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EP-3408074-B1 - METHOD AND DEVICE FOR THE GENERATIVE PRODUCTION OF A THREE-DIMENSIONAL OBJECT PROGRAM AND CONTROL DEVICE

EP3408074B1EP 3408074 B1EP3408074 B1EP 3408074B1EP-3408074-B1

Inventors

  • Paternoster, Stefan
  • Grünberger, Stefan
  • KELLER, PETER

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20170301

Claims (12)

  1. A manufacturing method for generatively manufacturing a three-dimensional object (2) by a layer-by-layer application and selective solidification of a building material (15), which is a powder, comprising the steps of: applying a layer of the building material (15) within a build area (8) by means of a recoater (16) moving in a recoating direction (B) across the build area (8), wherein in a powder bed (30) built up by preceding process steps, a solidified part of the object (2) to be manufactured is surrounded by powder (13) that has remained unsolidified, and a further powder layer of the building material (15) is then applied onto this powder bed (30) by means of a movement of the recoater (16) in the recoating direction (B), selectively solidifying the applied layer of the building material (15) at locations that correspond to a cross-section of the object (2) to be manufactured by means of a solidification device (20; 70), and repeating the steps of applying and solidifying until the three-dimensional object (2) is completed, wherein the solidification device (70) and/or a compaction device (50) moves behind a recoating unit (40) of the recoater (16) in the recoating direction (B) across the build area (8), wherein the recoating unit (40) includes a recoater blade (41) located at the front in the recoating direction (B) and a recoater blade (42) located at the rear in the recoating direction (B), or includes a recoater roller (45), and wherein the compaction device includes a blade (51) or a roller (55) suitable for compacting the applied layer of the building material, and wherein the distance of the lower edge of the blade (51) or the roller (55) of the compaction device from the powder bed (30) is less than that of the lower edge of the recoater blade (42) located at the rear or the recoater roller (45) and a local action confined to a region between the recoating unit (40) moving across the build area (8) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) moving behind the recoating unit (40) across the build area (8) is performed on the applied layer of the building material (15) and wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises a local heating, wherein the local heating is preferably carried out by means of induction and/or radiation, and/or wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises pre-irradiating and/or wherein the locally confined action on the applied layer (15) of the building material comprises at least partially removing at least one constituent of the building material layer.
  2. The manufacturing method according to claim 1, wherein applying the layer of the building material (15) by means of the recoater (16) comprises drawing out the applied building material into a layer (31) according to predetermined criteria concerning an areal extent and/or thickness and/or surface property and/or density of the layer.
  3. The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises introducing an absorbing agent and/or an inhibiting agent into the building material layer.
  4. The manufacturing method according to claim 3, wherein the absorbing agent and/or inhibiting agent is liquid, paste-like, and/or solid and/or contains hollow particles filled with a liquid or paste.
  5. The manufacturing method according to one of claims 1 to 4, wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises applying a fluid onto the layer, which fluid at least surface-actively interacts with at least one constituent of the building material (15).
  6. A manufacturing device (1) for generatively manufacturing a three-dimensional object (2) by a layer-by-layer application and selective solidification of a building material (15), wherein the building material is a powder, comprising: a recoater (16) movable in a recoating direction (B) across a build area (8) for applying a layer of the building material (8) within the build area (8), wherein in a powder bed (30) built up by preceding process steps, a solidified part of the object (2) to be manufactured is surrounded by powder (13) that has remained unsolidified, and a further powder layer of the building material (15) is then applied onto this powder bed (30) by means of a movement of the recoater (16) in the recoating direction (B), and a solidification device (20; 70) for selectively solidifying the applied layer at locations that correspond to a cross-section of the object (2) to be manufactured, wherein the manufacturing device (1) is configured and/or controlled to repeat the steps of applying and selectively solidifying until the object (2) is completed, the solidification device (70) and/or a compaction device (50) further contained in the manufacturing device (1) are arranged to be moveable behind a recoating unit (40) of the recoater (16) in the recoating direction (B) across the build area (8), wherein the recoating unit (40) includes a recoater blade (41) located at the front in the recoating direction (B) and a recoater blade (42) located at the rear in the recoating direction (B), or includes a recoater roller (45), and wherein the compaction device includes a blade (51) or a roller (55) suitable for compacting the applied layer of the building material, and wherein the distance of the lower edge of the blade (51) or the roller (55) of the compaction device from the powder bed (30) is less than that of the lower edge of the recoater blade (42) located at the rear or the recoater roller (45), and the manufacturing device (1) is controlled to perform a local action on the applied layer of the building material (15), the local action being confined to a region between the recoating unit (40) moving across the build area (8) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) moving behind the recoating unit (40) across the build area (8), and wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises a local heating, wherein the local heating is preferably carried out by means of induction and/or radiation, and/or wherein the locally confined action on the applied layer of the building material (15) comprises pre-irradiating and/or wherein the locally confined action on the applied layer (15) of the building material comprises at least partially removing at least one constituent of the building material layer.
  7. The manufacturing device according to claim 6, in which the solidification device is an irradiation device (70) configured to emit a radiation (71) that is suitable for solidifying the building material.
  8. The manufacturing device according to claim 6 or 7, in which the compaction device comprises a blade (51) or roller (55) suitable for compacting the applied layer of the building material.
  9. The manufacturing device according to one of claims 6 to 8, comprising an induction coil and/or a radiation heater (60) arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally heating the applied layer of the building material (15).
  10. The manufacturing device according to one of claims 6 to 9, comprising a pre-irradiation energy source arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally pre-irradiating the applied layer of the building material (15).
  11. A computer program loadable into a programmable control unit of a manufacturing device according to one of claims 6 to 10, wherein the manufacturing device further comprises an induction coil and/or a radiation heater (60) arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally heating the applied layer of the building material (15), and the manufacturing device comprises a pre-irradiation energy source arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally pre-irradiating the applied layer of the building material (15), and wherein the computer program comprises program code means to implement all steps of a method according to one of claims 1 to 5 when the computer program is executed in the control unit.
  12. A control device (29) for a manufacturing device (1) according to one of claim 6 to 10, wherein the manufacturing device (1) further comprises an induction coil and/or a radiation heater (60) arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally heating the applied layer of the building material (15), and the manufacturing device comprises a pre-irradiation energy source arranged between the recoating unit (40) and the solidification device (70) and/or compaction device (50) so as to be movable across the build area (8), for locally pre-irradiating the applied layer of the building material (15), and the control unit (29) is configured to control the manufacturing device (1) such that it implements all steps of a method according to one of claims 1 to 5 when a computer program according to claim 11 is executed in the control unit.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers. Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen "Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen" bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt. Aus der EP 1 058 675 B1 ist es bekannt, beim Lasersintern von Keramikpulver eine mittels einer Klinge aufgetragene Pulverschicht mittels einer Walze zu verdichten. Dadurch soll die Zeit verringert werden, die beim Sintern in der festen Phase des Keramikpulvers erforderlich ist. DE 10 2012 212587 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, wobei das Aufbringen einer Gesamtschicht mit einer bestimmten Gesamthöhe unterteilt ist in das Aufbringen mehrerer Teilschichten, deren Höhen sich zu der Gesamthöhe addieren. Dabei wird eine Teilschicht beheizt bevor eine weitere Teilschicht aufgebracht wird. DE 10 2013 226670 A1 zeigt eine generative Schichtbauvorrichtung mit einer Pulveraustragseinheit und einer Pulverabflachungsvorrichtung, die sich integriert mit einer Lichtabstrahlungseinheit bewegen. Die Pulveraustragseinheit trägt dabei Pulver auf ein Baubett aus, welches von der Pulverabflachungsvorrichtung zu einer Pulverschicht ausgezogen wird. US 2015/266239 A1 zeigt eine Schichtbauvorrichtung zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Körner enthaltenden zähflüssigen Gemisch. Eine Schicht des Gemischs wird von einer Aufbringvorrichtung aufgebracht und anschließend selektiv verfestigt, indem ein Bindemittel in die Schicht eingebracht und dieses selektiv ausgehärtet wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, bei denen insbesondere bevorzugt der Schichtauftrag verbessert ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11, eine Steuerungseinrichtung gemäß Anspruch 12 und eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 6. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, vorzugsweise eines Pulvers. Es enthält die Schritte des Aufbringens einer Schicht des Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds mittels eines in einer Beschichtungsrichtung über das Baufeld fahrenden Beschichters, des selektiven Verfestigens der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechen, mittels einer Verfestigungsvorrichtung, und des Wiederholens der Schritte des Auftragens und des Verfestigens, bis das dreidimensionale Objekt fertiggestellt ist. Die Verfestigungsvorrichtung und/oder eine Verdichtungsvorrichtung fährt hinter dem Beschichter in der Beschichtungsrichtung über das Baufeld. Ein auf einen Bereich zwischen dem über das Baufeld fahrenden Beschichter und der hinter dem Beschichter über das Baufeld fahrenden Verfestigungsvorrichtung und/oder Verdichtungsvorrichtung begrenztes lokales Einwirken auf die aufgebrachte Schicht des Aufbaumaterials wird durchgeführt. Dadurch können beispielsweise die Eigenschaften der aufgebrachten Schicht des Aufbaumaterials vor dem Verdichten und/oder vor dem Verfestigen in einer für den Herstellungsvorgang vorteilhaften Weise verändert werden. Vorzugsweise umfasst das Aufbringen der Schicht des Aufbaumaterials mittels des Beschichters das Ausziehen des aufgebrachten Aufbaumaterials zu einer Schicht nach vorgegebenen Kriterien hinsichtlich einer Flächenerstreckung und/oder Dicke und/oder Oberflächenbeschaffenheit und/oder Dichte der Schicht. Eine derart gezielte Formung der Schicht des Aufbaumaterials bietet den Vorteil, dass eine nachfolgende Verfestigung des Aufbaumaterials unter kontrollierten Bedingungen stattfinden kann. Dies kann eine hohe Bauteilqualität und eine Reproduzierbarkeit des Herstellungsvorgangs begünstigen. Vorzugsw