DE102016214251A1

DE102016214251A1 - Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett mit mehreren Rakeln

Info

Publication number: DE102016214251A1
Application number: DE102016214251.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Brückner; Mirko Riede; Robin Willner; André Seidel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-02-08
Also published as: WO2018024757A1

Abstract

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett mit einem Fertigungsbereich, der eine absenkbare Oberfläche, auf der das Pulverbett angeordnet ist, aufweist, und mit mehreren Rakeln zur gleichmäßigen Verteilung eines zugeführten pulverförmigen Werkstoffs über die Oberfläche des Pulverbetts. Die Vorrichtung weist außerdem eine Einrichtung zur Ausführung translatorischer Bewegungen der Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts, und eine Einrichtung, mit der mindestens ein Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional bewegbar ist, auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett mit mehreren Rakeln.
Bei Verfahren zur generativen Fertigung in einem Pulverbett, beispielsweise durch Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM), wird ein pulverförmiger Werkstoff mittels Rakel auf eine Plattform in einem Fertigungsbereich aufgetragen oder mittels Düsen auf die Plattform aufgebracht und mit einem Abstreifer gleichmäßig auf der Plattform verteilt. Anschließend wird das Pulverbett entlang einer vorgegebenen Geometrie mit einem Energiestrahl bestrahlt und dabei in den bestrahlten Bereichen aufgeschmolzen oder gesintert. Vor jedem Aufbringen einer neuen Schicht wird die Plattform um die Dicke einer Schicht abgesenkt. Weitere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs werden aufgebracht und entlang einer vorgegebenen Geometrie mit mindestens einem Energiestrahl bestrahlt, bis der gewünschte dreidimensionale Körper als Verbund- oder Kompositbauteil ausgebildet ist.
Die Prozessgeschwindigkeit bei derartigen Verfahren, die mit bekannten Vorrichtungen durchgeführt werden, hängt vor allem vom Pulverauftrag und der Bestrahlung der Oberfläche des Pulverbetts ab. So kann eine Bestrahlung der Oberfläche des Pulverbetts nur erfolgen, wenn der der Pulverauftrag für die jeweilige Schicht abgeschlossen ist. Dadurch ist das Verfahren relativ langsam.
Ein weiterer Nachteil bekannter Vorrichtungen ist, dass bei der Verwendung verschiedener pulverförmiger Werkstoffe zur gezielten Ausbildung verschiedener Eigenschaften in dem herzustellenden dreidimensionalen Körper als Verbund- oder Kompositbauteil die Zufuhr für pulverförmigen Werkstoff verändert oder ausgetauscht werden muss, bevor der Rakel einen anderen Werkstoff auf dem Pulverbett aufbringen und verteilen kann. Das senkt die ohnehin niedrige Arbeitsgeschwindigkeit und Produktivität weiter ab.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der dreidimensionale Körper mittels generativer Fertigung im Pulverbett mit einer höheren Arbeitsgeschwindigkeit bzw. kleineren Taktzeit herstellbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Ansprüchen dargestellt.
Eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett weist einen Fertigungsbereich mit einer absenkbaren Oberfläche auf. Auf der absenkbaren Oberfläche wird ein Pulverbett angeordnet. Jeweils vor dem Aufbringen einer neuen Schicht pulverförmigen Werkstoffs wird die absenkbare Oberfläche um die eingestellte Schichtdicke abgesenkt.
Weiterhin weist die Vorrichtung mehrere Rakel zur gleichmäßigen Verteilung eines zugeführten pulverförmigen Werkstoffs über die Oberfläche des Pulverbetts, sowie eine Einrichtung zur Ausführung translatorischer Bewegungen der Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts auf. Durch die translatorische Bewegung der Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts wird der aufgebrachte pulverförmige Werkstoff gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und überschüssiger pulverförmiger Werkstoff von der Oberfläche des Pulverbetts herunter geschoben.
Die Vorrichtung weist auch eine Einrichtung, mit der mindestens ein Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional über die Oberfläche des Pulverbetts bewegbar ist, auf. Der mindestens eine Energiestrahl kann ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl sein, mit dem der pulverförmige Werkstoff entlang einer vorgebbaren Geometrie aufgeschmolzen oder gesintert wird.
Die Rakel können sowohl parallel zueinander, als auch in einem Winkel ungleich 0° zueinander ausgerichtet sein. Bei einer Anordnung von mehr als zwei Rakeln können diese auch zumindest teilweise parallel zueinander und teilweise in verschiedenen Winkeln ungleich 0° zueinander ausgerichtet sein und translatorisch bewegt werden. Die translatorische Bewegung der Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts kann dabei gleichzeitig oder mit einem zeitlichen Abstand hintereinander in gleicher Richtung erfolgen und/oder es kann jeweils nach Abschluss der translatorischen Bewegung eines Rakels die Bewegung eines nächsten Rakels in einer von der Richtung der translatorischen Bewegung des zuvor bewegten Rakels verschiedenen Richtung ausgeführt werden. Dazu sollte die Bewegung der Rakel so gesteuert werden, dass sich die Rakel in ihrer Bewegung nicht gegenseitig behindern. So ist es beispielsweise möglich, einen Rakel, nachdem mit diesem pulverförmiger Werkstoff auf der Oberfläche eines Pulverbetts aufgebracht und verteilt wurde, in seine Ausgangsposition zurück zu bewegen, bevor ein nächster Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts bewegt wird. In einer Alternative kann der Rakel in eine Endposition der translatorischen Bewegung gebracht werden und nach ihrem Erreichen kann der nächste Rakel über die Oberfläche des Pulverbetts bewegt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Rakel soweit über die Oberfläche des Fertigungsbereichs hinaus bewegt werden, dass sie sich gegenseitig nicht in ihrer Bewegung behindern. Alternativ oder gleichzeitig können in den Rakeln Aussparungen vorgesehen sein, so dass sie bei einer Bewegung in verschiedene Richtungen über die Oberfläche bewegbar sind.
Die Einrichtung zur Ausführung der translatorischen Bewegungen kann eielektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betriebener Antrieb sein. In einer Ausführungsvariante können die Rakel auf Schienen über die Oberfläche des Pulverbetts geführt werden, die in unterschiedlichen Höhen über der Oberfläche des Pulverbetts angeordnet sein können.
Die Rakel können zur Zuführung pulverförmigen Werkstoffs zur Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet sein. Dabei sind in/an den Rakeln Düsen zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf die Oberfläche des Pulverbetts ausgebildet. In den Rakeln können jeweils eine Förderschnecke und/oder eine pneumatische Zuführung für den pulverförmigen Werkstoff zu den Düsen der Rakel angeordnet sein.
Der pulverförmige Werkstoff kann auch mittels Gravitationskraft aus mindestens einem Pulverbehälter zu den Düsen an/in den Rakeln gefördert werden. Dabei können in mehreren Pulverbehältern auch verschiedene pulverförmige Werkstoffe vorgehalten werden, die im Wechsel jeweils allein oder auch als Mischung gefördert werden können.
Mit den verschiedenen Rakeln können verschiedene pulverförmige Werkstoffe oder pulverförmige Werkstoffe mit verschiedenen Partikelgrößenbereichen auf das Pulverbett aufgebracht werden. Damit ist es möglich, schichtweise verschiedene Werkstoffe aufzubringen, um so die Materialeigenschaften des herzstellenden Körpers gezielt zu beeinflussen. Ein aufwändiges Reinigen der Rakel bei einem Werkstoffwechsel entfällt dadurch.
Es können weitere Funktionselemente an der Vorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Einrichtung zum lokalen Vorwärmen des pulverförmigen Werkstoffs, bevorzugt mittels Infrarotstrahlung oder Induktion, angeordnet sein. Durch das lokale Vorwärmen des Pulverbetts kann das Aufschmelzen oder Sintern des pulverförmigen Werkstoffs durch die Bestrahlung mit dem Energiestrahl schneller und mit einer geringeren Energiemenge erreicht werden.
Der Fertigungsbereich kann in mehrere Arbeitsbereiche unterteilt werden, in denen gleichzeitig dreidimensionale Körper herstellbar sind. Damit kann in kürzerer Zeit eine höhere Anzahl dreidimensionaler Körper hergestellt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere Energiestrahlen zur Bestrahlung des pulverförmigen Werkstoffs angeordnet werden. Dies erhöht die Arbeitsgeschwindigkeit und die Produktivität weiter.
Durch eine Ausbildung der Vorrichtung mit mehreren Rakeln kann lagenweise oder innerhalb einer Lage ein Wechsel des pulverförmigen Werkstoffs erfolgen, so dass die Materialeigenschaften des herzustellenden Körpers gezielt beeinflusst werden können. Dazu ist bei einem Wechsel des pulverförmigen Werkstoffs keine aufwändige Reinigung der Rakel erforderlich, und der Fertigungsprozess muss nicht unterbrochen werden. Damit kann die Arbeitsgeschwindigkeit und die Produktivität eines mit der Vorrichtung durchgeführten Verfahrens gesteigert werden.
Nachfolgend soll die Vorrichtung an Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Rakeln in einer perspektivischen Ansicht, und
2 eine Variante der Ausführungsform aus 1 mit zwei parallel zueinander angeordneten Rakeln in einer perspektivischen Ansicht.
In 1 ist ein Fertigungsbereich 1 mit einer absenkbaren Oberfläche 2 dargestellt. Die Grundfläche des Fertigungsbereichs 1 und der absenkbaren Oberfläche 2 ist rechteckig. Auf der absenkbaren Oberfläche 2 wird ein Pulverbett aus einem pulverförmigen Werkstoff aufgebracht.
Über der Oberfläche 2 sind zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Rakel 3a und 3b so angeordnet, dass die Rakel 3a, 3b soweit über den Fertigungsbereich 1 hinaus bewegt werden können, dass sie sich bei der Ausführung translatorischer Bewegungen nicht gegenseitig behindern.
Zum Zuführen des pulverförmigen Werkstoffs auf das Pulverbett sind in/an der Vorrichtung Düsen 4a und 4b angeordnet. Damit können verschiedene pulverförmige Werkstoffe oder pulverförmige Werkstoffe mit verschiedenen Partikelgrößenbereichen auf das Pulverbett aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen eines ersten pulverförmigen Werkstoffs mittels Düse 4a wird der pulverförmige Werkstoff mit dem Rakel 3a über die Oberfläche des Pulverbetts verteilt. Die Bewegung des Rakels 3a in Richtung des Pfeils 5 über die Oberfläche wird von einer Einrichtung 7 zur Ausführung translatorischer Bewegungen (nicht gezeigt) ausgeführt. Die Düsen können separat über der Oberfläche des Pulverbetts oder an den Rakeln 3a, 3b angeordnet sein. An den Rakeln 3a und 3b können jeweils mehrere Düsen 4a und 4b, bevorzugt äquidistant, angeordnet sein.
Mit einer Einrichtung, mit der ein Energiestrahl in Form eines Laser- oder Elektronenstrahls auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional bewegbar ist, wird die Oberfläche des Pulverbetts entlang einer vorgegebenen Geometrie bestrahlt, wodurch der pulverförmige Werkstoff im Bereich der Bestrahlung schmilzt oder sintert. Danach wird die absenkbare Oberfläche 2 um die Dicke der aufgebrachten Pulverschicht abgesenkt.
Im Anschluss wird eine Schicht eines zweiten pulverförmigen Werkstoffs mittels der Düse 4b aufgebracht und mit dem Rakel 3b über der Oberfläche des Pulverbetts verteilt. Auch die Bewegung des Rakels 3b in Richtung des Pfeils 6 über die Oberfläche wird von einer Einrichtung 7 zur Ausführung translatorischer Bewegungen ausgeführt.
Ein Laser- oder Elektronenstrahl wird nun auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und die Oberfläche des Pulverbetts durch zweidimensionale Auslenkung des Laser- oder Elektronenstrahl entlang einer vorgegebenen Geometrie bestrahlt, wobei der zweite pulverförmige Werkstoff im bestrahlten Bereich geschmolzen oder gesintert wird. Danach wird die absenkbare Oberfläche 2 um die Dicke der aufgebrachten Schicht abgesenkt.
Zur Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett werden die notwendige Anzahl Schichten aus erstem und zweitem pulverförmigen Werkstoff in einer vorgebbaren Reihenfolge aufgebracht.
Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 ist in 2 gezeigt. Dabei unterscheidet sich die in 2 gezeigte Vorrichtung in der Ausrichtung der Rakel 3a und 3b von der in 1 gezeigten. Rakel 3a und 3b sind hier parallel zueinander angeordnet und werden in Richtung der Doppelpfeile 5 über die Oberfläche des Pulverbettes bewegt.

Claims

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Körpers in einem Pulverbett mit einem Fertigungsbereich (1), der eine absenkbare Oberfläche (2), auf der das Pulverbett angeordnet ist, aufweist, und mehreren Rakeln (3) zur gleichmäßigen Verteilung eines zugeführten pulverförmigen Werkstoffs über die Oberfläche des Pulverbetts, und einer Einrichtung (7) zur Ausführung translatorischer Bewegungen der Rakel (3) über die Oberfläche des Pulverbetts, und einer Einrichtung, mit der mindestens ein Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und dessen Brennfleck zweidimensional bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Energiestrahl ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rakel (3) in einem Winkel ungleich 0° zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rakel (3) hintereinander in gleicher Richtung und/oder in unterschiedlicher Richtung über die Oberfläche des Pulverbetts bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rakel (3) zur Zuführung des pulverförmigen Werkstoffs ausgebildet sind, wobei der pulverförmige Werkstoff mittels Gravitationskraft von mindestens einem Pulverbehälter zu den Rakeln (3) gefördert wird und/oder dabei in den Rakeln (3) Düsen zum Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs auf die Oberfläche des Pulverbetts und/oder jeweils eine Förderschnecke und/oder eine pneumatische Zuführung zur Förderung des pulverförmigen Werkstoffs zu den Düsen der Rakel (3) angeordnet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Rakeln (3) verschiedene pulverförmige Werkstoffe und/oder pulverförmige Werkstoffe mit verschiedenen mittleren Partikelgrößenbereichen auf die Oberfläche des Pulverbetts aufbringbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rakel (3) soweit über die Oberfläche (2) des Fertigungsbereichs (1) hinaus bewegbar sind, dass sie sich in ihren Bewegungen gegenseitig nicht behindern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rakel (3) Aussparungen aufweisen, so dass sie bei einer Bewegung in verschiedenen Richtungen über die Oberfläche des Pulverbetts bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zum lokalen Vorwärmen des pulverförmigen Werkstoffs, bevorzugt mittels Infrarotstrahlung oder Induktion, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungsbereich (1) in mindestens zwei Arbeitsbereiche teilbar ist und gleichzeitig in jedem Arbeitsbereich dreidimensionale Körper herstellbar sind.