DE102018112380A1

DE102018112380A1 - Vorrichtung und Verfahren zur gleichzeitigen additiven und subtraktiven Echtzeitfertigung

Info

Publication number: DE102018112380A1
Application number: DE102018112380.9A
Authority: DE
Inventors: Brandon Joseph Holford; Jeffrey Vaught; MacKenzie Ryan Redding; Justin Mamrak
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2018-12-06
Also published as: CN108971488A; US20180345379A1

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zur großtechnischen gleichzeitigen additiven und subtraktiven Echtzeitfertigung beschrieben. Die Baueinheit(en) der Vorrichtung enthält (enthalten) einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus. Die Baueinheit und der Bearbeitungsmechanismus sind an einem Positioniermechanismus angebracht, der ihnen eine Bewegung bietet. Die Bauplattform der Vorrichtung dreht sich und ist vorzugsweise in vertikaler Richtung stationär. Es sind auch Ausführungsformen der Baueinheit beschrieben, die ferner einen Gasströmungsmechanismus und die Bauplattform mit einer dynamisch angebauten Wand enthält. Ein Fertigungsverfahren unter Verwendung der Vorrichtung umfasst ein Drehen der Bauplattform, wiederholte Zyklen einer Bewegung der Baueinheit(en), um ein Pulver aufzutragen, und der Bestrahlung des Pulvers, um eine geschmolzene additive Schicht zu bilden, sowie ein maschinelles Bearbeiten des gerade gefertigten Objektes.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zur additiven und subtraktiven Fertigung. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung Vorrichtungen und Verfahren, die eine gleichzeitige additive und subtraktive Fertigung in Echtzeit in einem Großformat ermöglichen. Die Vorrichtungen und Verfahren sind für die Fertigung von Komponenten eines Flugtriebwerks nützlich, jedoch nicht darauf beschränkt.
HINTERGRUND
Additive Fertigung (AM, Additive Manufacturing) umfasst vielfältige Technologien zur Herstellung von Komponenten in einer additiven Weise, Schicht um Schicht. Beim pulverbettbasierten Schmelzen (Powder Bed Fusion), das eine der populärsten AM-Technologien ist, wird ein fokussierter Energiestrahl verwendet, um Pulverpartikel schichtweise zusammen zu verschmelzen. Der Energiestrahl kann entweder ein Elektronenstrahl oder ein Laser sein. Pulverbettbasierte Laserschmelzprozesse werden in der Industrie mit vielen unterschiedlichen Namen bezeichnet, von denen die gebräuchlichsten selektives Laser-Sintern (SLS, Selective Laser Sintering) und selektives Laser-Schmelzen (SLM, Selective Laser Melting) sind, abhängig von der Art des Pulverschmelzprozesses. Wenn das zu schmelzende Pulver Metall ist, werden gewöhnlich die Ausdrücke direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) und direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM, Direct Metal Laser Melting) verwendet.
Bezugnehmend auf 1 enthält ein pulverbettbasiertes Laserschmelzsystem, wie etwa das System 100, eine feststehende und geschlossene Baukammer 101. Im Inneren der Baukammer 101 befinden sich eine Bauplatte 102 und ein benachbartes Einsatzpulverreservoir 103 an einem Ende sowie ein Aufnahmebehälter 104 für überschüssiges Pulver an dem anderen Ende. Während der Erzeugung hebt eine Hebeeinrichtung 105 in dem Einsatzpulverreservoir 103 eine vorgeschriebene Pulverdosis an, die über der Bauoberfläche, die durch die Bauplatte 102 definiert ist, unter Verwendung einer Beschichterklinge 106 verteilt werden soll. Ein Pulverüberlauf wird in dem Pulveraufnahmebehälter 104 gesammelt und optional behandelt, um vor einer Wiederverwendung grobe Partikel auszusieben.
Ausgewählte Abschnitte 107 der Pulverschicht werden in jeder Schicht zum Beispiel unter Verwendung eines Laserstrahls 108 bestrahlt. Nach einer Bestrahlung wird die Bauplatte 102 um eine Strecke abgesenkt, die gleich einer Schichtdicke in dem gerade gebauten Objekt 109 ist. Anschließend wird eine nachfolgende Pulverschicht über der letzten Schicht aufgetragen, und der Prozess wird wiederholt, bis das Objekt 109 fertiggestellt ist. Eine Bewegung des Laserstrahls 108 wird unter Verwendung eines Galvanometer-Scanners 110 gesteuert. Die (nicht veranschaulichte) Laserquelle kann von einer (nicht veranschaulichten) Laserquelle unter Verwendung eines faseroptischen Kabels transportiert werden. Die gezielte Bestrahlung wird in einer Weise durchgeführt, um das Objekt 109 entsprechend rechnergestützten Entwurfs(CAD)-Daten zu bauen.
Pulverbettbasierte Technologien haben unter allen bekannten metallbasierten additiven Fertigungstechnologien das beste Auflösungsvermögen gezeigt. Da jedoch der Aufbau in einem Pulverbett erfolgen muss, ist die Größe des Objektes, das gebaut werden soll, durch die Größe des Pulverbetts der Maschine begrenzt. Eine Erhöhung der Größe des Pulverbetts weist Beschränkungen aufgrund des erforderlichen großen Einfallswinkels, der die Scannqualität verringern kann, und des Gewichts des Pulverbetts auf, das die Fähigkeiten von Steppern, die zur Absenkung der Bauplattform verwendet werden, übersteigen kann. Angesichts des Vorstehenden bleibt ein Bedarf nach Fertigungsvorrichtungen und -verfahren, die die Erzeugung großer Objekte mit verbesserter Genauigkeit und in einer Art und Weise, die sowohl zeit- als auch kosteneffizient ist, mit minimalem Abfall der Rohmaterialen bewerkstelligen können.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung eine Fertigungsvorrichtung, vorzugsweise eine großtechnische Fertigungsvorrichtung, die wenigstens eine Baueinheit, eine drehbare Bauplattform und einen Bearbeitungsmechanismus enthält. Die Baueinheit enthält einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus mit vorzugsweise entweder einer Laserquelle oder einer Elektronenquelle.
Der Bearbeitungsmechanismus kann eingerichtet sein, um einen oder mehrere Materialabtragprozesse, z.B. Schneiden bzw. Stanzen, Gewindeschneiden, Prägen, Bohren, Anfasen, Abreiben, Umformen, Schleifen, Ausformen und Rändeln bzw. Kordeln, etc. auszuführen. Vorzugsweise erfolgen diese Materialabtragprozesse automatisiert durch eine rechnergestützte nummerische Steuerung.
In einigen Ausführungsformen kann die Fertigungsvorrichtung ferner einen Positioniermechanismus enthalten, der eingerichtet ist, um eine Bewegung der Baueinheit und vorzugsweise auch des Bearbeitungsmechanismus zu erzielen.
Insbesondere kann der Positioniermechanismus eingerichtet sein, um eine Bewegung der wenigstens einen Baueinheit in wenigstens zwei Dimensionen, die zu der drehbaren Bauplattform im Wesentlichen parallel verlaufen, zu erzielen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Positioniermechanismus ferner eingerichtet sein, um eine Bewegung des Bearbeitungsmechanismus um einen Drehmittelpunkt herum zu erzielen.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Fertigungsvorrichtung können die Bewegung der wenigstens einen Baueinheit und die Bewegung des Bearbeitungsmechanismus voneinander unabhängig sein.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Positioniermechanismus ferner eingerichtet sein, um eine unabhängige Bewegung der wenigstens einen Baueinheit und des Bearbeitungsmechanismus in einer dritten Dimension, die zu der drehbaren Bauplattform im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, zu erzielen.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Fertigungsvorrichtung kann die drehbare Bauplattform in vertikaler Richtung stationär sein.
In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Fertigungsvorrichtung kann der Bestrahlungsrichtmechanismus eine Laserquelle aufweisen, und die wenigstens eine Baueinheit kann ferner einen Gasströmungsmechanismus aufweisen, der eingerichtet ist, um eine im Wesentlichen laminare Gasströmung wenigstens einem Baubereich innerhalb der Bauplattform zuzuführen.
In einigen Ausführungsformen kann die Fertigungsvorrichtung ferner einen Pulverwiedergewinnungsmechanismus enthalten, der einen Pulverüberlauf, der sich auf der Außenseite einer ein gebautes Objekt umgebenden Außenwand ansammelt, in einen Pulveraufnahmebehälter abstreicht.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Fertigung wenigstens eines Objektes, insbesondere mit einer hierin beschriebenen Fertigungsvorrichtung. Das Verfahren enthält die Schritte: (a) Drehen einer Bauplattform; (b) Bewegen wenigstens einer Baueinheit, um Pulver aufzutragen, wobei die wenigstens eine Baueinheit einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus aufweist; (c) Bestrahlen wenigstens eines ausgewählten Abschnitts des Pulvers, um wenigstens eine geschmolzene Schicht und/oder eine Bauwand zu bilden; (d) Wiederholen wenigstens der Schritte (b) und (c), um das wenigstens eine Objekt zu bilden. Das Verfahren kann ferner ein maschinelles Bearbeiten wenigstens eines Abschnitts der geschmolzenen Schicht oder der Bauwand aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner einen Schritt des Abtragens wenigstens eines Abschnitts der Bauwand durch Drehbearbeitung enthalten.
In einigen Ausführungsformen werden wenigstens der Pulverzuführmechanismus und der Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus basierend auf einer gemessenen Drehgeschwindigkeit der Bauplattform kalibriert.
Ein beliebiges vorstehend erwähntes Verfahren kann ferner ein Einebnen des wenigstens einen ausgewählten Abschnitts des Pulvers aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Baueinheit im Schritt (b) über und im Wesentlichen parallel zu wenigstens einem Baubereich innerhalb der Bauplattform bewegt werden.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das maschinelle Bearbeiten ein oder mehrere Materialabtragprozesse sein, die aus der Gruppe ausgewählt sind, zu denen Schneiden bzw. Stanzen, Gewindeschneiden, Prägen, Bohren, Anfasen, Abreiben, Umformen, Schleifen, Ausformen und Rändeln bzw. Kordeln gehören.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann das maschinelle Bearbeiten ein oder mehrere Materialabtragprozesse sein, die durch eine rechnergestützte nummerische Steuerung automatisiert sind.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, und das Verfahren kann ferner ein Zuführen einer im Wesentlichen laminaren Gasströmung zu dem wenigstens einen Baubereich innerhalb der Bauplattform aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers mit einem Elektronenstrahl bestrahlt werden.
In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers unter einem Winkel bestrahlt werden, der im Wesentlichen senkrecht zu dem Baubereich ist.
Figurenliste

1 zeigt ein beispielhaftes pulverbasiertes System zur additiven Fertigung nach dem Stand der Technik.
2A zeigt eine schematische Darstellung, die die Vorderansicht einer Fertigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2B zeigt eine Vorderansicht der Fertigungsvorrichtung nach 2A, wobei ein Bearbeitungsmechanismus positioniert ist, um durch wenigstens einen Abschnitt der äußeren Bauwand zu schneiden.
2C zeigt eine Draufsicht von oben auf die Fertigungsvorrichtung nach 2A.
3 zeigt eine Perspektivansicht einer Fertigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine erweiterte Ansicht der Baueinheit, des Bearbeitungsmechanismus und eines Teils der drehbaren Bauplattform der großtechnischen additiven Fertigungsvorrichtung nach 2A.
5 zeigt eine Draufsicht von oben auf eine großtechnische Fertigungsvorrichtung mit einem selektiven Beschichtungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt die Kalibrierung des Bestrahlungsstrahls bezüglich einer bekannten konstanten Drehgeschwindigkeit einer bereits vorhandenen vertikalen Drehmaschine.
7 zeigt eine erweiterte Ansicht des Pulverwiedergewinnungssystems einer Fertigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die detaillierte Beschreibung, die nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt ist, ist als eine Beschreibung verschiedener Konfigurationen gedacht und nicht dazu bestimmt, nur diejenigen Konfigurationen darzustellen, in denen die hierin beschriebenen Konzepte ausgeführt werden können. Die detaillierte Beschreibung enthält spezifische Details für den Zweck der Vermittlung eines grundlegenden Verständnisses der verschiedenen Konzepte. Jedoch wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass diese Konzepte ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden können. Zum Beispiel stellt die vorliegende Erfindung ein bevorzugtes Verfahren zur Fertigung bestimmter Komponenten metallischer Objekte bereit, und diese Komponenten und diese Objekte werden vorzugsweise bei der Fertigung von Flugzeugstrahltriebwerken eingesetzt. Insbesondere können vorteilhafterweise große, ringförmige Komponenten von Flugzeugstrahltriebwerken gemäß dieser Erfindung erzeugt werden. Jedoch können andere Komponenten eines Flugzeugs unter Verwendung der hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und Ausführungsformen der Vorrichtung bereit, die verwendet werden können, um eine gleichzeitige pulverbasierte additive Schichtfertigung und maschinelle Bearbeitung des additiv gebauten Objektes in Echtzeit durchzuführen. Beispiele für die pulverbasierte additive Schichtfertigung umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, selektive Laser-Sinter(SLS)-, selektive Laser-Schmelz(SLM)-, direkte Metall-Laser-Sinter(DMLS)-, direkte Metall-Laser-Schmelz(DMLM)- und Elektronenstrahlschmelz(EBM)-Prozesse.
Der Ausdruck „(maschinelle) Bearbeitung“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf beliebige von verschiedenen Prozessen, in denen ein Stück eines Gegenstands, das additiv gefertigt wird (d.h. eine additive Fertigung ist im Gange) durch einen gesteuerten Materialabtragprozess zu einer gewünschten Endform und -größe geschnitten bzw. zerspant wird. Beispiele für diese Prozesse umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Stanzen oder Schneiden (einschließlich Endbearbeitungsschneiden und grobes Schneiden), Gewindeschneiden, Fräsen (einschließlich X-Achsen-Fräsen und C-Achsen-Fräsen), Prägen, Bohren, Abreiben, Umformen, Schleifen, Ausformen und Rändeln oder Kordeln, die gemeinsam als „subtraktive Bearbeitung“ bezeichnet werden. Vorzugsweise werden diese Materialabtragprozesse durch eine rechnergestützte nummerische Steuerung (CNC) ausgeführt, in der Computer dazu verwendet werden, die Bewegung und den Betrieb der Fräser, Drehmaschinen und anderer geeigneter Zerspannungsmaschinen zu steuern. Die vorliegende Erfindung umfasst ferner Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung oder einer Ausführungsform von dieser, um Gegenstände herzustellen. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Komponenten, die sie zur Herstellung großer Objekte, die im Wesentlichen kreisringförmig oder zylindrisch sind, wie etwa ringförmiger oder zylindrischer Komponenten eines Flugzeugtriebwerks oder eines Flugzeugrumpfes, besonders nützlich machen. Zu Beispielen für derartige Flugzeugkomponenten gehören Turbinen- oder Leitschaufelummantelungen oder -deckbänder, die zentrale Triebwerkswelle, Gehäuse, Verdichterauskleidungen, Brennkammerauskleidungen, Leitungskanäle, etc. In einigen Fällen können diese Komponenten einen Radius von bis zu 2 m aufweisen.
2A-2C zeigen schematische Darstellungen einer Fertigungsvorrichtung 200 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 kann ein Baugehäuse 201 enthalten, das die gesamte Vorrichtung 200 und ein Objekt 203, das gebaut werden soll, aufnimmt. Die Vorrichtung 200 enthält eine Baueinheit 202, einen Bearbeitungsmechanismus 204 und eine drehbare Bauplattform 206. Während eines Betriebs baut die Vorrichtung ein Objekt 203 in einem Pulverbett 205, das zwischen einer äußeren angebauten Bauhülle 209 und in vielen Fällen einer inneren Bauhülle 207 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Objekt 203 ein großer kreisringförmig gestalteter Gegenstand, wie etwa, jedoch nicht darauf beschränkt, ein Turbinen- oder Leitschaufelmantel oder -deckband, eine zentrale Triebwerkswelle, ein Gehäuse, eine Verdichterauskleidung, ein Brennkammerflammrohr, ein Leitungskanal, etc.
Die Baueinheit 202 kann eingerichtet sein, um verschiedene Komponenten zur additiven Fertigung eines hochpräzisen Objektes mit großem Umfang oder mehrerer kleinerer Objekte aufzunehmen. Eine mobile Baueinheit kann z.B. einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus, einen Gasströmungsmechanismus mit einer Gasströmungszone und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus enthalten. 4-5 enthalten weitere Details einer beispielhaften mobilen Baueinheit, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll.
Der Positioniermechanismus 210 kann eine X-Y-Z-Gantry mit einem oder mehreren x-Querträgern 210X (wobei ein einzelner in den 2A und 2B veranschaulicht ist, während zwei in 2C veranschaulicht sind) sein, die die Baueinheit 202 und den Bearbeitungsmechanismus 204 entlang der x-Achse (d.h. nach links oder rechts) unabhängig bewegen, einem oder mehreren y-Trägern 210Y (wobei zwei in 2C veranschaulicht sind), die die Baueinheit 202 und den Bearbeitungsmechanismus 204 jeweils entlang der y-Achse (d.h. nach innen oder außen) bewegen. Derartige zweidimensionale Bewegungen über die x-y-Ebene verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Bauplattform 206 oder einem Baubereich in dieser. Außerdem weist der Positioniermechanismus 210 einen oder mehrere z-Träger 210Z (wobei zwei in den 2A-2C veranschaulicht sind) auf, der bzw. die die Baueinheit und den Bearbeitungsmechanismus 204 entlang der z-Achse (d.h. nach oben und nach unten oder im Wesentlichen senkrecht zu der Bauplattform 206 oder einem Baubereich in dieser) bewegt bzw. bewegen. Die Baueinheit 202 und der maschinelle Bearbeitungsmechanismus 204 können an demselben oder einem anderen Querträger bzw. Träger montiert sein und können unabhängig voneinander bewegt werden. Der Positioniermechanismus 210 ist ferner betreibbar, um die Baueinheit 202 um die c-Achse und auch die b-Achse herum zu drehen. Der Positioniermechanismus 210 ist auch ferner betreibbar, um den Bearbeitungsmechanismus 204 um den Mittelpunkt W herum derart zu drehen, dass der Bearbeitungsmechanismus 204 sich auf einer nichtlinearen oder kreisförmigen Bahn bewegt.
Die drehbare Bauplattform 206 kann eine steife und ringförmige oder kreisringförmige Struktur (d.h. mit einem inneren Mittelloch) sein, die eingerichtet ist, um sich um 360° um den Drehmittelpunkt W herum zu drehen. Die drehbare Bauplattform 206 kann an einer Endhalterung eines Motors 212 (z.B. über einen Aktuator 214) gesichert sein, der betrieben werden kann, um die drehbare Bauplattform 206 um den Drehmittelpunkt W herum derart wahlweise zu drehen, dass sich die Bauplattform 206 auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Der Motor 212 kann ferner an einer stationären Tragstruktur 216 gesichert sein. Der Motor kann auch an einer beliebigen Stelle in der Nähe der Vorrichtung angeordnet und mit der Bauplattform über einen Gurt zur Übertragung einer Bewegung des Motors auf die Bauplattform mechanisch verbunden sein.
Zusätzlich zu einer Formung eines Objektes, während dieses gleichzeitig additiv gebaut wird, kann der Bearbeitungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eingerichtet sein, um die äußere Bauwand, die das Bauobjekt umgibt, wie in den 2B und 2C dargestellt, zu schneiden und zu entfernen. In dieser Hinsicht ist der Schneidmechanismus 204 veranschaulicht, wie er in der Nähe der Kante der äußeren Bauwand 207 positioniert ist. Der Schneidmechanismus 204 kann in einigen Fällen in einer stationären Weise gegen die Bauwand 207 platziert werden, und die Drehung der Bauplatte kann gemeinsam mit der Wirkung des Schneidmechanismus 204 Material von der Bauwand entfernen, bis diese vollständig von der Bauplattform 206 getrennt ist. Der Schneidmechanismus 204 kann auch dazu verwendet werden, das Objekt 203 und die innere Wand 209, sofern vorhanden, von der Bauplattform 206 zu trennen.
2C zeigt eine Ansicht von oben nach unten auf die Vorrichtung 200, die in den 2A und 2B veranschaulicht ist. Die Drehrichtung der Bauplattform 206 ist in Bezug auf gekrümmte Pfeile „r“ veranschaulicht. Die Baueinheit 202 kann entlang der „x“-Achse verfahren werden, wie durch die gestrichelten Boxen veranschaulicht, die eine Bewegung an verschiedenen radialen Positionen entlang des x-Querträgers 201X anzeigen. In einem Aspekt kann die Baueinheit entlang der „x“-Achse bewegt werden, während sie in einer festen Position gehalten wird, die die Mitte der kreisförmigen Bauplatte 206 schneidet. Auf diese Weise ermöglicht die Drehbewegung der Bauplattform der Baueinheit 202, entlang eines kreisförmigen Baupfads zu arbeiten, während sich die Bauplatte 206 und das Objekt 203 darunter drehen. In einigen Fällen kann auch eine Bewegung entlang der „y“-Achse gewünscht sein. Zum Beispiel werden in einem Fall Bewegungen entlang der „x“- und der „y“-Achse verwendet, um Abschnitte des Objektes 203 zu bauen, während die Bauplattform 206 an einer Drehung gehindert ist.
Der Schneidmechanismus 204 ist in dieser Ansicht veranschaulicht, wie er an einem zweiten x-Querträger 211X angebracht ist. Der Schneidmechanismus 204 ist veranschaulicht, wie er in der Nähe der Bauwand positioniert ist, um die Bauwand zu entfernen, nachdem die Bildung des Objektes 203 abgeschlossen ist. Der Schneidmechanismus kann ferner dazu verwendet werden, das Objekt 203 von der Bauplatte zu entfernen. Vorzugsweise wird der Schneidmechanismus mit einer Kraft gegen die Struktur, die geschnitten wird, an Ort und Stelle gehalten, während sich die Bauplatte in der Richtung „r“ dreht, um Material von der gerade geschnittenen Struktur zu entfernen. Nach dem Entfernen der Bauwand 207 kann eine beliebige Anzahl von Mitteln verwendet werden, um Pulver zwischen dem Objekt und der Bauwand zu entfernen. Wie vorstehend erläutert, kann die Bauplatte (nicht veranschaulichte) Pulversammelkanäle enthalten, die ein sicheres und effizientes Entfernen des Pulvers ermöglichen.
Alternativ kann die Baueinheit oder die Bearbeitungseinheit 204 oder können beide an einem bereits vorliegenden Positioniermechanismus einer vertikalen Drehmaschine montiert sein. Derartige Systeme ermöglichen gewöhnlich eine Bewegung in der vertikalen Richtung sowie ein Verfahren entlang des Radius der kreisförmigen drehenden Bauplattform.
3 zeigt eine Fertigungsvorrichtung 300 gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Baueinheit 302 ist an einer Gantry angebracht, die „z“-Träger 301Z, einen x-Querträger 301X und einen „y“-Träger 301Y (teilweise veranschaulicht) aufweist. Die Baueinheit 302 kann in der x-y-Ebene sowie in der z-Ebene gedreht werden, wie durch die gekrümmten Pfeile in 3 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform ist der Schneidmechanismus 304 an einem Tragarm 310 angebracht, der gesondert von der Gantry vorgesehen ist. Der Arm 310 kann eine Komponente einer vertikalen Drehmaschine sein. Das Objekt 303, das auf der drehenden Bauplattform 306 gebaut wird, ist in einem Pulverbett 305 veranschaulicht, das durch eine äußere Bauwand 309 und eine innere Bauwand 307 begrenzt ist.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Fertigungsvorrichtung 400, die Details der Baueinheit 402 enthält, die auf der entfernten Seite der Bauplattform abgebildet ist. Die mobile Baueinheit 402 enthält einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus 424, einen Gasströmungsmechanismus 426 mit einem Gaseinlass 428 und einem Gasauslass 430, die eine Gasströmung zu einer Gasströmungszone 432 bereitstellen, und einen Pulverbeschichtungsmechanismus 434. Über der Gasströmungszone 432 ist eine Einhausung 436 vorhanden, die eine inerte Umgebung 438 enthält. Der Pulverbeschichtungsmechanismus 434, der auf einer Beschichterplatte 440 montiert ist, weist einen Pulverspender 442 auf, der eine Rückplatte 444 und eine Frontplatte 446 enthält. Der Pulverbeschichtungsmechanismus 434 enthält ferner wenigstens ein Betätigungselement 448, wenigstens eine Schieberplatte 450, eine Beschichterklinge 454, einen Aktuator 452 und einen Beschichterarm 456. In dieser Ausführungsform aktiviert der Aktuator 452 das Betätigungselement 448, um die Schieberplatte 450 von der Frontplatte 446 weg zu ziehen, wie in 4 veranschaulicht. Es ist ferner ein Spalt 464 zwischen der Frontplatte 446 und der Schieberplatte 450 vorhanden, der dem Pulver ermöglicht, auf die drehende Bauplattform 406 zu strömen, wenn die Schieberplatte 450 durch das Betätigungselement 448 von der Frontplatte 446 weg gezogen wird.
4 zeigt die Baueinheit 402 mit der Schieberplatte 446 in einer Offenstellung. Das Pulver 418 in dem Pulverspender 442 wird aufgetragen, um eine frische Schicht des Pulvers 448 zu schaffen, die durch die Beschichterklinge 454 über einem Abschnitt der oberen Oberfläche (d.h. der Bau- oder Arbeitsoberfläche) der drehenden Bauplattform 406 geglättet wird, um eine im Wesentlichen ebene Pulverschicht 460 zu schaffen, die anschließend durch den Bestrahlungsstrahl 462 zu einer geschmolzenen Schicht bestrahlt wird, die einen Teil des gedruckten Objektes 420 bildet. In einigen Ausführungsformen kann die im Wesentlichen ebene Pulverschicht 460 zur gleichen Zeit bestrahlt werden, während sich die Baueinheit 402 bewegt, was einen kontinuierlichen Betrieb der Baueinheit 402 und folglich eine zeiteffizientere Erzeugung des gedruckten oder aufgebauten Objektes 403 ermöglicht. Das Objekt 403, das gerade auf der drehenden Bauplattform 406 gebaut wird, ist in einem Pulverbett 405 veranschaulicht, das durch eine äußere Bauwand 409 und eine innere Bauwand 407 begrenzt ist.
5 zeigt eine Draufsicht von oben auf einen selektiven Pulverbeschichtungsmechanismus 534, einen Bearbeitungsmechanismus 504 und einen Abschnitt der entsprechenden drehenden Bauplattform 506 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der selektive Pulverbeschichtungsmechanismus 534 weist einen Pulverspender 542 mit nur einer einzigen Kammer auf, die ein Ausgangsmaterialpulver 518 enthält, obwohl mehrere Kammern, die mehrere verschiedene Materialpulver enthalten, ebenfalls möglich sind. Es sind Schieberplatten vorhanden, die durch die Aktuatoren 552A, 552B, 552C jeweils unabhängig voneinander gesteuert werden. 5 zeigt, wie all die Schieberplatten 550A, 550B, 550C in einer offenen Stellung gehalten werden, um Pulver 518 in den Baubereich 566 auszugeben, und das aufgebrachte Pulver wird anschließend durch die Beschichterklinge (die in dieser Ansicht nicht veranschaulicht ist) geglättet oder eingeebnet. Der selektive Pulverbeschichtungsmechanismus 534 kann auch einen Beschichterarm 556 aufweisen. In dieser speziellen Ausführungsform ist die drehbare Bauplattform 504 veranschaulicht, wie sie eine äußere Bauwand 509 und eine innere Bauwand 507 aufweist.
Vorteilhafterweise ermöglicht ein selektiver Beschichtungsmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine genaue Steuerung des Pulverauftrags unter Verwendung einer Pulverauftragsvorrichtung (z.B. eines Trichters) mit unabhängig voneinander steuerbaren Pulverschieberplatten, wie z.B. in 5 veranschaulicht (Schieberplatten 550A, 550B, 550C). Die Pulverschieberplatten werden durch wenigstens ein Betätigungselement gesteuert, das z.B. ein bidirektionales Ventil oder eine Feder sein kann. Jede Pulversperre kann für vorbestimmte Zeiträume, in bestimmten Mustern geöffnet und geschlossen werden, um die Position und Menge des Pulverauftrags fein zu steuern. Der Pulverspender 542 kann Trennwände enthalten, so dass er mehrere Kammern enthält, wobei jede Kammer einer Pulversperre entspricht und jede Kammer ein bestimmtes Pulvermaterial enthält. Die Pulvermaterialien in den gesonderten Kammern können gleich sein, oder sie können sich voneinander unterscheiden. Vorteilhafterweise kann jede Pulversperre relativ klein geschaffen sein, so dass eine Steuerung des Pulverauftrags so fein wie möglich ist. Jede Pulversperre weist eine Weite auf, die z.B. nicht größer als etwa 2 Zoll (Inch) und vorzugsweise nicht größer als etwa ¼ Zoll sein kann. Im Allgemeinen ist die Auflösung des Pulverauftrags umso größer, je kleiner die Pulversperre ist, und es gibt keine bestimmte untere Grenze hinsichtlich der Weite der Pulversperre. Die Summe der Weiten aller Pulversperren kann kleiner als die größte Breite des Objektes sein, und es gibt keine bestimmte obere Grenze hinsichtlich der Breite des Objektes in Bezug auf die Summe der Weiten der Pulversperren. Vorteilhafterweise ist ein einfacher Ein/Aus-Pulversperrenmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einfacher und somit für eine Fehlfunktion weniger anfällig. Er ermöglicht ferner vorteilhafterweise, dass das Pulver mit weniger Teilen in Kontakt gelangt, was die Möglichkeit einer Kontamination reduziert.
Weitere Details für eine Baueinheit, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, können in der US-Patentanmeldung Nr. 15/406,444 mit dem Titel „Additive Manufacturing Using a Dynamically Grown Build Envelope“ („Additive Fertigung mit einer dynamisch angebauten Bauhülle“ mit dem Anwaltsaktenzeichen 037216.00061, die am 13. Januar 2017 eingereicht wurde, der US-Patentanmeldung Nr. 15/406,467 mit dem Titel „Additive Manufacturing Using a Mobile Built Volume“ („Additive Fertigung mit einem mobilen Bauvolumen“) mit dem Anwaltsaktenzeichen 037216.00059, die am 13. Januar 2017 eingereicht wurde, der US-Patentanmeldung Nr. 15/406,454 mit dem Titel „Additive Manufacturing Using a Mobile Scan Area“ („Additive Fertigung mit einem mobilen Scannbereich“) mit dem Anwaltsaktenzeichen 037216.00060, die am 13. Januar 2017 eingereicht wurde, der US-Patentanmeldung Nr. 15/406,461 mit dem Titel „Additive Manufacturing Using a Selective Recoater“ („Additive Fertigung mit einem selektiven Beschichter“) mit dem Anwaltsaktenzeichen 037216.00062, die am 13. Januar 2017 eingereicht wurde, der US-Patentanmeldung Nr. 15/406,471 mit dem Titel „Large Scale Additive Machine“ („Großtechnische additive Maschine“) mit dem Anwaltsaktenzeichen 037216.00071, die am 13. Januar 2017 eingereicht wurde, gefunden werden, deren Offenbarungen durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind.
In einigen Ausführungsformen können der Positioniermechanismus, der Bearbeitungsmechanismus und die drehbare Bauplattform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form einer vertikalen Drehmaschine verkörpert sein. In anderen Worten dient das rotierende Bett der vertikalen Drehmaschine als die Bauplattform für die pulverbasierte additive Fertigung. Eine vertikale Drehmaschine (VTL, Vertical Turning Lathe), die auch als „vertikale Revolverdrehmaschine“ oder „Revolverdrehmaschine“ bezeichnet wird, ist eine Maschine im industriellen Maßstab, die vielfältige maschinelle Bearbeitungsprozesse an einem Werkstück, das auf einem horizontalen Drehbett platziert ist, vorzugsweise in einer wenigstens teilweise automatisierten Form mittels numerischer Steuerung (NC), mehr bevorzugt mittels rechnergestützter nummerischer Steuerung (CNC), durchführt. Beschreibungen von Komponenten und Betriebsmechanismen von vertikalen Drehmaschinen können in wenigstens den US-Patentschriften Nr. 5,751,586 und 5,239,901 gefunden werden, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin mit aufgenommen sind.
Wie in 6 veranschaulicht, werden, wenn eine bereits vorhandene vertikale Drehmaschine, die ein Drehbett 606 aufweist, mit einer mobilen Baueinheit 602 kombiniert wird, um ein Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu implementieren, ein oder mehrere Drehgeber 668 (visuelle oder Sensoren), die an einer beliebigen rotierenden Komponente der rotierenden Bauplattform 606 angebracht sein kann bzw. können, verwendet, um die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Bauplattform 606, z.B. des Umfangsrands der rotierenden Bauplattform 606, zu messen und zu bestimmen. Der Drehgeber sendet dann eine Reihe von Impulsfolgen 670 (oder Impulswellen), die der gemessenen konstanten Geschwindigkeit entsprechen, zu einer Rechenvorrichtung 672, die die empfangenen Impulsfolgen interpretiert, um die konstante Geschwindigkeit zu bestimmen. Alternativ weist der Drehgeber 668 eine Verarbeitungsschaltung auf, die in der Lage ist, die Drehgeschwindigkeit zu bestimmen. Sobald die konstante Geschwindigkeit bestimmt worden ist, werden die gerasteten Vektoren 674, die die Intensität, Geschwindigkeit und den Abstand der Strahlbestrahlung (Laser oder Elektronen) des Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus 624 steuern, durch die Rechenvorrichtung 672, z.B. durch einen Mikroprozessor, der einen oder mehrere geeignete Zeitsteuerungsalgorithmen 676 verwendet, im laufenden Betrieb neu parametrisiert oder kalibriert, um die Bettdrehgeschwindigkeit zu berücksichtigen. Diese Kalibrierung hat eine konstante Metallurgie für einen gegebenen Teil des gebauten Objektes unabhängig davon, wie die konstante Drehgeschwindigkeit des Bettes ist, zur Folge und ermöglicht schließlich der Baueinheit, die den Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus enthält, mit einer bereits vorhanden vertikalen Drehmaschine einer beliebigen Drehbettgeschwindigkeit kombiniert zu werden und unabhängig von dem Typ, Modell oder Zustand der bereits vorhandenen Drehmaschine das gleiche Objekt zu erzeugen.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Fertigungsvorrichtung 700 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Pulverwiedergewinnungsmechanismus 701 enthält. Der Pulverwiedergewinnungsmechanismus ist benachbart zu der äußeren Bauwand 709 positioniert und streicht in Verbindung mit der Drehbewegung der Bauplatte 706 einen Pulverüberlauf 710, der sich an der Außenseite der Wand 709 über der Bauplatte angesammelt hat, in einen Pulveraufnahmebehälter 702 ab. Ein ähnlicher Pulverwiedergewinnungsmechanismus kann oberhalb der Bauplatte an der inneren Bauwand 709 platziert werden, um Pulver durch eine (nicht veranschaulichte) Aussparung in der Bauplatte in einen (nicht veranschaulichten) inneren Wiedergewinnungsbehälter abzustreichen. In einigen Ausführungsformen ist der Pulverwiedergewinnungsmechanismus 701 an dem Umfangsrand der rotierenden Bauplattform 706 angebracht und ist in Bezug auf die Bauplattform stationär. Das Objekt 703, das gerade auf der rotierenden Bauplattform 706 gebaut wird, ist in einem Pulverbett 705 veranschaulicht, das durch die äußere Bauwand 709 und die innere Bauwand 707 begrenzt ist.
Repräsentative Beispielen für geeignete Pulvermaterialen können Metalllegierungen, Polymer oder Keramikpulver umfassen. Beispielhafte metallische Pulvermaterialien sind rostfreie Stahllegierungen, Kobalt-Chrom, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Superlegierungen auf Nickelbasis und Superlegierungen auf Kobaltbasis. Außerdem können geeignete Legierungen diejenigen umfassen, die entwickelt worden sind, um eine gute Oxidationsbeständigkeit zu haben, die als „Superlegierungen“ bezeichnet werden, die unter den erhöhten Temperaturen eines Betriebs in einer Gasturbine eine akzeptable Festigkeit haben, wie z.B. Hastelloy, Inconel-Legierungen (z.B. IN 738, IN 792, IN 939), Rene-Legierungen (z.B. Rene N4, Rene N5, Rene 80, Rene 142, Rene 195), Haynes-Legierungen, MAR M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 und CMSX (z.B. CMSX-4) - Einkristalllegierungen. Die hergestellten Objekte gemäß der vorliegenden Erfindung können mit einer oder mehreren ausgewählten kristallinen Mikrostrukturen, wie etwa gerichtet erstarrt („DS“, Directionally Solidified) oder als Einkristall („SX“, Single Crystal), gebildet werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten. Aspekte von den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen sowie anderen bekannten Äquivalenten für jeden derartigen Aspekt können durch einen Durchschnittsfachmann miteinander vermischt und aneinander angepasst werden, um weitere Ausführungsformen und Techniken gemäß den Prinzipien dieser Anmeldung zu erstellen.
Es ist eine Vorrichtung zur großtechnischen gleichzeitigen additiven und subtraktiven Echtzeitfertigung beschrieben. Die Baueinheit(en) der Vorrichtung enthält (enthalten) einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus. Die Baueinheit und der Bearbeitungsmechanismus sind an einem Positioniermechanismus angebracht, der ihnen eine Bewegung bietet. Die Bauplattform der Vorrichtung dreht sich und ist vorzugsweise in vertikaler Richtung stationär. Es sind auch Ausführungsformen der Baueinheit beschrieben, die ferner einen Gasströmungsmechanismus und die Bauplattform mit einer dynamisch angebauten Wand enthält. Ein Fertigungsverfahren unter Verwendung der Vorrichtung umfasst ein Drehen der Bauplattform, wiederholte Zyklen einer Bewegung der Baueinheit(en), um ein Pulver aufzutragen, und der Bestrahlung des Pulvers, um eine geschmolzene additive Schicht zu bilden, sowie ein maschinelles Bearbeiten des gerade gefertigten Objektes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 15406444 [0042]
US 15406467 [0042]
US 15406454 [0042]
US 15406461 [0042]
US 15406471 [0042]
US 5751586 [0043]
US 5239901 [0043]

Claims

Fertigungsvorrichtung, die aufweist: wenigstens eine Baueinheit, die einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus aufweist; eine drehbare Bauplattform; und einen Bearbeitungsmechanismus.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Positioniermechanismus aufweist, der eingerichtet ist, um eine Bewegung der wenigstens einen Baueinheit zu erzielen; wobei der Positioniermechanismus vorzugsweise ferner eingerichtet ist, um eine Bewegung des Bearbeitungsmechanismus zu erzielen.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Positioniermechanismus eingerichtet ist, um eine Bewegung der wenigstens einen Baueinheit in wenigstens zwei Dimensionen zu erzielen, die im Wesentlichen parallel zu der drehbaren Bauplattform verlaufen; und wobei der Positioniermechanismus ferner eingerichtet ist, um eine Bewegung des Bearbeitungsmechanismus um einen Drehmittelpunkt herum zu erzielen.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bewegung der wenigstens einen Baueinheit und die Bewegung des Bearbeitungsmechanismus voneinander unabhängig sind; und wobei der Positioniermechanismus ferner eingerichtet ist, um eine unabhängige Bewegung der wenigstens einen Baueinheit und des Bearbeitungsmechanismus in einer dritten Dimension, die zu der drehbaren Bauplattform im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist, zu erzielen.
Fertigungsvorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drehbare Bauplattform in vertikaler Richtung stationär ist; und/oder wobei der Bestrahlungsrichtmechanismus eine Laserquelle oder eine Elektronenquelle aufweist.
Verfahren zur Fertigung eines Objektes, das aufweist: (a) Drehen einer Bauplattform; (b) Bewegen wenigstens einer Baueinheit, um Pulver aufzutragen, wobei die wenigstens eine Baueinheit einen Pulverzuführmechanismus, einen Pulverbeschichtungsmechanismus und einen Bestrahlungsstrahlrichtmechanismus aufweist; (c) Bestrahlen wenigstens eines ausgewählten Abschnitts des Pulvers, um wenigstens eine geschmolzene Schicht zu bilden; (d) maschinelles Bearbeiten des wenigstens einen Objektes; und (e) Wiederholen wenigstens der Schritte (b) und (c), um das wenigstens eine Objekt zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner ein Einebnen des wenigstens einen ausgewählten Abschnitts des Pulvers aufweist; und/oder wobei im Schritt (b) die Baueinheit über und im Wesentlichen parallel zu wenigstens einem Baubereich innerhalb der Bauplattform bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das maschinelle Bearbeiten ein oder mehrere Materialabtragprozesse sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, zu denen Schneiden oder Stanzen, Gewindeschneiden, Prägen, Bohren, Anfasen, Abreiben, Umformen, Schleifen, Ausformen und Rändeln oder Kordeln gehören; und/oder wobei das maschinelle Bearbeiten ein oder mehrere Materialabtragprozesse sind, die durch eine rechnergestützte nummerische Steuerung automatisiert sind.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 6-8, wobei der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers mit einem Laserstrahl bestrahlt wird und das Verfahren ferner ein Zuführen einer im Wesentlichen laminaren Gasströmung zu dem wenigstens einen Baubereich innerhalb der Bauplattform aufweist; und/oder wobei der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 6-8, wobei der wenigstens eine ausgewählte Abschnitt des Pulvers unter einem Winkel bestrahlt wird, der im Wesentlichen senkrecht zu dem Baubereich ist.