DE102014005915A1 - Device for the generative production of three-dimensional objects - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte 2 aus pulverartigem Baumaterial 3 unter Einbringung von Strahlungsenergie, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, mit einem Gehäuse 5 mit einer darin untergebrachten Prozesskammer 6, in welcher ein Bauraum 7 mit einer höhenverlagerbaren Bauplattform 8 angeordnet ist, auf die das zur Verfestigung mittels Strahlungsenergie vorgesehene pulverartige Baumaterial 3 aufbringbar ist, wobei ein Laserstrahl 9 über einen Scanner 10 und wenigstens ein Schutzglas 11 auf die aufzuschmelzende Pulverschicht 12 gelenkt wird, wobei im Strahlengang des Lasersystems 4 wenigstens eine zumindest teiltransparente Scheibe 13 angeordnet ist, die von dem vom Lasersystems 4 kommenden Strahl 9 durchsetzt wird und die von einem Schmelzepool 14 der Pulverschicht 12 reflektierte Strahlungsanteile 15 zumindest teilweise reflektiert.The invention relates to a device 1 for the generative production of three-dimensional objects 2 made of powdery construction material 3 with the introduction of radiant energy, in particular laser sintering or laser melting device, with a housing 5 having a process chamber 6 housed therein, in which an installation space 7 with a height-displaceable construction platform 8 is arranged to which the powdery building material 3 provided for solidification by means of radiant energy can be applied, wherein a laser beam 9 is directed by a scanner 10 and at least one protective glass 11 onto the powder layer 12 to be melted, at least one at least partially transparent pane 13 being arranged in the beam path of the laser system 4 , which is penetrated by the coming of the laser system 4 beam 9 and reflected by a melt pool 14 of the powder layer 12 radiation components 15 at least partially reflected.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte aus pulverartigem Baumaterial unter Einbringung von Strahlungsenergie, insbesondere eine Lasersinter- oder eine Laserschmelzvorrichtung.The invention relates to a device for the generative production of three-dimensional objects made of powdery building material with the introduction of radiant energy, in particular a laser sintering or a laser melting device.

Bekannte derartige Vorrichtungen weisen in der Regel ein Gehäuse auf, in welchem eine Prozesskammer untergebracht ist. In der Prozesskammer befindet sich ein Bauraum mit einer höhenverlagerbaren Bauplattform, auf welche ein zur Verfestigung mittels Strahlungsenergie vorgesehenes pulverartiges Baumaterial aufgebracht wird. Zur Verfestigung ist ein Laser vorgesehen, der in der Regel am oberen Bereich des Gehäuses angeordnet ist und dessen Laserstrahl über einen Scanner prozessorgesteuert auf die Pulveroberfläche geleitet wird, um dort eine Verfestigung des Pulvers abhängig von den Baudaten zu bewirken.Known such devices usually have a housing in which a process chamber is housed. In the process chamber there is a construction space with a height-displaceable construction platform, onto which a pulverulent construction material intended for solidification by means of radiation energy is applied. For solidification, a laser is provided, which is usually arranged at the upper region of the housing and the laser beam is directed processor-controlled by a scanner on the powder surface, there to cause solidification of the powder depending on the Baudaten.

Da bei einem Pulverschmelz- oder Pulversintervorgang Schmauch- und Materialspritzer auftreten, kann bei Bedarf der empfindliche Scanner durch ein Schutzglas abgedeckt sein, welches von der Laserstrahlung durchsetzt wird. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise ausDE 10 2010 052 206 bekannt.Since smoldering and material splashes occur in a powder melting or powder sintering process, if necessary the sensitive scanner can be covered by a protective glass, which is penetrated by the laser radiation. Such a device is for example off DE 10 2010 052 206 known.

Derartige Vorrichtungen werden auch zur Verarbeitung von Edelmetallen, z. B. Gold oder Platin eingesetzt. Derartige Metalle haben im Bereich des Schmelzepools einen hohen Reflexionsgrad und deswegen die Eigenschaft, den Laserstrahl teilweise „in sich” zu reflektieren.Such devices are also used for the processing of precious metals, eg. As gold or platinum used. Such metals have a high degree of reflection in the region of the melt pool and therefore the property of partially reflecting the laser beam "in itself".

Unter gewissen Umständen kann dies dazu führen, dass die Entladung des Lasers gestört und dadurch instabil wird oder gar zusammenbricht und damit der Bauprozess unterbrochen wird. Um dieses Phänomen zu vermeiden, wurde in der Vergangenheit versucht, mit einem reduzierten Energieeintrag auf Pulverschichten mit relativ hoher Reflexion zu arbeiten. Ein reduzierter Energieeintrag kann allerdings zu einer Verschlechterung der Bauteilqualität führen.In some circumstances, this may cause the discharge of the laser to be disturbed and thereby become unstable or even collapse, thereby interrupting the building process. In order to avoid this phenomenon, attempts have been made in the past to work with reduced energy input on relatively high reflection powder layers. However, a reduced energy input can lead to a deterioration of the component quality.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 derart auszubilden, dass auch Edelmetallpulver mit einem relativ hohen Reflexionsgrad im Schmelzepool mit einem hohen Energieeintrag bearbeitet werden können. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass im Strahlengang des Lasers wenigstens eine zumindest teiltransparente Scheibe angeordnet ist, die von dem vom Laser kommenden Strahl durchsetzt wird und die von dem Schmelzepool des Pulverbettes reflektierte Strahlungsanteile zumindest teilweise reflektiert. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–14.The invention has the object of providing the device with the features ofclaim 1 in such a way that even noble metal powder can be processed with a relatively high reflectance in the melt pool with a high energy input. This object is achieved by the characterizing features ofclaim 1, characterized in that in the beam path of the laser at least one partially transparent disc is arranged, which is penetrated by the beam coming from the laser and reflects at least partially reflected from the melt pool of the powder bed radiation components. Advantageous developments emerge from the dependent claims 2-14.

Als Kern der Erfindung wird mithin eine Beschichtung einer Scheibe im Strahlengang des Lasers angesehen, die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge bei Auftreffen auf diese Scheibe in eine Richtung, d. h. in Richtung zum Pulverbett transmittiert, in entgegengesetzter Richtung jedoch reflektiert.As a core of the invention, therefore, a coating of a disc in the beam path of the laser is considered, the radiation of a certain wavelength when hitting this disc in one direction, d. H. transmitted in the direction of the powder bed, but reflected in the opposite direction.

Durch eine derartige Maßnahme werden Rückreflexbildungen in das Lasersystem vermieden, das Lasersystem kann ungestört arbeiten, und ein kontinuierlicher Bauprozess wird dadurch gewährleistet.Such a measure avoids back-reflection formations in the laser system, the laser system can operate undisturbed, and a continuous construction process is thereby ensured.

In vorteilhafter Weiterbildung ist die als Rückreflexfilter ausgebildete Scheibe das im Strahlengang ohnehin angeordnete Schutzglas, das mit einer Beschichtung versehen wird.In an advantageous development, the disk designed as a back-reflex filter is the protective glass, which is arranged anyway in the beam path and is provided with a coating.

Es ist aber auch möglich, als Scheibe eine gesonderte, vor oder hinter dem Schutzglas angeordnete teilreflektierende Scheibe zu verwenden.But it is also possible to use as a separate disk, arranged in front of or behind the protective glass partially reflecting disc.

Die Scheibe kann z. B. als Polarisationsfilter ausgebildet sein, Laserstrahlung ist eine in der Regel linear polarisierte, kohärente Strahlung. Bei Reflektion bei linear polarisierten Strahlung durch die hoch reflektierende Schicht wird die Polarisationsrichtung des Strahles teilweise aufgehoben oder gedreht, so dass durch einen entsprechend justierten Polfilter die Strahlung ungehindert in einer Richtung durch die Scheibe hindurch dringen kann, hinsichtlich der Polarisation verdrehte reflektierte Strahlungsanteile dagegen reduziert oder ausgelöscht werden.The disc can z. B. be designed as a polarizing filter, laser radiation is a generally linearly polarized, coherent radiation. In reflection with linearly polarized radiation through the highly reflective layer, the polarization direction of the beam is partially canceled or rotated, so that through an appropriately adjusted polarizing filter, the radiation can penetrate freely in one direction through the disc, with respect to polarization twisted reflected radiation components, however, reduced or be extinguished.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Scheibe in einer Drehlagerung angeordnet wird, da dann entsprechende Justierungsmöglichkeiten vorhanden sind.For this purpose, it is advantageous if the disc is arranged in a rotary bearing, since then appropriate adjustment options are available.

Es kann auch vorteilhaft sein, den Neigungswinkel der Scheibe gegenüber dem sie durchsetzenden Laserstrahl veränderbar zu gestalten, durch Veränderung der Neigung lassen sich ebenfalls Rückreflektionen vom Lasersystem fern halten.It may also be advantageous to make the inclination angle of the disc changeable with respect to the laser beam passing through it, and by changing the inclination, it is likewise possible to keep back reflections away from the laser system.

In vorteilhafter Weiterbildung kann die Scheibe auch eine Mehrzahl von Beschichtungen tragen. Die Scheibe kann auch mehrlagig ausgebildet sein oder unterschiedliche Wellenlängen transmittieren bzw. reflektieren. Die Beschichtung kann auf die Scheibe nach Art einer Folie aufgebracht werden, wenn die Folie zwischen zwei Scheibenlagen angeordnet ist, wird sie bei Reinigungsvorgängen der Scheibe in vorteilhafter Weise geschützt.In an advantageous embodiment, the disc can also carry a plurality of coatings. The disk can also be designed in multiple layers or transmit or reflect different wavelengths. The coating can be applied to the disk in the manner of a film, when the film is arranged between two disk layers, it is advantageously protected during cleaning operations of the disk.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte, nämlich eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung mit einem erfindungsgemäß beschichteten Schutzglas.The invention is explained in more detail with reference to an embodiment in the drawing. These shows a schematic representation of an apparatus for the generative production of three-dimensional objects, namely a laser sintering or laser melting device with a protective glass coated according to the invention.

Die in der Zeichnungsfigur dargestellte Vorrichtung1 dient zur Herstellung dreidimensionaler Objekte2 aus pulverartigem Baumaterial2 unter Einbringung von Strahlungsenergie eines Lasersystems4, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse5 mit einer darin untergebrachten Prozesskammer6 aufweist. In der Prozesskammer ist ein Bauraum7 mit einer höhenverlagerbaren Bauplattform8 angeordnet, auf die das zur Verfestigung Mittels Strahlungsenergie vorgesehene pulverartige Baumaterial3 aufgebracht werden kann. Ein Laserstrahl9 des Lasersystems4 wird über einen Scanner10 und wenigstens ein Schutzglas11 auf die aufzuschmelzende Pulverschicht12 des Baumaterials3 gelenkt.The device shown in the drawing figure 1 serves to produce three-dimensional objects 2 made ofpowdery building material 2 with the introduction of radiant energy of alaser system 4 wherein the device is ahousing 5 with a process chamber housed therein 6 having. In the process chamber is aspace 7 with a height-adjustable construction platform 8th arranged on which provided for solidification by means of radiation energypowdery building material 3 can be applied. Alaser beam 9 of thelaser system 4 is via ascanner 10 and at least aprotective glass 11 on the meltedpowder layer 12 of thebuilding material 3 directed.

Im Strahlengang des Lasersystems4 ist zumindest eine teiltransparente Scheibe13 angeordnet, die von dem vom Lasersystem kommenden Laserstrahl9 durchsetzt wird und die von einem Schmelzepohl14 der Pulverschicht12 reflektierte Strahlungsanteile15 zumindest teilweise reflektiert.In the beam path of thelaser system 4 is at least asemi-transparent disc 13 arranged by the laser beam coming from thelaser system 9 is penetrated and that of a Schmelzepohl 14 thepowder layer 12 reflectedradiation components 15 at least partially reflected.

Die Scheibe13 ist das im Strahlengang angeordnete, mit einer Beschichtung versehene Schutzglas11, alternativ ist es aber auch möglich, eine gesonderte Scheibe vorzusehen, die vor oder hinter dem Schutzglas11 angeordnet ist und die angestrebten teilreflektierenden Eigenschaften hat.Thedisc 13 is the arranged in the beam path, provided with a coatingprotective glass 11 Alternatively, it is also possible to provide a separate disc, in front of or behind theprotective glass 11 is arranged and has the desired partial reflective properties.

Die Scheibe13 oder das Schutzglas11 kann als Polarisationsfilter ausgebildet sein, insbesondere als Linearpolarisationsfilter. Geeignet sind alle Scheiben, Folien oder Filter, die eine Reflexabschirmung herbeiführen, vergleichbar mit der Wirkung einem reflexmindernden Sonnenbrillenglas.Thedisc 13 or theprotective glass 11 can be designed as a polarization filter, in particular as a linear polarization filter. Suitable are all discs, films or filters, which bring about a reflex shield, comparable to the effect of an anti-reflective sunglass lens.

Grundsätzlich ist es möglich, die Scheibe in einer Drehlagerung16 anzuordnen.Basically it is possible to use the disc in a pivot bearing 16 to arrange.

Es ist auch möglich, den Neigungswinkel der Scheibe oder des Schutzglases11,13 gegenüber dem sie durchsetzenden Laserstrahl9 veränderbar zu gestalten.It is also possible to adjust the angle of inclination of the disc or theprotective glass 11 . 13 opposite to the laser beam passing through it 9 changeable.

Die Scheibe13 oder das Schutzglas11 sind mit Vorteil zwischen dem Scanner10 und dem Auskoppelspiegel des die Strahlung liefernden Lasersystems4 angeordnet.Thedisc 13 or theprotective glass 11 are beneficial between thescanner 10 and the output mirror of the radiation-providinglaser system 4 arranged.

Die Scheibe oder das Schutzglas kann eine Mehrzahl von Beschichtungen tragen, Scheibe11 und Schutzglas13 können als mehrlagige Scheiben ausgebildet sein und eine Beschichtung zwischen zwei Scheibenlagen aufweisen.The disc or the protective glass can carry a plurality of coatings,disc 11 andprotective glass 13 may be formed as multi-layer discs and have a coating between two disc layers.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Vorrichtungcontraption

22

Objektobject

33

Baumaterialbuilding materials

44

Lasersystemlaser system

55

Gehäusecasing

66

Prozesskammerprocess chamber

77

Bauraumspace

88th

Bauplattformbuilding platform

99

Laserstrahllaser beam

1010

Scannerscanner

1111

Schutzglasprotective glass

1212

Pulverschichtpowder layer

1313

Scheibedisc

1414

Schmelzepoolmelt pool

1515

reflektierter Strahlungsanteilreflected radiation component

1616

Drehlagerungpivot bearing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102010052206[0003]DE 102010052206[0003]

Claims (14)

Translated fromGerman

Vorrichtung (1) zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte (2) aus pulverartigem Baumaterial (3) unter Einbringung von Strahlungsenergie, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, mit einem Gehäuse (5) mit einer darin untergebrachten Prozesskammer (6), in welcher ein Bauraum (7) mit einer höhenverlagerbaren Bauplattform (8) angeordnet ist, auf die das zur Verfestigung mittels Strahlungsenergie vorgesehene pulverartige Baumaterial (3) aufbringbar ist, wobei ein Laserstrahl (9) über einen Scanner (10) auf die aufzuschmelzende Pulverschicht (12) gelenkt wird,dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lasersystems (4) wenigstens eine zumindest teiltransparente Scheibe (13) angeordnet ist, die von dem vom Lasersystem (4) kommenden Strahl (9) durchsetzt wird und die von einem Schmelzepool (14) der Pulverschicht (12) reflektierte Strahlungsanteile (15) zumindest teilweise reflektiert.Contraption ( 1 ) for the generative production of three-dimensional objects ( 2 ) of powdery building material ( 3 ) with the introduction of radiant energy, in particular laser sintering or laser melting apparatus, with a housing ( 5 ) with a process chamber accommodated therein ( 6 ), in which a space ( 7 ) with a height-adjustable construction platform ( 8th ) is arranged, on which provided for solidification by means of radiant energy powdery building material ( 3 ) is applicable, wherein a laser beam ( 9 ) via a scanner ( 10 ) on the melted powder layer ( 12 ),characterized in that in the beampath of the laser system ( 4 ) at least one at least partially transparent disc ( 13 ) arranged by the laser system ( 4 ) coming beam ( 9 ) and that of a melt pool ( 14 ) of the powder layer ( 12 ) reflected radiation components ( 15 ) at least partially reflected.Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) das im Strahlengang angeordnete, mit einer Beschichtung versehene Schutzglas (11) ist.Device according to claim 1,characterized in that the disc ( 13 ) arranged in the beam path, provided with a coating protective glass ( 11 ).Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) eine gesonderte, vor oder hinter dem Schutzglas (11) angeordnete teilreflektierende Scheibe ist.Apparatus according to claim 1 or 2,characterized in that the disc ( 13 ) a separate, in front of or behind the protective glass ( 11 ) arranged partially reflecting disc is.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) oder das Schutzglas (11) als Polarisationsfilter ausgebildet ist.Device according to one of claims 1-3,characterized in that the disc ( 13 ) or the protective glass ( 11 ) is designed as a polarizing filter.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsfilter ein Linearpolarisationsfilter ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the polarization filter is a Linearpolarisationsfilter.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Schutzglas (11) oder der Scheibe (13) angeordnete Beschichtung linearpolarisierende Eigenschaften aufweist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that on the protective glass ( 11 ) or the disc ( 13 ) has linear polarizing properties.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe oder das Schutzglas (13,11) in einer Drehlagerung (16) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the disc or the protective glass ( 13 . 11 ) in a pivot bearing ( 16 ) is arranged.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Scheibe (13) oder des Schutzglases (11) gegenüber dem sie durchsetzenden Laserstrahl (9) veränderbar ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the angle of inclination of the disc ( 13 ) or the protective glass ( 11 ) with respect to the laser beam passing through it ( 9 ) is changeable.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) oder das Schutzglas (11) zwischen dem Scanner (10) und dem Auskoppelspiegel des die Strahlung liefernden Lasersystems (4) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the disc ( 13 ) or the protective glass ( 11 ) between the scanner ( 10 ) and the coupling-out mirror of the radiation-providing laser system ( 4 ) is arranged.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) oder das Schutzglas (11) eine Mehrzahl von Beschichtungen trägt.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the disc ( 13 ) or the protective glass ( 11 ) carries a plurality of coatings.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (13) oder das Schutzglas (11) als mehrlagige Scheibe ausgebildet ist und eine Beschichtung zwischen zwei Scheibenlagen angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the disc ( 13 ) or the protective glass ( 11 ) is formed as a multi-layer disk and a coating between two disk layers is arranged.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Beschichtungen unterschiedliche Wellenlängen transmittieren bzw. reflektieren.Device according to one of the preceding claims,characterized in that different coatings transmit or reflect different wavelengths.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass einer der Beschichtungen als optischer Filter ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that one of the coatings is formed as an optical filter.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung nach Art einer Folie ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims,characterized in that the coating is formed in the manner of a film.

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