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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 mehrere blech-, draht- oder pulverförmige, metallhaltige Ausgangswerkstoffe schichtweise aufgetragen und hierbei zu dem Werkstoffgemisch verschmolzen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Hierbei wird der Begriff „metallisches Werkstoffgemisch“ 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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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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Nachteilig bei der Verwendung einer bereits fertigen Legierung bzw. Werkstoffsystems für die additive Fertigung von Bauteilen und Komponenten ist, dass aufgrund spezifischer Effekte, wie z. B. Einfluss der Schwerkraft oder das Einbringen definierter Legierungselemente, nur eine begrenzte Auswahl an metallischen Werkstoffgemischen, wie z. B. Legierungen, großtechnisch in der gewünschten Zusammensetzung herstellbar sind.
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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, sind geeignet, diese Limitierungen zu umgehen.
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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.
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US 2005/0133527 A1 offenbart ein Verfahren zur additiven Fertigung unter Verwendung von Pulver, das ebenfalls eine Mischung von wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien erlaubt, um graduelle Übergänge in der Materialzusammensetzung des Formkörpers herzustellen. Die Pulvermischung wird mit einem Trägergas gezielt auf den Brennfleck eines Lasers geblasen, wo sie aufgeschmolzen und als Legierung mit gemäß der Pulveranteile vorgegebener Zusammensetzung abgeschieden wird.
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Nachteilig an Pulververfahren sind die vergleichswiese hohen Kosten für die Ausgangsmaterialien. Außerdem ist durch die Verwendung nur einer Düse bei der 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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Ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Formkörpers aus einem metallischen Werkstoffgemisch mit einem graduellen Werkstoffübergang, bei welchem jede abgeschiedene Schicht eine gegenüber der zuvor abgeschiedenen Schicht andere Zusammensetzung aufweist, ist in
US 2015/0044084 A1 gezeigt. Hierbei kann Laserauftragschweißen unter Verwendung mehrerer drahtförmiger Ausgangswerkstoffe verwendet werden, wobei die Ausgangswerkstoffe gleichzeitig, im der vorgegebenen Materialzusammensetzung der zu erstellenden Legierung entsprechenden Mengenverhältnis an ihren Drahtspitzen aufgeschmolzen und im Schmelzbad gemischt werden.
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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 einem in der Materialzusammensetzung und/oder der Mikrostruktur (z. B. Korngröße) beliebig vorgebbaren, insbesondere auch nach Vorgaben lokal variierenden metallischen Werkstoffgemisch unter Vermeidung von Seigerungseffekten erzeugbar sein soll.
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Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes und hinsichtlich der Vorrichtung aus den Merkmalen des Anspruchs 10; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Nach Maßgabe der Erfindung werden zur additiven Fertigung des aus einem vorgegebenen (und durch Materialbeschreibungsdaten beschriebenen) metallischen Werkstoffgemisch bestehenden Formkörpers mindestens zwei schmelzbare, draht-, band-, pulver- oder blechförmige Ausgangswerkstoffe (elementar vorliegend, d. h. aus nur einem chemischen Element bestehend, oder in Form einer Legierung oder chemischen Verbindung) eingesetzt, deren Mischung in entsprechenden Mengenverhältnissen zu dem gewünschten metallischen Werkstoffgemisch führt.
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Erfindungsgemäß wird zuerst eine Schicht eines ersten der mindestens zwei schmelzbaren Ausgangswerkstoffe abgeschieden, indem der Werkstoff mittels Energiezufuhr (z. B. mittels Lichtbogens oder Laserstrahls) aufgeschmolzen und in schmelzflüssiger Phase auf einer Druckplattform oder einer zuvor erzeugten Schicht des herzustellenden Formkörpers aufgebracht wird. Unter Dissipation von Wärmeenergie (passiv durch Wärmetransport aufgrund eines Temperaturgradienten oder aktiv mittels Kühlung) erstarrt die Schmelze. Somit wird eine erstarrte Schicht des ersten Ausgangswerkstoffs erzeugt. Hierbei kann vorgesehen sein, eine vollständige Schicht gemäß eines durch Geometriebeschreibungsdaten vorgegeben Querschnitts des Formkörpers oder nur einen Teilbereich der Schicht, z. B. einen oder mehrere Streifen, zu fertigen.
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Anschließend wird ein zweiter Ausgangswerkstoff mittels Energiezufuhr aufgeschmolzen und in schmelzflüssiger Phase auf oder neben die zuvor erzeugte Schicht (bzw. den zuvor erzeugten Teilbereich der Schicht) abgeschieden, wobei die zuvor erzeugte (und bereits erstarrte) Schicht erneut aufgeschmolzen wird. Für das erneute Aufschmelzen des bereits erstarrten ersten Ausgangswerkstoffs kann die in dem schmelzflüssig aufgebrachten zweiten Ausgangswerkstoff enthaltene Wärmeenergie oder ein mittels Energiezufuhr in den erstarrten ersten Ausgangswerkstoff zusätzlich eingebrachter Wärmeeintrag verwendet werden.
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Aufgrund von Konvektion und Diffusion werden sodann der erste und der zweite Ausgangswerkstoff in schmelzflüssiger Phase zu einer schmelzflüssigen Werkstoffmischung vermischt, d. h., die Ausgangswerkstoffe werden durch Energiezufuhr lokal sofort umgeschmolzen.
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Hierbei wird die Zusammensetzung der Werkstoffmischung durch das Mengenverhältnis der schmelzflüssig vorliegenden, zu mischenden Ausgangswerkstoffe bestimmt, d. h., die letztendlich zu dem gewünschten metallischen Werkstoffgemisch zu verschmelzenden Ausgangswerkstoffe werden miteinander in dementsprechenden Volumenanteilen in schmelzflüssiger Phase unter Ausbildung der Werkstoffmischung vermischt.
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Durch gezielte, aktive oder durch passive Kühlung erstarrt schließlich die schmelzflüssige Werkstoffmischung unter Ausbildung eines festen metallischen Werkstoffgemischs, d. h. Legierung, intermetallischen Phase oder anderen metallischen Stoffgemisches, mit vorgegebener Zusammensetzung und Mikrostruktur.
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Eine gezielte, aktive Kühlung erfolgt vorzugsweise lokal, d. h. auf den Bereich der Oberfläche des Formkörpers beschränkt, durch z. B. lokal mittels einer Düse zugeführten Prozessgases.
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Vorzugsweise werden zwei unterschiedliche Ausgangswerkstoffe in dieser Art zu dem gewünschten metallischen Werkstoffgemisch vermischt. Es kann aber auch vorgesehen sein, noch wenigstens einen weiteren Ausgangswerkstoff in der vorbeschriebenen Art mit den zuvor abgeschiedenen, bereits erstarrten Schichten zu vermischen.
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Auf diese Weise wird jede Lage des lagenweise aufzubauenden Formkörpers in sich wiederholenden Schritten des Verfahrens aufgebaut, wobei insbesondere die Zusammensetzung des metallischen Werkstoffgemischs jeweils gezielt (lokal oder global) im Formkörper einstellbar ist. Hierbei kann die Zusammensetzung innerhalb einer Schicht variieren, z. B. graduell von einem ersten zu einem zweiten metallischen Werkstoffgemisch übergehen, und/oder in Aufbaurichtung, d. h. jede Schicht weist eine gegenüber der darunterliegenden Schicht veränderte Zusammensetzung auf.
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So können Formkörper mit einer homogenen Zusammensetzung, aber auch mit lokal variierenden Zusammensetzungen, z. B. einem Werkstoffgradienten, hergestellt werden.
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Bevorzugt wird der zweite (und ggf. der dritte und weitere nachfolgende) Ausgangswerkstoff schmelzflüssig auf die zuvor abgeschiedene Schicht aufgebracht, wobei diese (darunterliegende) Schicht wieder aufgeschmolzen wird, sodass sich die Ausgangswerkstoffe vermischen.
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In vorteilhafter Weise kann die Dicke der abzuscheidenden Schichten entsprechend eines Gradienten der Materialzusammensetzung im Formkörper, d. h., einer Ausdehnung der im Formkörper lokal zu variierenden Zusammensetzung und/oder Struktur des Werkstoffgemisches, angepasst werden. Die durch das sukzessive Abscheiden und Vermischen der Ausgangswerkstoffe erzeugten Schichten können also jeweils eine unterschiedliche Dicke im Vergleich zu benachbarten Schichten aufweisen.
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Es kann auch vorgesehen sein, den ersten Ausgangswerkstoff nur bereichsweise innerhalb der jeweils durch die Geometriebeschreibungsdaten vorgegeben Schichten des Formkörpers abzuscheiden. Beispielsweise werden parallel und zueinander beabstandet angeordnete Streifen abgeschieden. Der nachfolgend abzuscheidende, zweite Ausgangswerkstoff wird dann in die noch freigebliebenen Teilbereiche der auszubildenden Schicht, also z. B. zwischen die Streifen des ersten Ausgangswerkstoffes, aufgebracht, wobei die daneben liegenden, bereits erstarrten Schichtbereiche (bestehend aus dem ersten Ausgangswerkstoff) wieder aufgeschmolzen und mit dem zweiten Ausgangswerkstoff vermischt werden. Hierbei kann die Zusammensetzung des zu bildenden Werkstoffgemisches durch die Flächenausdehnung der jeweiligen Teilbereiche (z. B. durch die Streifenbreite) festgelegt werden.
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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 metallische Werkstoffgemisch nach der Gefügebildung durch eine Mikrostruktur (d. h. das Gefüge, beispielsweise eine 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. Mittels einer aktiven Kühlung kann die Gefügebildung kontrolliert durchgeführt werden, indem z. B. das Erstarrungsverhalten der nach dem Aufbringen des zweiten Ausgangswerkstoffes 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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Erfindungswesentlich ist, dass die für die Gefügebildung des metallischen Werkstoffgemischs vorgesehenen Ausgangswerkstoffe getrennt abgeschieden werden, wobei sie während des Abscheidens der jeweils nachfolgenden Schicht in der schmelzflüssigen Phase gemischt werden. 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 beeinflusst wird.
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Das Mischungsverhältnis der einzelnen Werkstoffe kann erfindungsgemäß veränderlich sein, d. h., die Materialzusammensetzung kann in weiten Grenzen durch die Einzelvolumina der jeweiligen aufgebrachten und zusammengeführten Ausgangswerkstoffe eingestellt werden. Insbesondere kann die lokale Zusammensetzung des Werkstoffgemischs innerhalb des Formkörpers z. B. durch die Dicke der Schicht des ersten Ausgangswerkstoffes variiert werden.
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Durch das erfindungsgemäße additive Verfahren ist es folglich möglich, dass aus mehreren Ausgangswerkstoffen bestehende Bauteile mit maßgeschneiderten metallischen Gefügen, wie etwa Legierungen, hergestellt werden, indem (wiederholt) eine vergleichsweise nur geringe Menge (z. B. Tröpfchengröße) von einer schmelzflüssige Werkstoffmischung durch erneutes Aufschmelzen bereits abgeschiedener, erstarrter Bereiche und Vermischen der Ausgangswerkstoffe in schmelzflüssiger Phase erzeugt wird, die einer anschließenden, gezielten Erstarrung 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 Schmelzschichtungsverfahren (wie z. B. Laserschmelzen, formgebendes Schweißen, US-Schweißen etc.), mittels derer einzelne 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 in unterschiedlichen Verhältnissen vermischt werden können.
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Vorteile der Erfindung bestehen auch darin, dass das gewünschte metallische Werkstoffgemisch 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 metallisches Werkstoffgemisch 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 durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugen.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird der gesamte, schichtweise aufzubauende Formkörper während der Fertigung temperiert, d. h. gekühlt oder erwärmt. Hierbei kann vorgesehen sein, dem Formkörper ausdrücklich einen räumlichen und/oder einen zeitlichen Temperaturgradienten aufzuerlegen. Durch eine definierte Wärmeführung lässt sich in vorteilhafter Weise die Werkstoffzusammensetzung zusätzlich, d. h. neben der gezielten Kühlung der schmelzflüssigen Werkstoffmischung bzw. des Formkörpers, 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. Hierzu kann zur gezielten lokalen Kühlung ein Prozessgasgemisch eingesetzt sein, dessen Zusammensetzung durch zeitlich variable Mischung von einzelnen Prozessgasen in entsprechenden Anteilen während der Abkühlungsphase verändert wird.
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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 der Formkörper in einem abgedichteten Bauraum hergestellt werden, in welchen ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid (nachfolgend Wärmeübertragungsflüssigkeit genannt) eingeleitet wird. Hierbei kann vorgesehen sein, den Bauraum mit Wärmeübertragungsflüssigkeit nur teilweise oder auch vollständig zu fluten.
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Hierfür kann die Wärmeübertragungsflüssigkeit durch den Bauraum strömen, wofür die Wandungen des Bauraums z. B. Wärmeübertragungsfluid-Eintrittsöffnungen, durch welche die Wärmeübertragungsflüssigkeit in den Bauraum eintritt, und Wärmeübertragungsfluid-Austrittsöffnungen, durch welche die Wärmeübertragungsflüssigkeit aus dem Bauraum heraustritt, aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, den schichtweisen Aufbau in stehender Flüssigkeit durchzuführen. Es wird also nur Wärmeübertragungsflüssigkeit in den Bauraum eingeleitet, bis ein vorgegebener Flüssigkeitsstand erreicht ist.
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Indem die bereits fertiggestellten Teile des Formkörpers von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit umschlossen sind, sind diese Bereiche zudem äußerlich, z. B. vor anhaftenden Spritzern, geschützt, was den erforderlichen Nachbearbeitungsaufwand erheblich minimieren kann. Außerdem kann die den Formkörper umschließende, d. h. seine gesamte Oberfläche abdeckende, Wärmeübertragungsflüssigkeit (neben der ggf. im Bauraum vorherrschenden Prozessgasatmosphäre) als Oxidationsschutz wirken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als Wärmeübertragungsflüssigkeit z. B. eine korrosionsverhütende Flüssigkeit verwendet wird.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass als Kühlmittel für die gezielte Kühlung der schmelzflüssigen Werkstoffmischung bzw. des Formkörpers ebenfalls die in den Bauraum eingebrachte Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet wird, wobei für den in diesem Falle stetigen Zufluss von Wärmeübertragungsflüssigkeit in den Bauraum z. B. eine Wärmeübertragungsfluid-Austrittsöffnung vorgesehen sein muss.
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Unter dem Begriff „Bearbeitungspunkt“ wird die Position, d. h. ein lokal begrenzter Bereich, auf der Oberfläche des bereits fertiggestellten Teils des Formkörpers verstanden, an der jeweils ein schmelzflüssiger Ausgangswerkstoff auf die Oberfläche aufgebracht bzw. die Energie zum lokalen Aufschmelzen der bereits erstarrten Schicht eingebracht 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. Hierbei wird der Bearbeitungspunkt abweichend von einem durch die Geometriebeschreibungsdaten vorgegeben Bahnverlauf innerhalb der zu fertigenden Schicht springend bewegt. Während ein gerade abgeschiedener schmelzflüssiger Tropfen eines Ausgangswerkstoffes (ggf. unter Ausbildung des Werkstoffgemischs) noch abkühlt, kann bereits an einer räumlich davon getrennten Position ein weiterer schmelzflüssiger Tropfen des Ausgangswerkstoffes abgeschieden werden. Somit können z. B. auch mehrere Schichten zugleich gefertigt werden, indem bereits eine weitere Schicht gefertigt wird, während die darunterliegende Schicht noch nicht vollständig fertiggestellt ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung können für eine Kornfeinung den schmelzflüssigen Ausgangswerkstoffen 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 zur jeweils unabhängigen Zuführung von Ausgangswerkstoffen zu dem Bearbeitungspunkt und eine Kühlmittelzuführung, die gezielt dem Bereich des Bearbeitungspunktes (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, insbesondere die Menge des dem Bearbeitungspunkt zugeführten Ausgangswerkstoffes, 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 schmelzflüssiger Werkstoff abgeschieden wurde, durchführbar ist, während zeitgleich an einer zweiten, von der ersten räumlich getrennten Position ein Ausgangswerkstoff schmelzflüssig 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 Ausgestaltungsvariante des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Der Formkörper 1 wird auf der Aufbaufläche 5.1 der Druckplattform 5 schichtweise aufgebaut, indem von dem von der ersten Werkstoffzuführeinheit 4 zugeführten, ersten Ausgangswerkstoff 2, hier einem Metalldraht aus Titan, durch Abschmelzen von der Drahtspitze die Schicht 1.1 abgeschieden wird (1a).
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Nach dem Erstarren der Schicht 1.1 wird der mittels der zweiten Werkstoffzuführeinheit 9 zugeführte, zweite Ausgangswerkstoff 3, hier in Form eines Metalldrahts aus Aluminium, im Mengenverhältnis der zu bildenden intermetallischen Phase von der Drahtspitze abgeschmolzen, wobei gleichzeitig die Schicht 1.1 im Bereich des darauf abgeschiedenen schmelzflüssigen Werkstoffes 3 ebenfalls aufgeschmolzen wird, sodass sich die beiden Ausgangswerkstoffe 2 und 3 unmittelbar zu der schmelzflüssigen Werkstoffmischung 7 (in 1b als Tropfen dargestellt) vermischen.
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Mittels der Kühlmittelzuleitung 8 wird Kühlmittel gezielt über eine (in Vorschubrichtung dem Bearbeitungspunkt nachlaufende) Düse der innerhalb der Schicht 1.1 abgeschiedenen, noch schmelzflüssigen Werkstoffmischung 7 zugeführt, sodass diese zu der intermetallischen Phase Titanaluminid γ-TiAl (mit 50 bis 55 % Aluminium) unter Ausbildung des gewünschten Gefüges erstarrt. In diesem Beispiel sind die Schichtdicken stark vergrößert dargestellt.
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Für das Aufschmelzen der Ausgangswerkstoffe 2 und 3 wird ein Lichtbogen (in der Figur nicht dargestellt) verwendet. Die dafür notwendige Energie wird von der Energiequelle 6, hier in Form eines Stromversorgungsgerätes, bereitgestellt. Entsprechend ist die Aufbaufläche 5.1 der Druckplattform 5 elektrisch leitfähig und weist einen Masseanschluss (nicht dargestellt) auf.
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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
- Werkstoffzuführeinheit
- 5
- Druckplattform
- 5.1
- Aufbaufläche
- 6
- Energiequelle
- 7
- schmelzflüssige Werkstoffmischung
- 8
- Kühlmittelzufuhr
- 9
- Werkstoffzuführeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226664 A1 [0004]
- US 2015/0135897 A1 [0004]
- WO 2015/094720 A1 [0007]
- US 2005/0133527 A1 [0008]
- US 2015/0044084 A1 [0010]
