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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 3.
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Ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils ist bereits aus der
DE 10 2008 031 926 A1 bekannt. Hierbei wird das Bauteil im Rahmen eines selektiven Lasersinterns beziehungsweise eines selektiven Laserschmelzens hergestellt. Dabei wird das Bauteil in einem Bauraum auf einer Basis hergestellt, indem auf der Basis und in dem Bauraum jeweilige Schichten aus einem Pulver übereinander angeordnet und mittels Energiestrahlung selektiv zumindest teilweise geschmolzen werden. In dem Bauraum können mehrere Bauteile im Rahmen eines Druckvorgangs hergestellt werden. Unter dem selektiven zumindest teilweisen Schmelzen der jeweiligen Schichten ist zu verstehen, dass die jeweiligen Schichten bereichsweise mit der Energiestrahlung beaufschlagt werden und infolge der Beaufschlagung mit der Energiestrahlung zumindest teilweise geschmolzen werden.
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Bei dem beschriebenen Verfahren handelt es sich um ein dreidimensionales Druckverfahren, wobei das Bauteil beziehungsweise mehrere gleichzeitig im Rahmen des Druckvorgangs hergestellte Bauteile ein großes Streuband von mechanischen Eigenschaften aufweisen können. Jeweilige mechanische Eigenschaften des Bauteils beziehungsweise der Bauteile sind abhängig von einer Anordnung des jeweiligen Bauteils in einem Bauraum einer Vorrichtung zum Herstellen des jeweiligen dreidimensionalen Bauteils. Dabei kann eine Bauteilqualität innerhalb und zwischen der im Rahmen des Druckvorgangs hergestellten Bauteile nicht stabil sein. Aktuell ist eine Erwärmung der Basis während des Verfahrens zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils nötig, um zum einen eine Feuchtigkeit des Pulvers besonders gering zu halten und folglich eine Wasserstoffversprödung des dreidimensionalen Bauteils besonders gering zu halten. Zum anderen dient die Erwärmung der Basis einer Geringhaltung eines Temperaturgradienten innerhalb des Bauraums, um hierdurch einen Verzug und thermische Spannungen innerhalb der Bauteile besonders gering zu halten.
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Aufgrund einer Temperatur der Basis von beispielsweise 200 Grad Celsius kann ein Aushärtungsprozess des dreidimensionalen Bauteils unmittelbar nach dem zumindest selektiven Schmelzen der jeweiligen Schichten stattfinden, sodass unterschiedliche Schichten des Bauteils unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Dieser Aushärtungsprozess nach einem Ersterren der zumindest selektiv geschmolzenen Schichten resultiert aus einer andauernden Wärmenachbehandlung der jeweiligen Schichten aufgrund eines Wärmeeintrags über die Basis. Aufgrund einer Bauzeit von circa 24 Stunden liegen innerhalb des Bauteils und zwischen mehreren Bauteilen unterschiedliche Aushärtungszustände vor, je nach Bauposition jeweiliger mehrerer Bauteile innerhalb des Bauraums beziehungsweise einer jeweiligen Baureihenfolge. Mechanische Eigenschaften des Bauteils wie beispielsweise Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung etc. können sich je nach Aushärtungszustand deutlich ändern. Ursächlich hierfür ist ein aufgrund der verfahrenstypischen schnellen Erhitzung und Abkühlung des Pulvers entstehender übersättigter Mischkristall. Dieser übersättigte Zustand des Mischkristalls ist nicht stabil. Eine weitere Energieeinbringung, wie in diesem Fall mittels der erwärmten Basis, führt zu einem Aushärtungsprozess jeweiliger Schichten des Pulvers nach ihrem zumindest teilweisen Schmelzen und anschließendem Erstarren.
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Im Rahmen der im Folgenden erläuterten Erfindung werden Möglichkeiten aufgezeigt, das Verfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils hinsichtlich dieser Nachteile zu optimieren und zu stabilisieren, sodass während des Druckvorgangs des dreidimensionalen Bauteils das Bauteil beziehungsweise mehrere innerhalb des Druckvorgangs hergestellte Bauteile eine durchgängige die zumindest nahezu gleiche Güte aufweisen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein dreidimensionales Bauteil mit besonders vorteilhaften Eigenschaften geschaffen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen Bauteils mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen und in der vorliegenden Beschreibung angegeben.
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Zur Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils der eingangs genannten Art, mittels welchem besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils realisiert werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die jeweilige Schicht mittels von der Energiestrahlung unterschiedlicher Wärmestrahlung erwärmt wird, die von einer der Basis abgewandten Seite der jeweiligen Schicht auf diese gestrahlt wird. Das bedeutet, dass die jeweilige Schicht vor und/oder während des zumindest teilweisen Schmelzens insbesondere vollständig und flächig mittels der Wärmestrahlung erwärmt wird. Somit wird eine jeweilige oberste Schicht beziehungsweise eine zu einem jeweiligen Zeitpunkt als letztes aufgetragene Schicht des Pulvers mittels der Wärmestrahlung erwärmt. Diese Schicht wird bei Auftragen einer weiteren Schicht des Pulvers nicht mehr mittels der Wärmestrahlung erwärmt. Stattdessen wird die weitere Schicht als neue oberste Schicht mittels der Wärmestrahlung erwärmt. Das flächige Erwärmen der jeweiligen Schicht mittels der Wärmestrahlung dient einem gleichmäßigen und flächigen Wärmeeintrag in diejenige Schicht, welche mittels der Energiestrahlung selektiv zumindest teilweise geschmolzen werden soll beziehungsweise wird. Hierdurch kann eine Energie der Energiestrahlung besonders gering gehalten werden, was zu einer besonders hohen Energieeffizienz führt. Insbesondere wird die jeweilige Schicht vollständig und flächendeckend mittels der Wärmestrahlung erwärmt und zusätzlich mittels der Energiestrahlung selektiv, das bedeutet bereichsweise, geschmolzen. Hierbei wird das Pulver zumindest angeschmolzen, um eine Versinterung des Pulvers zu ermöglichen. Insbesondere wird das Pulver der jeweiligen Schicht selektiv, das bedeutet bereichsweise, vollständig aufgeschmolzen, um bereichsweise verschmolzen zu werden. Die Wärmestrahlung auf die der Basis abgewandte Seite der jeweiligen Schicht dient dazu, einen Temperaturgradienten zwischen einer Schmelze des mittels der Energieeinstrahlung zumindest teilweise geschmolzenen Pulvers und einer obersten, nach deren zumindest teilweisem Schmelzen erstarrten Schicht besonders gering zu halten. Da lediglich die jeweilige oberste Schicht mittels der Wärmestrahlung auf der der Basis abgewandten Seite erwärmt wird, kann eine Temperatur der Basis besonders gering gehalten werden, um ein Nachhärten von nach dessen Schmelzen bereits erstarrtem Pulver zumindest im Wesentlichen zu vermeiden. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, einen Aushärteprozess des während eines Druckvorgangs hergestellten Bauteils beziehungsweise mehrerer während des Druckvorgangs hergestellter Bauteile zu kontrollieren, sodass alle Bauteile durchgängig einen vergleichbaren Aushärtungszustand aufweisen. Durch eine nachträgliche Warmbehandlung sämtlicher während des Druckvorgangs hergestellter Bauteile können alle Bauteile gleichmäßig bis zu einem gewünschten Aushärtungszustand beziehungsweise bis zum Erreichen gewünschter Werkstoffeigenschaften mit Wärme behandelt werden.
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Zur Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils der eingangs genannten Art, mittels welchem besonders vorteilhafte mechanische bzw. durchgängig zumindest im Wesentlichen konstante Eigenschaften geschaffen werden können, ist es in einer alternativen Ausführung der Erfindung erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Pulver erwärmt wird, bevor aus dem Pulver die Schichten hergestellt werden. Beispielsweise kann das Pulver vor dem Herstellen der Schichten in einem Vorratsbehälter aufgenommen sein, in welchem das Pulver erwärmt wird. Hierdurch kann zum einen eine Feuchtigkeit des Pulvers besonders gering gehalten werden, sodass eine Gefahr einer Wasserstoffversprödung des Bauteils besonders gering gehalten werden kann. Darüber hinaus kann aufgrund der Erwärmung des Pulvers über das Pulver Wärme in den Bauraum, in welchem das Bauteil hergestellt wird, eingetragen werden, sodass eine Energie der Energiestrahlung besonders gering gehalten werden kann. Dies ermöglicht eine besonders hohe Energieeffizienz. Des Weiteren kann durch das bereits vor dem Herstellen der Schichten erwärmte Pulver ein Temperaturgradient zwischen mittels der Energiestrahlung selektiv zumindest teilweise geschmolzenem Pulver und nicht geschmolzenem Pulver besonders gering gehalten werden. Des Weiteren kann ein Temperaturgradient zwischen dem selektiv zumindest teilweise geschmolzenen Pulver und nach dem zumindest teilweisen Schmelzen erstarrten Pulver, an welchem das selektiv zumindest teilweise geschmolzene Pulver anliegt, besonders gering gehalten werden. Hierdurch können Eigenspannungen in dem aus dem selektiv zumindest teilweise geschmolzenen Pulver hergestellten Bauteil besonders gering gehalten werden. Zudem kann das nicht geschmolzene Pulver, welches der Schicht angehört, welche mittels der Energiestrahlung selektiv zumindest teilweise geschmolzen wird, während des zumindest teilweisen Schmelzens abkühlen. Somit ist das zumindest teilweise geschmolzene Pulver von dem abgekühlten nicht geschmolzenen Pulver umgeben, welches einer Kühlung des zumindest teilweise geschmolzenen Pulvers dienen kann, sodass eine Gefahr eines Nachhärtens des geschmolzenen Pulvers nach dessen Erstarren besonders gering gehalten werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Innenansicht einer Druckvorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils.
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In der einzigen Figur ist in einer schematischen Innenansicht eine Druckvorrichtung 10 zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils mittels selektivem Laserschmelzens dargestellt. Die Druckvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 24 sowie einen Vorratsbehälter 12, in welchem ein Pulver aufnehmbar ist. Bei dem Pulver handelt es sich vorliegend um eine Aluminiumlegierung. Die Druckvorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Auftrageeinrichtung 14 mit einer Pulverwalze 16, mittels welcher das Pulver aus dem Vorratsbehälter 12 entnehmbar und in jeweiligen Schichten auf einer Basis 18 in einem Bauraum 20 in dem Gehäuse 24 übereinander anordenbar ist. Dabei ist die Basis 18 höhenverstellbar, um ein Volumen des Bauraums 20 einzustellen. Insbesondere wird eine jeweilige Schicht mittels der Auftrageeinrichtung 14 in dem Bauraum 20 jeweils auf einer konstanten Höhe relativ zu dem Gehäuse 24 der Druckvorrichtung 10 angeordnet, indem die Basis 18 zur Vergrößerung des Bauraums 20 relativ zu seiner vorherigen Position nach unten bewegt wird. Dies ermöglicht eine Aufnahme einer weiteren Schicht des Pulvers in dem Bauraum 20, wobei es sich nach deren Anordnung in dem Bauraum 20 um eine oberste Schicht 22 des Pulvers handelt.
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Die Druckvorrichtung 10 umfasst des Weiteren einen Überlaufbehälter 26, in welchem überschüssiges Pulver bei Erzeugen der obersten Schicht 22 des Pulvers aufgenommen werden kann.
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Die Druckvorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Lasereinrichtung 28, mittels welcher jeweilige Schichten des Pulvers selektiv zumindest teilweise geschmolzen werden können. Insbesondere kann mittels der Lasereinrichtung 28 über Energiestrahlung 38 die oberste Schicht 22 des Pulvers zumindest selektiv geschmolzen werden. Die Lasereinrichtung 28 umfasst vorliegend einen Scanner 30, ein Strahlführungssystem 32, einen Kohlenstoffdioxidlaser 34 sowie ein Laserfenster 36. Mittels der Lasereinrichtung 28 wird die Energiestrahlung 38 auf die oberste Schicht 22 des Pulvers aufgebracht, um das Pulver zumindest teilweise zu schmelzen. Bei einem Druckverfahren für das dreidimensionale Bauteil wird somit das Bauteil auf der Basis 18 hergestellt, indem auf die Basis 18 jeweilige Schichten aus dem Pulver herstestellt werden, übereinander angeordnet werden und mittels der Energiestrahlung 38 selektiv zumindest teilweise geschmolzen werden.
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Um eine besonders vorteilhafte Energieeffizienz des Druckverfahrens für das dreidimensionale Bauteil zu ermöglichen, wird durch einen zusätzlichen Eintrag von Wärme eine benötigte Energie der Energiestrahlung 38 zum zumindest teilweisen Schmelzen des Pulvers besonders gering gehalten. Eine erste Möglichkeit für den Eintrag der Wärme ist, dass die Druckvorrichtung 10 eine Pulvererwärmvorrichtung 40 umfasst, mittels welcher das Pulver in dem Vorratsbehälter 12 erwärmbar ist. Insbesondere wird das Pulver erwärmt, bevor aus dem Pulver die Schichten hergestellt werden. Hierdurch kann eine Feuchtigkeit des Pulvers bereits vor der Herstellung der Schichten durch eine Aufwärmung im Vorratsbehälter 12 besonders gering gehalten werden, um eine Gefahr einer Wasserstoffversprödung des Bauteils besonders gering zu halten.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmeeintrag mittels von der Energiestrahlung 38 unterschiedlicher Wärmestrahlung 42 erfolgen. Hierfür kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 24 der Druckvorrichtung 10 eine nicht dargestellte Wärmestrahleinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher eine jeweilige als letztes aufgetragene Schicht und somit oberste Schicht 22 des Pulvers mittels der Wärmestrahlung 42 auf einer einer weiteren, vorher aufgetragenen Schicht des Pulvers abgewandten Seite der als letztes aufgetragenen Schicht vollständig und flächig erwärmbar ist. Dies bedeutet, dass die jeweilige Schicht, vor und/oder während des selektiven zumindest teilweisen Schmelzens mittels der Wärmestrahlung 42 erwärmt wird, wobei die Wärmestrahlung 42 von einer der Basis 18 abgewandten Seite der jeweiligen Schicht auf diese gestrahlt wird. Durch die Wärmestrahlung 42 auf die der Basis 18 abgewandte Seite der jeweiligen Schicht kann ein Temperaturgradient zwischen dem mittels der Energiestrahlung 38 selektiv zumindest teilweise geschmolzenen Pulver und einer darunter liegenden Schicht besonders gering gehalten werden, da die darunter liegende Schicht zumindest bereichsweise noch von einer vorherigen Erwärmung mittels der Wärmestrahlung 42 und oder der Energiestrahlung 38 erwärmt sein kann.
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Aufgrund der von oben auf die oberste Schicht 22 einwirkende Wärmestrahlung 42 ist ein Erwärmen der Basis 18 nicht notwendig und im Bauraum 20 zwischen der Basis 18 und der obersten Schicht 22 des Pulvers angeordnete Schichten, insbesondere nach dem selektiven Schmelzen erstarrtes Pulver, werden beziehungsweise wird nicht weiter während des Druckvorgangs gehärtet. Der zusätzlich zu der Energiestrahlung 38 in den Bauraum 20 eingebrachte Wärmeeintrag kann des Weiteren helfen Eigenspannungen innerhalb des Bauteils besonders gering zu halten.
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Um ein Aushärten beziehungsweise Nachhärten des Bauteils in dem Bauraum 20 nach Erstarren des zumindest teilweise geschmolzenen Pulvers zunächst im Wesentlichen zu vermeiden, können die im Bauraum 20 zwischen der obersten Schicht 22 und der Basis 18 angeordneten Schichten nach ihrem zumindest teilweisen Schmelzen gekühlt werden. Das Kühlen kann mittels Kühlkanälen erfolgen. Insbesondere werden zwischen der obersten Schicht 22 und der Basis 18 angeordnete Schichten nach dem zumindest teilweisen Schmelzen auf eine Temperatur unterhalb einer Nachhärtungstemperatur beziehungsweise Aushärtungstemperatur des Pulvers temperiert. Diese Temperatur beträgt vorliegend weniger als 120 Grad Celsius. Hierbei kann die Aushärtungstemperatur des Pulvers in einem Bereich von 150 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius liegen.Das Temperieren des Pulvers kann mittels eines Wärmeeintrags beziehungsweise eines Wärmeaustrags aus dem Bauraum 20 über die Basis 18, welche auch als Bauplattform bezeichnet werden kann, erfolgen. Insbesondere weist das Pulver eine Aushärtungstemperatur auf, welche oberhalb einer Temperatur der Basis 18 liegt. Hierdurch kann der Aushärtungsprozess besonders lange gehemmt werden beziehungsweise vermieden werden.
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Das zumindest teilweise geschmolzene Pulver kann nach dessen Aushärten als das dreidimensionale Bauteil von ungeschmolzenem Pulver getrennt werden. Anschließend kann das Bauteil für ein definiertes Zeitintervall auf eine definierte Temperatur temperiert werden, um eine Überalterung und eine Stabilität von mechanischen Eigenschaften des Bauteils einzustellen. Dies wird als Warmauslagerung bezeichnet.
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Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass insbesondere bei einem gleichzeitigen Herstellen mehrerer Bauteile während eines Druckvorgangs in dem Bauraum 20 nur Bauteile mit einem gleichen Aushärtungszustand und somit auch mit gleichen mechanischen Eigenschaften und einer gleichen Qualität entstehen. Insbesondere weisen die jeweiligen Bauteile durchgängig den gleichen Aushärtungszustand und somit auch die gleichen mechanischen Eigenschaften und die gleiche Qualität über deren räumliche Ausdehnung auf.
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Mittels des im Zusammenhang mit der einzigen Figur beschriebenen Verfahrens ist es möglich, eine definierte Duktilität und eine definierte Festigkeit in dem jeweiligen hergestellten Bauteil beziehungsweise in den mehreren innerhalb des Bauraums 20 hergestellten Bauteilen einzustellen. Es kann somit wenigstens ein Bauteil hergestellt werden, welches mechanische Eigenschaften analog zu einem in einem Druckgussverfahren hergestellten Bauteil oder einem in einem Kokillengussverfahren hergestellten Bauteil aufweist. Dabei weist das mittels des Kokillenguss hergestellte Bauteil eine besonders hohe Festigkeit und eine geringe Duktilität auf. Bei einer Wärmenachbehandlung des Bauteils von mehreren Stunden und einer Temperatur von circa 250 bis 350 Grad Celsius kann eine besonders hohe Duktilität von wenigstens 10 Prozent und eine besonders geringe Festigkeit des Bauteils erreicht werden, was Eigenschaften des im Druckgussverfahren hergestellten Bauteils entspricht. Somit ist es möglich, mittels des Verfahrens Bauteile aus konventioneller Fertigung wie Druckguss und Kokillenguss zu ersetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031926 A1 [0002]
