DE102016208015A1

DE102016208015A1 - 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen

Info

Publication number: DE102016208015A1
Application number: DE102016208015.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Nick; Franz ENGEL
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Apworks GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Ein 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen (1) mit schichtweisem Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials (2) und mit schichtweisem Aushärten des verflüssigten Metall-Modelliermaterials (2), wobei zumindest das verflüssigte Metall-Modelliermaterial (2) mit Ultraschallwellen (3) zur Reduzierung von Eigenspannungen des Metallbauteils (1) beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit der Vermeidung und/oder Reduktion von Eigenspannungen während der additiven Fertigung von Metallbauteilen.
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. 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. 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 typischen Verfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen wird örtlich sehr beschränkt Energie eingebracht, um ein Metall-Modelliermaterial aufzuschmelzen. Solche herkömmlichen Verfahren umfassen unter anderem 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). All diesen Verfahren ist gemeinsam, dass ein Laser- oder Teilchenstrahl ein lokales Schmelzbad erzeugt, welches eine extrem hohen Temperaturgradienten gegenüber der lokalen Umgebung aufweist und sich rapide abkühlt (z. B. mit mehr als 1000 Kelvin pro Sekunde). Diese hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten können aufgrund der thermischen Schrumpfung des Werkstoffs zu hohen Eigenspannungen in dem abgekühlten Modelliermaterial und letztendlich zu Verzügen in dem fertigen Bauteil führen. Häufig werden in den oben genannten Verfahren keine besonderen Vorkehrungen getroffen, um Eigenspannungen in den gefertigten Bauteilen zu verhindern bzw. diese zu verringern. Minderwertige Bauteile werden lediglich im Nachhinein aussortiert. Mitunter wird eine Aufheizung des Fertigungsraums vorgesehen, um solche Eigenspannungen zumindest abzumildern. Neuere Verfahren verfolgen den Ansatz, Eigenspannungen in metallischen Bauteilen durch den Einsatz von Laserstrahlen und/oder Ultraschall zu reduzieren. So lehrt beispielsweise die Druckschrift US 2015/0041025 A1 ein additives Verfahren, bei welchem Spannungen in abgelegten Metallschichten verringert werden, indem diese zuerst stark abgekühlt werden und anschließend mit Laser-Schlagbehandlung („laser peening”, LP) oder Ultraschall-Schlagbehandlung („ultrasonic impact treatment”, UIT) verfestigt werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einfache Lösungen zu finden, um Eigenspannungen schon während der additiven Fertigung von Metallbauteilen zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 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. Zumindest das verflüssigte Metall-Modelliermaterial wird mit Ultraschallwellen zur Reduzierung von Eigenspannungen des Metallbauteils beaufschlagt.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, Ultraschallwellen schon während des Urformprozesses auf und/oder in den verflüssigten und/oder erstarrenden bzw. abkühlenden metallischen Werkstoff einzuleiten. Die besondere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Eigenspannungen schon vor bzw. während der Entstehung reduziert oder sogar verhindert werden können, indem der Werkstoff in flüssigem Zustand mit Ultraschallwellen durchsetzt wird. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht somit darin, dass Eigenspannungen und Verzüge in besonders einfacher Weise verringert werden können, ohne dass besondere, möglicherweise zeitaufwendige oder kostenintensive Extraschritte in dem additiven Verfahren vorgesehen werden. Mittels der erfindungsgemäße Lösung wird weniger Verzug erreicht, so dass geometrisch präzisere Bauteile herstellbar sind bzw. der Ausschussanteil deutlich verringert wird. Letztendlich werden somit die Kosten für beeinträchtigte oder unzureichende Qualität abgesenkt. Darüber hinaus verringert sich die Notwendigkeit von Stützstrukturen im Allgemeinen, was wiederum Material einsparen hilft.
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-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 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).
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung kann das verflüssigte Metall-Modelliermaterial kontinuierlich mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden. Beispielsweise können die Ultraschallwellen bereits beginnend mit dem Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials eingeleitet werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das verflüssigte Metall-Modelliermaterial derart lange mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden, bis es im Wesentlichen vollständig ausgehärtet ist. Insbesondere kann das verflüssigte Metall-Modelliermaterial somit von der Verflüssigung bis zum finalen Aushärten kontinuierlich mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann im Wesentlichen das gesamte Metallbauteil während der Fertigung mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden. Grundsätzlich kann lediglich das verflüssigte Metall-Modelliermaterial gezielt mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden. Prinzipiell ist es jedoch ebenso möglich, in eine Umgebung des verflüssigten Metall-Modelliermaterials Ultraschallwellen einzuleiten. Beispielsweise können Ultraschallwellen in die obersten bereits abgelegten Materiallagen eingeleitet werden. Alternativ können die Ultraschallwellen jedoch auch nur gezielt in die oberste Materiallage gelenkt werden. In einer vorteilhaften Ausführung kann insbesondere das gesamte Metallbauteil während der Fertigung mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden, z. B. ohne dass die Ultraschallwellen auf bestimmte Bereiche gerichtet ausgestrahlt werden müssen. Das Metallbauteil wird somit gewissermaßen von Ultraschallwellen durchsetzt bzw. in diese eingebettet.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Metallbauteil in einer Ultraschallwanne, einem Ultraschallbehälter und/oder einem Ultraschallbecken oder ähnlichem gefertigt werden. Insbesondere kann eine Arbeitskammer einer 3D-Druckvorrichtung als Gefäß für die Ultraschallwanne dienen. Eine Ultraschallwanne im Sinne der Erfindung kann einen materiellen Körper bezeichnen. Grundsätzlich kann eine Ultraschallwanne jedoch auch einen immateriellen Bereich angeben, welcher von Ultraschallwellen durchsetzt wird.
Gemäß einer Weiterbildung können die Ultraschallwellen mit Ultraschallschwingern erzeugt werden. Eine besonders einfache und kostengünstige Variante, Ultraschallwellen zu erzeugen und in das verflüssigte Metall-Modelliermaterial und/oder das Metallbauteil einzuleiten, besteht darin, Ultraschallwellen mit einem oder mehreren Ultraschallschwingern zu erzeugen, welche beispielsweise an den Innenwänden einer Ultraschallwanne oder einer Arbeitskammer der 3D-Druckvorrichtung angebracht sein können. Grundsätzlich können die Ultraschallschwinger alternativ oder zusätzlich auch direkt an das zu fertigende Bauteil und/oder die Werkplattform der entsprechenden 3D-Druckvorrichtung angrenzen bzw. an diese gekoppelt sein. Je nach Anwendung können die Ultraschallschwinger unterschiedliche Schallfrequenzen, unterschiedliche Durchmesser bzw. Abmessungen und/oder unterschiedliche (Oberflächen-)Geometrien aufweisen. Beispielsweise können die Ultraschallschwinger Schallwellen im Bereich von kHz bis MHz aussenden. Mögliche Oberflächengeometrien umfassen konvexe, konkave oder planare Oberflächen. Die Ultraschallschwinger können stabförmig oder beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein, etc. Zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen können beispielsweise piezokeramische Wandlersysteme oder andere geeignete Piezoelemente zum Einsatz kommen. Zur Erzeugung von Ultraschall können diese mit einem Hochfrequenz-Generator gekoppelt sein.
Gemäß einer Weiterbildung können die Ultraschallwellen durch die Bestrahlung des Metall-Modelliermaterials mit einem Laserstrahl erzeugt werden, welcher gepulst betrieben wird. Beispielsweise kann ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser), ein Kohlendioxidlaser (CO₂-Laser), ein Exciplexlaser (auch als Excimerlaser bekannt) oder ein anderer geeigneter Laser zum Einsatz kommen, mit Hilfe dessen Ultraschallwellen in Metall erzeugbar sind. Ein gepulster Laser kann Ultraschallwellen beispielsweise über thermale Ausdehnung und/oder über Ablation generieren. Beispielsweise kann ein kurzer Laserpuls zu einer schlagartigen Ausdehnung des Metall-Modelliermaterials führen, welche je nachdem mit einer Verdampfung eines Teils der Materialoberfläche einhergehen kann. Durch die darauffolgende Kontraktion und die periodische Wiederholung des Vorgangs können Ultraschallwellen in dem Material erzeugt werden. Hierbei wird die Frequenz der Ultraschallwellen insbesondere durch die Frequenz der Laserpulse bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung kann der Laserstrahl zum Verflüssigen der Metall-Modelliermaterials verwendet werden. Liegt dem 3D-Druckverfahren ein selektives Lasersintern, ein selektives Laserschmelzen und/oder ein anderes generatives Verfahren zugrunde, in welchem das Metall-Modelliermaterial mit einem Laser verflüssigt wird, so kann dieser Laser in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ebenfalls dazu genutzt werden, die Ultraschallwellen in das Metall-Modelliermaterial einzuleiten. Beispielsweise kann ein Nd:YAG-Laser sowohl ein selektives Laserschmelzen bzw. -sintern umsetzen als auch Ultraschallwellen erzeugen.
Der gepulste Laserstrahl kann die Ultraschallwellen in dem Metall-Modelliermaterial mittels des photoakustischen Effekts erzeugen. Hierbei wird das Modelliermaterial durch das gepulste Laserlicht periodisch aufgewärmt und im Anschluss wieder abgekühlt, wodurch es unter anderem zu einer periodischen Volumenvergrößerung bzw. Verkleinerung kommt. Der Wechsel von Volumenausdehnung und Volumenverringerung kann eine Ultraschallwelle in dem Metall-Modelliermaterial erzeugen. Diese Ultraschallwellen können nun gezielt genutzt werden, um Eigenspannungen in dem Material zu reduzieren. Diese Form der Ultraschallwellenerzeugung ist sowohl berührungslos als auch zerstörungsfrei.
Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials ein Verfahren aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens, selektiven Elektronenstrahlsinterns und selektiven Elektronenstrahlschmelzens oder dergleichen umfassen.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial pulverförmig abgelegt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt sein.
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.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1a–1c schematische Ansichten einer 3D-Druckvorrichtung zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (1a zeigt eine perspektivische Ansicht, 1b zeigt eine Draufsicht und 1c zeigt eine Querschnittsansicht); und
2 ein schematisches Ablaufdiagramm des 3D-Druckverfahrens, welches von der 3D-Druckvorrichtung aus 1a–1c durchgeführt wird.
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.
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.
Die 1a bis 1c zeigen schematische Ansichten einer 3D-Druckvorrichtung 100 zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens M gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei zeigt 1a eine perspektivische Ansicht der 3D-Druckvorrichtung 100, 1b zeigt eine Draufsicht der 3D-Druckvorrichtung 100 und 1c zeigt eine Querschnittsansicht der 3D-Druckvorrichtung 100. Ein schematisches Ablaufdiagramm eines solchen 3D-Druckverfahrens M wird in 2 dargestellt.
Das 3D-Druckverfahren M dient zur additiven Fertigung von Metallbauteilen 1. Hierzu umfasst das 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. 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, Stahl 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. Ferner kann das Metall-Modelliermaterial 2 pulverförmig bereitgestellt und abgelegt werden. 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. Besonders die Verwendung von Lasern und/oder Teilchenstrahlen, z. B. Elektronenstrahlen, ist vorteilhaft, da hierbei Hitze sehr gezielt und kontrolliert erzeugbar ist. Das 3D-Druckverfahren M kann somit beispielsweise aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens, selektiven Elektronenstrahlsinterns und selektiven Elektronenstrahlschmelzens ausgewählt sein. Im Folgenden wird das 3D-Druckverfahren M beispielhaft im Zusammenhang mit selektiven Laserschmelzen (SLM) 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.
Das 3D-Druckverfahren M zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest das verflüssigte Metall-Modelliermaterial 2 mit Ultraschallwellen 3 zur Reduzierung von Eigenspannungen des Metallbauteils 1 beaufschlagt wird. Das verflüssigte Metall-Modelliermaterial 2 kann beispielsweise kontinuierlich mit Ultraschallwellen 3 bestrahlt werden. Dies kann weiterhin beginnend mit der Verflüssigung derart lange fortgesetzt werden, bis das Metall-Modelliermaterial 2 im Wesentlichen vollständig ausgehärtet ist. Prinzipiell kann darüber hinaus in besonders einfachen Ausführungen das gesamte Metallbauteil 1 während der Fertigung mit Ultraschallwellen 3 beaufschlagt werden. In dem vorliegenden 3D-Druckverfahren M werden somit Ultraschallwellen 3 schon während des Urformprozesses auf und/oder in das Metall-Modelliermaterial 2 eingeleitet. Aufgrund dieser Tatsache können Eigenspannungen, Verzüge, Verwerfungen, Verzerrungen oder dergleichen unerwünschte Verformungen schon vor bzw. während der Entstehung reduziert oder sogar vollständig verhindert werden. Zusätzliche zeitaufwendige oder kostenintensive Extraschritte werden in dem vorliegenden 3D-Druckverfahren M vermieden. Mittels des 3D-Druckverfahrens M werden Eigenspannungen und Verzüge verhindert oder zumindest deutlich vermindert, so dass Metallbauteile 1 besonders präzise und mit geringem Ausschussanteil herstellbar sind.
Das 3D-Druckverfahren M wird mit der 3D-Druckvorrichtung 100 in 1a bis 1c durchgeführt. Eine Energiequelle in Form eines Lasers 12, beispielsweise ein Nd:YAG-Laser, sendet in 1c 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.
In der in 1a bis 1c abgebildeten Ausführung der Erfindung sind eine Vielzahl von Ultraschallschwingern 5 innerhalb der Arbeitskammer 10 an den Innenwänden dieser angebracht, welche im Zusammenspiel effektiv eine Ultraschallwanne 4 bilden. Beispielsweise kann es sich hierbei um piezokeramische Elemente handeln, die in Sandwichbauart zwischen metallischen Resonanzkörpern eingespannt und verschraubt sind und des Weiteren mit einem Hochfrequenz-Generator gekoppelt sind. Die Ultraschallschwinger 5 sind dazu ausgebildet, von dem Hochfrequenz-Generator angelieferte elektrische Energie in eine Hubbewegung umzusetzen, die eine Ultraschallwelle mit Frequenzen im Bereich von kHz bis MHz erzeugt und in angrenzende Festkörper, Flüssigkeiten, Materialien und/oder Bauteile weitergibt. Die Ultraschallwellen 3 werden nun insbesondere auf und in das verflüssigte Metall-Modelliermaterial 2 eingeleitet, wo sie zu einer Materialverdichtung beitragen, welche wiederum Spannungen abbaut und die Mikrostruktur des Materials verbessert. Die Anordnung der Ultraschallschwinger 5 in den 1a bis 1c ist rein schematisch zu verstehen. Grundsätzlich ist es beispielsweise auch möglich die Ultraschallschwinger 5 direkt an die Werkplattform 9 und/oder das Metallbauteil 1 zu koppeln. Die in 1a bis 1c dargestellte Form der Einleitung von Ultraschallwallen 3 weist den Vorteil auf, dass sowohl das verflüssigte Metall-Modelliermaterial 2 als auch das gesamte Metallbauteil 1 schon in dem Urformprozess ohne großen Aufwand mit Ultraschallwellen 3 beaufschlagt werden können.
Neben dieser vorteilhaften Erzeugung von Ultraschallwellen 3 ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, Ultraschallwellen 3 durch die Bestrahlung des verflüssigten Metall-Modelliermaterials 2 und/oder des gesamten Metallbauteils 1 mit einem Laserstrahl 6 zu erzeugen, welcher gepulst betrieben wird. Insbesondere kann der hierfür genutzte Laserstrahl 6 vorteilhafterweise ebenfalls mit dem Laser 12 der 3D-Druckvorrichtung 100 erzeugt werden, welcher zum Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials 2 verwendet wird. Der Laserstrahl 6 kann die Ultraschallwellen 3 hierbei in dem Metall-Modelliermaterial 2 mittels des photoakustischen Effekts erzeugen, wobei das Material durch das gepulste Laserlicht periodisch aufgewärmt und im Anschluss wieder abgekühlt wird, wodurch es zu einer Volumenvergrößerung bzw. Verkleinerung kommt. Durch den Wechsel von Volumenausdehnung und Volumenverringerung wird im Ergebnis eine Ultraschallwelle 3 in dem Metall-Modelliermaterial 2 generiert. Diese Form der Ultraschallerzeugung bietet den Vorteil, dass Ultraschallwellen 3 besonders präzise und gezielt in das Material eingeleitet werden können, um Eigenspannungen in dem Material zu reduzieren. Diese Form der Ultraschallwellenerzeugung ist insbesondere berührungslos und zerstörungsfrei. Beispielsweise kann eine Ultraschallwanne 4 in Kombination mit einem Laserstrahl 6 verwendet werden. Die mit der Ultraschallwanne 4 erzeugten Ultraschallwellen 3 vermitteln hierbei eine grundlegende Spannungsentlastung des Metallbauteils 1, während mit dem Laserstrahl 6 ganz gezielt, z. B. besonders delikate oder kritische Bauteilbereiche mit Ultraschallwellen 3 bearbeitet werden können. Der Fachmann erhält somit eine besonders vorteilhafte und dennoch einfache Lösung, um Eigenspannungen schon während der additiven Fertigung von Metallbauteilen 1 möglichst umfassend zu verringern.
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.
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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Metallbauteil
2: Metall-Modelliermaterial
3: Ultraschallwelle
4: Ultraschallwanne
5: Ultraschallschwinger
6: Laserstrahl
7: Spiegel
8: Pulverzufuhr
9: Werkplattform
10: Arbeitskammer
11: Absenkkolben
12: Laser
100: 3D-Druckvorrichtung
M: 3D-Druckverfahren
M1: Verfahrensschritt
M2: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0041025 A1 [0003]

Claims

3D-Druckverfahren (M) zur additiven Fertigung von Metallbauteilen (1), mit: schichtweisem Ablegen und Verflüssigen (M1) eines Metall-Modelliermaterials (2); und schichtweisem Aushärten (M2) des verflüssigten Metall-Modelliermaterials (2); wobei zumindest das verflüssigte Metall-Modelliermaterial (2) mit Ultraschallwellen (3) zur Reduzierung von Eigenspannungen des Metallbauteils (1) beaufschlagt wird.
3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das verflüssigte Metall-Modelliermaterial (2) kontinuierlich mit Ultraschallwellen (3) beaufschlagt wird.
3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verflüssigte Metall-Modelliermaterial (2) derart lange mit Ultraschallwellen (3) beaufschlagt wird, bis es im Wesentlichen vollständig ausgehärtet ist.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Wesentlichen das gesamte Metallbauteil (1) während der Fertigung mit Ultraschallwellen (3) beaufschlagt wird.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metallbauteil (1) in einer Ultraschallwanne (4) gefertigt wird.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallwellen (3) mit Ultraschallschwingern (5) erzeugt werden.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallwellen (3) durch die Bestrahlung des Metall-Modelliermaterials (2) mit einem Laserstrahl (6) erzeugt werden, welcher gepulst betrieben wird.
3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 7, wobei der Laserstrahl (6) die Ultraschallwellen (3) in dem Metall-Modelliermaterial (2) mittels des photoakustischen Effekts erzeugt.
3D-Druckverfahren (M) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Laserstrahl (6) zum Verflüssigen der Metall-Modelliermaterials (2) verwendet wird.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M1) des Metall-Modelliermaterials (2) ein Verfahren aus der Gruppe selektiven Lasersinterns, selektiven Laserschmelzens, selektiven Elektronenstrahlsinterns und selektiven Elektronenstrahlschmelzens umfasst.
3D-Druckverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metall-Modelliermaterial (2) pulverförmig abgelegt wird.
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.