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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Aus der
EP 2 878 402 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, insbesondere einer Laserstrahleinrichtung, erzeugter Strahl mittels einer optischen Einrichtung auf ein insbesondere pulverförmiges Material gelenkt, das durch den Strahl aufgeschmolzen wird. Nach der Erstarrung des Materials und Entfernen des umgebenden Materials, das nicht aufgeschmolzen wurde, wird durch das erstarrte Material das zu bildende Bauteil erzeugt. Ein derartiges Verfahren ist in der Praxis auch als „3D-Prototyping“-Verfahren bekannt geworden. Das bekannte Verfahren zeichnet sich somit durch ein räumlich selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren von Material aus. Dabei ist es wichtig, ein örtlich genaues und in seiner Wirkung definiertes Aufschmelzen des Materials zu ermöglichen, um die gewünschte Geometrie bzw. Eigenschaften des zu fertigenden Bauteils einzuhalten. Das bekannte Verfahren weist hierzu im Strahlengang des Strahls eine Ablenkeinrichtung vor, mit der ein Teilstrahl des in Richtung des Materials gerichteten Strahls ausgekoppelt wird. Der ausgekoppelte Strahl dient insbesondere der Erfassung der Leistung des Strahls und kann als Steuergröße für die Bearbeitungsvorrichtung genutzt werden.
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Das selektive Aufschmelzen des Materials macht es erforderlich, dass in dem Bereich des herzustellenden Bauteils das Material an jedem gewünschten räumlichen Punkt aufgeschmolzen werden kann. Hierzu ist es erforderlich, beispielsweise eine Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem aufzuschmelzenden Material oder umgekehrt vorzusehen. Üblicherweise weist der Strahl im Fokuspunkt einen runden Querschnitt auf. Ferner erfolgt das Aufschmelzen des Materials jeweils nur in einem einzigen räumlichen Punkt bzw. Bereich und der Laserstrahl weist während des Verfahrens stets dieselbe Form bzw. denselben Querschnitt im Fokuspunkt auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Das beschriebene Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils hat den Vorteil, dass ein effektiveres Herstellen des Bauteils ermöglicht wird und dass gleichzeitig oder alternativ das Bauteil verbesserte Eigenschaften aufweist. Unter einem effektiveren Herstellen wird im Rahmen der Erfindung insbesondere die Erhöhung der Aufbaurate von Material des Bauteils und somit eine schnellere Fertigung des Bauteils verstanden. Unter verbesserten Eigenschaften eines nach einem Verfahren hergestellten Bauteils werden beispielhaft, und nicht einschränkend, die Reduzierung von Eigenspannungen und Verzügen in dem erzeugten Bauteil, eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeiten, eine Reduzierung von Mikrodefekten (Poren, Heißrissen, Spannungsrissen), eine Verbesserung der Mikrostruktur und der Bauteileigenschaften (Steifigkeit, Festigkeit, usw.) sowie eine Verbesserung bzw. Erweiterung der zu bearbeitenden Werkstoffe (z.B. bei schlecht schweißbaren Werkstoffen) verstanden.
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Die Erfindung bildet das in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2016 213 420 beschriebene Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils, bei dem ein von einer Strahlungsquelle erzeugter Strahl auf ein das Bauteil ausbildendes Material gerichtet und das Material selektiv aufgeschmolzen wird, worauf das aufgeschmolzene Material nach dem Aufschmelzen unter Bildung des Bauteils erstarrt, wobei der Strahl durch ein im Strahlengang des Strahls angeordnetes Strahlformungselement, insbesondere ein SLM-Element, ein adaptiver Spiegel oder ein Mikrospiegel-Array, zur Leistungsdichteverteilung des Strahls geleitet wird, und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, mit einer als Laserstrahlquelle ausgebildeten Strahlungsquelle und einem im Strahlengang des Strahls angeordnetes Strahlformungselement, weiter.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Strahl durch ein im Strahlengang angeordnetes Strahlformungselement zu leiten. Unter einem Strahlformungselement wird im Rahmen der Erfindung beispielhaft, und nicht einschränkend, ein LCOS (Liquid Crystal on Silicon) - SLM-Element, ein adaptiver Spiegel ein Mikrospiegel-Array verstanden. Ein Spatial Light Modulator (SLM) ist ein räumlicher Modulator für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, der einem Strahl eine räumliche Modulation, insbesondere Intensitätsmodulation, aufprägt. Wesentlich für das Strahlformungselement ist es somit, dass dieses eine Leistungsdichteverteilung in einer Bearbeitungsebene des Strahls ermöglicht. Die Bearbeitungsebene ist hierbei eine Ebene, die den Strahl schneidet. Vorzugsweise ist die Bearbeitungsebene dabei im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls angeordnet. Die Bearbeitungsebene zeichnet sich ferner dadurch aus, dass in der Bearbeitungsebene das Aufschmelzen des Materials zur Herstellung des Bauteils erfolgt. Die Leistungsdichte bezeichnet hierbei die Leistung des Strahls bezogen auf eine Flächeneinheit, während die Leistungsdichteverteilung die in einer Fläche, insbesondere der Bearbeitungsebene, vorliegende, ortsabhängige Leistungsdichte bezeichnet. Bei Verwendung eines SLM (Spatial Light Modulator)- Elements wird beispielhaft der Vorteil erzielt, dass der Strahl durch das SLM-Element beispielsweise in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es ein SLM-Element, den Strahl insofern zu formen, als dass eine definierte Verteilung der Strahlintensität des Strahls im Raum ermöglicht wird. Der Einsatz eines derartigen SLM-Elements ermöglicht es damit aufgrund seiner Eigenschaften zur Beeinflussung des Strahls grundsätzlich, die oben genannten Vorteile einzeln oder in Kombination zu erfüllen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass neben einem ersten Strahl zumindest ein, vorzugsweise von zumindest einer zweiten Strahlungsquelle erzeugter, zweiter Strahl auf das das Bauteil oder ein weiteres Bauteil ausbildendes Material gerichtet und das Material selektiv aufgeschmolzen wird, wobei der zumindest eine zweite Strahl durch ein im Strahlengang des zumindest einen zweiten Strahls angeordnetes zumindest ein zweites Strahlformungselement, insbesondere SLM-Element, ein adaptiver Spiegel oder ein Mikrospiegel-Array, zur Leistungsdichteverteilung des zweiten Strahls geleitet wird. Dies trägt zu der hohen Aufbaurate des Bauteils bei. Insgesamt führt dies zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zum generativen Herstellens eines Bauteils. Ferner trägt das Verfahren dazu bei, dass die hergestellten Bauteile eine hohe Qualität aufweisen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum generativen Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Bei der Verwendung eines Strahlformungselements, das den Strahl und/oder den zumindest einen zweiten Strahl in mehrere Teilstrahlen aufteilt und/oder in seiner Querschnittsform verändert, ist es bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens ein im Querschnitt im Fokus linienförmiger Strahl erzeugt wird. Ein derartiges Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass die Aufbaurate erhöht und damit die zur Fertigung des Bauteils benötigte Zeit reduziert werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Strahl aufgeteilt und dadurch eine Parallelisierung ermöglicht wird, bei der eine großflächige Bearbeitung des aufzuschmelzenden Materials durch die Teilstrahlen erzielbar ist.
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Durch die flexible Strahlformung kann die Position der Einzel- bzw. Teilstrahlen zueinander an die zu belichtende Geometrie angepasst werden. Dadurch kann die Parallelisierung effektiver genutzt werden. Insbesondere durch die Verwendung von linienförmigen Strahlformen kann eine wesentliche Steigerung der Aufbaurate erreicht werden. Ein großer Vorteil derartiger linienförmiger Strahlformen liegt in der Erhöhung der Aufbaurate ohne Erhöhung der Schichtdicke, da in einer bestimmten Ebene ein größerer Bereich von Material gleichzeitig aufgeschmolzen werden kann. Die Verwendung von linienförmigen Strahlformen hat jedoch den Nachteil, dass die Scannrichtung nicht mehr unabhängig von der Strahlform ist. Dies kann jedoch durch die flexible und dynamische Strahlform ausgeglichen werden. Weiterhin kann die Breite der linienförmigen Strahlform an die Geometrie des zu erzeugenden Bauteils angepasst werden.
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In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der das Bauteil umgebende Bereich des Materials zumindest bereichsweise von dem Strahl und/oder von dem zumindest einen weiteren Strahl auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird. Ein derartiges Verfahren führt zu einer Reduzierung von Eigenspannungen und Verzügen und zur Steigerung der Steifigkeit und Festigkeit in dem herzustellenden Bauteil. Dies lässt sich dadurch erklären, dass durch eine Reduzierung von Temperaturgradienten Eigenspannungen und Verzüge reduziert werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass der Strahl zur gezielten Einstellung eines Temperaturfeldes eingesetzt wird. Zum Beispiel kann durch großflächige Bestrahlung vor oder hinter dem eigentlichen Schmelzbad eine Vor- bzw. Nacherwärmung erreicht werden. Desweiteren kann durch den gezielten Einsatz von mehreren Teilstrahlen das Temperaturfeld eingestellt werden. Auch können sowohl Heiß- als auch Spannungsrisse (Kaltrisse) durch die Einstellung des Temperaturfelds bzw. des Temperaturgradienten und damit der Abkühlgeschwindigkeit reduziert oder vermieden werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Material in dem Bereich, der zur Ausbildung des Bauteils dient, stetig, d.h. ohne Relativbewegung zwischen dem Strahl und/oder dem zumindest einen zweiten Strahl und dem Material bestrahlt wird. Ein derartiges Verfahren hat insbesondere den Vorteil einer Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit in dem hergestellten Bauteil. Dies rührt daher, dass die Oberflächenrauhigkeit von der Bewegung des Schmelzbades beeinflusst wird. Nun bietet die flexible Strahlformung mittels des Strahlformungselements die Möglichkeit, die gesamte Kontur des herzustellenden Bauteils oder Teile davon gleichzeitig zu belichten, ohne den Strahl relativ zum Material zu bewegen. Dies führt zu einer Reduzierung der Rauheit an dem Bauteil.
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Besonders vorteilhaft ist, dass eine einen Behälter zur Aufnahme des Materials aufweisende Trägereinrichtung relativ zu den Strahlformungselementen rotatorisch gedreht wird, wobei die Drehung während eines Pulverauftrages und/oder während einer Pulververdichtung undoder während eines Pulvererwärmens erfolgt. Hierdurch lassen sich Prozessschritte parallel ausführen. Dies führt insgesamt zu einer hohen Produktivität, da die Bauteile schneller hergestellt werden können.
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Vorteilhaft ist, dass während des selektiven Aufschmelzen des Materials die Trägereinrichtung und die Strahlformungselemente im Wesentlichen unbeweglich gegeneinander angeordnet sind. Dies trägt zu einer hohen Qualität der hergestellten Bauteile bei.
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Auch kann es vorgesehen sein, dass durch das Verfahren ein mehrfaches Umschmelzen des Materials erfolgt. Auch dadurch lässt sich die Oberflächenrauhigkeit an dem hergestellten Bauteil reduzieren. Insbesondere wird durch mehrfaches Umschmelzen der gleichen Schicht des Materials die Oberfläche signifikant verbessert. Dies wird durch die flexible Strahlteilung erreicht, bei dem zwei oder mehr Strahlen hintereinander herfahren, wobei je nach Scanrichtung die zwei Strahlen zueinander ausgerichtet sind. Auch ermöglicht es eine derartige Doppelbelichtung bzw. eine mehrfaches Umschmelzen, eine Reduzierung von Mikrodefekten wie Poren, Heißrissen, Spannungsrissen usw. an dem Bauteil zu realisieren. Hierzu ist anzumerken, dass die Entstehung von Poren bei der Erzeugung des Bauteils in einem direkten Zusammenhang zur Oberflächenqualität der Einzelschichten steht. Durch die angesprochene Doppelbelichtung bzw. das mehrfache Umschmelzen des Materials kann die Dichtheit des Bauteils signifikant gesteigert werden und somit die Tendenz zur Porenbildung reduziert werden.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags beim mehrfachen Umschmelzen wird vorgeschlagen, dass das mehrfache Umschmelzen durch wenigstens zwei Teilstrahlen erfolgt, die in einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind, und die relativ zum Material bewegt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Strahl so ausgebildet wird, dass die Temperatur des Materials in einer in Richtung des Strahls verlaufenden Richtung unterschiedlich ist, derart, dass das Material auf der Seite, auf der der Strahl zuerst auf das Material auftrifft, am geringsten ist. Ein derartiges Verfahren ermöglicht insbesondere eine Verbesserung der Mikrostruktur und der Bauteileigenschaften dadurch, dass neben dem lokalen Temperaturfeld auch das globale Temperaturfeld das Gefüge beeinflusst. Insbesondere ermöglicht es das vorgeschlagene Verfahren, das Kristallwachstum am Bauteil in der gewünschten Richtung von unten nach oben auszurichten.
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Ferner schlägt ein weiteres bevorzugtes Verfahren vor, dass die Querschnittform des Strahls während der Bestrahlung des Materials verändert wird, wodurch die Bearbeitung optimal an die Bauteilgeometrie angepasste werden kann.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils durch selektives Aufschmelzen eines Materials (5), insbesondere zum Durchführen des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Strahlungsquelle und/oder die zumindest eine zweite Strahlungsquelle als Laserstrahleinrichtung ausgebildet ist, da sich Laserstrahlung besonders gut formen lässt. Alternativ oder zusätzlich ist die Strahlungsquelle und/oder die zumindest eine zweite Strahlungsquelle als Elektronenstrahlquelle ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn bei der Vorrichtung die Strahlungsquelle mit dem im Strahlengang des Strahls der Strahlungsquelle angeordnetem Strahlformungselement und die zumindest eine zweite Strahlungsquelle mit dem im Strahlengang des zumindest einen zweiten Strahls der zumindest einen zweiten Strahlungsquelle angeordnetem zumindest einen zweiten Strahlformungselements als Matrix, insbesondere in einer 1x2 Anordnung oder einer 2x2 Anordnung, angeordnet sind.
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Im Übrigen weist die Vorrichtung zum Durchführen des soweit beschriebenen Verfahrens die entsprechenden Vorteile auf, wie das Verfahrens selbst.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils,
- 2 bis 4 jeweils Ansichten auf einen zu bearbeitenden Bereich des Materials mit auf die Oberfläche des Materials auftreffenden, unterschiedlich geformten Teillaserstrahlen,
- 5 eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer ersten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
- 6 eine Aufsicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer zweiten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
- 7 eine Aufsicht einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer dritten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels, und
- 8 in einer Seitenansicht eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils der dritten Variante des bevorzugten Ausfü hru ngsbeispiels.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist stark vereinfacht eine Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils 1 gezeigt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Strahlungsquelle 10, insbesondere in Form einer Laserstrahlquelle 11, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl 2 mit einer Wellenlänge von 1064nm zu erzeugen. Der Laserstrahl 2 wird mittels eines oder mehrerer, im Einzelnen nicht dargestellter, weil an sich bekannten optischen Elementen 12 bearbeitet und in Richtung des zu erzeugenden Bauteils 1 gelenkt. Im Strahlengang des Laserstrahls 2 ist darüber hinaus ein Strahlformungselement in Form eines SLM-Element 20 (Spatial Light Modulator) angeordnet, das dazu dient, den Laserstrahl 2 zu formen bzw. in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen.
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Das Bauteil 1 wird aus insbesondere pulverförmigem bzw. körnigem Material 5 erzeugt, das innerhalb eines wannenförmigen Behälters 6 angeordnet ist, wobei die Höhe des in dem Behälter 6 angeordneten Materials 5 mindestens der Höhe des herzustellenden Bauteils 1 entspricht. Bei dem Material 5 kann es sich vorzugsweise um metallisches Material oder um Kunststoffmaterial handeln.
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Wesentlich ist darüber hinaus, dass zum Aufschmelzen des Materials 5 innerhalb des Behälters 1 eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 2 mit dem Material 5 in Richtung der drei Raumachsen X, Y und Z ermöglicht werden kann.
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Dies wird, wie an sich bekannt, entweder durch eine entsprechende Verstellung der optischen Elemente 12 bzw. des SLM-Elements 20 und/oder aber durch einen Verstellantrieb für den Behälter 6 ermöglicht.
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Das Erzeugen bzw. Herstellen des Bauteils 1 aus dem Material 5 erfolgt dadurch, dass der Fokus des Laserstrahls 2 derart auf das Material 5 gerichtet wird, dass das Material 5 selektiv Schicht für Schicht bzw. Punkt für Punkt aufgeschmolzen wird und zwar von der der Laserstrahleinrichtung 11 bzw. dem Laserstrahl 2 abgewandten Seite der Oberfläche 7 des Materials 5 in dem Behälter 6 in Richtung zur Oberfläche 7 hin. Nach dem Aufschmelzen des Materials 5 wird der Laserstrahl 2 in Bezug zu dem Material 5 weiterbewegt, so dass das zunächst aufgeschmolzene Material 5 erstarrt und in dem erstarrten Bereich ein Bestandteil des Bauteils 1 ausbildet. Das nicht erstarrte Material 5 kann nach dem Herstellen des Bauteils laus den Zwischenräumen des Bauteils 1, wie an sich bekannt, entfernt werden. In der 1 ist stark vereinfacht das Bauteil 1 durch Elemente 9 gekennzeichnet, die während des Auftreffens des Laserstrahls 2 dadurch entstanden sind, dass das Material 5 zunächst aufgeschmolzen und anschließend erstarrt ist.
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In der 2 ist eine Bauteilkontur 30 gezeigt, welche beispielhaft in Draufsicht rechteckförmig ausgebildet ist. Die Kontur 31, die ebenfalls rechteckförmig ausgebildet ist, stellt die innere Kontur des Behälters 6 dar, in dem das Material 5 angeordnet ist. Anhand der 2 ist erkennbar, dass durch das SLM-Element 20 beispielhaft zwei Teilstrahlen 32, 33 aus dem Laserstrahl 2 gebildet werden, welche jeweils eine rechteckförmige bzw. linienförmige Kontur aufweisen. Beispielhaft sind die beiden Teilstrahlen 32, 33 in einem Abstand a zueinander angeordnet, wobei die Breite b der Teilstrahlen 32, 33 der Breite des herzustellenden Bauteils 1 entspricht. Anhand des Doppelpfeils 34 ist erkennbar, dass die beiden Teilstrahlen 32, 33 synchron über die Oberfläche des auszubildenden Bauteils 1 im Bereich der Kontur 31 hin- und herbewegt werden.
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In der 3 ist der Fall dargestellt, bei der innerhalb der Bauteilekontur 30 ebenfalls zwei Teilstrahlen 35, 36 erzeugt werden, die jedoch eine geringere Breite b aufweisen als das auszubildende Bauteil 1. Die Ausbildung erfolgt somit durch zeilenartiges Abfahren der Bauteilekontur 30. Auch die beiden Teilstrahlen 35, 36 weisen beispielhaft einen Abstand a zueinander auf und werden entsprechend des Doppelpfeils 34 über die Oberfläche des Materials 5 innerhalb der Bauteilkontur 30 bewegt. Weiterhin sind beispielhaft zwei weitere Teilstrahlen 37, 38 mit gegenüber den Teilstrahlen 32, 33 unterschiedlichem Querschnitt erkennbar, welche außerhalb der Bauteilekontur 30, jedoch innerhalb der Kontur 31 angeordnet sind. Die beispielhaft ebenfalls eine rechteckförmige Kontur aufweisenden Teilstrahlen 37, 38 dienen der Erwärmung des Materials 5 in einem dem Bauteil 1 nahen Bereich, jedoch außerhalb des Materials 5, das das Bauteil 1 ausbildet. Wesentlich ist darüber hinaus, dass die Leistung der Teilstrahlen 37 und 38 derart ist, dass kein Aufschmelzen des Materials 5 erfolgt. Die Teilstrahlen 37 und 38 dienen zusammen mit den Teilstrahlen 32, 33 (die zum Aufschmelzen des Materials 5 dienen) zur Erzeugung eines Temperaturfeldes bzw. von Temperaturgradienten.
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In der 4 ist beispielhaft der Fall dargestellt, bei der drei, jeweils eine runde Querschnittsform aufweisende Teilstrahlen 41 bis 43 erzeugt werden, die innerhalb der Bauteilekontur 30 ein Aufschmelzen des Materials 5 bewirken. Die Größe bzw. der Durchmesser der Teilstrahlen 41 bis 43 sowie deren genaue Position innerhalb der Bauteilekontur 30 kann unterschiedlich sein.
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5 zeigt eine Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer ersten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Auf einer Trägereinrichtung 8 ist ein Behälter 6 zur Aufnahme von Material 5 zur Erstellung eines Bauteils und zur Aufnahme des Bauteils selbst angeordnet. Ferner zeigt die 5 einen Pulververteiler 13, der Material 5 durch Überstreichen über den Behälter 6 in einer gleichmäßigen Schichtdicke auf dem Behälter 6 aufträgt. Ferner zeigt die 5 einen Restpulverbehälter 14 zur Aufnahme von überschüssigem Material 5. Die Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils umfasst in dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels insgesamt vier Belichtungseinrichtungen 17. Eine Belichtungseinrichtung 17 umfasst jeweils eine Laserstrahleinrichtung 11 und ein Strahlformungselement 20. Dabei wird der von der Laserstrahleinrichtung 11 erzeugte Strahl 2 durch das Strahlformungselement 20 wie vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 4 erläutert geformt und als Strahl 2 auf die mit Pulver bedeckte Fläche des Behälters 6 gelenkt. Die Strahlformungselemente 20 sind in einer matrixförmigen 2x2 Anordnung angeordnet, so dass der von jedem Strahlformungselement 20 erzeugte Strahl einen Quadranten des Behälters 6 abdeckt, so dass der Strahl 2 als Belichtungsfläche ¼ des Pulverbettes belichtet. In einer Variante ist eine matrixförmige 1x2 Anordnung oder eine 3x3 Anordnung realisiert. In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels sind die Belichtungseinrichtungen 17 oberhalb des Behälters 6 ortsfest angeodnet. Zusätzlich oder alternativ wird der Behälter 6 mittels Verstellantrieben in der relativen Position zu den Belichtungseinrichtungen 17 verstellt. In einer Variante sind die Belichtungseinrichtungen 17 alternativ oder zusätzlich in einer beweglichen Array-Anorndung angeordnet, wobei die Belichtungseinrichtungen 17 translatorisch und parallel zu der Oberfläche des Behälters 6 und damit zu dem Pulverbett bewegt werden.
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6 zeigt eine Aufsicht einer Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer zweiten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Vorrichtung 100 basiert auf einer Maschine mit einem um eine Drehachse 15 rotierenden als Trägereinrichtung 8 ausgebildeten Rundtisch sowie mehreren Belichtungseinrichtungen 17. In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels sind auf der Trägereinrichtung 8 vier in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnete Behälter 6 zur Aufnahme der zu erstellenden Bauteile vorgesehen. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 vier ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnete, vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebene, ortsfest angeordnete Belichtungseinrichtungen 17. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 vier, ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabständen, zwischen den Belichtungseinrichtungen 17, ortsfest angeordnete Einrichtungen, bestehend aus einem Pulververteiler 13 und einer Heizeinrichtung 18. In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels rotiert die Trägereinrichtung 8 entgegen dem Uhrzeigersinn wie durch den Pfeil der Drehrichtung 16 symbolisiert. Während der Rotation der Trägereinrichtung 8 wird mittels der Pulververteiler 13 auf jedem der vier Behälter 6 parallel zunächst Pulver in Form des Materials aufgetragen. Bei der weiteren Drehung wird das aufgetragenen Pulver anschließend durch die Heizeinrichtung 18 vorgewärmt. Schließlich wird die Trägereinrichtung 8 solange weitergedreht, bis sich die Behälter 6 unter den Belichtungseinrichtungen 17 befinden. Die Belichtungseinrichtungen 17 führen dann beim Stillstand der Trägereinrichtung 8 die Belichtung und damit das selektive Aufschmelzen des Materials zur Erzeugung des Bauteils durch. Dieser Ablauf wird anschließend iterativ so lange wiederholt bis die Bauteile hergestellt sind. In einer Variante werden ebenfalls vier Behälter 6, aber lediglich zwei Belichtungseinrichtungen 17 verwendet.
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7 zeigt eine Aufsicht einer Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils in einer dritten Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels als Weiterbildung der zweiten Variante. Die Vorrichtung 100 basiert auf einer Maschine mit einem um eine Drehachse 15 rotierenden, als Trägereinrichtung 8 ausgebildeten Rundtisch sowie mehrerer Belichtungseinrichtungen 17. In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels sind auf der Trägereinrichtung 8 ebenfalls vier in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnete Behälter 6 zur Aufnahme der zu erstellenden Bauteile vorgesehen. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 vier ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabständen vorstehend mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebene, ortsfest angeordnete Belichtungseinrichtungen 17. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 vier, ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabständen, zwischen den Belichtungseinrichtungen 17, ortsfest angeordnete Einrichtungen, bestehend aus einem Pulververteiler 13, einem Pulververdichter 19 und einer Heizeinrichtung 18. In dieser Variante des bevorzugten Ausführungsbeispiels rotiert die Trägereinrichtung 8 entgegen dem Uhrzeigersinn wie durch den Pfeil der Drehrichtung 16 symbolisiert. Während der Rotation der Trägereinrichtung 8 wird mittels der Pulververteiler 13 auf jedem der vier Behälter 6 parallel zunächst Pulver in Form des Materials aufgetragen. Anschließend wird das aufgetragene Pulver durch die Pulververdichter 19 verdichtet. Die Pulververdichter 19 sind dabei als Walzen ausgestaltet. Bei der weiteren Drehung wird das aufgetragenen und verdichtete Pulver anschließend durch die Heizeinrichtung 18 vorgewärmt. Schließlich wird die Trägereinrichtung 8 solange weitergedreht, bis sich die Behälter 6 unter den Belichtungseinrichtungen 17 befinden. Die Belichtungseinrichtungen 17 führen dann beim Stillstand der Trägereinrichtung 8 die Belichtung und damit das selektive Aufschmelzen des Materials zur Erzeugung des Bauteils durch. Dieser Ablauf wird anschließend iterativ so lange wiederholt bis die Bauteile hergestellt sind.
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8 zeigt in einer Seitenansicht eine Schnittdarstellung der vorstehend mit Bezug auf die 7 beschriebenen Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die 8 zeigt zwei auf der Trägereinrichtung 8 angeordnete Behälter 6 zur Aufnahme von Material 5 und dem hergestellten Bauteil 1. Dabei ist der Boden 4 des Behälters 6 absenkbar, so dass das Bauteil 1 von unten nach oben generativ aus dem Pulver gefertigt wird. Die 8 zeigt ferner zu jedem Behälter 6 einen Pulververteiler 13 zur Zuführung und Aufbringung von Pulver 5, sowie zu jedem Behälter 6 eine Belichtungseinrichtung 17 mit einem symbolisiert darstellten Strahl 2.
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Durch die vorstehend mit Bezug auf die 6 bis 8 beschriebene Vorrichtung wird das nachfolgend beschriebene Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils durchgeführt.
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Durch die Rotation des Rundtisches wird ein Behälter unter der nicht beweglichen Belichtungseinrichtung vorbeigeführt. Sobald sich der Arbeitsbereich des Behälters unter die Belichtungseinrichtung bewegt, beginnt der Pulverauftrag und es wird eine Schicht Pulver, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 20 und 200 µm, aufgetragen. Als nächstes dreht sich der Rundtisch mit dem Pulverbett so lange weiter bis er in der Position für die Belichtung angelangt ist. Bei nun stehendem Tisch beginnt die Belichtung mit der Belichtungseinrichtung. Dabei kann der Strahl flexibel geformt werden und ermöglicht punkt- und linienförmiges sowie flächiges Schmelzen des als Pulver ausgebildeten Materials. In einer Variante wird simultan an mehreren Orten gleichzeitig im Pulverbett geschmolzen. Dies hat den Vorteil von hohen hohen Aufbauraten. Die flexible Strahlformung bietet darüber hinaus die Möglichkeit lokal Strahlungsspots für verschiedene Funktionen zu erzeugen. Beispielsweise kann dem eigentlichen Spot für das Schmelzen ein Vorheizspot zum lokalen Erwärmen vorangehen und/oder ein nachgezogener Spot folgen. Der nachgezogene Spot führt dabei einen zweiten Schmelzvorgang in Form eines Wiederschmelzen (re-melting) durch, so dass die Qualität der erzeugten Oberfläche verbessert wird. In einer Variante wird zusätzlich eine Schutzgaszuführung und/oder eine Schutzgasabsaugung durchgeführt, so dass Rauchgas, Schmauch und metallischen Spritzern, die durch das Schmelzen entstehen, effizient abgeführt werden. Dies trägt zu einer hohen Qualität in Form von geringer Porosität und/oder geringen Schichtanbindungsfehlern und/oder hoher Oberflächengüte, des hergestellten Bauteils bei. Ist der Behälter vollständig unter der Belichtungseinrichtung durchgefahren und ist damit eine Schicht komplett aufgebaut worden, senkt sich die Arbeitsfläche um eine Schichtdicke ab. Diese Prozessfolge findet parallel an den anderen Behältern und Belichtungseinrichtung der Maschine statt. Durch die Rotation des Tisches erreicht der Behälter anschließend die nächste Belichtungseinrichtung und der Prozess beginnt erneut. In den vorstehend beschriebenen Varianten enthält die Vorrichtung zusätzlich Komponenten für das Vorheizen und/oder das Verdichten des Pulvers direkt im Anschluss an den Pulverauftrag. Durch die kontinuierliche Rotation des Rundtisches wird die gerade mit Pulver beschichtete Stelle unter einer Verdichterwalze vorbeigeführt. Durch eine vorbestimmte Form der Walze und eine geeignete Anpresskraft rollt sich die Walze auf dem Pulver ab und verdichtet das Pulver. Dies hat den Vorteil, dass die Schüttdichte des Pulvers erhöht wird, so dass eine verbesserte Wärme- und Elektronenleitfähigkeit erreicht wird. Dies verbessert die auf Laser- und Elektronenstrahlung basierenden Strahlschmelzprozesse. Ferner sind durch die höhere Dichte weniger Hohlräume in der Pulverschüttung vorhanden, so dass die hergestellten Bauteile eine höhere Dichte aufweisen. Ist auch eine Vorheizeinheit integriert wird die Arbeitsfläche nun unter einer Heizeinrichtung vorbeibewegt. Dort koppeln gesteuerte NIR-Strahler (NIR = near infrared) über elliptische Spiegel lokal und selektiv Energie in das Pulverbett, um es bis auf 95% der Schmelztemperatur des Pulverwerkstoffes vorzuheizen. Dies hat den Vorteil, dass der anschließende Schmelzprozess signifikant erleichtert wird, da die Verwendung einer geringeren Leistungsdichte möglich ist und somit die Produktivität und die Bauteilqualität (Oberflächenqualität) höher ist. Aufgrund der Rotation des Rundtisches ergeben sich Herausforderungen beim Pulverauftrag, dem Verdichten und dem Vorheizen, da der rotationsachsennahe Bereich eine andere Geschwindigkeit besitzt als rotationachsenferne Bereiche. Diese Unterschiede werden durch eine geeignete Auslegung der Pulververteiler und/oder den Pulververdichtern und/oder den Heizeinrichtungen kompensieren. Beispielsweise sind die Heizeinrichtungen so ausgelegt, dass die Heizleistung von Ihnen nach außen kontinuierlich abnimmt.
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In einer weiteren Variante der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist die Trägereinrichtung mit den Behältern ortsfest angeordnet und die Belichtungseinrichtungen mit den Pulververteilern und/oder den Heizeinrichtungen und/oder den Pulververdichtern rotiert relativ zu der als Rundtisch ausgebildeteten Trägereinrichtung.
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Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2878402 A1 [0002]
- DE 102016213420 [0005]
