DE102015010387A1

DE102015010387A1 - Additive Fertigung dreidimensionaler Strukturen

Info

Publication number: DE102015010387A1
Application number: DE102015010387.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hanreich
Original assignee: FTAS GmbH
Current assignee: Additive 3d Training De GmbH
Priority date: 2015-08-08
Filing date: 2015-08-08
Publication date: 2017-02-09

Abstract

Anlage zur additiven Fertigung großer dreidimensionaler Strukturen durch Mikro-Laserauftragsschmelzen von auf einen in einer Pulverkammer angeordneten, mit einer Bauplattform (1) versehenen Hubtisch aufgebrachten metallischen Pulverschichten mit mehreren Lasereinheiten (2) umfasst eine in der Mitte und oberhalb der Bauplattform (1) in einem zwischen zwei benachbarten Laserarbeitsbereichen (3) vorhandenen Raum angeordnete Gaszufuhreinheit (4) mit beidseitig nach außen weisenden Gasaustrittsöffnungen zur Erzeugung von zwei entgegengesetzt gerichteten Gasströmungen im Zusammenwirken mit den beiderseitigen Gasaustrittsöffnungen jeweils gegenüberliegenden Ansaughauben (7) einer Saugvorrichtung. Die Gasströmungen zur Entfernung von Schmutzpartikeln aus dem Laserschmelzbereich (6) können somit auch bei der generativen Fertigung großer Bauteile klein gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen durch Mikro-Laserauftragsschmelzen von auf einen in einer Pulverkammer angeordneten, mit einer Bauplattform versehenen Hubtisch aufgebrachten metallischen Pulverschichten mit mehreren Lasereinheiten, die eine Gaszufuhreinheit und eine mit einer Saugvorrichtung verbundene Ansaughaube zum Entfernen von bei jedem Auftragsschmelzvorgang anfallenden losen Schweißpartikeln mit einem Gasstrom umfasst.
Das selektive Lasersintern oder -schmelzen, wie zum Beispiel das Mikro-Laserauftragsschmelzen oder -auftragsschweißen, ist ein generatives Schichtbauverfahren zur schichtweisen Herstellung dreidimensionaler Strukturen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff, der in einer Vielzahl von dünnen Schichten auf einen in einer Pulverkammer absenkbaren Hubtisch aufgetragen wird. Auf einer auf dem Hubtisch angeordneten Bauplattform wird unter der Wirkung von Laserstrahlen in jeder Pulverschicht ein der Kontur des betreffenden dreidimensionalen Bauteils entsprechender Bereich aufgeschmolzen und so das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Zur Erzielung einer fehlerfreien innigen Verbindung zwischen den aufeinander liegenden Schmelz- oder Schweißbereichen und um zu verhindern, dass die zum Auftragen der Pulverschichten benutzten Werkzeuge beschädigt werden ist es jedoch erforderlich, auf dem Schweißbereich verbliebene lose Rückstände wie Schmelzpartikel oder Metalloxide aus dem vorhergehenden Schmelzprozess vor dem Auftragen einer weiteren Pulverschicht zu entfernen. Bekanntermaßen werden diese unerwünschten Schmutzpartikel mit einem Gasstrom abgeführt, der von einer an einer Seite der Pulverkammer angeordneten Gaszufuhrvorrichtung und einer an der gegenüberliegenden Seite der Pulverkammer vorgesehenen Saugvorrichtung erzeugt wird. Eine derartige Anordnung der Gaszufuhr- und Saugvorrichtungen genügt den Anforderungen der bisher bekannten kleinen Anlagen zur generativen Fertigung von in der Größe begrenzten dreidimensionalen Bauteilen. Bei zur Herstellung von größeren Bauteilen vorgesehenen Laseranlagen mit einer erheblich größeren Pulverschichtfläche und einer beispielsweise 250 × 250 mm überschreitenden Fläche der Bauteilplattform und mehreren auf den größeren Schweißbereich wirkenden Lasereinheiten reicht der Gasstrom nicht aus, um die Schmutzpartikel sicher von dem großen Schweißbereich zu entfernen. Andererseits ist es auch nicht möglich, den Gasstrom entsprechend der Größe des zu erfassenden Schweißbereichs beliebig zu erhöhen, weil dann auch das den Schweißbereich umgebende lose Pulvermaterial mitgerissen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Strukturen durch selektives Laserschmelzen oder -sintern, insbesondere durch Mikro-Laserauftragsschmelzen von metallischem Pulvermaterial, so auszubilden, dass auch bei einer mit mehreren Lasern ausgerüsteten Anlage im Schweißbereich verbliebene Schmutzpartikel sicher entfernt und größere dreidimensionale Strukturen in hoher Qualität hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Anlage gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass bei der Herstellung großer dreidimensionaler Bauteile die bei jedem Laserauftragsschmelzvorgang anfallenden losen Rückstände, wie zum Beispiel Schweißspritzer, Funken und dgl., mit zwei von der Mitte der Bauplattform in entgegengesetzter Richtung nach außen geführten Gasströmen abgeführt werden. Durch die Erzeugung von zwei Gasströmen mit einem entsprechend kurzen Strömungsweg können auch bei der Herstellung großer Objekte die beim schichtweisen Laserauftragsschmelzen entstehenden losen Partikel auf kurzem Weg mit einem schwachen Gasstrom abgeführt werden, so dass große Bauteile in hoher Qualität gefertigt werden können und das lose in der Pulverkammer verbliebene, nicht aufgeschmolzene Metallpulver nicht mitgerissen wird und somit der Reinigungsaufwand für das eingesetzte Pulvermaterial verringert wird.
Erfindungsgemäß ist die Gaszufuhreinheit in der Mitte und oberhalb der Bauplattform in einem zwischen zwei benachbarten Laserarbeitsbereichen vorhandenen freien Raum angeordnet und weist beidseitig nach außen weisende Gasaustrittsöffnungen auf, um im Zusammenwirken mit den beiderseitigen Gasaustrittsöffnungen jeweils gegenüberliegenden Ansaughauben der Saugvorrichtung die beiden entgegengesetzt gerichteten kurzen und dementsprechend nur in geringer Stärke erforderlichen schwachen Gasströmungen zu erzeugen.
Die Gaszufuhreinheit und die Ansaughauben sind außerhalb des Arbeitsbereichs der Werkzeuge zum Auftragen des Pulvermaterials angeordnet, so dass deren Funktion nicht beeinträchtigt ist.
Die Gaszufuhreinheit und die Ansaughauben können beispielsweise höhenverstellbar höhenverstellbar angeordnet sein.
Es ist auch denkbar, dass die Gaszufuhreinheit in einem ausreichenden Abstand oberhalb der Bauplattform stationär angeordnet ist und dass die Ansaugöffnungen der Ansaughauben in den Gasaustrittsöffnungen der Gaszufuhreinheit gegenüberliegende Gehäusewände integriert sind.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfasst die Gaszufuhreinheit einen an einen Anschlussstutzen einer Gasquelle angeschlossenen Gasverteilerkanal mit einem an diesen anschließenden, sich über die Breite der Bauplattform erstreckenden konisch verjüngten Kanalteil, in dem mittig zwei am unteren Ende zu den Seitenwänden des Kanalteils gekrümmte erste Gasleitbleche zur Ausbildung von ersten Gaszufuhrkanälen mit in den Seitenwänden ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen zur Erzeugung eines oberen Gasstrombereichs angeordnet sind.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die ersten Gasleitbleche im Abstand parallel zueinander angeordnet und bilden einen zweiten, mittigen Gaszufuhrkanal, der oberhalb von zwei dritten, unter Bildung von Gasaustrittsschlitzen bis unter die Unterkanten der Seitenwände gekrümmten Gasleitblechen mündet, um im Zusammenwirken mit den Ansaughauben einen mittleren Gasstrom in jeweils entgegengesetzter Richtung zu erzeugen.
In noch weiterer Ausbildung der Erfindung sind die dritten Gasleitbleche im Abstand nebeneinander angeordnet und bilden eine aus dem zweiten, mittigen Gaszufuhrkanal versorgte Schlitzöffnung, um im Zusammenwirken mit den Ansaughauben einen noch schwächeren unteren Gasstrom in jeweils entgegengesetzter Richtung zu erzeugen. An der Eintrittsseite des zweiten, mittig angeordneten Gaszufuhrkanals sind zweite Gasleitbleche zur Bündelung der dem Gaszufuhrkanal zugeführten Gas angeordnet.
Die in der Gaszufuhreinheit angeordneten Gasleitbleche und Gasaustrittsöffnungen sind so gestaltet, dass sich in den beiderseitigen Gasströmen übereinanderliegende Gasstrombereiche von unterschiedlicher Intensität bilden. Beispielsweise kann der untere Gasstrombereich eine geringere Stärke aufweisen um in dem nahe der nicht geschmolzenen Pulverschicht liegenden Bereich kein Pulvermaterial mitzureißen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der Bauplattform einer Mikro-Laserauftragsschmelzanlage zur Herstellung größerer dreidimensionaler Bauteile mithilfe von vier Lasereinheiten, die eine der Bauplattform zugeordnete Gaszufuhr- und Saugvorrichtung zu Entfernung von Schmutzpartikeln aufweist;
2 eine Schnittansicht der Gaszufuhr- und Saugvorrichtung;
3 eine detaillierte Schnittdarstellung des Gasaustrittsbereichs einer Gaszufuhreinheit;
4 eine perspektivische Darstellung der teilweise im Schnitt wiedergegebenen Gaszufuhreinheit; und
5 eine perspektivische Detailansicht der Gaszufuhreinheit.
Gemäß 1 wird die im Bereich der Bauplattform 1 befindliche, zuvor aufgetragene Schicht aus metallischem Pulvermaterial (nicht dargestellt) mithilfe von vier Lasereinheiten 2 in vier Laserschmelzbereichen 6 in einer vorgegebenen Schichtkontur bestrahlt und dabei aufgeschmolzen, um so Schicht für Schicht ein dreidimensional geformtes Bauteil herzustellen. In dem zwischen jeweils zwei benachbarten Laserarbeitsbereichen 3 verbleibenden Raum ist eine Gaszufuhreinheit 4 angeordnet, deren beidseitige Gasaustrittsöffnungen sich über die gesamte Breite der Bauplattform 1 erstrecken und mit den jeweils gegenüberliegenden Ansaugöffnungen 5 von langgestreckten Ansaughauben 7 einer Gasansaugvorrichtung zusammenwirken. Die beiderseitigen Ansaughauben 7 sind an einer von der Bewegungsbahn einer zum Auftragen der Pulverschicht erforderlichen Rakel entfernten Stelle, beispielsweise an den beiden Außenwänden des Gehäuses der Laserauftragsschmelzanlage, angeordnet oder die Ansaughaben 7 können auch höhenverstellbar ausgeführt sein, so dass die Funktion der Rakel und das Auftragen des Pulvermaterials nicht beeinträchtigt werden. Die Gaszufuhreinheit 4 ist in einer die Bewegung der Rakel beim Pulverauftrag nicht behindernden Höhe oder auch vertikal verstellbar angeordnet. Während jedes Laservorgangs werden die beim Aufschmelzen der Schichtkontur im Bereich der Bauteilplatte 1 erzeugten Schweißpartikel (Schweißspritzer, -funken, Metalloxide) sowie der entstehende Rauch mit der von der Saugvorrichtung erzeugten, von der in der Mitte der Bauplattform angeordneten Gaszufuhreinheit 4 ausgehenden Gasströmung in entgegengesetzter Richtung nach außen in die Ansaughauben 7 abgeführt. Aufgrund der von der Mitte der Bauplattform 1 nach beiden Seiten erzeugten zwei Gasströmungen wird der Strömungsweg im Vergleich mit einer nur in einer Richtung erzeugten Gasströmung halbiert, so dass die beim Laserauftragsschmelzen erzeugten Schmutzpartikel mit einem geringen Gasstrom abgesaugt werden, der das in der Pulverkammer vorhandene – nicht geschmolzene, lose – Pulvermaterial nicht erfasst und nicht wegbläst. Mit der von der Mitte der Bauplattform 1 bzw. des betreffenden Bauteils ausgehenden, in entgegengesetzter Richtung erzeugten Gasströmung ist es somit möglich, in einem großen Arbeitsbereich mit mehreren Lasereinheiten 2 auch große dreidimensionale Bauteile durch Mikro-Laserauftragsschmelzen herzustellen.
Die Gaszufuhreinheit 4 umfasst einen an eine Gasquelle angeschlossenen Anschlussstutzen 8, der in einen sich über die Breite der Bauplattform 1 erstreckenden Gasverteilerkanal 9 mündet. In dem zur Bauplattform 1 hin im Querschnitt konisch verjüngten unteren Kanalteil 10 des Gasverteilerkanals 9 sind mittig im Abstand zwei zueinander parallele erste Gasleitbleche 11 angeordnet, die mit den Seitenwänden 12 des konischen Kanalteils 10 des Gasverteilerkanals 9 erste Gaszufuhrkanäle 13 bilden. Die ersten Leitbleche 11 sind im Abstand von der Unterkante 14 der beiden konisch zulaufenden Seitenwände 12 des verjüngten Kanalteils 10 des Gasverteilerkanals 9 nach außen abgebogen und schließen an die Seitenwände 12 an. Über die Breite der Gasverteilerkanals 9 verteilt sind oberhalb des abgebogenen Abschnitts der ersten Gasleitbleche 11 in den Seitenwänden 12 Gasaustrittsöffnungen 15 ausgebildet, um so mithilfe der Gasansaugeinheit 7 jeweils einen nach beiden Seiten gerichteten oberen Gasstrombereich 16 zu erzeugen.
Die beiden im Abstand zueinander verlaufenden ersten Gasleitbleche 11 schließen einen zweiten – mittig angeordneten – Gaszufuhrkanal 17 ein, der über zweite Gasleitbleche 18 mit Gas versorgt wird und der oberhalb von zwei in der unteren Öffnung des konischen Kanalteils 10 des Gasverteilerkanals 9 angeordneten dritten Gasleitblechen 19 mündet. Die beiden dritten Gasleitbleche 19 sind unter Bildung einer Schlitzöffnung 20 im Abstand nebeneinander angeordnet und sind zu den Seitenwänden 12 des konischen Kanalteils 10 hin gekrümmt, um mit der jeweiligen Unterkante 14 der Seitenwände 12 einen Gasaustrittsschlitz 21 zu bilden. Im Zusammenwirken mit der Saugvorrichtung wird mithilfe den Gasaustrittsschlitze 21 ein nach beiden Seiten gerichteter mittlerer Gasstrom 22 gebildet. Über die zwischen den dritten Leitblechen 19 geschaffene Schlitzöffnung 20 wird schließlich ein – auch aus dem mittigen Gaszufuhrkanal 17 mit Gas versorgter – unterer, schwacher Gasstrom 23 erzeugt, der unter der Wirkung der Saugvorrichtung zu beiden Seiten nach außen umgelenkt wird und nahe der aufgeschmolzenen Schicht bzw. der Metallpulverschicht strömt.
Bezugszeichenliste

1: Bauplattform
2: Lasereinheiten
3: Laserarbeitsbereich
4: Gaszufuhreinheit
5: Ansaugöffnung von 7
6: Laserschmelzbereich
7: Ansaughauben
8: Anschlussstutzen von 4
9: Gasverteilerkanal
10: konisch verjüngter Kanalteil von 9
11: erste Gasleitbleche
12: Seitenwände von 10
13: erste Gaszufuhrkanäle
14: Unterkante von 12
15: Gasaustrittsöffnungen in 12
16: oberer Gasstrombereich
17: zweiter, mittiger Gaszufuhrkanal
18: zweite Gasleitbleche
19: dritte Gasleitbleche
20: Schlitzöffnung zwischen 19
21: Gasaustrittsschlitze zwischen 19 und 14
22: mittlerer Gasstrom
23: unterer Gasstrom

Claims

Anlage zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen durch Mikro-Laserauftragsschmelzen von auf einen in einer Pulverkammer angeordneten, mit einer Bauplattform (1) versehenen Hubtisch aufgebrachten metallischen Pulverschichten mit mehreren Lasereinheiten (2), die eine Gaszufuhreinheit (4) und eine mit einer Saugvorrichtung verbundene Ansaughaube (7) zum Entfernen von bei jedem Auftragsschmelzvorgang anfallenden losen Schweißpartikeln mit einem Gasstrom umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinheit (4) in der Mitte und oberhalb der Bauplattform (1) in einem zwischen zwei benachbarten Laserarbeitsbereichen (3) vorhandenen Raum angeordnet ist und beidseitig nach außen weisende Gasaustrittsöffnungen zur Erzeugung von zwei entgegengesetzt gerichteten Gasströmungen im Zusammenwirken mit den beiderseitigen Gasaustrittsöffnungen jeweils gegenüberliegenden Ansaughauben (7) der Saugvorrichtung aufweist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinheit (4) und die Ansaughauben (7) außerhalb des Arbeitsbereichs der Werkzeuge zum Auftragen des Pulvermaterials angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinheit (4) und die Ansaughauben (7) höhenverstellbar angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugöffnungen (5) der Ansaughauben (7) in den Gasaustrittsöffnungen der Gaszufuhreinheit (4) gegenüberliegende Gehäusewände integriert sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinheit (4) einen an einen Anschlussstutzen (8) einer Gasquelle angeschlossenen Gasverteilerkanal (9) mit einem an diesen anschließenden, sich über die Breite der Bauplattform (1) erstreckenden konisch verjüngten Kanalteil (10) umfasst, in dem mittig zwei am unteren Ende zu den Seitenwänden (12) des Kanalteils (10) gekrümmte erste Gasleitbleche (11) zur Ausbildung von ersten Gaszufuhrkanälen (13) mit in den Seitenwänden (12) ausgebildeten Gasaustrittsöffnungen (15) zur Erzeugung eines oberen Gasstrombereichs (16) angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gasleitbleche (11) im Abstand parallel zueinander angeordnet sind und einen zweiten, mittigen Gaszufuhrkanal (17) bilden, der oberhalb von zwei dritten, unter Bildung von Gasaustrittsschlitzen (21) bis unter die Unterkanten (14) der Seitenwände (12) gekrümmten Gasleitblechen (19) mündet, um im Zusammenwirken mit den Ansaughauben (7) einen mittleren Gasstrom (22) in jeweils entgegengesetzter Richtung zu erzeugen.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Gasleitbleche (19) im Abstand nebeneinander angeordnet sind und eine aus dem zweiten, mittigen Gaszufuhrkanal (17) versorgte Schlitzöffnung (20) bilden, um im Zusammenwirken mit den Ansaughauben (7) einen unteren Gasstrom (23) in jeweils entgegengesetzter Richtung zu erzeugen.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eintrittsseite des zweiten, mittig angeordneten Gaszufuhrkanals (17) zweite Gasleitbleche (18) zur Bündelung der dem Gaszufuhrkanal (17) zugeführten Gas angeordnet sind.