[0001] [0001]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 13. The present invention relates to an apparatus and a method for producing three-dimensional objects according to the preamble of patent claim 1 and patent claim thirteenth
[0002] [0002]
Bei generativen Fertigungsverfahren, wie z. B. dem Selektiven Lasersintern, dem selektiven Laserschmelzen, der Stereolithographie, dem 3D-Printing , werden dreidimensionale Objekte schichtweise hergestellt, indem Schichten eines Aufbaumaterials aufgetragen und durch selektives Verfestigen an den dem Querschnitt der Objekte entsprechenden Stellen miteinander verbunden werden. In generative manufacturing processes such. As selective laser sintering, selective laser melting, stereolithography, 3D printing, three-dimensional objects layer by layer by applied layers of building material and the cross section of the objects corresponding points connected by selectively solidifying the be.
[0003] [0003]
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der Such a method and such an apparatus are known for example from EP 0 734 842 EP 0734842 bekannt, die das selektive Lasersintern von pulverförmigem Aufbaumaterial beschreibt. known, which describes the selective laser sintering of pulverulent build-up material. Dort wird eine erste Schicht eines pulverförmigen Materials auf einen absenkbaren Träger aufgebracht und an den dem Objekt entsprechenden Stellen mit einem Laser bestrahlt, so daß das Material dort zusammensintert. There, a first layer of a powder material is applied to a carrier and can be lowered at the irradiated locations corresponding to the object with a laser, so that the material sinters together there. Danach wird der Träger abgesenkt und es wird auf diese erste Schicht eine zweite Schicht aufgebracht und wiederum selektiv gesintert, die dabei mit der ersten Schicht verbunden wird. Thereafter, the carrier is lowered and there is applied a second layer on said first layer and in turn selectively sintered, which is thereby connected to the first layer. Dadurch wird das Objekt schichtweise gebildet. It will then be formed in layers. Während des Auftragens einer neuen Schicht findet keine Bestrahlung statt. During the application of a new layer, no irradiation takes place. Dadurch wird der Laser als eines der kostenintensivsten Elemente der Lasersinteranlage nicht wirtschaftlich optimal genutzt und die Produktivität der Vorrichtung wird durch Bestrahlungspausen gesenkt. As a result, the laser is not used economically optimal as one of the most costly elements of the laser sintering system and the productivity of the apparatus is lowered by irradiation breaks. Hinzu kann ein Zeitverlust durch Aufheizen, Abkühlen und andere Verfahrensschritte treten. In addition, a time loss due to heating, cooling, and other operations occur. [0004] [0004]
Ferner ist es bei einer derartigen Vorrichtung bekannt, mehrere Objekte parallel aufzubauen, wenn diese in den Bauraum passen. Further, in such a device known to construct multiple objects in parallel if they fit in the available space.
[0005] [0005]
Sollen mehr Bauteile gleichzeitig gefertigt werden, als in den Bauraum passen, so ist dies grundsätzlich durch den parallelen Betrieb mehrerer solcher Vorrichtungen möglich, allerdings ist dies mit hohen Investitionskosten verbunden. If more parts are manufactured simultaneously than can fit in the available space, so this is basically due to the parallel operation of several such devices possible, but this is associated with high investment costs.
[0006] [0006]
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, durch die auf kostengünstige Weise die Produktivität und Wirtschaftlichkeit bei der schichtweisen, generativen Herstellung von dreidimensionalen Objekten erhöht werden kann. An object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method, in a cost effective manner, the productivity and economy can be increased during the layerwise generative production of three-dimensional objects by the.
[0007] [0007]
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13. The object is achieved by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 13.
[0008] [0008]
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Further developments of the invention are characterized in the subclaims.
[0009] [0009]
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Other features and advantages of the invention will become apparent from the description of embodiments with reference to the figures. Von den Figuren zeigen: In the drawings:
[0010] [0010]
1 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; is a schematic side view of an apparatus according to a first embodiment of the present invention;
[0011] [0011]
2 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; a schematic representation of a device according to a second embodiment of the invention;
[0012] [0012]
3 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Erfindung; a schematic representation of a device according to a modification of the second embodiment of the invention;
[0013] [0013]
4 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; a schematic representation of a process flow according to a second embodiment of the invention; und and
Erste Ausführungsform First Embodiment
[0014] [0014]
1 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lasersinteranlage als Beispiel einer Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem mittels elektromagnetischer Strahlung verfestigbaren Aufbaumaterial gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. shows a cross-sectional view of a laser sintering system as an example of a device for layer-wise production of three-dimensional objects from a solidifiable build-up material by means of electromagnetic radiation according to a first embodiment of the invention. Die Vorrichtung weist zwei Prozeßkammern The apparatus has two processing chambers 11 11 und and 12 12 auf, in denen jeweils Objekte hergestellt werden. to, in each of which objects are made. Dabei kann es sich um zwei voneinander räumlich separierte Prozeßkammern handeln oder aber um eine Doppelkammer, bei der jeder Teilbereich eine eigene Prozeßkammer darstellt. It may be two physically separated process chambers or a double chamber, in which each section is a separate process chamber. Jede der Prozeßkammern weist einen Baubehälter Each of the process chambers comprises a building container 6 6 mit einer Wandung with a wall 16 16 und einer Bauplattform and a building platform 4 4 auf. on.
[0015] [0015]
Die Bauplattform The build platform 4 4 ist mit einem Vertikalantrieb with a vertical drive 15 15 verbunden, welcher eine Auf- und Abbewegung der Bauplattform connected, which up and down movement of the build platform 4 4 relativ zu dem Baubehälter in vertikaler Richtung ermöglicht. allows relative to the building container in the vertical direction.
[0016] [0016]
Über dem Baubehälter About the building container 6 6 ist eine Materialauftragevorrichtung is a materialist run support device 7 7 zum Aufbringen des auf die Bauplattform for application of the build platform 4 4 aufzubringenden Sinterpulvers angeordnet. applied sintered powder arranged. Oberhalb der Materialauftragevorrichtung Above the materiality run support device 7 7 ist eine Ablenkeinheit is a deflection unit 10 10 angeordnet, die geeignet ist, einen gerichteten Strahl elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung auf beliebige Orte innerhalb einer aufgetragenen Schicht zu richten. arranged, which is adapted to direct a directed beam of electromagnetic radiation, in particular laser radiation on any location within a coated layer. Vorzugsweise handelt es sich bei der Ablenkeinheit Preferably in the deflector 10 10 um einen xy-Scanner oder einen Plotter. an xy scanner or plotter.
[0017] [0017]
Wie in How to 1 1 dargestellt, ist eine Strahlungsquelle shown, a radiation source 21 21 in Form eines Lasers außerhalb der Prozeßkammern in the form of a laser outside the process chambers 11 11 und and 12 12 angeordnet. arranged. Der ausgesandte Laserstrahl wird über eine Umschalteinrichtung The emitted laser beam is fed via a switching device 22 22 entweder der einen Prozeßkammer 11 oder der anderen Prozeßkammer either one process chamber 11 or the other process chamber 12 12 zugeführt. supplied. Die Umschalteinrichtung The switching 22 22 ist für den Fall, daß es sich bei der Strahlungsquelle is for the case where it is the radiation source 21 21 um einen Laser mit fasertransmissionsgeeigneten Eigenschaften handelt, zB einen NdYAG Laser, als Strahlweiche ausgebildet. a laser with fiber transmission is suitable properties, such as a laser NdYAG, designed as a beam splitter. Hierzu wird der Strahlweiche der Laserstrahl über eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleitkabel zugeführt und über wahlweise mit diesem verbindbare Lichtleitfasern bzw. Lichtleitkabel an die einzelnen Prozeßkammern weitergeleitet. For this purpose, the beam splitter, the laser beam is fed via an optical fiber or fiber optic cable and transmitted through optical fibers can be connected either with this or fiber optic cable to the individual process chambers. Somit sind die Prozeßkammern über Lichtleitfasern bzw. Lichtleitkabel jeweils fest mit dem Laser verbunden. Thus, the process chambers via optical fibers or fiber-optic cables are fixedly connected to the laser. Die Umschalteinrichtung The switching 22 22 kann aber auch als schaltbares optisches Element, insbesondere als ein Spiegel ausgebildet sein, wobei der Laserstrahl frei propagiert. but can also be designed as a switchable optical element, in particular as a mirror, wherein the laser beam propagates freely. Ferner zeigt Further shows 1 1 ein gebildetes Objekt a formed object 24 24 , das von nicht verfestigtem Pulver , Of the non-solidified powder 25 25 umgeben ist. is surrounded.
[0018] [0018]
In einer Abwandlung ist eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen, zB in Form eines regelbaren optischen Elements, die es erlaubt, den Strahl aus der Strahlungsquelle zu teilen und gleichzeitig beiden Kammern zuzuführen. In a modification, a beam splitting means is provided, eg in the form of a controllable optical element, which allows the beam to divide the radiation from the source and at the same time to supply both chambers.
[0019] [0019]
Die Vorrichtung der ersten Ausführungsform gestattet es, eine Strahlungsquelle für zwei verschiedene Prozeßkammern zu nutzen, was mehrere Vorteile für die Herstellung einer großen Stückzahl von Bauelementen mit sich bringt. The apparatus of the first embodiment makes it possible to use a radiation source for two different process chambers, which provides several advantages for the production of a large number of components with it.
[0020] [0020]
Wird nicht jede Prozeßkammer mit einer eigenen Strahlungsquelle versehen, führt dies zu einem deutlich geringeren Investitionsaufwand für die Erhöhung der Anzahl der Prozeßkammern. Not every process chamber provided with its own radiation source, this leads to a significantly lower capital expenditures on the increase in the number of process chambers.
[0021] [0021]
Die Entkopplung von Strahlungsquelle und Prozeßkammer gestattet geringere Sicherheitsaufwendungen bei der Ausgestaltung der Prozeßkammer. The decoupling of radiation source and process chamber allows lower cost of security in the design of the process chamber.
[0022] [0022]
Durch die Entkopplung von Strahlungsquelle und Prozeßkammer ist der Platzbedarf für eine Prozeßkammer geringer. By decoupling the radiation source and the process chamber, the space required for a process chamber is lower.
[0023] [0023]
Im Betrieb werden in den beiden Prozeßkammern In operation, the two process chambers 11 11 , . 12 12 zeitgleich Objekte hergestellt. at the same time made objects. Dabei wird der Laser In this case, the laser is 21 21 alternierend mit jeder der beiden Prozeßkammern alternately with each of the two process chambers 11 11 , . 12 12 verbunden. connected. Insbesondere wird in der einen Prozeßkammer eine zuvor aufgetragene Schicht belichtet, während zeitgleich in der anderen Prozeßkammer auf eine zuvor selektiv bestrahlte Schicht eine neue Schicht aufgebracht wird und gegebenenfalls für die Bestrahlung vorbereitet wird, zB durch Vorheizung. In particular, in a process chamber which is exposed to a previously applied layer, while at the same time in the other processing chamber to a previously selectively irradiated layer, a new layer is deposited and is optionally prepared for the irradiation, for example by preheating.
[0024] [0024]
Das Verfahren gestattet eine gegenüber dem herkömmlichen Verfahren effektivere Nutzung der Strahlungsquelle. The method allows a comparison of the conventional method, effective use of the radiation source. Da die Strahlungsquelle jeweils während der Zeit des Schichtauftrags in einem Baubehälter in dem anderen Baubehälter für eine Belichtung benutzt wird, erhöht sich ihr Auslastungsgrad beträchtlich. Since the radiation source is used in each case during the time of the layer order in a building container in the other building container for exposure, their utilization rate increased considerably.
Zweite Ausführungsform Second Embodiment
[0025] [0025]
Die Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von jener der ersten Ausführungsform darin, daß eine einzige Strahlungsquelle vier Prozeßkammern zugeordnet ist. The apparatus according to a second embodiment differs from that of the first embodiment in that a single radiation source is associated with four process chambers. Diese können entweder in Form von räumlich voneinander getrennten Einzelkammern oder als Teilbereiche von zwei Doppelkammern oder einer Vierfachkammer vorliegen. These can be either in the form of spatially separated individual chambers or portions of two double chambers or a quadruple chamber.
[0026] [0026]
2 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. shows schematically a device according to a second embodiment of the invention. Wie aus As from 2 2 ersichtlich ist, ist der Laser It can be seen, the laser 21 21 über eine Umschalteinrichtung a switching device 224 224 mit jeweils einer der Prozeßkammern with each one of the process chambers 11 11 , . 12 12 , . 13 13 , . 14 14 verbindbar. connectable. Alternativ dazu kann, wie in Alternatively, as shown in 3 3 dargestellt, jeweils zwei Prozeßkammern eine Umschalteinrichtung shown, two process chambers a switching 222a 222a bzw. and 222b 222b zugeordnet sein, deren Eingang mit einem Ausgang einer der Strahlungsquelle be associated with its input connected to an output of the radiation source 21 21 nachgeschalteten Umschalteinrichtung downstream switching device 22 22 verbunden ist. is connected.
[0027] [0027]
4 4 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. shows a flow diagram of a method according to a second embodiment of the invention. Wie in der oberen Hälfte von As shown in the upper half of 4 4 dargestellt, wird in den Prozeßkammern shown, is in the process chambers 11 11 und and 12 12 zeitgleich ein Bauvorgang durchgeführt. at the same time a building process carried out. Bei einem Aufbau gemäß In a structure in accordance with 3 3 leitet hierzu die Umschalteinrichtung this directs the switchover 22 22 die Strahlung der den Prozeßkammern the radiation of the process chambers 11 11 und and 12 12 zugeordneten Umschalteinrichtung associated switching device 222a 222a zu. to. Die Umschalteinrichtung The switching 222a 222a führt dann die Strahlung alternierend jeder der beiden Prozeßkammern then performs the radiation alternately each of the two process chambers 11 11 und and 12 12 zu. to. Insbesondere wird in der einen Prozeßkammer eine zuvor aufgetragene bzw. vorbereitete Schicht belichtet, während zeitgleich in der anderen Prozeßkammer auf eine zuvor selektiv belichtete Schicht eine neue Schicht vorbereitet wird. In particular, in a process chamber exposed a previously applied or prepared layer, while at the same time in the other process chamber to a previously selectively exposed layer, a new layer is prepared. Während des Bauvorgangs in den beiden Prozeßkammern During the construction process in the two process chambers 11 11 und and 12 12 werden in den beiden anderen Prozeßkammern be in the other two process chambers 13 13 und and 14 14 fertig gebaute Objekte den Prozeßkammern entnommen und ein neuer Bauvorgang in den Prozeßkammern vorbereitet. completely built objects taken from the process chambers and prepared a new construction process in the process chambers.
[0028] [0028]
Wie in der unteren Hälfte von As shown in the lower half of 4 4 dargestellt, wird nach Beendigung des Bauvorgangs in den Prozeßkammern shown, after completion of the building process in the process chambers 11 11 und and 12 12 ein neuer Bauvorgang in den Prozeßkammern a new construction process in the process chambers 13 13 und and 14 14 durchgeführt, während in den beiden Prozeßkammern performed while in the two process chambers 11 11 und and 12 12 fertig gebaute Objekte den Prozeßkammern entnommen werden und ein neuer Bauvorgang vorbereitet wird. completely built objects is removed from the process chambers and a new building process is being prepared. Bei einem Aufbau gemäß In a structure in accordance with 4 4 leitet hierzu die Umschalteinrichtung this directs the switchover 22 22 die Strahlung der den Prozeßkammern the radiation of the process chambers 13 13 und and 14 14 zugeordneten Umschalteinrichtung associated switching device 222b 222b zu. to. Die Umschalteinrichtung The switching 222b 222b führt dann die Strahlung alternierend jeder der beiden Prozeßkammern then performs the radiation alternately each of the two process chambers 13 13 und and 14 14 zu. to. Insbesondere wird in der einen Prozeßkammer eine zuvor aufgetragene Schicht belichtet, während zeitgleich in der anderen Prozeßkammer auf eine zuvor selektiv belichtete Schicht eine neue Schicht aufgetragen wird. In particular, in a process chamber exposed a previously applied layer, while at the same time in the other process chamber to a previously selectively exposed layer, a new layer is applied.
[0029] [0029]
Die Umschalteinrichtungen The changeover 22 22 , . 222a 222a bzw. and 222b 222b sind wie bereits bei der ersten Ausführungsform beispielsweise als schaltbare optische Elemente oder als Strahlweichen ausgeführt. are carried out for example as switchable optical elements or as beam switches already in the first embodiment. Im letzteren Fall besteht dann zwischen der Strahlweiche In the latter case then exists between the beam splitter 22 22 und dem Laser and the laser 21 21 einerseits und der Strahlweiche on the one hand and the beam splitter 222a 222a bzw. and 222b 222b andererseits eine feste Verbindung über eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleitkabel. the other hand, a firm connection via an optical fiber or fiber optic cable.
[0030] [0030]
In einer weiteren Abwandlung sind mehr als vier Prozeßkammern und entsprechend dazu Umschalteinrichtungen vorgesehen. In a further variation, more than four process chambers corresponding thereto and switching means are provided.
[0031] [0031]
Die beiden oben beschriebenen Ausführungsformen weisen ferner den Vorteil auf, daß in den unterschiedlichen Prozeßkammern voneinander verschiedene Werkstoffpulver verwendet werden können. The two embodiments described above also have the advantage that in the different process chambers different material powders can be used from each other. Ferner können zwei Chargen unmittelbar nacheinander produziert werden. Furthermore, two batches can be produced immediately after the other.
[0032] [0032]
Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar für das selektive Lasersintern bzw. das selektive Laserschmelzen, bei dem als zu verfestigendes Material ein Pulver verwendet wird. The invention is preferably applicable for selective laser sintering or selective laser melting, in which as a consolidating material to a powder is used. Sie ist aber nicht darauf beschränkt, sondern umfaßt auch die Verwendung eines flüssigen, lichthärtbaren Harzes, wie es aus der Stereolithographie bekannt ist oder die Verfestigung eines Pulvermaterials mittels Einwirkung eines Binders oder Bindersystems. But it is not limited thereto but also includes the use of a liquid photocurable resin, as is known from the stereo or solidification of the powder material by the action of a binder or binder system. Der Strahl besteht dabei aus Partikeln eines oder mehrerer Komponenten, der die Pulverkörner des Aufbaumaterials miteinander verbindet. The beam consists of particles of one or more components, which connects the powder grains of the building material together.
[0033] [0033]
Außer der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Anzahl von Prozeßkammern kann auch jede beliebige Anzahl von Prozeßkammern bzw. Baubereichen oder Kombination der Anzahl der Strahlungsquellen und der zugehörigen Prozeßkammern bzw. Baubereichen vorgesehen sein. Except as described in the embodiments number of process chambers can also be provided, any number of process chambers or construction areas, or a combination of the number of radiation sources and the associated process chambers or construction areas. In den Prozeßkammern können verschiedene Werkstoffe, Prozeßbedingungen, wie zB Temperatur oder Druck oder umgebende Atmosphäre, oder Parameter wie zB die Laserleistung verwendet werden. In the process chambers different materials, process conditions, such as temperature or pressure, or ambient atmosphere, or parameters such as the laser power can be used.
