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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels wenigstens eines durch eine Energiestrahlung verfestigbaren Pulvers. Das Bauteil ist hier beispielsweise ein Flugzeugbauteil, wie z. B. ein Schaufelelement eines Flugzeugtriebwerks, beispielsweise eines Turbinenstrahltriebwerks. Grundsätzlich können die Vorrichtung und das Verfahren aber auch für jedes andere Bauteil eingesetzt werden, das mittels eines durch Energiestrahlung verfestigbaren Pulvers herstellbar oder bearbeitbar ist. Das Pulver wird dabei, um verfestigt zu werden, durch die Energiestrahlung gesintert oder geschmolzen.
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Derzeitige pulverbettbasierte, generative Fertigungsverfahren sind nur in der Lage horizontal zu arbeiten.
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So sind aus dem Stand der Technik, wie er in der
DE 199 35 274 C1 offenbart ist, ein generatives Fertigungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung bekannt. Die Vorrichtung weist dabei eine absenkbare Bauplattform auf, die in eine Bodenfläche eingelassen ist, wobei die Bodenfläche gleichzeitig die Bearbeitungsebene bildet. Weiter ist die Vorrichtung als Anlage zum selektiven Laserschweißen ausgebildet. Dabei wird mit einem Nivellierungssystem eine Schicht eines Pulverwerkstoffs auf die Bauplattform aufgebracht. Der entsprechende Bereich der Pulverschicht, der zu dem herzustellenden Grundkörper gehört, wird aus dem ersten Pulverwerkstoff nach dem Prinzip des selektiven Laserstrahlschmelzens aufgebracht. Ein Bearbeitungskopf weist hierbei einen Scanner, sowie eine Zufuhreinrichtung in Form einer Pulverdüse für einen zweiten Werkstoff und eine Absaugvorrichtung auf. Der zweite Werkstoff kann dabei dem Fokus eines Laserstrahls zugeführt und dort aufgeschmolzen werden.
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Weiter ist in der
DE 690 31 061 T2 ein Mehrmaterialsystem offenbart, bei welchem aus einem Vorratsbehälter Sinterpulver senkrecht auf eine Oberfläche aufgebracht oder auf die Oberfläche senkrecht gerieselt und über eine Trommel zu einer ebenen Schicht gewalzt wird. Ein Laserstrahl eines feststehenden Lasers wird dann über bewegliche Spiegel auf die Oberfläche geleitet, um Bauteilbereiche der Pulverschicht zu verfestigen.
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In beiden Dokumenten des Standes der Technik wird das zu verfestigende Pulver auf eine horizontale Bauplattform aufgetragen bzw. horizontal verarbeitet. Dadurch können Bauteile nur in einer Ebene hergestellt werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren bereitzustellen zum Herstellen bzw. Ausbilden, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch eine Energiestrahlung zu verfestigenden Pulvers.
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Gemäß der Erfindung werden nun eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausbilden, zum Reparieren und/oder zum Austauschen eines Bauteils bereitgestellt.
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Genauer gesagt wird eine Vorrichtung bereitgestellt zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils mittels eines durch eine Energiestrahlung einer Energiestrahlungsquelle verfestigbaren Pulvers, wobei die Vorrichtung eine Trägerplattform aufweist, welche in einem vorbestimmten Winkel α größer 0° zu einer horizontalen Ebene angeordnet und auf welche das durch die Energiestrahlungsquelle verfestigbare Pulver aufbringbar ist.
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Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass Pulver nicht nur in einer horizontalen Ebene, wie bisher im Stand der Technik, aufgetragen wird, sondern in einer beliebigen Ebene, vorzugsweise einer senkrechten Ebene aufgetragen werden kann.
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Des Weiteren wird ein Verfahren bereitgestellt, zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Energiestrahlungsquelle zum Verfestigen eines mittels der Energiestrahlungsquelle verfestigbaren Pulvers;
Bereitstellen einer Trägerplattform welche in einem vorbestimmten Winkel α größer 0° zu einer horizontalen Ebene angeordnet ist;
Aufbringen einer durch die Energiestrahlungsquelle verfestigbaren Pulverschicht des Pulvers auf die Trägerplattform; und
Verfestigen eines Bauteilsbereichs der Pulverschicht durch die Energiestrahlungsquelle.
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Das Verfahren hat ebenfalls den Vorteil, dass das Aufbringen und Verfestigen einer Pulverschicht in verschiedenen Ebenen und nicht nur in einer horizontalen Ebene erfolgen kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Trägerplattform und die mit ihr verbundene Pulverschicht in dem Winkel α zu einer horizontalen Ebene anordenbar, wobei für den Winkel α insbesondere gilt, dass der Winkel α in einem Bereich liegt, indem der Winkel α > 0° und außerdem der Winkel α ≤ 90° zu der horizontalen Ebene ist. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Pulverschicht auch senkrecht aufgebaut werden kann statt wie bisher horizontal.
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In einer anderen Form ist das Pulver ein Pulver aus Nanopartikeln und/oder Mikropartikeln. Dieses Pulver hat den Vorteil, dass es sich insbesondere zum Aufbau von senkrechten oder fast senkrechten Pulverschichten eignet, da es nicht in sich zusammen rutsch auf der Trägerplatte.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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3 ein Diagramm zur Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils gemäß der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche Elemente oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, sofern nicht Gegenteiliges ausgeführt ist.
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Die Erfindung ist insbesondere auf das Anwendungsgebiet der generativen Fertigung zur Herstellung von Bauteilen gerichtet. Dazu gehört das sog. Rapid Manufacturing oder auch das sog. Rapid Prototyping. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile insbesondere 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. Das Pulver wird hierbei insbesondere schichtweise auf eine Bauplattform oder einen Träger aufgetragen. Anschließend wird die Pulverschicht selektiv mittels einer Energiestrahlung verfestigt, wie z. B. eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls.
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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 wird eine nächste Pulverschicht vorgesehen und wiederum verfestigt. Auf diese Weise kann Schicht für Schicht das Bauteil, wie beispielsweise ein Flugzeugbauteil wie ein Schaufelelement oder ein Teil eines Schaufelelements, aufgebaut oder ergänzt werden, z. B. im Falle einer Reparatur.
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In 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung 10 gezeigt zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils 12 mittels wenigstens eines durch eine Energiestrahlungsquelle 14 zu verfestigenden Pulvers 16. Das spätere fertige Bauteil 12 ist in 1 mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Das Pulver 16 wird dabei durch die Energiestrahlung der Energiestrahlungsquelle z. B. geschmolzen oder gesintert und so verfestigt.
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Dabei wird gemäß der Erfindung nun ein Pulver 16 eingesetzt, dass eine Größenordnung aufweist, in der die Anziehungskräfte zwischen den Pulverpartikeln vorzugsweise größer sind als die Schwerkraft. Auf diese Weise können Pulverschichten in im Wesentlichen jeder Lage aufgebaut werden, insbesondere in einem Bereich zwischen 0° und 90° zu einer horizontalen Ebene, da die Pulverpartikel am Bauteil haften oder zusammenhaften. Das Pulver 16 kann beispielsweise als loses Pulver, als pastöses Pulver oder z. B. als dickflüssiges Pulver vorgesehen oder ausgebildet werden. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird das Pulver 16 als loses Pulver verwendet.
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Genauer gesagt wird vorzugsweise als Pulver 16 ein Nanopulver oder ein Pulver im Nanobereich eingesetzt. Das bedeutet, dass das Pulver aus Pulverpartikeln im Nanobereich besteht oder diese im Wesentlichen aufweist. Wahlweise kann auch ein Pulver 16 Mikropulver oder Pulver im Mikrobereich eingesetzt werden. Hierbei besteht das Pulver aus Pulverpartikeln im Mikrobereich oder weist diese im Wesentlichen auf. Grundsätzlich kann auch ein Pulver 16 aus eine Kombination aus einem Nanopulver und einem Mikropulver verwendet werden.
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Das Pulver 16 kann dabei aus einem oder mehreren Werkstoffen zusammengesetzt sein, beispielsweise kann das Pulver 16 wenigstens ein Metallpulver, ein Metalllegierungspulver, ein Keramikpulver und/oder auch ein Kunststoffpulver aufweisen, um nur einige Beispiele für das Pulver 16 zu nennen. Die Erfindung ist auf diese Beispiele aber nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jedes Pulver 16 aus einem Werkstoff oder einer Werkstoffkombination verwendet werden, das geeignet ist mittels einer Energiestrahlungsquelle 14, wie z. B. einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl, verfestigt zu werden. Die Erfindung ist aber auf Laserstrahlen und Elektronenstrahlen als Energiestrahlung 18 nicht beschränkt. Grundsätzlich kann jede andere Energiestrahlungsquelle 14 eingesetzt werden, die geeignet ist, ein zugeordnetes Pulver 16 zu verfestigen.
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Das Pulver 16 kann nun, wie in 1 gezeigt ist, auf einen Träger 20 oder eine Trägerplatte bzw. Trägerplattformaufgebracht werden, insbesondere schichtweise aufgebracht werden. Der Träger 20 oder die Trägerplatte bzw. Trägerplattform kann dabei in einem Winkel α zu einer horizontalen Ebene 22 positioniert sein, wobei der Winkel α insbesondere in einem Bereich α > 0° und α ≤ 90° liegen kann, wobei hierbei alle Zwischenwerte des Bereichs für den Winkel α mit eingeschlossen sind. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Trägerplatte 20 z. B. senkrecht oder in einem Winkel α von 90° zu der horizontalen Ebene 22 angeordnet.
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Auf die Trägerplatte 20 wird nun mittels einer Beschichtungseinrichtung 24 eine Pulverschicht 26 entsprechend senkrecht aufgebracht. Aufgrund dessen, dass das Pulver 16 beispielsweise ein Nanopulver ist, fällt die Pulverschicht 26 nicht in sich zusammen oder rutscht nach unten auf der Trägerplatte 20 ab, sondern verbleibt in ihrer Position, wie in 1 angedeutet ist. Dies liegt, daran, wie zuvor beschrieben wurde, dass die Anziehungskräfte zwischen den Pulverpartikeln des Pulvers 16 beispielsweise größer sind als die Schwerkraft.
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Die Beschichtungseinrichtung 24 kann dabei beispielsweise eine Beschichtungsplatte 28 aufweisen, auf welcher zunächst z. B. in einer horizontalen Position eine Pulverschicht 26 aufgebracht wird, z. B. mittels eines Abstreifers oder Rakels 30 usw.. Die Beschichtungsplatte 28 ist beweglich ausgebildet, so dass sie entsprechend bewegt, bzw. hier nach oben geschwenkt und gegebenenfalls in Längsrichtung verfahren werden kann, wie durch einen Pfeil A in 1 angedeutet ist und zu der Trägerplatte 20 bewegt, so dass sich ein vorbestimmter Abstand zwischen der Beschichtungsplatte 28 und der Trägerplatte 20 einstellt, welcher beispielsweise der gewünschten Pulverschichtdicke entspricht. Nach dem Auftragen der Pulverschicht 26 auf die Trägerplatte 20 kann die Beschichtungsplatte 28 zurück oder nach unten in 1 bewegt werden.
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Die Energiestrahlungsquelle 14, wie beispielsweise ein Laser in 1, ist vorzugsweise senkrecht zu der Pulverschicht 26 und deren Trägerplatte 20 positioniert oder positionierbar, um einen vorbestimmten Bauteilbereich der Pulverschicht mittels seines Energiestrahls bzw. hier Laserstrahls zu verfestigen. Dabei ist der Energiestrahl 18 bzw. die Energiestrahlungsquelle 14, zumindest ein Teil eines Strahlführungssystems des Energiestrahls 18 der Energiestrahlungsquelle 14 und/oder auch wenigstens ein Lichtleiter zum Leiten des Energiestrahls 18 in einer Richtung z. B. senkrecht zu der Pulverschicht 26 und ihrer Trägerplatte 20 verfahrbar oder beweglich ausgebildet, um den Energiestrahl 18 so einzustellen, dass er die Pulverschicht 26 geeignet oder optimal verfestigen kann. Dazu kann der Fokus des Laserstrahls 18 des Lasers als Energiestrahlungsquelle 14 derart eingestellt werden, dass sein Fokus z. B. direkt auf dem Pulverbett 26 liegt oder auftrifft.
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Außerdem kann der Energiestrahl 18 bzw. die Energiestrahlungsquelle 14, zumindest ein Teil eines Strahlführungssystems des Energiestrahls 18 der Energiestrahlungsquelle 14 und/oder auch wenigstens ein Lichtleiter (z. B. Glasfaser) zum Leiten des Energiestrahls 18 in einer oder zwei weiteren Raumrichtungen zusätzlich verfahrbar oder beweglich ausgebildet sein, wie in 1 mit den Pfeilen Y und Z angedeutet ist.
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Stattdessen kann grundsätzlich auch die Trägerplatte 20 mit der Pulverschicht in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen (X, Y und/oder Z-Richtung) verfahrbar ausgebildet sein, wobei in diesem Fall z. B. die Energiestrahlungsquelle 14 fest vorgesehen sein kann.
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Nach dem Verfestigen eines Bauteilbereichs der Pulverschicht 26 wird eine nächste Pulverschicht mittels der Beschichtungsplatte 28 auf die zuvor verfestigte Pulverschicht 26 aufgebracht und diese neue Pulverschicht wiederum in dem Bauteilbereich mittels der Energiestrahlungsquelle 14 verfestigt.
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In 2 ist nun die Vorrichtung 10 gemäß 1 gezeigt. Statt wie in 1 auf die Beschichtungsplatte 28 z. B. in einer horizontalen Position eine Pulverschicht aufzubringen, beispielsweise mittels einer Abstreifereinrichtung oder eines Rakels, kann in 2 die Beschichtungsplatte 28 auch so mit der Trägerplatte 20 gekoppelt sein, dass zwischen die Trägerplatte 20 und die Beschichtungsplatte 28 das Pulver 16 eingeführt oder eingefüllt wird, wie in 2 angedeutet ist. Dann wird die Beschichtungsplatte 28 in 2 nach oben geschwenkt gegen die Trägerplatte 20, wobei das Pulver 16 dabei an die Trägerplatte 20 z. B. angedrückt wird und eine entsprechend der Trägerplattenposition senkrechte Pulverschicht 26 bildet. Die Beschichtungsplatte 28 wird dabei außerdem so zu der Trägerplatte 20 positioniert bzw. bewegt oder ist so zu dieser Trägerplatte 20 positioniert, dass eine vorbestimmte Pulverschichtdicke aufgetragen werden kann. Der Pulverberg 16 wird wie in 2 durch die Beschichtungsplatte 28 zu einer Pulverschicht 26 auf die Trägerplatte 20 gedrückt.
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Anschließend wird Beschichtungsplatte 28 zurückgeschwenkt oder zurückbewegt und die Pulverschicht 26 in einem Bauteilbereich mittels der Energiestrahlungsquelle 14 verfestigt, um einen Teil des Bauteils 12, wie mit einer gestrichelten Linie in 2 angedeutet ist, auszubilden. Die Beschichtungsplatte 28 wird nun relative zu der Trägerplatte 20 positioniert oder bewegt, so dass das Pulver für die nächste Pulverschicht zwischen der Trägerplatte 20 bzw. hier der letzten Pulverschicht 26 und der Beschichtungsplatte 28 vorgesehen werden kann. Anschließend wird die Beschichtungsplatte 28 wieder gegen die Trägerplatte 20 bzw. die letzte Pulverschicht 26 geschwenkt, wobei der vorbestimmte Abstand zwischen der Trägerplatte 20 und der Beschichtungsplatte 28 eingestellt wird oder eingestellt ist, um die neue Pulverschicht mit einer vorbestimmten Pulverschichtdicke auf der vorherigen Pulverschicht 26 vorzusehen. Danach wird die Beschichtungsplatte 28 wieder zurückgeschwenkt, so dass die neue Pulverschicht im Bauteilbereich durch die Energiestrahlungsquelle 14 und deren Energiestrahlung 18 verfestigt werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerplatte 20 beispielsweise mit wenigstens einer zusätzlichen Aussparung 32 versehen sein, welche zur Ausbildung eines Dorns oder Halteelements 34 des herzustellenden Bauteils 12 dient, wie in 2 gezeigt. Das bedeutet, dass Pulver 16 auch in die Aussparung 32 aufgebracht und ebenfalls mittels der Energiestrahlungsquelle 14 zusätzlich verfestigt wird. Beim anschließenden Verfestigen des Pulvers 16 im Bauteilbereich, kann das Bauteil 12 zusätzlich an der Trägerplatte 20 durch den Dorn oder das Halteelement 34 gehalten oder positioniert werden. Nach der Fertigstellung des Bauteils, kann dann dieser Dorn oder das Halteelement 34 dann leicht wieder entfernt werden, durch Abtrennen des Haltelements von dem Bauteil mittels eines geeigneten Verfahrens, z. B. durch Laserabtrennen, absägen usw.
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Die Vorrichtung 10 kann des Weiteren wahlweise zusätzlich eine Prozesskammer (nicht dargestellt) aufweisen, in welcher die Beschichtung und das Verfestigen der Pulverschicht erfolgen. Ebenso kann eine Art Fließbandfertigung vorgesehen werden, bei welcher in einer ersten Station die Trägerplatte 20 mit der jeweiligen Pulverschicht 26 durch die Beschichtungseinrichtung 24 beschichtet und in einer nächsten Station die jeweilige Pulverschicht 26 in einem Bauteilbereich durch die Energiestrahlungsquelle 14 verfestigt wird. Dabei kann z. B. die Trägerplatte 20 von einer Station zur nächsten Station verfahrbar ausgebildet sein.
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In der in den 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Vorrichtung wahlweise auch zusätzlich einen Scanner 36 aufweisen, wie in 2 mit einer gepunkteten Linie angedeutet ist, welcher z. B. mit der Energiestrahlungsquelle 14 und/oder einem optischen Strahlführungssystem koppelbar ist und ebenfalls mit dieser beweglich bzw. verfahrbar gekoppelt werden kann. Durch den Scanner 36 kann die jeweilige Pulverschicht 26 gescannt werden zum Verfestigen der entsprechenden Bauteilschicht des Bauteils.
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In 3 ist nun ein Diagramm zur Darstellung des Verfahrens zum Herstellen, Reparieren und/oder Austauschen eines Bauteils gemäß der Erfindung gezeigt.
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Gemäß der Erfindung wird eine in einem Winkel α zu einer horizontalen Ebene geneigte Trägerplatte vorgesehen. Dabei wird auf die Trägerplatte eine Pulverschicht mittels einer Beschichtungseinrichtung mit einer Beschichtungsplatte aufgebracht (Schritt S1). Anschließend wird ein Bauteilbereich der Pulverschicht mittels einer Energiestrahlungsquelle verfestigt (Schritt S2). In einem nächsten Schritt wird eine Pulverschicht mit einer vorbestimmten neuen Pulverschichtdicke auf der vorherigen Pulverschicht durch die Beschichtungsplattform aufgetragen, wobei die Beschichtungsplatte relativ zu der Trägerplatte positioniert wird, um die Pulverschicht mit der vorbestimmten Pulverschichtdicke aufzubringen (Schritt S3). Des Weiteren wird der Energiestrahl der Energiestrahlungsquelle derart positioniert, dass er einen Bauteilbereich der Pulverschicht geeignet verfestigen kann (Schritt S4). Dabei wird beispielsweise der Fokus des Energiestrahls derart eingestellt, dass er auf die zu verfestigende Pulverschicht trifft. Die Schritte des Aufbringens und Verfestigens der Pulverschicht werden wiederholt, bis das Bauteil fertig gestellt ist.
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Als Bauteil kann insbesondere ein Flugzeugbauteil, wie z. B. ein Schaufelelement, auf diese Weise hergestellt, repariert oder ausgetauscht werden. Es können aber auch alle anderen Arten von Bauteilen vorgesehen werden, welche mittels eines durch eine Energiestrahlung zu verfestigenden Pulvers hergestellt werden.
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Durch einen Aufbau in jeder beliebigen Ebene ist es möglich zudem Bauteile lokal zu reparieren. Auch der Neuaufbau von Bauteilen in z. B. vertikaler Orientierung, wie in den 1 und 2 gezeigt, bringt Vorteil. So können beispielsweise einfache und kontinuierliche Prozesse realisiert werden.
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Ferner kann der Pulverauftrag auch durch eine Düse erfolgen.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Bauteil
- 14
- Energiestrahlungsquelle
- 16
- Pulver
- 18
- Energiestrahlung
- 20
- Trägerplattform
- 22
- horizontale Ebene
- 24
- Beschichtungseinrichtung
- 26
- Pulverschicht
- 28
- Beschichtungsplatte
- 30
- Rakel
- 32
- Aussparung
- 34
- Halteelement
- 36
- Scanner
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19935274 C1 [0003]
- DE 69031061 T2 [0004]
