OBJEKTS MIT ISOLIERTEM BAUFELD

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts. EP 0 764 079 Bl beschreibt eine bekannte Lasersintervorrichtung, mit einem Rahmen, der mit seinem oberen Abschnitt ein Baufeld umschließt; einem Träger, der in dem Rahmen angeordnet ist und durch eine Hubmechanik zumindest unterhalb des Baufelds vertikal -bewegbar ist; einer Bestrahlungsvorrichtung, die einen

Energiestrahl erzeugt, der. durch eine Ablenkeinrichtung auf beliebige Punkte in dem Baufeld fokussiert wird, um in dem

Baufeld befindliches Pulvermaterial selektiv zu sintern oder zu schmelzen; einem Beschichter zum Aufbringen einer Schicht eines Pulvermaterials auf den Träger oder einer zuvor aufgebrachten Schicht des Pulvermaterials. Die Lasersintervorrichtung hat eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen einer mit einem Beschichter aufgetragenen Pulverschicht auf eine für die Sinterung mittels des Laserstrahls erforderliche Vortemperatur dient. Trotz der Verwendung der Heizeinrichtung kann es zu Temperaturinhomogenitäten im Baufeld kommen, wodurch die

mechanischen Eigenschaften der Objekte inhomogen sein können.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts vorzusehen, mit der die mechanischen Eigenschaften des

hergestellten Objekts verbessert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum generativen

Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Rahmen durch die

Isolierung von dem Gehäuse der Vorrichtung thermisch isoliert ist, so dass wenig Wärme von dem Baufeld zu dem Gehäuse der Vorrichtung gelangt. In vorteilhafter Weise werden dadurch

Temperaturgradienten insbesondere im Bereich des Baufelds reduziert. Durch eine gezielte Verringerung der Wärmeverluste kann das Temperaturgefälle im Randbereich des Baufelds positiv beeinflusst werden, so dass eine Anpassung an verschiedene

Bauteilgeometrien und Pulverarten möglich ist. Zum Beispiel können der effektiv nutzbare Bereich innerhalb des Baufelds und die Schwundeigenschaften der herzustellenden Objekte verbessert werden.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum

Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einem ersten Ausführungsbeis iel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Anordnung einer thermischen

Isolierung bei einem Baufeld der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Anordnung einer thermischen

Isolierung bei einem Baufeld der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum

Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer

Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der

vor1legenden Erfindung .

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die exemplarisch als Lasersintervorrichtung ausgebildet ist.

Die Lasersintervorrichtung weist einen nach oben hin offenen Rahmen 1 mit einem darin befindlichen, in vertikaler Richtung bewegbaren Träger 5 auf, der das herzustellende dreidimensionale Objekt 3 trägt. Der Rahmen 1 umschließt mit seinem oberen

Abschnitt 2 ein Baufeld 6. Vorzugsweise bilden der Rahmen 1 und der Träger 5 einen austauschbaren Wechselrahmen, der der

Lasersintervorrichtung entnommen werden kann. Der Träger 5 ist mit einer Hubmechanik 4 in Verbindung, die ihn zumindest

unterhalb der Ebene des Baufelds 6 in vertikaler Richtung so verfährt, dass die Oberseite einer jeweils zu verfestigenden Pulverschicht in der Ebene des Baufelds 6 liegt. Als Ebene des Baufelds wird hier die Ebene angesehen, in der der obere Rand des oberen Abschnitts 2 liegt.

Des Weiteren ist ein Beschichter 10 zum Aufbringen einer Schicht eines Pulvermaterials 11 vorgesehen. Als Pulvermaterial 11 können alle lasersinterbaren Pulver verwendet werden, zum

Beispiel lasersinterbare Polymere wie Polyaryletherketone , Polyarylethersulfane , Polyamide, Polyester, Polyether,

Polyolefine, Polystyrole, Polyphenylensulfide ,

Polyvinylidenfluoride , Polyphenylenoxide , Polyimide deren

Copolymere und Blends, die mindestens eines der vorangehenden Polymere einschließen, wobei die Auswahl jedoch nicht auf die oben genannten Polymere und Copolymere beschränkt ist.

Besonders geeignete Polyaryletherketone können aus der Gruppe Polyetheretherketon (PEEK) , Polyetherketoneketon (PEKK) ,

Polyetherketon (PEK) , Polyetheretherketoneketon (PEEKK) und Polyetherketoneetherketoneketon (PEKEKK) und

Polyetheretheretherketon (PEEEK) sowie deren Copolymere insbesondere mit Polyorylethersulfonen sowie deren Blends ausgewählt werden, welche mindestens eines der zuvorgenannten Polymere beinhalten. Besonders geeignete Polyamid-Polymere oder Copolymere und deren Blends können aus der Gruppe

ausgewählt werden, die aus Polamid 6/6T, Polyamidelastomeren wie Polyetherblockamide wie z.B. PEBAX-basierte Materialien, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 11, Polyamid 12, Polyamid 612, Polyamid 610, Polyamid 1010, Polyamid 1212, Polyamid

PA6T/66, PA4T/46 und Copolymeren besteht, die mindestens eines der vorgenannten Polymere einschließen. Geeignete

Polyesterpolymere oder Copolymere können aus der aus

Polyalkylenterephtholaten (z.B. PET, PBT) und deren Copolymeren ausgewählt werden. Geeignete Polyolefinpolymere oder Copolymere können aus der aus Polyethylen und Polypropylen bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Geeignete Polystyrolpolymere oder Copolymere können aus der aus syndiotaktischen und

isotaktischen Polystyrolen bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Des Weiteren können Polymere -Kompositpulver verwendet werden, welche Füllstoffe und/oder Additive neben dem

entsprechenden Polymer, Copolymer oder Blend enthalten. Zu solchen Füllstoffen zählen beispielsweise Fasern wie z.B.

Kohle- oder Glasfasernfasern und Carbon-Nanotubes , Füllstoffe mit einem geringem Aspektverhältnis wie z.B. Glaskugeln oder Alugries, mineralische Füllstoffe wie z.B. Titandioxid. Zu den Additiven zählen u.a. Prozeßhilfsmittel wie z.B.

Rieselhilfsmittel der Aerosil -Serie (z.B. Aerosil 200), funktionelle Additive wie Hitzestabilisatoren,

Oxidationsstabilisatoren, Farbpigmente (z.B. Graphit und Ruß) und Flammschutzmittel (z.B. Organophosphate , polybromierte Kohlenwasserstoffe) . Als Pulvermaterial 11 können auch Metalle, Keramiken, Formsand und Verbundmaterialien verwendet werden. Als metallhaltiges Pulvermaterial kommen beliebige Metalle und deren Legierungen sowie Mischungen mit metallischen Komponenten oder mit nichtmetallischen Komponenten in Frage.

Der Beschichter 10 wird in einer vorbestimmten Höhe über dem Baufeld 6 verfahren, so dass die Schicht des Pulvermaterials 11 mit einer definierten Höhe über dem Träger 5 bzw. über der zuletzt verfestigten Schicht liegt. Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Bestrahlungsvorrichtung in Gestalt eines Lasers 7 auf, der einen Laserstrahl 8, 8' erzeugt, der durch eine

Ablenkeinrichtung 9 auf beliebige Punkte in dem Baufeld 6 fokussiert wird. Dadurch kann der Laserstrahl 8, 8' das Pulvermaterial 11 an den Stellen selektiv verfestigen, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 3 entsprechen.

Die Lasersintervorrichtung kann eine Heizvorrichtung (nicht gezeigt) oberhalb des Baufelds 6 aufweisen, um eine frisch aufgetragene Pulverschicht auf eine Temperatur in der Nähe der zur Verfestigung notwendigen Prozesstemperatur des

Pulvermaterials 11 vorzuheizen.

Mit dem Bezugszeichen 100 ist ein Gehäuse bezeichnet, in dem der Rahmen 1, der Träger 5 und der Beschichter 10 angeordnet sind. Das Innere des Gehäuses 100 wird nachfolgend als Bauraum

bezeichnet. Vorzugsweise ist das Gehäuse gasdicht ausgebildet und hat im oberen Bereich einen Einlass zur Einleitung des

Laserstrahls 8, 8' hat. Vorzugsweise wird ein Schutzgas in das Gehäuse 100 eingeführt. Es ist ferner eine Steuereinheit 40 vorgesehen, über die die Vorrichtung in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses und zum Steuern des Energieeintrags durch den Laser 7 gesteuert wird.

In der Vorrichtung ist eine Platte 12 vorgesehen, die mit dem Rahmen 1, zum Beispiel an dessen oberem Abschnitt 2, und mit einem Gehäuse der Vorrichtung in Kontakt ist. Die Vorrichtung hat eine thermische Isolierung 13, die zwischen dem Rahmen 1 und der Platte 12 angeordnet ist. Die thermische Isolierung 13 ist vorzugsweise in der Ebene des Baufelds 6 angeordnet, kann sich jedoch auch unterhalb oder oberhalb der Ebene des Baufelds 6 befinden. Die Fig. 2 zeigt, dass die

Isolierung 13 in der Platte 12 integriert ist und umlaufend um den Rahmen 1 angeordnet ist. Der Rahmen 1 ist durch die

Isolierung 13 von dem Gehäuse 100 der Vorrichtung thermisch isoliert, so dass wenig Wärme von dem Baufeld 6 zu dem Gehäuse 100 und zu der das Baufeld umgebenden Baufeldumgebung gelangt. In vorteilhafter Weise werden dadurch Temperaturgradienten insbesondere im Randbereich des Baufelds 6 reduziert. Der

Begriff "Baufeldumgebung" bezeichnet hierbei einen in der Ebene des Baufelds 6 liegenden Bereich innerhalb des Gehäuses 100, der lateral an das Baufeld 6 angrenzt und sich zwischen Baufeld 6 und Gehäuse 100 erstreckt. Die Isolierung 13 kann lösbar an der Platte 12 angebracht sein. Dadurch ist es möglich, die Isolierung 13 als wechselbaren

Einsatz auszubilden.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der thermischen Isolierung 13. Diese Isolierung 13 hat an verschiedenen

Umfangspositionen des Rahmens 1 unterschiedliche

Wärmeleitfähigkeiten. Die Isolierung 13 erstreckt sich

horizontal vom Rahmen 1 nach außen, wobei das Maß der

horizontalen Erstreckung an verschiedenen Umfangspositionen des Rahmens 1 variiert. Vorzugsweise ist das Maß der horizontalen Erstreckung an den Ecken des Rahmens 1 größer als an anderen Umfangspositionen des Rahmens 1. Die Wärmeverluste sind dadurch variabel entlang des Umfangs des Baufelds 6, und die

Wärmeverluste können insbesondere an den Ecken des Rahmens 1 reduziert werden. Durch die gezielte Reduzierung der

Wärmeverluste kann das Temperaturgefälle im Randbereich des Baufelds 6 positiv beeinflusst werden, so dass eine Anpassung an verschiedene Bauteilgeometrien und Pulverarten möglich ist. Zum Beispiel können der effektiv nutzbare Bereich des Baufelds 6 und die Schwundeigenschaften der herzustellenden Objekte 3

verbessert werden. Beispielsweise zur Erzielung unterschiedlicher spezifischer Wärmeleitfähigkeiten kann die Isolierung 13 an verschiedenen Umfangspositionen des Rahmens 1 unterschiedliche Materialien enthalten, die unterschiedliche spezifische Wärmeleitfähigkeiten 5 haben. Je nach Anwendungsfall können verschiedene Isolierungen 13 an unterschiedlichen Umfangspositionen des Rahmens 1 an der Platte 12 angebracht werden, die verschiedene Maße der

horizontalen Erstreckung und/oder verschiedene Materialien aufweisen .

T-0

Es ist denkbar, dass die Isolierung 13 aus einem mechanisch belastbaren Isoliermaterial, einem mechanisch nicht belastbaren Isoliermaterial oder einer Kombination davon besteht.

15 Der Vorteil eines mechanisch belastbaren Isoliermaterials

besteht darin, dass dieses direkt an dem Rahmen befestigt werden kann, ohne dass ein spezieller Rahmen oder Halter bereitgestellt werden muss . Darüber hinaus kann das mechanisch belastbare

Isoliermaterial leicht zugeschnitten werden, und es ist leicht

20 austauschbar. Im Vergleich mit einem mechanisch nicht

belastbaren Isoliermaterial ist jedoch die Isolierwirkung im Allgemeinen geringer. Ein Beispiel eines mechanisch belastbaren Isoliermaterials ist das Material DOTHERM oder DOGLAS der Firma DOTHERM GmbH & Co . KG. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses

25 Material beschränkt.

Der Vorteil eines mechanisch nicht belastbaren Isoliermaterials liegt im Vergleich mit einem mechanisch belastbaren

Isoliermaterial in der besseren Isolierwirkung sowie in einem 30 günstigeren Materialpreis und einer besseren Verfügbarkeit. Im Vergleich mit dem mechanisch belastbaren Isoliermaterial muss bei dem mechanisch nicht belastbaren Isoliermaterial jedoch im Allgemeinen ein passender Rahmen, Halter oder ein Gehäuse vorgesehen werden. Beispiele eines mechanisch nicht belastbaren Isoliermaterials sind Glasfaser-Vlies, Glasfasermatten oder das Material PROMALIGHT der Firma Promat GmbH. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Materialien beschränkt.

Die Isolierung 13 kann aus wärmebeständigem Kunststoff bestehen. Beispiele eines geeigneten Kunststoffs sind Polystyrol,

Polyimid, Polyetherimid, Polybenzimidazole (PBI), PUR,

aromatisches Polyamid, Polyacrynitril . Durch Beimischung von Phenol-Formaldehydharzen kann eine verbesserte

Temperaturbeständigkeit erzielt werden.

Außerdem ist es denkbar, das zum Bauen verwendete

Pulvermaterials 11 selbst als Isoliermaterial zu verwenden. In diesem Fall kann die thermischen Isolierung durch einen Spalt (nicht gezeigt) zwischen dem Rahmen 1 und der Platte 12

verwirklicht werden, wobei der Spalt nach unten geschlossen bzw. pulverdicht abgeschottet ist. Eine derartige Abdichtung des Spalts kann mittels einer flexiblen Dichtung erfolgen. Wenn der Beschichter 10 eine Schicht des Pulvermaterials 11 auf den

Träger 5 oder einer zuvor aufgebrachten Schicht des

Pulvermaterials 11 aufbringt, wird dabei der Spalt mit dem

Pulvermaterial 11 gefüllt. Das Pulvermaterial 11 im Spalt hat im Allgemeinen eine hervorragende ^' thermische Isolierwirkung.

Bei dem Betrieb der Vorrichtung wird in einem ersten Schritt der Träger 5 durch die Hubmechanik 4 soweit nach unten verfahren, bis seine obere Seite um die gewünschte Dicke einer ersten

Pulverschicht unterhalb der Ebene des Baufelds 6 liegt. Dann wird durch den Beschichter 10 eine erste Schicht des

Pulvermaterials 11 auf den Träger 5 aufgebracht und geglättet. Falls die Heizvorrichtung vorgesehen ist, kann durch die

Heizvorrichtung die Temperatur des obersten Pulvermaterials 11 global auf wenige °C unterhalb der zur Verfestigung notwendigen Prozesstemperatur vorgeheizt werden. Anschließend steuert die Steuereinheit 40 die Ablenkeinrichtung 9 derart, dass der abgelenkte Laserstrahl 8, 8' selektiv an den Stellen der Schicht des Pulvermaterials 11 auftrifft, die verfestigt werden sollen. Dadurch wird an diesen Stellen das Pulvermaterial 11 verfestigt bzw. gesintert, so dass hier das dreidimensionale Objekt 3 entsteht.

In einem nächsten Schritt wird der Träger 5 durch die

Hubmechanik 4 um die gewünschte Dicke der nächsten Schicht abgesenkt. Durch den Beschichter 10 wird eine zweite

Pulvermaterialschicht aufgetragen, geglättet und mittels des

Laserstahls 8, 8' selektiv verfestigt. Diese Schritte werden so oft durchgeführt, bis das gewünschte Objekt 3 hergestellt ist.

Durch die thermische Isolierung 13 können dabei die

Temperaturgradienten insbesondere im Randbereich des Baufelds 6 reduziert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere bei

Lasersinterprozessen anwendbar, bei denen die Temperatur der obersten Pulverschicht im Baufeld 6 durch eine separate

Heizvorrichtung auf wenige °C unterhalb der zur Verfestigung notwendigen Prozesstemperatur des Pulvermaterials vorerwärmt wird, wobei die zusätzliche Strahlung durch den Laserstrahl 8 ' einen weiteren Energieeintrag zum Verfestigen des

Pulvermaterials liefert. Dies ist insbesondere bei der

Verwendung von pulverförmigen Kunststoffmaterial der Fall. Der Schutzumfang beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern er umfasst weitere Änderungen und Abwandlungen, sofern diese innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Umfangs fallen.

Zum Beispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur beim Lasersintern anwendbar, sondern auf alle pulverbasierten, generativen Verfahren, bei denen pro aufzutragender Schicht ein Werkstoff bzw. ein Pulvermaterial verwendet wird, welches durch die energiehaltige Strahlung verfestigt wird. Die energiehaltige Strahlung muss nicht unbedingt ein Laserstrahl 8 ' sein, sondern kann zum Beispiel auch ein Elektronenstrahl sein.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 ist die thermische Isolierung 13 im Wesentlichen in der Ebene des

Baufelds 6 angeordnet, welche durch den oberen Rand des oberen Abschnitts 2 des Rahmens 1 definiert wurde. Die Isolierung 13 muss sich jedoch nicht an einem Außenumfang des Rahmens 1 angeordnet sein, wie dies im ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 der Fall ist. Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung, bei der die thermische Isolierung 13 über dem oberen Abschnitt 2 des Rahmens 1 angeordnet ist und vorzugsweise mit diesem in Kontakt ist. Wenn der Rahmen 1 als Wechselrahmen ausgeführt ist, kann der obere Abschnitt 2 des Wechselrahmens 1 von unten an die Isolierung 13 anstoßen. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine gute Abdichtung zwischen dem Wechselrahmen 1 und der Isolierung 13 erreicht. Die "Ebene des Baufelds" wird bei diesem

Ausführungsbeispiel dann nicht mehr durch den oberen Rand des Abschnitts 2 definiert, sondern durch die Oberseite der Platte 12, welche in dieser Ebene liegt. Ferner muss die Isolierung 13 bei allen Ausfuhrungsbeispielen den Rahmen 1 nicht vollständig umschließen, sondern kann nur . einigen Stellen des Umfangs des Rahmens 1 angeordnet sein.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Isolierung 13 in unmittelbarer Nähe des Rahmens 1 angebracht ist und

beispielsweise unmittelbar an diesen angrenzt.