DE102013215053A1

DE102013215053A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbrett auf einer Pulverplattform

Info

Publication number: DE102013215053A1
Application number: DE102013215053.9A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Meixlsperger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Auftragen einer Pulverschicht (10) auf eine Pulverplattform (2) beziehungsweise auf ein Pulverbett (11) auf einer Pulverplattform (2), aufweisend eine höhenverstellbare Pulverplattform (2), einen Pulvervorratsbehälter (3), ein Schiebeelement (4) zum Aufstreichen der Pulverschicht (10) auf die Pulverplattform (2) beziehungsweise auf das Pulverbett (11), wobei die Vorrichtung (1) zusätzlich eine drehbar gelagerte Walze (5) zur Glättung der durch das Schiebeelement (4) aufgestrichenen Pulverschicht (10) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht (10) auf eine Pulverplattform (2) beziehungsweise auf ein Pulverbett (11) auf einer Pulverplattform (2) mittels einer derartigen Vorrichtung (1).

Description

Die vorwiegende Erfindung eine Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform, aufweisend eine höhenverstellbare Pulverplattform, einen Pulvervorratsbehälter, ein Schiebeelement zum Aufstreichen der Pulverschicht auf die Pulverplattform beziehungsweise auf das Pulverbett. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform.
Seit mehr als 20 Jahren haben sich schichtweise arbeitende Fertigungsverfahren, so genannte generative Verfahren, im Markt etabliert, mit denen auf der Basis von 3D-CAD-Daten schnell körperliche Modelle aufgebaut werden können. Im Gegensatz zu abtragenden Verfahren, wie beispielsweise Bohren, Fräsen, Drehen, bei denen die Formgebung durch Materialabtrag stattfindet, entsteht bei generativen Verfahren das Bauteil durch Aneinanderfügen von Volumenelementen.
Unter Verwendung von verfahrens- und maschinenspezifischen Informationen werden virtuellen Schichten entsprechende Materialschichten nacheinander im realen Bauraum bzw. der Bauplattform aufgetragen und verfestigt. Dabei einerseits der innerhalb einer Schicht liegende Werkstoff verbunden, andererseits werden die Schichten zusammengefügt. Dadurch entsteht nach und nach ein körperliches Bauteil.
In der generativen Fertigung werden zur Beschichtung der jeweils nächsten Schicht beispielsweise Pulvermaterialien mit einem Schiebemechanismus, auch als Abstreifer bezeichnet, über die Pulverplattform beziehungsweise das bereits vorhandene Pulverbett gestrichen. In 1 ist eine bekannte Vorrichtung 1 zum Auftragen einer Pulverschicht 10 auf eine Pulverplattform 2 beziehungsweise auf ein Pulverbett 11 auf einer Pulverplattform 2 dargestellt. Das Pulvermaterial 20 wird mittels eines Schiebeelementes 4 möglichst zu einer homogenen planparallelen Pulverschicht 10 geformt. Die neue Pulverschicht 10 wird dann selektiv verschmolzen, bevor die darunterliegende Pulverplattform 2 abgesenkt wird und neues Pulver aufgetragen wird.
Nachteilig dabei ist, dass der Schiebemechanismus 4 beziehungsweise der Abstreifer nur mit einer begrenzten Geschwindigkeit über das Pulverbett geführt werden kann, da es sonst zu einer Wellenbildung im neu aufgetragenen Pulver beziehungsweise in der neu aufgetragenen Pulverschicht 10 kommt. Bei heutigen Anlagen ist der Beschichtungsvorgang Teil der Maschinenhauptzeit, weswegen die Beschichtung möglichst schnell erfolgen sollte. Die Beschichtung ist somit ein limitierender Faktor der Erhöhung der Produktivität.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Vorrichtung beziehungsweise einem Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise ein schnelles Auftragen einer glatten Pulverschicht ermöglichen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform, aufweisend eine höhenverstellbare Pulverplattform, einen Pulvervorratsbehälter und ein Schiebeelement zum Aufstreichen der Pulverschicht auf die Pulverplattform beziehungsweise auf das Pulverbett, gelöst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich eine drehbar gelagerte Walze zur Glättung der durch das Schiebeelement aufgestrichenen Pulverschicht aufweist.
Mit dem vorgelagerten Schiebeelement, welches beispielsweise eine Klinge oder eine Beschichterlippe sein kann, wird das Pulvermaterial grob, minimal über der eigentlichen Zielebene aufgetragen. Darauf folgt die Walze, die das Pulver, welches leichte Wellenformen aufweisen kann, glatt streicht. Das heißt, die drehbar gelagerte Walze und das Schiebeelement sind derartig in der Vorrichtung angeordnet, dass das aus dem Pulvervorratsbehälter bereitgestellte Pulver, zunächst von dem Schiebeelement glattgestrichen und anschließend von der Walze geglättet werden kann. Dabei werden das Schiebeelement und die Walze nacheinander über die gesamte Pulverplattform beziehungsweise das bereits auf der Pulverplattform vorhandene Pulverbett geführt.
Durch eine derartig ausgebildete Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform, wie sie bei regenerativen Fertigungsverfahren verwendet werden, können die Beschichtungsgeschwindigkeit beschleunigt und damit die Maschinenhauptzeit verkürzt werden. Ferner nimmt durch die Glättung der Pulverschicht mittels der Walze die Güte der Beschichtung zu. Hierdurch wird der Prozess zur Erzeugung eines Bauteils stabilisiert und die Dichte des erzeugten Bauteils kann erhöht werden.
Die Walze kann drehbar auf einer Achse gelagert sein. Bei einer Bewegung der Walze über das Pulverbett wird die Walze durch Kontaktierung der aufgestrichenen Pulverschicht automatisch mitgedreht. Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Walze durch einen Antriebsmechanismus drehbar ist. Durch den Antrieb der Walze mittels eines Antriebsmechanismus ist sichergestellt, dass die Walze gleichmäßig, d. h. mit einer definierten Drehung über die aufgetragene Pulverschicht geführt wird. Hierdurch ist gewährleistet, dass es nicht zu einem Stoppen der Drehbewegung der Walze kommt und Pulver durch eine stockende Walze über das Pulverbett geschoben wird. Der Antriebsmechanismus kann einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, und eine Energieversorgung aufweisen. Die Laufrichtung und Drehgeschwindigkeit der Walze kann auf das verwendete Pulvermaterial abgestimmt werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Walze zur Komprimierung der aufgestrichenen Pulverschicht näher an der Pulverplattform angeordnet ist als das Schiebeelement. Das heißt, die Walze ist derart relativ zu dem Schiebeelement und der durch das Schiebeelement aufgetragenen Pulverschicht angeordnet, dass die Walze eine Komprimierung der durch das Schiebeelement aufgestrichenen Pulverschicht durchführt. Hierdurch wird die Dichte der geglätteten Pulverschicht erhöht, was zu einer besseren Güte der Beschichtung und einer Prozessstabilisierung führt.
Ferner kann bei einer Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Oberfläche der Walze sehr glatt ausgebildet ist, insbesondere dass die Oberfläche der Walze einem Mittenrauhwert von kleiner 0,1 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 μm und 0,005 μm, aufweist. Hierdurch ist gewährleistet, dass einerseits eine sehr glatte Pulverschichtoberseite erzeugt werden kann. Ferner bleiben keine Pulverreste an der Walze hängen. An der Walze kann zusätzlich ein Abstreifer für mitgenommenes Pulver angeordnet sein. Dieser Abstreifer ist so an der Walze angeordnet, dass abgestreiftes Pulver vor der Walze zurück auf die Pulverschicht fällt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ferner eine Strahlenquelle, insbesondere eine Laserquelle, zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls, wie eines Laserstrahls, aufweist, um zumindest auf Bereiche der geglätteten Pulverschicht Energie, insbesondere Laserenergie, aufzubringen. Durch die Strahlenquelle kann Energie auf die geglättete und ggf. komprimierte Pulverschicht aufgebracht werden, so dass die Energie von dem Pulver absorbiert wird und es lokal zu einem Sintern oder Verschmelzen von Pulverpartikeln kommt. Hierdurch kann nach und nach das zu erzeugende Bauteil verfestigt und damit hergestellt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform mittels einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gelöst. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
Zunächst wird Pulver aus dem Pulvervorratsbehälter auf die Pulverplattform oder auf das Pulverbett aufgebracht. Das aufgebrachte Pulver wird durch das Schiebeelement auf die Pulverplattform oder auf das Pulverbett zur Ausbildung einer Pulverschicht aufgestrichen und anschließend wird die Pulverschicht durch die Walze geglättet.
Durch ein derartiges Verfahren, insbesondere die zusätzliche Glättung der durch das Schiebeelement aufgestrichenen Pulverschicht, kann eine besonders glatte Pulverschicht beziehungsweise Oberfläche der Pulverschicht erzeugt werden, was zu einer hohen Beschichtungsgüte führt. Durch die zusätzliche Glättung der aufgestrichenen Pulverschicht kann die Beschichtungsgeschwindigkeit, mit der die Pulverschicht auf die Pulverplattform oder das bereits vorhandene Pulverbett aufgetragen wird, deutlich erhöht werden, im Vergleich zum Auftragen der Pulverschicht nur mittels eines Schiebeelementes.
Besonders bevorzugt kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass durch die Walze die durch das Schiebeelement, welches beispielsweise eine Beschichterlippe sein kann, aufgestrichene Pulverschicht komprimiert wird. Das bedeutet, die Walze ermöglicht neben der Glättung der Pulverschicht auch eine Komprimierung derselben. Die Beschichtungsgüte einer Pulverschicht kann dadurch erhöht werden, ebenso wie die Güte des anschließend durch Bestrahlung verfestigten Bauteils.
Bevorzugt wird die Walze durch einen Antriebsmechanismus gedreht. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Walze gleichmäßig, mit einer definierten Drehbewegung über die aufgetragene Pulverschicht geführt wird. Hierdurch wird verhindert, dass Pulver zusammengeschoben wird. Die Qualität der Komprimierung kann durch das Drehen der Walze erhöht werden. Die Laufrichtung und Drehgeschwindigkeit der Walze kann über den Antriebsmechanismus kontrolliert werden.
Ferner ist ein Verfahren vorteilhaft, bei dem durch die Strahlenquelle zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls zumindest auf Bereiche der geglätteten, ggf. komprimierte, Pulverschicht Energie aufgebracht wird, so dass die Energie von dem Pulver absorbiert wird und es lokal zu einem Sintern oder Verschmelzen von Pulverpartikeln kommt. Vorzugsweise wird Laserenergie durch eine Laserquelle auf die Pulverschicht aufgebracht. Die Strahlenquelle sorgt in Zusammenspiel mit der geglätteten und ggf. komprimierten Pulverschicht für eine sehr hohe Güte der verfestigten Beschichtung und damit des erzeugten Bauteils.
Bei dem beschriebenen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, wie sie bereits ausführlich zu einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform gemäß dem Stand der Technik und
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht auf eine Pulverplattform beziehungsweise auf ein Pulverbett auf einer Pulverplattform.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Auftragen einer Pulverschicht 10 auf eine Pulverplattform 2 beziehungsweise auf ein Pulverbett 11 auf einer Pulverplattform 2 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. In der Beschreibungseinleitung sind Nachteile einer derartigen Vorrichtung 1 aufgeführt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Auftragen einer Pulverschicht 10 auf eine Pulverplattform 2 beziehungsweise auf ein Pulverbett 11 auf einer Pulverplattform 2. Die Vorrichtung 1 weist eine höhenverstellbare Pulverplattform 2, einen Pulvervorratsbehälter 3 und ein Schiebeelement 4 zum Aufstreichen der Pulverschicht 10 auf die Pulverplattform 2 beziehungsweise auf das Pulverbett 11 auf. Neben dem bekannten Schiebeelement 4 weist die Vorrichtung 1 zusätzlich eine drehbar gelagerte Walze 5 zur Glättung der durch das Schiebeelement 4 aufgestrichenen Pulverschicht 10 auf.
Die Vorrichtung 1 zum Auftragen einer Pulverschicht 10 auf eine Pulverplattform 2 beziehungsweise auf ein Pulverbett 11 auf einer Pulverplattform 2, wie sie bei regenerativen Fertigungsverfahren verwendet werden kann, kann die Beschichtungsgeschwindigkeit beschleunigen und damit die Maschinenhauptzeit einer Vorrichtung zum regenerativen Erzeugen eines Bauteils verkürzen. Durch die Glättung der Pulverschicht 10 mittels der Walze 5 kann die Güte der Beschichtung erhöht werden. Insbesondere können dadurch der Prozess zur Erzeugung eines Bauteils stabilisiert und die Dichte des erzeugten Bauteils erhöht werden.
Aus dem Pulvervorratsbehälter 3 kann Pulver 20 auf die Pulverplattform 2 oder das bereits vorhandene Pulverbett 11 aufgetragen werden. Die erfolgt über das Schiebeelement 4, welches das Pulver 20 aufstreicht. Das Schiebeelement 4 kann relativ schnell zum Aufstreichen des Pulvers 20 bewegt werden, da es ausreichend ist, dass das Pulver 20 grob und leicht uneben aufgebracht wird durch das Schiebeelement 4. Die nachgeführte Walze 5 sorgt für eine Glättung und ggf. eine Komprimierung der Pulverschicht 10. Die Walze 5 kann synchron zu dem Schiebeelement 4 geführt werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Bewegung der Walze 5 unabhängig zu dem Schiebeelement 4 erfolgt. Das Schiebeelement 4 kann eine Klinge oder eine Beschichterlippe sein. Die Walze 5 weist vorzugsweise einen nicht dargestellten Antriebsmechanismus auf.
Die drehbar gelagerte Walze 5 und das Schiebeelement 4 sind derartig in der Vorrichtung 1 angeordnet, dass das aus dem Pulvervorratsbehälter 3 bereitgestellte Pulver 20 zunächst von dem Schiebeelement 4 glattgestrichen und anschließend von der Walze 5 geglättet werden kann. Das Schiebeelement 4 und die Walze 5 werden nacheinander über die Pulverplattform 2 beziehungsweise das bereits auf der Pulverplattform 2 vorhandene Pulverbett 11 geführt. Die Komprimierung der Pulverschicht 10 durch die Walze 5 ist in 2 durch das Bezugszeichen ds angedeutet. Das Schiebeelement 4 erzeugt eine erste Pulverschicht 12 mit einer Höhe, die um ds höher ist, als die durch die Walze 5 geglättete und ggf. komprimierte Pulverschicht 10. Hierdurch wird die Dicht des Pulvers 20 in der Pulverschicht 10 erhöht, was zu einer besseren Verfestigung und Güte des anschließend energiebehandelten Bauteils führt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Auftragen einer Pulverschicht
2: Pulverplattform
3: Pulvervorratsbehälter
4: Schiebeelement
5: Walze
6: Strahlenquelle
10: Pulverschicht
11: Pulverbett
12: Erste Pulverschicht
20: Pulver

Claims

Vorrichtung (1) zum Auftragen einer Pulverschicht (10) auf eine Pulverplattform (2) beziehungsweise auf ein Pulverbett (11) auf einer Pulverplattform (2), aufweisend eine höhenverstellbare Pulverplattform (2), einen Pulvervorratsbehälter (3) und ein Schiebeelement (4) zum Aufstreichen der Pulverschicht (10) auf die Pulverplattform (2) beziehungsweise auf das Pulverbett (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich eine drehbar gelagerte Walze (5) zur Glättung der durch das Schiebeelement (4) aufgestrichenen Pulverschicht (10) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (5) durch einen Antriebsmechanismus drehbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (5) zur Komprimierung der aufgestrichenen Pulverschicht (10) näher an der Pulverplattform (2) angeordnet ist als das Schiebeelement (4).
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Walze (5) sehr glatt ausgebildet ist, insbesondere dass die Oberfläche der Walze (5) einem Mittenrauhwert von kleiner 0,1 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 μm und 0,005 μm, aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner eine Strahlenquelle (6) zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls aufweist, um zumindest auf Bereiche der geglätteten Pulverschicht (10) Energie aufzubringen.
Verfahren zum Auftragen einer Pulverschicht (10) auf eine Pulverplattform (2) beziehungsweise auf ein Pulverbett (11) auf einer Pulverplattform (2) mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Pulver (20) wird aus dem Pulvervorratsbehälter (3) auf die Pulverplattform (2) oder auf das Pulverbett (11) aufgebracht, b) das aufgebrachte Pulver (20) wird durch das Schiebeelement (4) auf die Pulverplattform (2) oder auf das Pulverbett (11) zur Ausbildung einer Pulverschicht (10) aufgestrichen, c) nach dem Aufstreichen des Pulvers (20) durch das Schiebeelement (4) wird die Pulverschicht (10) durch die Walze (5) geglättet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Walze (5) die durch das Schiebeelement (4) aufgestrichene Pulverschicht (10) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze durch den Antriebsmechanismus gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Strahlenquelle (6) zur Erzeugung wenigstens eines Energiestrahls zumindest auf Bereiche der geglätteten, ggf. komprimierte, Pulverschicht (10) Energie aufgebracht wird, so dass die Energie von dem Pulver (20) absorbiert wird und es lokal zu einem Sintern oder Verschmelzen von Pulverpartikeln kommt.