DE102015205609A1

DE102015205609A1 - Powder bed based additive manufacturing process and apparatus for carrying out this process

Info

Publication number: DE102015205609A1
Application number: DE102015205609.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Hofacker; Ursus Krüger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Erzeugen eines Bauteils (25). Dieses Bauteil (25) wird in einem Pulverbett (14) mittels eines Energiestrahls (22) hergestellt, wobei jeweils Lagen des Bauteils (25) entstehen (nicht dargestellt). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer Folie (28), die auf die Oberfläche des Bauteils (25) aufgebracht wird, Zusatzpartikel in das Bauteil (25) eingebracht werden können, die in der Folie (28) verteilt sind. Mittels des Energiestrahls (22) kann das Material der Folie verdampft werden, so dass diese Zusatzpartikel auf dem Bauteil (25) verbleiben. Durch einen nachfolgenden additiven Fertigungsschritt im Pulverbett (14) können die Zusatzpartikel in das sich ausbildende Bauteil (25) eingebaut werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anlage, die zur Anwendung dieses Verfahrens geeignet ist. The invention relates to a method for powder bed-based additive production of a component (25). This component (25) is produced in a powder bed (14) by means of an energy beam (22), wherein respective layers of the component (25) arise (not shown). According to the invention it is provided that by means of a film (28) which is applied to the surface of the component (25), additional particles can be introduced into the component (25), which are distributed in the film (28). By means of the energy beam (22), the material of the film can be evaporated, so that these additional particles remain on the component (25). By a subsequent additive manufacturing step in the powder bed (14), the additional particles can be incorporated into the forming component (25). The invention also relates to a plant which is suitable for the application of this method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Erzeugen eines Bauteils, bei dem das Bauteil in einem Pulverbett aus Pulverpartikeln durch Aufschmelzen mit einem Energiestrahl lagenweise hergestellt wird. Als Energiestrahl kann vorzugsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl zum Einsatz kommen. Das lagenweise Herstellen des Bauteils erfolgt in einem Pulverbett, welches Lage für Lage in einer Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett erzeugt wird. In jeder Lage wird eine Lage des zu erzeugenden Bauteils durch Aufschmelzen der dort befindlichen Pulverpartikel mittels des Energiestrahls erzeugt. The invention relates to a method for powder bed-based additive production of a component, in which the component is produced in layers in a powder bed of powder particles by melting with an energy beam. The energy beam may preferably be a laser beam or an electron beam. The layer-wise production of the component takes place in a powder bed, which is produced layer by layer in a receiving device for the powder bed. In each position, a layer of the component to be produced is produced by melting the powder particles located there by means of the energy beam.

Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Bauteils. Diese Anlage weist eine Prozesskammer auf, in der eine Aufnahmevorrichtung für ein Pulverbett und eine Erzeugungsvorrichtung für einen Energiestrahl (beispielsweise ein Laser) vorgesehen ist. The invention also relates to a system for powder-bed-based additive production of a component. This plant has a process chamber in which a receiving device for a powder bed and a generating device for an energy beam (for example, a laser) is provided.

Bisher wurde bei additiven Herstellungsverfahren, wie z. B. dem Laserschmelzen, ein Schichtbereich mit von dem restlichen Bauteil abweichender Zusammensetzung dadurch hergestellt, dass während des Laserschmelzens statt einem Inertgas ein Reaktivgas in die Prozesskammer für den additiven Herstellungsprozess eingeleitet wurde und dieses beim Aufschmelzen des Pulvers in die sich ausbildende Schicht eingebaut wurde. Auf diesem Wege konnten beispielsweise nitrierte Oberflächenschichten auf dem Bauteil hergestellt werden Ein solches Verfahren ist in der DE 10 2008 030 186 A1 beschrieben. Allgemein sind auch Verfahren bekannt, mit denen Partikel in Beschichtungen eingebaut werden können. Gemäß der DE 10 2006 029 572 A1 kann zum Einbau von Partikeln in eine durch Kaltgasspritzen hergestellte Schicht eine Polymerfolie verwendet werden, in deren Matrix die einzubauenden Partikel eingelagert sind. Das Material der Polymerfolie wird beim Beschichten zerstört, während die Partikel in die sich ausbildende Schicht eingebaut werden. So far, in additive manufacturing processes such. As the laser melting, a layer region with deviating composition from the rest of the composition produced by the fact that during the laser melting instead of an inert gas, a reactive gas was introduced into the process chamber for the additive manufacturing process and this was incorporated during the melting of the powder in the forming layer. In this way, for example, nitrided surface layers could be produced on the component. Such a method is known in the art DE 10 2008 030 186 A1 described. In general, methods are also known with which particles can be incorporated in coatings. According to the DE 10 2006 029 572 A1 For example, for incorporation of particles into a layer produced by cold gas spraying, it is possible to use a polymer film in whose matrix the particles to be incorporated are incorporated. The material of the polymer film is destroyed during coating while the particles are incorporated into the forming layer.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen dahingehend weiterzubilden, dass ein Erzeugen von Schichten oder Schichtbereichen mit einer vom restlichen herzustellenden Bauteil abweichenden Zusammensetzung für eine möglichst große Auswahl von Materialien möglich wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zum additiven Herstellen von Bauteilen anzugeben, mit der das genannte Verfahren durchgeführt werden kann. The object of the invention is to further develop a method for the additive production of components in such a way that a production of layers or layer regions with a composition deviating from the rest of the component is possible for the largest possible selection of materials. In addition, it is an object of the invention to provide a system for the additive production of components, with which said method can be carried out.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass nach Abschluss der Herstellung einer Lage des Bauteils auf dieses Bauteil eine mit Zusatzpartikeln gefüllte Folie aufgebracht wird, wobei sich die Zusatzpartikel in ihren Eigenschaften (also zum Beispiel ihrer Größe, insbesondere aber ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder ihrer Gefügestruktur) von den Pulverpartikeln unterscheiden. Danach wird mit dem Energiestrahl das Folienmaterial der Folie (also das Material, welches die Matrix zur Aufnahme der Zusatzpartikel bildet) entfernt, wobei der Energieeintrag des Energiestrahls ausreicht, um eine bleibende Verbindung der Zusatzpartikel mit dem Bauteil hervorzurufen. This object is achieved with the method described above according to the invention that after completion of the production of a layer of the component on this component filled with additional particles film is applied, with the additional particles in their properties (ie, for example, their size, but especially their chemical Composition and / or its microstructure) differ from the powder particles. Thereafter, with the energy beam, the film material of the film (ie the material which forms the matrix for receiving the additional particles) is removed, wherein the energy input of the energy beam is sufficient to cause a permanent connection of the additional particles with the component.

Außerdem wird die Aufgabe durch die eingangs angegebene Anlage zum pulverbettbasierten additiven Herstellung eines Bauteils dadurch gelöst, dass in der Prozesskammer ein Vorrat einer mit Zusatzpartikeln gefüllten Folie vorgesehen ist und eine Applikationsvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Folie auf der Aufnahmevorrichtung platzierbar ist. In addition, the object is achieved by the above-mentioned plant for powder bed-based additive production of a component characterized in that in the process chamber a supply of filled with additional particles film is provided and an application device is provided with which the film is placed on the receiving device.

Die Aufgabe wird mit anderen Worten dadurch gelöst, dass die Materialien, die zum Beispiel eine abweichende Zusammensetzung oder ein abweichendes Gefüge der sich ausbildenden Schicht während des additiven Herstellungsverfahrens ausbilden sollen, als Zusatzpartikel, vorzugsweise in Form von Nanopartikeln, in eine Folie eingebracht werden und diese Folie bei Bedarf während der Entstehungsphase des additiv herzustellenden Bauteils auf der Oberfläche dieses Bauteils aufgebracht wird. Eine anschließende Behandlung mit dem Energiestrahl (Laserstrahl oder Elektronenstrahl) führt dazu, dass das Material der Folie verdampft und das thermisch stabilere Material der Zusatzpartikel zur Schichtbildung auf dem in Entstehung befindlichen Bauteil zur Verfügung steht. Dieses wird durch den Energiestrahl aufgeschmolzen und bildet dann nach dem an sich bekannten Funktionsprinzip des additiven Herstellungsverfahrens eine Schicht aus. Der Energieeintrag durch den Strahl kann dabei so groß sein, dass die Oberfläche des in Entstehung befindlichen Bauteils noch einmal aufgeschmolzen wird. In dieser Region kommt es dann zu einer Legierungsbildung zwischen den Zusatzpartikeln in der Folie und dem Material des Bauteils wenn auch die Zusatzpartikel aufgeschmolzen werden. In other words, the object is achieved by introducing the materials, which are to form, for example, a deviating composition or a different structure of the forming layer during the additive manufacturing process, into a film as additional particles, preferably in the form of nanoparticles, and these If necessary, film is applied to the surface of this component during the formation phase of the component to be produced by additive. Subsequent treatment with the energy beam (laser beam or electron beam) causes the material of the film to evaporate and the more thermally stable material of the additional particles to form a layer on the component being formed. This is melted by the energy beam and then forms a layer according to the known principle of the additive manufacturing process. The energy input through the beam can be so great that the surface of the component being formed is melted once again. In this region, alloying then occurs between the additional particles in the film and the material of the component even though the additional particles are melted.

Wenn die Zusatzpartikel höherschmelzend sind, als das Material des Bauteils, kann der Energieeintrag auch so gewählt werden, die diese in die Matrix des Bauteils eingebaut werden. Bei den Partikeln kann es sich in diesem Falle im Inertpartikel handeln, die das Bauteilverhalten verbessern. Mit Hartstoffpartikeln (zum Beispiel aus Diamant, Korund oder Titannitrid) lässt sich der Verschleißwiederstand des Bauteils verbessern. Farbstoffpartikel können als Verschleißindikator zum Einsatz kommen, indem ihre Freilegung ein bestimmtes Maß an Materialabtrag zum Ausdruck bringt. If the additional particles are higher melting than the material of the component, the energy input can also be chosen so that they are incorporated into the matrix of the component. In this case, the particles can be inert particles which improve the component behavior. With hard material particles (for example made of diamond, corundum or titanium nitride), the wear resistance of the component can be improved. Dye particles can be used as a wear indicator by exposing them to a certain amount of material removal.

Alternativ kann der Energieeintrag auch so gewählt werden, dass eine Schicht abweichender Zusammensetzung im Vergleich zum Material des in Entstehung befindlichen Bauteils entsteht, wobei zwischen der Schicht und dem restlichen Bauteil eine Übergangszone ausgebildet wird (ohne, dass das Bauteil in nennenswerter Weise aufgeschmolzen wird). Alternatively, the energy input can also be chosen so that a layer of different composition compared to the material of the emerging component, wherein between the layer and the remaining component, a transition zone is formed (without that the component is melted in any appreciable way).

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in der Folie beliebige Materialien in Form von Zusatzpartikeln für eine Abscheidung vorgesehen werden können. Die einzige Voraussetzung für eine erfolgreiche Applikation auf dem in Entstehung befindlichen Bauteil liegt darin, dass sich die Zusatzpartikel entweder ähnlich wie das Pulver des additiven Fertigungsverfahrens mittels des Energiestrahls aufschmelzen lassen und so eine Schicht auf dem in Entstehung befindlichen Bauteil ausbilden, oder sich in das Material des Bauteils (bestehend aus dem aufgeschmolzenen Pulver) einbetten lassen, ohne selbst aufzuschmelzen. The advantage of the invention is that any materials in the form of additional particles for deposition can be provided in the film. The only requirement for a successful application on the emerging component is that the additive particles can be melted by the energy beam, similar to the powder of the additive manufacturing process and thus form a layer on the component being formed, or into the material of the component (consisting of the molten powder) embed without melting itself.

Die Folie besteht aus einem Material, was bei der thermischen Belastung des Verfahrens verdampft und insofern nicht in die Schicht eingebaut wird. Die Zusatzpartikel können sowohl aus einer Art (beispielsweise ein anderes metallisches Material wie Zink) oder aus einem Gemisch unterschiedlicher Arten zur Herstellung einer Legierung bestehen. The film consists of a material, which evaporates during the thermal load of the process and thus is not incorporated into the layer. The additive particles may consist of either one type (for example, another metallic material such as zinc) or a mixture of different types for producing an alloy.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Folie auf einfachem Wege anstelle einer Pulverschicht auf der Oberfläche des Bauteils aufgebracht werden kann. Dieser Vorgang dauert nicht länger als die Applikation einer Pulverschicht und erfordert keinen Wechsel des Prozessgases in der Kammer. Daher können die auftretenden Zeitverluste bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik, die mit einem Wechsel des Prozessgases zusammenhängen, vermieden werden. Zusatzpartikel, die nicht auf die Oberfläche des in Entstehung befindlichen Bauteils appliziert werden sollen, verbleiben in der Folie und können mit dieser nach Durchführung des Verfahrensschritts entfernt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Pulverbett nicht durch die Materialien anderer Zusammensetzung verunreinigt wird, so dass das nicht verbrauchte Pulver des Pulverbetts anschließend einer erneuten Verwendung zugeführt werden kann. Another advantage is that the film can be applied in a simple way instead of a powder layer on the surface of the component. This process takes no longer than the application of a powder layer and requires no change of the process gas in the chamber. Therefore, the time lost in the prior art method associated with a change of the process gas can be avoided. Additional particles that are not to be applied to the surface of the component being formed, remain in the film and can be removed with this after performing the process step. This has the advantage that the powder bed is not contaminated by the materials of other composition, so that the unused powder of the powder bed can subsequently be recycled.

Je nachdem, welche Anforderungen das hergestellte Bauteil erfüllen soll und wie die Zusatzpartikel in das Material des Bauteils integriert werden sollen, kann das Verfahren ausgestaltet werden. So kann der Energieeintrag des Energiestrahls während der Entfernung der Folie durch den Energiestrahl so eingestellt werden, dass dieser ausreicht, um die Zusatzpartikel aufzuschmelzen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der Energieeintrag des Energiestrahls während der Entfernung der Folie ausreicht, um das Bauteil an seiner Oberfläche aufzuschmelzen. Je nachdem, ob die Zusatzpartikel oder das Material des Bauteils einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, wird entweder zuerst das Bauteil, auf dem sich die Zusatzpartikel befinden, oder die Zusatzpartikel selbst aufgeschmolzen. Hierdurch wird eine Haftung der mittels der Folie hergestellten Lage auf dem Bauteil gewährleistet. Wenn die Zusatzpartikel aufgeschmolzen werden, so bildet sich eine Schicht auf dem bereits hergestellten Bauteil aus, die je nach Dichte der Partikelbelegung auf der Oberfläche des Bauteils partiell oder vollständig deckend sein kann. Schmilzt zuerst das Bauteil auf, so werden die Zusatzpartikel in die Gefügematrix des Bauteils eingelagert. Depending on which requirements the manufactured component is to meet and how the additional particles are to be integrated into the material of the component, the method can be configured. Thus, the energy input of the energy beam during the removal of the film by the energy beam can be adjusted so that it is sufficient to melt the additional particles. Another possibility is that the energy input of the energy beam during the removal of the film is sufficient to melt the component on its surface. Depending on whether the additional particles or the material of the component has a lower melting point, either the component on which the additional particles are located or the additional particles themselves are first melted. As a result, adhesion of the layer produced by means of the film is ensured on the component. When the additive particles are melted, a layer is formed on the already produced component, which can be partially or completely opaque depending on the density of the particle occupation on the surface of the component. If the component first melts, the additional particles are stored in the matrix of the component.

Es ist aber auch möglich, dass der Energieeintrag des Energiestrahls ausreicht, damit sowohl die Zusatzpartikel als auch die Oberfläche des in Entstehung befindlichen Bauteils aufgeschmolzen werden. Hierdurch ist es möglich, dass das Material der Zusatzpartikel eine Legierung mit dem Material des Bauteils ausbildet (und zwar desjenigen Teiles des Bauteils, welches schon hergestellt wurde). Die Legierung kann in diesem Fall durch Bildung eines Mischkristalls erfolgen, da eine Diffusion der beiden Materialien möglich ist. But it is also possible that the energy input of the energy beam is sufficient so that both the additional particles and the surface of the component being formed are melted. This makes it possible that the material of the additional particles forms an alloy with the material of the component (and that part of the component that has already been produced). The alloy can be made in this case by forming a mixed crystal, since a diffusion of the two materials is possible.

Natürlich ist es vorteilhaft auch möglich, dass nach dem Bearbeiten der Folie mit dem Energiestrahl eine weitere Lage von Pulverpartikeln auf das Pulverbett aufgetragen wird und damit eine weitere Lage des Bauteils mit dem Energiestrahl hergestellt wird. Hierdurch ist vorteilhaft die Herstellung einer Sandwich-Konstruktion möglich, wobei sich die Materialien der Pulverpartikel und der Zusatzpartikel abwechseln. Dabei lässt sich entweder ein mehrlagiger Aufbau erzielen, bei dem die Zusatzpartikel eine Lage im Bauteil ausbilden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Zusatzpartikel in das Matrixmaterial des Bauteils eingebaut werden, wobei je nach abhängig von der Steuerung des Energieeintrages das Material des schon hergestellten Teils des Bauteils oder die Pulverpartikel der auf die Folie folgenden Lage zur Verfügung stehen. Of course, it is also advantageously possible that after processing the film with the energy beam, a further layer of powder particles is applied to the powder bed and thus a further position of the component is produced with the energy beam. As a result, the production of a sandwich construction is advantageously possible, with the materials of the powder particles and the additional particles alternating. In this case, either a multilayer structure can be achieved in which the additional particles form a layer in the component. Another possibility is that the additional particles are incorporated into the matrix material of the component, depending on the control of the energy input, the material of the already manufactured part of the component or the powder particles of the following on the film layer are available.

Der Energieeintrag in die nachfolgend hergestellte Lage aus Pulverpartikeln kann auch so hoch gewählt werden, dass dieser ausreicht, damit die zuvor abgeschiedenen Zusatzpartikel oder ein vorher aus den Zusatzpartikeln entstandenes Zwischenprodukt aufgeschmolzen wird. Auf diesem Weg ist nach den bereits geschilderten Mechanismen auch eine Legierungsbildung zwischen den Zusatzpartikeln und den nachfolgend aufgebrachten Pulverpartikeln möglich. The energy input into the subsequently produced layer of powder particles can also be chosen so high that it is sufficient for the previously deposited additional particles or an intermediate product previously formed from the additional particles to be melted. In this way, according to the already described mechanisms, it is also possible to form an alloy between the additional particles and the subsequently applied powder particles.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Folie in zumindest einer Dimension mindestens die Abmessungen des Pulverbettes aufweist. Damit kann eine Folie mit Standard-Abmessungen verwendet werden, um unabhängig von der Geometrie des herzustellenden Bauteils auf dieses appliziert werden zu können, da das Bauteil selbst die Abmessungen des Pulverbettes nicht überschreiten kann. It is particularly advantageous if the film in at least one dimension at least the Has dimensions of the powder bed. Thus, a film with standard dimensions can be used to be applied to this independent of the geometry of the component to be manufactured, since the component itself can not exceed the dimensions of the powder bed.

Eine Alternative hierzu ist eine geometrische Anpassung der Folienfläche an das herzustellende Bauteil. Hierbei kann der Verbrauch an Zusatzpartikeln optimiert werden, was insbesondere bei teuren Zusatzpartikeln von Vorteil ist. An alternative to this is a geometrical adaptation of the film surface to the component to be produced. In this case, the consumption of additional particles can be optimized, which is particularly advantageous for expensive additional particles.

Wenn eine standardisierte Folie Verwendung finden soll, ist es von besonderem Vorteil, diese von einer Vorratsrolle abzurollen und die Folienreste, das heißt Regionen der Folie, die für die Applikation der Zusatzpartikel auf das in Entstehung befindliche Bauteil nicht genutzt werden, auf eine andere Rolle wieder aufzurollen. Dieses Material kann vorteilhaft recycelt werden. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass die Zusatzpartikel, die nicht auf das Bauteil appliziert werden, aus dem Prozessraum einfach entfernt werden können, wenn die weitere Rolle voll ist. If a standardized film is to be used, it is particularly advantageous to unroll it from a supply roll and to restore the film residues, ie regions of the film which are not used for the application of the additional particles to the component being formed, to another roll roll up. This material can be beneficially recycled. In addition, this ensures that the additional particles that are not applied to the component, can be easily removed from the process room, when the other role is full.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Folie eine Aufnahmevorrichtung für das Pulverbett vollständig abdeckt, wobei an ein von der Aufnahmevorrichtung und der Folie eingeschlossenes Volumen ein Unterdruck angelegt wird. Die Aufnahmevorrichtung bildet eine wannenartige Kavität aus, in der das Pulverbett Lage für Lage aufgebaut wird. Da in dem Pulverbett durch den Energiestrahl das Bauteil hergestellt werden soll, ist die Aufnahmevorrichtung nach oben offen. Diese offene Fläche kann in einem Zwischenschritt vollständig durch die Folie abgedeckt werden, wobei das anschließende Anlegen eines Unterdruckes dazu führt, dass die Folie fest auf dem Pulverbett sowie der Oberfläche des in der Entstehung befindlichen Bauteils angepresst wird. Dieser verbessert vorteilhaft das angestrebte Ergebnis einer Applikation der Zusatzpartikel auf die Oberfläche des Bauteils. According to a further embodiment of the invention, it is provided that the film completely covers a receiving device for the powder bed, wherein a negative pressure is applied to a volume enclosed by the receiving device and the film. The receiving device forms a trough-like cavity in which the powder bed is built up layer by layer. Since the component is to be produced in the powder bed by the energy beam, the receiving device is open at the top. This open area can be completely covered by the film in an intermediate step, wherein the subsequent application of a negative pressure causes the film is pressed firmly on the powder bed and the surface of the emerging component. This advantageously improves the desired result of application of the additional particles to the surface of the component.

Um die Applikation der Zusatzpartikel im Wechsel mit einem additiven Herstellen aus einer Pulverlage durchführen zu können, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Folie mit der Applikationsvorrichtung in einen Teil der Prozesskammer bewegt werden kann, in der diese bei dem additiven Herstellen aus einer Pulverlage nicht stört. Insbesondere kann eine axial verschiebbare Lagerung der Vorratsrolle und eventuell der weiteren Rolle vorgesehen werden, damit die Rollen abwechselnd über das Pulverbett und neben das Pulverbett geschoben werden können. In order to be able to carry out the application of the additional particles alternately with an additive production from a powder layer, it is advantageously provided that the film with the application device can be moved into a part of the process chamber in which it does not interfere with the additive production from a powder layer. In particular, an axially displaceable storage of the supply roll and possibly the other role can be provided so that the rollers can be alternately pushed over the powder bed and next to the powder bed.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen: Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage schematisch als Schnitt I-I aus 2, wobei als Prozessschritt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Herstellung einer Lage des Bauteils aus dem Pulverbett erfolgt; 1 an embodiment of the system according to the invention schematically as a section II 2 , wherein as a process step of an embodiment of the method according to the invention, a production of a layer of the component takes place from the powder bed;

2 die Anlage gemäß 1 als Schnitt II-II gemäß 1, in der der Prozess-Schritt einer Folienapplikation gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird; 2 the system according to 1 as section II-II according to 1 in which the process step of a film application according to an embodiment of the method according to the invention is carried out;

3 und 4 Ausführungsbeispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteile als Ausschnitt; 3 and 4 Exemplary embodiments of components produced by the method according to the invention as a detail;

5 und 6 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Folie mittels Vakuum appliziert wird und 5 and 6 an embodiment of the method according to the invention, in which the film is applied by means of vacuum and

7 den Schichtbildungsmechanismus bei dem Verfahren gemäß 5 und 6. 7 the film forming mechanism in the method according to 5 and 6 ,

In den 1 und 2 lassen sich die wichtigsten Elemente einer Anlage 11 zum selektiven Laserschmelzen entnehmen. Diese weist eine Prozesskammer 12 auf, in der eine Aufnahmevorrichtung 13 für ein Pulverbett 14 vorgesehen ist. Diese Aufnahmevorrichtung weist eine Seitenbegrenzung 15 für das Pulverbett auf, die topfförmig ausgebildet ist. Eine Bodenstruktur 16 lässt sich mittels eines Aktors 17 absenken, wobei eine Dosiervorrichtung 18 eine Lage 19 aus Pulver auf der Oberfläche des Pulverbettes erzeugen kann. Die Dosiervorrichtung weist einen Vorratsbehälter 20 auf, aus dem die Pulverpartikel (nicht näher dargestellt) auf das Pulverbett 14 rieselt. Eine Rakel 21 sorgt anschließend für die Glättung der Oberfläche der ausgebildeten Lage 19. In the 1 and 2 can be the most important elements of a plant 11 for selective laser melting. This has a process chamber 12 on, in which a cradle 13 for a powder bed 14 is provided. This receiving device has a side boundary 15 for the powder bed, which is cup-shaped. A soil structure 16 can be by means of an actuator 17 Lower, with a metering device 18 a location 19 from powder on the surface of the powder bed can produce. The metering device has a reservoir 20 on, from which the powder particles (not shown in detail) on the powder bed 14 trickles. A squeegee 21 then provides for the smoothing of the surface of the formed layer 19 ,

Ein Energiestrahl 22 in Form eines Laserstrahls wird mit einer Umlenkvorrichtung 23 auf die Lage 19 des Pulverbettes gerichtet, wobei durch Aufschmelzen der Pulverpartikel eine Lage 24 eines herzustellenden Bauteils 25 entsteht (diese ist durch eine strichpunktierte Linie 26 angedeutet, wobei in Wirklichkeit ein monolithisches Bauteil entsteht). An energy ray 22 in the form of a laser beam is used with a deflection device 23 on the location 19 directed to the powder bed, wherein by melting the powder particles one layer 24 a component to be produced 25 arises (this is by a dot-dash line 26 indicated, in reality, a monolithic component is formed).

In 2 ist dargestellt, wie nicht näher dargestellte Zusatzpartikel 27 (vgl. 7), die in einer Folie 28 dispers verteilt sind, auf das in Entstehung befindliche Bauteil 25 aufgebracht werden können. Zu diesem Zweck ist die Folie 28 auf einer Vorratsrolle 29 aufgerollt und überdeckt dabei das Pulverbett 14 sowie das in Entstehung befindliche Bauteil 25. Eine Erzeugungsvorrichtung 30 (beispielsweise Laser) für den Energiestrahl 22, die auch gemäß 1 schon zum Einsatz kam, erzeugt den Energiestrahl 22, mit dem die Folie 28 im Bereich des Bauteils 25 verdampft wird. Damit verbleiben die Zusatzpartikel auf dem Bauteil 25. Da die Folie nur im Bereich des Bauteils 25 aufgeschmolzen und verdampft wird, verbleiben Folienreste 31, die auf eine weitere Rolle 32 wieder aufgerollt werden (Reel-to-Reel-Prozess). In 2 is shown as not shown additional particles 27 (see. 7 ), in a slide 28 are distributed disperse, on the emerging component 25 can be applied. For this purpose, the foil 28 on a supply roll 29 rolled up and covers the powder bed 14 as well as the emerging component 25 , A generating device 30 (For example, laser) for the energy beam 22 that also according to 1 already used, generates the energy beam 22 with which the film 28 in the area of the component 25 is evaporated. This leaves the additional particles on the component 25 , Because the film is only in the area of the component 25 is melted and evaporated, remain film residues 31 that's on another role 32 rolled up again (reel-to-reel process).

Damit eine Applikation von Lagen 19 mit Hilfe der Dosierungsvorrichtung 18 und einer Applikation der Folie 28 im Wechsel erfolgen können, kann die Dosierungsvorrichtung 18 gemäß 1 in einen Bereich 33 der Prozesskammer 12 gebracht werden, wo die Applikation der Folie nicht gestört wird. Genauso kann die Vorratsrolle 29 und die weitere Rolle 32 senkrecht der Bildebene von 2 verschoben werden, um in einen Bereich 34 gemäß 1 gebracht zu werden, wo die Applikation von Pulverpartikeln mit der Dosierungsvorrichtung 18 nicht gestört wird. So an application of layers 19 with the help of the dosing device 18 and an application of the film 28 can take place alternately, the metering device 18 according to 1 in an area 33 the process chamber 12 be brought where the application of the film is not disturbed. The same may be the supply roll 29 and the further role 32 perpendicular to the image plane of 2 be moved to an area 34 according to 1 to be brought where the application of powder particles with the dosing device 18 not disturbed.

In 3 ist der Randbereich des Bauteils 25 mit seiner Oberfläche 35 dargestellt. Zu erkennen sind zwei Lagen 24, die mittels des Laserschmelzens im Pulverbett gemäß 1 hergestellt wurden. Zwischen diesen beiden Lagen 24 befindet sich eine Zwischenlage 36, die durch Auflegen und Laserbestrahlen gemäß 2 hergestellt wurde. Die Verfahrensparameter bei den Schritten gemäß 1 und 2 wurden so gewählt, dass die Partikel in der Folie 28 aufgeschmolzen wurden, wodurch die Zwischenlage 36 entstand. Bei der nachfolgenden Herstellung der oberflächennahen Lage 24 aus Pulverpartikeln wurde der Energieeintrag so bemessen, dass die vorher ausgebildete Zwischenlage 36 noch einmal aufgeschmolzen wurde. Daher sind die Lagen in dem fertiggestellten Bauteil 25 als solche nicht mehr zu erkennen und lediglich durch die strichpunktierten Linien 26 angedeutet. Während der Herstellung der Lagen 24 sowie der Zwischenlage 36 erfolgt eine Legierungsbildung, so dass die Konzentration c_Z in Abhängigkeit von dem Abstand a von der Oberfläche 35 den in 3 angedeuteten Verlauf ergibt. Das Material der Zusatzpartikel aus der Zwischenlage 36 diffundiert demnach sowohl in die unter der Zwischenlage 36 liegende Lage 24 als auch in die darüber liegende. Da die darunterliegende Lage 24 nur an ihrer Oberfläche angeschmolzen wird, nimmt die Konzentration des Materials der Zusatzpartikel unterhalb der Zwischenlage 36 mit steigendem Abstand a sehr schnell ab. Da die oberflächennahe Lage 24 bei ihrer Herstellung vollständig aufgeschmolzen wird, und die Zwischenlage 36 ebenfalls aufgeschmolzen wird, stellt sich von der Oberfläche 35 bis zur Zwischenlage 36 ein verhältnismäßig ausgeglichenes Profil der Konzentration c_Z ein. In 3 is the edge area of the component 25 with its surface 35 shown. You can see two layers 24 , which by means of laser melting in the powder bed according to 1 were manufactured. Between these two layers 24 there is an intermediate layer 36 by applying and laser irradiation according to 2 was produced. The process parameters in the steps according to 1 and 2 were chosen so that the particles in the film 28 were melted, causing the liner 36 originated. In the subsequent production of the near-surface layer 24 From powder particles, the energy input was measured so that the previously formed intermediate layer 36 was melted once again. Therefore, the layers are in the finished part 25 no longer recognizable as such and only by the dot-dash lines 26 indicated. During the production of the layers 24 as well as the liner 36 Alloying takes place, so that the concentration c _Z as a function of the distance a from the surface 35 the in 3 indicated course results. The material of the additional particles from the intermediate layer 36 diffuses accordingly both in the under the liner 36 lying position 24 as well as in the overlying. Because the underlying location 24 only at its surface is melted, the concentration of the material of the additional particles takes below the intermediate layer 36 with increasing distance a very fast. Because the near-surface location 24 is completely melted during their preparation, and the liner 36 is also melted, turns from the surface 35 until the liner 36 a relatively balanced profile of concentration c _Z.

Gemäß 4 ist dargestellt, dass der Energieeintrag bei der Herstellung der Lagen 24 aus dem Pulverbett sowie der Zwischenlage 36 auch so eingestellt werden kann, dass es im Wesentlichen nicht zu Diffusionsvorgängen zwischen den einzelnen Lagen kommt. Hierbei muss die vorhergehende Lage bzw. Zwischenlage immer nur soweit angeschmolzen werden, dass die Haftung der nachfolgenden Lage gewährleistet ist. Diffusionsvorgänge bei dieser Verfahrensführung vernachlässigbar. According to 4 is shown that the energy input in the production of the layers 24 from the powder bed as well as the intermediate layer 36 can also be adjusted so that there is essentially no diffusion processes between the individual layers. In this case, the previous layer or intermediate layer must always be melted only to the extent that the adhesion of the subsequent layer is guaranteed. Diffusion processes negligible in this process.

Gemäß 5 ist dargestellt, wie die Folie 28 derart auf die Aufnahmevorrichtung 13 für das Pulverbett aufgebracht werden kann, dass an den Rändern der Seitenbegrenzung 15 eine Abdichtung erfolgt. Hierdurch entsteht ein abgeschlossener Hohlraum 37, der durch Anlegen eines Druckunterschiedes Δp an Vakuumanschlüssen 38 dazu führt, dass sich die Folie 28 an die Kontur des Bauteils 25 anlegt (vgl. 6). Zu bemerken ist, dass die Anwendung des Schrittes der Folienapplikation gemäß 5 dazu verwendet wird, um das bereits fertiggestellte Bauteil 25 noch in der Prozesskammer 12 der Anlage 11 mit einer Oberflächenschicht 39 (vgl. 7) zu versehen. Deswegen wurde das Pulverbett vorher entfernt, so dass der Hohlraum 37 entstand. Nicht dargestellt, jedoch auch vorteilhaft ist es, wenn das Vakuum Δp auch während einer Folienapplikation als Zwischenschritt (vgl. 2) angelegt wird, da hierdurch eine innige Verbindung der Folie 28 mit dem in Entstehung befindlichen Bauteil 25 gewährleistet ist. Die Anwesenheit des Pulverbettes 14 in der Aufnahmevorrichtung 13 ist für die Erzeugung des Vakuums kein Hindernis, da das Pulverbett porös genug ist, damit die Luft in den Zwischenräumen zwischen den Pulverpartikeln abgesaugt werden kann. According to 5 is shown as the slide 28 such on the recording device 13 can be applied to the powder bed, that at the edges of the side boundary 15 a seal is made. This creates a closed cavity 37 by applying a pressure difference Δp to vacuum ports 38 This causes the slide 28 to the contour of the component 25 applies (cf. 6 ). It should be noted that the application of the step of film application according to 5 is used to the already completed component 25 still in the process chamber 12 the plant 11 with a surface layer 39 (see. 7 ) to provide. Because of this, the powder bed was previously removed, leaving the cavity 37 originated. Not shown, but it is also advantageous if the vacuum Ap is also used during a film application as an intermediate step (cf. 2 ) is applied, as a result, an intimate connection of the film 28 with the component being developed 25 is guaranteed. The presence of the powder bed 14 in the cradle 13 is not an obstacle to the generation of the vacuum, since the powder bed is porous enough so that the air can be sucked in the spaces between the powder particles.

In 6 lässt sich erkennen, wie mittels des Energiestrahls 22 die Folie auf der Oberfläche des Bauteils 25 aufgeschmolzen wird. Dies erfolgt analog zu dem zu 2 beschriebenen Verfahren, wobei in 7 dargestellt ist, wie der Energiestrahl 22 das Material der Folie 28 verdampft und die Zusatzpartikel 27 aufschmelzt, so dass die Oberflächenschicht 39 entsteht. Auch hier ist wieder die Konzentration c_Z des Materials der Zusatzpartikel 27 in der Oberflächenschicht 39 dargestellt, die im Wesentlichen konstant ist. Eine gewisse Diffusion in das Bauteil 25 findet ebenfalls statt, wobei die Konzentration c_Z mit zunehmendem Abstand a zur Grenzfläche zwischen der Oberflächenschicht 39 und dem Bauteil 25 schnell auf 0 absinkt. In 6 can be recognized, as by means of the energy beam 22 the film on the surface of the component 25 is melted. This is done analogously to the 2 described method, wherein in 7 is shown as the energy beam 22 the material of the film 28 evaporated and the additional particles 27 melts, leaving the surface layer 39 arises. Again, the concentration c _{Z of} the material of the additional particles is again 27 in the surface layer 39 which is substantially constant. A certain diffusion into the component 25 also takes place, wherein the concentration c _Z with increasing distance a to the interface between the surface layer 39 and the component 25 quickly drops to 0.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008030186 A1 [0003]
DE 102006029572 A1 [0003]

Claims

Method for powder-bed-based additive production of a component ( 25 ), in which the component ( 25 ) in a powder bed ( 14 ) from powder particles by melting with an energy beam ( 22 ) is produced in layers, characterized in that after completion of the production of a layer ( 24 ) of the component ( 25 ) on the component one with • additional particles ( 27 ) filled foil ( 28 ) is applied, wherein the additional particles ( 27 ) differ in their properties from the powder particles, and • with the energy beam ( 22 ) the film material of the film ( 28 ), whereby the energy input of the energy beam ( 22 ) is sufficient to ensure a permanent connection of the additional particles ( 27 ) with the component ( 25 ).

Method according to claim 1, characterized in that the energy input of the energy beam ( 22 ) during the removal of the film ( 28 ) is sufficient to remove the additional particles ( 27 ) melt down.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy input of the energy beam ( 22 ) during the removal of the film ( 28 ) is sufficient to remove the component ( 25 ) to melt on its surface.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that the material of the additional particles ( 27 ) forms an alloy with the material of the component.

A method according to claim 3, characterized in that at the process temperatures temperature-resistant additive particles ( 27 ) which are incorporated into the matrix of the component ( 25 ) to be built in.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that • after processing the film ( 28 ) with the energy beam ( 22 ) another location ( 19 ) of powder particles on the powder bed ( 14 ) and • another layer ( 24 ) of the component with the energy beam ( 22 ) will be produced.

A method according to claim 6, characterized in that the energy input of the energy beam ( 22 ) in the production of the further layer ( 24 ) of the component is sufficient to the previously deposited additional particles ( 27 ) or one of the additional particles ( 27 ) melted intermediate product.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the film ( 28 ) has at least the dimensions of the powder bed in at least one dimension.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the film ( 28 ) from a supply roll ( 29 ) and film residues ( 31 ) to another role ( 32 ) be rolled up again.

Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that the film ( 28 ) a receiving device ( 13 ) for the powder bed ( 14 ), wherein one of the receiving device ( 13 ) and the film ( 28 ) enclosed volume a vacuum is applied.

Plant for powder-bed-based additive production of a component ( 25 ) with a process chamber ( 12 ), in which a receiving device ( 13 ) for a powder bed ( 14 ) and a generating device ( 30 ) for an energy beam ( 22 ) is provided, characterized in that in the process chamber • a supply of one with additional particles ( 27 ) filled foil ( 28 ) is provided and • an application device is provided, with which the film ( 28 ) on the receiving device ( 13 ) is placeable.

Installation according to claim 11, characterized in that the stock as a supply roll ( 29 ) is trained.

Plant according to claim 12, characterized in that the supply roll ( 29 ) seen in the unwinding against another role ( 32 ) is arranged in the process chamber.

Plant according to claim 12 or 13, characterized in that the application device for the supply roll ( 29 ) or the supply roll ( 29 ) and the further role ( 32 ) has an axially displaceable mounting.