DE102016206804A1 - 3D printing process for the additive production of metal components - Google Patents

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Abstract

Ein 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen (1) mit schichtweisem Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials, mitschichtweisem Aushärten des verflüssigten Metall-Modelliermaterials zur Bildung des Metallbauteils (1) und zur Bildung von Stützstrukturen (3), welche zur statischen Abstützung des Metallbauteils (1) während der additiven Fertigung ausgebildet sind, und mit Wegschmelzen (M3) der Stützstrukturen (3) mit Mikrowellenstrahlung (5a).A 3D printing process for the additive production of metal components (1) with stratified depositing and liquefying a metal modeling material, with layerwise hardening of the liquefied metal modeling material to form the metal component (1) and for forming support structures (3), which for static support of the Metal component (1) are formed during the additive manufacturing, and with Wegschmelzen (M3) of the support structures (3) with microwave radiation (5a).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Entfernung von Stützstrukturen während der additiven Fertigung von Metallbauteilen.The present invention relates to a 3D printing method for the additive production of metal components. In particular, the present invention is concerned with the removal of support structures during the additive fabrication of metal components.

Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, auch allgemein als „3D Druckverfahren” bezeichnet, werden ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell eines Objekts ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet. 3D-Drucken bietet außergewöhnliche Designfreiheit und erlaubt es unter anderem Objekte mit überschaubaren Aufwand herzustellen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unter erheblichem Aufwand herstellbar wären. Aus diesem Grund sind 3D-Druckverfahren derzeit weit verbreitet im Industriedesign, in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie oder generell in der industriellen Produktentwicklung, in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird.In generative or additive manufacturing processes, also commonly referred to as "3D printing process", starting from a digitized geometric model of an object, one or more starting materials are sequentially stacked and cured in layers. 3D printing offers exceptional design freedom and, among other things, makes it possible to produce objects with manageable costs, which would not be possible or could only be produced with considerable effort using conventional methods. For this reason, 3D printing processes are currently widely used in industrial design, in the automotive industry, the aerospace industry or in general in industrial product development, in which a resource-efficient process chain for small and large-scale mass production of individualized components is used.

So wird beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, insbesondere einem Metall, aufgebaut, indem das Modelliermaterial in Pulverform auf eine Unterlage aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil ergibt. Das umliegende Pulver kann hierbei grundsätzlich der statischen Abstützung des bis dahin aufgebauten Teils des Bauteils dienen. Je nach Komplexität des zu fertigenden Bauteils werden jedoch häufig zusätzliche Stützkonstruktionen bzw. Stützstrukturen mit gedruckt. Derart können beispielsweise überstehende oder ausgesetzte Bauteilbereiche, Hohlstrukturen oder dergleichen bis zur vollständigen Aushärtung des Bauteils abgestützt werden. Nach der Aushärtung des Bauteils werden diese Stützstrukturen typischerweise aufwendig händisch entfernt, z. B. durch Schleifen, Abbrechen, Feilen, etc., was sowohl zeit- als auch kostenaufwendig ist.Thus, for example, in Selective Laser Melting (SLM), a component is built up in layers from a modeling material, in particular a metal, by applying the modeling material in powder form to a substrate and deliberately liquified by local laser irradiation, resulting in a solid, coherent component after cooling , The surrounding powder can in principle serve the static support of the previously constructed part of the component. Depending on the complexity of the component to be produced, however, additional support structures or support structures are often printed. For example, protruding or exposed component areas, hollow structures or the like can be supported until complete curing of the component. After curing of the component, these support structures are typically laboriously removed by hand, z. B. by grinding, breaking, filing, etc., which is both time-consuming and costly.

Neben Laserstrahlen werden in gängigen 3D-Druckverfahren mitunter Elektronenstrahlen oder andere Teilchenstrahlen zur lokalen Einbringung von Energie verwendet. In jüngerer Zeit werden darüber hinaus erste Ansätze zum 3D-Drucken verfolgt, in welchen Metallpulver mittels Mikrowellenstrahlung geschmolzen und/oder gesintert wird. So lehrt beispielsweise die Druckschrift WO 2012/127456 A1 additive Verfahren, welche sich den Effekt der lokalisierten Mikrowellenaufheizung („localized microwave heating”, LMH) zunutze machen, um Bauteile aus Metall schichtweise aus einem Metallpulver zu bilden. Hierbei wird das Metallpulver örtlich sehr beschränkt in Bereichen mit Ausdehnungen deutlich kleiner als die verwendete Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung aufgeschmolzen.In addition to laser beams, common 3D printing methods sometimes use electron beams or other particle beams for the local introduction of energy. More recently, first approaches to 3D printing are pursued, in which metal powder is melted and / or sintered by means of microwave radiation. For example, the document teaches WO 2012/127456 A1 additive processes which take advantage of the localized microwave heating (LMH) effect to layer metal components from a metal powder. Here, the metal powder is locally very limited melted in areas with dimensions significantly smaller than the wavelength of the microwave radiation used.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache und präzise Lösungen zu finden, um Stützstrukturen von additiv gefertigten Metallbauteilen zu entfernen.Against this background, the present invention has the object to find simple and precise solutions to remove support structures of additively manufactured metal components.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Demgemäß ist ein 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen vorgesehen. Das 3D-Druckverfahren umfasst schichtweises Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials. Das 3D-Druckverfahren umfasst ferner schichtweises Aushärten des verflüssigten Metall-Modelliermaterials zur Bildung des Metallbauteils und zur Bildung von Stützstrukturen, welche zur statischen Abstützung des Metallbauteils während der additiven Fertigung ausgebildet sind. Das 3D-Druckverfahren umfasst ferner Wegschmelzen der Stützstrukturen mit Mikrowellenstrahlung.Accordingly, a 3D printing method for additive manufacturing of metal components is provided. The 3D printing process involves layer-by-layer deposition and liquefaction of a metal modeling material. The 3D printing process further comprises layer-by-layer curing of the liquefied metal modeling material to form the metal component and to form support structures configured to statically support the metal component during additive manufacturing. The 3D printing process further comprises melting away the support structures with microwave radiation.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, Mikrowellenstrahlung zur Entfernung von Stützstrukturen zu verwenden. In dem additiv hergestellten, metallischen (d. h. leitfähigen) Bauteil und den Stützstrukturen werden durch die Mikrowellen elektrische Ströme zumindest im Bereich der Oberfläche induziert, die zu einer Erwärmung des Bauteils bzw. der Stützstrukturen führen können. Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Stützstrukturen typischerweise mit sehr viel geringeren Materialstärken (z. B. die Dicke einer Wand oder der Durchmesser einer Strebe, Stütze, etc.) als das eigentliche Metallbauteil ausgebildet sind. Beispielsweise liegt die minimale Wandstärke von Metallbauteilen in vielen Anwendungen deutlich über etwa 1 mm, was ein Vielfaches der Stärke der entsprechenden Stützstrukturen beträgt, welche beispielsweise im Bereich von 1 bis etwa 100 Mikrometer liegen kann. Bei entsprechender Konfiguration der verwendeten Mikrowellenstrahlung ist es insbesondere möglich, lediglich die relativ grazilen Stützstrukturen so stark zu erhitzen, dass diese wegschmelzen. Dies schafft den erheblichen Vorteil, dass Stützstrukturen automatisiert, schnell und ohne manuelle Arbeit entfernt werden können. Insbesondere können Stützstrukturen präzise auch an händisch nur schwer zugänglichen Stellen entfernt werden.The idea underlying the present invention is to use microwave radiation to remove support structures. In the additively produced, metallic (ie conductive) component and the support structures, electric currents are induced by the microwaves, at least in the area of the surface, which can lead to a heating of the component or the support structures. The present invention takes advantage of the finding that support structures are typically formed with much lower material thicknesses (eg, the thickness of a wall or the diameter of a strut, support, etc.) than the actual metal component. For example, in many applications, the minimum wall thickness of metal components is well above about 1 mm, which is many times greater than the thickness of the respective support structures, which may be, for example, in the range of 1 to about 100 microns. With a corresponding configuration of the microwave radiation used, it is possible in particular to heat only the relatively delicate support structures so strongly that they melt away. This creates the considerable advantage that support structures can be removed automatically, quickly and without manual work. In particular, support structures can be removed precisely even on manually difficult to reach places.

3D-Druckverfahren sind insbesondere vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielle, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmte Fertigungswerkzeuge zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, Material sparende und Zeit sparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind derartige 3D-Druckverfahren für strukturelle Bauteile im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen herstellbar sind.3D printing methods are particularly advantageous because they allow the production of three-dimensional components in original molding processes, without special, on the outer shape of the Components need matched production tools. This enables highly efficient, material-saving and time-saving production processes for components and components. Particularly advantageous are such 3D printing process for structural components in the aerospace sector, since there are used many different, tailored to specific applications components that in such 3D printing process with low cost, low production lead time and low complexity in the for the Manufacture required manufacturing equipment can be produced.

3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder drahtförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird. 3D-Druckverfahren umfassen dabei insbesondere Stereolithographie („stereolithography”, SLA), selektives Lasersintern („selective laser sintering”, SLS), selektives Laserschmelzen („selective laser melting”, SLM), selektives Elektronenstrahlsintern („selective electron beam sintering”, SEBS) und selektives Elektronenstrahlschmelzen („selective electron beam melting”, SEBM).For the purposes of the present application, 3D printing methods encompass all additive or additive manufacturing methods in which, on the basis of geometric models, objects of predefined form from informal materials such as liquids and powders or semi-finished products such as strip or wire-shaped material by means of chemical and / or physical Processes are produced in a special generative manufacturing system. In the context of the present application, 3D printing processes use additive processes in which the starting material is built up sequentially in layers in predetermined forms. In particular, 3D printing processes include stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), selective electron beam sintering (SEBS) ) and Selective Electron Beam Melting (SEBM).

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments will become apparent from the other dependent claims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Wegschmelzen der Stützstrukturen nach der vollständigen Aushärtung des Metallbauteils erfolgen. In anderen Weiterbildungen können sämtliche Stützstrukturen oder zumindest ein Anteil der Stützstrukturen jedoch auch schon während der Aushärtung des Metallbauteils entfernt werden. Beispielsweise können Stützstrukturen sukzessive von bereits ausgehärteten Teilbereichen des Metallbauteils entfernt werden.According to a development, the melting away of the support structures can take place after complete curing of the metal component. In other developments, however, all support structures or at least a portion of the support structures can also already be removed during the curing of the metal component. For example, support structures can be successively removed from already hardened portions of the metal component.

Gemäß einer Weiterbildung kann die Mikrowellenstrahlung lokal gerichtet auf die Stützstrukturen eingestrahlt werden. Grundsätzlich ist es zwar möglich, mehr oder weniger große Teilbereiche des Metallbauteils bzw. das gesamte Metallbauteil mit Mikrowellenstrahlung zu beaufschlagen. Vorteilhaft kann jedoch insbesondere auch die örtlich beschränkte Einstrahlung von gerichteten Mikrowellen sein. Hiermit können elektrische Ströme gezielt in den Bereichen induziert werden, wo Stützstrukturen zu entfernen sind. Insbesondere können Stützstrukturen direkt und ausschließlich bestrahlt werden, um diese Stück für Stück aufzuschmelzen, ohne dass benachbarte Bauteilbereiche eventuell von der Mikrowellenstrahlung beeinflusst werden. Dem Fachmann wird sich je nach Anwendung und je nach der gewünschten geometrischen Ausgestaltung der verwendeten Stützstrukturen er schließen, wie genau die Mikrowellenbestrahlung ausgebildet werden sollte. Beispielsweise können in bestimmten Anwendungen mehrere Hundert sehr dünner Stützpfeiler vorgesehen sein, welche zu offenen Netzwerken o. Ä. verbunden sind, um das eigentliche Metallbauteil zu fixieren. In diesem Fall können beispielsweise ganze Bereiche dieser Stützpfeiler gemeinsam mit Mikrowellen bestrahlt werden.According to a development, the microwave radiation can be irradiated locally directed to the support structures. In principle, it is possible to apply more or less large portions of the metal component or the entire metal component with microwave radiation. However, in particular, the locally limited irradiation of directional microwaves can be advantageous. Hereby, electrical currents can be specifically induced in the areas where support structures are to be removed. In particular, support structures can be directly and exclusively irradiated in order to melt them piece by piece without possibly influencing neighboring component areas by the microwave radiation. Depending on the application and depending on the desired geometric configuration of the support structures used, it will be apparent to those skilled in the art how exactly the microwave irradiation should be formed. For example, in certain applications, several hundred very thin pillars may be provided which open to networks o. Ä. are connected to fix the actual metal component. In this case, for example, entire areas of these pillars can be irradiated together with microwaves.

Gemäß einer Weiterbildung können die Stützstrukturen mit Materialdicken kleiner als etwa 100 Mikrometern ausgebildet werden. Typische Stützstrukturen könne demnach je nach Materialstärke des zu fertigenden Metallbauteils besonders dünn ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Metallbauteil Materialstärken von mindestens 1 mm vorsehen, während die Stützstrukturen wesentlich geringere Querschnitte oder Durchmesser aufweisen, z. B. 50 Mikrometer oder kleiner.According to a development, the support structures can be formed with material thicknesses smaller than about 100 micrometers. Depending on the material thickness of the metal component to be produced, typical support structures can therefore be made particularly thin. For example, the metal component may provide material thicknesses of at least 1 mm, while the support structures have substantially smaller cross-sections or diameters, e.g. B. 50 microns or smaller.

Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials Bestrahlen des Metall-Modelliermaterials mit einer Mikrowellenstrahlung umfassen. Die Mikrowellenstrahlung kann lokal gerichtet eingestrahlt werden. In dieser Weiterbildung werden demnach nicht nur die Stützstrukturen mit Mikrowellenstrahlung weggeschmolzen, sondern auch das Metall-Modelliermaterial selber wird mit Mikrowellenstrahlung aufgeschmolzen und verflüssigt. Grundsätzlich kann hierbei eine einzelne Mikrowellenquelle für beide Prozesse verwendet werden, sofern diese entsprechend flexibel einsetzbar ist, um sowohl die geometrischen Anforderungen zu erfüllen, als auch eine geeignet präparierte Mikrowellenstrahlung in den notwendigen Wellenlängenbereichen bzw. Frequenzbereichen, mit der geforderten Leistung und Einstrahlcharakteristik, etc., bereitzustellen. Die Verwendung von Mikrowellen kann hierbei insbesondere herkömmliche additive Verfahren auf der Basis von Laserstrahlen und/oder Teilchenstrahlen ergänzen oder ersetzen.According to a development, the layered depositing and liquefying of the metal modeling material may comprise irradiating the metal modeling material with a microwave radiation. The microwave radiation can be irradiated locally. Accordingly, not only the support structures with microwave radiation are melted away in this development, but also the metal modeling material itself is melted with microwave radiation and liquefied. Basically, in this case a single microwave source can be used for both processes, provided that this is correspondingly flexible to meet both the geometric requirements, as well as a suitably prepared microwave radiation in the necessary wavelength ranges or frequency ranges, with the required power and Einstrahlcharakteristik, etc. to provide. In this case, the use of microwaves can in particular supplement or replace conventional additive methods based on laser beams and / or particle beams.

Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen Bestrahlen des Metall-Modelliermaterials mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl umfassen. Insbesondere kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen ein Verfahren aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens, Stereolithografie, selektiven Elektronenstrahlsinterns und selektiven Elektronenstrahlschmelzens oder dergleichen umfassen.According to a development, the layered depositing and liquefying can comprise irradiation of the metal modeling material with a laser beam or an electron beam. In particular, layer-by-layer deposition and liquefaction may be a method of the group of selective laser sintering, selective laser melting, stereolithography, selective electron beam sintering, and the like selective electron beam melting or the like.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial pulverförmig abgelegt werden.According to a development, the metal modeling material can be deposited in powder form.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt sein.According to a development, the metal modeling material may be selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe von Aluminium, Titan, Stahl oder einer Legierung davon ausgewählt sein. Das Verfahren eignet sich jedoch auch für verschiedenste elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere solche Materialien, welche einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen.According to a development, the metal modeling material may be selected from the group of aluminum, titanium, steel or an alloy thereof. However, the method is also suitable for a wide variety of electrically conductive materials, in particular those materials which have a high specific resistance.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures. It shows:

1a schematische Querschnittsansicht einer 3D-Druckvorrichtung zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1a schematic cross-sectional view of a 3D printing device for performing a 3D printing method according to an embodiment of the invention;

1b schematische Querschnittsansicht einer 3D-Druckvorrichtung zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; 1b schematic cross-sectional view of a 3D printing device for performing a 3D printing method according to an alternative embodiment of the invention;

1c schematische Querschnittsansichten der 3D-Druckvorrichtung aus 1a oder 1b während der Durchführung des 3D-Druckverfahrens; und 1c schematic cross-sectional views of the 3D printing device off 1a or 1b while performing the 3D printing process; and

2 ein schematisches Ablaufdiagramm des 3D-Druckverfahrens, welches von den 3D-Druckvorrichtungen aus 1a1c durchgeführt wird. 2 a schematic flow diagram of the 3D printing process, which from the 3D printing devices 1a - 1c is carried out.

Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.The accompanying figures are intended to convey a further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures of the drawing are the same, functionally identical and same-acting elements, features and components - unless otherwise stated - each provided with the same reference numerals.

Die 1a und 1b zeigen jeweils eine schematische Querschnittsansicht einer 3D-Druckvorrichtung 100 zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens M gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Hierbei zeigt 1a eine 3D-Druckvorrichtung 100, welche einen Laserstrahl 6 für den grundlegenden 3D-Druckprozess verwendet. Die 3D-Druckvorrichtung 100 in 1b verwendet im Unterschied hierzu Mikrowellenstrahlung 5b. Ein schematisches Ablaufdiagramm solcher 3D-Druckverfahren M wird in 2 dargestellt. 1c bildet einen bestimmten Verfahrensschritt dieser Verfahren M ab.The 1a and 1b each show a schematic cross-sectional view of a 3D printing device 100 for performing a 3D printing method M according to embodiments of the invention. This shows 1a a 3D printing device 100 , which is a laser beam 6 used for the basic 3D printing process. The 3D printing device 100 in 1b In contrast, uses microwave radiation 5b , A schematic flow diagram of such 3D printing methods M is shown in FIG 2 shown. 1c forms a specific method step of these methods M.

Die 3D-Druckverfahren M dienen zur additiven Fertigung von Metallbauteilen 1. Hierzu umfasst ein solches 3D-Druckverfahren M unter M1 schichtweises Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials. Das 3D-Druckverfahren M umfasst unter M2 ferner schichtweises Aushärten des verflüssigten Metall-Modelliermaterials 2 zur Bildung des Metallbauteils 1 und zur Bildung von Stützstrukturen 3. Die Stützstrukturen dienen zur statischen Abstützung des Metallbauteils 1 während des 3D-Druckverfahrens. Beispielsweise können in dieser Weise ausgesetzte Bauteilbereiche, Hohlstrukturen oder allgemeine überstehende bzw. freistehende Bereiche stabilisiert werden, bis diese vollständig oder zumindest ausreichend ausgehärtet sind. Das Metall-Modelliermaterial 2 kann hierbei aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt sein. Insbesondere kann es sich bei dem Metall-Modelliermaterial 2 beispielsweise um Titan, Aluminium und/oder eine Legierung bzw. Materialkombination von diesen handeln. Zum Beispiel kann das Metall-Modelliermaterial 2 ein Aluminium-Silizium-Pulver sein, z. B. AlSi10Mg, oder ein fortgeschritteneres Material bzw. eine Materialmischung wie beispielsweise Scalmalloy® oder dergleichen. Grundsätzlich können die Stützstrukturen aus dem gleichen Grundmaterial wie das Metallbauteil 1 selbst gefertigt werden. Prinzipiell ist es jedoch ebenso vorgesehen, die Stützstrukturen oder zumindest einen Anteil der Stützstrukturen aus einem anderen Material als das Metallbauteil 1 zu fertigen. Hierzu kann die 3D-Druckvorrichtung 100 beispielsweise als Mehrkomponenten-Druckvorrichtung ausgebildet sein. Im Folgenden wird hier vereinfachend der grundlegende Begriff Metall-Modelliermaterial 2 verwendet. Dem Fachmann wird hierbei klar sein, dass ein Metall-Modelliermaterial 2 im Sinne der Erfindung auch eine Kombination aus mehreren Materialien darstellen kann. Das Metall-Modelliermaterial 2 selber kann pulverförmig bereitgestellt und abgelegt werden.The 3D printing processes M are used for the additive production of metal components 1 , For this purpose, such a 3D printing method M comprises, under M1, layer-by-layer deposition and liquefaction of a metal modeling material. The 3D printing process M further includes, under M2, layer-by-layer curing of the liquefied metal modeling material 2 for the formation of the metal component 1 and for the formation of support structures 3 , The support structures serve for the static support of the metal component 1 during the 3D printing process. For example, component areas, hollow structures or general protruding or freestanding areas exposed in this way can be stabilized until they have cured completely or at least sufficiently. The metal modeling material 2 may be selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys. In particular, the metal modeling material may be 2 For example, titanium, aluminum and / or an alloy or material combination of these act. For example, the metal modeling material 2 be an aluminum-silicon powder, for. B. AlSi10Mg, or a more advanced material or a material mixture such as Scalmalloy ® or the like. Basically, the support structures of the same basic material as the metal component 1 be made yourself. In principle, however, it is also provided, the support structures or at least a portion of the support structures of a different material than the metal component 1 to manufacture. For this purpose, the 3D printing device 100 For example, be designed as a multi-component printing device. The following is simplified here the basic term metal modeling material 2 used. It will be clear to the person skilled in the art that a metal modeling material 2 within the meaning of the invention may also represent a combination of several materials. The metal modeling material 2 itself can be provided in powder form and stored.

Grundsätzlich sieht die vorliegende Erfindung vielfältige Möglichkeiten vor, das Metall-Modelliermaterial 2 zu verflüssigen, bei welchen Wärme gezielt lokal in abgelegtes Metall-Modelliermaterial 2 eingeleitet werden kann. So basiert die 3D-Druckvorrichtung 100 in 1a und das zugehörige Verfahren M beispielsweise auf der Verwendung eines Laserstrahls 6, welche Hitze sehr gezielt und kontrolliert erzeugen kann. Das 3D-Druckverfahren M gemäß 1a kann somit beispielsweise aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens und Stereolithografie oder dergleichen ausgewählt sein. Im Folgenden wird ein entsprechendes 3D-Druckverfahren M beispielhaft in Verbindung mit 1a im Zusammenhang mit selektiven Laserschmelzen (SLM) detailliert erläutert werden, bei welchem das Metall-Modelliermaterial 2 in Pulverform auf eine Werkplattform 9 aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung mit einem Laserstrahl 6 verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Metallbauteil 1 ergibt. Alternativ oder zusätzlich zu einem Laserstrahl 6 kann ein 3D-Druckverfahren M gemäß der Erfindung jedoch auch Teilchenstrahlen, z. B. einen Elektronenstrahl, und/oder Mikrowellenstrahlung 5b zum Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials 2 verwenden. 1b zeigt hierzu eine beispielhafte Ausführung, in welcher eine (zweite) Mikrowellenquelle 4b Mikrowellenstrahlung 5b erzeugt und lokal gerichtet auf das Metall-Modelliermaterial 2 einstrahlt, wodurch dieses örtlich begrenzt aufgeschmolzen wird.Basically, the present invention provides a variety of possibilities, the metal modeling material 2 to liquefy, at which heat targeted locally deposited metal modeling material 2 can be initiated. This is how the 3D printing device is based 100 in 1a and the associated method M, for example, on the use of a laser beam 6 , which can generate heat very targeted and controlled. The 3D printing method M according to 1a Thus, for example, it may be selected from the group of selective laser sintering, selective laser melting and stereolithography, or the like. In the following, a corresponding 3D printing method M is used in conjunction with 1a in connection with selective laser melting (SLM), in which the metal modeling material 2 in powder form on a work platform 9 is applied and targeted by local laser irradiation with a laser beam 6 is liquefied, resulting in a solid, coherent metal component after cooling 1 results. Alternatively or in addition to a laser beam 6 However, a 3D printing method M according to the invention, but also particle beams, for. As an electron beam, and / or microwave radiation 5b for liquefying the metal modeling material 2 use. 1b shows an exemplary embodiment in which a (second) microwave source 4b microwave radiation 5b generated and locally directed to the metal modeling material 2 radiates, whereby this is locally melted.

Die 3D-Druckvorrichtung 100 in 1a sieht eine Energiequelle in Form eines Lasers 12 vor, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser, ein CO2-Laser oder dergleichen. Der Laser 12 sendet in 1a einen Laserstrahl 6 ortsselektiv auf einen bestimmten Teil einer Pulveroberfläche des pulverförmigen Metall-Modelliermaterials 2, welches in einer Arbeitskammer 10 auf einer Werkplattform 9 aufliegt. Dazu kann eine optische Ablenkvorrichtung bzw. ein Scanner-Modul wie etwa ein beweglicher bzw. kippbarer Spiegel 7 vorgesehen sein, welcher den Laserstrahl 6 je nach seiner Kippstellung auf einen bestimmten Teil der Pulveroberfläche des Metall-Modelliermaterials 2 ablenkt. An der Auftreffstelle des Laserstrahls 6 wird das Metall-Modelliermaterial 2 erhitzt, so dass die Pulverpartikel lokal aufgeschmolzen werden und bei einem Abkühlen ein Agglomerat bilden. In Abhängigkeit von einem beispielsweise durch ein CAD-System („computer-aided design”) bereitgestellten und gegebenenfalls aufbereiteten digitalen Fertigungsmodell rastert der Laserstrahl 6 die Pulveroberfläche ab. Nach dem selektiven Schmelzen und lokalen Agglomerieren der Pulverpartikel in der Oberflächenschicht des Metall-Modelliermaterials 2 kann überschüssiges, nicht agglomeriertes Metall-Modelliermaterial 2 ausgesondert werden. Danach wird die Werkplattform 9 mittels eines Absenkkolbens 11 abgesenkt (siehe Pfeil in 1c) und mit Hilfe einer Pulverzufuhr 8 oder einer anderen geeigneten Einrichtung neues Metall-Modelliermaterial 2 aus einem Reservoir in die Arbeitskammer 10 überführt. Das Metall-Modelliermaterial 2 kann zur Beschleunigung des Schmelzprozesses durch Infrarotlicht auf eine knapp unter der Schmelztemperatur des Metall-Modelliermaterial 2 liegende Arbeitstemperatur vorgewärmt werden. Auf diese Weise entsteht in einem iterativen generativen Aufbauprozess ein dreidimensionales gesintertes bzw. „gedrucktes” Metallbauteil 1 aus agglomeriertem Metall-Modelliermaterial 2. Das umliegende pulverförmige Metall-Modelliermaterial 2 kann dabei der Abstützung des bis dahin aufgebauten Teils des Metallbauteils 1 dienen. Durch die kontinuierliche Abwärtsbewegung der Werkplattform 9 entsteht das Metallbauteil 1 in schichtweiser Modellerzeugung.The 3D printing device 100 in 1a sees an energy source in the form of a laser 12 For example, an Nd: YAG laser, a CO 2 laser or the like. The laser 12 sends in 1a a laser beam 6 location-selective to a particular part of a powder surface of the powdered metal modeling material 2 which is in a working chamber 10 on a work platform 9 rests. For this purpose, an optical deflection device or a scanner module such as a movable or tiltable mirror 7 be provided, which the laser beam 6 depending on its tilted position on a specific part of the powder surface of the metal modeling material 2 distracting. At the point of impact of the laser beam 6 becomes the metal modeling material 2 heated, so that the powder particles are locally melted and form an agglomerate on cooling. Depending on an example, by a CAD system ("computer-aided design") provided and optionally processed digital production model rasterizes the laser beam 6 the powder surface off. After selective melting and local agglomeration of the powder particles in the surface layer of the metal modeling material 2 can excess, non-agglomerated metal modeling material 2 to be singled out. Then the work platform becomes 9 by means of a lowering piston 11 lowered (see arrow in 1c ) and with the help of a powder feed 8th or any other suitable device, new metal modeling material 2 from a reservoir into the working chamber 10 transferred. The metal modeling material 2 can accelerate the melting process by infrared light to just below the melting temperature of the metal modeling material 2 preheated working temperature lying. In this way, a three-dimensional sintered or "printed" metal component is created in an iterative generative construction process 1 from agglomerated metal modeling material 2 , The surrounding powdered metal modeling material 2 can support the hitherto constructed part of the metal component 1 serve. Through the continuous downward movement of the work platform 9 The metal component is created 1 in layered model generation.

Die in 1a und 1b gezeigten 3D-Druckverfahren M zeichnen sich grundlegend dadurch aus, dass die Stützstrukturen 3 mit Mikrowellenstrahlung 5a in einem Schmelzprozess 13 weggeschmolzen werden. Dies ist in 2 unter M3 als gesonderter Verfahrensschritt gekennzeichnet, welcher zudem in 1c herausgestellt gezeigt wird. Das Wegschmelzen der Stützstrukturen 3 kann insbesondere nach der vollständigen Aushärtung des Metallbauteils 1 erfolgen. Hierzu kann die Mikrowellenstrahlung 5a von einer ersten Mikrowellenquelle 4a lokal gerichtet auf die Stützstrukturen 3 eingestrahlt werden. Die vorliegende Erfindung macht sich hierbei zunutze, dass solche Stützstrukturen 3 typischerweise sehr viel dünner, d. h. mit geringeren Materialstärken, als das Metallbauteil 1 selber ausgebildet werden können. Beispielsweise können die Stützstrukturen 3 mit Materialstärken kleiner als 100 Mikrometer, z. B. 50 Mikrometer oder 10 Mikrometer, ausgebildet werden. In den metallenen Stützstrukturen 3 werden nun aufgrund der Mikrowelleneinstrahlung zumindest im Bereich der Oberfläche elektrische Ströme induziert, welche zu einer Aufheizung und letztendlich zu einem Wegschmelzen der Stützstrukturen 3 führen können. Bei einer geeigneten Wahl der Mikrowellenstrahlung 5a können derartig dünnen Stützstrukturen 3 schnell, einfach und präzise auch an händisch schwer zugänglichen Stellen entfernt werden. Beispielsweise tritt in einer stabförmigen Stützstruktur 3 mit einer Querschnittsfläche von 0,0075 mm2 und einer Länge von 10 cm bei einer Mikrowellenleistung von 1000 W eine Verlustleistung von ca. 13 W auf. Im Falle einer Stützstruktur 3 aus Aluminium (spez. Wärme 0,9 j/gK, Dichte 2,7 g/cm3) bedarf es zum Erreichen der Schmelztemperatur von etwa 660°C eine Energiemenge von 1,2 J. Bei einer Leistung von 13 W würde eine einzelne solche Stützstruktur 3 demnach in Sekundenbruchteilen wegschmelzen.In the 1a and 1b 3D printing methods shown M are fundamentally characterized in that the support structures 3 with microwave radiation 5a in a melting process 13 be melted away. This is in 2 under M3 as a separate process step, which also in 1c is shown exposed. The melting away of the support structures 3 can in particular after complete curing of the metal component 1 respectively. For this purpose, the microwave radiation 5a from a first microwave source 4a locally focused on the support structures 3 be irradiated. The present invention makes use of such support structures 3 typically much thinner, ie with lower material thicknesses, than the metal component 1 can be trained themselves. For example, the support structures 3 with material thicknesses smaller than 100 microns, z. B. 50 microns or 10 microns can be formed. In the metal support structures 3 Now, due to the microwave radiation, at least in the area of the surface, electrical currents are induced, which leads to a heating up and finally to a melting away of the support structures 3 being able to lead. With a suitable choice of microwave radiation 5a can such thin support structures 3 be removed quickly, easily and precisely even on hard to reach places. For example, occurs in a rod-shaped support structure 3 with a cross-sectional area of 0.0075 mm 2 and a length of 10 cm with a microwave power of 1000 W, a power loss of about 13 W. In the case of a support structure 3 made of aluminum (specific heat 0.9 j / gK, density 2.7 g / cm 3 ) is required to reach the Melting temperature of about 660 ° C, an amount of energy of 1.2 J. At a power of 13 W would a single such support structure 3 therefore melt away in fractions of a second.

Im Falle der Ausführungsform gemäß 1b können die erste Mikrowellenquelle 4a, welche zum Wegschmelzen der Stützstrukturen 3 verwendet wird, und die zweite Mikrowellenquelle 4b, welche zum Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials 2 verwendet wird, unterschiedliche Quellen oder die gleiche Quelle sein. In vielen Anwendungen wird es aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die Mikrowellenstrahlung und insbesondere aufgrund von geometrischen Gegebenheiten mitunter vorteilhaft sein, die erste Mikrowellenquelle 4a und die zweite Mikrowellenquelle 4b als getrennte Mikrowellenquellen auszubilden.In the case of the embodiment according to 1b can be the first microwave source 4a , which melt away the support structures 3 is used, and the second microwave source 4b used to liquefy the metal modeling material 2 used to be different sources or the same source. In many applications, it will sometimes be advantageous, the first microwave source due to the different requirements for the microwave radiation and in particular due to geometric conditions 4a and the second microwave source 4b form as separate microwave sources.

Ggf. ist es aber auch vorgesehen, mit nur einer einzigen Quelle Mikrowellen für beide Zwecke zu erzeugen und entsprechend zu applizieren.Possibly. However, it is also intended to produce microwaves for both purposes with only a single source and to apply accordingly.

Die beschriebenen Verfahren können in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber auch im Ingenieurs- und Maschinenbauwesen generell eingesetzt werden.The described methods can generally be used in all areas of the transport industry, for example for road vehicles, for rail vehicles or for watercraft, but also in engineering and mechanical engineering.

In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.In the foregoing detailed description, various features have been summarized to improve the stringency of the illustration in one or more examples. It should be understood, however, that the above description is merely illustrative and not restrictive in nature. It serves to cover all alternatives, modifications and equivalents of the various features and embodiments. Many other examples will be immediately and immediately apparent to one of ordinary skill in the art, given the skill of the art in light of the above description.

Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend” und „aufweisend” als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend” verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein”, „einer” und „eine” eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.The exemplary embodiments have been selected and described in order to represent the principles underlying the invention and their possible applications in practice in the best possible way. As a result, those skilled in the art can optimally modify and utilize the invention and its various embodiments with respect to the intended use. In the claims as well as the description, the terms "including" and "having" are used as neutral language terms for the corresponding terms "comprising". Furthermore, a use of the terms "a", "an" and "an" a plurality of features and components described in such a way should not be excluded in principle.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Metallbauteilmetal component
22
Metall-ModelliermaterialMetal modeling
33
Metall-StützstrukturMetal supporting structure
4a4a
erster Mikrowellenstrahlerfirst microwave radiator
4b4b
zweiter Mikrowellenstrahlersecond microwave radiator
5a, 5b5a, 5b
Mikrowellenstrahlungmicrowave radiation
66
Laserstrahllaser beam
77
Spiegelmirror
88th
Pulverzufuhrpowder feed
99
Werkplattformwork platform
1010
Arbeitskammerworking chamber
1111
Absenkkolbenlowering slider
1212
Laserlaser
1313
Schmelzprozesssmelting process
100100
3D-Druckvorrichtung3D printing device
MM
3D-Druckverfahren3D printing process
M1M1
Verfahrensschrittstep
M2M2
Verfahrensschrittstep
M3M3
Verfahrensschrittstep

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2012/127456 A1 [0004] WO 2012/127456 A1 [0004]

Claims (9)

3D-Druckverfahren (M) zur additiven Fertigung von Metallbauteilen (1), mit schichtweisem Ablegen und Verflüssigen (M1) eines Metall-Modelliermaterials (2); schichtweisem Aushärten (M2) des verflüssigten Metall-Modelliermaterials (2) zur Bildung des Metallbauteils (1) und zur Bildung von Stützstrukturen (3), welche zur statischen Abstützung des Metallbauteils (1) während der additiven Fertigung ausgebildet sind; und Wegschmelzen (M3) der Stützstrukturen (3) mit Mikrowellenstrahlung (5a).3D printing process (M) for the additive production of metal components ( 1 ), with stratified deposition and liquefaction (M1) of a metal modeling material ( 2 ); Layer-wise curing (M2) of the liquefied metal modeling material ( 2 ) for forming the metal component ( 1 ) and to form support structures ( 3 ), which for static support of the metal component ( 1 ) are formed during additive manufacturing; and melting away (M3) of the support structures ( 3 ) with microwave radiation ( 5a ). 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Wegschmelzen (M3) der Stützstrukturen (3) nach der vollständigen Aushärtung des Metallbauteils (1) erfolgt.3D printing method (M) according to claim 1, wherein the melting away (M3) of the supporting structures ( 3 ) after complete curing of the metal component ( 1 ) he follows. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrowellenstrahlung (5a) lokal gerichtet auf die Stützstrukturen (3) eingestrahlt wird.3D printing method (M) according to claim 1 or 2, wherein the microwave radiation ( 5a ) locally directed to the support structures ( 3 ) is irradiated. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stützstrukturen (3) mit Materialdicken kleiner als 100 Mikrometern ausgebildet werden.3D printing method (M) according to one of the preceding claims, wherein the support structures ( 3 ) are formed with material thicknesses smaller than 100 microns. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M1) des Metall-Modelliermaterials (2) Bestrahlen des Metall-Modelliermaterials (2) mit Mikrowellenstrahlung (5b) umfasst, welche lokal gerichtet eingestrahlt wird.A 3D printing method (M) according to any one of the preceding claims, wherein the layering and liquefying (M1) of the metal modeling material (M1) 2 ) Irradiation of the metal modeling material ( 2 ) with microwave radiation ( 5b ), which is irradiated locally. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M1) Bestrahlen des Metall-Modelliermaterials (2) mit einem Laserstrahl (6) oder einem Elektronenstrahl umfasst.A 3D printing method (M) according to any one of the preceding claims, wherein the layering and liquefying (M1) irradiation of the metal modeling material ( 2 ) with a laser beam ( 6 ) or an electron beam. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metall-Modelliermaterial (2) pulverförmig abgelegt wird.A 3D printing method (M) according to any one of the preceding claims, wherein the metal modeling material (M) 2 ) is deposited in powder form. 3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metall-Modelliermaterial (2) aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt ist.A 3D printing method (M) according to any one of the preceding claims, wherein the metal modeling material (M) 2 ) is selected from the group of metallic materials, metallic material combinations and metallic alloys. 3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 8, wobei das Metall-Modelliermaterial (2) aus der Gruppe von Aluminium, Titan, Stahl oder einer Legierung davon ausgewählt ist.A 3D printing method (M) according to claim 8, wherein the metal modeling material (M) 2 ) is selected from the group of aluminum, titanium, steel or an alloy thereof.
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