DE102013214485A1 - Laser application device with reusable support structure - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserauftragsvorrichtung mit einem Maschinenbett 1, auf dessen Oberfläche ein Pulvermaterial 5 auftragbar ist, sowie mit zumindest einem Laser 2 zum schichtweisen Aufschmelzen des Pulvermaterials 5 zur Erzeugung eines Bauteils 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenbett 1 zumindest eine Ausnehmung 8 aufweist, in welcher eine verschiebbar angeordnete Stützstruktur 6 gelagert ist.The invention relates to a laser application device with a machine bed 1, on the surface of which a powder material 5 can be applied, and with at least one laser 2 for layer-by-layer melting of the powder material 5 to produce a component 3, characterized in that the machine bed 1 has at least one recess 8 in which a displaceably arranged support structure 6 is mounted.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserauftragsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a laser application device according to the preamble of claim 1.

Im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Laserauftragsvorrichtung mit einem Maschinenbett, auf dessen Oberfläche ein Pulvermaterial auftragbar ist, welches mittels eines Lasers schichtweise aufschmelzbar ist, um ein Bauteil zu erzeugen.In detail, the invention relates to a laser application device with a machine bed, on the surface of which a powder material can be applied, which can be melted in layers by means of a laser in order to produce a component.

Die Erfindung betrifft somit eine DLD (Direct Laser Depositioning)-Vorrichtung für die Herstellung von Bauteilen mithilfe eines schichtweisen Laserschmelzverfahrens, bei dem mittels Laser ein metallisches, keramisches oder nicht-metallisches Pulver schichtweise geschmolzen wird, um so ein Bauteil in Schichten aufzubauen.The invention thus relates to a DLD (Direct Laser Depositioning) device for the manufacture of components by means of a layered laser melting process, in which a metallic, ceramic or non-metallic powder is melted by layers in order to build up a component in layers.

Diese Art von Vorrichtungen bestehen neben einer Hülle, einer Steuerung, einem Materialvorrat und einer Materialbereitstellungsvorrichtung aus einem sogenannten Maschinenbett 1, auf dem das Pulvermaterial schichtweise platziert und schichtweise bearbeitet wird und einem oder mehreren Lasern 2, die das Material schichtweise schmelzen und so das Bauteil aufbauen. Die 1 zeigt die Anordnung von Maschinenbett 1 und Lasern 2 mit einem Bauteil 3 gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist zu beachten, dass das Maschinenbett 1 am Ende der Fertigung vollständig mit Pulvermaterial 5 gefüllt ist und in ihm das Bauteil 3 eingebettet ist.This type of device consists of a so-called machine bed, in addition to a casing, a controller, a supply of material and a material supply device 1 on which the powder material is layered and processed in layers and one or more lasers 2 , which melt the material in layers and thus build the component. The 1 shows the arrangement of machine bed 1 and lasers 2 with a component 3 according to the prior art. It should be noted that the machine bed 1 completely finished with powder material at the end of production 5 is filled and in it the component 3 is embedded.

Beim Stand der Technik werden ein oder mehrere Laser 2 verwendet, um ein oder mehrere Bauteile parallel herzustellen. Dabei schmilzt der Laser 2 schichtweise das Pulvermaterial 5 für das Bauteil 3 und die Stützstruktur 4, die gebraucht wird, um Überhänge des Bauteils 3 abzustützen, um Verformungen bzw. den Zerfall im Pulver mit gleicher Geschwindigkeit zu verhindern. Die Stützstruktur 4 wird nach Fertigstellung des Bauteils 3 abgetrennt und verschrottet oder recycled.In the prior art, one or more lasers are used 2 used to make one or more components in parallel. It melts the laser 2 layer by layer the powder material 5 for the component 3 and the support structure 4 that is needed to overhang the component 3 support in order to prevent deformation or disintegration in the powder at the same speed. The support structure 4 will be after completion of the component 3 separated and scrapped or recycled.

Die Herstellung des Bauteils 3 ist abhängig von der Menge an Pulvermaterial 5, das pro Zeiteinheit verarbeitet (geschmolzen) wird. Je mehr Material zu verarbeiten ist, desto länger und teurer ist der Prozess.The production of the component 3 depends on the amount of powder material 5 which is processed (melted) per unit of time. The more material to process, the longer and more expensive the process.

Daher hängt die Qualität des Bauteils (Oberflächengüte, Porosität, Materialeigenschaften) stark von der Schmelzgeschwindigkeit ab, d.h., eine hohe Geschwindigkeit bedingt geringere Qualität. Daher ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit stark limitiert.Therefore, the quality of the component (surface quality, porosity, material properties) depends strongly on the melting rate, i.e., a high speed results in lower quality. Therefore, the processing speed is severely limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserauftragsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit einen hohen Wirkungsgrad aufweist und mittels derer die Herstellungszeit von Bauteilen reduziert werden kann.The invention has for its object to provide a laser applicator device of the type mentioned, which has a high efficiency with a simple structure and simple, cost manufacturability and by means of which the production time of components can be reduced.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das Maschinenbett zumindest eine Ausnehmung aufweist, in welcher eine verschiebbar angeordnete Stützstruktur gelagert ist. According to the invention it is thus provided that the machine bed has at least one recess in which a displaceably arranged support structure is mounted.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt somit der Gedanke zugrunde, eine wiederverwendbare Stützstruktur vorzusehen. Diese ist in dem Maschinenbett angeordnet und kann dann zur Anwendung kommen, wenn sie zur Abstützung von Bereichen des zu erzeugenden Bauteils benötigt wird. Es ist somit nicht erforderlich, die Stützstruktur selbst aus dem Pulvermaterial zu erzeugen, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Vielmehr ist bereits eine geeignete Stützstruktur vorhanden, die in einfacher Weise zur Anwendung gelangen kann. Hierdurch verkürzt sich der Zeitraum für die Herstellung des Bauteils ganz erheblich, da lediglich das Bauteil selbst aus dem Pulvermaterial schichtweise aufgeschmolzen werden muss, nicht jedoch die Stützstruktur.The solution according to the invention is therefore based on the idea of providing a reusable support structure. This is arranged in the machine bed and can then be used when it is needed to support areas of the component to be produced. It is thus not necessary to produce the support structure itself from the powder material, as known from the prior art. Rather, a suitable support structure is already present, which can be used in a simple manner. As a result, the period for the production of the component is shortened considerably, since only the component itself from the powder material must be melted in layers, but not the support structure.

Bevorzugterweise ist die Stützstruktur mittels einer Betätigungsvorrichtung in der Ausnehmung verschiebbar. Die Betätigungsvorrichtung ist bevorzugterweise unterhalb des Maschinenbetts angeordnet und kann beispielsweise einen Elektroantrieb umfassen. Hierbei ist es möglich, die Bewegung der Stützstruktur präzise zu steuern und zu überwachen. Preferably, the support structure is displaceable by means of an actuating device in the recess. The actuating device is preferably arranged below the machine bed and may for example comprise an electric drive. In this case, it is possible to precisely control and monitor the movement of the support structure.

Die Stützstruktur wird nun während des Bearbeitungsvorganges schrittweise mit Fortschritt des Pulverauftrages gemäß der Pulverauftragsdicke verfahren, wobei zu gewährleisten ist, dass während des Bearbeitungsvorganges die Stützstruktur bevorzugterweise nicht über die Oberfläche des Maschinenbetts vorsteht, um den Pulverauftrag und den schichtweisen Aufbau des Werkstücks nicht zu behindern. Sobald die verfahrbare Stützstruktur die vorgesehene Position im Pulverbett für die Herstellung des abzustützenden Bauteiles erreicht hat, wird der Verfahrvorgang gestoppt.The support structure is now moved during the processing step by step with progress of the powder application according to the powder application thickness, it being ensured that during the machining process, the support structure preferably does not project beyond the surface of the machine bed, so as not to hinder the powder application and the layered structure of the workpiece. Once the movable support structure has reached the intended position in the powder bed for the production of the component to be supported, the movement process is stopped.

Auf der Stützstruktur wird dann der abzustützende Bereich des Bauteils, beispielsweise ein auskragender Bereich, ausgebildet. Dabei wird die Stützstruktur üblicherweise mit diesem Bereich des Bauteils verbunden. Nach Fertigstellung des Bauteils wird die Stützstruktur zusammen mit dem Bauteil entnommen und nachfolgend von diesem getrennt. Das Trennen kann beispielsweise mittels eines Funkenerosionsdrahtes erfolgen. Hierbei wird nur sehr wenig Material von der Oberfläche der Stützstruktur entfernt, so dass diese wiederverwendbar ist.The region of the component to be supported, for example a projecting region, is then formed on the support structure. In this case, the support structure is usually connected to this region of the component. After completion of the component, the support structure is removed together with the component and subsequently separated from it. The separation can for example by means of a Spark erosion wire done. In this case, only very little material is removed from the surface of the support structure, so that it is reusable.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eignet sich insbesondere für die Serienproduktion von Bauteilen, bei welchen stets die gleichen Stützstrukturen Verwendung finden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, in dem Maschinenbett mehrere Ausnehmungen vorzusehen und die nicht benötigten Ausnehmungen zu verschließen, beispielsweise mit einem Blindteil.The embodiment of the invention is particularly suitable for the mass production of components in which always find the same support structures use. According to the invention, it is also possible to provide a plurality of recesses in the machine bed and to close the unused recesses, for example with a blind part.

Da häufig das Volumen der Stützstruktur und die des Bauteils sehr ähnlich sind, kann eine Zeitersparnis von ca. 50% und eine ebenso hohe Kostenersparnis pro Bauteil erreicht werden. Es werden außerdem die Kosten für das Pulver für die Stützstruktur eingespart, d.h. die Materialkosten pro Bauteil können ebenfalls halbiert werden.Since often the volume of the support structure and the component are very similar, a time savings of about 50% and an equally high cost savings per component can be achieved. It also saves the cost of the powder for the support structure, i. The material costs per component can also be halved.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of embodiments in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine Laserauftragsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, 1 a laser deposition apparatus according to the prior art,

2 eine Seiten-Schnittansicht in schematischer Darstellung, analog 1 eines ersten Ausführungsbeispiels in nicht-betätigter Position der Stützstruktur, 2 a side sectional view in a schematic representation, analog 1 a first embodiment in non-actuated position of the support structure,

3 eine Ansicht analog 2 in betätigter Position der Stützstruktur, und 3 a view analog 2 in the actuated position of the support structure, and

4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiels eines Maschinenbetts mit unterschiedlichen Stützstrukturen. 4 a plan view of an embodiment of a machine bed with different support structures.

Die 2 und 3 zeigen jeweils in analoger Darstellung zu 1 ein Maschinenbett 1, auf welches Pulvermaterial (nicht dargestellt) aufgebracht wird, welches schichtweise mittels eines Lasers 2 aufgeschmolzen wird, um ein Bauteil 3 zu erzeugen.The 2 and 3 each show in an analogous representation 1 a machine bed 1 on which powder material (not shown) is applied, which is layered by means of a laser 2 is melted to a component 3 to create.

Die 2 zeigt einen Betriebszustand, bei welchem in Ausnehmungen 8 benachbart zu einem vertikalen Bereich des Bauteils 3 Stützstrukturen 6 gelagert sind. Diese schließen im Wesentlichen bündig mit der Oberfläche des Maschinenbetts 1 ab. Unterhalb der Stützstrukturen 6 ist schematisch eine Betätigungsvorrichtung dargestellt, mit Hilfe derer die Stützstrukturen 6 in vertikaler Richtung verfahrbar sind, so wie dies nachfolgend in Verbindung mit 3 beschrieben werden wird. The 2 shows an operating state in which in recesses 8th adjacent to a vertical area of the component 3 support structures 6 are stored. These close substantially flush with the surface of the machine bed 1 from. Below the support structures 6 schematically an actuator is shown, by means of which the support structures 6 be moved in the vertical direction, as in the following in connection with 3 will be described.

In der linken Hälfte des Maschinenbetts 1 gemäß 2 ist eine weitere Ausnehmung 8 dargestellt, in welcher sich ein Blindteil 9 befindet, welches für den Herstellungsvorgang des Bauteils 3 nicht benötigt wird. In the left half of the machine bed 1 according to 2 is another recess 8th represented, in which a blind part 9 which is responsible for the manufacturing process of the component 3 is not needed.

Die 3 zeigt einen Betriebszustand, bei welchem der vertikale Bereich des Bauteils 3 bereits fertiggestellt wurde. Nachfolgend wurde begonnen, die auskragenden seitlichen Bereiche des Bauteils 3 aus dem Pulvermaterial zu erschmelzen. Um diese auskragenden Teile während ihrer Herstellung abzustützen, sind die Stützstrukturen 6 mittels der Betätigungsvorrichtung 7 vertikal in die geeignete Position verschoben worden. Nachfolgend war es möglich, das Bauteil 3 restlich fertigzustellen. Bei einer Entnahme des Bauteils 3 von dem Maschinenbett 1 haften die Stützstrukturen 6 an der Unterseite der auskragenden Bereiche des Bauteils 3 und werden zusammen mit dem Bauteil 3 entnommen. Nachfolgend erfolgt ein Abtrennen der auskragenden Bereiche des Bauteils 3 von den Stützstrukturen 6. Die Stützstrukturen 6 können dann wiederverwendet werden, indem sie in die Ausnehmungen 8 des Maschinenbetts 1 eingesetzt werden, nachdem die Betätigungsvorrichtung 7 abgesenkt wurde.The 3 shows an operating state in which the vertical area of the component 3 already finished. Subsequently, the cantilevered lateral areas of the component were started 3 to melt from the powder material. To support these cantilevered parts during their manufacture, the support structures are 6 by means of the actuator 7 moved vertically to the appropriate position. Subsequently, it was possible the component 3 to finish. At a removal of the component 3 from the machine bed 1 adhere to the support structures 6 at the bottom of the cantilevered areas of the component 3 and become together with the component 3 taken. Subsequently, a separation of the projecting portions of the component takes place 3 from the support structures 6 , The support structures 6 can then be reused by putting them in the recesses 8th of the machine bed 1 be used after the actuator 7 was lowered.

Die 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Maschinenbett 1. Daraus ergibt sich, dass die einzelnen Ausnehmungen 8 (und damit auch die in diese passgenau einsetzbaren Stützstrukturen 6) beliebig dimensioniert und angeordnet werden können. Somit ist es möglich, eine gezielte Abstützung von Bereichen eines herzustellenden Bauteils 3 zu realisieren. Im nicht-benötigten Zustand können die Ausnehmungen 8 mittels des in den 2 und 3 gezeigten Blindteils 9 abgedeckt werden. Das Bezugszeichen 10 zeigt einen Einsatz, welcher verwendet werden kann, um die Form der Ausnehmung 8 an die Form der zu verwendenden Stützstruktur 6 anzupassen. Es versteht sich, dass die Stützstrukturen 6 jeweils einen passgenauen Querschnitt zu den Ausnehmungen 8 aufweisen, um ein Eindringen des Pulvermaterials zu verhindern. The 4 shows a plan view of a machine bed 1 , It follows that the individual recesses 8th (and with it the support structures that can be used in a perfect fit 6 ) can be arbitrarily dimensioned and arranged. Thus, it is possible, a targeted support of areas of a manufactured component 3 to realize. In the non-required state, the recesses 8th by means of in the 2 and 3 shown blind part 9 be covered. The reference number 10 shows an insert, which can be used to the shape of the recess 8th to the shape of the support structure to be used 6 adapt. It is understood that the support structures 6 each a tailor-made cross-section of the recesses 8th to prevent penetration of the powder material.

Zusammenfassend ergibt sich somit die nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Lösung:
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung geschaffen, die ein modifiziertes Maschinenbett 1 hat, in dem eine wiederverwendbare Stützstruktur 6 von unten über eine geeignete Vorrichtung 7 eingeschoben wird und so das Bauteil abstützt (2). Dadurch entfällt die zeitaufwändige Fertigung der Stützstruktur 6. Die eingeschobene Stützstruktur 6 kann außerdem nach dem Abtrennen des Bauteils wiederverwendet werden.In summary, this results in the solution according to the invention described below:
According to the invention, a device is provided, which is a modified machine bed 1 has, in which a reusable support structure 6 from below via a suitable device 7 is inserted and so the component is supported ( 2 ). This eliminates the time-consuming production of the support structure 6 , The inserted support structure 6 can also be reused after disconnecting the component.

Die verfahrbare Stützstruktur 6 kann aus dem gleichen Material wie das Maschinenbett 1 bestehen. Ihre Form kann generell beliebig sein. Die entsprechenden Aussparungen im Maschinenbett 1 und die Stützstruktur 6 selbst sind aber so zu formen, dass die Stützstruktur 6 in Ruhelage und während des Verfahrens seitlich bündig mit dem Maschinenbett 1 abschließt, um Leckage des Pulvermaterials zu vermeiden. In Ruhelage sollte die Stützstruktur 6 horizontal bündig mit der Oberkante abschließen. The movable support structure 6 Can be made of the same material as the machine bed 1 consist. Their form can generally be arbitrary. The corresponding recesses in the machine bed 1 and the support structure 6 but themselves are shaped so that the support structure 6 in rest position and laterally flush with the machine bed during the process 1 closes to prevent leakage of the powder material. At rest, the support structure should be 6 flush horizontally with the top edge.

Das vertikale Verfahren wird automatisiert mit dem Schmelzfortschritt durchgeführt, so dass die Oberkante der Stützstruktur 6 stets mit der Oberkante des Pulverfüllstandes übereinstimmt. Die Automatisierung erfolgt mit Hilfe der Maschinensteuerung, die auch den Laser 2 sowie die Pulverbereitstellung steuert. Das Verfahren selber wird über einen geeigneten Vortrieb (z.B. Elektromotor) gewährleistet.The vertical process is carried out automatically with the melting progress, so that the top edge of the support structure 6 always coincides with the upper edge of the powder level. The automation is done with the help of the machine control, which also includes the laser 2 as well as the powder delivery controls. The process itself is ensured by a suitable propulsion (eg electric motor).

Nach der Fertigstellung des Bauteils 3 wird das Bauteil 3 von der Stützstruktur 6 abgetrennt. Dazu ist die Stützstruktur 6 von der Betätigungsvorrichtung 7 abnehmbar (z.B. Steckmechanismus, Verschraubung).After the completion of the component 3 becomes the component 3 from the support structure 6 separated. This is the support structure 6 from the actuator 7 removable (eg plug-in mechanism, screw connection).

Um eine häufige Wiederverwendbarkeit der Stützstruktur 6 zu erreichen ist, sollte diese so gestaltet sein, dass sie vertikal so lang ist, dass auch nach mehrmaligem Abtrennen des Bauteils 3 die Stützstruktur 6 auf ihrem gesamten Verfahrweg bündig mit dem Maschinenbett 1 seitlich abschließt, um Pulverleckage zu vermeiden.To a frequent reusability of the support structure 6 is reached, this should be designed so that it is vertically so long that even after repeated separation of the component 3 the support structure 6 flush with the machine bed along its entire travel path 1 closes laterally to avoid powder leakage.

Die Ruhelage der Betätigungsvorrichtung 7 der Stützstruktur 6 ist ebenfalls vertikal fein justierbar und ist bevorzugt so ausgelegt, dass unterschiedliche Stützstrukturen 6 verwendet werden können.The rest position of the actuator 7 the support structure 6 is also vertically finely adjustable and is preferably designed so that different support structures 6 can be used.

Das Maschinenbett 1 ist bevorzugt so gestaltet, dass in einem Maschinenbett mehrere Stützstrukturen 6 eingebaut werden können, z.B. durch Verschließen nicht genutzter Löcher 8 für die verfahrbare Stützstruktur 6 durch Blindteile 9 oder durch variable Nutzung einer Ausnehmung 8 mit verschiedenen Stützstrukturen 6 durch geeignete Einsätze 10, die z.B. mit dem Maschinenbett 1 von unten verschraubt sein können.The machine bed 1 is preferably designed so that in a machine bed several support structures 6 can be installed, for example by closing unused holes 8th for the movable support structure 6 through blind parts 9 or by variable use of a recess 8th with different support structures 6 through suitable inserts 10 , for example, with the machine bed 1 can be bolted from below.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Maschinenbett machine bed
22
Laser laser
33
Bauteil component
44
Stützstruktur  support structure
55
Pulvermaterial powder material
66
verfahrbare Stützstruktur movable support structure
77
Betätigungsvorrichtung für die verfahrbare Stützstruktur Actuating device for the movable support structure
88th
Ausnehmung für Stützstruktur im Maschinenbett Recess for support structure in the machine bed
99
Blindteil blind part
1010
Einsatz commitment

Claims (6)

Laserauftragsvorrichtung mit einem Maschinenbett (1), auf dessen Oberfläche ein Pulvermaterial (5) auftragbar ist, sowie mit zumindest einem Laser (2) zum schichtweisen Aufschmelzen des Pulvermaterials (5) zur Erzeugung eines Bauteils (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenbett (1) zumindest eine Ausnehmung (8) aufweist, in welcher eine verschiebbar angeordnete Stützstruktur (6) gelagert ist. Laser application device with a machine bed ( 1 ), on the surface of which a powder material ( 5 ) is applicable, as well as with at least one laser ( 2 ) for layer-by-layer melting of the powder material ( 5 ) for producing a component ( 3 ), characterized in that the machine bed ( 1 ) at least one recess ( 8th ), in which a displaceably arranged support structure ( 6 ) is stored. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (6) mittels einer Betätigungsvorrichtung (7) in der Ausnehmung (8) verschiebbar ist.Device according to claim 1, characterized in that the supporting structure ( 6 ) by means of an actuating device ( 7 ) in the recess ( 8th ) is displaceable. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (6) lösbar an der Betätigungsvorrichtung (7) gelagert ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the support structure ( 6 ) detachable on the actuator ( 7 ) is stored. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (8) des Maschinenbetts (1) mittels eines Blindteils (9) verschließbar ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recess ( 8th ) of the machine bed ( 1 ) by means of a blank ( 9 ) is closable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (7) mit einem Antrieb gekoppelt ist.Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the actuating device ( 7 ) is coupled to a drive. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (6) aus der Ausnehmung (8) entnehmbar ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the support structure ( 6 ) from the recess ( 8th ) is removable.
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