DE102017220040A1

DE102017220040A1 - Verfahren und Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von Bauteilen mittels LMF oder SLS sowie zugehöriges Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102017220040A1
Application number: DE102017220040.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Peter Wüst; Bernd Renz; Johannes Bauer; Maximilian Merk; Björn Ullmann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-05-16
Also published as: WO2019091930A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (2) auf einer sich in X- und Y-Richtung erstreckenden Bauplattform in Form eines in einem nach oben offenen Bauzylinder (6) höhenverstellbar geführten Arbeitskolbens (5) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen von Pulver (3) mittels eines Energiestrahls (4), insbesondere Laserstrahls, mit den Verfahrensschritten:(a) Absenken des Arbeitskolbens (5) um einen der Schichtdicke (d) des herzustellenden Bauteils (2) entsprechenden Hub gegenüber einer die Bauzylinderöffnung (8) aufweisenden Arbeitsebene (7),(b) Bereitstellen einer Basispulvermenge (17), die gegenüber einer zum Füllen des abgesenkten Hubvolumens erforderlichen Mindestpulvermenge einen Overfeed von höchstens 100% aufweist, auf der Arbeitsebene (7) seitlich in Y-Richtung neben der Bauzylinderöffnung (8) entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8),(c) Aufbringen einer Pulverschicht (18) auf den abgesenkten Arbeitskolben (5) durch Verschieben der bereitgestellten Basispulvermenge (17) auf der Arbeitsebene (7) in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung (8),(d) selektives Verfestigen der aufgebrachten Pulverschicht (18) an Stellen, die einem Querschnitt eines herzustellenden Bauteils (2) entsprechen, mittels des Energiestrahls (4),(e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d), bis das Bauteil (1) fertiggestellt ist, wird erfindungsgemäß in Schritt (b) auf der Arbeitsebene (7) eine Gesamtpulvermenge (22) bereitgestellt wird, die gegenüber der Basispulvermenge (17) zumindest auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) lokal erhöht ist, um Absenkungen (20) der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) zumindest teilweise, insbesondere vollständig auszugleichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulver mittels eines Energiestrahls gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7, sowie auch ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Laserbearbeitungsmaschine zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils sind beispielsweise durch die DE 10 2012 012 471 A1 bekannt geworden.
Selektives Lasersintern (Selective Laser Sintering (SLS)) und selektives Laserschmelzen (Laser Metal Fusion (LMF)) sind generative Schichtbauverfahren, bei denen ein Bauteil Schicht für Schicht durch Sintern oder Schmelzen eines Materialpulvers mittels eines Laserstrahls aufgebaut wird. Das Materialpulver wird auf eine Bauplattform vollflächig aufgebracht, und die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Anschließend wird die Bauplattform um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten des Bauteils gesintert bzw. umgeschmolzen sind. Statt mit einem Laserstrahl kann das Pulver auch mittels eines Elektronenstrahls im Vakuum geschmolzen werden. Da Teile des Pulverbetts durch den LMF-Prozess aufgeschmolzen werden und sich dadurch absenken, steigt der lokale Pulverbedarf, der für die nächste Schicht auf die Substratplatte aufgetragen werden muss.
Derzeit werden Pulverförderer mittels Schieber realisiert, welche von oben mit einem Überdosierungsfaktor beladen werden, um trotz der Absenkungen einen sicheren Pulverauftrag für die nächste Schicht zu gewährleisten. Weiter gibt es Systeme, welche einen pulvergefüllten Vorratszylinder in Höhe der Arbeitsebene haben, aus denen das Pulver von unten auf die Arbeitsebene gehoben wird, um im Anschluss mittels eines Schiebers auf der Bauplattform verteilt zu werden.
Aus der eingangs genannten DE 10 2012 012 471 A1 ist es bekannt, die optimale Pulverzustellmenge für die gesamte Schicht, also einen erforderlichen Overfeed, in Abhängigkeit der Verfestigungen der letzten Schicht zu ermitteln.
Aus der DE 10 2015 213 103 A1 ist ein verfahrender Beschichter mit einer steuerbaren Dosiereinheit bekannt, um beim Verfahren gezielt Pulver auf die letzte Schicht aufzutragen und so einen lokalen Pulverauftrag zu erreichen.
DE 10 2006 041 320 A1 offenbart schließlich einen an einem verfahrbaren Pulversieb angeordneten Schieber, um das vom Pulversieb von oben lokal auf das Pulverbett aufgebrachte Pulver nachträglich zu glätten.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, bei einem Verfahren und einer Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen Absenkungen einer selektiv verfestigten Pulverschicht gezielt und mit möglichst wenig Pulver auszugleichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, insbesondere ein SLS- oder LMF-Verfahren, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße gezielte, ortsabhängige Überdosieren von Pulver hat insbesondere die folgenden Vorteile:

- Ein vorhandener Pulvervorrat kann effektiver genutzt werden.
- Einige Industrien erlauben keine mehrfache Nutzung von Pulver (z.B. Medizin); hier würde für den Kunden ein wirtschaftlicher Vorteil entstehen.
- Durch effizientere Nutzung des Pulvervorrats muss weniger Pulver im Umlauf sein, und die aufzubereitende Pulvermenge ist geringer.
- Stabilerer Prozess durch ausreichend Pulver in Prozesszone.

Vorzugsweise ist die Gesamtpulvermenge gegenüber der Basispulvermenge ausschließlich auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht lokal erhöht. Die bereitgestellte Gesamtpulvermenge wird bevorzugt ausschließlich von oben der Arbeitsebene zugeführt; es ist aber beispielsweise auch möglich, die Basispulvermenge von unten und nur die lokalen Pulvererhöhungen von oben der Arbeitsebene zuzuführen.
Vorzugsweise werden eine Absenkposition und ein Absenkvolumen der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht von einer Maschinensteuerung oder einem Programmiersystem anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils ermittelt, und die bereitzustellende lokale Pulvererhöhung wird dann von der Maschinensteuerung oder dem Programmiersystem anhand der ermittelten Absenkposition und des ermittelten Absenkvolumens bestimmt. Die Errechnung der zu fördernden Pulvermenge erfolgt in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie entweder in einem Programmiersystem, welches für die Geometriezerlegung und Bauteilevorbereitung verwendet wird, oder in der Maschinensteuerung. Die Maschinensteuerung steuert oder regelt die Förderung des Pulvers bzw. den Volumenstrom in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie, wobei mögliche Totzeiten, bedingt durch die Förderstrecken, berücksichtigt werden.
Das Pulver kann mechanisch zu einer Pulverdosiereinheit transportiert, dort ortsabhängig in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie dosiert und fluidisiert werden. Nachteile dieses mechanischen Transportprinzips sind allerdings abrasiver Verschleiß durch Pulverablagerungen sowie Akkumulation von Pulver und Verdichten des Pulvers, was zu Brückenbildung und variierender Schüttdichte führt. Bevorzugt wird daher das Pulver pneumatisch zu der Pulverdosiereinheit transportiert, dort mittels Unter- oder Überdruck ortsabhängig in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie dosiert und fluidisiert. Eine Gasströmung dient dabei als Trägergas, mit dem das Pulver transportiert wird. Das Pulver kann über Schläuche geführt werden, wobei die Fördermenge über einen einzelnen Schlauch oder über alle Schläuche einstellbar ist. Über eine Prallplatte gelangt das aus der Pulverdosiereinheit ausströmende Pulver wohl dosiert auf die Arbeitsebene. So kann vorteilhaft das im Umlauf befindliche Pulvermaterial reduziert und das Pulver gezielt auf den benötigten Geometriebereichen abgelegt werden, wodurch die Funktionssicherheit unabhängig von der Querschnittsfläche des herzustellenden Bauteils wird.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Um das Pulver entlang der X-Richtung ortsaufgelöst von oben auf die Arbeitsebene zu dosieren, kann die mindestens eine Pulverdosiereinheit entlang der gesamten Öffnungsbreite der Bauzylinderöffnung in X-Richtung verfahrbar sein; alternativ können auch mehrere stationäre Pulverdosiereinheiten entlang der gesamten Öffnungsbreite der Bauzylinderöffnung in X-Richtung hintereinander angeordnet sein.
Besonders bevorzugt weist die mindestens eine Pulverdosiereinheit ein ansteuerbares Dosierventil, wie z.B. ein Quetschventil, oder eine ansteuerbare Dosierschnecke auf, um einen kontinuierlichen Pulvermassenstrom zu erzeugen und diesen auch zu stoppen.
Die Pulverzuführung kann zusätzlich zu der mindestens einen Pulverdosiereinheit weiterhin einen nach oben offenen, pulvergefüllten Vorratszylinder mit einer in die Arbeitsebene mündenden Vorratszylinderöffnung und mit einem darin höhenverschiebbar geführten Vorratskolben aufweisen. Beispielsweise kann die Basispulvermenge von dem Vorratszylinder und die lokale Pulvererhöhung von der Pulverdosiereinheit bereitgestellt werden. Bevorzugt ist die eine Pulverdosiereinheit über der Vorratszylinderöffnung oder zwischen der Bauzylinderöffnung und der Vorratszylinderöffnung angeordnet, um Pulver dosiert und ortsabhängig auf der Arbeitsebene vor den Beschichter abzulegen.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Pulverdosiereinheit von einer Maschinensteuerung gesteuert, welche programmiert ist, eine Absenkposition und ein Absenkvolumen einer auf dem Arbeitskolben selektiv verfestigten Pulverschicht anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils zu ermitteln und die von der mindestens einen Pulverdosiereinheit auf der Arbeitsebene ortsaufgelöst aufzutragende Pulvermenge anhand der ermittelten Absenkposition und des ermittelten Absenkvolumens zu steuern.
Alternativ kann die Maschinensteuerung auch programmiert sein, die von der mindestens einen Pulverdosiereinheit auf der Arbeitsebene aufzutragende Pulvermenge anhand einer Absenkposition und eines Absenkvolumens einer auf dem Arbeitskolben selektiv verfestigten Pulverschicht zu steuern, die von einem Programmiersystem anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils vorgegeben werden.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Bearbeitungsmaschine abläuft.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

1a-1f die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, das an einer ersten erfindungsgemäßen LMF-Maschine durchgeführt wird, bei der eine Gesamtpulvermenge von einem Vorratskolben und einer Pulverdosiereinheit auf der Arbeitsebene bereitgestellt wird;
2 eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte Bearbeitungsmaschine, wobei Laserkomponenten ausgelassen sind;
3 eine vom Hub des Vorratskolbens abhängige, auf einer Arbeitsebene entlang der X-Richtung bereitgestellte Pulvermenge ohne Overfeed (Kurve a) und mit 100%-Overfeed (Kurve b);
4 den entlang der X-Richtung erforderlichen Pulverbedarf aufgrund von verfestigungsbedingten Absenkungen einer selektiv verfestigten Pulverschicht (Kurve a) sowie eine auf der Arbeitsebene entlang der X-Richtung bereitgestellte Pulvermenge mit 100%-Overfeed (Kurve b) und mit 150%-Overfeed (Kurve c);
5 die in X-Richtung verfahrbare Pulverdosiereinheit zum lokalen Pulverauftrag zusätzlich zu einer vom Vorratskolben auf der Arbeitsebene bereitgestellten Basispulvermenge;
6a-6e die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, das an einer zweiten erfindungsgemäßen LMF-Maschine durchgeführt wird, bei der eine Gesamtpulvermenge ausschließlich von einer Pulverdosiereinheit auf der Arbeitsebene bereitgestellt wird; und
7 mehrere in X-Richtung hintereinander angeordnete, stationäre Pulverdosiereinheiten.

Die in 1 gezeigte LMF-Maschine 1 dient zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils 2 durch schichtweises Aufbauen aus Pulver 3 und schichtweises Verschmelzen des Pulvers 3 mittels eines Laserstrahls 4.
Die LMF-Maschine 1 umfasst eine sich in X- und Y-Richtung erstreckende Bauplattform für ein herzustellendes Bauteil 2 in Form eines Arbeitskolbens 5, der in einem nach oben offenen Bauzylinder 6 gegenüber der in einer Arbeitsebene 7 liegenden Bauzylinderöffnung 8 höhenverschiebbar geführt ist, einen nach oben offenen, pulvergefüllten Vorratszylinder 9 mit einer in die Arbeitsebene 7 mündenden Vorratszylinderöffnung 10 und mit einem darin höhenverschiebbar geführten Vorratskolben 11, der das Pulver 3 trägt, einen Beschichter (z.B. Schieber, Bürste oder Rakel) 12, der auf der Arbeitsebene 7 in Y-Richtung zwischen einer in 1 rechten Anfangsstellung und einer in 1 linken Endstellung verfahrbar ist, sowie einen Laser 13 zum Erzeugen des Laserstrahls 4 und eine Ablenkeinheit 14 zum zweidimensionalen Ausrichten des Laserstrahls 4 von oben auf die Bauzylinderöffnung 8. Der Bauzylinder 6 und der Vorratszylinder 9 sind in Y-Richtung nebeneinander angeordnet und können wie im gezeigten Ausführungsbeispiel den gleichen Öffnungsdurchmesser aufweisen.
Oberhalb der Arbeitsebene 7 - im gezeigten Ausführungsbeispiel direkt über der Vorratszylinderöffnung 10 - ist eine Pulverdosiereinheit 15 angeordnet, die, wie in 2 gezeigt, entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite B der Bauzylinderöffnung 8 verfahrbar ist. Die in 1 insgesamt mit 16 bezeichnete Pulverzuführung ist durch den Vorratszylinder 9 und die Pulverdosiereinheit 15 gebildet. Alternativ kann die Pulverdosiereinheit 15 oberhalb der Arbeitsebene 7 auch zwischen der Bauzylinderöffnung 8 und der Vorratszylinderöffnung 10 angeordnet sein, um Pulver 3 dosiert und ortsabhängig auf der Arbeitsebene 7 vor den Beschichter 12 abzulegen.
Die Funktionsweise der LMF-Maschine 1 ist wie folgt:

1a zeigt die Ausgangsstellung der LMF-Maschine 1, in der der Arbeitskolben 5 auf die Höhe der Arbeitsebene 7 angehoben ist.
In 1b ist der Arbeitskolben 5 um eine Schichtdicke d des herzustellenden Bauteils 2 abgesenkt und der Vorratskolben 11 um mehr als die Schichtdicke d, nämlich um einen Hub H (H>d), angehoben, um auf der Arbeitsebene 7 eine Basispulvermenge 17 bereitzustellen, die gegenüber einer zum Füllen des abgesenkten Hubvolumens des Bauzylinders 6 erforderlichen Mindestpulvermenge einen Overfeed von höchstens 100% aufweist.
Anschließend verfährt der Beschichter 12 von seiner rechten Anfangsstellung in Y-Richtung nach links in seine linke Endstellung und schiebt dabei die auf der Arbeitsebene 7 vorhandene Basispulvermenge 17 auf der Arbeitsebene 7 in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung 8, wodurch auf dem abgesenkten Arbeitskolben 5 eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende Pulverschicht 18 aufgebracht wird (1c). Überschüssiges Pulver 3 wird von dem Beschichter 12 in Y-Richtung bis zu einem Überlaufbehälter (nicht gezeigt) weitergeschoben.
Die aufgebrachte Pulverschicht 18 wird an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Bauteils 2 entsprechen, mittels des Laserstrahls 4 selektiv geschmolzen und dadurch selektiv verfestigt (1d). Diese selektiv verfestigte Pulverschicht ist insgesamt mit 19 bezeichnet.
In 1e ist der Arbeitskolben 5 erneut um eine Schichtdicke d abgesenkt und der Vorratskolben 11 um einen Hub H angehoben, um auf der Arbeitsebene 7 wieder eine Basispulvermenge 17 bereitzustellen. Um Absenkungen 20 der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht 19 vollständig auszugleichen, werden von der Pulverdosiereinheit 15 lokale Pulvererhöhungen 21 auf die Basispulvermenge 17 aufgetragen, und zwar auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der selektiv verfestigten Pulverschicht 19. Die auf der Arbeitsebene 7 bereitgestellte Gesamtpulvermenge ist mit 22 bezeichnet.
Anschließend verfährt der Beschichter 12 von seiner rechten Anfangsstellung in Y-Richtung nach links in seine linke Endstellung und schiebt dabei die auf der Arbeitsebene 7 vorhandene Gesamtpulvermenge 22 auf der Arbeitsebene 7 in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung 8, wodurch auf der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht 19 wieder eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende Pulverschicht 18 aufgebracht wird (1f). Diese aufgebrachte Pulverschicht 18 wird an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Bauteils 2 entsprechen, mittels des Laserstrahls 4 geschmolzen und dadurch selektiv verfestigt.
Die Schritte des Absenkens, des Beschichtens und des selektiven Verfestigens werden so oft wiederholt, bis das Bauteil 2 fertiggestellt ist.

In 3 ist die vom Hub H des Vorratskolbens 11 abhängige, auf der Arbeitsebene 7 entlang der X-Richtung vom Vorratskolben 11 bereitgestellte Pulvermenge P ohne Overfeed (Kurve a) und mit 100%-Overfeed (Kurve b) dargestellt. Die Pulvermenge ohne Overfeed entspricht der zum Füllen des abgesenkten Hubvolumens des Bauzylinders 6 theoretisch erforderlichen Mindestpulvermenge, die allerdings durch Verfahren des Beschichters 12 nicht verlustfrei im Bauzylinder 6 in eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende, glatte Pulverschicht 18 überführt werden kann. Daher muss die vom Vorratskolben 11 bereitgestellte Basispulvermenge 17 gegenüber der Mindestpulvermenge einen ausreichenden Overfeed, z.B. einen 100%-Overfeed, aufweisen, um trotz der beim Verfahren des Beschichters 12 auftretenden Pulververluste eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende, glatte Pulverschicht 18 im Bauzylinder 6 sicherzustellen.
4 zeigt die entlang der X-Richtung aufgrund von verfestigungsbedingten Absenkungen 20 der selektiv verfestigten Pulverschicht 19 tatsächlich benötigte Pulvermenge (Kurve a) sowie eine vom Vorratskolben 11 auf der Arbeitsebene 7 entlang der X-Richtung bereitgestellte Pulvermenge mit 100%-Overfeed (Kurve b) und mit 150%-Overfeed (Kurve c). Man erkennt, dass 100%-Overfeed nicht ausreicht, um den für die nächste Pulverschicht 18 benötigten Pulverbedarf abzudecken, sondern dass hierfür mindestens 150%-Overfeed erforderlich ist, allerdings mit dem Nachteil, dass pro Schicht jeweils die schraffiert dargestellte Pulvermenge verschwendet wird.
Wie in 5 gezeigt, wird erfindungsgemäß die tatsächlich benötigte Pulvermenge einerseits vom Vorratskolben 11 als Basispulvermenge 17 mit höchstens 100%-Overfeed und andererseits von der Pulverdosiereinheit 15 als lokale Pulvererhöhung 21 bereitgestellt. Dazu wird die Pulverdosiereinheit 15 entlang der gesamten Öffnungsbreite B der Bauzylinderöffnung 8 in X-Richtung verfahren und Pulver 3 jeweils mengendosiert in Abhängigkeit von der jeweiligen X-Position der Absenkung 20 der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht 19 von oben auf die Basispulvermenge 17 bzw. auf die Arbeitsebene 7 aufgetragen, um die Absenkungen 20 durch die lokale Pulvererhöhung 21 vollständig auszugleichen. Die Pulverdosiereinheit 15 kann beispielsweise ein elektrisch ansteuerbares Dosierventil oder eine elektrisch ansteuerbare Dosierschnecke aufweisen, um Pulver 3 dosiert und ortsabhängig auf der Arbeitsebene 7 abzulegen.
Die Pulverdosiereinheit 15 wird von einer Maschinensteuerung 23 (1) der LMF-Maschine 1 angesteuert, welche die Absenkposition und das Absenkvolumen einer selektiv verfestigten Pulverschicht 19 anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils 2 ermittelt und die von der Pulverdosiereinheit 15 auf der Basispulvermenge 17 bzw. auf der Arbeitsebene 7 ortsabhängig aufzutragende, lokale Pulvererhöhung 21 anhand der ermittelten Absenkposition und des ermittelten Absenkvolumens steuert.
Von der LMF-Maschine 1 der 1 unterscheidet sich die in 6 gezeigte LMF-Maschine 1' dadurch, dass hier kein Vorratszylinder vorhanden ist und die Pulverzuführung 16 ausschließlich durch die in X-Richtung verfahrbare Pulverdosiereinheit 15 gebildet ist.
Die Funktionsweise der LMF-Maschine 1' ist wie folgt:

In 6a ist der Arbeitskolben 5 um eine Schichtdicke d des herzustellenden Bauteils 2 abgesenkt und die Basispulvermenge 17 von der entlang der Öffnungsbreite B in X-Richtung verfahrenden Pulverdosiereinheit 15 auf der Arbeitsebene 7 abgelegt.
Anschließend schiebt der Beschichter 12 die auf der Arbeitsebene 7 vorhandene Basispulvermenge 17 auf der Arbeitsebene 7 in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung 8, wodurch auf dem abgesenkten Arbeitskolben 5 eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende Pulverschicht 18 aufgebracht wird (6b).
Die aufgebrachte Pulverschicht 18 wird an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Bauteils 2 entsprechen, mittels des Laserstrahls 4 selektiv geschmolzen und dadurch eine selektiv verfestigte Pulverschicht 19 hergestellt ( 6c).
In 6d ist der Arbeitskolben 5 erneut um eine Schichtdicke d abgesenkt und die aus Basispulvermenge 17 und lokaler Pulvererhöhung 21 gebildete Gesamtpulvermenge 22 von der entlang der Öffnungsbreite B in X-Richtung verfahrenden Pulverdosiereinheit 15 auf der Arbeitsebene 7 abgelegt. Die lokale Pulvererhöhung 21 ist auf der Basispulvermenge 17 aufgetragen, und zwar auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht 19. Anschließend schiebt der Beschichter 12 die auf der Arbeitsebene 7 vorhandene Gesamtpulvermenge 22 auf der Arbeitsebene 7 in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung 8, wodurch auf der zuvor selektiv verfestigten Pulverschicht 19 wieder eine bis zur Arbeitsebene 7 reichende Pulverschicht 18 aufgebracht wird (6e). Diese aufgebrachte Pulverschicht 18 wird an Stellen, die einem Querschnitt des herzustellenden Bauteils 2 entsprechen, mittels des Laserstrahls 4 geschmolzen und dadurch selektiv verfestigt. Die Schritte des Absenkens, des Beschichtens und des selektiven Verfestigens werden so oft wiederholt, bis das Bauteil 2 fertiggestellt ist.

Statt der in X-Richtung verfahrenden Pulverdosiereinheit 15 können, wie in 7 gezeigt, oberhalb der Arbeitsebene mehrere stationäre Pulverdosiereinheiten 24 in X-Richtung hintereinander angeordnet sein, die das Pulver 3 entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite B der Bauzylinderöffnung 8 und, von der Maschinensteuerung 23 gesteuert, ortsaufgelöst in Abhängigkeit von der jeweiligen X-Position mengendosiert von oben auf die Arbeitsebene 7 auftragen.
Alternativ kann die Maschinensteuerung 23 auch programmiert sein, die von der Pulverdosiereinheit 15, 24 auf der Arbeitsebene 7 aufzutragende Pulvermenge anhand einer Absenkposition und eines Absenkvolumens einer auf dem Arbeitskolben 5 selektiv verfestigten Pulverschicht 19 zu steuern, die von einem Programmiersystem 25 (1a, 6a) anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils 2 vorgegeben werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012012471 A1 [0002, 0005]
DE 102015213103 A1 [0006]
DE 102006041320 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen (2) auf einer sich in X- und Y-Richtung erstreckenden Bauplattform in Form eines in einem nach oben offenen Bauzylinder (6) höhenverstellbar geführten Arbeitskolbens (5) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen von Pulver (3) mittels eines Energiestrahls (4), insbesondere Laserstrahls, mit den Verfahrensschritten: (a) Absenken des Arbeitskolbens (5) um einen der Schichtdicke (d) des herzustellenden Bauteils (2) entsprechenden Hub gegenüber einer die Bauzylinderöffnung (8) aufweisenden Arbeitsebene (7), (b) Bereitstellen einer Basispulvermenge (17), die gegenüber einer zum Füllen des abgesenkten Hubvolumens erforderlichen Mindestpulvermenge einen Overfeed von höchstens 100% aufweist, auf der Arbeitsebene (7) seitlich in Y-Richtung neben der Bauzylinderöffnung (8) entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8), (c) Aufbringen einer Pulverschicht (18) auf den abgesenkten Arbeitskolben (5) durch Verschieben der bereitgestellten Basispulvermenge (17) auf der Arbeitsebene (7) in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung (8), (d) selektives Verfestigen der aufgebrachten Pulverschicht (18) an Stellen, die einem Querschnitt eines herzustellenden Bauteils (2) entsprechen, mittels des Energiestrahls (4), (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d), bis das Bauteil (1) fertiggestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) auf der Arbeitsebene (7) eine Gesamtpulvermenge (22) bereitgestellt wird, die gegenüber der Basispulvermenge (17) zumindest auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) lokal erhöht ist, um Absenkungen (20) der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) zumindest teilweise, insbesondere vollständig auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (b) bereitgestellte Gesamtpulvermenge (22) gegenüber der Basispulvermenge (17) ausschließlich auf Höhe der X-Positionen der Verfestigungen der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) lokal erhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (b) bereitgestellte Gesamtpulvermenge (22) zumindest teilweise, insbesondere ausschließlich, von oben der Arbeitsebene (7) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die Basispulvermenge (7) von unten und eine lokale Pulvererhöhung (21) von oben der Arbeitsebene (7) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absenkposition und ein Absenkvolumen der im vorangegangenen Schritt (d) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) von einer Maschinensteuerung (23) oder einem Programmiersystem (25) anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils (2) ermittelt werden und dass eine in Schritt (b) bereitzustellende lokale Pulvererhöhung (21) von der Maschinensteuerung (23) oder dem Programmiersystem (25) anhand der ermittelten Absenkposition und des ermittelten Absenkvolumens bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (3) der lokalen Pulvererhöhung (21) pneumatisch transportiert, in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie dosiert und fluidisiert wird.
Bearbeitungsmaschine (1; 1') zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (2) durch selektives Verfestigen von Pulver (3) mittels eines Energiestrahls (4), insbesondere Laserstrahls, aufweisend eine sich in X- und Y-Richtung erstreckende Bauplattform für ein herzustellendes Bauteil (2) in Form eines Arbeitskolbens (5), der in einem nach oben offenen Bauzylinder (6) gegenüber der in einer Arbeitsebene (7) liegenden Bauzylinderöffnung (8) höhenverschiebbar geführt ist, eine Pulverzuführung (16) zur Bereitstellung einer Pulvermenge auf der Arbeitsebene (7) seitlich in Y-Richtung neben der Bauzylinderöffnung (8) entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8), und einen auf der Arbeitsebene (7) in Y-Richtung verfahrbaren Beschichter (12), der eine auf der Arbeitsebene (7) bereitgestellte Pulvermenge auf der Arbeitsebene (7) in Y-Richtung über die Bauzylinderöffnung (8) schiebt, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführung (16) mindestens eine oberhalb der Arbeitsebene (7) angeordnete, ansteuerbare Pulverdosiereinheit (15; 24) aufweist, die das Pulver (3) entlang der in X-Richtung gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8) und in Abhängigkeit von der jeweiligen X-Position mengendosiert von oben auf die Arbeitsebene (7) aufträgt.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pulverdosiereinheit (15) entlang der gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8) in X-Richtung verfahrbar ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere stationäre Pulverdosiereinheiten (24) entlang der gesamten Öffnungsbreite (B) der Bauzylinderöffnung (8) in X-Richtung hintereinander angeordnet sind.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pulverdosiereinheit (15; 24) ein ansteuerbares Dosierventil oder eine ansteuerbare Dosierschnecke aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzuführung (16) weiterhin einen nach oben offenen, pulvergefüllten Vorratszylinder (9) mit einer in die Arbeitsebene (7) mündenden Vorratszylinderöffnung (10) und mit einem darin höhenverschiebbar geführten Vorratskolben (11) aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pulverdosiereinheit (15; 24) über der Vorratszylinderöffnung (10) oder zwischen der Bauzylinderöffnung (8) und der Vorratszylinderöffnung (10) angeordnet ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pulverdosiereinheit (15; 24) von einer Maschinensteuerung (23) gesteuert ist, welche programmiert ist, eine Absenkposition und ein Absenkvolumen einer auf dem Arbeitskolben (5) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils (2) zu ermitteln und die von der mindestens einen Pulverdosiereinheit (15; 24) auf der Arbeitsebene (7) aufzutragende Pulvermenge anhand der ermittelten Absenkposition und des ermittelten Absenkvolumens zu steuern.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pulverdosiereinheit (15; 24) von einer Maschinensteuerung (23) gesteuert ist, welche programmiert ist, die von der mindestens einen Pulverdosiereinheit (15; 24) auf der Arbeitsebene (7) aufzutragende Pulvermenge anhand einer Absenkposition und eines Absenkvolumens einer auf dem Arbeitskolben (5) selektiv verfestigten Pulverschicht (19) zu steuern, die von einem Programmiersystem (25) anhand des Querschnitts des herzustellenden Bauteils (2) vorgegeben werden.
Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung (23) einer Bearbeitungsmaschine (1; 1') abläuft.