DE102017110651B4 - Process for additive manufacturing of workpieces - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstückes (10), mit den Schrittena. Bereitstellen eines Arbeitstisches (5) im Einflussbereich eines Satzes von Strahlungsquellen, wobei der Satz Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle umfasst und wobei der Arbeitstisch (5) wenigstens eine absenkbare Hubfläche (7) in einer Ausgangslage aufweist,b. Vorlegen einer Schicht pulverförmigen Rohmaterials (21) auf der Hubfläche (7),c. Beaufschlagen von Bereichen der ersten Materialschicht, die der gewünschten Form des Werkstückes (10) entsprechen, mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das pulverförmige Rohmaterial (21) in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird,d. Absenken der Hubfläche (7) aus der Ausgangslage,e. Vorlegen einer weiteren Schicht pulverförmigen Rohmaterials (21) auf der zuvor beaufschlagten Schicht,f. Beaufschlagen von Bereichen der weiteren Materialschicht, die der gewünschten Form des Werkstückes (10) entsprechen, mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das pulverförmige Rohmaterial (21) in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird,g. Wiederholung der Schritte d. bis f. bis zur Fertigstellung des Werkstücks (10), wobei die Hubfläche (7) sich bei Fertigstellung des Werkstückes (10) in einer Endlage befindet,h. Abkühlen des fertiggestellten Werkstückes auf der Hubfläche (7),i. Entnahme des Werkstückes (10) von der Hubfläche (7), gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:- Aufbau wenigstens eines Kühlkörpers (22) auf wenigstens einem Abschnitt der Hubfläche (7), der für den Aufbau des Werkstückes (10) nicht benötigt wird, durch Beaufschlagen von Bereichen der Materialschichten in den Schritten c. und f. mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das pulverförmige Rohmaterial (21) in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird, wobei die beaufschlagten Bereiche der gewünschten Form des Kühlkörpers (22) entsprechen und wobei der Kühlkörper (22) so aufgebaut wird, dass er in Kontakt mit der Hubfläche (7) steht, wobei die Hubfläche (7) aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht und mit einem Fluid temperiert wird,wobei die Strahlungsquelle eine Elektronenstrahlkanone ist und zumindest die Schritte c. bis g. bei einem Druck von höchstens 10-3mbar durchgeführt werden undwobei die Kühlkörper (22) nicht direkt an das Werkstück (10) grenzen undwobei vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt c. mit Strahlung und/oder vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt f. mit Strahlung ein Vorwärmen und/oder Vorsintern der Materialschicht erfolgt.Method for the additive manufacturing of a workpiece (10), with the steps a. Providing a work table (5) in the area of influence of a set of radiation sources, the set of radiation sources comprising at least one radiation source and wherein the work table (5) has at least one lowerable lifting surface (7) in an initial position, b. Placing a layer of powdery raw material (21) on the lifting surface (7), c. Exposing areas of the first material layer which correspond to the desired shape of the workpiece (10) with radiation from the radiation source, so that the powdery raw material (21) in the areas is at least partially heated to at least its melting point, d. Lowering the lifting surface (7) from the starting position, e. Presenting a further layer of powdery raw material (21) on the previously applied layer, f. Exposing areas of the further material layer which correspond to the desired shape of the workpiece (10) with radiation from the radiation source, so that the powdery raw material (21) in the areas is at least partially heated to at least its melting point, g. Repeat steps d. to f. until the workpiece (10) is completed, the lifting surface (7) being in an end position when the workpiece (10) is completed, h. Cooling the finished workpiece on the lifting surface (7), i. Removal of the workpiece (10) from the lifting surface (7), characterized by the further steps: - Construction of at least one cooling body (22) on at least one section of the lifting surface (7) which is not required for the construction of the workpiece (10), by applying areas of the material layers in steps c. and f. with radiation from the radiation source, so that the powdery raw material (21) in the areas is at least partially heated to at least its melting point, the impinged areas corresponding to the desired shape of the heat sink (22) and the heat sink (22) so is built up so that it is in contact with the lifting surface (7), wherein the lifting surface (7) consists of a material with a high thermal conductivity and is tempered with a fluid, the radiation source being an electron beam gun and at least steps c. to g. be carried out at a pressure of at most 10-3 mbar and the heat sinks (22) not directly adjoining the workpiece (10) and before the material layer is applied in step c. with radiation and / or before the material layer is exposed in step f. with radiation, the material layer is preheated and / or pre-sintered.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung von Werkstücken. Nach dem Verfahren herstellbare Werkstücke sind beispielsweise Turbinenschaufeln, es sind aber auch beliebige andere Geometrien herstellbar.The present invention relates to a method for additive manufacturing of workpieces. Workpieces that can be manufactured using the method are, for example, turbine blades, but any other desired geometries can also be manufactured.
Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Herstellung von Werkstücken sind aus dem Stand der Technik bekannt. Man spricht auch von „generativen Herstellungsverfahren“ oder „3D-Druck“. Bei diesen Verfahren wird ein Rohmaterial, meist in Pulverform, in Form einer Schicht auf eine Arbeitsfläche aufgetragen, um dort abschnittsweise geschmolzen oder gesintert zu werden. Auf die Schicht wird eine weitere Schicht aufgetragen und so verfahren wie mit der ersten Schicht. Dabei werden die zu schmelzenden bzw. zu sinternden Abschnitte so gewählt, dass schichtweise das dreidimensionale Werkstück aufgebaut wird.Devices and methods for the additive production of workpieces are known from the prior art. One also speaks of “generative manufacturing processes” or “3D printing”. In this process, a raw material, usually in powder form, is applied in the form of a layer to a work surface in order to be melted or sintered in sections. Another layer is applied to the layer and proceed as with the first layer. The sections to be melted or sintered are selected in such a way that the three-dimensional workpiece is built up in layers.
Die
Ferner offenbart die
Die Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf. Beispielsweise sind viele Verfahren nicht wirtschaftlich. Dazu trägt bei, dass besonders bei Verwendung von Elektronenstrahlen zum Schmelzen bzw. Sintern ein Vakuum erforderlich ist. Nach Beendigung eines Herstellungsvorgangs muss das Werkstück aus der Prozesskammer entnommen werden, was den Verlust des Vakuums zur Folge hat. Die Wiederherstellung des Vakuums nimmt wiederum Zeit in Anspruch, während der der Herstellungsprozess eines weiteren Werkstücks noch nicht beginnen kann.However, the methods and devices from the prior art have a number of disadvantages. For example, many processes are not economical. This is due to the fact that a vacuum is required, especially when using electron beams for melting or sintering. After completion of a manufacturing process, the workpiece must be removed from the process chamber, which results in the loss of vacuum. The restoration of the vacuum again takes time, during which the manufacturing process of another workpiece cannot yet begin.
Auch die Säuberung der Prozesskammer und deren Herrichtung für ein Herstellungsverfahren nimmt Zeit in Anspruch. Während dieser Zeit kann das Herstellungsverfahren selbstverständlich nicht durchgeführt werden.Cleaning the process chamber and preparing it for a manufacturing process also takes time. Of course, the manufacturing process cannot be carried out during this time.
Die hergestellten Werkstücke sind unmittelbar nach der Herstellung sehr heiß. Viele Werkstoffe, insbesondere Metalle, sind in heißem Zustand reaktiv und dürfen nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommen. Daher müssen diese Werkstoffe vor der Entnahme aus dem evakuierten Bereich bis auf eine bestimmte Höchsttemperatur abkühlen, bevor sie entnommen werden können. Während dieser Zeit kann der Herstellungsprozess eines weiteren Werkstücks noch nicht beginnen. Dies ist besonders relevant, da das für den Betrieb von Elektronenstrahlkanonen erforderliche Vakuum die Wärmeleitung durch Konvektion verhindert, sodass die Abkühlung erhebliche Zeit in Anspruch nimmt. Die Abkühlzeiten sind in vielen Verfahren des Standes der Technik auch deshalb sehr lang, weil das um ein hergestelltes Werkstück angeordnete Pulver die Wärme verhältnismäßig schlecht leitet. So dauert die Abkühlung nach der Herstellung meist mehrere Tage.The workpieces produced are very hot immediately after production. Many materials, especially metals, are reactive when they are hot and must not come into contact with atmospheric oxygen. Therefore, these materials must cool down to a certain maximum temperature before they can be removed from the evacuated area. During this time, the manufacturing process for another workpiece cannot yet begin. This is particularly relevant because the vacuum required to operate electron beam guns prevents heat conduction by convection, so that cooling takes a considerable amount of time. The cooling times in many processes of the prior art are also very long because the powder arranged around a manufactured workpiece conducts the heat relatively poorly. It usually takes several days to cool down after production.
Für die additive Herstellung geeignete Strahlungsquellen erzeugen energiereiche Strahlung, zum Beispiel Laser- oder Elektronenstrahlung, die in den meisten Verfahren über die aufgetragenen Schichten gescannt wird. Dabei ist die Geschwindigkeit des Schmelzens oder Sinterns nicht nur von der Dauer abhängig, die erforderlich ist, um das Rohmaterial auf die erforderliche Temperatur zu bringen, sondern auch von der Scangeschwindigkeit, mit der der Strahl über das Rohmaterial gezogen werden kann. Hinzu kommt, dass Werkstücke, die eine gewisse Größe überschreiten, einen entsprechend großen Querschnitt aufweisen können, so dass die Fokussierung eines energiereichen Strahls Schwierigkeiten bereiten kann.Radiation sources suitable for additive manufacturing generate high-energy radiation, for example laser or electron radiation, which in most processes is scanned over the applied layers. The speed of melting or sintering depends not only on the time required to bring the raw material to the required temperature, but also on the scanning speed with which the beam can be drawn over the raw material. In addition, workpieces that exceed a certain size can have a correspondingly large cross section, so that focusing a high-energy beam can cause difficulties.
Darüber hinaus ist der Materialeinsatz für additive Herstellungsverfahren teilweise immens, da die für eine Schicht benötigte Auftragsmenge nicht von der Größe der Querschnittsfläche des herzustellenden Werkstückes, sondern von der Größe der Arbeitsfläche abhängt, auf die das Rohmaterial aufgebracht wird. Einmal eingesetztes Rohmaterial muss, auch wenn es nicht geschmolzen bzw. gesintert wurde, aufbereitet werden, bevor es wiederverwendet werden kann. Besonders bei teuren Werkstoffen wie Metallen oder Metalllegierungen ist es wünschenswert, den Materialeinsatz so gering wie möglich zu wählen.In addition, the use of material for additive manufacturing processes is sometimes immense, since the application quantity required for a layer does not depend on the size of the cross-sectional area of the workpiece to be manufactured, but on the size of the work surface to which the raw material is applied. Once raw material has been used, even if it has not been melted or sintered, it must be processed before it can be reused. Especially with expensive materials like For metals or metal alloys, it is desirable to use as little material as possible.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Herstellungssystem bereitzustellen, mit dem die Nachteile der Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe dieser Erfindung, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme bereitzustellen, die besonders wirtschaftlich im Hinblick auf benötigte Produktionszeit, Downtime, Materialeinsatz und Energiebedarf sind.It is an object of the present invention to provide a method, a device and a production system with which the disadvantages of the methods and devices from the prior art are overcome. In particular, it is the object of this invention to provide methods, devices and systems which are particularly economical with regard to the required production time, downtime, use of materials and energy requirements.
Die hierin vorgestellte Erfindung löst diese Aufgaben.The invention presented herein achieves these objectives.
VerfahrenProcedure
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstückes, mit den Schritten
- a. Bereitstellen eines Arbeitstisches im Einflussbereich eines Satzes von Strahlungsquellen, wobei der Satz Strahlungsquellen wenigstens eine Strahlungsquelle umfasst und wobei der Arbeitstisch wenigstens eine absenkbare Hubfläche in einer Ausgangslage aufweist,
- b. Vorlegen einer Schicht pulverförmigen Rohmaterials auf der Hubfläche,
- c. Beaufschlagen von Bereichen der ersten Materialschicht, die der gewünschten Form des Werkstückes entsprechen, mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das Rohmaterial in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird,
- d. Absenken der Hubfläche aus der Ausgangslage, insbesondere um die Dicke der nachfolgend aufzutragenden Schicht,
- e. Vorlegen einer weiteren Schicht Rohmaterials auf der zuvor beaufschlagten Schicht,
- f. Beaufschlagen von Bereichen der weiteren Materialschicht, die der gewünschten Form des Werkstückes entsprechen, mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das Pulver in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird,
- g. Wiederholung der Schritte d. bis f. bis zur Fertigstellung des Werkstücks, wobei die Hubfläche sich bei Fertigstellung des Werkstückes in einer Endlage befindet,
- h. Abkühlen des fertiggestellten Werkstückes auf der Hubfläche,
- i. Entnahme des Werkstückes von der Hubfläche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
- - Aufbau wenigstens eines Kühlkörpers auf wenigstens einem Abschnitt der Hubfläche, der für den Aufbau des Werkstückes nicht benötigt wird, durch Beaufschlagen von Bereichen der Materialschichten in den Schritten c. und f. mit Strahlung aus der Strahlungsquelle, so dass das Pulver in den Bereichen zumindest teilweise wenigstens auf seinen Schmelzpunkt erhitzt wird, wobei die beaufschlagten Bereiche der gewünschten Form des Kühlkörpers entsprechen und wobei der Kühlkörper so aufgebaut wird, dass er in Kontakt mit der Hubfläche steht,
wobei die Strahlungsquelle eine Elektronenstrahlkanone ist und zumindest die Schritte c. bis g. bei einem Druck von höchstens 10-3 bar durchgeführt werden und wobei die Kühlkörper nicht direkt an das Werkstück grenzen und
wobei vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt c. mit Strahlung und/oder vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt f. mit Strahlung ein Vorwärmen und/oder Vorsintern der Materialschicht erfolgt.The invention relates to a method for additive manufacturing of a workpiece, with the following steps
- a. Providing a work table in the area of influence of a set of radiation sources, the set of radiation sources comprising at least one radiation source and wherein the work table has at least one lowerable lifting surface in a starting position,
- b. Placing a layer of powdery raw material on the lifting surface,
- c. Exposing areas of the first material layer which correspond to the desired shape of the workpiece with radiation from the radiation source, so that the raw material in the areas is at least partially heated to at least its melting point,
- d. Lowering the lifting surface from the starting position, in particular by the thickness of the layer to be applied subsequently,
- e. Placing another layer of raw material on top of the previously applied layer,
- f. exposure of areas of the further material layer which correspond to the desired shape of the workpiece with radiation from the radiation source so that the powder in the areas is at least partially heated to its melting point,
- G. Repeat steps d. to f. up to the completion of the workpiece, whereby the lifting surface is in an end position when the workpiece is completed,
- H. Cooling of the finished workpiece on the lifting surface,
- i. Removal of the workpiece from the lifting surface, characterized by the following steps:
- - Construction of at least one heat sink on at least one section of the lifting surface that is not required for the construction of the workpiece, by applying areas of the material layers in steps c. and f. with radiation from the radiation source, so that the powder in the areas is at least partially heated to at least its melting point, the impinged areas corresponding to the desired shape of the heat sink and the heat sink being constructed so that it is in contact with the lifting surface stands,
wherein the radiation source is an electron beam gun and at least steps c. to g. be carried out at a pressure of no more than 10 -3 bar and where the heat sinks are not directly adjacent to the workpiece and
wherein before the material layer is applied in step c. with radiation and / or before the material layer is exposed in step f. with radiation, the material layer is preheated and / or pre-sintered.
Der Begriff „Werkstück“ bezieht sich erfindungsgemäß sowohl auf ein einzelnes Werkstück als auch auf eine Mehrzahl an Werkstücken. Insbesondere sind mit dem Verfahren auch mehrere Werkstücke gleichzeitig bzw. gemeinsam mit anderen Werkstücken herstellbar.According to the invention, the term “workpiece” relates both to a single workpiece and to a plurality of workpieces. In particular, the method can also be used to produce several workpieces at the same time or together with other workpieces.
Das Ermitteln des für die Herstellung des Werkstückes nicht benötigten Abschnitts der Hubfläche beispielsweise durch Vergleich eines Modells, insbesondere eines CAD-Modells, des Werkstückes mit der Hubfläche der Vorrichtung erfolgen.The section of the lifting surface not required for the production of the workpiece is determined, for example, by comparing a model, in particular a CAD model, of the workpiece with the lifting surface of the device.
Das Verfahren dieser Erfindung und die Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Herstellung von großen Werkstücke oder einer Mehrzahl von Werkstücken. Dafür bietet die Vorrichtung ein Bauvolumen in der Prozesskammer von vorzugsweise wenigstens 1 m3, insbesondere sogar wenigstens 2 m3. Entsprechend wird für die Abkühlung nach der Herstellung viel Zeit benötigt, insbesondere wenigstens ein Tag oder mehrere Tage (insbesondere bei großen Werkstücken).The method of this invention and the apparatus are particularly suitable for the manufacture of large work pieces or a plurality of work pieces. For this, the device offers a structural volume in the process chamber of preferably at least 1 m 3 , in particular even at least 2 m 3 . Accordingly, a lot of time is required for the cooling after production, in particular at least one day or several days (in particular in the case of large workpieces).
Das Rohmaterial ist vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung. Besonders bevorzugt sind Titan und Titanlegierungen, Nickelbasislegierungen, Superlegierungen und Stähle. Um Werkstücke mit hoher Oberflächenqualität zu erhalten, sollte das Rohmaterial Partikelgrößen aufweisen, die unterhalb von 500 µm, insbesondere unterhalb von 400 µm, unterhalb von 300 µm oder unterhalb von 200 µm liegen. Die Partikelgrößen des Rohmaterials sollten aber auch nicht zu klein sein, da dies die Fließfähigkeit des Pulvers verschlechtert und dessen Oberfläche vergrößert, sodass die Einstellung eines Vakuums umso mehr Zeit in Anspruch nimmt. Kleinere Partikel verlangsamen ferner den Aufbau des Werkstücks. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt daher die Partikelgröße des Rohmaterials wenigstens 1 µm, insbesondere wenigstens 10 µm, bevorzugt wenigstens 20 µm und besonders bevorzugt wenigstens 50 µm. Besonders bevorzugt beträgt die Partikelgröße 50 bis 150 µm. Unter „Partikelgröße“ wird erfindungsgemäß bevorzugt die nach dem Prinzip der dynamischen Lichtstreuung gemessene durchschnittliche Partikelgröße verstanden.The raw material is preferably a metal or a metal alloy. Titanium and titanium alloys, nickel-based alloys, superalloys and steels are particularly preferred. In order to obtain workpieces with a high surface quality, the raw material should have particle sizes which are below 500 µm, in particular below 400 µm, below 300 µm or below 200 µm. The particle sizes of the raw material should but also not be too small, as this worsens the flowability of the powder and increases its surface area, so that setting a vacuum takes all the more time. Smaller particles also slow down the build-up of the workpiece. In a preferred embodiment, the particle size of the raw material is therefore at least 1 μm, in particular at least 10 μm, preferably at least 20 μm and particularly preferably at least 50 μm. The particle size is particularly preferably 50 to 150 μm. According to the invention, “particle size” is preferably understood to mean the average particle size measured according to the principle of dynamic light scattering.
Die Hubfläche ist aus einer Ausgangslage in eine Endlage absenkbar. Auf die Hubfläche wird während des erfindungsgemäßen Verfahrens Rohmaterial in Pulverform aufgetragen. Das Rohmaterial in Pulverform wird geschmolzen bzw. gesintert. Erfindungsgemäß bedeutet die Bedingung, dass sich der Arbeitstisch bzw. die Hubfläche in dem Einflussbereich der Strahlungsquelle befindet, dass der Arbeitstisch bzw. die Hubfläche zumindest so hoch angeordnet ist, dass eine auf der Hubfläche befindliche Pulverschicht vermittelt durch die Strahlung der Strahlungsquelle geschmolzen bzw. gesintert werden kann.The lifting surface can be lowered from an initial position to an end position. During the process according to the invention, raw material in powder form is applied to the lifting surface. The raw material in powder form is melted or sintered. According to the invention, the condition means that the work table or the lifting surface is in the area of influence of the radiation source, that the work table or the lifting surface is at least so high that a powder layer located on the lifting surface is melted or sintered by the radiation from the radiation source can be.
Mit einem „Satz Strahlungsquellen“ ist erfindungsgemäß die Gesamtheit der für die additive Herstellung verwendeten Strahlungsquellen innerhalb einer Vorrichtung gemeint. Der Satz Strahlungsquellen kann dabei konstruktiv miteinander verbunden sein, zum Beispiel durch Befestigung aller Strahlungsquellen innerhalb eines Satzes an einer Befestigungsplatte oder auf andere Weise. Alternativ können die Strahlungsquellen jeweils einzeln an der Vorrichtung befestigt sein. Geeignete Strahlungsquellen sind Elektronenstrahlkanonen und Laser, wobei Elektronenstrahlkanonen erfindungsgemäß sind.According to the invention, a “set of radiation sources” means the entirety of the radiation sources used for additive manufacturing within a device. The set of radiation sources can be structurally connected to one another, for example by fastening all radiation sources within a set to a fastening plate or in some other way. Alternatively, the radiation sources can each be attached individually to the device. Suitable radiation sources are electron beam guns and lasers, electron beam guns being according to the invention.
Elektronenstrahlkanonen haben gegenüber Laser den Vorteil höherer, und flexibel einstellbarer Leistungsdichten. Damit sind höhere Schmelztemperaturen realisierbar. Damit ist die Elektronenstrahlkanone gerade bei Rohmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Metalle, Metalllegierungen) als Strahlungsquelle vorteilhaft.Electron beam guns have the advantage over lasers of higher and flexibly adjustable power densities. This means that higher melting temperatures can be achieved. The electron beam gun is therefore particularly advantageous as a radiation source for raw materials with high thermal conductivity (metals, metal alloys).
Darüber hinaus bietet eine Elektronenstrahlkanone die Möglichkeit, verhältnismäßig große Strahldurchmesser bzw. Spotgrößen zu verwenden, so dass auch ein Vorwärmen mit der Strahlungsquelle gut durchführbar ist. Insbesondere lässt sich das Rohmaterial vorsintern, so dass Pulverkörner in geringem Maße miteinander versintern. Das Vorsintern verhindert das durch elektrostatische Aufladung bedingte Zerstäuben („smoke effect“), das andernfalls bei Bestrahlung mit Elektronenstrahlung zu befürchten ist. Ferner wird die Wärmeleitung durch das Vorsintern verbessert, da die Pulverkörner miteinander in engeren Kontakt gebracht werden.In addition, an electron beam gun offers the possibility of using relatively large beam diameters or spot sizes, so that preheating with the radiation source can also be carried out well. In particular, the raw material can be pre-sintered so that powder grains are sintered with one another to a small extent. Pre-sintering prevents the atomization caused by electrostatic charging (“smoke effect”), which is otherwise to be feared when exposed to electron beams. Furthermore, the heat conduction is improved by the pre-sintering, since the powder grains are brought into closer contact with one another.
Erfindungsgemäß ist die Strahlungsquelle eine Elektronenstrahlkanone. Enthält der Satz Strahlungsquellen mehr als eine Strahlungsquelle, so sind vorzugsweise alle Strahlungsquellen des Satzes Elektronenstrahlkanonen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Satz Strahlungsquellen wenigstens zwei, wenigstens drei oder wenigstens vier Strahlungsquellen auf. Die Verwendung mehrerer Strahlungsquellen hat sich als vorteilhaft erwiesen, da auf diese Weise auch bei Werkstücken mit großer Querschnittsfläche oder einer Mehrzahl von Werkstücken eine gleichmäßig gute Fokussierung auf die zu bestrahlenden Abschnitte möglich ist und die Arbeitsgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann.According to the invention, the radiation source is an electron beam gun. If the set of radiation sources contains more than one radiation source, then preferably all of the radiation sources in the set are electron beam guns. In a preferred embodiment, the set of radiation sources has at least two, at least three or at least four radiation sources. The use of several radiation sources has proven to be advantageous because in this way, even with workpieces with a large cross-sectional area or a plurality of workpieces, uniformly good focusing on the sections to be irradiated is possible and the working speed can be significantly increased.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass durch den Aufbau wenigstens eines Kühlkörpers auf wenigstens einem Abschnitt der Hubfläche die Ableitung von eingebrachter Wärme während des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers ist wesentlich größer als diejenige des Rohmaterials. Dabei wird der Kühlkörper erfindungsgemäß so aufgebaut, dass er in Kontakt mit der Hubfläche steht, um die Wärmeableitung über die Hubfläche zu ermöglichen. Somit sind Kühlkörper auch nach der Fertigstellung des Werkstückes beim Abkühlen äußerst nützlich.The method described has the advantage that the dissipation of heat introduced during the method can be significantly increased by constructing at least one cooling body on at least one section of the lifting surface. The thermal conductivity of the heat sink is significantly greater than that of the raw material. According to the invention, the heat sink is constructed in such a way that it is in contact with the lifting surface in order to enable heat to be dissipated via the lifting surface. This means that heat sinks are extremely useful for cooling down even after the workpiece has been completed.
Erfindungsgemäß ist die Hubfläche aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung weiter verbessert werden. Eine „hohe Wärmeleitfähigkeit“ ist insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit bei 0 °C von wenigstens 13 W/(m*K), mehr bevorzugt wenigstens 40 W/(m*K), ferner bevorzugt wenigstens 100 W/(m*K) und ganz besonders bevorzugt wenigstens 200 W/(m*K). In erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsformen ist die Wärmeleitfähigkeit sogar noch höher, insbesondere wenigstens 250 W/(m*K) und besonders bevorzugt wenigstens 300 W/(m*K). Geeignete Materialien sind Metalle und Metalllegierungen, insbesondere Stahl, Kupfer oder Kupferlegierungen.According to the invention, the lifting surface is made of a material with a high thermal conductivity. In this way, the heat dissipation can be further improved. A “high thermal conductivity” is in particular a thermal conductivity at 0 ° C. of at least 13 W / (m * K), more preferably at least 40 W / (m * K), furthermore preferably at least 100 W / (m * K) and very particularly preferably at least 200 W / (m * K). In embodiments preferred according to the invention, the thermal conductivity is even higher, in particular at least 250 W / (m * K) and particularly preferably at least 300 W / (m * K). Suitable materials are metals and metal alloys, in particular steel, copper or copper alloys.
Der Einsatz von Hubflächen mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine signifikante Beschleunigung der Abkühlgeschwindigkeit und damit des gesamten Verfahrens. Gerade bei Durchführung des Verfahrens im Vakuum - wie es erfindungsgemäß ist- kann der Einsatz solcher Hubflächen die ansonsten wegen fehlender Konvektion stark eingeschränkte Abkühlung der Werkstücke verbessern.The use of lifting surfaces with high thermal conductivity enables a significant acceleration of the cooling rate and thus of the entire process. Especially when the method is carried out in a vacuum - as is the case according to the invention - the use of such lifting surfaces can improve the cooling of the workpieces, which is otherwise severely restricted due to the lack of convection.
Erfindungsgemäß wird die Hubfläche mit einem Fluid temperiert. Das Temperieren kann ein Erwärmen oder Kühlen sein. Durch ein Kühlen der Hubfläche mit einem Fluid kann die Abkühlung weiter beschleunigt werden. Alternativ kann die Hubfläche erwärmt werden. Durch ein Erwärmen der Hubfläche kann das Rohmaterial vor dem Schmelzen bzw. Sintern vorgewärmt werden. Das Fluid zum Temperieren ist bei Standardbedingungen (DIN 1343:1990) flüssig oder gasförmig. Flüssige Fluide sind bevorzugt. Das Fluid ist vorzugsweise ausgewählt aus Wasser, Thermalöl, Inertgas, Luft und flüssigem Metall (z. B. NaK, Wood'sche Legierung). Wasser ist aufgrund seiner geringen Kosten bevorzugt. Der Einsatz von gasförmigem Fluid ist aufgrund der geringeren Wärmekapazität weniger vorteilhaft, bei geringerer beabsichtigter Kühlleistung aber möglich.According to the invention, the lifting surface is tempered with a fluid. Tempering can be a Be heating or cooling. The cooling can be accelerated further by cooling the lifting surface with a fluid. Alternatively, the lifting surface can be heated. By heating the lifting surface, the raw material can be preheated before melting or sintering. The fluid for temperature control is liquid or gaseous under standard conditions (DIN 1343: 1990). Liquid fluids are preferred. The fluid is preferably selected from water, thermal oil, inert gas, air and liquid metal (e.g. NaK, Wood's alloy). Water is preferred because of its low cost. The use of gaseous fluid is less advantageous due to the lower heat capacity, but is possible with a lower intended cooling capacity.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden wenigstens zwei, wenigstens drei oder wenigstens vier Kühlkörper auf der Hubfläche aufgebaut. Dabei hat es sich als ausreichend erwiesen, den Kühlkörper als mit pulverförmigem Rohmaterial gefüllten Hohlkörper aufzubauen. Dadurch wird eine starke Verbesserung der Wärmeableitung erreicht, ohne das gesamte Volumen des Kühlkörpers schmelzen bzw. sintern zu müssen. Das in dem Kühlkörper befindliche pulverförmigem Rohmaterial kann im Anschluss an das Verfahren erneut verwendet werden. Das Werkstück befindet sich in einer Ausführungsform außerhalb von als Hohlkörper ausgestalteten Kühlkörpern. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlkörper jeweils von pulverförmigem Rohmaterial umgeben. Sie grenzen erfindungsgemäß nicht direkt an das Werkstück. Sie bilden insbesondere nicht die äußere Begrenzung des Bauvolumens. Der Bauvolumen erstreckt sich vorzugsweise zwischen Ausgangs- und Endlage der Hubfläche in der Höhe und entspricht hinsichtlich seiner Grundfläche der Hubfläche.In a preferred embodiment of the method, at least two, at least three or at least four heat sinks are built up on the lifting surface. It has proven to be sufficient to construct the heat sink as a hollow body filled with powdery raw material. This greatly improves the heat dissipation without having to melt or sinter the entire volume of the heat sink. The powdery raw material in the heat sink can be reused after the process. In one embodiment, the workpiece is located outside of heat sinks designed as hollow bodies. In a preferred embodiment, the heat sinks are each surrounded by powdery raw material. According to the invention, they do not directly adjoin the workpiece. In particular, they do not form the outer limit of the building volume. The structural volume preferably extends in height between the starting and end positions of the lifting surface and corresponds to the lifting surface in terms of its base area.
Je näher Kühlkörper an dem Werkstück angeordnet sind, desto ausgeprägter unterstützen diese die Abkühlung der fertiggestellten Werkstücke. Dabei beträgt vorzugsweise ein Abstand eines Kühlkörpers zu wenigstens einem Werkstück nicht mehr als 30 mm, vorzugsweise nicht mehr als 25 mm, nicht mehr als 20 mm, nicht mehr als 15 mm, nicht mehr als 10 mm oder nicht mehr als 5 mm. Aufgrund des gezielten Aufbaus der Kühlkörper während der Herstellung der Werkstücke können die Kühlkörper mit minimalem Abstand und unter Berücksichtigung der Endkontur des Werkstückes aufgebaut werden.The closer the heat sinks are to the workpiece, the more pronounced they support the cooling of the finished workpieces. A distance between a heat sink and at least one workpiece is preferably not more than 30 mm, preferably not more than 25 mm, not more than 20 mm, not more than 15 mm, not more than 10 mm or not more than 5 mm. Due to the targeted construction of the heat sinks during the production of the workpieces, the heat sinks can be constructed with a minimal distance and taking into account the final contour of the workpiece.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Vakuum durchgeführt. Dies entspricht erfindungsgemäß einem Druck von höchstens 10-3 mbar. Erfindungsgemäß herrscht zumindest während der Schritte c. bis g. und insbesondere während der Schritte b. bis g. der genannte Druck.The process according to the invention is carried out under vacuum. According to the invention, this corresponds to a pressure of at most 10 -3 mbar. According to the invention, at least during steps c. to g. and in particular during steps b. to g. the said pressure.
Erfindungsgemäß erfolgt vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt c. und/oder vor dem Beaufschlagen der Materialschicht in Schritt f. ein Vorwärmen und/oder Vorsintern der Materialschicht. Das Vorwärmen bzw. Vorsintern kann unter Verwendung einer Wärmequelle erfolgen, die insbesondere mit der Strahlungsquelle identisch sein kann. Das Vorwärmen bzw. Vorsintern hat den Vorteil, dass nicht der gesamte Wärmeeintrag in einem Zuge beim Aufbau des Werkstückes erfolgt. Gerade bei Verwendung von Elektronenstrahlkanonen kann es sonst zu einem Zerstäuben des Rohmaterials aufgrund elektrostatischer Aufladung kommen.According to the invention, before the material layer is applied in step c. and / or prior to the application of the material layer in step f., preheating and / or pre-sintering of the material layer. The preheating or pre-sintering can take place using a heat source, which in particular can be identical to the radiation source. Preheating or pre-sintering has the advantage that not all of the heat input takes place in one go when building the workpiece. Otherwise, especially when using electron beam guns, the raw material may be atomized due to electrostatic charging.
In einer Ausführungsform wird das hergestellte Werkstück im Anschluss an Schritt g. gekühlt. Dies kann in einer separaten Kammer geschehen, in die das Werkstück ggf. noch auf der Hubfläche befindlich überführt wurde. Die Kammer wird hierin als Formenkammer bezeichnet.In one embodiment, after step g. chilled. This can be done in a separate chamber into which the workpiece was transferred while it was still on the lifting surface. The chamber is referred to herein as the mold chamber.
In einer Ausführungsform ist die Formenkammer eingerichtet, ein darin befindliches Werkstück mit einem Kühlgas zu kühlen. Vorzugsweise weist die Formenkammer wenigstens einen Einlass und/oder wenigstens einen Auslass für das Kühlgas auf. In einer Ausführungsform weist die Formenkammer wenigstens ein Mittel zum Umwälzen einer in der Formenkammer befindlichen Menge Kühlgas auf. Das Mittel kann insbesondere ein Lüfter oder eine Umwälzpumpe sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, Formenkammer und Prozesskammer jeweils zu verschließen, sodass unterschiedliche Atmosphären (z. B. Vakuum oder Inertgas) in den beiden Kammern eingestellt werden können. Insbesondere kann in der Formenkammer, in der ein Werkstück abkühlt, die Abkühlung mit einem Kühlgas unterstützt werden, ohne dass ein Vakuum in der Prozesskammer beeinträchtigt wird. Dabei strömt in einer Ausführungsform Kühlgas durch einen Einlass. Insbesondere strömt das Kühlgas durch einen Auslass wieder aus der Formenkammer heraus und/oder das Kühlgas wird in der Formenkammer umgewälzt, um eine optimale Kühlwirkung zu erzielen.In one embodiment, the mold chamber is designed to cool a workpiece located therein with a cooling gas. The mold chamber preferably has at least one inlet and / or at least one outlet for the cooling gas. In one embodiment, the mold chamber has at least one means for circulating an amount of cooling gas located in the mold chamber. The means can in particular be a fan or a circulation pump. The device according to the invention makes it possible to close the mold chamber and the process chamber in each case, so that different atmospheres (e.g. vacuum or inert gas) can be set in the two chambers. In particular, in the mold chamber in which a workpiece is cooled, the cooling can be assisted with a cooling gas without a vacuum in the process chamber being impaired. In one embodiment, cooling gas flows through an inlet. In particular, the cooling gas flows out of the mold chamber again through an outlet and / or the cooling gas is circulated in the mold chamber in order to achieve an optimal cooling effect.
In einer Ausführungsform ist das Kühlgas ein Inertgas insbesondere Helium, Argon, Xenon und/oder Stickstoff.In one embodiment, the cooling gas is an inert gas, in particular helium, argon, xenon and / or nitrogen.
Das Verfahren dieser Erfindung wird vorzugsweise in einer nachfolgend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.The method of this invention is preferably carried out in an apparatus described below.
Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken mit
- - einem Satz von Strahlungsquellen, der wenigstens eine Strahlungsquelle umfasst,
- - einem Arbeitstisch in dem Einflussbereich mit wenigstens einer absenkbaren Hubfläche,
- - wenigstens einem Materialreservoir für ein Rohmaterial in Pulverform,
- - wenigstens einer Prozesskammer,
- - a set of radiation sources which comprises at least one radiation source,
- - a work table in the area of influence with at least one lowerable lifting surface,
- - at least one material reservoir for a raw material in powder form,
- - at least one process chamber,
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Satz Strahlungsquellen in einem oberen Abschnitt der Prozesskammer angeordnet, insbesondere oberhalb des Arbeitstisches, an dem die additive Herstellung des Werkstückes stattfindet.In a preferred embodiment, the set of radiation sources is arranged in an upper section of the process chamber, in particular above the work table on which the additive manufacturing of the workpiece takes place.
Wenn nichts anderes angegeben ist, bedeutet „Kammer“, wie in „Prozesskammer“, lediglich, dass es sich bei einem so bezeichneten Bauelement um einen nach allen Seiten verschließbaren Raum handelt, sodass eine kontrollierte Atmosphäre wie insbesondere ein Vakuum eingestellt werden kann. Eine Kammer kann erfindungsgemäß jedwede äußere Form annehmen. Die Prozesskammer ist erfindungsgemäß diejenige Kammer, in der die additive Herstellung des Werkstückes stattfindet. Insbesondere befindet sich der Einflussbereich der Strahlungsquelle in der Prozesskammer.Unless stated otherwise, “chamber”, as in “process chamber”, only means that a component so designated is a space that can be closed on all sides, so that a controlled atmosphere, such as a vacuum, in particular, can be set. According to the invention, a chamber can assume any external shape. According to the invention, the process chamber is the chamber in which the additive manufacturing of the workpiece takes place. In particular, the area of influence of the radiation source is located in the process chamber.
Innenräume der Prozesskammer sind insbesondere vakuumdicht verschließbar. Dies bedeutet, dass die Volumenleckrate der Kammer weniger als 1*10-2 mbar*l/s, insbesondere weniger als 5*10-3 mbar*l/s, beträgt. Die Volumenleckrate wird vorzugsweise bei 20 °C und 1013 hPa Umgebungsdruck gemessen. Auf diese Weise lässt sich in der Kammer die gewünschte Atmosphäre einstellen und halten. Vakuumdichte Kammern werden für die additive Herstellung unter Verwendung von Elektronenstrahlkanonen benötigt, da hierbei - anders als bei Herstellungsverfahren z. B. mit Lasern - ein Vakuum und nicht lediglich eine Schutzgasatmosphäre gehalten werden muss.Interiors of the process chamber can in particular be closed in a vacuum-tight manner. This means that the volume leak rate of the chamber is less than 1 * 10 -2 mbar * l / s, in particular less than 5 * 10 -3 mbar * l / s. The volume leak rate is preferably measured at 20 ° C. and 1013 hPa ambient pressure. In this way, the desired atmosphere can be set and maintained in the chamber. Vacuum-tight chambers are required for additive manufacturing using electron beam guns, since here - unlike in manufacturing processes such. B. with lasers - a vacuum and not just a protective gas atmosphere must be maintained.
Das Materialreservoir dient dazu, das Rohmaterial in Pulverform für das Herstellungsverfahren vorzuhalten. Dabei kann das Materialreservoir Rohmaterial für die Durchführung mehrerer Herstellungsgänge enthalten. Das Materialreservoir kann in Form von einer oder mehreren zumindest abschnittsweise trichterförmigen Kammern in einem oberen Teil der Prozesskammer angeordnet sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens zwei Materialreservoire auf; diese können insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten des Einflussbereichs der Strahlungsquelle angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Materialreservoir oberhalb derjenigen Ebene angeordnet, in der der Schmelz- bzw. Sintervorgang stattfindet. Auf diese Weise kann das Rohmaterial in Pulverform der Schwerkraft folgend in den Arbeitsbereich hinabfließen bzw. dort verteilt werden. In einer Ausführungsform weist das Materialreservoir eine optional verschließbare Öffnung zur Prozesskammer auf.The material reservoir is used to hold the raw material in powder form for the manufacturing process. The material reservoir can contain raw material for carrying out several manufacturing processes. The material reservoir can be arranged in the form of one or more at least partially funnel-shaped chambers in an upper part of the process chamber. In an advantageous embodiment, the device has at least two material reservoirs; these can in particular be arranged on opposite sides of the area of influence of the radiation source. The material reservoir is preferably arranged above the plane in which the melting or sintering process takes place. In this way, the raw material in powder form can flow down into the work area or be distributed there, following the force of gravity. In one embodiment, the material reservoir has an optionally closable opening to the process chamber.
Für die Einstellung eines Vakuums in der Prozesskammer weist die Vorrichtung vorzugsweise wenigstens eine Vakuumpumpe, insbesondere eine Diffusionspumpe, auf. In einer Ausführungsform ist eine Vakuumpumpe der Prozesskammer zugeordnet, d. h. sie ist so mit der Prozesskammer verbunden, dass sie in der Prozesskammer ein Vakuum herstellen kann. Die Vorrichtung kann mehrere Vakuumpumpen aufweisen.To set a vacuum in the process chamber, the device preferably has at least one vacuum pump, in particular a diffusion pump. In one embodiment, a vacuum pump is associated with the process chamber; H. it is connected to the process chamber in such a way that it can create a vacuum in the process chamber. The device can have several vacuum pumps.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die weiteren Schritte
- - Ermitteln des für die Herstellung des Werkstückes nicht benötigten Totvolumens innerhalb des Bauvolumens, der dem Raum zwischen Ausgangslage und Endlage der Hubfläche entspricht,
- - Belegen des Bauvolumens mit einem oder mehreren Füllkörpern, so dass wenigstens ein Teil des Totvolumens belegt ist und ein von Füllkörpern nicht belegtes Bauvolumen verbleibt,
- - Determination of the dead volume not required for the production of the workpiece within the construction volume, which corresponds to the space between the starting position and the end position of the lifting surface,
- - Occupying the building volume with one or more fillers, so that at least part of the dead volume is occupied and a building volume that is not occupied by fillers remains,
Das Ermitteln des für die Herstellung des Werkstückes nicht benötigten Totvolumens innerhalb des Bauvolumens kann beispielsweise durch Vergleich eines Modells, insbesondere eines CAD-Modells, des Werkstückes mit dem Bauvolumen der Vorrichtung erfolgen.The dead volume not required for the production of the workpiece within the structural volume can be determined, for example, by comparing a model, in particular a CAD model, of the workpiece with the structural volume of the device.
Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Belegen des Bauvolumens mit wenigstens einem Füllkörper das zur Verfügung stehende Bauvolumen reduziert und somit weniger Rohmaterial für die Herstellung eines Werkstückes verwendet werden kann. Zwar wird regelmäßig nicht das gesamte Totvolumen mit Füllkörpern belegbar sein, da nach Bestrahlung einer Materialschicht immer unbestrahlte Bereiche verbleiben. Diese unbestrahlten Bereiche, die aus pulverförmigem Material bestehen, sind im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren aber kleiner. Dadurch muss weniger Pulver verworfen oder recycelt werden. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit des Pulvers schlecht und insbesondere geringer als die Wärmeleitfähigkeit des Füllkörpers, so dass der Füllkörper die Abkühlung der Werkstücke stark beschleunigen kann. Die Füllkörper sind erfindungsgemäß aus der Vorrichtung entnehmbar, also allenfalls lösbar mit der Vorrichtung verbunden. Die Füllkörper stehen während des Verfahrens zumindest teilweise mit pulverförmigem Rohmaterial in Kontakt.The described method has the advantage that by covering the building volume with at least one filler body, the available building volume can be reduced and thus less raw material can be used for the production of a workpiece. It is true that the entire dead volume cannot regularly be covered with fillers, since unirradiated areas always remain after a layer of material has been irradiated. These non-irradiated areas, which consist of powdery material, are smaller compared to conventional methods. This means that less powder has to be discarded or recycled. In addition, the thermal conductivity of the powder is poor and in particular less than the thermal conductivity of the filler body, so that the filler body can greatly accelerate the cooling of the workpieces. According to the invention, the filling bodies can be removed from the device, that is to say connected to the device in a detachable manner. During the process, the filling bodies are at least partially in contact with powdered raw material.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders bei Auftragsvorrichtungen in Form von Pulververteilelementen (z. B. Rakel) zum Tragen, die eine Pulverfraktion über den Arbeitstisch schieben und dadurch ein Vorlegen des Rohmaterials auf der Hubfläche veranlassen. Solche Pulververteilungselemente haben den Vorteil, dass sie die aufgetragene Materialschicht auch glätten können. Um mit solchen Auftragsvorrichtungen arbeiten zu können, enden die Füllkörper vorzugsweise auf Höhe des Arbeitstisches, insbesondere unter Bildung einer ebenen Fläche mit dem Arbeitstisch.The advantages of the method according to the invention come into play particularly in application devices in the form of powder distribution elements (e.g. doctor blades) which push a powder fraction over the work table and thereby cause the raw material to be presented on the lifting surface. Such powder distribution elements have the advantage that they can also smooth the applied material layer. In order to be able to work with such application devices, the filler bodies preferably end at the level of the work table, in particular with the formation of a flat surface with the work table.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer und insbesondere alle Füllkörper aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung weiter verbessert werden. Eine „hohe Wärmeleitfähigkeit“ ist insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit bei 0 °C von wenigstens 13 W/(m*K), mehr bevorzugt wenigstens 40 W/(m*K), ferner bevorzugt wenigstens 100 W/(m*K) und ganz besonders bevorzugt wenigstens 200 W/(m*K). In erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsformen ist die Wärmeleitfähigkeit sogar noch höher, insbesondere wenigstens 250 W/(m*K) und besonders bevorzugt wenigstens 300 W/(m*K). Geeignete Materialien sind Metalle und Metalllegierungen, insbesondere Stahl, Kupfer oder Kupferlegierungen. Der Einsatz von Füllkörpern und insbesondere solchen mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglichen eine signifikante Beschleunigung der Abkühlgeschwindigkeit und damit des gesamten Verfahrens. Gerade bei Durchführung des Verfahrens im Vakuum - wie es erfindungsgemäß ist - kann der Einsatz von Füllkörpern die ansonsten wegen fehlender Konvektion stark eingeschränkte Abkühlung der Werkstücke verbessern.In a preferred embodiment, at least one and in particular all of the filler bodies are made of a material with a high thermal conductivity. In this way, the heat dissipation can be further improved. A “high thermal conductivity” is in particular a thermal conductivity at 0 ° C. of at least 13 W / (m * K), more preferably at least 40 W / (m * K), furthermore preferably at least 100 W / (m * K) and very particularly preferably at least 200 W / (m * K). In embodiments preferred according to the invention, the thermal conductivity is even higher, in particular at least 250 W / (m * K) and particularly preferably at least 300 W / (m * K). Suitable materials are metals and metal alloys, in particular steel, copper or copper alloys. The use of fillers and especially those with high thermal conductivity enable a significant acceleration of the cooling rate and thus of the entire process. Particularly when the method is carried out in a vacuum - as is the case according to the invention - the use of packing elements can improve the cooling of the workpieces, which is otherwise severely restricted due to the lack of convection.
In einer Ausführungsform kann ein Füllkörper mit einem Fluid temperiert werden. Das Temperieren kann ein Erwärmen oder Kühlen sein. Durch ein Kühlen des Füllkörpers mit einem Fluid kann die Abkühlung weiter beschleunigt werden. Alternativ kann der Füllkörper erwärmt werden. Durch ein Erwärmen des Füllkörpers kann das Rohmaterial vor dem Schmelzen bzw. Sintern vorgewärmt werden. Das Fluid zum Temperieren ist bei Standardbedingungen (DIN 1343:1990) flüssig oder gasförmig. Flüssige Fluide sind bevorzugt. Das Fluid ist vorzugsweise ausgewählt aus Wasser, Thermalöl, Inertgas, Luft und flüssigem Metall (z. B. NaK, Wood'sche Legierung). Wasser ist aufgrund seiner geringen Kosten bevorzugt. Der Einsatz von gasförmigem Fluid ist aufgrund der geringeren Wärmekapazität weniger vorteilhaft, bei geringerer beabsichtigter Kühlleistung aber möglich.In one embodiment, a filler body can be temperature-controlled with a fluid. The temperature control can be heating or cooling. The cooling can be accelerated further by cooling the filling body with a fluid. Alternatively, the packing can be heated. By heating the filler body, the raw material can be preheated before melting or sintering. The fluid for temperature control is liquid or gaseous under standard conditions (DIN 1343: 1990). Liquid fluids are preferred. The fluid is preferably selected from water, thermal oil, inert gas, air and liquid metal (e.g. NaK, Wood's alloy). Water is preferred because of its low cost. The use of gaseous fluid is less advantageous due to the lower heat capacity, but is possible with a lower intended cooling capacity.
Wie zuvor erwähnt wird vorzugsweise nicht das gesamte Totvolumen mit Füllkörpern belegt, da nach dem Beaufschlagen von Bereichen der Materialschicht immer ein Rest Rohmaterial um die bestrahlten Bereiche herum verbleibt. Ein weiterer Grund, weshalb das Totvolumen nicht vollständig belegbar ist, liegt darin, dass viele Werkstücke keine gleichbleibenden Querschnitte aufweisen, ein Füllkörper aber nicht während der Herstellung in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Um wenigstens solche Werkstücke mit den Vorteilen des Verfahrens dieser Erfindung herstellen zu können, die Kavitäten aufweisen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens dieser Erfindung wenigstens ein Füllkörper zusammen mit oder unabhängig von der Hubfläche abgesenkt. Darunter wird ein Absenken des Füllkörpers im Verhältnis zu dem Arbeitstisch während der Durchführung der additiven Herstellung verstanden. Auf diese Weise wird die zuvor von dem Füllkörper belegte Querschnittsfläche für den nächsten Materialauftrag frei und kann mit Strahlung beaufschlagt werden. Die Erfindung umfasst Ausführungsformen, in denen wenigstens einer und insbesondere alle Füllkörper während der Durchführung der additiven Herstellung nicht im Verhältnis zu dem Arbeitstisch abgesenkt werden.As mentioned above, the entire dead volume is preferably not filled with fillers, since after areas of the material layer have been acted upon, a residual raw material always remains around the irradiated areas. Another reason why the dead volume cannot be completely covered is that many workpieces do not have constant cross-sections, but a filler body cannot be moved in the horizontal direction during production. In order to be able to produce at least those workpieces which have cavities with the advantages of the method of this invention, in a preferred embodiment of the method of this invention at least one filler body is lowered together with or independently of the lifting surface. This is understood to mean a lowering of the filling body in relation to the work table while the additive manufacturing is being carried out. In this way, the cross-sectional area previously occupied by the filler body is free for the next application of material and can be exposed to radiation. The invention encompasses embodiments in which at least one and in particular all of the filler bodies are not lowered in relation to the work table while the additive manufacturing is being carried out.
Die Vorrichtung umfasst in einer Ausführungsform wenigstens einen Füllkörper unter Belegung eines Teilvolumens des Bauvolumens, wobei die Hubfläche eine äußere Form aufweist, die es erlaubt, die Hubfläche relativ zu den Füllkörpern durch das Bauvolumen von der Ausgangslage in die Endlage abzusenken.In one embodiment, the device comprises at least one filling body occupying a partial volume of the structural volume, the lifting surface having an external shape that allows the lifting surface to be lowered relative to the filling bodies through the structural volume from the starting position into the end position.
Bevorzugt ist auch die Verwendung eines Verfahrens dieser Erfindung zur Verbesserung des Wärmetransports zwischen hergestelltem Werkstück und Hubfläche.It is also preferred to use a method of this invention to improve the heat transfer between the manufactured workpiece and the lifting surface.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hubfläche in Ausgangslage.1 shows a cross section of a device for carrying out the method according to the invention with a lifting surface in the starting position. -
2 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hubfläche in Endlage.2 shows a cross section of a device for performing the method according to the invention with a lifting surface in the end position.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Die nachfolgend mit Bezug zu den Figuren beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen stellen lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar und schränken den Schutzgegenstand nicht ein. Im Rahmen der Figurenbeschreibung beschriebene Merkmale der Verfahren und Verwendungen dieser Erfindung stellen auch im Hinblick auf die zuvor allgemein beschriebenen Verfahren und Verwendungen bevorzugte Merkmale dar.The embodiments according to the invention described below with reference to the figures merely represent preferred embodiments of the invention and do not restrict the subject matter of protection. Features of the methods and uses of this invention described in the context of the description of the figures also represent preferred features with regard to the methods and uses generally described above.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 55
- ArbeitstischWork table
- 77th
- HubflächeLifting area
- 99
- Öffnung des MaterialreservoirsOpening of the material reservoir
- 1010
- Werkstückworkpiece
- 1111
- FüllkörperPacking
- 1313
- HebevorrichtungLifting device
- 1616
- AuftragsvorrichtungApplication device
- 2121st
- Pulverpowder
- 2222nd
- KühlkörperHeat sink
Claims (8)
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