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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Werkstücks unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 210 242 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine Prozesskammer mit einer darin angeordneten Trägereinrichtung für ein herzustellendes Werkstück auf. Die Trägereinrichtung umfasst einen topfförmigen, einen runden Querschnitt aufweisenden Behälter zur Aufnahme von Pulver, aus dem das herzustellende Werkstück gebildet wird. Darüber hinaus ist ein an einer Stange befestigter Pulververteiler vorgesehen, wobei der Pulververteiler und die Trägereinrichtung um eine gemeinsame, senkrecht angeordnete Achse zueinander drehbar angeordnet sind. Der Pulververteiler erstreckt sich von der Stange bzw. der Achse bis zur äußeren Umrandung des topfförmigen Behälters. Mittels des Pulververteilers lässt sich bei einer axialen Relativbewegung zwischen dem Pulververteiler und dem Behälter bei gleichzeitiger Drehbewegung das für den schichtweisen Aufbau des Werkstücks erforderliche Pulver in den Behälter dosieren. Ein aus der genannten Vorrichtung bekannter Pulververteiler zeichnet sich dadurch aus, dass in der Regel die Pulverdosierung zur Homogenisierung der Pulverschicht durch Lippen oder Kämme durchgeführt wird, die in einem gewissen Abstand von der Bodenplatte des Behälters bewegt werden. Die Schüttdichte des aufgetragenen Pulvers ist dabei relativ gering. Abhängig von der Korngrößenverteilung des Pulvers und der Art des Aufbringens der Pulverschicht stellen sich typischerweise Schüttdichten von ca. 40% bis 60% ein. Die soweit in dem Behälter ausgebildete Pulverschicht wird anschließend zur Ausbildung des Werkstücks selektiv geschmolzen, insbesondere durch eine Laserstrahleinrichtung. Beim Schmelzen des Pulvers sind relativ ungünstige Bedingungen vorhanden, da zum einen die geschmolzenen, und im Vergleich zum Ausgangszustand reduzierten Schichtdicken relativ stark streuen, und zum anderen eine Restporosität in dem erzeugten Werkstück verbleiben kann. Die Restporosität ist dabei ein wesentlicher Nachteil, der neben der Gasporosität des Pulvers und den Prozessparametern vor allem durch die Schüttdichte des Pulvers verursacht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass ein mittels der Vorrichtung erzeugtes Werkstück eine besonders hohe Qualität aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine dem Pulververteiler zugeordnete bzw. nachgeschaltete Verdichtereinrichtung für das nachfolgende Aufschmelzen des Pulvers eine homogene, vorverdichtete Pulverschicht bereitzustellen. Insbesondere wird durch eine erfindungsgemäß vorgesehene Verdichtereinrichtung für jede Pulverschicht jeweils eine konstante Schichtdicke erreicht und damit eine erhöhte Konstanz im nachfolgenden Schmelzprozess erzielt. Darüber hinaus wird durch die Verdichtereinrichtung eine erhöhte Schüttdichte mit weniger und kleineren Leerstellen zwischen den einzelnen Pulverpartikeln ermöglicht, die zu weniger Porosität und damit Defekten im aufgeschmolzenen Material führen. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Festigkeit des aus den einzelnen Pulverschichten hergestellten Werkstücks. Wesentlich ist auch, dass die vorgesehene Verdichtereinrichtung, da der Verdichtungsvorgang simultan zum Erzeugen der Pulverschicht bzw. zum Aufschmelzen des Materials durchgeführt wird, zu keiner Verlängerung der Prozesszeit führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Bevorzugt ist eine separate Ausbildung bzw. Anordnung der Verdichtereinrichtung und des Pulververteilers. Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung in Bezug zu einer Drehrichtung der Bodenplatte zum Pulververteiler in einem Drehwinkel von maximal 90° vor dem Pulververteiler angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, die von dem Pulververteiler aufgebrachte Pulverschicht unmittelbar nach dem Aufbringen zu verdichten und schafft Bauraum zwischen der Verdichtereinrichtung und dem Bereich, in dem das Aufschmelzen des Pulvers erfolgt, um dort weitere, nachfolgend noch näher beschriebene Einrichtungen zu positionieren.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die von der Verdichtereinrichtung verdichtete Pulverschicht hinsichtlich ihrer Qualität bzw. Homogenität überwacht wird, um damit ggf. Prozessparameter anpassen zu können. Hierzu ist es vorgesehen, dass sich an die Verdichtereinrichtung auf der dem Pulververteiler abgewandten Seite der Verdichtereinrichtung eine erste Überwachungseinrichtung zur Erfassung der Oberfläche des Pulverbetts anschließt. Eine derartige Überwachungseinrichtung ermöglicht es, Unregelmäßigkeiten in der obersten Pulverschicht vor dem Schmelzprozess des Pulvers zu erkennen und durch eine Wiederholung des Pulverbeschichtungsvorgangs zu beheben. Dies bewirkt eine maximale Homogenität der Pulverschicht ohne Gefügefehler im Werkstück.
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Eine weitere Verbesserung der Qualität des hergestellten Werkstücks lässt sich durch eine Heizeinrichtung erzielen, die sich in Bezug auf die Drehrichtung der Bodenplatte zur Verdichtereinrichtung nach der Verdichtereinrichtung und vor dem Arbeitsbereich eines Laserstrahls auf das Pulverbett anschließt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass beim additiven, das heißt beim schichtweisen Aufbau von metallischen Werkstücken der Werkstoff der zu schmelzende Pulverschicht vorab erwärmt wird. Insbesondere ist es zur Ausbildung eines homogenen und eine gute Qualität aufweisenden Werkstücks sinnvoll, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der zu schmelzenden obersten Pulverschicht und dem Schmelzpunkt des Pulvers so gering wie möglich ist. Dies gewährleistet, dass der additiven Schmelzprozess effizient durchgeführt wird. Zudem werden Risse und ungünstige Eigenspannungen in dem fertigen Werkstück verhindern. Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Heizeinrichtung oberhalb der Oberfläche des Pulverbetts angeordnet ist, auf die Oberfläche des Pulverbetts einwirkt und vorzugsweise als Strahlungsheizungseinrichtung ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung der Heizeinrichtung ermöglicht es insbesondere, die zuvor erzeugte Pulverschicht vor dem Schmelzprozess vorzuheizen. Dadurch entsteht eine geringere Temperaturdifferenz zwischen der erhitzten (obersten) Pulverschicht und dem Schmelzpunkt des Pulvers in der Schmelzzone des Laserstrahls. Dies wiederum führt zu kürzeren Schmelzzeiten sowie relativ geringen Eigenspannungen und Verzügen im Werkstück. Darüber hinaus können auch Werkstoffe mit erhöhter Neigung von Erstarrungsrissen rissfrei aufgebaut bzw. hergestellt werden.
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Zur Kontrolle des zunächst aufgeschmolzenen und nachfolgend erstarrten Pulvermaterials ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn sich in Bezug auf die Drehrichtung der Bodenplatte an den Arbeitsbereich des Laserstrahls auf das Pulverbett eine zweite Überwachungseinrichtung zur Erfassung der Oberfläche des Werkstücks anschließt. Eine derartige Überwachungseinrichtung, die ebenso wie die zuerst genannte Überwachungseinrichtung bevorzugt als kamerabasierte Überwachungseinrichtung ausgebildet ist, ermöglicht es, ggf. beim Schmelzprozess entstandene Fehler, wie Poren, Lunker usw. in der erstarrten Materialoberfläche zu erkennen und durch eine Wiederholung der Abfolge des Pulverbeschichtens und Schmelzens gezielt zu korrigieren.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung der Trägereinrichtung, die eine homogene Verteilung des Pulvermaterials auf der Bodenplatte ermöglicht, ist es vorgesehen, dass die Trägereinrichtung eine konzentrisch zur senkrechten Achse angeordnete, mit der Bodenplatte verbundene, radial umlaufende Begrenzungswand aufweist, und dass der Pulververteiler und die Verdichtereinrichtung sich radial von der Drehachse der Bodenplatte bis zur Begrenzungswand hin erstrecken.
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Ebenso ist es in konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung, die einerseits einen relativ einfachen Aufbau der Verdichtereinrichtung ermöglicht, und andererseits eine homogene Verdichtung des Pulvermaterials sicherstellt, vorgesehen, dass die Verdichtereinrichtung als eine um eine senkrecht zur Drehachse der Bodenplatte in einer Achse gelagerte Verdichterwalze ausgebildet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Werkstücks, vorzugsweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dem Verfahren ist es vorgesehen, dass durch wenigstens eine Überwachungseinrichtung die Oberfläche des Pulverbetts oder des Werkstücks erfasst wird, und dass in Abhängigkeit von der von der wenigstens einen Überwachungseinrichtung erfassten Oberfläche des Pulverbetts oder des Werkstücks ein Pulververteiler und/oder eine Verdichtereinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung für die Pulverschicht angesteuert wird/werden. Das soweit beanspruchte Verfahren hat den Vorteil, dass damit erzeugte Werkstücke eine besonders hohe Qualität aufweisen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen vereinfachten Querschnitt durch eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks und
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2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 1.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung 10 dient zum generativen Herstellen eines insbesondere aus Metall bestehenden Werkstücks 1. Hierzu ist die Vorrichtung 10 innerhalb einer Prozesskammer 11 angeordnet, deren Begrenzung lediglich in der 1 schematisch dargestellt ist. Die Vorrichtung 10 weist eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle 12 auf, die einen Laserstrahl 13 erzeugt, der mittels einer Laseroptik 14, die insbesondere verstellbar ausgebildet ist, in den Bereich einer Trägereinrichtung 20 lenkt. In der 1 ist darüber hinaus ein Arbeitsbereich 21 der Laseroptik 14 dargestellt, innerhalb dessen der Laserstrahl 13 mittels der Laseroptik 14 bewegt werden kann.
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Die Trägereinrichtung 20 umfasst einen topfförmigen Aufnahmebehälter 22 für ein pulverförmiges Material 2, aus dem das Werkstück 1 gebildet wird. Der Aufnahmebehälter 22 weist eine im Querschnitt runde Bodenplatte 23 auf, die von einer radial umlaufenden Begrenzungswand 24 umgeben und mit dieser verbunden ist. Auf der der Begrenzungswand 24 abgewandten Seite der Bodenplatte 23 ist der Aufnahmebehälter 22 mit einer Welle 25 verbunden. Die Welle 25 ist konzentrisch zu einer in Bezug zur Umgebung senkrechten Drehachse 26 des Aufnahmebehälters 22 angeordnet. Die Welle 25 ist darüber hinaus zusammen mit dem Aufnahmebehälter 22 um die Drehachse 26 in Richtung des Pfeils 27 vorzugsweise kontinuierlich drehbar und in Richtung des Doppelpfeils 28 heb- und senkbar angeordnet. Hierzu dient ein im Einzelnen nicht dargestellter, an sich bekannter Antrieb.
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Innerhalb des Aufnahmebehälters 22 ist konzentrisch zur Drehachse 26 eine in Richtung des Doppelpfeils 29 heb- und senkbare Haltestange 30 angeordnet. Die Haltestange 30 dient der Befestigung eines Pulververteilers 32, der in Bezug zur Drehachse 26 starr, d.h. nicht drehbar innerhalb des Aufnahmebehälters 22 angeordnet ist. Der Pulververteiler 32 weist einen Aufnahmebereich 33 zur Bevorratung bzw. Speicherung des Pulvers bzw. des Materials 2 auf. Der Pulververteiler 32 erstreckt sich radial von der Drehachse 26 bis zur Begrenzungswand 24, ist jedoch mit der Begrenzungswand 24 nicht verbunden.
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Wie insbesondere anhand der 2 darüber hinaus erkennbar ist, ist der Pulververteiler 32 in Bezug zur Drehachse 26 um 180° versetzt zum Arbeitsbereich 21 des Laserstrahls 13 angeordnet. Der Pulververteiler 32 dient in an sich bekannter Art und Weise dazu, bei einer Drehung des Aufnahmebehälters 22 in Richtung des Pfeils 27 bei gleichzeitigem oder zuvor erfolgtem Absenken der Bodenplatte 23 relativ zum Pulververteiler 32 jeweils eine (obere) Schicht 3 an Material 2 auf die jeweils darunterliegende Schicht 3 aufzubringen, um dadurch insgesamt gesehen ein Pulverbett 5 in dem Aufnahmebehälter 22 zu erzeugen. Beim weiteren Drehen des Aufnahmebehälters 22 relativ zum Pulververteiler 32 gerät die jeweils oberste Schicht 3 in den Arbeitsbereich 21 des Laserstrahls 13. Der Laserstrahl 13 erwärmt das Material 2 auf seine Schmelztemperatur. Beim weiteren Drehen des Aufnahmebehälters 22 in Richtung des Pfeils 27 gelangt das aufgeschmolzene Material außerhalb des Arbeitsbereichs 21 des Laserstrahls 13 und erstarrt. Das erstarrte Material 2 bildet das Werkstück 1 aus. Das Werkstück 1 wird somit durch schichtweisen Aufbau bzw. selektives Schmelzen jeder einzelnen Schicht 3 gebildet.
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Wie insbesondere anhand der Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, schließt sich in Drehrichtung des Aufnahmebehälters 22 betrachtet vor dem Pulververteiler 32 eine Verdichtereinrichtung 35 zum Verdichten der Schichten 3 bzw. des Pulverbetts 5 an. Die Verdichtereinrichtung 35 ist als Verdichterwalze 36 ausgebildet und um eine Drehachse 37 drehbar gelagert. Die Drehachse 37 verläuft senkrecht zur Drehachse 26 des Aufnahmebehälters 22. Die Verdichterwalze 36 erstreckt sich ebenso wie der Pulververteiler 32 von der Drehachse 26 bis zur Begrenzungswand 24 des Aufnahmebehälters 22 und ist starr mit der Haltestange 30 verbunden. Zwischen dem Pulverteiler 32 und der Verdichtereinrichtung 35 bzw. der Verdichterwalze 36 ist beispielhaft ein Drehwinkel α von etwa 20° bis 40° ausgebildet. Gegebenenfalls kann es auch vorgesehen sein, dass die Verdichtereinrichtung 35 bzw. die Verdichterwalze 36 in Bezug zur Haltestange 30 heb- bzw. senkbar angeordnet ist, um den Verdichtungsgrad des Materials 2 einzustellen.
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Wiederum in Drehrichtung des Aufnahmebehälters 22 betrachtet vor der Verdichtereinrichtung 35 schließt sich eine erste Überwachungseinrichtung 40 an, die als kamerabasierte Überwachungseinrichtung 40 ausgebildet ist. Die Überwachungseinrichtung 40 ist mit der nicht gezeigten Steuereinrichtung der Vorrichtung 10 verbunden. Die oberhalb des Pulverbetts 5 angeordnete Überwachungseinrichtung 40 weist ein radial von der Drehachse 26 zur Begrenzungswand 24 sich erstreckendes, beispielhaft rechteckförmiges Überwachungsfeld 41 auf, in dessen Bereich die Oberfläche des Pulverbetts 5, d.h. der zuletzt durch den Pulververteiler 32 aufgebrachten Schicht 3 überwacht bzw. kontrolliert werden kann.
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Auf der der Verdichtereinrichtung 25 abgewandten Seite der ersten Überwachungseinrichtung 40 schließt sich eine ebenfalls an der Haltestange 30 befestigte Heizeinrichtung 42 an, die oberhalb des Pulverbetts 5, vorzugsweise in geringem Abstand zur Oberfläche der obersten Schicht 3, angeordnet ist. Die als Strahlungseinrichtung ausgebildete Heizeinrichtung 42 erwärmt und die Oberseite des Pulverbetts 5 bzw. die zuletzt aufgebrachte Schicht 3 auf eine Temperatur vorzugsweise knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Materials 2. Entsprechend der Darstellung der 2 weist die Heizeinrichtung 42 beispielsweise ein plattenförmiges, kuchenstückartiges Heizelement 43 auf. Wesentlich ist darüber hinaus, dass die Anordnung der Heizeinrichtung 42 möglichst unmittelbar vor dem Arbeitsbereich 21 des Laserstrahls 13 ist, um die Abkühlung des Materials 2 vor dem Einwirken des Laserstrahls 13 zu minimieren.
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An den Arbeitsbereich 21 des Laserstrahls 13 schließt sich in Drehrichtung des Aufnahmebehälters 22 betrachtet vor dem Arbeitsbereich 21 eine zweite Überwachungseinrichtung 45 an, die ebenfalls als kamerabasierte Überwachungseinrichtung 45 ausgebildet ist und ebenfalls mit der Steuereinrichtung der Vorrichtung 10 verbunden ist. Die zweite Überwachungseinrichtung 45 weist beispielhaft einen kuchenstückartigen Überwachungsbereich 46 auf, in dessen Bereich die Oberfläche des Pulverbetts 5 bzw. die Oberseite des aufgeschmolzenen und anschließend erstarrten Materials 2 des Werkstücks 1 erfasst wird.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 10 wird mittels des Pulververteilers 32 jeweils eine Schicht 3 in den Aufnahmebehälter 22 im Bereich der Bodenplatte 23 erzeugt. Diese Schicht 3 gelangt anschließend bei einer Relativbewegung bzw. Drehung des Aufnahmebehälters 22 um die Drehachse 26 in Wirkverbindung mit der Verdichtereinrichtung 35 bzw. der Verdichterwalze 36, die das zuvor eingebrachte Material bzw. Pulver der Schicht 3 verdichtet, d.h. deren Schichtdicke verringert. Anschließend wird mittels der ersten Überwachungseinrichtung 40 die Oberfläche des Pulverbetts 5 bzw. der zuletzt verdichteten Schicht 3 erfasst, um gegebenenfalls Prozessparameter über die Steuereinrichtung anzupassen. Bei der nachfolgenden Drehung des Aufnahmebehälters 22 gelangt das verdichtete Material 2 der Schicht 3 zunächst in den Bereich der Heizeinrichtung 42 und anschließend in den Arbeitsbereich 21 des Laserstrahls 13, wo durch selektives Aufschmelzen des Materials 2 das Werkstück 1 schichtweise aufgebaut bzw. erzeugt wird. Anschließend gelangt das Werkstück 1 in den Bereich der zweiten Überwachungseinrichtung 45, wo dessen der Überwachungseinrichtung 45 zugewandte Oberfläche ebenfalls beispielsweise hinsichtlich Oberflächenungenauigkeiten usw. kontrolliert wird. In Abhängigkeit von dem Ergebnis kann über die Steuereinrichtung der Vorrichtung 10 beispielsweise der soweit beschriebene Aufbauprozess des Bauteils 1 gegebenenfalls wiederholt werden.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist es zusätzlich oder alternativ zur Verwendung eines Laserstrahls zum selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)) möglich, einen Elektronenstrahl zum Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting (EBM)) einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210242 A1 [0002]
