DE102014204580A1 - Vorrichtung, Verfahren zum schichtweisen Generieren von Bauteilen sowie Prozesskammer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials (7) mittels Strahlung, umfassend eine Bauteilplattform (1) für das zu generierende Bauteil, eine Pulverauftragsvorrichtung zum Generieren einer Bauteilschicht durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht (7) auf der Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht, und einem Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teil der aufgetragenen Pulverschicht (7) anhand eines Belichtungsfiles, wobei zumindest eine oberhalb und/oder seitlich des Bauteilplattform (1) angeordnete Heizeinrichtung zum segmentweisen Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht (7) vorgesehen ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Prozesskammer.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials mittels Strahlung, umfassend eine Bauteilplattform für das zu generierende Bauteil, eine Pulverauftragsvorrichtung zum Generieren einer Bauteilschicht durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht auf der Bauteilplattform oder einer zuvor verfestigten Schicht, und einen Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teil der aufgetragenen Pulverschicht anhand eines Belichtungsfiles.
  • Generative Fertigungsverfahren werden durch ihr iteratives Auf- oder Aneinanderfügen von Schicht- oder Volumenelementen zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände eingesetzt, und finden ihre Anwendung im Bereich der Herstellung von Prototypen sowie inzwischen auch in der Bauteilherstellung, insbesondere bei der Anfertigung individuell geformter Bauteile. Als Ausgangsmaterialien stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung, die sowohl in Pulver- oder Granulatform, aber auch in Form von Fluiden bspw. als Suspensionen, vorliegen können. Bei generativen Herstellungsverfahren, wird der dreidimensionale Gegenstand durch eine Vielzahl einzelner Materialschichten, die auf einer absenkbaren Bauteilplattform nacheinander abgeschieden und anschließend einzeln einem lokal selektiven Verfestigungsprozess unterzogen werden, gebildet.
  • Zur Darstellung eines Bauteiles mittels z.B. selektivem Laser(strahl)schmelzen (SLM) (Verfestigungsprozess) wird ein Pulverbett mittels eines Laserstrahles gemäß einem vorgegebenen Belichtungsfile belichtet, bei dem die Daten aus einem 3D-CAD-File erzeugt werden. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt. Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abfährt.
  • Ist eine Pulverschicht belichtet, so wird die Bauteilplattform abgesenkt und eine neue Schicht Pulver mittels eines Schiebers, beispielsweise eines Rechens aufgebracht und dann erneut mit dem Laser (Verfestiger) und mithilfe des Belichtungsfiles belichtet.
  • Mit dem SLM Prozess konnte bereits erfolgreich der nahezu rissfreie Aufbau einer γ’ gehärteten Nickelbasis-Superlegierung an Probekörpern demonstriert werden. Dieser sehr heissrissanfällige Werkstoff musste jedoch über die Aufbauplattform auf 500°C vorgewärmt werden, um die Schweißeigenspannungen zu verkleinern. Weil jedoch gerade nickelbasierte Superlegierungen über eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügen, ist für den Aufbau von komplexen Hohlstrukturen (wie z.B. Turbinenschaufeln) aufgrund der Größe der Bauteile eine reine Erwärmung nur über die Plattform nicht ausreichend.
  • Der Erfindung liegen daher die Aufgaben zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten, welche das obige Problem beheben, anzugeben. Weiterhin ist die dritte Aufgabe die Angabe einer Prozesskammer für die obige Vorrichtung.
  • Die auf die Vorrichtung bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen, durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials mittels Strahlung, umfassend eine Bauteilplattform für das zu generierende Bauteil, eine Pulverauftragsvorrichtung zum Generieren einer Bauteilschicht durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht auf der Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht, und einen Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teil der aufgetragenen Pulverschicht anhand eines Belichtungsfiles. Erfindungsgemäß ist zumindest eine oberhalb und/oder seitlich der Bauteilplattform angeordnete Heizeinrichtung zum segmentweisen Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht vorgesehen. Bevorzugt ist zudem eine Aufwärmeinrichtung, zum Erwärmen des zu generierenden Bauteils vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß ist damit eine gleichmäßige und ausreichende Erwärmung der Pulverschicht ohne Unterbrechung des Fertigungsprozesses möglich. Gerade bei pulverförmigen Werkstoffen, die eine geringe Wärmeleitung aufweisen wie Nickelbasis-Superlegierungen ist eine Kombination von Aufwärmvorrichtung und Heizeinrichtung notwendig, um die notwendigen Temperaturen von ≥ 500°C zu erzielen. Somit können die Schweißeigenspannungen verkleinert werden. Auch kann das bereits aufgebaute Bauteil einer ersten Wärmebehandlung unterzogen werden, während an einer anderen Stelle in der Prozesskammer belichtet wird.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Bevorzugt ist während der Verfestigung wenigstens eines Teils der aufgetragenen Pulverschicht die Heizeinrichtung abschaltbar.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist durch die Heizeinrichtung eine erste Stelle der aufgetragenen Pulverschicht erwärmbar, während an einer zweiten Stelle durch den Verfestiger eine Verfestigung vorgesehen ist, und wobei sich die erste und die zweite Stelle nicht überlappen. Somit kann eine breitere segmentweise Aufwärmung erzielt werden.
  • Alternativ ist durch die Heizeinrichtung eine erste Stelle der aufgetragenen Pulverschicht erwärmbar, während an einer zweiten Stelle durch den Verfestiger eine Verfestigung vorgesehen ist, wobei sich die erste und die zweite Stelle zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig, überlappen. Somit kann eine höhere segmentweise Aufwärmung erzielt werden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung zumindest ein Diodenlaserbarren und/oder eine Quarzlampe. Diese eignen sich besonders gut in einer Prozesskammer und zum Vorwärmen von Pulver.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung verfahrbar in einer Prozesskammer angeordnet. Somit kann die Heizeinrichtung an der gewünschten Stelle vorwärmen. Bevorzugt sind zwei Heizeinrichtung vorgesehen, welche um den Verfestiger angeordnet sind. Somit ist eine bessere und effiziente Vorwärmung/Nachbehandlung möglich. Dabei können die beiden Heizeinrichtungen unabhängig voneinander verfahrbar sein.
  • Bevorzugt ist die Bauteilplattform mit der Aufwärmeinrichtung absenkbar. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Aufwärmeinrichtung in die Bauteilplattform eingebettet. Somit wird das Bauteil gleichmäßig erwärmt.
  • Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials mit einer wie oben beschriebenen Vorrichtung, welche zumindest eine oberhalb und/oder seitlich einer Bauteilplattform angeordnete Heizeinrichtung aufweist, wobei durch die zumindest oberhalb und/oder seitlich der Bauteilplattform angeordnete Heizeinrichtung ein Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht durchgeführt wird. Bevorzugt wird zudem durch eine Aufwärmeinrichtung ein Erwärmen des zu generierenden Bauteils durchgeführt.
  • Die auf die Prozesskammer bezogene Aufgabe wird gelöst durch die Angabe einer Prozesskammer für eine wie oben beschriebene Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht auf eine Pulverauftragsvorrichtung oder eine zuvor verfestigte Schicht, und einen Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teils der aufgetragenen Pulverschicht anhand eines Belichtungsfiles aufweisend:
    eine einen Hohlraum zumindest teilweise umschließende Seitenwand, eine Deckenwand sowie eine innerhalb des Hohlraums angeordnete verschiebbare Pulverauftragsvorrichtung, die mit der Seitenwand einen einseitig offenen Hohlraum zum Beaufschlagen der Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht mit einer Pulverschicht bildet, wobei an der Deckenwand und/oder Seitenwand zumindest eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigt:
  • 1: schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen. Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Bauteilplattform 1 auf. Diese kann in einer Prozesskammer 2 angeordnet sein. Die Bauteilplattform 1 kann verschiebbar bzw. absenkbar sein. Durch eine Pulverauftragsvorrichtung (nicht gezeigt) wird nun eine Pulverschicht 7 auf die Bauteilplattform 1 aufgetragen. Dabei kann auf der Bauteilplattform 1 auch das halbfertige, zu generierende Bauteil 3 angeordnet sein. In diesem Fall wird die Pulverschicht 7 zumindest auf das halbfertige Bauteil 3, welches auf der abgesenkten Bauteilplattform 1 angeordnet ist, aufgetragen. Zudem umfasst die Vorrichtung als Verfestiger einen Laser 5, welcher auch außerhalb der Prozesskammer 2 angeordnet sein kann. Der Laser 5 schmilzt nun lokal das Pulver auf, welches sich anschließend verfestigt und sich mit der darunter liegenden Schicht verbindet.
  • Zudem erfasst die Vorrichtung erfindungsgemäß zumindest eine oberhalb der Bauteilplattform 1 vorgesehene Heizeinrichtung zum segmentweisen Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht 7. In diesem Beispiel sind zwei Diodenlaserbarren 11 oder Quarzlampen 11 rechts und links des Lasers 5 angeordnet. Damit kann die Pulverschicht 7, welche auch Pulverbett genannt wird, zumindest segmentweise aufgewärmt werden. Selbstverständlich können die zwei Diodenlaserbarren 11 oder Quarzlampen 11 verfahrbar in der Prozesskammer 2 angeordnet sein. Während des eigentlichen Umschmelzprozesses, d.h. während des schichtweisen Aufbaus des Bauteils können die zwei Diodenlaserbarren 11 oder Quarzlampen 11 zugeschaltet oder abgeschaltet werden. Dabei können die zwei Diodenlaserbarren 11 oder Quarzlampen 11 separat bzw. unabhängig voneinander verfahrbar sein. Zudem ist eine Aufwärmeinrichtung 20 vorgesehen zum Erwärmen des zu generierenden Bauteils 3. Dabei ist die Aufwärmeinrichtung 20 in die Bauteilplattform 1 eingebettet und mit dieser absenkbar.
  • Somit kann zusätzlich neben der Heizeinrichtung über die Bauteilplattform 1 das zu generierende Bauteil 3 während des SLM-Prozesses vorgewärmt werden. Weiterhin ist es möglich, das bereits aufgebaute Bauteil einer ersten Wärmenachbehandlung zu unterziehen, während an einer anderen Stelle in der Prozesskammer 2 belichtet bzw. verfestigt wird. Auch kann die Heizeinrichtung höhenverstellbar in der Prozesskammer 2 angeordnet sein.
  • Durch die Erfindung ist ein Aufbau von komplexen Strukturen aus schwer schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen, ohne Begrenzung der Aufbauhöhe möglich.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials (7) mittels Strahlung, umfassend eine Bauteilplattform (1) für das zu generierende Bauteil, eine Pulverauftragsvorrichtung zum Generieren einer Bauteilschicht durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht (7) auf der Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht, und einen Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teils der aufgetragenen Pulverschicht (7) anhand eines Belichtungsfiles, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine oberhalb und/oder seitlich der Bauteilplattform (1) angeordnete Heizeinrichtung zum segmentweisen Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht (7) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zudem eine Aufwärmeinrichtung (20) zum Erwärmen des zu generierenden Bauteils vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilplattform (1) mit der Aufwärmeinrichtung (20) absenkbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmeinrichtung (20) in die Bauteilplattform (1) eingebettet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verfestigung wenigstens eines Teils der aufgetragenen Pulverschicht (7) die Heizeinrichtung abschaltbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Heizeinrichtung eine erste Stelle der aufgetragenen Pulverschicht erwärmbar ist, während an einer zweiten Stelle durch den Verfestiger eine Verfestigung vorgesehen ist, wobei sich die erste und die zweite Stelle nicht überlappen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Heizeinrichtung eine erste Stelle der aufgetragenen Pulverschicht erwärmbar ist, während an einer zweiten Stelle durch den Verfestiger eine Verfestigung vorgesehen ist, wobei sich die erste und die zweite Stelle zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig, überlappen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zumindest ein Diodenlaserbarren (11) und/oder eine Quarzlampe (11) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung verfahrbar in einer Prozesskammer (2) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Heizeinrichtungen vorgesehen sind, welche um den Verfestiger angeordnet sind.
  11. Verfahren zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines verfestigbaren Materials mit einer Vorrichtung, welche zumindest eine oberhalb und/oder seitlich einer Bauteilplattform (1) angeordnete Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–10 aufweist, wobei durch die zumindest oberhalb und/oder seitlich der Bauteilplattform (1) angeordnete Heizeinrichtung ein Erwärmen einer Oberfläche der zu verfestigbaren Pulverschicht (7) durchgeführt wird.
  12. Verfahren zum schichtweisen Generieren von Bauteilen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zudem durch eine Aufwärmeinrichtung (20) ein Erwärmen des zu generierenden Bauteils durchgeführt wird.
  13. Verfahren zum schichtweisen Generieren von Bauteilen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bereits verfestigte Pulverschicht einer Wärmenachbehandlung unterzogen wird.
  14. Prozesskammer für eine Vorrichtung zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch Auftragen einer zu verfestigenden Pulverschicht (7) auf einer Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht, mit einem Verfestiger zum Verfestigen wenigstens eines Teils der aufgetragenen Pulverschicht (7) anhand eines Belichtungsfiles, nach einem der vorherigen Ansprüche 1–10 aufweisend: eine einen Hohlraum zumindest teilweise umschließende Seitenwand, eine Deckenwand sowie eine innerhalb des Hohlraums angeordnete verschiebbare Pulverauftragsvorrichtung, die mit der Seitenwand einen einseitig offenen Hohlraum zum Beaufschlagen der Pulverauftragsvorrichtung oder einer zuvor verfestigten Schicht mit einer Pulverschicht bildet, wobei an der Seitenwand und/oder der Deckenwand zumindest eine Heizeinrichtung vorgesehen ist.
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