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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von komplexen Bauteilen aus einem metallischen Werkstoffgemisch, insbesondere einer Legierung oder einer intermetallischen Phase, mittels additiv-generativer Fertigung, wobei blech-, draht- oder pulverförmiger metallhaltiger Werkstoff aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die Herstellung von komplexen Bauteilen aus maßgeschneiderten Werkstoffen, wie z. B. aus Legierungen oder metallischen Stoffgemischen, bei denen – bedingt durch ihre spezifischen Eigenschaften (z. B. Masse der einzelnen Legierungsbestandteile) – aufgrund von Seigerungen, d. h. Entmischungen in der Schmelze bei der Metallherstellung, keine homogene Legierungsbildung möglich ist, stellt vielschichtige Herausforderungen an die Fertigungsprozesse. Die Produktion derartiger Bauteile erfolgt gewöhnlich über das Vakuumgießen oder andere Urformprozesse. Werkzeuge, Konturfreiheit und Temperaturführung werden davon stark beeinflusst und bedürfen für deren Handhabung kostenintensiver Maßnahmen.
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Additive Verfahren erlauben es, Formkörper mit einer komplexen Bauteilgeometrie aus einzelnen Schichten herzustellen. Mittels der bekannten Verfahren werden metallische Bauteile überwiegend mit nur einem Werkstoff hergestellt. Dieser Werkstoff kann elementar, d. h. aus einem Element bestehend, oder eine vorgefertigte Legierung sein, wie z. B. in
DE 10 2013 226 664 A1 für die Herstellung eines Turbinenläufers aus einer hochwarmfesten Metalllegierung oder in
US 2015/0135897 A1 für die Herstellung von Bauteilen aus einer Wismut-haltigen Legierung beschrieben.
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Die additive Fertigung von Bauteilen und Komponenten erfolgt also bisher unter Verwendung einer bereits fertigen Legierung bzw. Werkstoffsystems. Nachteilig hierbei ist, dass sich bestimmte Werkstoffsysteme, wie z. B. bestimmte Legierungen aufgrund spezifischer Effekte, wie z. B. Einfluss der Schwerkraft oder das Einbringen definierter Legierungselemente, großtechnisch nur unzureichend in der gewünschten Zusammensetzung herstellen lassen.
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Verfahren zur generativen Fertigung unter Verwendung von mehreren metallischen Ausgangsstoffen, die erst während des schichtweisen Auftragens vom 3D-Drucker vermischt werden, rückten erst in jüngster Zeit in den Fokus.
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Aus der
US 2014/0295087 A1 ist bekannt, metallische Formkörper mittels 3D-Verfahren herzustellen, bei denen zum Zwecke der verbesserten Schweißbarkeit der für die Herstellung vorgesehene, schlecht schweißbare Werkstoff und ein zweiter Ausgangswerkstoff z. B. in Pulverform schichtweise aufgetragen werden, wobei der zweite Werkstoff ein gut schweißbares Derivat des ersten ist. Durch die Legierungsbildung unter Einwirkung eines Energiestrahls beim 3D-Druck entsteht somit ein im Wesentlichen aus dem ersten (schlecht schweißbaren) Werkstoff bestehendes Bauteil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich seiner Schweißbarkeit.
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WO 2015/094720 A1 beschreibt die Herstellung eines kreiszylinderförmigen Halbzeugs, bestehend aus zwei verschiedenen Legierungen, die in einem lokal eingegrenzten Übergangsbereich des Halbzeugs graduell ineinander übergehen. Hierzu werden zwei metallische Pulver in Anteilen entsprechend der benötigten, lokal variierenden Zusammensetzung der jeweils aufzubauenden Halbzeugschicht mit nur einer Düse abgeschieden, wobei ein Vermischen der Pulver unmittelbar vor deren schichtweisem Auftrag erfolgt. Anschließend wird das Pulvergemisch durch einen Energiestrahl unter Ausbildung von Legierungen verschmolzen, wobei in dem Halbzeug ein gradueller Übergangsbereich von der einen in die andere Legierung ausgebildet wird. Dieses Fertigungsverfahren funktioniert jedoch nur mit pulverförmigen Ausgangsstoffen, wobei beide Ausgangsstoffe bereits als Legierung vorliegen. Außerdem ist durch die Verwendung nur einer Düse für die Pulverabscheidung eine zeitliche Verzögerung zwischen Mischvorgang und Abscheidevorgang gegeben, wodurch ein exaktes Einstellen einer in eng begrenzten lokalen Bereichen zu variierenden Schichtzusammensetzung nahezu unmöglich wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch lagenweisen Aufbau im Sinne der generativen Fertigung aus mehreren blech-, draht- oder pulverförmigen Werkstoffen metallische Formkörper herzustellen, wobei der Formkörper nicht nur gemäß einer vorgegebenen geometrischen Form, sondern insbesondere mit einer in der Materialzusammensetzung und/oder der Mikrostruktur (z. B. Korngröße) beliebig vorgebbaren, homogenen oder nach Vorgaben lokal variierenden, Legierung, intermetallischen Phase oder anderen metallischen Stoffgemischen dieser Werkstoffe unter Vermeidung von Seigerungseffekten erzeugbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 10 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Im Folgenden wird der Begriff „Werkstoffmischung“ allgemein für eine Legierung, intermetallische Phase oder ein anderes metallisches Stoffgemisch, das aus einer Verbindung mehrerer metallischer oder metallhaltiger Ausgangswerkstoffe gebildet ist, verwendet.
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Nach Maßgabe der Erfindung werden zur additiven Fertigung des aus einer vorgegebenen metallischen Werkstoffmischung bestehenden Formkörpers mindestens zwei schmelzbare, draht-, band-, pulver- oder blechförmige (elementar, d. h. aus nur einem chemischen Element bestehende, oder in Form einer Legierung vorliegende) Werkstoffe eingesetzt, von denen wenigstens einer mittels Energiezufuhr (z. B. mittels Lichtbogen oder Laserstrahl) aufgeschmolzen wird. Nach dem Aufschmelzen (eines, mehrerer oder aller Ausgangswerkstoffe) werden die zu der Werkstoffmischung zu verschmelzenden Ausgangswerkstoffe miteinander in dementsprechenden Volumenanteilen unter Ausbildung der Werkstoffmischung in schmelzflüssiger Phase vermischt und in einem Bearbeitungspunkt (unter Bearbeitungspunkt wird die Position, d. h. ein lokal begrenzte Bereich, auf der Oberfläche des bereits fertiggestellten Teils des Formkörpers verstanden, an der die schmelzflüssigen Ausgangswerkstoffe auf die Oberfläche aufgebracht werden) auf dem bereits fertiggestellten Teil des herzustellenden Formkörpers abgeschieden, wobei die schmelzflüssige Werkstoffmischung nach dem Abscheiden durch gezielte Kühlung unter Ausbildung des festen metallischen Werkstoffgemischs, d. h. Legierung, intermetallischen Phase oder anderen metallischen Stoffgemisches, mit vorgegebener Zusammensetzung und Mikrostruktur erstarrt. Auf diese Weise wird jede Lage des lagenweise aufzubauenden Formkörpers in sich wiederholenden Schritten des Verfahrens aufgebaut, wobei die Zusammensetzung und die Mikrostruktur des metallischen Werkstoffgemischs jeweils gezielt (lokal oder global) im Formkörper einstellbar ist.
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Unter Gefügebildung wird im Folgenden das Ausbilden eines festen Werkstoffgemischs, d. h. einer Legierung oder eines anderen metallischen Stoffgemischs, aus einer metallhaltigen Schmelze, die gebildet wurde aus mehreren (elementar metallischen bzw. metallhaltigen) Werkstoffen, verstanden, wobei das (erstarrte) metallische Werkstoffgemisch nach der Gefügebildung durch eine Mikrostruktur (d. h. das Gefüge, beispielsweise ein Korngrößenverteilung) und eine, ggf. aufgrund der ausgebildeten Mikrostruktur auch lokal inhomogene, chemische Zusammensetzung gekennzeichnet ist.
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Die Gefügebildung erfolgt während des Erstarrens der aufgeschmolzenen und in der gewünschten Konzentration bzw. Volumenverhältnis miteinander vermischten (z. B. elementaren) Ausgangswerkstoffe, d. h., die jeweiligen Werkstoffe werden durch Energiezufuhr lokal sofort umgeschmolzen. Aufgrund der aktiven Kühlung kann die Gefügebildung kontrolliert durchgeführt werden, indem z. B. das Erstarrungsverhalten der bereits in der Schmelze gemischten Ausgangswerkstoffe gezielt durch die Temperaturführung beim Abkühlen und Erstarren der Schmelze (unter Ausbildung z. B. der Legierung) gesteuert wird. Somit kann durch eine zielgerichtet gesteuerte Temperierung der Schmelze die Ausbildung der Mikrostruktur des metallischen Werkstoffgemischs kontrolliert beeinflusst werden.
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Vorzugsweise erfolgt die gezielte Kühlung während der Gefügebildung lokal, d. h. auf den Bereich des Bearbeitungspunktes beschränkt, durch z. B. lokal mittels einer Düse zugeführten Prozessgases.
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Erfindungswesentlich ist, dass die für die Gefügebildung des metallischen Werkstoffgemischs (d. h. die Bildung der Legierung oder der intermetallischen Phase) vorgesehenen Ausgangswerkstoffe in der schmelzflüssigen Phase gemischt und dem Bearbeitungspunkt in den gerade im Aufbau befindlichen Schichten des zu fertigenden Formkörpers zugeführt werden, wobei die Gefügebildung erst im Bearbeitungspunkt auf bzw. in den Schichten des Formkörpers erfolgt, d. h., die Ausbildung des metallischen Werkstoffgemischs findet erst nach dem Aufschmelzen und Vermischen der einzeln zugeführten Werkstoffe statt, wobei die Gefügebildung, d. h. die Ausbildung einer Mikrostruktur in dem metallischen Werkstoffgemisch, wesentlich von der gezielten Kühlung der schmelzflüssigen Werkstoffmischung im Bearbeitungspunkt beeinflusst wird.
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Das Mischungsverhältnis der einzelnen Werkstoffe kann erfindungsgemäß veränderlich sein, d. h., die Materialzusammensetzung nach der Gefügebildung kann in weiten Grenzen durch die Einzelvolumina der jeweiligen schmelzflüssig zusammengeführten und aufgebrachten Ausgangswerkstoffe eingestellt werden. Insbesondere kann die Zusammensetzung des Werkstoffgemischs innerhalb des Formkörpers lokal, d. h. bereichsweise, variiert werden.
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Durch das erfindungsgemäße additive Verfahren ist es folglich möglich, dass Bauteile aus maßgeschneiderten metallischen Gefügen, bestehend aus mehreren Werkstoffen/Elementen, wie etwa Legierungen, hergestellt werden, indem wiederholt eine schmelzflüssige Werkstoffmischung von lediglich Tröpfchengröße abgeschieden und einer gezielten Erstarrung (dieser Tröpfchen) unterzogen wird.
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Dadurch können zum Bespiel die Schmelzvolumina im Vergleich zu Legierungsbildungsverfahren aus dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden, sodass beispielsweise Seigerungseffekte vermieden werden können. Somit erlaubt dieses Verfahren das Herstellen metallischer Formkörper aus Werkstoffgemischen, die sich mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, z. B. aufgrund von Entmischungseffekten des vor der additiven Fertigung bereits legierten Werkstoffes, nur mit großem technischen Aufwand homogen und mit der gewünschten Materialzusammensetzung herstellen lassen.
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Die Erfindung ist anwendbar auf bekannte additive Verfahren (wie z. B. Lasersintern, Laserschmelzen, formgebendes Schweißen, US-Schweißen etc.), mittels der einzelnen Schichten in unterschiedlicher Dicke von wenigen Mikrometern bis hin zu mehreren Millimetern erzeugt werden können.
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Indem die gewünschte Werkstoffzusammensetzung und -struktur erst beim „Drucken“ des Bauteils direkt erzeugt wird, ist eine sehr genaue Anpassung und Variation der jeweiligen Werkstoffzusammensetzung und -struktur in den Schichten bzw. lokalen Bereichen des Formkörpers ermöglicht, sodass ein massives Bauteil herstellbar ist, welches z. B. aufgrund der jeweils ausgewählten Legierungszusammensetzung an der einen Seite temperaturbeständig, an einer anderen Seite korrosionsbeständig und in der Mitte besonders fest ist. Die sich aus der Erfindung ergebenen Möglichkeiten sind – wie grundsätzlich ausgeführt – sehr vielfältig, da z. B. in einem Mehrbrennersystem die unterschiedlichsten Drahtwerkstoffe miteinander lokal und in unterschiedlichen Verhältnissen vermischt werden können.
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Vorteile der Erfindung bestehen auch darin, dass das gewünschte Werkstoffsystem (Legierung, intermetallische Phase o. Ä.) erst lokal erzeugt wird. Damit können bisher gegebene, fertigungsbedingte Restriktionen sowohl in der Herstellung von vorlegierten Ausgangswerkstoffen (z. B. Ziehen des Drahtes) als auch im Erzeugungsprozess des Bauteils (z. B. Gießen) umgangen werden. Durch den lagenweisen Aufbau im Sinne der generativen Fertigung kann ein spezifisches Werkstoffsystem mit lokal definierten und auch lokal veränderlichen Eigenschaften erzeugt werden. Somit lassen sich innerhalb eines massiven Bauteils die spezifischen Werkstoffeigenschaften (aufgrund der lokal variierbaren Zusammensetzung) verändern oder es lassen sich vollkommen neue metallische Werkstoffgemische, d. h. Werkstoffsysteme, durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugen.
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In vorteilhafter Weise kann die Dicke der abzuscheidenden Schichten entsprechend einer Ausdehnung der im Formkörper lokal zu variierenden Zusammensetzung und/oder Struktur der Werkstoffmischung angepasst werden. Die abgeschiedenen Schichten können also jeweils eine unterschiedliche Dicke im Vergleich zu benachbarten Schichten aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird der gesamte, schichtweise aufzubauende Formkörper während der Fertigung temperiert, d. h. gekühlt oder erwärmt. Durch eine definierte Wärmeführung lässt sich in vorteilhafter Weise die Werkstoffzusammensetzung zusätzlich, d. h. neben der gezielten Kühlung des Bearbeitungspunktes, beeinflussen.
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Es kann auch vorgesehen sein, den schichtweisen Aufbau unter Prozessgasatmosphäre durchzuführen, wobei durch Veränderung der Zusammensetzung des Prozessgases während des Erstarrens der Schmelze das Ausbilden des metallischen Werkstoffgemischs in der gewünschten Zusammensetzung beeinflusst werden kann.
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Die Erfindung kann derart ausgebildet sein, dass für die gezielte Kühlung des abgeschiedenen schmelzflüssigen Werkstoffgemischs ein gasförmiges Kühlmittel, z. B. ein Prozessgas, ein flüssiges Kühlmittel, z. B. eine korrosionsverhütende Flüssigkeit, oder ein pulverförmiges Kühlmittel, z. B. Kohlendioxidschnee, verwendet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann in einen Bauraum, in welchem der Formkörper hergestellt wird, ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid eingeleitet werden. Hierbei kann vorgesehen sein, den Bauraum mit Wärmeübertragungsfluid nur teilweise oder auch vollständig zu fluten.
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Hierfür kann das flüssige Wärmeübertragungsfluid durch den Bauraum strömen, wofür die Wandungen des Bauraums z. B. Wärmeübertragungsfluid-Eintrittsöffnungen, durch welche das Wärmeübertragungsfluid in den Bauraum eintritt, und Wärmeübertragungsfluid-Austrittsöffnungen, durch welche das Wärmeübertragungsfluid aus dem Bauraum heraustritt, aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, den schichtweisen Aufbau in stehender Flüssigkeit durchzuführen. Es wird also nur Wärmeübertragungsfluid in den Bauraum eingeleitet, bis ein vorgegebener Flüssigkeitsstand erreicht ist.
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Indem die bereits fertiggestellten Teile des Formkörpers von einem flüssigen Wärmeübertragungsfluid umschlossen sind, sind diese Bereiche zudem äußerlich, z. B. vor anhaftenden Spritzern, geschützt, was den erforderlichen Nachbearbeitungsaufwand erheblich minimieren kann. Außerdem kann das den Formkörper umschließende, d. h. seine gesamte Oberfläche abdeckende, Wärmeübertragungsfluid (neben der ggf. im Bauraum vorherrschenden Prozessgasatmosphäre) als Oxidationsschutz wirken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als Wärmeübertragungsfluid z. B. eine korrosionsverhütende Flüssigkeit verwendet wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass für die gezielte Kühlung im Bearbeitungspunkt das gleiche Wärmeübertragungsfluid als Kühlmittel verwendet wird.
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Um den Fertigungsprozess kontinuierlich und ohne Zeitverlust (z. B. aufgrund von nicht minimierbaren Abkühlungszeiten) durchführen zu können, kann vorgesehen sein, den Aufbau der einzelnen Schichten diskontinuierlich zu gestalten. Während ein gerade abgeschiedener schmelzflüssiger Tropfen des Werkstoffgemischs noch abkühlt, kann bereist an einer räumlich davon getrennten Position ein weiterer schmelzflüssiger Tropfen des Werkstoffgemischs abgeschieden werden. Somit können z. B. auch mehrere Schichten zugleich gefertigt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung können für eine Kornfeinung dem schmelzflüssigen Werkstoff Zusatzstoffe zugeführt werden, z. B. Titanpulver in eine aluminiumhaltige Schmelze, um das Gefüge im erstarrten Werkstoffgemisch gezielt zu beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen gegenüber der Umgebung hermetisch abdichtbaren Bauraum, eine Druckplattform, mindestens eine Energiequelle, die geeignet ist, (einen oder mehrere) metallhaltige Ausgangwerkstoffe punktuell zu schmelzen, mindestens zwei Werkstoffzuführeinheiten, die derart gestaltet sind, dass die jeweilig dem Herstellungsprozess zugeführten Ausgangswerkstoffe in einem gemeinsamen Punkt unmittelbar oberhalb des Bearbeitungspunktes in einer schmelzflüssigen Phase mischbar (z. B. zugleich aufschmelzbar) sind, und eine Kühlmittelzuführung, die gezielt dem Bereich der Bearbeitungsposition (flüssiges, gasförmiges oder pulverförmiges) Kühlmittel zuführen kann.
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Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinheit, die mit den oben genannten Bauteilen verbunden ist, wobei sie die additive Fertigung steuert.
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Vorzugsweise erfolgt die Kühlmittelzuführung während der Prozessführung im Bereich des Bearbeitungspunktes. Es kann ebenso vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzuführung unabhängig vom Bearbeitungspunkt an einer Position auf der Formkörperoberfläche positionierbar ist, sodass die gezielte Kühlung an einer ersten Position, an der zuvor das schmelzflüssige Werkstoffgemisch abgeschieden wurde, durchführbar ist, während zeitgleich an einer zweiten, von der ersten räumlich getrennten Position schmelzflüssiges Werkstoffgemisch abgeschieden wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Druckplattform temperierbar, insbesondere kühlbar, ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dazu zeigt in schematischer Darstellung die Figur eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Querschnitt.
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Der Formkörper 1 wird in dem Bauraum 4 auf der Druckplattform 5 schichtweise aufgebaut, indem von dem ersten Ausgangswerkstoff 2, hier einem Metalldraht aus Titan, und dem zweiten Ausgangswerkstoff 3, hier in Form eines Metalldrahts aus Aluminium, mittels des Lasers 6 jeweils einzelne Metalltröpfchen im Mengenverhältnis der zu bildenden intermetallischen Phase abgeschmolzen und unmittelbar zu dem schmelzflüssigen Werkstoffgemisch 7 (hier als Tropfen dargestellt) vermischt werden.
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Mittels der Kühlmittelzuleitung 8 wird Kühlmittel gezielt über eine (in Vorschubrichtung dem Bearbeitungspunkt nachlaufende) Düse dem innerhalb der Schicht 1.1 abgeschiedenen, noch schmelzflüssigen Tropfen des Werkstoffgemischs 7 zugeführt, sodass er als Teil der Schicht 1.1 zu der intermetallischen Phase Titanaluminid γ-TiAl (mit 50 bis 55 % Aluminium) mit dem gewünschten Gefüge erstarrt. In diesem Beispiel sind die Schichtdicken stark vergrößert dargestellt.
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Über den Wärmeübertragungsfluideintritt 9 wird ein Wärmeübertragungsfluid zur Temperierung des Formkörpers 1 in den Bauraum 4 eingeleitet.
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Die Steuerungseinheit 10 ermöglicht die Kontrolle des Fertigungsprozesses und insbesondere der Gefügebildung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formkörper
- 1.1
- Schicht
- 2
- erster Ausgangswerkstoff / Titan-haltiger Draht
- 3
- zweiter Ausgangswerkstoff / Aluminiumdraht
- 4
- Bauraum
- 5
- Druckplattform
- 6
- Laser
- 7
- metallisches Werkstoffgemisch
- 8
- Kühlmittelzufuhr
- 9
- Wärmeübertragungsfluideintritt
- 10
- Steuerungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226664 A1 [0003]
- US 2015/0135897 A1 [0003]
- US 2014/0295087 A1 [0006]
- WO 2015/094720 A1 [0007]
