DE102012012344B4

DE102012012344B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials

Info

Publication number: DE102012012344B4
Application number: DE102012012344.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Töppel; Matthias Gebauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2032-06-22
Also published as: DE102012012344A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials, das schichtweise übereinander aufgetragen wird, wobei das in einer Vorratskammer (8) benachbart zu einer Prozesskammer (5) befindliche pulverförmige Material (3) vorerwärmt wird, ehe das pulverförmige Material (3) aus der Vorratskammer (8) entnommen und zu der Prozesskammer (5) überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dassdie Vorratskammer (8) durch eine Mehrzehl von in z-Richtung beabstandeten und unabhängig voneinander regelbaren Heizelementen (16), vorzugsweise individuell regelbaren Induktionsspulen (16), vorerwärmt wird, wobeidie Heizelemente an oder in den Seitenwandungen (9) der Vorratskammer angeordnet sind, wobeiTemperatursensoren in den Seitenwandungen der Vorratskammer (8) integriert und in Regelkreisen vorgesehen sind, wobeieinzelne Heizkreise, die eines oder mehrere Heizelemente (16) enthalten, durch die Regelkreise individuell geregelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials, d.h. durch schichtweises ortsselektives Verfestigen eines pulverförmigen, durch Energiestrahlen, insbesondere Laserstrahlen aufschmelzbaren Materials (auch bekannt unter Begriffen „Selective Laser Melting (SLM)“, „Laserschmelzen“, „Laserforming“, „LaserCusing“ oder „Direktes-Metall-Laser-Sintern (DMLS)“).
DE 10 2005 022 308 B4 beschreibt einen beheizbaren Beschichter (24) mit einer integrierten Aufbewahrungskammer für ein pulverförmiges Aufbaumaterial, das bewegbar über eine Prozesskammer geführt werden kann, die mit Heizelementen versehen ist. Die Aufbewahrungskammer ist nach unten zur Prozesskammer geöffnet und funktioniert als Verteiler des pulverförmigen Aufbaumaterials.
WO 2011/023714 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Fertigung von Produkten mit individueller Geometrie wie beispielsweise Zahnersatzteile. Hieraus ist eine Vorrichtung bekannt, bei der gleichzeitig mehrere Zahnersatzteile mit unterschiedlichem Fertigungsbeginn und Fertigungsendzeiten ausgebildet werden können. Hieraus ist ein Baumodul bekannt, wobei oberhalb desselben ein Strahlerfeld vorgesehen ist, das das in dem Baumodul vorhandene Pulverschichtmaterial erwärmt, das dann mittels eines Rakels in einen Prozessbauraum verschoben werden kann.
DE 103 35 404 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die mittels einer Sinterung beschichtet werden, indem die Bauteile in einen Behälter gelegt werden, der das Bauteil mit Induktionsspulen umgibt, so dass diese vorerwärmt werden können.
DE 101 08 621 C1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern. Hierbei wird der Bau- oder Prozessraum selektiven Lasersinterns vorgeheizt. Hierfür kann der Bauraum eine diesen umgebende Mantelheizung aufweisen.
DE 10 2006 014 281 A1 betrifft ein Wärmemanagementsystem, mit einer entnehmbaren Baukammer, die in Laservorrichtungen verwendbar ist. Die Baukammer kann klimatisiert werden, wobei ein kontrolliertes Erwärmen oder Abkühlen der bevorrateten Bauteilkuchen aus verschmolzenem Pulver in der Prozess- oder Baukammer möglich ist.
Solche Verfahren und Vorrichtungen, z.B. zum Laserstrahlschmelzen, werden im industriellen Einsatz insbesondere zur generativen Fertigung („Additive Manufacturing“, „Rapid Prototyping“) von geometrisch hochkomplexen Bauteilen anhand vorliegender 3D CAD-Daten aus metallischen Werkstoffpulvern angewandt.
In Metall-Laserschmelzanlagen entstehen dreidimensionale Körper nach dem Schichtaufbauprinzip, wobei durch einen Energieeintrag, z.B. per Laserstrahl, einzelne Pulverschichten (Layer) nacheinander ortsselektiv aufgeschmolzen werden und zu einem festen Körper erstarren.
Dabei kann über eine Schiebevorrichtung das metallische Werkstoffpulver, das aus einer Vorratskammer mittels einer Dosierplattform angehoben wird, über eine Bauplattform einer Prozesskammer verteilt werden, indem die Schiebevorrichtung horizontal verfahren wird, um so eine 30 µm bis 100 µm dicke Schicht an metallischem Werkstoffpulver programmierbar definiert aufzutragen.
Im Anschluss scannt ein Laserstrahl, z.B. ein Faserlaser, die zu schmelzenden Bereiche der aufgetragenen Metallpulverschicht selektiv. Nach Abschluss der Belichtung/des Aufschmelzens der Schicht senkt sich die Bauplattform der Prozesskammer um die gewählte Schichtstärke ab, damit eine weitere Schicht aufgetragen werden kann, so dass das Werkstück schichtweise hergestellt wird.
Wenngleich die werkzeuglose Fertigung und die großen geometrischen Freiheiten diese Technologie sehr interessant für komplexe Bauteile in geringen Stückzahlen machen, stellt sich beim Laserstrahlschmelzen das Problem, dass beim Abkühlen und Verfestigen der lasergeschmolzenen Werkstoffbereiche große Temperaturgradienten von bis zu 3,5 × 10⁶ K/s auftreten, die zu starken Eigenspannungen (Wärmespannungen) in den Bauteilen führen.
Da solche Eigenspannungen zu Rissbildungen im Bauteil führen können, stellen sie eine erhebliche Prozessunsicherheit dar, weshalb angestrebt wird, diese durch die Vorwärmung des Metallpulvers auf Temperaturen bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur auf ein Minimum zu reduzieren.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Pulvervorwärmung bei Laserstrahlschmelzanlagen bekannt, die allerdings unter wirtschaftlichen oder fertigungstechnischen Aspekten mit Nachteilen behaftet sind.
Aus der DE 101 04 732 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der auf oder in die Bauplattform eine induktive Heizung integriert ist. Mit dieser Heizvorrichtung können zwar Temperaturen von bis zu 500 °C erreicht werden. Nachteil dieser Vorrichtung ist aber, dass die auf der Bauteiloberfläche bzw. der zu belichtenden Schicht erzielte Temperatur in starkem Maße von der Bauteilgeometrie, vom Volumen des Bauteils, von der Bauteilausdehnung in z-Richtung sowie von der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs abhängt und demnach nicht exakt regelbar ist.
Weiterhin ist aus der DE 10 2006 055 053 A1 und der EP 0 764 079 B2 eine Vorrichtung bekannt, bei der die Vorheizung des Pulvers und dabei insbesondere der neu aufgetragenen Schicht durch einen oder mehrere Heizstrahler, welche oberhalb oder seitlich des Baufeldes angeordnet sind, erfolgt. Bei dieser Lösung ist es erforderlich, den Prozess für das Vorwärmen durch die Strahlungsquelle (z.B. Infrarotstrahler) für eine gewisse Zeit zu unterbrechen, damit die neu aufgetragene Pulverschicht vor dem Energieeintrag durch den Laser vorgewärmt werden kann. Damit verbunden ergibt sich eine Verlängerung der Gesamtbauzeit, welche die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens mindert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials anzugeben, mit denen die prozessbedingten Temperaturgradienten verringert und somit eine Steigerung der Prozesssicherheit bei hoher Wirtschaftlichkeit ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass das pulverförmige Aufbaumaterial in der Prozess- und/oder Vorratskammer gezielt vorgeheizt wird, ohne dass der zyklische Herstellungsprozess aus Beschichten und Belichten unterbrochen werden muss, wie es bei einer oberhalb der laserbelichteten Prozesskammer angeordneten Wärmebestrahlung der Fall ist.
Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass im Gegensatz zu Lösungen mit in der Bauplattform integrierten Heizungen die Temperatur in der obersten, vom Laser zu belichtenden Schicht, von der aktuell aufgebauten Bauteilhöhe unabhängig ist, da die Heizelemente in den Seitenwandungen der Prozesskammer in beliebiger Höhe, also auch nah an der Oberfläche, positioniert sein können.
Mittels eines vorteilhafterweise zusätzlich an oder in den Seitenwandungen der Prozesskammer angebrachten Temperatursensors kann somit die Temperatur der zu belichtenden Oberflächenschicht des Pulvermaterials exakt eingestellt werden, während bei einer konventionellen Plattformheizung eine gezielte Temperatureinstellung nur schwer zu erreichen ist, da - je nach bereits aufgebauter Bauteilhöhe - unkalkulierbare Wärmeverluste beim Wärmetransport durch das Bauteil bzw. durch das bereits aufgeschichtete Pulvermaterial auftreten.
Durch die Anordnung der Heizelemente an bzw. in den Seitenwandungen der Vorratskammer wird zudem sichergestellt, dass genügend Aufwärmzeit zur Verfügung steht, da das gesamte bevorratete Pulvermaterial über mehrere, entlang der Kammerhöhe verteilte Heizelemente stufenweise und schonend mit einem definierten Temperaturprofil vorgeheizt werden kann, bis schließlich an der Kammeroberfläche das gewünschte Temperaturniveau erreicht ist. Bekannte Lösungen zur Vorwärmung mit oberhalb der Prozesskammer angeordneten Wärmestrahlern oder mit Heizeinrichtungen, die direkt in dem zum Schichtauftrag dienenden Schieber integriert sind, weisen demgegenüber den Nachteil auf, dass nur ein kurzes Prozesszeitfenster für die Vorwärmung verbleibt, beispielsweise im Falle einer im Schieber integrierten Heizung, die Kontaktzeit des Schiebers mit dem aufzutragenden Pulver.
Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 8, 14 sowie Anspruch 17 gelöst.
Der besondere Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass der zyklische Laserstrahlschmelzprozess durch die Vorwärmung des Pulvermaterials in der Vorratskammer nicht beeinträchtigt wird, das heißt die Vorwärmzeit nicht Teil der für die Herstellung einer Objektschicht aufgewendeten Zykluszeit ist, die damit allein durch die Zeit für den Schichtauftrag und die Zeit für die Belichtung (Aufschmelzen) dieser aufgetragenen Schicht bestimmt wird.
Zwar wird für die Vorwärmung des Pulvermaterials in der Vorratskammer und die anschließende Abkühlung ebenfalls Zeit benötigt, jedoch erhöht diese für die Aufheiz- und Abkühlphase aufzuwendende Zeit nicht die eigentliche Bauzeit des jeweiligen Objektes, da die Heizung parallel zum Beschichtungs- und Bauprozess arbeitet. Demzufolge muss vorteilhafterweise während der Beschichtung und dem Aufschmelzen keine Unterbrechung für die Vorwärmung erfolgen. Bei bekannten Lösungen (z.B. Strahlungsheizung über der Prozesskammer) ist hingegen eine die Bauzeit verlängernde Unterbrechung des Bauprozesses für das Aufheizen unumgänglich.
Zudem wird mit der Platzierung des Wärmestrahlers bzw. von Heizelementen, insbesondere über der Vorratskammer, eine gleichmäßige und ausreichende Vorwärmung über die gesamte zu belichtende Oberfläche des Werkstoffpulvers erreicht, während bei einer Platzierung des Wärmestrahlers über der Prozesskammer die aufzuheizende Oberflächenschicht teilweise von der zum Schichtauftrag horizontal über die Prozesskammer fahrenden Schiebevorrichtung abgeschirmt und deshalb nur unzureichend von den Wärmestrahlen erfasst wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Laserstrahlaufschmelzen pulverförmigen Materials im Längsschnitt (schematisch),
2 eine perspektivische Darstellung einer in der Vorrichtung nach 1 verwendeten Prozess- oder Vorratskammer,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung der anhand von 1 erläuterten Art (schematisch).

1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel schematisch in Längsschnitt einen oberen Bereich einer Vorrichtung 1 zum generativen Erzeugen eines Bauteiles 2 durch schichtweises Aufschmelzen eines Pulvermaterials 3, vorzugsweise mittels Laserstrahl 13, durch eine Laserstrahleinrichtung 12.
In einem Maschinenrahmen 4 sind eine Prozesskammer 5 mit einer entlang deren Seitenwänden 6 vertikal verschiebbaren Bauplattform 7 sowie neben dieser eine Vorrats- oder Vorratskammer 8 für das Pulvermaterial 3 gebildet, wobei entlang von Seitenwänden 9 der Vorratskammer 8 eine Dosierplattform 10 vertikal verschiebbar ist.
Auch das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt den gleichen Grundaufbau der Vorrichtung 1, deren Vorratskammer 8 für den Pulvermaterialvorrat in 2 vergrößert als Einzelheit dargestellt ist.
Die Vorratskammer 8 ist mit dem Pulvermaterial, z.B. einer Aluminiumlegierung, befüllt und im Wesentlichen baugleich zur Prozesskammer 5, in der das Bauteil 2 schichtweise aufgebaut wird unter entsprechendem schichtweisen Absenken der Bauplattform 7 entlang der parallelen Seitenwände 6.
Die Seitenwände 9 der Vorratskammer 8 bilden, wie 2 verdeutlicht, einen Innen-Hohlraum 20 mit im Wesentlichen quadratischen Querschnitt. Jedoch können die Kammern 5, 8 der Vorrichtung 1 je nach Einsatzfall auch andere Querschnittsformen (rechteckig oder gar rund) aufweisen. Die vertikal bewegliche Dosierplattform 10 schließt die Vorratskammer 8 nach unten ab, wobei sowohl die Bauplattform 7 wie auch die Dosierplattform 10 durch einen jeweiligen Hubkolben 22, 24 in vertikaler Richtung, durch einen hier nicht dargestellten Antrieb geregelt aufwärts und abwärts, bewegbar sind (entlang der z-Achse).
Die Bauplattform 7 bildet die oberste Schicht der auf dem Hubkolben 22 aufgesetzten Gesamtplatte. Die Bauplattform 7 besteht typischerweise aus dem gleichen oder einem verwandten Material (Legierung) wie das Pulvermaterial, welches in der Maschine gerade verarbeitet wird. Auf dieser Bauplattform 7 wird das Bauteil 2 direkt (massiv) oder über Supportstrukturen (filigrane Stützen, welche das eigentliche Bauteil 2 partiell mit der Bauplattform 7 verbinden) aufgebaut. Diese Verbindung zur Bauplattform 7 ist notwendig, um die entstehende Wärme abzuleiten und das Bauteil 2 im Bauraum zu fixieren.
Die mittlere Schicht der auf dem Hubkolben 22, 24 befestigten Gesamtplatte, die unterhalb der Bau- bzw. Dosierplattform 7, 10 angeordnet ist, stellt eine Isolierschicht (z.B. eine Platte aus Keramik) dar, während die unterste Schicht der Gesamtplatte wiederum durch eine metallische Platte gebildet ist, welche mit dem, vorzugsweise metallischen, Hubkolben 22, 24 verbunden ist.
Im Betriebszustand wird der Hubkolben 24 der bis zu ihrer Oberkante mit dem pulverförmigen Aufbaumaterial 3 gefüllten Vorratskammer 8 um eine definierte Schichtstärke in z-Richtung hochgefahren, so dass die dem Verfahrweg des Hubkolbens 24 entsprechende Menge an Pulver 3 nach oben aus dem freien Ende der Vorratskammer 8 herausgeschoben wird.
Diese aus der Vorratskammer 8 kontrolliert abgegebene Pulvermenge wird von einer in x-Richtung horizontal verfahrbaren Schiebevorrichtung 11 übernommen und in eine parallel zur Vorratskammer 8 am Maschinenrahmen 4 befestigte Prozesskammer 5 verbracht, wobei die Schiebevorrichtung 11 auf der bewegbaren Bauplattform 7 der Prozesskammer 5 eine gleichmäßig dicke Schicht 14 des übernommenen Pulvermaterials ablegt.
Diese auf die Bauplattform 7 und im späteren Verlauf des Aufbauprozesses auf die zuvor aufgeschmolzene und erstarrte Schicht aufgetragene Pulverschicht 14 wird vom Laserstrahl 13, der von einer Laservorrichtung 12 generiert wird, entsprechend der bauteilspezifischen CAD-Daten beaufschlagt, wodurch das Pulvermaterial 14 schmilzt und erstarrt sowie mit der bereits aufgebauten, zuletzt generierten Schicht stoffschlüssig verbunden wird. Anschließend wird die ebenfalls über einen Hubkolben 22 antreibbare Bauplattform 7 um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt, um erneut Pulver 3 aus der Vorratskammer 8 nach Anheben der Dosierplattform 10 mittels der Schiebevorrichtung 11 auf die gerade fertiggescannte Schicht 14 aufzutragen, so dass das Bauteil 2 Schicht für Schicht zu einer fertigen Form aufgebaut (generativ hergestellt) wird.
Da beim Laserstrahlschmelzen sehr große Temperaturgradienten im Werkstück 2 auftreten, ist die Gefahr einer Rissbildung hoch, so dass zur Steigerung der Prozesssicherheit die Herabsetzung dieses Temperaturgradienten angestrebt wird, was durch Vorwärmen des Pulvermaterials 3 erreichbar ist. Hier ist nach dem ersten Ausführungsbeispiel eine Vorwärmeinrichtung 15 vorgesehen, bei der Heizelemente 16 an oder in den Seitenwandungen 6, 9 der Prozess- und/oder Vorratskammer 5, 8 angebracht sind.
Wie insbesondere aus der Einzeldarstellung einer Vorrats- oder Prozesskammer 5, 8 der Vorrichtung 1 nach 2 zu entnehmen ist, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei bandförmige Heizelemente 16 (Induktionsspulen) um den durch die Seitenwandungen 6, 9 gebildeten quadratischen oder alternativ rechteckigen oder runden Umfang der Dosier- bzw. Prozesskammer 5, 8 herumgelegt. Die drei Heizelemente 16 befinden sich auf drei unterschiedlichen Höhen der Dosier- bzw. Prozesskammer 5, 8, sind also in z-Richtung voneinander gleichmäßig beabstandet und sind vorteilhafterweise zudem in ihrer Heizleistung unabhängig voneinander regelbar, so dass im Falle der Vorratskammer 8 das von den Seitenwandungen 9 umschlossene Pulvermaterial 3 über seine gesamte Vorratshöhe mit einer vorbestimmten Temperaturverteilung vorgewärmt werden kann. Auch für den bereits generierten Teil des Bauteils 2 ist eine Temperaturführung durch Erwärmung zur Verminderung von prozessbedingten Temperaturspannungen sinnvoll. Die Prozesskammer 5 bildet einen Prozessbehälter aus hochwärmeleitfähigem Material für einen guten Wärmeübergang von den Heizelementen 16, z.B. Induktionsspulen, über die Wand der Prozesskammer 5 auf das Pulvermaterial 14.
Zur Festlegung der Prozess- bzw. Vorratskammer 5, 8 am Maschinenrahmen 4 weist diese an ihrem oberen, offenen Stirnende einen sich von den vier Seitenwandungen 6, 9 kragenförmig nach aussen erstreckenden Deckel 21 auf.
Um einen unerwünschten Wärmeübergang an umliegende Maschinenkomponenten (Antriebe, Führungen etc.) zu verhindern, sind zum einen die Heizelemente 16 von einer thermischen Dämmung 17 umhüllt und zum anderen auch die Komponenten, die eine direkte Verbindung zum Rest der Maschine ausweisen (v.a. Kammerdeckel 21, mittlere Schicht der Plattform 7, 10), aus thermisch isolierenden Werkstoffen, z.B. Keramik, ausgeführt.
Der metallische Hubkolben 22, 24 ist vorzugsweise von der Heizung 16 abgeschirmt. Die geschieht beispielsweise dadurch, dass die unteren Heizkreisläufe deaktiviert werden, wenn der Kolben 22, 24 so weit nach oben gefahren ist, dass er von den Heizkreisläufen umgeben ist, da in diesem Fall auch keine Notwendigkeit besteht, den leeren Raum unterhalb der Prozess- bzw. Vorratskammer 5, 8 aufzuheizen.
Eine weiteres Ausführungsbeispiel ist mit der Vorrichtung gemäß 3 gezeigt, bei der als Vorwärmeinrichtung 15 ein (oder auch mehrere) Wärmestrahler 18 eingesetzt wird, der oberhalb der aufzuheizenden Oberflächenschicht des Pulvermaterials 3 angeordnet ist, allerdings im Unterschied zum Stand der Technik nicht oberhalb der Prozesskammer 5, sondern oberhalb der Vorratskammer 8. Mittels der vom Wärmestrahler 18 abgegebenen Wärmestrahlung 23 kann das Pulvermaterial 3 bereits in der Vorratskammer 8 über seinen gesamten Oberflächenquerschnitt gleichmäßig auf die gewünschte Temperatur vorgeheizt werden, ohne dass der in der parallel angeordneten Prozesskammer 5 ablaufende, zyklische Aufbauprozess aus Schichtauftrag und thermischer Bindung des Pulvermaterials dadurch behindert oder gar verzögert würde.
Durch in den Seitenwandungen 9 der Pulvervorratskammer 8 eingebrachte Temperatursensoren 19 kann die Temperatur des Pulvermaterials 3 in oberflächennahen Schichten der Vorratskammer 8 erfasst werden. In Verbindung mit einer entsprechenden Regelungseinrichtung kann somit über den Wärmestrahler 18 die Temperatur des Pulvermaterials 3 in der Vorratskammer 8 geregelt bzw. zu- oder abgeschaltet werden. Eine Vorwärmung des Pulvermateriales 3 kann dabei bis auf Temperaturen von über 500 °C erfolgen.
Die Ausführungsform nach 3 (Wärmestrahler 18 über Vorratskammer 8) kann mit der Ausführungsform nach 1 (bzw. 2) bandförmige Heizelemente 16 um die Vorratskammer 8 (bzw. die Prozesskammer 5) kombiniert werden.
Mit den vorgenannten Vorrichtungen können bereits existierende Laserstrahlschmelzanlagen nachgerüstet werden.
Durch die Erfindung kann das gesamte Pulvermaterial (Ausführungsbeispiel 1) bzw. der Pulvervorrat von oben (Ausführungsbeispiel 2) über den gesamten Oberflächenquerschnitt vorgewärmt werden. Daher hat die Geometrie des Bauteils (Bauteilhöhe, Querschnittsfläche) keinen oder nur geringfügig Einfluss auf die einstellbaren Temperaturen auf der Bauteiloberfläche sowie der zu beschichtenden (aufzuschmelzenden) Schicht.
Durch die Erfindung kann das aufzuschmelzende Pulver vorerwärmt werden, ohne den Werkstück-Generierungsprozess unterbrechen zu müssen, wobei ein praktisch beliebiger Zeitfond für die Temperaturführung zur Verfügung steht, da praktisch keine störenden Interaktionen mit dem eigentlichen Bauprozess (Pulverauftrag und Schmelzen) stattfinden. Zudem wird sichergestellt, dass das Pulver über mehrere oberflächennahe, der Auftragsvorrichtung (Beschichter) zugewandte Schichten (Ausführungsbeispiel nach 2) bzw. das gesamte Pulvermaterial in der Vorrats- oder Prozesskammer 8, 5 gleichmäßig vorerwärmt wird.
Durch die Anordnung von Heizelementen 16 um die Vorrats- und/oder Prozesskammer 8, 5 (Ausführungsbeispiel nach 1) bzw. der Anordnung eines oder mehrerer gegebenenfalls abschnittsweise oder einzeln in ihrer Heizleistung regelbarer Wärmestrahler 18 (Infrarotstrahler) wird ein Großteil der Zykluszeit für die Herstellung einer Schicht für die Vorerwärmung des Pulvermaterials genutzt, ohne den Bauprozess zu unterbrechen und damit die Gesamtbauzeit zu erhöhen. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen ist eine wiederkehrende Unterbrechung des Aufbauprozeses für die Pulvererwärmung, wie es z.B. bei einer oberhalb der Prozesskammer angeordneten Strahlungsheizung notwendigerweise der Fall ist, nicht mehr erforderlich, da die Vorwärmung nun parallel zum Schichtauftrag und Aufschmelzen des Pulvers erfolgen kann.
Die Beheizung der Prozesskammer 5 und des Pulvermaterials, welches das dort verbliebene generierte Werkstück umgibt, dient der gesteuerten Temperaturführung im gerade generierten Werkstück und damit der Einstellung vorbestimmter Abkühltemperaturprofile zur Minimierung von Eigenspannungen im Werkstück. Diese Maßnahmen können auch unabhängig von einer Vorerwärmung des Pulvermaterials in der Pulvervorratskammer 8 ergriffen werden.
Durch die Vorheizung des Pulvermaterials können die Temperaturgradienten im Bauprozess stark verringert werden, so dass weniger Eigenspannungen in das Bauteil eingetragen werden und die Verarbeitung von bisher nicht verarbeitbaren Werkstoffen möglich wird.
Mit der Reduzierung von Eigenspannungen und deren Folgeerscheinungen (Delamination, Rissbildung, Verzug etc.) kann die Prozesssicherheit und damit die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsverfahrens zur generativen Erzeugung von Bauteilen bzw. Werkstücken auf der Basis von CAD-Daten erhöht werden. Mit der Verarbeitbarkeit neuer Pulverwerkstoffe können zudem neue Anwendungsfelder, z.B. im Werkzeug- und Formenbau, erschlossen werden.
Die Erfindung ist besonders beim generativen Laserschmelzen in pulverbettbasierten Anlagen mit Mehrkammersystem (Prozesskammer und Pulvervorratskammer) anwendbar und auch zur Integration in Bestandsanlagen geeignet.
Eine mit integrierten Heizelementen ausgerüstete Prozesskammer kann auch bei sogenannten „Einkammeranlagen“ verbaut bzw. nachgerüstet werden. Bei einer „Einkammeranlage“ wird das Pulver nicht über eine separate Pulvervorratskammer bereitgestellt, sondern der Pulvervorrat ist mit einer Beschichtungseinheit oberhalb der Prozesskammer verbunden. Dabei wird das Pulver beim Verfahren des Beschichters direkt von oberhalb des Beschichters zugestellt. Das Pulver rieselt somit unmittelbar vor den Beschichter und wird anschließend vom Beschichter auf das Baufeld aufgetragen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials, das schichtweise übereinander aufgetragen wird, wobei das in einer Vorratskammer (8) benachbart zu einer Prozesskammer (5) befindliche pulverförmige Material (3) vorerwärmt wird, ehe das pulverförmige Material (3) aus der Vorratskammer (8) entnommen und zu der Prozesskammer (5) überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (8) durch eine Mehrzehl von in z-Richtung beabstandeten und unabhängig voneinander regelbaren Heizelementen (16), vorzugsweise individuell regelbaren Induktionsspulen (16), vorerwärmt wird, wobei die Heizelemente an oder in den Seitenwandungen (9) der Vorratskammer angeordnet sind, wobei Temperatursensoren in den Seitenwandungen der Vorratskammer (8) integriert und in Regelkreisen vorgesehen sind, wobei einzelne Heizkreise, die eines oder mehrere Heizelemente (16) enthalten, durch die Regelkreise individuell geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3) durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung und/oder Konvektion von Warmluft vorerwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratskammer (8) aus einem hochwärmeleitfähigen Material besteht.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (3) durch einen oder mehrere Wärmestrahler (15, 18), insbesondere Infrarotstrahler, von außerhalb der Vorratskammer (8) vorerwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in einer Prozesskammer (5) befindliche pulverförmige Material (3) zur Wärmeübertragung auf ein zumindest teilweise hergestelltes Werkstück durch Erwärmen eines die Prozesskammer (5) bildenden Prozessbehälters erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material (3) durch Wärmeleitung erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessbehälter (5), durch individuell regelbare Induktionsspulen (16) vorgewärmt wird und/oder der Prozessbehälter (5) aus einem hochwärmeleitfähigen Material besteht.
Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken durch Strahlschmelzen pulverförmigen Materials (3), das schichtweise übereinander aufgetragen wird, mit einer Prozesskammer (5) zur generativen Erzeugung eines Bauteils mit einem Energiestrahl, vorzugsweise Laserstrahl, sowie einer Vorratskammer (8) zur Aufnahme eines Pulvermaterialvorrates, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in z-Richtung beabstandeten und unabhängig voneinander regelbaren Heizelemente (16) an oder in den Seitenwänden der Vorratskammer (8), wobei Temperatursensoren in die Seitenwände der Vorratskammer (8) integriert und in Regelkreisen zur individuellen Regelung einzelner Heizkreise, die eines oder mehrere Heizelemente (16) enthalten, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (16) bandförmig, insbesondere als Induktionsspulen ausgebildet sind und die Vorratskammer (8) jeweils entlang von Seitenwänden derselben umschließen.
Vorrichtung nach zumindest dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Wärmestrahlungseinrichtung (15), insbesondere einen oder mehrere Infrarotstrahler oberhalb eines Pulvermaterials (3) in der Vorratskammer (8).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatursensoren zur Erfassung einer Temperatur des Pulvermaterials (3) und/oder der Seitenwände von der Vorratskammer (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatursensoren in Seitenwänden der Vorratskammer (8) nahe einer oberen Oberfläche derselben angeordnet und in einem oder mehreren Regelkreisen mit der Wärmestrahlungseinrichtung (15) oberhalb des Pulvermaterials (3) in der Vorratskammer (8) verschaltet sind, zur Erfassung der Temperatur oberfächennaher Schichten des Pulvermaterials, die von der Wärmestrahlungseinrichtung beeinflussbar sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch Isolierstoffkörper (17) zur Wärmedämmung zwischen den Heizelementen (16) und Maschinenteilen der Vorrichtung.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises ortsselektives Verfestigen eines pulverförmigen Aufbaumaterials (3), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, aufweisend: - einen Maschinenrahmen (4) mit einer darin angeordneten Prozesskammer (5), wobei diese Prozesskammer (5) durch Seitenwandungen (6) sowie eine in der Höhe verschiebbare Bauplattform (7) ein Aufbauvolumen für den Aufbau des dreidimensionalen Objekts (2) begrenzt, - mindestens eine im Maschinenrahmen (4) angeordnete Vorratskammer (8), wobei diese Vorratskammer (8) durch Seitenwandungen (9) sowie eine in der Höhe verschiebbare Dosierplattform (10) ein Vorratsvolumen zur Aufnahme des pulverförmigen Aufbaumaterials (3) begrenzt, - eine horizontal verfahrbare Schiebevorrichtung (11) zur Aufnahme des von der Dosierplattform (10) der Vorratskammer (8) hochgeförderten, pulverförmigen Aufbaumaterials (3) und zum Schichtauftrag dieses pulverförmigen Aufbaumaterials (3) auf die Bauplattform (7) der Prozesskammer (5), - eine Energiequelle (12), die einen Strahl (13) zum selektiven Verfestigen der auf die Bauplattform (7) der Prozesskammer (5) aufgetragenen Schicht (3) des pulverförmigen Aufbaumaterials (3) aussendet, gekennzeichnet durch - eine Vorwärmeinrichtung (15) zum Aufwärmen des pulverförmigen Aufbaumaterials (3) vor der Verfestigung, wobei die Vorwärmeinrichtung (15) aus einer Mehrzahl von in z-Richtung beabstandeten und unabhängig voneinander regelbaren Heizelementen (16) besteht, die an oder in den Seitenwandungen (9) der Vorratskammer (8) angeordnet sind, wobei Temperatursensoren in die Seitenwände der Vorratskammer (8) integriert und in Regelkreisen zur individuellen Regelung einzelner Heizkreise, die eines oder mehrere Heizelemente (16) enthalten, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (16) die Vorratskammer (8) auf einer Höhe entlang ihres gesamten Umfanges umgibt, insbesondere mehrere über die Höhe der Vorratskammer (8) verteilt angeordnete Heizelemente (16) vorgesehen sind, wobei vorzugsweise deren Heizleistung separat einstellbar ist und zumindest ein Heizelement (16) von einer thermischen Dämmung (17) umgeben ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in den Seitenwandungen (9) der Vorratskammer (8) mindestens ein Temperatursensor (19) angebracht ist, insbesondere eine Steuerung vorgesehen ist, um die einzelnen Heizelemente (16) bzw. Wärmestrahler (18) in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des pulverförmigen Aufbaumaterials (3) aus- bzw. einzuschalten oder in ihrer Heizleistung zu regeln.
Vorratskammer (8) zum Beinhalten eines pulverförmigen Aufbaumaterials (3) für eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises ortsselektives Verfestigen des pulverförmigen Aufbaumaterials (3) in einer Prozesskammer (5), für eine Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 16, aufweisend: - einen Innen-Hohlraum (20) umschließende Seitenwandungen (9), und - eine innerhalb des Hohlraums (20) verschieblich angeordnete Plattform (10), die mit den Seitenwandungen (9) ein einseitig offenes Volumen zur Aufnahme eines pulverförmigen Aufbaumaterials (3) begrenzt, wobei eine Mehrzahl von in z-Richtung beabstandeten und unabhängig voneinander regelbaren Heizelementen (16) an oder in den Seitenwandungen (9) angebracht ist, wobei Temperatursensoren in die Seitenwände der Vorratskammer (8) integriert und in Regelkreisen zur individuellen Regelung einzelner Heizkreise, die eines oder mehrere Heizelemente (16) enthalten, vorgesehen sind.
Vorratskammer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass am offenen Stirnende der Vorratskammer (8) ein sich von den Seitenwandungen (9) nach außen erstreckender Lagerdeckel (21) angeformt ist, wobei der Lagerdeckel (21) und/oder zumindest eine Schicht der Plattform (10) vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden Werkstoff bestehen.