DE102007029052A1

DE102007029052A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils

Info

Publication number: DE102007029052A1
Application number: DE102007029052A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr. Meiners; Konrad Dr. Wissenbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-01-02
Also published as: WO2008155021A2; WO2008155021A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils, wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten übereinander in z-Richtung aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung verfestigt wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht an dem jeweils darunter liegenden Querschnittsbereich verbunden werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Aufbauen des Bauteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen in definierten Bereichen auf die jeweiligen Querschnittsbereiche eine jeweilige dem Werkstoff dieses Querschnittsbereichs entsprechende Pulverart aufgebracht wird und das aufgebrachte Pulver dieser Pulverschicht mittels jeweiliger Energiestrahlung, die der jeweiligen Pulverart angepasst ist, aufgeschmolzen wird. Weiterhin wird eine entsprechende Vorrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils, wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten übereinander in z-Richtung aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung aufgeschmolzen wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht an dem jeweils darunter liegenden Querschnittsbereich verbunden werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die generative Fertigung (Rapid Manufacturing, Rapid Prototyping) von Bauteilen. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Hinzufügen von Material aufgebaut. Bei den Verfahren, die als Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), LaserCusing, Electron Beam Melting (EBM) oder 3D-Printing bekannt sind, wird der hinzuzufügende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird in einer dünnen Schicht (ca. 100 μm) auf eine absenkbare Bauplattform aufgetragen. Die Pulverschicht wird anschließend selektiv verfestigt, z. B. indem mit einem Laser- oder Elektronenstrahl gemäß den Geometriedaten des herzustellenden Bauteils der Bereich der Pulverschicht abgescannt wird, der zur entsprechenden Bauteilschicht gehört. Durch Einwirkung der energetischen Strahlung schmilzt oder versintert der Pulverwerkstoff in diesem Bereich. Beim 3D-Printing wird die Pulverschicht verfestigt, indem ein Binder selektiv in die zum Bauteil gehörenden Bereiche eingebracht wird. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. So wird Schicht für Schicht ein Bauteil aus Pulver aufgebaut.
Diese Verfahren werden zum Beispiel zur schnellen Herstellung von Prototypen, Einzelteilen oder Kleinserien angewandt. Außerdem werden mit den generativen Verfahren Bauteile gefertigt, die aufgrund Ihrer komplexen (inneren) Geometrie nicht mit anderen Verfahren, die spanend oder gießtechnisch arbeiten, herstellbar sind. Beispiel hierfür ist die Fertigung von Einsätzen für Spritzgießwerkzeuge mit internen konturnahen Kühlkanälen. Als Pulverwerkstoffe werden Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet.
Der Pulverauftrag erfolgt bei den vorstehend genannten Verfahren, wie es auch in der DE 196 49 865 , die zu der vorliegenden Erfindung den nächstkommenden Stand der Technik darstellt, beschrieben ist, meist durch einen Schieber. Der Schieber ist mindestens so breit wie die Bauplattform. Das aufzutragende Pulver wird vor dem Schieber deponiert. Die Unterkante des Schiebers befindet sich um den Betrag der aufzutragende Schichtdicke oberhalb der zuletzt erzeugten Bauteilschicht. Die neue Pulverschicht wird erzeugt, indem der Schieber über die gesamte Länge der Bauplattform verfahren wird. Dabei bleibt Pulver entsprechend der Höhe des Spaltes zwischen der zuletzt erzeugten Bauteilschicht und Schieberunterkante auf der zuletzt erzeugten Bauteilschicht liegen, während das restliche Pulver vom Schieber abgeschoben wird.
Der Auftrag des Pulvers mit einem Schieber hat den Vorteil, dass sich Unebenheiten auf der zuletzt erzeugten Bauteilschicht durch die neue Pulverschicht ausgleichen. Durch das Fließen des Pulvers wird der Spalt zwischen der zuletzt erzeugten Bauteilschicht und der Schieberunterkante vollständig mit Pulver aufgefüllt. Durch das Abziehen der Pulverschicht mit der Schieberkante ist die Oberfläche der neuen Pulverschicht „glatt".
Mit den vorstehend angegebenen Verfahren können Bauteile nur aus einem Pulverwerkstoff bzw. einer Pulverwerkstoffart aufgebaut werden.
Der Aufbau von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen in unterschiedlichen Bauteilabschnitten ist derzeit prinzipiell nur mit den so genannten Printing-Verfahren möglich. Hierbei können analog zum Prinzip des Tintenstrahl-Farbdruckers unterschiedliche Werkstoffe aus verschiedenen Düsen definiert ortsaufgelöst auf eine Substraffläche aufgetragen werden. Allerdings müssen hierbei Suspensionen verwendet werden; in einer solchen Suspension ist der Pulverwerkstoff mit einer Trägerflüssigkeit vermischt. Die Größe der Pulverpartikel in der Flüssigkeit beträgt typischerweise < 10 μm und der Volumenanteil des Pulvers in der Suspension beträgt typischerweise 10%. Dadurch können nur sehr dünne Schichten, die kleiner 10 μm in der Dicke sind, erzeugt werden, was zu einer sehr geringen Aufbaurate führt. Außerdem wird bei den Printing-Verfahren immer eine definierte Werkstoffmenge auf das Substrat aufgebracht. Dies führt dazu, dass sich Unebenheiten der Substratplatte bzw. der vorherigen Schichten nicht ausgleichen, sondern sich auf die Oberfläche der neu aufgetragenen Schicht übertragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen es möglich ist, ein Bauteil aus lokal unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen und dadurch lokal unterschiedliche Funktionseigenschaften in dem Bauteil einzustellen, wobei vergleichbar mit dem bekannten Printing-Verfahren größere Aufbauraten erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass zum Aufbauen des Bauteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen in definierten Bereichen auf die jeweiligen Querschnittsbereiche eine jeweilige dem Werkstoff dieses Querschnittsbereichs entsprechende Pulverart aufgebracht wird und das aufgebrachte Pulver dieser Pulverschicht mittels jeweiliger Energiestrahlung, die der jeweiligen Pulverart angepasst ist, aufgeschmolzen wird.
Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils, mit einer Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, mit Einrichtungen zum Verarbeiten von dreidimensionalen Daten des Bauteils, mit Einrichtungen zum nacheinander Aufbringen von Pulverschichten übereinander in z-Richtung und mit Einrichtungen zum Aufbringen von Energiestrahlung auf jede Pulver schicht in einem Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Aufbauen des Bauteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen in definierten Bereichen die Einrichtungen zum Aufbringen der Pulverschicht mindestens ein Feld aus Pulverzuführdüsen, die mit den mindestens zwei Pulverarten versorgt werden, umfassen, wobei sich das Feld über zumindest eine der x- und y-Richtungen erstreckt, und mit Einrichtungen, um das Feld aus Pulverdüsen relativ zu der Aufbauebene zumindest in der anderen der x-y-Richtungen und in der z-Richtung zu verschieben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Vorrichtung werden in den jeweiligen Schichten definiert ortsaufgelöst unterschiedliche Pulverwerkstoffe aufgetragen. Bei diesem Vorgang wird keine zusätzliche Trägersubstanz, wie z. B. eine Flüssigkeit bei Suspensionen, benötigt. Das Pulver wird „trocken" aufgebracht. Das Pulver kann in beliebigen Schichtdicken aufgetragen werden. Die Oberfläche der Pulverschicht wird auch auf unebenen Flächen glatt abgestreift. Damit ist es möglich, mit den auf Pulver basierenden generativen Fertigungsverfahren, wie z. B. Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), LaserCusing oder Electron Beam Melting (EBM), ein Bauteil aus lokal unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen.
Bevorzugt werden zum Aufbringen der Pulver Pulverzuführdüsen eingesetzt, die in einer der x-y-Richtungen verfahren werden. Dabei werden an den definierten Bereichen jeweilige Pulvermengen der jeweiligen Pulverart aus den entsprechenden Pulverzuführdüsen abgegeben.
Sofern in den vorliegenden Unterlagen von einem Verfahren, Verschieben oder einem sonstigen Verändern der Positionen der Pulverzuführdüsen in x- und/oder y-Richtung gesprochen wird, so ist die Verfahrrichtung nicht unmittelbar exakt auf diese Richtungen beschränkt. Vielmehr muss sichergestellt werden, dass die Düsen so räumlich verteilt sind und auch derart über das aufzubauende Bauteil verfahren werden, dass mit den jeweiligen Pulverarten zugeordneten Pulverzuführdüsen die vorgesehenen Bereiche des aufzubauenden Bauteils erreicht und überfahren werden können, um die entsprechenden Pulverarten und Pulvermengen aufzubringen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Pulverdüsen in ihrer Höhe oberhalb den aufzubauenden Bauteilbereichen in einem defi nierten Abstand angeordnet werden können, d. h. sie müssen in z-Richtung relativ zu der Aufbauebene in der Höhe eingestellt werden.
In einer Ausführungsform werden die einzelnen Pulverzuführdüsen zum Deponieren der jeweiligen Pulverart beim Verfahren des Düsenfelds in x- und/oder y-Richtung unabhängig voneinander so angesteuert, dass jede einzelne Pulverzuführdüse zu den Zeitpunkten geöffnet wird, zu denen sie Bereiche überfährt, in denen die entsprechende Pulverart deponiert werden soll, und zu den Zeitpunkten, zu denen sie Bereiche überfährt, in denen eine andere Pulverart deponiert werden soll, verschlossen verbleibt.
Vorrichtungsgemäß sollte jeder aufzubringenden Pulverart ein Feld aus Pulverzuführdüsen zugeordnet sein.
Ein solches Feld sollte für jede aufzubringende Pulverart mindestens eine einzeilige Reihe aus Pulverzuführdüsen umfassen. Beim Überfahren der aufzubauenden Bauteilbereiche werden dann nur diejenigen Pulverdüsen, die in einem derartigen Feld angeordnet sind, geöffnet, um Pulvermengen einer entsprechenden Pulverart abzugeben, die sich im Bereich der koordinatenmäßig vorgegebenen Bauteilstelle befinden.
Um einen gleichmäßigen Pulverauftrag zu erreichen, sollten die jeweiligen Pulverzuführdüsen einen Pulveraustrittskegel derart erzeugen, dass sich diese Pulveraustrittskegel in der Ebene des aufzubauenden Bauteils überlappen. Dadurch werden von jeweils benachbarten Pulverzuführdüsen die Übergangsbereiche gemeinsam mit Pulver beschickt, so dass nach Aufbringen des Pulvers diese Übergangsbereiche nicht mehr zu lokalisieren sind.
Für ein gleichmäßiges Aufbringen des Pulvers über einen größeren, zusammenhängenden Bauteilbereich sollten die Pulverzuführdüsen einer Pulverart in mindestens zwei Reihen angeordnet werden; die einzelnen Pulverzuführdüsen der einen Reihe werden dann zu den Pulverzuführdüsen der anderen Reihe versetzt.
Die einzelnen Düsenfelder sollten in Bezug auf die Auftragsrichtung hintereinander angeordnet werden. Da sich bei dieser Anordnung ein räumlich ausgedehntes Feld aus Pulverzuführdüsen ergibt, muss sichergestellt werden, dass jede Pulverdüse in der x- und/oder der y-Richtung über den gesamten Bereich des aufzubauenden Bauteils entlang dieser Richtung verfahren werden kann.
Zum Einstellen der abzugebenden Pulvermengen weist jede Pulverzuführdüse einen Pulverzufuhrkanal mit einer Absperreinrichtung auf; bei dieser Absperreinrichtung kann es sich um ein Absperrventil handeln.
Für einen kompakten Aufbau der Absperrventile unter geringen Abmessungen wird bevorzugt ein Piezoelement eingesetzt, um den Pulverzufuhrkanal zu öffnen und zu verschließen, um das Pulver abzugeben oder die Abgabe zu unterbrechen.
Die Pulverzuführdüsen zumindest einer Pulverart können in einer Düsenplatte angeordnet werden; eine solche Düsenplatte bildet einen gemeinsamen Träger, der in der Baugröße klein gehalten werden kann, da die einzelnen Düsen sehr dicht aneinander gesetzt werden können. In einer solchen Düsenplatte können auch die Pulverzuführdüsen der einzelnen Pulverarten angeordnet werden.
Die Pulverzuführdüsen bilden mit ihrem unteren, dem aufzubauenden Bauteil zugewandten Rand gleichzeitig eine Abstreifebene, um eine die Höhe des auf dem zuvor verfestigten Bauteilbereich aufgebrachten Pulvers zu begrenzen. Falls eine Düsenplatte eingesetzt wird, kann der Unterseite dieser Düsenplatte eine Abstreifeinrichtung zugeordnet werden. Vorzugsweise kann die untere Plattenebene der Düsenplatte selbst diese Abstreifeinrichtung bilden.
Um eine gleichmäßige und störungsfreie Abgabe des Pulvers zu gewährleisten, sind den Pulverdüsen bzw. der Düsenplatte, falls eine solche eingesetzt wird, eine oder mehrere Vibrationseinrichtungen zugeordnet, die die Pulverdüsen oder die Düsenplatte in Vibration versetzen, insbesondere dann, wenn Pulver aus den Pulverdüsen abgegeben werden soll.
Die Anordnung sollte so aufgebaut sein, dass die Pulvervorratsbehälter für die jeweiligen Pulverarten oberhalb der Pulverzuführdüsen derart angeordnet sind, dass das Pulver unter Schwerkraft den Pulverzuführdüsen zugeführt wird. Hierdurch sind keine zusätzlichen Fördereinrichtungen für das Pulver erforderlich.
Die Pulverzuführdüsen sollten für die Zufuhr von Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 1 μm bis 200 μm, vorzugsweise von 10 μm bis 100 μm, ausgelegt sein.
Um einen einfachen Aufbau zu erreichen, können die Pulverzuführdüsen zumindest teilweise durch Röhrchen gebildet werden. Derartige Röhrchen werden bevorzugt direkt in eine Düsenplatte eingelassen. Die Düsen können auch durch Bohrungen in der Düsenplatte gebildet werden.
Für eine geeignete Abgabe der eingesetzten Pulver sollten die Röhrchen einen Innendurchmesser im Bereich von 0,4 mm bis 3,00 mm, vorzugsweise von 0,05 mm bis 1,5 mm, aufweisen
Derartige Röhrchen können jeweils über einen Schlauch mit einem Pulvervorratsbehälter, gegebenenfalls über einen oder mehrere zusätzliche Verteiler, verbunden werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen, teilweise perspektivischen Darstellung, und
2 bis 7 die Vorrichtung der 1 in einer Darstellung von der Seite aus, die verschiedene Abfolgen zeigen, in denen eine Pulverschicht, die aus zwei Pulverarten besteht, zum Aufbauen eines Bauteils aufgebracht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mit unterschiedlichen Materialarten und Materialstrukturen in unterschiedlchen Querschnittsbereichen aus einzelnen Pulverschichten mit verschiedenen Pulvern, die mittels Energiestrahlung, insbesondere mittels Laserstrahlung, aufgeschmolzen werden, umfasst, wie sie in 1 dargestellt ist, eine Bauplattform 1, die auf einem Hubtisch 2 aufliegt, der über eine nicht näher dargestellte Kolbenanordnung 3 in Richtung des Pfeils 4 verfahren werden kann.
In dem in 1 angegeben rechtwinkligen Koordinatensystem erfolgt der Verfahrweg der Kolbenanordnung 3 in der z-Richtung.
Der Hubtisch 2 und damit die Bauplattform 1 sind allseitig durch die Wände 5a eines Gehäuses 5 umgeben. Oberhalb der Bauplattform 1 befindet sich ein Feld 6 aus Pulverzuführdüsen 7, die in einer gemeinsamen Düsenplatte 8 gehalten sind. Dieses Feld 6 aus den Pulverzuführdüsen 7 besteht wiederum aus drei Gruppen 7a, 7b, 7c Pulverzuführdüsen, wobei wiederum jede Gruppe aus zwei einzelnen Reihen zusammengesetzt ist, die sich in x-Richtung erstrecken. Die jeweiligen Pulverzuführdüsen 7 der einer Gruppe 7a, 7b, 7c zugeordneten zwei Pulverzuführdüsen-Reihen, die in y-Richtung hintereinander angeordnet sind, sind hierbei in x-Richtung so zueinander versetzt, dass sie jeweils die Zwischenräume der anderen Reihe der Pulverzuführdüsen 7 überdecken, d. h. in der Projektion über die Breite der Bauplattenform 1 stehen die Düsen 7 genau nebeneinander und die Breite der Bauplattform 1 wird somit vollständig von Düsen der jeweiligen Düsengruppe 7a, 7b und 7c abgedeckt.
Die jeweiligen Düsenöffnungen der Pulverzuführdüsen 7 befinden sich auf der Unterseite der Düsenplatte 8.
Mit der Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, ist es möglich, ein Bauteil auf der Bauplattform 1 aus einzelnen Pulverschichten übereinander in z-Richtung, und aus unterschiedlichen Pulverarten in verschiedenen Querschnittsbereichen, aufzubauen. Dabei wird für jede Pulverart bzw. für jedes Material, aus dem die unterschiedlichen Bereiche des Bauteils aufgebaut werden sollen, eines der Felder 7a, 7b und 7c aus Pulverzuführdüsen 7 benötigt, so dass mit der in 1 gezeigten Vorrichtung drei verschiedene Pulverarten über die Breite und die Länge der Bauplattform 1, d. h. in x-Richtung und in y-Richtung, aufgebracht werden können. Dazu ist, wie schematisch in 1 dargestellt ist, jede Pulverzuführdüse der jeweiligen Gruppe 7a, 7b und 7c mit einem Pulvervorratsbehälter 9 verbunden, die mit den jeweiligen Pulverarten gefüllt sind. Wie schmematisch gezeigt ist, kann die Zufuhr zu den jeweiligen Pulverdüsen mit einer Absperreinrichtung 10 freigegeben oder verschlossen werden, um erforderliche Mengen an Pulver zu den jeweiligen Düsen zuzuführen. Die Pulverzuführdüsen 7 sind in dem gezeigten Beispiel aus jeweiligen Röhrchen, die in die Düsenplatte 8 eingesetzt sind, gebildet, wodurch sich ein einfacher aber dennoch sicherer Aufbau der Düsenplatte 8 mit den Pulverzuführdüsen 7 ergibt. Der Innendurchmesser dieser Röhrchen, und damit die Öffnungsweite der Pulverzuführdüsen 7, sollte (im Bereich von 0,4 mm bis 1,5 mm liegen, und zwar) in Abhängigkeit von der Korngröße des eingesetzten Pulvers so gewählt werden, dass das eingesetzte Pulver durch die Düsenöffnung gleichmäßig austreten kann (die im Bereich von 10 μm bis 100 μm liegen kann).
Das Pulver fließt bei dieser Anordnung durch die Schwerkraft von den Pulvervorratsbehältern 9 über die Absperreinrichtung 10 durch die Röhrchen zu den Pulverzuführdüsen 7. Der Fluss des Pulvers kann durch einen nicht näher dargestellten Vibrationsmechanismus unterstützt werden, der die gesamte Düsenplatte 8 in eine leichte, hochfrequente Vibration versetzt.
Um ein Bauteil in z-Richtung auf der Bauplattform 1 aufzubauen, werden auf der Bauplattform 1 nacheinander Pulverschichten aufgetragen und jeweils mit Energiestrahlung aufgeschmolzen.
Die einzelnen Verfahrensschritte sind in den 2 bis 7 dargestellt.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass in den 2 bis 7, gegenüber 1, die y-Richtung und die z-Richtung, dargestellt sind, um das Verfahren der Düsenplatte in y-Richtung zu zeigen. Weiterhin sind nur zwei Reihen aus Pulverzuführdüsen 7a und 7b mit dem jeweiligen Pulvervorratsbehälter 9, die schematisch einer Dosiereinheit 11 zugeordnet sind, dargestellt.
2 zeigt eine Ausgangssituation, bei der bereits auf der Bauplattform 1 eine erste Schicht, die sich in x-y-Richtung erstreckt, aus Pulver aufgebracht ist und die bereits verfestigt ist, wie sie durch die schraffierten Linien angedeutet ist und die mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist, während das nicht aufgeschmolzene Pulver, das innerhalb der Wände 5a des Gehäuses 5 verbleibt, mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet ist. Die erste Schicht besteht bereits aus zwei Werkstoffen 12a und 12b Nachdem diese erste Schicht 12 aufgebaut ist, wird der Hubtisch 2 über die Kolbenanordnung 3 in Richtung des Pfeils 14 (z-Richtung) um einen Betrag Δz abgesenkt, der der Dicke der nächsten aufzubauenden Pulverschicht entspricht.
Die aufzubauende Schichtdicke ergibt sich dadurch, dass das Pulver aus den Pulverzuführdüsen 7 austritt und den Spalt zwischen der Bauplattform 1 und der Unterseite der Düsenplatte 8 füllt. Bei der nächsten aufzubauenden Schicht ergibt sich folglich die Dicke durch den Spalt zwischen Oberseite der bereits aufgebauten ersten Schicht 12 und der Unterseite der Düsenplatte 8. Während des Verfahrens der Dosiereinheit 11 in y-Richtung über die erste Schicht werden die einzelnen Pulverzuführdüsen 7a und 7b kontrolliert über die Absperreinrichtungen 10, zum Beispiel über Piezoelemente, geöffnet und geschlossen.
3 zeigt den Aufbau der 2, allerdings mit der Düsenplatte 8 in y-Richtung über der ersten Schicht 12 verfahren. Über diesen Verfahrbereich wird der Vorratsbehälter 9 der ersten Pulverart geöffnet, wie anhand der Stellung der Absperreinrichtung 10 zu erkennen ist, so dass das Pulver aus dem ersten Vorratsbehälter, der mit 9a bezeichnet ist, austritt. Bei weiteren Verfahren der Düsenplatte 8 wird dann, um den mittleren Bereich der ersten Schicht 12 mit der zweiten Pulverart zu bedecken, die Absperrreinrichtung 10 des zweiten Pulverbehälters 9b geöffnet, während in diesem Bereich die Absperrreinrichtung 10 des ersten Pulverbehälters 9a geschlossen ist, wie dies 4 zeigt.
Wenn die Pulverzuführdüse 7a, die der ersten Pulverart zugeordnet ist, den rechten Teil der ersten Schicht 12 des Bauteils errreicht, wird wieder die Absperreinrichtung 10 für die erste Pulverart in dem ersten Pulvervorratsbehälter 9a geöffnet, so dass, wie 5 zeigt, die Pulverart für den rechten Bereich über die Pulverzuführdüsen 7a aufgebracht wird, während gleichzeitig die zweite Pulverart über die Pulverzuführdüsen 7b in dem mittleren Bereich aufgebracht wird. Aus diesem Grund sind, wie anhand der 5 zu sehen ist, die Absperreinrichtung 10 beider Pulverzuführdüsen-Reihen 7a, 7b geöffnet.
Am Ende des mittleren Bereichs, in der y-Richtung gesehen, wird dann die Absperreinrichtung 10 der Pulverdüsen 7b für die zweite Pulverart geschlossen und nur noch die erste Pulverart aus dem Pulvervorratsbehälter 9a über die Pulverzuführdüsen 7a aufgebracht. In der Endposition, die in 7 dargestellt ist, ist entsprechend der Struktur bzw. der Materialanordnung des aufzubauenden Bauteils für die zweite Schicht die entsprechende Pulverart in den entsprechenden Bereichen aufgebracht. Anschließend wird diese zweite Pulverschicht 15 beispielsweise mit Laserstrahlung aufgeschmolzen und gleichzeitig an der ersten, bereits verfestigten Schicht 12 angebunden.
Wie anhand der 2 bis 7 verdeutlicht wird, werden bei der Überfahrt der Düsenplatte 8 über die Bauplattform 1 bzw. die jeweiligen bereits aufgebauten Schichten 12, 15 die einzelnen Düsen 7 der Düsenfelder 7a, 7b für die jeweiligen Pulverarten kontrolliert geöffnet und geschlossen. Auch werden die Düsen eines jeweligen Düsensfeldes 7a, 7b, 7c, die in 1 dargstellt sind und jeweils aus zwei Düsenreiehen bestehen, beim Überfahren der Bauplattform 1 unabhängig voneinander so angesteuert, dass jede einzelne Düse 7 zu den Zeitpunkten geöffnet ist, an denen sie Bereiche überfährt, in denen die jeweilige Pulverart deponiert werden soll, und sie werden zu den Zeitpunkten geschlossen, an denen sie Bereiche überfahren, in denen eine andere Pulverart deponiert werden soll.
Durch die Anordnung mehrerer Düsenfelder können so beliebig viele Werkstoffe definiert ortsaufgelöst innerhalb einer Schicht, beispielsweise der Schicht 12 oder 15, deponiert werden. Die minimale laterale Auflösung der Bereiche, die mit unterschiedlichen Pulverwerkstoffen belegt werden können, ist durch den verwendeten Düsendurchmesser bestimmt. Der kleinste verwendbare Düsendurchmesser ist wiederum durch die Fließfähigkeit des verwendeten Pulverwerkstoffs bestimmt, die, wie vorstehend erwähnt ist, durch eine Vibrationseinrichtung unterstützt werden kann, um das jeweilige Pulver aus den Pulverdüsen abzugeben.
Mit der Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann so definiert ein ortsaufgelöster Auftrag unterschiedlicher Pulverwerkstoffe in einer Schicht auch für große Schichtdicken genutzt werden. Es ist möglich, großvolumige Bauteile mit unterschiedlichen Werkstoffen generativ zu fertigen.
Obwohl es nicht näher in den schematischen Figuren dargestellt ist, werden als Pulverzuführteile Röhrchen in die Düsenplatte 8 eingesetzt. Diese einzelnen Röhrchen 9a, 9b können mit jeweiligen Schläuchen mit einem gemeinsamen Pulvervorratsbehälter für die jeweilige Pulverart verbunden werden.
Als Beispiel für ein Bauteil aus einer Werkstoffkombination kann ein Formeinsatz für ein Spritzgießwerkzeug angegeben werden. Der Formeinsatz muss im Spritzgießbetrieb die Funktionen der Formgebung und der Wärmeabfuhr für die eingespritzte Kunststoffmasse erfüllen. Dafür muss die Oberfläche des Formeinsatzes möglichst verschleißfest sein, d. h. der Werkstoff muss eine hohe Härte besitzen. Gleichzeitig muss der Formeinsatz eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, um die Wärme möglichst schnell und gleichmäßig abzuführen. Bisher werden die Einsätze aus Werkzeugstahl mit hoher Härte aber geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Falls die Wärmeabfuhr damit nicht ausreichend ist, werden alternativ Einsätze aus einer Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit aber deutlich geringerer Härte eingesetzt. Damit kann gegenüber dem Einsatz aus Werkzeugstahl zwar eine bessere Kühlung erreicht werden, aber die Verschleißanfälligkeit ist deutlich erhöht. Mit der Erfindung kann z. B. ein Formeinsatz bzw. ein Bauteil gefertigt werden, der bzw. das im Inneren aus einer Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und dessen äußere Hülle aus Werkzeugstahl mit hoher Härte besteht. Durch diese Werkstoffkombination können die beiden Anforderungen der hohen Härte und der hohen Wärmeleitfähigkeit an einen Formeinsatz gleichzeitig erfüllt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19649865 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils, wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten übereinander in z-Richtung aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung verfestigt wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht an dem jeweils darunter liegenden Querschnittsbereich verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbauen des Bauteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen in definierten Bereichen auf die jeweiligen Querschnittsbereiche eine jeweilige dem Werkstoff dieses Querschnittsbereichs entsprechende Pulverart aufgebracht wird und das aufgebrachte Pulver dieser Pulverschicht mittels jeweiliger Energiestrahlung, die der jeweiligen Pulverart angepasst ist, aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Pulver eine Pulverzufuhreinheit eingesetzt wird, die in einer der x-y-Richtungen relativ zu der Aufbauebene verfahren werden, wobei an den definierten Bereichen je weilige Pulvermengen der jeweiligen Pulverart aus der Pulverzufuhreinheit abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzufuhreinheit einzelne Pulverzuführdüsen aufweist und die Öffnungen der Pulverzuführdüsen in z-Richtung entsprechend der jeweils aufzutragenden Schichtdicke des Pulvers in der Höhe über dem jeweils darunter liegenden Querschnittsbereich des sich aufbauenden Bauteils positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Pulverzuführdüsen zum Deponieren der jeweiligen Pulverart beim Verfahren des Düsenfelds in x- und/oder y-Richtung unabhängig voneinander so angesteuert werden, dass jede einzelne Pulverzuführdüse zu den Zeitpunkten geöffnet wird, zu denen sie Bereiche überfährt, in denen die entsprechende Pulverart deponiert werden soll, und zu den Zeitpunkten, zu denen sie Bereiche überfährt, in denen eine andere Pulverart deponiert werden soll, verschlossen verbleibt.
Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils, mit einer Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, mit Einrichtungen zum Verarbeiten von dreidimensionalen Daten des Bauteils, mit Einrichtungen zum nacheinander Aufbringen von Pulverschichten übereinander in y-Richtung und mit Einrichtungen zum Aufbringen von Energiestrahlung auf jede Pulverschicht in einem Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbauen des Bauteils aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen in definierten Bereichen die Einrichtungen zum Aufbringen der Pulverschicht mindestens ein Feld (7a, 7b, 7c) aus Pulverzuführdüsen (7), die mit den mindestens zwei Pulverarten (9a, 9b) versorgt werden, umfassen, wobei sich das Feld (7a, 7b, 7c) über zumindest eine der x- und y-Richtungen erstreckt, und mit Einrichtungen, um das Feld (7a, 7b, 7c) aus Pulverdüsen (7) relativ zu der Aufbauebene (1) zumindest in der anderen der x-y-Richtungen und in der z-Richtung (4) zu verschieben.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder aufzubringenden Pulverart ein Feld (7a, 7b, 7c) aus Pulverzuführdüsen (7) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld (7a, 7b, 7c) für jede aufzubringenden Pulverart mindestens eine einzeilige Reihe aus Pulverzuführdüsen (7) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführdüsen (7) einen Pulveraustrittskegel derart erzeugen, dass sich diese Pulveraustrittskegel in der Ebene des aufzubauenden Bauteils überlappen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführdüsen (7) einer Pulverart in mindestens zwei Reihen angeordnet sind, wobei die Pulverzuführdüsen (7) der einen Reihe zu den Pulverzuführdüsen der anderen Reihe versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenfelder in Bezug auf die Auftragsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Pulverzuführdüse (7) einen Pulverzufuhrkanal mit einer Absperreinrichtung (10) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (10) durch ein Absperrventil gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (10) durch ein Piezoelement betätigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführdüsen (7) in einer Düsenplatte (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dem aufzubauenden Bauteil zugewandten Unterseite der Düsenplatte (8) eine Abstreifeinrichtung zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (8) mit einer Vibrationseinrichtung in Vibration versetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Pulvervorratsbehälter (9a, 9b) oberhalb der Pulverzuführdüsen (7) derart angeordnet sind, dass das Pulver unter Schwerkraft den Pulverzuführdüsen (7) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführdüsen (7) für die Zufuhr von Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 1 μm bis 200 μm ausgelegt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführdüsen (7) zumindest teilweise durch Röhrchen gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19 in Verbindung mit Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen in die Düsenplatte (8) eingelassen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen einen Innendurchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen jeweils mit einem Schlauch mit einem Pulvervorratsbehälter (9a, 9b) verbunden sind.