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Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen, Aushärten und Oberflächenbearbeiten von pulverförmigen Werkstoffen auf Bauflächen zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke mittels Laserstrahlung unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum.
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Aus dem Stand der Technik sind eine ganze Reihe von Lasersintervorrichtungen zum selektiven Lasersintern bzw. entsprechend zugehörige Verfahren grundsätzlich bekannt. Beim selektiven Lasersintern handelt es sich um eine Verfahren bei dem räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Werkstoff hergestellt werden, wobei einzelne Pulverschichten nacheinander überlagert werden und zwischendurch mittels eines Laserstrahles aufgeschmolzen und ausgehärtet werden. Dreidimensional geformte metallische Gegenstände werden dabei durch Bestrahlen einer aus einem Metallmaterial gebildeten Metallschicht mit Laserstrahlen und wiederholtes ausführen des Prozesses zum ausbilden einer weiteren Materialschicht auf der bereits gesinterten Schicht oder der geschmolzenen Schicht ausgebildet. Diese Technologie hat den Vorteil, dass auch relativ kompliziert geformte dreidimensionale Gegenstände als ein einzelnes Werkstück in relativ kurzer Zeit hergestellt werden können. Durch anschließendes Endbearbeiten vorzugsweise mit mechanischen Abtragungsverfahren kann die Oberfläche des dichten, ausgeformten Gegenstandes als eine glatte Oberfläche ausgebildet werden. Bei dieser auch als Metall-Lasersintern bezeichneten Technologie wird ein pulverförmiges Metallmaterial verwendet. Dieses Metallpulver wird in einzelnen einmal dünnen oder einmal dickeren Schichten auf die jeweils darunter liegende Oberfläche aufgebracht. Dabei wird in der Regel die untere Schicht mit erwärmt, so dass die Haftfestigkeit der jeweils gerade hergestellten Schicht verbessert wird und eine relativ hohe Materialdichte entsteht. Die bekannten Lasersintervorrichtungen zum Durchführen des selektiven Lasersinterverfahrens umfassen im allgemeinen einen Laser und einen zugehörigen Bauraum mit einer in der Regel höhenverfahrbaren Trägereinrichtung für die Baufläche zum Tragen des herzustellenden dreidimensionalen Gegenstandes, sowie eine Beschichtungsvorrichtung zum Auftragen der pulverförmigen Schichten auf die Trägereinrichtung bzw. auf den bereits erzeugten dreidimensionalen Teilgegenstand.
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Eine derartige Vorrichtung ist zum Beispiel in der
DE 102 39 369 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird mit Hilfe eines Beschichters, der als Rakel ausgebildet ist, welche mit einer scharfen Klinge ausgebildet ist, eine dünne Pulverschicht ausgebildet. Das pulverförmige Material wird aus einem Vorratsbehälter auf die Arbeitsebene der Baufläche aufgetragen und mit der Rakel abgezogen. Die Trägereinrichtung besteht hier aus einer Trägerplatte, deren Oberfläche zu Beginn des Herstellungsprozesses direkt in der Arbeitsebene liegt. Zum Auftragen der Pulverschicht fährt der Beschichter von einer Ausgangsposition von einem Ende des Bauraumes zu einer Endposition am gegenüberliegenden Ende des Bauraums und verteilt mittels der Klinge die aus dem Pulverbehälter durch einfaches Zuschütten zugeführte Pulvermenge möglichst gleichmäßig auf der Arbeitsebene. Nach dem Auftragen und Verteilen der Pulverschicht fährt der Beschichter in die Ausgangsposition auf demselben Wege zurück. Anschließend wird die aufgebrachte dünne Pulverschicht in der Arbeitsebene mittels eines Laserstrahles aufgeschmolzen und verfestigt. Danach wird die Baufläche mit der Trägerplatte nach unten in den Bauraum um die jeweils aufgebrachte Schichtdicke verfahren. Normalerweise beträgt die Schichtdicke zwischen ca. 50 bis 200 μm jeweils in Abhängigkeit von der Partikelgröße des eingesetzten Pulverwerkstoffes. Nachfolgend wird eine neue Pulverschicht mittels des verfahrbaren Beschichters aufgebracht und mit dem Laserstrahl verfestigt. Auf diese Art und Weise erfolgt Schichtaufbau für Schichtaufbau bis zur fertigen Bauhöhe des jeweils gewünschten, herzustellenden dreidimensionalen Gegenstandes. Die Herstellung solch eines Objektes nimmt aufgrund des langdauernden schichtweisen Aufbringens des pulverförmigen Materials relativ viel Zeit in Anspruch. Dies kann gegebenenfalls einige Stunden dauern. Zudem ist auch immer nur die Verwendung eines einzigen pulverförmigen Materials möglich. In der
DE 10 2007 040 755 A1 ist deshalb eine Lösung vorgeschlagen, wo wenigstens zwei unabhängige Beschichter vorgesehen sind, mit denen jeweils nacheinander mehrere pulverförmige Schichten auf die Baufläche auftragbar sind. Diese zwei Beschichter sind in Vertikalrichtung versetzt zueinander angeordnet, so dass zwei Schichten aufgetragen werden können, ohne das die Beschichter in die Ausgangsebene zurück verfahren werden müssen. Auch muss die Trägereinrichtung mit der Arbeitsebene angeblich nicht nach unten verfahren werden. Das setzt jedoch eine Positionierung des Laserstrahles oder einen entsprechend leistungsstarken Laserstrahl voraus. In dieser technischen Lösung ist es auch möglich noch weitere Beschichter vertikal versetzt anzuordnen um gleichzeitig mehrere unterschiedliche Pulverschichten in einer Arbeitsposition der Träghereinrichtung aufbringen zu können. Hier ist zudem die Möglichkeit gegeben unterschiedliches Material über die getrennten Beschichter so bereit zustellen, dass auch aufeinanderfolgende Schichten aus unterschiedlichem Material hergestellt werden können. Nachteilig ist hier das zeitaufwendige Aufbringen des pulverförmigen Materials mittels der einzelnen voneinander getrennten Beschichter.
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In der
DE 10 2007 033 715 A1 ist eine weitere technische Lösung gezeigt in der unterschiedliche Materialien auf eine bestehende Produktschicht aufgebracht werden sollen. Dabei erfolgt das Aufbringen einer zweiten Pulverschicht auf eine untere erste Pulverschicht. Nicht aufgeschmolzenes Material der ersten Pulverschicht wird zunächst gesondert entfernt, bevor eine zweite Pulverschicht aus einem anderen Material aufgebracht und aufgeschmolzen werden kann. Bei Bedarf ist e auch möglich mittels eines zusätzlichen dünnen Films als sogenannte Zwischenschicht eine Vorbehandlung der unteren Pulverschicht vorzunehmen, bevor eine andere weitere Werkstoffschicht aufgebracht und mittels eines Laserstrahles aufgeschmolzen und verfestigt wird. Das Aufbringen der Pulverschichten erfolgt dabei mittels flächigen Aufstreuen des Pulvermaterials, was eine genaue Dimensionierung und gleichmäßige Dicke der Pulverschicht unmöglich macht und dazu führt, dass ständig überflüssiges Pulvermaterial wieder abgeführt werden muss.
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Im Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Gegenstandes gemäß der
DE 10 2009 038 241 A1 läuft das Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre in einer gekapselten Kammer ab. Das zu verfestigende Pulver wird hier mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen. Nach jedem Aufschmelzvorgang wird bei dieser Lösung neues Pulver mittels eines mechanisch verfahrbaren Schiebers in zeitaufwendiger Art und Weise auf der aktiven Baufläche verteilt. Ach hier wird zuviel Pulvermaterial aufgebracht, weswegen nach jedem Aufschmelzvorgang überschüssiges Pulver entfernt werden muss.
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Aus der
DE 10 2006 053 121 B3 ist des weiteren eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes mittels eines Beschichters für pulverförmiges Aufbaumaterial beschrieben, wobei auch dieser Beschichter mit der nachteiligen Technologie der Pulverschüttung arbeitet und die Verteilung des Pulvers auf dem Baufeld durch seitliches Verfahren des Beschichters erfolgt, bevor ein Aufschmelzvorgang durchgeführt werden kann. Bei Bedarf ist es hier jedoch zusätzlich möglich das Pulver direkt im Beschichter in seinem Inneren mittels „Gas zu fluidisieren“, bevor die Schüttung des fluidisierten Pulvermaterials erfolgt. Gegebenenfalls kann auch das Fluidisieren so erfolgen, dass das Pulver befeuchtet wird, danach auf das Baufeld durch Pulverschüttung aufgebracht wird und anschließend mittels eines Laserstrahles ausgehärtet wird.
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Nachteilig bei allen beschriebenen Lösungen aus dem Stand der Technik ist es, dass immer zuerst eine komplette Pulverschicht per Aufschüttung aufgetragen werden muss, gleichzeitig mit dem Aufschütten oder danach in der Regel ein zeitaufwändiges Abstreifen des überflüssigen Pulvers erfolgt um die jeweils gewünschte Schichtdicke herstellen zu können, welche dann aufgeschmolzen werden soll. Bei all diesen vorstehend beschriebenen Anmeldungen wird immer zuviel Pulvermaterial aufgebracht, weswegen nach jedem Aufschmelzvorgang das zuviel aufgebrachtes Pulvermaterial wieder entfernt werden muss. Eine punkt- und mengenmäßig exakte Aufbringung des Pulvermaterials direkt auf den jeweiligen Arbeitspunkt auf der Baufläche bezogen ist dabei generell nicht möglich. Gleichfalls unmöglich ist es einen kontinuierlich fortschreitender ununterbrochener Bauprozess des dreidimensionalen Werkstückes zu realisieren. Das kann letztlich insgesamt zu schlechteren Materialeigenschaften der mit selektiven Lasersintern hergestellten Werkstücke führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Arbeitsverfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen, Aushärten und Oberflächenbearbeiten von pulverförmigen oder drahtförmigen Werkstoffen auf Bauflächen zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke hoher Materialdichte mittels Laserstrahlung unter Normalatmosphäre, Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum zu schaffen, die es ermöglichen in einem einzigen kontinuierlichen Verfahren auch komplizierteste dreidimensionale Werkstücke aus einem oder gleichzeitig auch aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen in kurzer Zeit in hoher Materialqualität so herzustellen zu können, dass anschließend nahezu keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung mehr notwendig ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und zweiten Patentanspruches gelöst. Weiter zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren zum Auftragen, Aushärten und Oberflächenbearbeiten von pulverförmigen Werkstoffen auf Bauflächen zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke mittels Laserstrahlen arbeitet, wie an sich bekannt, wahlweise unter Normalatmosphäre, unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum oder vakuumähnlichen Bedingungen. Während des eigentlichen Bauprozesses des dreidimensionalen Werkstückes kann die Baufläche 3 und/oder das Werkstück 1 und/oder ein Laserkopf 5 oder anstelle eines Laserkopfes 5 auch mehrere Laserköpfe 5 dreidimensional verfahren, geschwenkt oder gedreht werden. Dadurch ist eine Minimierung der notwendigen Zeit für das Nachführen der einzelnen Teile der Vorrichtung möglich, so das immer optimale Abstände zum Arbeitspunkt auf der Baufläche 3 eingehalten werden können. Zudem ist es erstmals möglich in Abhängigkeit vom räumlichen Bauprozess das zu fertigende Werkstück 1 immer in der Annäherung an die jeweilige Pulverstrahlnormale genauestens zu positionieren und den Arbeitspunkt des Fertigungsprozesses, d. h. Zusammentreffen des bauenden Pulverstrahles und des aushärtenden Laserstrahles bzw. der aushärtenden Laserstrahlen zu optimieren. Beim Arbeitsverfahren kann das dreidimensional zu bauende Werkstück 1 erstmals nicht nur wie bisher mit einem, sondern wahlweise mit zwei oder auch mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig über den Laserkopf 5 oder mehrere auch unabhängige Laserköpfe 5 in einen Arbeitsraum 2 über der Baufläche 3 beaufschlagt werden. Die Zuführung des oder der Laserstrahlen erfolgt über den dreidimensional verfahr-, verschwenk oder drehbaren Laserkopf 5 bzw. der Laserköpfe 5, welche(r) mit einer oder auch mehreren geeigneten Optiken zur Laserstrahlfokussierung ausgebildet sein können. Anstelle der wie bisher aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeit der Zuführung nur eines pulverförmigen Werkstoffes oder Werkstoffgemisches können nunmehr der Baufläche 3 und dem darüber befindlichen Arbeitsraum 2 über einen neuartigen Druck- oder Sprühkopf 7 wahlweise nur ein oder zwei oder auch mehrere pulverförmige Werkstoffe oder pulverförmige Werkstoffgemische gleichzeitig zugeführt werden. Bei Bedarf kann auch ein zusätzliches Stützmaterial 26 auf die Baufläche 3, oder auf oder in das Werkstück 1 über den Druck- oder Sprühkopf 7 eingebracht werden, welches später wieder einfach entfernt werden kann. Gleichfalls ist es optional möglich, dass noch ein Liquid oder ein Bindemittel auf oder in einem oder mehreren pulverförmigen Werkstoffen eingebracht werden kann oder auf die pulverförmigen Werkstoffe aufgetragen werden kann. Beim Arbeitsverfahren werden die aufgebrachte Schicht oder die aufgebrachten Schichten der pulverförmigen Werkstoffe gleichzeitig bei ihrem Auftreffen auf der Werkstückoberfläche oder anschließend mittels eines oder mehreren Laserstrahlen vollständig ausgehärtet und/oder bearbeitet. Durch die hochgenaue Bemessung des oder der punktgenauen Pulverstrahlen und der Positionierung und Fokussierung der Laserstahlen mit der jeweiligen Baufläche zueinander, kann nunmehr das dreidimensionale Werkstück in einem einzigen kontinuierlichen Arbeitsverfahren hergestellt werden, ohne dass zwischendurch der Fertigungsprozess länger wegen des Aufbringens einer Pulvermaterialschüttung oder der Entfernung von überschüssigen Pulvermaterial unterbrochen werden muss. Erstmals kann hierbei das gesamte aufgebrachte Pulvermaterial ohne Verluste punkgenau direkt aufgeschmolzen werden, da Pulverstrahl und Laserstrahl gleichzeitig im Arbeitspunkt auf der Baufläche 3 auftreffen. Der Vorteil hierbei ist, dass nur dort Pulver aufgebracht wird, wo auch tatsächlich das dreidimensionale Werkstück materialmäßig aufgebaut werden soll. Bei diesem Arbeitsverfahren sind keinerlei konstruktiv- und fertigungsbedingte sonstige Stützgeometrien als Bauhilfen notwendig. Diese vorstehenden Arbeitsschritte werden solange wiederholt, bis das dreidimensionale Werkstück als ganzes aus der jeweils erforderlichen Anzahl von aufgeschmolzenen Materialschichten aufgebaut ist. Wahlweise ist es auch möglich, das fertig hergestellte dreidimensionale Werkstück 1 mittels geeigneter höherenergetischer Laserstrahlen einer nochmaligen Nachbearbeitung zu unterziehen, so dass die Oberfläche sofort nach dem eigentlichen Bauprozess endbearbeitet der Vorrichtung entnommen werden und die gewünschte Oberflächengüte ausgebildet werden kann. Es ist auch möglich die Oberflächen von Hohlräumen im Werkstückinneren während des eigentlichen Bauprozesses bereits mit so zu bearbeiten, dass zum Beispiel ein Glätten oder Vergüten erfolgt, wodurch sich nicht nur die Materialeigenschaften sondern auch die Gebrauchseigenschaften eines solcherart dreidimensional hergestellten Werkstückes 1 erhöhen lassen. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass sich die einzelnen im Eingriff befindlichen Teile der Vorrichtung wie Werkstückträger 4, Laserkopf 5 oder Laserköpfe 5 und Druck- und Sprühkopf 7 frei in allen Raumachsen zueinander verstellen und positionieren lassen. Auf Grund dieses universellen Arbeitsverfahrens können wahlweise bei Bedarf auch zusätzliche Bindemittel zur Stabilisierung des Pulverstrahls, welche in der Regel wieder vollständig beim Aufschmelzen verdampfen, problemlos eingebracht werden. Dadurch kann die Bauteildichte weiter an das Maximum bis nahezu 100%-tige Materialdichte erhöht werden. Im Prinzip ist es mit den Arbeitsverfahren aber auch möglich durch ein oder mehrere zusätzliche unterschiedliche Bindemittel die Material- und/oder Bauteileigenschaften des hergestellten dreidimensionalen Werkstücks entsprechend gezielt zu modifizieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 aus pulverförmigen Werkstoffen, Werkstoffgemischen mittels Laserstrahlen aus Laserquellen 6 in einem Arbeitsraum 2 unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum ist so aufgebaut, dass mindestens eine Baufläche 3 auf einem Werkstückträger 4 ausgebildet ist. Der Werkstückträger 4 ist in einem offenen oder gekapselten Arbeitsraum 2 angeordnet und dreidimensional verfahrbar, schwenkbar oder drehbar gelagert und geführt. Die Steuerung und Regelung des Werkstückträgers 4 erfolgt mit spezieller dafür geeigneter Antriebseinrichtungen und Software. Gleichartig ist im oder am Arbeitsraum 2 ein verfahrbarer Laserkopf 5 oder mehrere Laserköpfe 5 mit einem, zwei oder mehreren Laserquellen 6 angeordnet und in allen Raumachsen steuer- und regelbar. Wahlweise können die Laserquellen 6 einzeln getrennt oder untereinander gekoppelt fokussierbar und in ihrer Leistung steuerbar ausgebildet sein. Ebenso ist im oder am Arbeitsraum 2 ein verfahrbarer Druck- oder Sprühkopf 7 mit einer, zwei oder mehreren Pulverquellen 8, Liquidquellen 9 oder Bindemittelquellen 10 mit gesonderter Steuer- und Regelbarkeit angeordnet. Wahlweise können die einzelne bzw. einzelnen Druck- oder Sprühkopfdüsen 11 mit einer, zwei oder mehreren Pulverquellen 8, die Liquiddüsen 12 oder Bindemitteldüsen 13 einzeln getrennt oder untereinander gekoppelt steuerbar oder betätigbar ausgebildet sein. Die einzelnen zugeführten pulverförmigen Werkstoffe, Liquide oder Bindemittel sind entweder in einzelnen Kammern 14 des Druck- oder Sprühkopfes 7 selbst bevorratet oder zwischengespeichert oder diese können auch gesondert über Zuführleitungen 15 aus extern angeordneten Vorratsbehältern 16 zugeführt werden. Diese universelle Vorrichtung ermöglicht eine insgesamt sehr kompakte Bauweise und eröffnet die Chance verschiedene Werkstoffkombinationen in ein und der selben Vorrichtung parallel verarbeiten und kombinieren zu können. Die Materialvorratsbehälter können hier bei dieser Vorrichtung erstmals auch außerhalb der Maschine an einem beliebigen jeweils geeigneten von außen leicht zugänglichen Aufstellungsort angeordnet werden. Deren Auffüllen ist auch während des eigentlichen Bauprozesses problemlos möglich. Diese Bauweise der Vorrichtung führt des weiteren zum Wegfall zusätzlicher Beschichtungsmechanismen, diversen Pulverauffangbehältern und vermeidet jedweden Stillstand wegen notwendigen Pulverwechsels. Dies bedeutet eine wesentliche Verkürzung des dreidimensionalen Bauprozesses und bewirkt einen unterbrechungsfreien, sehr kontinuierlich verlaufenden Bauprozess. Dies eröffnet insgesamt auch die Möglichkeit neuartige bzw. zu bessere Materialeigenschaften zu erzielen und neuartige Werkstücke mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen zu können.
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Die Druck- oder Sprühkopfdüsen 11 im Druck oder Sprühkopf 7 können wahlweise einzeln oder zusammen angesteuert und geschaltet werden. Dadurch wird es erstmals möglich in Echtzeit parallel partiell mehrere unterschiedliche Materialien über den Pulverstrahl bei sofortiger gleichzeitiger Verschmelzung im Arbeitspunkt in einem einzigen Arbeitsschritt aufzubringen und aufzuschmelzen. Voraussetzung ist dabei eine entsprechend auf die Materialmenge und Materialverteilungsfläche des aufgesprühten Pulvermaterials abgestimmte Leistung der Laserstrahlen und deren jeweiliger erforderlicher einstellbarer Brennpunkfläche. Der Laserfokus kann jeweils über die Optik des Laserkopfes 5 und dessen Positionierung genau eingestellt werden. Gleichfalls ist es auch möglich im Druck- oder Sprühkopf 7 bereits vor der Aufbringen des Pulvermaterials mit einer Düse gezielt vorher bereits spezielle Legierungen zu erzeugen und diese in einem einzigen Pulverstrahl mit einem bestimmten Pulverstrahlquerschnitt aufzubringen und aufzuschmelzen. Genauso kann aber auch der Pulvereinsatz in Reinform problemlos mit den Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung erfolgen ohne dass bei diesen Varianten irgendwelche Pulverreste erzeugt werden.
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Durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung und die Arbeitsweise des neuartigen universellen Arbeitsverfahrens kann eine absolute Dichtheit für eingesetzte Schutzgase oder auch die problemlose Materialbereitstellung und Materialzuführung unter strengen Vakuumbedingungen zuverlässig über den gesamten Bauprozess eines dreidimensionalen Werkstücks gewährleistet werden. Gleichfalls ist aber auch möglich unter Normalatmosphäre mit offen Arbeitsraum arbeiten zu können, wenn die eingesetzten Werkstoffe es dies ermöglichen, da keine Art „Abfall“ entstehen kann.
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In einer besonderen Ausbildung der Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 ist der Laserkopf 5 bzw. die Laserköpfe 5 und/oder der Druck- und Sprühkopf 7 einzeln oder gemeinsam verfahrbar, schwenkbar oder drehbar angeordnet und ausgebildet. Der Werkstückträger kann hier wahlweise fest oder nur in einer Achsenrichtung verfahrbar ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 am oder in einem Laserkopf 5 mindestens zwei unterschiedliche Laserquellen 6, zum Beispiel unterschiedlicher Wellenlängen oder unterschiedlicher Leistungen angeordnet sind.
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In einer einfach zu handhabenden und steuerbaren Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 sind am oder im Druck- und Sprühkopf 7 zwei Pulverquellen 8 angeordnet. Für einen Großteil der mit dem Arbeitsverfahren hergestellten Lasersinterwerkstücke ist es ausreichend, wenn zwei Pulverwerkstoffe, wie beispielsweise Edelstahl und Kupfer oder Edelstahl und Titan oder eine Titanlegierung zusammen verarbeitet und zu einem dreidimensionalen Werkstück verschmolzen werden. Bereits damit lassen sich hochfeste Werkstücke aus Legierungswerkstoffen mit einer genau festgelegten Materialzusammensetzung erzeugen. Die Materialzusammensetzung kann sich dabei im Werkstück so ändern, dass zum Beispiel im Inneren des Werkstückes eine bestimmte Zähigkeit gegeben ist, während die Oberfläche sehr hart und spröde ausgebildet ist.
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Im Prinzip ist es auch möglich die Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 so auszubilden, dass am oder im Druck- und Sprühkopf 7 mindestens zwei Liquidquellen 9 angeordnet sind. Das hat den Vorteil, dass sich die Eigenschaften der einzelnen Liquide genau auf die jeweils eingesetzten Pulvermaterialien abstimmen lassen um den Fertigungsprozess zu optimieren.
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Gleichfalls kann es sinnvoll sein in der Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 am oder im Druck- und Sprühkopf 7 mindestens zwei Bindemittelquellen 10 anzuordnen. Auch hier kann eine optimale Abstimmung der jeweils eingesetzten Materialien aufeinander erreicht werden.
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Je nach Anwendungsfall des Verfahrens zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 ist es auch möglich, dass der Arbeitspunk bzw. die Arbeitsfläche des oder der Laserstrahlen mit einem gerichteten Schutzgasstrahl 17 beaufschlagt wird. Damit wird das Pulvermaterial vom Schutzgasstrahl 17 praktisch umhüllt geführt und es kann zudem die Reaktion der Pulverwerkstoffe beim Aushärten beeinflusst werden.
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Zusätzlich kann es vorteilhaft sein beim Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 gegebenenfalls eine zusätzliche Absaugung 18 zuzuschalten um bestimmte Stoffe, wie beispielweise im Verfahrensprozess entstehende Schadstoffe, oder Reststoffe oder andere nicht haftende und damit überschüssige Materialien umgehend wieder aus dem Arbeitsraum 2 abführen oder entfernen zu können. Insbesondere kann dies erforderlich sein, wenn mit zusätzlichen Bindemitteln gearbeitet wird die beim Aufschmelzen verdampfen.
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Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der 1 bis 3 näher erläutert werden.
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1 zeigt eine schematische Anordnung der einzelnen aktiven Einzelteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Inneren des Arbeitsraumes 2
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2 zeigt als Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem gekapselten Arbeitsraum 2
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Werkstück au s unterschiedlichen Materialien
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In 1 ist eine erfindungsgemäße beispielhafte Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke 1 aus pulverförmigen Werkstoffen mittels zweier Laserstrahlen aus zwei Laserquellen 6 in einem Arbeitsraum 2 abgebildet. Dabei werden die beiden Laserstrahlen der Laserquellen 6 in einem verfahrbaren Laserkopf 5 umgelenkt und über integrierte Optiken genau auf die Verschmelzungspunkte fokussiert. Auf einer Baufläche 3 ist ein Werkstückträger 4 in einem gekapselten Arbeitsraum 2 dreidimensional verfahrbar, schwenkbar oder drehbar ausgebildet. Im oder am Arbeitsraum 2 ist ein verfahrbarer Druck- oder Sprühkopf 7 angeordnet. Der verfahrbare Druck- oder Sprühkopf 7 ist mit je einer Sprühkopfdüse 11, welche mit drei Pulverquellen verbunden ist, mit je einer Liquiddüse 11, welche mit einer Liquidquelle 9 verbunden ist und mit je einer Bindemitteldüse 13, welche mit einer Bindemittelquelle 10 verbunden ist, versehen. Dabei sind die Druck- oder Sprühkopfdüse 11, die Liquiddüse 12 und die Bindemitteldüse 13 einzeln getrennt oder untereinander gekoppelt steuerbar oder betätigbar ausgebildet, wobei die einzelnen drei zugeführten pulverförmigen Werkstoffe, das Liquid und das Bindemittel in gesonderten oben zusätzlich aufgesetzten Kammern 14 des Druck- oder Sprühkopfes 7 zusätzlich bevorratet oder zwischengespeichert werden können. Dies hat den Vorteil, dass kurzzeitig mit sehr großen Materialmengen gearbeitet werden kann, ohne die Zuführleitungen 15 entsprechend dimensioniert ausführen zu müssen. Die Zuführleitungen 15 führen die entsprechenden Materialien aus extern angeordneten Vorratsbehältern 16, hier der Einfachheit halber nur ein Vorratsbehälter 16 gezeichnet, zu. D. h den angesteuerten drei Pulverquellen 8, der Liquidquelle 9 und der Bindemittelquelle 10 werden die Materialien einzeln getrennt zugeführt. Im Detail B ist prinzipiell dargestellt, wie im Inneren eines Schutzgasstrahls 17, das aus drei Pulverquellen gemischte aufzubringende Pulvermischmaterial in einem Innenstrahl geführt und dem Aufschmelzpunkt, d. h. dem Arbeitspunkt, wo es durch die beiden Laserstrahlen verschmolzen wird, zugeführt wird. Daneben sind der Liquidstrahl und der Bindemittelstrahl gezeigt (nicht gesondert benummert).
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In Figur zwei ist als Draufsicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem gekapselten Arbeitsraum 2 abgebildet, die die Vielfalt der Möglichkeiten aufzeigt, wie zum Beispiel ein Werkstück aus verschiedensten Materialien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann und welche universellen Materialzusammenstellungen generell ausführbar und möglich sind. Es zeigt einen Werkstückträger 4 auf dem eine Baufläche 3 angeordnet und befestigt ist. Die Baufläche 3 ist dabei in der Regel durch den umgebenden Arbeitsraum 2, der offen, teilweise eingehaust oder voll gekapselt ausgeführt sein kann. Der Arbeitsraum kann wahlweise mit Normalatmosphäre, unter Schutzgasatmosphäre oder auch unter Vakuum arbeiten. Direkt auf der Baufläche 3 ist ein Stützmaterial 26 aufgebracht, auf dem als Grundmaterial des zu fertigenden Werkstückes 1 ein aufgeschmolzenes Pulvermaterial 2–23 angeordnet ist. Seitlich links ist eine räumliche Struktur aus einem aufgeschmolzenen Pulvermaterial 1–21 aufgebaut. Auf das Grundmaterial, dem aufgeschmolzenen Pulvermaterial 23, wurde ein Deckmaterial aus aufgeschmolzenem Pulvermaterial 3–25 aufgebracht. Seitlich rechts wurde eine andere Struktur beispielsweise aus einem aufgeschmolzenen Kompositmaterial 27 aufgeschmolzen. Diese unterschiedlichen Materialien sind zu einem einzigen Werkstück verbunden. Die einzelnen aufschmelzenden Pulvermaterialien 1, 2 und 3 können dabei aus sehr unterschiedlichen Materialien, wie z. B. Kupfer, Silber und Titan, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen und in unterschiedlichen Dichteverhältnissen mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und Materialeigenschaften erzeugt werden. Im Prinzip ist hier auch die Kombination aus metallischen und keramischen Werkstoffen möglich. Das eigentliche Aufschmelzen erfolgt mittels eines Laserstrahles, welcher von der Laserquelle 6 ausgestrahlt wird und über den Laserkopf 5 genau auf den Arbeitspunkt der Baufläche fokussiert und in seiner Intensität gesteuert wird. Im Druck- und Sprühkopf 7 ist eine Druck- oder Sprühkopfdüse 11 eine Pulverquelle 8 und eine Speicherkammer 14 angeordnet. Diese sind untereinander verbunden. Von außen ist des weiteren noch eine Zuführleitung 15 aus einem Vorratsbehälter 16 angeschlossen, mittels der bei Bedarf auch größere Mengen Pulvermaterial aus dem entsprechend groß dimensionierten Vorratsbehälter 16 kontinuierlich zugeführt werden können. Am Druck- oder Sprühkopf 7 ist optional noch ein Absauggerät 18 anordenbar, welches bei Bedarf überschüssiges Pulvermaterial oder das in der Regel beim Aufschmelzen ausgasende Bindemittel abgesaugt werden kann. In der Regel arbeitet allerdings das erfindungsgemäße Verfahren in der Dosierung, beim Materialauftrag und beim Aufschmelzen so genau, dass alle zugeführten und aufgebrachten Pulvermaterialien restlos verbraucht und aufgeschmolzen werden und keinerlei Rückstände übrig bleiben. Daher ist die das Absauggerät 18 meistens nicht im Eingriff.
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3 zeigt als weiteres Detail einen Querschnitt durch einen Teil eines zu fertigenden Werkstückes 1, welches aus Kompositmaterial aufgeschmolzen wurde. Hier wurden unterschiedliche Materialien zusammen in einem Bauprozess zu einem Werkzeugteil kombiniert. In das Basismaterial M1, zum Beispiel ein nichtleitendes Keramikmaterial, wurde ein winkelförmiger Einsatz zur besseren Befestigung des Keramikmaterials an den eigentlichen Grundkörper des Werkstücks 1 aus einem Befestigungsmaterial M3 (metallisches Material) eingearbeitet. Im nichtleitenden Keramikmaterial M1 wurden zwei voneinander unabhängige rechteckförmige Stromschienen aus sehr gut leitfähigen Leitermaterial M2, zum Beispiel aus einer Kupfer-Silber-Legierung angeordnet, die obwohl in einem Bauprozess hergestellt, durch das Keramikmaterial aber voneinander isoliert sind.
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Mit diesem Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals möglich Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien und oder Legierungen in einem Stück herstellen zu können, die bislang aufwändiger aus mehreren voneinander getrennt hergestellten Einzelteilen, welche mit aufwändigen Verbindungstechnologien montiert werden mussten, zu ersetzen.
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Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei der Herstellung von Werkstücken die mittels selektives Lasersintern hergestellt werden sollen und aus unterschiedlichen Legierungen bestehen. Beim Verfahren können unterschiedlichste Pulvermaterialien in einem Arbeitsgang miteinander verbunden werden, so das Werkstücke mit ganz auf die Anwendung zugeschnittenen unterschiedlichen Materialeigenschaften gefertigt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Arbeitsraum
- 3
- Baufläche
- 4
- Werkstückträger
- 5
- Laserkopf
- 6
- Laserquelle
- 7
- Druck- oder Sprühkopf
- 8
- Pulverquelle
- 9
- Liquidquelle
- 10
- Bindemittelquelle
- 11
- Druck- oder Sprühkopfdüse
- 12
- Liquiddüse
- 13
- Bindemitteldüse
- 14
- Speicherkammer
- 15
- Zuführleitungen
- 16
- Vorratsbehälter
- 17
- Schutzgasstrahl
- 18
- Absauggerät
- 19
- Werkstückhalterung und Werkstückführung
- 20
- Pulver 1
- 21
- aufgeschmolzenes Pulvermaterial 1
- 22
- Pulver 2
- 23
- aufgeschmolzenes Pulvermaterial 2
- 24
- Pulver 3
- 25
- aufgeschmolzenes Pulvermaterial 3
- 26
- Stützmaterial
- 27
- aufgeschmolzenes Kompositmaterial
- M1
- Basismaterial 1
- M2
- Legierungsmaterial 2
- M3
- Befestigungsmaterial 3
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10239369 [0003]
- DE 102007040755 A1 [0003]
- DE 102007033715 A1 [0004]
- DE 102009038241 A1 [0005]
- DE 102006053121 B3 [0006]
