gefüllte Zonen verbleiben. Solche Zonen werden auch als „Sauerstoffnester“ bezeichnet. Um ein homogenes Inertisieren des Wechselbaubehälters zu ermöglichen und insbesondere „Sauerstoffnester“ zu verhindern, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Wechselbaubehälter vakuumdicht ausgeführt ist. Dies ermöglicht es, dass der im Wechselbaubehälter befindliche Sauerstoff zunächst durch Evakuieren entfernt werden kann, bevor der Bauraum und/oder der Gasraum mit dem Inertgas beaufschlagt wird.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Gehäuse in eine Vorrichtung für die Additive Fertigung des Werkstücks und in eine Prozessstation zur thermischen Behandlung des Werkstücks einsetzbar ist, und wenn in den Wechselbaubehälter ein technisches System integriert ist, das den Austausch von Informationen zwischen der Vorrichtung für die Additive Fertigung und der Prozessstation erlaubt.

Ein solches in den Wechselbaubehälter integriertes technisches System erlaubt den Austausch von Informationen zwischen der Vorrichtung und der Prozessstation beispielsweise zu den im Wechselbaubehälter enthaltenen Materialien und Werkstücken, zur bisherigen oder geplanten Wärmebehandlung oder zum Abkühlverhalten. Dies kann beispielsweise über einen Strich- oder QR-Code in Verbindung mit einer Datenbank oder einem CAM-System realisiert sein, an dem sowohl die Vorrichtung als auch die Prozessstation angeschlossen sind. Alternativ könnten die Daten von der Vorrichtung auf ein RFID-Tag geschrieben werden und dann von der Prozessstation ausgelesen werden. Nach erfolgter thermischer Behandlung kann dies im RFID-Tag hinterlegt werden, beispielweise zur Freigabe von weiteren Prozessschritten.

Hinsichtlich der Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Aufnahme für den Wechselbaubehälter aufweist.

Eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer Aufnahme für den Wechselbaubehälter ermöglicht einen schnellen und einfachen Ein- und Ausbau des Wechselbaubehälters. Besonders bevorzugt weist die Aufnahme daher Verbindungselemente auf, die mit den Anschlüssen des Wechselbaubehälters, insbesondere den Medien-Anschlüssen und/oder den Gas-Anschlüssen und/oder Pulver-Anschlüsse, sowie deren selbstabdichtenden Schnellkupplungen, korrespondieren. Damit ist gewährleistet, dass Vorrichtung und Wechselbaubehälter einfach und schnell miteinander verbindbar sind. Ein wesentlicher Vorteil der Aufnahme liegt darin, dass der Wechselbaubehälter nicht bis zur Entnahme des Werkstücks aus dem Bauraum in der Vorrichtung für die Additive Fertigung verbleiben muss. Vielmehr kann der Wechselbaubehälter nach der eigentlichen Additiven Fertigung unter Aufrechterhaltung der inerten Atmosphäre aus der Vorrichtung für die Additive Fertigung entnommen und in einer externen Prozessstation abgekühlt oder weiterbehandelt werden. Dies erhöht die Produktivität der Vorrichtung für die Additive Fertigung, da diese stärker ausgelastet werden kann.

Hinsichtlich der Prozessstation für ein mit einer Vorrichtung für die Additive Fertigung hergestelltes Werkstück wird die oben genannte technische Aufgabe ausgehend von einer Prozessstation der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie eine Aufnahme für den Wechselbaubehälter aufweist.

Eine Prozessstation mit einer Aufnahme für den Wechselbaubehälter ermöglicht einen schnellen und einfachen Ein- und Ausbau des Wechselbaubehälters. Besonders bevorzugt weist die Aufnahme daher Verbindungselemente auf, die mit den Anschlüssen des Wechselbaubehälters, insbesondere den Medien-Anschlüssen und/oder den Gas- Anschlüssen und/oder Pulver-Anschlüssen, sowie deren selbstabdichtenden Schnellkupplungen, korrespondieren. Damit ist gewährleistet, dass Prozessstation und Wechselbaubehälter einfach und schnell miteinander verbindbar sind. Die Aufnahme ist so ausgelegt, dass beim Ein- oder Ausbau der Prozessstation die nach EHS- und QM- Gesichtspunkten notwendige inerte Atmosphäre im Bauraum aufrechterhalten werden kann. In der Prozessstation kann beispielsweise im Vorfeld einer Additiven Fertigung im Wechselbaubehälter befindliches Ausgangsmaterial für die Additive Fertigung auf eine erforderliche Zieltemperatur vorgeheizt werden oder der Bau- und/oder Gasraum des Wechselbaubehälters kann mit einem Inertgas beaufschlagt werden. Vorzugsweise ist die Prozessstation eine Konsolidierungsstation, in der in inerter Atmosphäre ein kontrolliertes Abkühlen des Bauraums mit einem darin befindlichen, additiv gefertigten Werkstück stattfinden kann, während die Vorrichtung zur Additiven Fertigung, mit der das Werkstück hergestellt wurde, unterdessen parallel für weitere Fertigungsprozesse produktiv genutzt werden kann. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Prozessstation eine Heizeinheit zum Eintrag von Energie in den Bauraum eines in der Aufnahme angeordneten Wechselbaubehälters umfasst, wobei die Heizeinheit der Prozessstation die Heizeinrichtung des Wechselbaubehälters ist.

Da bereits im Wechselbaubehälter eine leistungsstarke Heizeinrichtung vorgesehen ist, benötigt die Prozessstation keine eigene Heizeinrichtung. Hierdurch ist die Prozessstation einfacher und kostengünstiger als vergleichbare Prozessstationen mit einer eigenen Heiz- Einheit.

Hinsichtlich des Systems für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das System eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks und/oder eine erfindungsgemäße Prozessstation und mindestens zwei erfindungsgemäße Wechselbaubehälter umfasst.

Vorzugsweise sind die mindestens zwei Wechselbaubehälter baugleich. Dies hat den Vorteil, dass ein erster der mindestens zwei Wechselbaubehälter, wenn er in die Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks eingesetzt ist; nach Abschluss der Fertigung aus der Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks entnommen und unmittelbar durch einen zweiten der mindestens zwei Wechselbaubehälter ersetzt werden kann. Die Vorrichtung für die Additive Fertigung kann somit unmittelbar für eine weitere Additive Fertigung genutzt werden.

Es hat sich bewährt, wenn die mindestens zwei Wechselbaubehälter zur Aufnahme von pulverförmigem Ausgangsmaterial mit einer Pulver-Temperatur im Bereich von 10 °C bis 1.000 °C, bevorzugt von 10 °C bis 900 °C, besonders bevorzugt von 300 °C bis 800 °C, ausgelegt ist. Solche Wechselbaubehälter sind auch für die Verarbeitung von Ausgangsmaterialien mit einem hohen Schmelzpunkt geeignet.

Vorteilhafterweise ist einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Fertigungsbehälter, in dem das Werkstück additiv fertigbar ist. Mit Beginn der Additiven Fertigung enthält der Fertigungsbehälter pulverförmiges Ausgangsmaterial und ein additiv gefertigtes Objekt. Das pulverförmige Ausgangsmaterial und das additiv gefertigte Objekt können warm (z.B. bei der Additiven Fertigung) oder kalt sein (z.B. nach dem Abkühlen). Es hat sich als günstig erwiesen, wenn einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Pulvervorratsbehälter zur Aufnahme von pulverförmigem Ausgangsmaterial für die Additive Fertigung des Werkstücks ist. Der Pulvervorratsbehälter dient der Bereitstellung von pulverförmigem Ausgangsmaterial; er ist nur mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial befüllt. Das Ausgangsmaterial kann kalt sein (z.B. wenn der Pulvervorratsbehälter frisch befüllt ist) oder es kann warm sein (z.B. wenn es vorgeheizt ist).

Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, wenn einer der mindestens zwei Wechselbaubehälter ein Restpulverbehälter zur Aufnahme von überschüssigem, pulverförmigem Ausgangsmaterial ist. Der Restpulverbehälter ist im Wesentlichen leer. Der leere Restpulverbehälter kann kalt oder warm (vorgeheizt) sein.

Das System kann mehrere Fertigungsbehälter, mehrere Pulvervorratsbehälter und/oder mehrere Restpulverbehälter umfassen. Vorzugsweise ist mindestens einer der vorgenannten Behälter in der Aufnahme der Prozessstation angeordnet.

Es hat sich besonders bewährt, wenn der Prozessstation und/oder der Vorrichtung für die Additive Fertigung eine gemeinsame oder jeweils eine eigene Entnahme- und/oder Zufuhrvorrichtung zugeordnet ist, die so ausgelegt ist, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter der Aufnahme der Prozessstation bzw. der Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung zugeführt oder daraus entnommen werden kann.

Vorteilhafterweise umfasst die Prozessstation und/oder die Vorrichtung für die Additive Fertigung eine Abkühlstation und/oder eine Vorbereitungsstation, in der ein außerhalb der jeweiligen Aufnahme angeordneter Wechselbaubehälter beheizbar ist.

Die Zufuhrvorrichtung ist besonders bevorzugt derart ausgelegt, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter von einer Vorbereitungsstation zur Aufnahme der Prozessstation und/oder zur Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung befördert werden kann.

Die Entnahmevorrichtung ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass mit ihr ein Wechselbaubehälter von der Aufnahme der Prozessstation oder der Aufnahme der Vorrichtung für die Additive Fertigung zu einer Abkühlstation befördert werden kann. Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

Figur 1 einen Ausschnitt einer Temperier-Einheit, wie sie in einem erfindungsgemäßen Wechselbaubehälter einsetzbar ist,

Figur 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters,

Figur 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks,

Figur 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters, und

Figur 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters.

In Figur 1 ist eine Temperier-Einheit dargestellt, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Die Temperier-Einheit 1 kann Bestandteil eines erfindungsgemäßen Wechselbehälters sein; sie ist insbesondere zur Umrüstung bestehender Wechselbaubehälter zu einem erfindungsgemäßen Wechselbaubehälter geeignet.

Die Temperier-Einheit 1 umfasst eine Bauplattform 22, eine Hubeinrichtung 43 für die Bauplattform 22, eine Heizeinrichtung 49 und eine Kühleinrichtung 50.

Die Bauplattform 22 begrenzt den Bauraum 19 an dessen Grundfläche 20. Die Bauplattform 22 kann mit der Hubeinrichtung 43 in den Richtungen des Doppelpfeils 42 verschoben werden. Die Hubeinrichtung 43 ist hohlzylinderförmig ausgestaltet; die Deckfläche 39 des Hohlzylinders ist verschlossen; die Grundfläche 38 des Hohlzylinders ist mit einer Grundplatte 40 verbunden. Der Hohlraum ist mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Auf die Außenwandungen der Hubeinrichtung 43 einschließlich der Deckfläche 39 ist eine Isolier schicht 37 aus Keramik aufgebracht.

Die Trennwand 28 hat die Form eines Quarzglas-Hohlzylinders; sie begrenzt den Bauraum 19 mantelflächenseitig (siehe Mantelfläche 21). Die Trennwand 28 ist für Infrarot-Strahlung und UV-Strahlung transparent. Die Heizeinrichtung 49 umfasst eine Plattform-Heizung 47 und eine Mantel-Heizung 44.

Die Plattform-Heizung 47 ist der Bauplattform 22 zugeordnet. Zur Abdichtung des Bauraums 19 ist die Plattform-Heizung 47 mit einer umlaufenden Dichtung 36 aus Glasfasern versehen. Die Plattform-Heizung 47 umfasst Widerstands-Heizelemente 46. Darüber hinaus ist in die Plattform-Heizung 47 ein Temperatursensor 45 integriert, der es ermöglicht, die Temperatur im Bereich der Plattform-Heizung 47 zu erfassen. Die von dem Temperatursensor 45 erfassten Temperatur- Werte werden einer Regelung der Heizleistung von Plattform-Heizung 47 zugrunde gelegt. Die Mantel-Heizung 44 umfasst vier äquidistant angeordnete Omega- Strahler 34 mit einem Strahlerrohr-Durchmesser von 10 mm, deren Enden mit den elektrischen Anschlussleitungen um 90° nach oben oder unten gebogen sind um eine möglichst kompakte Bauweise zu erzielen (hier nicht sichtbar). Die Strahler weisen eine Leistungsdichte von 26 W/cm Heizfilament auf. Um die von den Omega-Strahlern 34 emittierte Strahlung in Richtung des Bauraums zu leiten, sind die Omega-Strahler 34 mit einer Reflektorschicht 32 aus Gold oder opakem Quarzglas versehen.

Die Kühleinrichtung 50 umfasst eine Kühlmanschette 35. Die Mantel-Heizung 44 wird von einer Kühlmanschette 35 umschlossen. Diese trennt die Mantel-Heizung 44 thermisch von der näheren Umgebung der Temperier-Einheit 1, insbesondere aber von einer Vorrichtung für die Additive Fertigung oder einer Prozessstation, wenn ein die Temperier-Einheit 1 umfassender Wechselbaubehälter darin eingesetzt ist. Die Kühlmanschette weist mehrere, fluidisch miteinander in Verbindung stehende Kühlkanäle 33 auf. Ähnliche Kühlkanäle lassen sich auch in die Plattform-Heizung 47 integrieren. Die Kühlmanschette 35 ist auf ihrer Innenseite mit einer reflektierenden Beschichtung 29 versehen, die bewirkt, dass der Großteil der auf die reflektierende Beschichtung 29 auftreffenden Strahlung in Richtung des Bauraums 19 reflektiert wird. Dies trägt zur Energieeffizienz der Vorrichtung bei, da nur ein geringer Anteil der Strahlungsleistung der Heizeinrichtung 49 die Kühlmanschette 35 erwärmt und schließlich von dieser gekühlt werden muss.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters, dem insgesamt die Bezugsziffer 70 zugeordnet ist. Der Wechselbaubehälter 70 ist für die Additive Fertigung eines Werkstücks 104 ausgelegt; er kann aber auch als Pulvervorratsbehälter oder Restpulverbehälter eingesetzt werden. Der Wechselbaubehälter 70 ist gas- und vakuumdicht; er hat ein zylinderförmiges Gehäuse 101 mit einer hohlzylinderförmigen Gehäusewandung 101a. Eine weitere Gehäusewandung bildet die Zylinderbasisplatte 101b, die mit der hohlzylinderförmigen Gehäusewandung 101a verschweißt ist. Sowohl die Gehäusewandung 101a als auch die Zylinderbasisplatte 101b sind aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Darüber hinaus weist das Gehäuse 101 eine verschließbare Abdeckung 71 in Form eines Schraubdeckels auf, der mit der Gehäusewandung 101a verschraubbar ist. Der Schraubdeckel ist aus Stahl gefertigt; er umfasst eine kreisrunde Basisplatte 71a, die von einem ringförmigen Rand 71b umgeben ist. Der ringförmige Rand 71b und die hohlzylinderförmige Gehäusewandung 101a sind mit miteinander korrespondierenden Schraubgewinden versehen. Zur gasdichten Verbindung von hohlzylinderförmiger Gehäusewandung 101a und Abdeckung 71 ist der ringförmige Rand 71b der Abdeckung 71 mit einem Dichtungselement versehen (nicht dargestellt). Der Schraubdeckel erleichtert eine Befüllung des Wechselbaubehälters, insbesondere aber eine Reparatur, einen Umbau oder einen Austausch der darin angeordneten Temperier-Einheit 1. Die Temperier-Einheit 1 ist identisch mit der in Figur 1 gezeigten Temperier-Einheit. Auf die obige Beschreibung der Temperier-Einheit 1 wird verwiesen.

Das Gehäuse 101 weist mehrere Medien-Anschlüsse 140 für die Zu- und Abführung eines Kühlfluids auf, die mit Schnellkupplungen versehen sind. Zur Erleichterung der elektrischen Kontaktierung des Wechselbaubehälters 70 ist ein Steckverbindungselement 145 vorgesehen. Darüber hinaus ist der Wechselbaubehälter 70 mit Gas-Anschlüssen 151, 152 versehen, über die der Gasraum 150 evakuiert oder mit einem Prozessgas beaufschlagt werden kann.

Um die elektrische Kontaktierung des Wechselbaubehälters 70 beim Einsatz in mehreren Vorrichtungen zu erleichtern, weist das Gehäuse 101 ein Steckverbindungselement 145 auf, mit dem der Wechselbaubehälter 70 an eine elektrische Leitung (nicht dargestellt) angeschlossen werden kann. Die elektrische Leitung dient der Stromversorgung des Wechselbaubehälters 70, aber auch eine Übermittlung von Daten von oder an den Wechselbaubehälter 70 kann über das Steckverbindungselement 145 erfolgen. Zudem weist der Wechselbaubehälter 70 ein technisches System auf, das den Austausch von Informationen zwischen einer Vorrichtung für die Additive Fertigung und einer Prozessstation erlaubt. Auch diese Informationen können über das Steckverbindungselement 145 übertragen werden. Beispiele für solche Informationen sind der aktuelle Status des Wechselbaubehälters 70 oder Daten von Sensoren (nicht dargestellt), die in den Wechselbaubehälter integriert sind.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems für die Additive Fertigung und Bearbeitung eines Werkstücks, dem insgesamt die Bezugsziffer 600 zugeordnet ist. Das System 600 umfasst eine Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks mit einer Laser-Einheit 201 und einem Scanner 202, eine Prozessstation 250 und mehrere Wechselbaubehälter 70, 300, 400, von denen in Figur 4 exemplarisch drei dargestellt sind. Der Wechselbaubehälter ist im Detail in Figur 2 gezeigt. Die Wechselbaubehälter 70, 300, 400 sind baugleich. Die Wechselbaubehälter 70, 300, 400 sind zur Aufnahme von pulverförmigem Ausgangsmaterial mit einer Pulvertemperatur bis 900 °C geeignet. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 200 drei Aufnahmen 203a, 203b, 203c für jeweils einen Wechselbaubehälter 70, 300, 400 auf. Die Aufnahmen 203a, 203b, 203c sind mit Verbindungselementen (nicht dargestellt) versehen, die mit den selbstabdichtenden Schnellkupplungen der Medien-Anschlüsse, Gas-Anschlüsse und Pulver-Anschlüsse sowie dem Steckverbindungselementen der Wechselbaubehälter 70, 300, 400 korrespondieren. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verbindung der Wechselbaubehälter 70, 300, 400 mit der Vorrichtung 200. Der Wechselbaubehälter 70 wird als Fertigungsbehälter genutzt; in ihm wird ein Werkstück gefertigt. Der Wechselbaubehälter 300 ist ein Pulvervorratsbehälter; er ist mit pulverförmigem Ausgangsmaterial gefüllt, das auf Verarbeitungstemperatur erwärmt ist. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird bei der Additiven Fertigung des Werkstücks im Wechselbaubehälter 70 bereitgestellt. Der Wechselbaubehälter 400 ist ein Restpulverbehälter, der pulverförmiges Ausgangsmaterial aufnimmt, das bei der Additiven Fertigung im Wechselbaubehälter 70 überschüssig ist.

Der Wechselbaubehälter 70 mit einem darin additiv gefertigten Werksstück wird anschließend von der Vorrichtung 200 zu einer Prozessstation 250, hier zu einer Abkühl- und Konsolidierungsstation verbracht. Während des Transports ist mit dem Steckverbindungselement 145 des Wechselbaubehälters 70 eine Transport-Einheit 204 verbunden, die neben einem Akkumulator für die Bereitstellung elektrischer Energie eine Kontroll-Einheit umfasst, mit der erfasste Prozessparameter wie der Gasdruck im Gasraum oder Temperaturen an verschiedenen Orten innerhalb des Wechselbaubehälters 70 überwacht werden können. Die Transport-Einheit wird nach dem Transport wieder von dem Wechselbaubehälter 70 getrennt.

Die Abkühl- und Konsolidierungsstation, der insgesamt die Bezugsziffer 250 zugeordnet ist, ist zur Aufnahme des Wechselbaubehälters 70 aus Figur 2 ausgelegt. Sie weist wie auch die Vorrichtung 200 Aufnahmen 203d, 203e für Wechselbaubehälter 70, 300, 400 auf. In der Konsolidierungsstation 250 durchläuft das Werkstück ein Temperaturprogramm mit definierten Abkühlraten und Haltezeiten unter inerter Atmosphäre. Nach dem Abkühlen wird das Werkstück aus dem Wechselbaubehälter 70 entnommen und letzterer kann für eine erneute Additive Fertigung eines weiteren Werkstücks gerüstet werden. In Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters dargestellt, dem insgesamt die Bezugsziffer 504 zugeordnet ist. Innerhalb des Wechselbaubehälters 504 befindet sich eine Temperier-Einheit 1 gemäß Figur 1. Der Wechselbaubehälter 504 ist mit einer Vorrichtung für die Additive Fertigung eines Werkstücks (nicht dargestellt) verbunden; er ist von unten an den Boden 501 der Vorrichtung für die Additive Fertigung „angedockt“. Die Oberseite des Wechselbaubehälters ist mit einem Deckel 500 verschlossen, der vor der Additiven Fertigung entfernt wird. Die Bereitstellung von pulverförmigem Ausgangsmaterial erfolgt mit dem Beschichter 502, der hierzu in Richtung des Pfeils 503 verschoben wird. Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wechselbaubehälters 504 (nicht dargestellt) stellt die Kühleinrichtung 50 der Temperier-Einheit 1 gleichzeitig die Gehäusewand des Wechselbaubehälters oder einen Teil davon dar. Der z-Hub muss auf den Stempel, auf dem die Bauplattform befestigt ist, übertragen werden. Dies kann entweder durch eine in den Wechselbaubehälter integrierte Hubeinrichtung geschehen (Figur 4) oder der Stempel ist durch eine gasdichte, mechanische Durchführung im Gehäuse des Wechselbaubehälters geführt. Eine solche Durchführung des Stempels weist der in Figur 5 dargestellte Wechselbaubehälter 505 auf.