Modularer 3D-Druckautomat

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes, selektives Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren, pulver- förmi-gen Aufbaumaterials mit zumindest einer Aufbaukammer, umfassend eine höhenverstellbare Plattform, eine Strahlungsvorrichtung zur Verfestigung von Aufbaumaterial in einem Baufeld oberhalb der Plattform, zumindest einem Beschichter, zumindest einer Pulverkammer und zumindest einer Restpulverkammer.

Die additive bzw. generative Fertigung beschreibt einen Prozess, bei dem Bauteile direkt oder indirekt auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten aus formlosen und pulverförmigen Aufbaumaterialien erzeugt werden. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird daher häufig auch der Begriff „3D- Druck“ verwendet.

Ein wesentliches Kennzeichen der additiven Fertigung ist das selektive und schichtweise Verfestigen zumindest eines Aufbaumaterials. Ist das Aufbaumaterial pulverförmig, wird es zunächst in Form einer dünnen Schicht auf eine Plattform in eine Prozesskammer einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen eingebracht.

Durch eine lokal eingebrachte Strahlungsenergie, beispielsweise mithilfe eines Laserstrahls, werden die Pulverpartikel des Aufbaumaterials in exakt definierten Bereichen der Schicht teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, bzw. versintert und kühlen anschließend ab, so dass sie sich miteinander zu einem Festkörper verbinden. Statt Einbringung einer Strahlungsenergie kann auch eine Verfestigung des Aufbaumaterials mit anderen physikalischen oder chemischen Methoden erfolgen, beispielweise durch den Einsatz eines Bindemittels.

Zwei kommerziell bedeutsame Verfahren, bei denen das Verfestigen des Aufbaumaterials durch Strahlungsenergie erfolgt, sind das „selektive Lasersintern“ (SLS) und das „selektive Laserschmelzen“ (SLM).

Die Bestrahlung der Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials erfolgt dabei auf Basis von vorgebbaren 3D-Konstruktionsdaten des herzustellenden Bauteils, so dass die Bereiche der Schicht bestrahlt werden, die Bestandteil des herzustellenden Bauteils werden sollen. Zur Erzeugung eines vollständigen Bauteils werden also wiederholt dünne Schichten des pulverförmigen Aufbaumaterials in die Prozesskammer eingebracht und selektiv verfestigt, wobei sich die einzelnen verfestigten Bauteilschichten zu einem gemeinsamen Bauteil verbinden.

Nachdem die Verfestigung des Aufbaumaterials in einer Schicht abgeschlossen ist, wird die Plattform der Prozesskammer um eine Schichtdicke abgesenkt, so dass die Oberfläche der selektiv verfestigten Schicht mit der Umgebung eine Ebene bildet. Dann trägt ein Beschichter eine weitere Schicht Aufbaumaterial auf die vorherige Schicht auf. Dabei verschiebt der Beschichter das pulverförmige Aufbaumaterial zu einer planen Fläche und bildet erneut eine ebene Arbeitsfläche.

Während des Beschichtens des pulverförmigen Aufbaumaterials zu einer Arbeitsebene wird auch pulverförmiges Aufbaumaterial über die Begrenzungen der Prozesskammer hinaus verschoben. Dieses Restpulver wird in einer Restpulverkammer gesammelt, welche seitlich zur Arbeitsebene in Verschiebungsrichtung des Beschichters neben dem Bereich der Plattform angeordnet ist.

Die DE 20 2018 003 678 U1 beschreibt eine Beschichtungsvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen in einer Arbeitsebene, wobei die Beschichtungsvorrichtung um eine eigene Vorrichtungsachse, besonders bevorzugt um eine, insbesondere eigene, Längsachse drehbar ist und zumindest zwei Beschichtungselemente an ihrer Oberfläche umfasst.

Die DE 10 2021 107 265 A1 offenbart eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials mit einer Restpulverkammer inklusive einer Aufnahmeöffnung, um von einem Beschichter verschobenes überschüssiges pulverförmiges Material aufzunehmen. Die Restpulverkammer weist zumindest ein Abdeckelement auf, welches unter Belassung der Aufnahmeöffnung die Restpulverkammer abdeckt, wobei die Oberfläche des Abdeckelements zumindest eine Fließhemmvorrichtung für das pulverförmige Aufbaumaterial aufweist.

In der industriellen Praxis wird in der Regel jede Vorrichtung zur additiven Fertigung mit genau einem pulverförmigen Aufbaumaterial betrieben. Dabei wird eben genau dann produziert, wenn ein Bauteil aus eben jenem Aufbaumaterial beauftragt ist. Ansonsten steht die Vorrichtung, bis ein Auftrag mit dem entsprechenden Aufbaumaterial ansteht. Würde man die Vorrichtung mit einem anderen Aufbaumaterial betreiben wollen, müsste unter Wegnahme der entsprechenden Verkleidungen das Aufbaumaterial penibel aus der Pulverkammer, der Aufbaukammer und der Restpulverkammer entfernt werden. Dementsprechend müsste das erwünschte Aufbaumaterial eingebracht und die Verkleidungen wieder angebracht werden.

Nach der Erzeugung eines Bauteils wird von einem Mitarbeiter die Vorrichtung geöffnet, das erzeugte Bauteil entnommen und manuell gereinigt. Das Aufbaumaterial aus der Aufbaukammer und Restpulverkammer muss dann ebenfalls händisch wieder der Pulverkammer zugeführt werden. Auch in dieser Zeit können keine Bauteile produziert werden.

Darüber hinaus weisen charakteristische Vorrichtungen zur additiven Fertigung standardisierte Bauräume bzw. Aufbaukammern auf, die nicht immer zweckmäßig, bzw. an die Abmaße der zu erzeugenden Bauteile ausgebildet sind. So kann die Aufbaukammer beispielsweise zu klein ausgebildet sein, so dass Bauteile aus einzelnen additiv erzeugten Einzelteilen zusammengefügt werden müssen. In anderen Fällen ist die Aufbaukammer viel zu groß ausgeführt, so dass vom Beschichter Unmengen an Aufbaumaterial bewegt werden, wobei nur ein geringer Anteil zur Erzeugung des Bauteils genutzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen bereitzustellen, die die zuvor genannten Nachteile überwindet und eine Lösung hierfür bietet. Dabei soll die Produktionszeit der Vorrichtung intensiviert und Stillstandzeiten minimiert werden können. Zudem soll die Vorrichtung für wechselnde Aufbaumaterialien geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung in ein stationäres Modul, das die Strahlungsvorrichtung umfasst, und in mindestens zwei gegeneinander austauschbare Module, die jeweils zumindest eine Aufbaukammer aufweisen, gegliedert.

Stationär bedeutet im erfindungsgemäßen Sinne ortsfest. Das Modul, das die Strahlungsvorrichtung umfasst, ist als Maschine an einem festen Ort errichtet, ausgerichtet und somit gebunden. Vorzugsweise umfasst das stationäre Modul auch die Steuerungsvorrichtung, die die Strahlung der Strahlungsvorrichtung auf der Grundlage der 3D-Kon- struktionsdaten exakt steuert, lenkt und positioniert.

Austauschbar bedeutet im erfindungsgemäßen Sinne nicht ortsfest, das heißt auch auswechselbar und/oder ersetzbar und/oder vertauschbar. Die austauschbaren Module können und sollen somit gegeneinander am stationären Modul ausgetauscht und gewechselt werden können. Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist das stationäre Modul mit den austauschbaren Modulen modular kombinierbar ausgebildet. Das heißt, dass die Module zur einfachen und schnellen Verbindung zu einer generativen Produktionseinheit konzipiert sind. Der Wechsel der austauschbaren Module am stationären Modul ist mit entsprechenden Einrichtungen und Hilfsvorrichtungen zeiteffizient und exakt durchführbar.

Ein Modul als solches steht für einen Teil eines größeren Systems. Ein Modul ist ein in sich abgeschlossenes System als Teil einer generativen Fertigungsmaschine.

Idealerweise weisen die Module Konnektivitätselemente auf. Vorzugsweise greift die Steuerungsvorrichtung über eine Verbindung vom stationären Modul auf das austauschbare Modul zu, um beispielsweise die Plattform der Aufbaukammer sowie den Beschichtungsvorgang zu steuern.

Idealerweise sind die austauschbaren Module zur Bildung der Vorrichtung verfahrbar ausgebildet. Dazu können die austauschbaren Module beispielsweise auf Rollen, bzw. Reifen verfahrbar ausgeführt sein. Bei einer weiteren Variante sind die austauschbaren Module auf einem Schienensystem bewegbar. Alternativ können die austauschbaren Module auch mit Flurfördereinrichtungen bewegt werden.

Vorteilhafterweise umfasst das stationäre Modul mindestens einen Anschlag und mindestens ein Kalibrierelement.

Ein Anschlag ist ein erwünschter Endpunkt beispielsweise einer Bewegung eines austauschbaren Moduls. Darüber hinaus richtet ein Anschlag vorzugsweise während eines generativen Produktionsprozesses die Module exakt und fest zueinander positioniert aus. Der Anschlag ist fest eingerichtet, kann aber auch verstellbar sein, um Veränderungen der Module auszugleichen. Mithilfe des Anschlags bzw. der Anschläge werden die Module gegeneinander positioniert. Zudem werden über die Anschlagsflächen die bei der Produktion eventuell auftretenden Kräfte übertragen. Ein Kalibrierelement bzw. Justierelement dient der Feststellung der Positionierung und Abstände der Module zueinander. Dies ist aufgrund der Modularität der Strahlungsvorrichtung und der Aufbaukammer hilfreich zur exakten Ausbildung generativ erzeugter Bauteile. Die Kalibrierung dient zur Feststellung und Dokumentation von Abweichungen der Position der Module. Gegebenenfalls kann über eine Nachjustierung des Anschlags bzw. der Anschläge eine Abweichung der Positionierung ausgeglichen werden.

Idealerweise umfassen die austauschbaren Module zumindest eine Aufbaukammer mit einer höhenverstellbaren Plattform, mindestens eine Pulverkammer, mindestens einen Beschichter und zumindest eine Restpulverkammer. Als solches ist ein austauschbares Modul ein flexibles Prozess- bzw. Produktionsmodul zur Erzeugung generativ gefertigter Bauteile. Ein austauschbares Modul ist bestückt und vorbereitet mit einem Aufbaumaterial für ein Bauteil. Nach der Erzeugung kann das Modul zeiteffizient ausgetauscht werden, so dass die Produktion eines neuen Bauteils mit dem stationären Modul und einem getauschten Modul läuft, während gleichzeitig das generativ erzeugte Bauteil eventuell manuell von Aufbaumaterial gereinigt werden kann, ohne wertvolle Produktionszeit zu binden. Ein solches austauschbares Modul kann anschließend für den nächsten Erzeugungszyklus mit Aufbaumaterial bestückt werden, während das Aufbaumaterial in der Aufbaukammer und der Restpulverkammer entfernt wird.

Das austauschbare Modul umfasst dabei zumindest eine Aufbaukammer mit zumindest einer höhenverstellbaren Plattform. Dabei definieren die Aufbaukammer und die Plattform einen Raum, in dem ein Bauteil generativ erzeugt werden kann. Durch die Modularität können austauschbare Module mit ganz unterschiedlichen Räumen zur Erzeugung von generativen Bauteilen konzipiert und vorgehalten werden. Dadurch kann besonders die Effizienz der Produktion gesteigert werden, wenn der Bauraum in etwa den Abmaßen des zu erzeugenden Bauteils entspricht. Ein austauschbares Modul wird demnach auch passend zur Bauteilgröße gewählt und eingesetzt. Hierdurch wird insbesondere die Menge an dem vom Beschichter zu verschiebenden Aufbaumaterial angepasst, wodurch die Produktionsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Des Weiteren können für große, generativ zu erzeugenden Bauteile auch speziell entwickelte, austauschbare Module Einsatz finden.

Die obere Öffnung der Aufbaukammer bildet dabei eine Fläche oder einen Raum, der oberhalb der Plattform angeordnet ist. Diese Fläche bzw. dieser Raum wird auch als Baufeld bezeichnet und bildet die Arbeitsebene, in dem das Bauteil gefertigt wird.

Das austauschbare Modul umfasst zumindest einen Beschichter, welcher ausgebildet ist, um Schichten des Aufbaumaterials auf die Plattform und/oder eine zuvor aufgetragene Schicht aufzutragen, um das Aufbaumaterial in die aktuelle Arbeitsebene einzubringen.

Zudem umfasst das austauschbare Modul zumindest eine Restpulverkammer. Dabei verfügt die Restpulverkammer über zumindest eine Öffnung, um von dem Beschichter verschobenes, überschüssiges, pulverförmiges Aufbaumaterial aufzunehmen.

Insgesamt umfasst ein austauschbares Modul keine signifikant teuren Elemente, wodurch sich eine Vielzahl von austauschbaren Modulen mit unterschiedlich großen Aufbaukammern und verschiedenen Aufbaumaterialien rechnet, um ein teures stationäres Modul auszulasten. Dadurch kann insbesondere die Produktionszeit verkürzt, die Auslastung erhöht und die Stillstandzeiten minimiert werden, was einer immensen Prozessintensivierung entspricht.

Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist der Wechsel der austauschbaren Module am stationären Modul automatisiert, wodurch insbesondere Produktionszeiten in der Nacht und an Wochenenden realisiert werden können.

Bei einer günstigen Variante der Erfindung umfasst die Strahlungsvorrichtung eine Strahlungsquelle und eine Strahlungsumlenkvorrichtung.

Die Strahlungsvorrichtung umfasst eine Strahlungsquelle, vorzugsweise einen Laser, zur Verfestigung des pulverförmigen Aufbaumaterials. Die Strahlungsvorrichtung kann dabei auch eine Strahlumlenkvorrichtung zum Umlenken des Energiestrahls auf die jeweils zu verfestigende Schicht aufweisen, bzw. um den Energiestrahl in gewünschter Weise auf der aktuellen Schicht zu verfahren und die selektive Verfestigung auszuführen.

Die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials kann dabei mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht- und/oder Wärmestrahlung, erfolgen. Alternativ kann das Aufbaumaterial aber auch mit Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Elektronenstrahlung, bestrahlt werden.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten eines mittels Bestrahlung verfestigbaren, pulverförmigen Aufbaumaterials mit einem stationären Modul, das eine Strahlungsvorrichtung aufweist, je ein austauschbares Modul modular mit einem stationären Modul zur Bildung der Vorrichtung kombiniert.

Bei diesem Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten wird durch Bestrahlung pulverförmiges Aufbaumaterial verfestigt. Das verfestigte, pulverförmige Aufbaumaterial entspricht einem Querschnitt des Bauteils. Das selektive Verfestigen wird in einer Vorrichtung durchgeführt, die eine Aufbaukammer mit einer höhenverstellbaren Plattform, eine Strahlungsvorrichtung, einen Beschichter und eine Restpulverkammer umfasst. Hierzu werden austauschbare Module mit angepassten Aufbaukammern mit einer stationären Strahlungsvorrichtung kombiniert, um die Auslastung der Strahlungsvorrichtung inklusive der Steuereinheit der Strahlungsvorrichtung, die die 3D-Konstruktionsdaten verarbeitet, zu erhöhen. Die austauschbare Modularität der Aufbaukammern mit entsprechendem Zubehör realisiert eine bisher nicht übliche Vorrichtung zur Erzeugung generativer Bauteile, in denen unterschiedliche Aufbaumaterialien nacheinander verarbeitet werden. Zudem werden die teuren Elemente Strahlungsvorrichtung und deren Steuereinheit so ausgelastet, dass eine dauerhafte Produktion rund um die Uhr möglich wird, weil die oft manuell zu verrichtenden Arbeiten, wie Aufbaumaterialen auffüllen und entfernen sowie das Säubern der Bauteile, an den austauschbaren Modulen anfallen. Somit wird die Produktion generativer Bauteile nicht mehr durch die manuellen Arbeiten unterbrochen und die Stillstandzeiten auf ein Minimum, nämlich den Wechsel der austauschbaren Module, reduziert.

Vorteilhafterweise werden die weiteren Kammern für das pulverförmige Aufbaumaterial an die Aufbaukammer des austauschbaren Moduls angepasst, wodurch eine Auffüllung von Aufbaumaterial zwischendurch entfällt. Dies reduziert wiederum die Stillstandzeiten. Auch das Entleeren von gefüllten Restpulverkammern entfällt durch ein angepasstes Design der Kammern an den Bauraum der Aufbaukammer.

Idealerweise werden eine Vielzahl unterschiedlicher, austauschbarer Module bereitgestellt, die Aufbaukammern mit ganz verschiedenen Bauhöhen und Bauräumen aufweisen. Eine Anpassung der Aufbaukammer an die Geometrie des zu erzeugenden Bauteils trägt maßgeblich zur Reduktion der Produktionszeiten bei.

Gemäß der Erfindung wird die Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen mit mindestens zwei austauschbaren Modulen zur modularen Kombination mit einem stationären Modul zur Produktionsauslastung der Strahlungsvorrichtung verwendet.

Dies realisiert eine bis dahin nicht gekannte Effizienzsteigerung und Produktionsauslastung bei der Erzeugung generativer Bauteile und verhindert die Ausbildung von Produktionshallen mit einer Vielzahl von Vorrichtungen zur Erzeugung generativer Bauteile, bei der nur wenige produzieren und viele stillstehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Bauteilen, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der modularen Kombination des stationären Moduls mit einem austauschbaren Modul,

Fig. 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines austauschbaren Moduls.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen. In der dargestellten Variante ist ein austauschbares Modul 5 an ein stationäres Modul 4 angedockt. Das stationäre Modul 4 umfasst eine Strahlungsvorrichtung 2, während bei dem dargestellten austauschbaren Modul 5 ein Beschichter 3 ersichtlich ist.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der modularen Kombination des stationären Moduls 4 einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung mit einem austauschbaren Modul 5. Dazu ist das austauschbare Modul 5 beweglich und verfahrbar ausgebildet. Es wird an einen Anschlag des stationären Moduls 4 angedockt. Ein Kalibierelement ermittelt die Position der Module 4 und 5 zueinander, was von der Steuereinheit der Strahlungsvorrichtung 2 zur Ausbildung des generativen Bauteils 6 berücksichtigt wird.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines austauschbaren Moduls 5. Die Pulverkammer 11 beherbergt den Vorrat an pulverförmigen Aufbaumaterial 7. Der Beschichter 3 verschiebt das pulverförmige Aufbaumaterial 7 in das Baufeld 10 der Aufbaukammer 8. Die Höhe des Baufeldes 10 wird mittels der Plattform 9 eingestellt. In der Aufbaukammer 8 entsteht das Bauteil 6 durch aufeinanderfolgendes selektives Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren, pulverförmigen Aufbaumaterials 7. Das überschüssige Aufbaumaterial 7 wird in der Restpulverkammer 12 aufgefangen. Das austauschbare Modul 5 ist mithilfe der Rollen 13 verfahrbar ausgebildet.