DE102010034311A1

DE102010034311A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch Energiestrahlung verfestigbaren Pulvers

Info

Publication number: DE102010034311A1
Application number: DE102010034311A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bayer Erwin; Dr. Broichhausen Klaus; Dr.-Ing. Eisen Markus; Dipl.-Ing. Heß Thomas
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils, wobei die Vorrichtung eine Pulverherstellungseinrichtung zum Herstellen eines Pulvers, welches mittels einer Energiestrahlung verfestigbar ist, und eine Pulververarbeitungseinrichtung aufweist, welche das Pulver der Pulverherstellungseinrichtung mittels einer Verteileinrichtung aufbringt und mittels einer Energiestrahlungsquelle, insbesondere schichtweise, verfestigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels wenigstens eines Pulvers, welches durch eine Energiestrahlung verfestigt, beispielweise geschmolzen oder gesintert wird. Das Bauteil ist hier beispielsweise ein Schaufelelement, insbesondere ein Schaufelelement einer Turbine, z. B. einer Gasturbine eines Flugtriebwerks, oder eines Verdichters.
Aus dem Stand der Technik, wie er in der DE 10 2007 029 052 A1 offenbart ist, ist eine Vorrichtung bekannt, zum Herstellen eines Bauteils aus einzelnen Pulverschichten mit verschiedenen Pulvern, die mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen werden. Dazu ist oberhalb einer Bauplattform ein Feld aus Pulverzuführdüsen angeordnet, die in einer gemeinsamen Düsenplatte gehalten werden. Dabei wird das Pulver über Pulvervorratsbehälter den Pulverdüsen zugeführt.
Bei dieser Vorrichtung wird nun ein bereits vorgefertigtes und in entsprechenden Pulvervorratsbehältern gelagertes Pulver auf eine Bauplattform schichtweise aufgebracht und über einen Laserstrahl verfestigt, um daraus ein entsprechendes Bauteil herzustellen. Das Pulver wird dabei vorab an einem anderen Standort hergestellt und anschließend zu der Vorrichtung transportiert und dort in den Pulvervorratsbehältern aufgenommen und bevorratet. Das hat den Nachteil, dass das Pulver bei dem Transport von dem Standort, wo es hergestellt wurde, zu der Vorrichtung sehr leicht verunreinigt werden kann, was sich negativ auswirken kann auf die Bauteileigenschaften des herzustellenden Bauteils, wie z. B. eines hochbelasteten Schaufelelements einer Gasturbine eines Flugzeugtriebwerks. Des Weiteren resultiert die separate Herstellung des Pulvers in zusätzlichen Transport- und Logistikkosten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch eine Energiestrahlung zu verfestigenden Pulvers bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung wird nun eine Vorrichtung zum Ausbilden, zum Reparieren und/oder zum Austauschen eines Bauteils, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt.
Genauer gesagt wird eine Vorrichtung zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils bereitgestellt, mit einer Pulverherstellungseinrichtung zum Herstellen eines Pulvers, welches mittels einer Energiestrahlung verfestigbar ist; und einer Pulververarbeitungseinrichtung, welche das Pulver der Pulverherstellungseinrichtung mittels einer Verteileinrichtung aufbringt und mittels einer Energiestrahlungsquelle verfestigt.
Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass das Pulver nicht von einer getrennten Pulverherstellungseinrichtung zu einer Pulververarbeitungsanlage, wie z. B. einer Rapid-Manufacturing Anlage, transportiert werden muss. Stattdessen wird eine Vorrichtung bereitgestellt, welche gleichzeitig das Pulver herstellt und es verarbeitet. Dies hat den Vorteil, dass eine Verunreinigung des Pulvers verhindert werden kann. Außerdem werden Transport- und Logistikkosten eingespart.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines mittels einer Energiestrahlungsquelle zu verfestigenden Pulvers durch eine Pulverherstellungseinrichtung; Zuführen des Pulvers der Pulverherstellungseinrichtung zu einer mit der Pulverherstellungseinrichtung verbundenen Pulververarbeitungseinrichtung; Schichtweises Auftragen des Pulvers mittels der Pulververarbeitungseinrichtung; und Verfestigen des Pulvers mittels einer Energiestrahlungsquelle.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Schritt des Herstellens des Pulvers mit dem Schritt des Verarbeitens des Pulvers verknüpft wird, ohne, dass ein Zwischenlagern des Pulvers erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine Verfahrensablauf zur Herstellung eines Bauteils gemäß der Erfindung.
Die Erfindung, die im Nachfolgenden anhand der Ausführungsbeispiele in den 1 und 2 näher erläutert wird, ist insbesondere auf das Anwendungsgebiet der generativen Fertigung gerichtet zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere im Rahmen des sog. Rapid Manufacturing oder des sog. Rapid Prototyping. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Materialauftrag aufgebaut. Hierbei wird bei den entsprechenden Verfahren, die als Electron Beam Melting (EBM), LaserCusing, Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) oder 3D-Printing bekannt sind, der hinzuzufügende oder aufzutragende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird hierbei schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend wird die Pulverschicht selektiv verfestigt mittels einer Energiestrahlung, wie z. B. eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls. Die Verfestigung der jeweiligen Pulverschicht erfolgt dabei normalerweise auf Basis von Geometriedaten des herzustellenden Bauteils. Dabei kann der Bereich der Pulverschicht z. B. abgescannt und der zu der entsprechenden Bauteilschicht gehörende Abschnitt mittels Energiestrahlung verfestigt werden. Durch Einwirken der Energiestrahlung schmilzt oder versintert das Pulver in diesem Bereich. Im Fall des 3D-Printings wird die Pulverschicht verfestigt, indem ein Binder selektiv in die zum Bauteil gehörenden Bereiche eingebracht wird. Anschließend kann die Bauplattform um eine Schichtdicke verfahren, z. B. abgesenkt, werden. Daraufhin wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. Auf diese Weise wird Schicht für Schicht das Bauteil, wie beispielsweise ein Schaufelelement oder ein Teil eines Schaufelelements, aufgebaut oder ergänzt, z. B. im Falle einer Reparatur.
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils 12 mittels wenigstens eines zu verfestigenden Pulvers gezeigt. Die Vorrichtung 10 stellt dabei einerseits das Pulver oder Pulvergemisch 18 her und verarbeitet es andererseits direkt weiter, beispielsweise um ein Bauteil 12, wie in 1 gezeigt ist, herzustellen oder zu reparieren. Hierzu weist die Vorrichtung 10 eine Pulverherstellungseinrichtung 14 und eine Pulververarbeitungseinrichtung 16 auf, die miteinander verbunden sind. Das Herstellen und Verarbeiten eines Pulvers oder Pulvergemisches 18 in der Vorrichtung 10 hat den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine Verunreinigung des Pulvers bzw. Pulvergemisches 18 zuverlässig verhindert oder zumindest Wesentlich reduziert werden kann. Des Weiteren entfallen Transport- und Logistikkosten. Außerdem muss das Pulver bzw. Pulvergemisch 18 bei Nichtgebrauch nicht zwischengelagert werden und kann somit direkt nach seiner Herstellung verwendet werden.
Wie in der Ausführungsform in 1 gezeigt ist, weist die Vorrichtung 10 eine Pulverherstellungseinrichtung 14 auf. Die Pulverherstellungseinrichtung 14 weist dabei z. B. eine Materialzuführungseinrichtung 20 auf, sowie eine Gaszuführungseinrichtung 22, über welche ein Material oder Ausgangsmaterial zusammen mit einem Gas, insbesondere Plasmagas, einer Prozesskammer 24 der Vorrichtung 10 zugeführt wird. Die Prozesskammer 24 in dem Ausführungsbeispiel in 1 ist dabei beispielsweise eine Vakuumkammer. Je nach Funktion und Einsatzzweck kann die Prozesskammer 24 aber auch beispielsweise unter Umgebungsdruck stehen.
In der Materialzuführungseinrichtung 20 sind dabei das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien, insbesondere ein oder mehrere Präkursoren, aufgenommen, beispielsweise wenigstens ein Metall, eine Metalllegierung und/oder eine Keramik, um nur einige Beispiele für Ausgangsmaterialien zu nennen. Die Ausgangsmaterialien oder die Präkursoren können z. B. flüssig, gasförmig und/oder fest sein, d. h. eine Kombination aus verschiedenen Zuständen aufweisen.
Das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien aus der Materialzuführeinrichtung 20 werden nun mit dem Gas, hier insbesondere Plasmagas, aus der Gaszuführungseinrichtung 22 in die Prozesskammer 24 eingeleitet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien und das Plasmagas einer Plasmaerzeugungseinrichtung 26 zugeführt, um ein Plasma zu erzeugen. Dabei werden das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien in Ionen zerlegt, die beispielsweise zu Partikeln 28, wie z. B. Mikropartikeln und/oder Nanopartikeln, agglomerieren und als Pulver 18 mittels einer Energiestrahlung anschließend verfestigt werden können, um wenigstens ein Bauteil 12 herzustellen, zu reparieren und/oder auszutauschen.
Plasmen kann man hierbei beispielsweise über einen übertragenen Lichtbogen oder auch über Mikrowellen erzeugen. Dabei ist die Mikrowellenvariante als Plasmaerzeugungseinrichtung 26 eine besonders energieeffiziente Methode. Im Plasma herrschen z. B. zwischen 15 000°C und 20 000°C. Diese Temperaturen reichen aus, um den Werkstoff oder die Werkstoffkombination bzw. das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien in gasförmige Ionen zu überführen. Bei Zugabe von beispielsweise Wasserstoff zum Plasmagas, können sogar Oxide wie z. B. Al₂O₃ gespalten werden und ein hoch angeregtes Al-Ion bleibt übrig. Der Sauerstoff verbindet sich mit den H-Ionen und kann z. B. durch eine Vakuumpumpe bei einer Vakuumkammer als Prozesskammer 24 abgesaugt werden. Die so gebildeten Ionen, z. B. die Al-Ionen, agglomerieren und fallen als Mikro- bzw. Nanopartikel in eine Auffangeinrichtung 30, wie z. B. einen Auffangtrichter. Von dort aus kann eine Vorratseinrichtung 32, wie ein Vorratsbehälter, einer für Vakuum geeigneten Anlage, wie z. B. einer Rapid-Manufacturing-Anlage, gefüllt werden. Die Rapid-Manufacturing-Anlage wird dabei wegen der Feinheit der metallischen Partikel beispielsweise im Vakuum betrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, wird als Plasmaerzeugungseinrichtung 26 ein Magnetron 34 verwendet, welches Mikrowellen, beispielsweise durch einen Hohlwellenleiter 36, auf das zugeführte Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien und das Gas leitet.
Hierbei wird ein Plasma erzeugt bzw. hier ein Hochenthalpie-Plasma 38, welches in hoch angeregte Ionen bei z. B. ca. 15 000°C bis 20 000°C zerlegt wird. Die Ionen agglomerieren anschließend beispielsweise zu Mikro- oder Nanopartikel 28 und können in einer Auffangeinrichtung 30, wie z. B. einem Auffangtrichter, aufgefangen und von dort einer Vorratseinrichtung 32 zugeführt werden, z. B. über den Auffangtrichter in einen Vorratsbehälter rieseln. Über eine mit der Vorratseinrichtung 32, z. B. einem Vorratsbehälter, verbundene oder gekoppelte Verteileinrichtung 40 erfolgt dann ein Aufbringen des Pulvers 18 aus Mikro- oder Nanopartikeln 28 z. B. auf eine Bauplattform 42, um beispielsweise ein Bauteil 12 herzustellen, wie in 1 angedeutet ist. Das Pulver 18 wird dabei insbesondere schichtweise aufgetragen und mittels einer Energiestahlungsquelle 44 verfestigt, insbesondere schichtweise verfestigt.
Die Bauplattform 42, wie sie in 1 gezeigt ist, ist vorzugsweise verfahrbar oder beweglich ausgebildet und kann beispielsweise in einer, zwei oder allen drei Dimensionen, d. h. in X-, Y- und/oder Z-Richtung verfahrbar ausgebildet sein. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Bauplattform 42 in einer senkrechten Richtung auf und ab bewegbar ausbildet. Die Verteileinrichtung 40, wie in 1 gezeigt, ist mit der Vorratseinrichtung 32 bzw. hier dem Vorratsbehälter verbunden oder gekoppelt, in welchem das Pulver 18 aus der Auffangeinrichtung 30 aufgenommen wird. Hierbei weist die Verteileinrichtung 40 beispielsweise eine Abstreifereinrichtung 46 oder ein Rakel (nicht dargestellt) auf, mit welchem das Pulver 18 auf die Bauplattform 12 in 1 aufgetragen wird, vorzugsweise schichtweise aufgetragen wird. Anschließend wird das Pulver 18 oder eine Pulverschicht über eine Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle 44 in einem oder mehreren vorbestimmten Bereichen verfestigt.
Wie in 1 gezeigt ist, rieselt das Pulver 18 beispielsweise aus dem Auffangtrichter als Auffangeinrichtung 30 in den Vorratsbehälter 32 und wird von dort über die Abstreifereinrichtung 46 der Verteileinrichtung 40, auf die Bauplattform 42 aufgebracht, vorzugsweise schichtweise aufgebracht. Überschüssiges Pulver 18 kann dabei in einem zusätzlichen Auffangbehälter 48, welcher beispielsweise auf der Seite der Bauplattform 42 angeordnet ist, aufgenommen werden, um das Pulver 18 später zu entsorgen oder wieder zu verwenden.
Als Energiestrahlungsquelle 44 zum Verfestigen des Pulvers 18, insbesondere zum Versintern oder Verschmelzen der Pulverpartikel 28, wird beispielsweise eine Elektronstrahlquelle und/oder eine Laserstrahlquelle eingesetzt. Zum Bestimmen des zu verfestigenden Bereichs der aufgetragenen Pulverschicht 18 kann beispielsweise eine zusätzliche Scannereinrichtung 3 (strichpunktierte Linie in 1) vorgesehen werden, welche die Oberfläche der Pulverschicht 18 abgescannt und gemäß vorgegebener Bauteildaten in vorbestimmten Bereichen mittels der Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle 44 verfestigt.
Wie zuvor beschrieben kann als Energiestrahlung eine Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlung eingesetzt werden. Die Erfindung ist aber auf Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen als Energiestrahlung nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede andere Form oder Kombination von Energiestrahlung bzw. Energiestrahlungsquelle 44 eingesetzt werden, die geeignet ist, ein zugeordnetes Pulver 18 geeignet zu verfestigen.
Das Pulver sollte für eine hochdichte Bauart von beispielsweise mittels einem Rapid Manufacturing(RM)-Verfahren hergestellten Gegenständen bzw. Bauteilen 12 bevorzugt sehr fein sein, beispielsweise ein Mikropulver und/oder Nanopulver. Im Bereich von Nanopulvern wird zudem die Sinter- bzw. die Schmelztemperatur deutlich herabgesetzt. Werden metallische Mikropulver und/oder Nanopulver an Atmosphäre eingesetzt, so kann es bei den leichten Metallen zu einer spontanen Oxidation kommen, welche explosionsartig erfolgen kann. Grundsätzlich sind Pulver bzw. Pulvergemische aus allen Materialien, die schmelzbar sind, herstellbar. Je nach gewünschtem Pulver können die entsprechenden Rohmaterialien bzw. Ausgangsmaterialien über die Ausgangsmaterialzuführungseinrichtung in die Prozesskammer zugeführt werden. Die Rohmaterialien oder Ausgangsmaterialien müssen dabei nicht in Pulverform vorliegen, sondern können beispielsweise auch flüssig und/oder gasförmig usw. vorliegen. Vorzugsweise werden gemäß der Erfindung als Ausgangsmaterialien Materialien verwendet, welcher über einen Plasmaprozess in Ionen überführt und unter geeigneten thermischen Bedingungen im Freistrahlagglomerieren können. Diese Agglomerate können sich dann beispielsweise auch in der Auffangeinrichtung 30, hier z. B. dem Auffangbehälter, und/oder der Vorratseinrichtung 32 mischen oder dort aktiv mittels einer Mischereinrichtung vermischt werden.
Materialien welche zum Herstellen, Reparieren oder Austauchen von Bauteilen 12, wie z. B. Schaufelelementen von Triebwerken eines Flugzeugs (BLISK- oder BLINK-Schaufeln) usw. interessant sind, sind z. B. Titan und Nickel sowie Titan- und Nickellegierungen. Die Erfindung ist aber auf diese speziellen Metalle und Metalllegierungen nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede andere Art von Metall oder Metalllegierung ebenfalls verwendet werden, welche zur Herstellung, Reparatur oder dem Austausch eines Bauteils geeignet ist. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Herstellung, Reparatur und/oder den Austausch von Schaufelelementen für Triebwerke beschränkt sondern kann für alle Arten von Bauteilen 12 eingesetzt werden in verschiedensten technischen Gebieten, die geeignet sind, um mittels eines durch Energiestrahlung zu verfestigenden Pulvers hergestellt, repariert und/oder ausgetauscht zu werden.
Neben metallischen Pulvern, können auch keramische Pulver oder Kombinationen aus metallischen und keramischen Pulvern verwendet werden. Durch eine geeignete Variation der Präkursoren kann auch ein gradierter Werkstoff oder ein Schichtwerkstoff hergestellt werden. Es können beliebige Kombinationen von Präkursoren verwendet werden. Zu beachten ist der Dampfdruck. Dieser kann die Konzentration der agglomerierten Partikel unter Umständen verschieben.
Die Route über die Dampfphase bzw. das Plasma 38, wie mit Bezug auf 1 beschrieben ist eine besonderes einfache, um Mikro- bzw. Nanopulver (vornehmlich metallisch) zu erzeugen und zu verarbeiten.
Neben der mit Bezug auf 1 beschriebenen Herstellung von Pulvern 18 über die Plasmaerzeugungseinrichtung 26 kann alternativ auch ein entsprechendes verfestigbares Pulver z. B. durch ein Heruntermalen von Pulver in einer Kugelmühle unter Öl vorgesehen werden. Das Öl schützt dabei die freie Oberfläche des zu Pulver zu vermahlenden Materials bzw. Ausgangsmaterials oder Ausgansmaterialien vor Oxidation. Es wird aber beispielsweise im Schmelz- oder Sinterprozess wieder abgetrennt z. B. durch Verdampfen.
In diesem Fall weist die Pulverherstellungseinrichtung 14 bzw. deren Materialzuführungseinrichtung 20 eine Mahleinrichtung 23 (gestichelte Linie in 1) auf, beispielsweise eine Kugelmühle, in welcher das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien zu Pulver gemahlen werden. In dem Fall, dass ein solches gemahlenes Ausgangsmaterial bzw. gemahlene Ausgangsmaterialien zu einem Plasma weiter verarbeitet werden, kann wie in 1 gezeigt ist, zunächst eine Gaszuführungseinrichtung und eine Plasmaerzeugungseinrichtung vorgesehen werden. Wird dagegen kein Plasma mit dem Pulver aus dem gemahlenen Ausgangsmaterial oder Ausgangsmaterialien hergestellt, so kann dieses direkt der Vorratseinrichtung 32 zugeführt werden. Das Pulver aus der Mühle der Materialzuführungseinrichtung 20 kann dabei z. B. in den Vorratsbehälter bzw. die Vorratseinrichtung 32 der Prozesskammer 24 rieseln und/oder über ein Transportband der Vorratseinrichtung 32 zugeführt werden. Die Prozesskammer 24 muss dabei nicht notwendigerweise eine Vakuumkammer sein, sondern kann beispielsweise auch unter Umgebungsdruck oder Atmosphärendruck stehen.
Auch der Einsatz von Kunststoffen als Pulver ist möglich. Prinzipiell ist auch die Verarbeitung von Keramiken unmöglich, wie zuvor beschrieben. Beispielsweise kann, um z. B. poröse Schichten herzustellen, dem Vorratsbehälter bzw. der Vorratseinrichtung 32 ein Kunststoffgranulat über die Materialzuführungseinrichtung 20 zugeführt werden, insbesondere ein sehr feines Kunststoffgranulat zudosiert werden. Dieser Pulver verdampft und bildet kleine Poren in der erzeugten Schicht.
Die Verteileinrichtung 40 kann statt oder zusätzlich zu einer Rakel und/oder einer Abstreifereinrichtung 46 auch beispielsweise ein oder mehrere Pulverdüsen bzw. Pulverzuführ- oder Pulverauftragdüsen (nicht dargestellt) aufweisen, um das durch die Pulverherstellungseinrichtung 14 hergestellte Pulver 18 z. B. auf die Bauplattform 42 aufzutragen, insbesondere schichtweise aufzutragen oder zu sprühen. Im Fallen von mehreren Pulverdüsen können diese beispielweise in einem Raster fest über der Bauplattform 42 angeordnet sein und zum vorzugsweise schichtweisen Auftragen von Pulver 18 entsprechend geöffnet und geschlossen werden. Ebenso kann eine Pulverdüse oder eine Kombination von Pulverdüsen verfahrbar über der Bauplattenform 42 angeordnet sein und beispielsweise in ein, zwei oder drei Dimensionen bzw. in einer X-Richtung, Y-Richtung und/oder Z-Richtung verfahrbar ausgebildet sein, um das Pulver 18 auf die Bauplattform 42 oder ein zu reparierendes Bauteil 12 oder einen zu ergänzenden bzw. auszutauschenden Bauteilbereich aufzutragen, vorzugsweise schichtweise. Dabei kann die jeweilige Pulverdüse zum Auftragen von Pulver 18 entsprechend geöffnet und nach dem Auftragen wieder geschlossen werden.
Die Pulverdüse oder Pulverdüsen können dabei einmal z. B. durch einen Gasstrom, insbesondere Edelgasstrom befördert werden. Die Förderung über einen Gasstrom ist allerdings bei einer Vakuumprozesskammer nicht möglich. In diesem Fall kann die Pulverherstellungseinrichtung 14 beispielsweise eine zuvor beschriebene Mahleinrichtung 23 (gestrichelte Linie in 1) als Materialzuführungseinrichtung 20 aufweisen, die mit der Vorratseinrichtung 32 verbunden oder gekoppelt ist. Dabei kann ein Förder- oder Transportbandeinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen werden, die z. B. die Materialzuführungseinrichtung 20 mit der Vorratseinrichtung 32 verbindet oder koppelt. Ein besonders einfacher Mechanismus zum Auftragen des Pulverbetts ist auch das in 1 gezeigte Einrieseln des Pulvers aus dem Auffangtrichter 30 in den Vorratsbehälter 32 und das Auftragen über eine Rakel oder eine Abstreifereinrichtung 46 als Verteileinrichtung 40.
In 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms zur Herstellung, Reparatur und/oder zum Austausch eines Bauteils gezeigt. Dabei wird zunächst in einem Schritt S1, das mittels einer Energiestrahlung verfestigbare Pulver hergestellt und anschließend in einem Schritt S2 einer an die Pulverherstellungseinrichtung angeschlossenen Pulververarbeitungseinrichtung zugeführt. Dort wird in einem Schritt S3 das Pulver verarbeitet oder schichtweise aufgetragen und mittels einer Energiestrahlungsquelle verfestigt.
Dabei wird über eine Materialzuführungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zunächst ein Ausgangsmaterial oder Ausgangsmaterialien bereitgestellt und diese zu einem Pulver verarbeitet und in einer Prozesskammer einer Verteileinrichtung zugeführt, welche das Pulver schichtweise aufträgt auf eine Bauplattform oder z. B. ein auf der Bauplattform angeordnetes und zu reparierendes Bauteil. Über eine Energiestrahlungsquelle wird dann das Pulver in wenigstens einem vorbestimmten Bereich verfestigt. Dazu kann eine aufgetragene Pulverschicht zuvor mittels einer Scannereinrichtung 3 (strichpunktierte Linie in 1) zusätzlich abgescannt werden, um den oder die zu verfestigenden Bereiche zu bestimmen und mit Bauteildaten abzugleichen.
Der Schritt des Herstellens des Pulvers (S1) weist dabei wahlweise zusätzlich den Schritt des Bereitstellens eines Gases mittels einer Gaszuführungseinrichtung auf und des Weiteren den Schritt des Bereitstellens einer Plasmaerzeugungseinrichtung. Dabei wird das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien über die Ausgangsmaterialzuführungseinrichtung und das Gas über die Gaszuführungseinrichtung in die Prozesskammer der Plasmaerzeugungseinrichtung zugeführt. Die Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt dabei mittels eines Lichtbogens oder Mikrowellen ein Plasma, wobei das Ausgangsmaterial oder die Ausgangsmaterialien in Ionen zerlegt werden und zu Partikeln, wie Mikro- und/oder Nanopartikeln, agglomerieren. In einem weiteren Schritt zusätzlich zu dem Schritt S2 wird eine Auffangeinrichtung bereitgestellt und eine Vorratseinrichtung, wobei in der Auffangeinrichtung die Partikel aufgefangen und an die Vorratseinrichtung weitergeführt werden. Über eine Verteileinrichtung wird dann das Partikelpulver auf eine Bauteilform oder ein zu reparierendes Bauteil oder eine Bauteilanordnung mit einem auszutauschenden Bauteil aufgetragen (Schritt S3), vorzugsweise schichtweise. Dabei kann das Pulver über ein oder mehrere Pulverdüsen mittels Sprühen, oder über ein Rakel oder über eine Abstreifereinrichtung aufgetragen werden, vorzugsweise schichtweise. Über die Energiestrahlungsquelle können dann ein oder mehrere vorbestimmte Bereiche einer Pulverschicht verfestigt werden gemäß vorgegebener Bauteildaten.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
Bezugszeichenliste

3: Scannereinrichtung
10: Vorrichtung
12: Bauteil
14: Pulverherstellungseinrichtung
16: Pulververarbeitungseinrichtung
18: Pulver
20: Materialzuführungseinrichtung
22: Gaszuführungseinrichtung
23: Mühle bzw. Mahleinrichtung
24: Prozesskammer
26: Plasmaerzeugungseinrichtung
28: Partikel
30: Auffangeinrichtung
32: Vorratseinrichtung
34: Magnetron
36: Hohlwellenleiter
38: Plasma
40: Verteileinrichtung
42: Bauplattform
44: Energiestrahlungsquelle
46: Absteifereinrichtung
48: Auffangbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007029052 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (10) zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils (12) mit: einer Pulverherstellungseinrichtung (14) zum Herstellen eines Pulvers (18), welches mittels einer Energiestrahlung verfestigbar ist; und einer Pulververarbeitungseinrichtung (16), welche das Pulver der Pulverherstellungseinrichtung (14) mittels einer Verteileinrichtung (40) aufbringt und mittels einer Energiestrahlungsquelle (44) verfestigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverherstellungseinrichtung (14) eine Materialzuführungseinrichtung (20) zum Breitstellen wenigstens eines Ausgangsmaterials oder Präkursors aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzuführungseinrichtung (20) eine Mahleinrichtung (23) aufweist zum Mahlen wenigstens eines Ausgangsmaterials zu Pulver (18), wobei das Ausgangsmaterial insbesondere ein Kunststoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass die Pulverherstellungseinrichtung (14) eine Gaszuführungseinrichtung (22) zum Zuführen von Gas einer Plasmaerzeugungseinrichtung (26), insbesondere Plasamgas, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass, die Materialzuführungseinrichtung (20) und die Gaszuführungseinrichtung (22) mit der Plasmaerzeugungseinrichtung (26) verbunden oder gekoppelt sind, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung (26) insbesondere zur Ausbildung eines Plasmas mittels Lichtbogens und/oder Mikrowellen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Auffangeinrichtung (30) aufweist, insbesondere einen Auffangtrichter, wobei die Auffangeinrichtung (30) zu Partikeln (28) agglomerierte Ionen aus der Plasmaerzeugungseinrichtung (26) auffängt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Verteileinrichtung (40) aufweist, wobei die Verteileinrichtung (40) ein Rakel, eine Abwischereinrichtung (46) und/oder wenigstens eine Pulverdüse aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung (40) mit der Auffangeinrichtung (30), der Materialzuführungseinrichtung (20) und/oder einem zwischen der Auffangeinrichtung (30) und der Verteileinrichtung (40) angeordneten Vorratseinrichtung (32) verbunden oder gekoppelt ist, wobei die Vorratseinrichtung (32) als Vorratsbehälter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlungsquelle (44) einen Lichtbogen oder Mikrowellen erzeugt, wobei die Energiestrahlungsquelle (44) zur Erzeugung von Mikrowellen ein Magnetron (34) aufweist, welches insbesondere mit einem Hohlwellenleiter (36) verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Pulververarbeitungseinrichtung (16) der Vorrichtung (10) in einer Prozesskammer (24) vorgesehen ist, wobei die Prozesskammer (24) als Vakuumkammer oder als Prozesskammer bei Umgebungsdruck ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Bauplattform (42) aufweist, wobei die Bauplattform (42) und/oder die Verteileinrichtung (40) verfahrbar ausgebildet ist, wobei auf die Bauplattform (42) oder auf ein auf der Bauplattform (42) zu reparierendes Bauteil das zu verfestigende Pulver (18) mittels der Verteileinrichtung (40) aufbringbar und mittels der Energiestrahlungsquelle (44) verfestigbar ist, wobei die Bauplattform (42) insbesondere mit einem Auffangbehälter (48) für überschüssiges Pulver (18) verbindbar ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils (12), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines mittels einer Energiestrahlungsquelle (44) zu verfestigenden Pulvers (18) durch eine Pulverherstellungseinrichtung (12); Zuführen des Pulvers (18) der Pulverherstellungseinrichtung (12) zu einer mit der Pulverherstellungseinrichtung (12) verbundenen Pulververarbeitungseinrichtung (16); Schichtweises Auftragen des Pulvers (18) mittels der Pulververarbeitungseinrichtung (16); und Verfestigen des Pulvers (18) mittels einer Energiestrahlungsquelle (44).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Bauplattform (42) und einer Verteileinrichtung (40) zum Verteilen oder schichtweisen Auftragen des Pulvers (18) der Pulverherstellungseinrichtung (14), wobei das zu verfestigende Pulver (18) über die Verteileinrichtung (40) zum Herstellen des Bauteils (12) auf die Bauplattform (42) aufgebracht wird und/oder zum Reparieren des Bauteils (12) auf wenigstens einen zu reparierenden Bereich des Bauteils (12) aufgebracht wird, welches auf der Bauplattform (42) angeordnet ist, und Verfestigen einer Pulverschicht (18) oder wenigstens eines Bereichs einer Pulverschicht (18) mittels einer Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle (44).