DE102018125304A1

DE102018125304A1 - Heizeinrichtung mit einem Infrarot-Flächenstrahler

Info

Publication number: DE102018125304A1
Application number: DE102018125304.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Weiss; Holger Zissing; Lotta Gaab
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16
Also published as: WO2020074568A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahler zum Erhitzen eines Pulvers zur Herstellung eines 3D-Formteils in einem Bauraum, der eine Bauplattform zur Aufnahme des Formteils, eine höhenverschiebbare Trägerplatte und den Infrarot-Flächenstrahler, angeordnet zwischen Bauplattform und Trägerplatte, umfasst.Um hiervon ausgehend eine entsprechende Heizeinrichtung mit einem Infrarot-Flächenstrahler zur Herstellung eines 3D-Formteils in einem Bauraum bereitzustellen, die bei homogener Temperaturverteilung einen optimierten Wärmeübertrag auf das Sinter- bzw. Schmelzpulver gewährleistet und die als Hochtemperaturheizeinrichtung eine einfache Nachrüstung in einem bestehenden Bauraum ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Infrarot-Flächen-strahler eine mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckte Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial auf einem plattenförmigen Substratkörper aus einem elektrisch isolierendem Werkstoff aufweist und dass der Infrarot-Flächenstrahler mit seinem plattenförmigen Substratkörper der Bauplattform zugewandt auf der Trägerplatte angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-Formteils unter Anwendung obiger Heizeinrichtung.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahler zum Erhitzen eines Pulvers zur Herstellung eines 3D-Formteils in einem Bauraum, der eine Bauplattform zur Aufnahme des Formteils, eine höhenverschiebbare Trägerplatte und den Infrarot-Flächenstrahler, angeordnet zwischen Bauplattform und Trägerplatte, umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-Formteils unter Verwendung der Heizeinrichtung.
Dreidimensionale (3D) Formteile werden in der Regel in Schichtaufbautechnik und Verfestigen eines losen Pulvers mittels sogenanntem selektiven Laserstrahlsintern oder Laserschmelzen hergestellt. Es wird auch kurz die Bezeichnung SLS für selective laser sintering, bei Kunststoffpulvern, bzw. SLM für selective laser melting, bei Metallpulvern verwendet. Beim Erhitzen des Pulvers, sei es ein Kunststoffpulver oder ein Metallpulver, ist eine homogene Temperaturverteilung erforderlich um thermische Spannungen (Risse, Verzug) im fertigen Formteil zu vermeiden.
Stand der Technik
Aus DE 10 2015 006 533 A1 ist die Herstellung eines 3D Formteils aus einem Kunststoff-Sinterpulver bekannt. Zum Schmelzen des Kunststoff-Sinterpulvers wird ein Infrarot-Flächenstrahler in Form einer auf Silikon basierenden, flächigen Heizfolie mit elektrischer Widerstandheizung eingesetzt. Eine thermische Isolationsschicht ist unten, gegenüber einer höhenverschiebbaren Trägerplatte, und gegebenenfalls seitlich an der Bauplattform vorgesehen. Man erreicht mit der Silikon-basierten Heizfolie jedoch kaum höhere Temperaturen als 200°C. Diese Heizleistung ist zum Erwärmen von Kunststoff-Sinterpulvern bei der Herstellung von 3D Formteilen ausreichend, nicht jedoch bei der Herstellung von metallischen 3D Formteilen, bei denen insgesamt deutlich höhere Prozesstemperaturen erforderlich sind.
An Stelle der Silikon-basierten Heizfolie wird in DE 10 2015 006 533 A1 alternativ vorgeschlagen die Bauplattform bzw. das auf ihr befindliche Sinterpulver durch von Temperieröl durchströmte Heizwendel zu temperieren, die unterhalb der Montageplatte und seitlich an der Bauplattform angeordnet sind. Die mit den Heizwendeln erreichbare Temperatur liegt nicht wesentlich höher als 200°C und der Wärmeübertrag auf das Sinterpulver ist durch diese Konstruktion ineffizient (langsam). Für das Temperieröl müssen außerdem ein Vorratsbehälter und gegebenenfalls eine Pumpe vorgesehen sein, um das Temperieröl durch die Heizwendel zu fördern. Diese zusätzlichen Einrichtungen ergeben insgesamt eine aufwendige Heizeinrichtung, ohne dass dabei eine Effizienzsteigerung im Sinne einer schnellen Wärmeübertragung oder ein erweiterter Temperaturbereich zu erreichen ist.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Heizeinrichtung zum Erhitzen eines Pulvers zur Herstellung eines 3D-Formteils in einem Bauraum bereitzustellen, die bei homogener Temperaturverteilung einen optimierten Wärmeübertrag auf das Sinter- bzw. Schmelzpulver gewährleisten. Die Heizeinrichtung soll überdies als Hochtemperaturheizeinrichtung fungieren und eine einfache Nachrüstung in einem bestehenden Bauraum ermöglichen
Kurzdarstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführung einer Heizeinrichtung mit einem Infrarot-Flächenstrahler umfasst der Infrarot-Flächenstrahler eine mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckte Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial auf einem plattenförmigen Substratkörper aus einem elektrisch isolierendem Werkstoff. Der Infrarot-Flächenstrahler kann mit seinem plattenförmigen Substratkörper der Bauplattform zugewandt auf der Trägerplatte angeordnet ist.
Die Heizeinrichtung umfasst mindestens einen Infrarot-Flächenstrahler zum Erhitzen eines Pulvers zur Herstellung eines 3D Formteils in einem Bauraum. Der Bauraum wird nach unten hin von einer Bauplattform zur Aufnahme des Formteils bzw. des Sinter- oder Schmelzpulvers begrenzt.
Insbesondere kann der Flächenstrahler als Bodenflächenstrahler ausgebildet sein. Als Bodenflächenstrahler kann ein Infrarot-Flächenstrahler bezeichnet werden, dessen Haupt-(Flächen-)erstreckung in zwei zu einander senkrechten Horizontalrichtungen verläuft Der Infrarot-Flächenstrahler kann unterhalb der Bauplattform, auf der Trägerplattform angeordnet sein. Beispielsweise kann der Infrarot-Flächenstrahler mit seinem Substratkörper der Bauplattform zugewandt eingebaut ist. Der Substratkörper in Form einer Platte hat eine glatte Oberfläche, so dass sich ein direkter Kontakt mit der Oberfläche der Bauplattform herstellt. Auf diese Weise ist ein guter Wärmeübergang zur Bauplattform gewährleistet.
Die Heizeinrichtung kann bevorzugt zum Erhitzen eines Pulvers zur Herstellung eines zumindest teilweise metallischen 3D Formteils vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung zum Erhitzen eines Pulvers mit einem Schmelzpunkt größer als 200 °C oder größer als 500°C zur Herstellung eines 3D Formteils vorgesehen sein. Vorzugsweise kann die Heizeinrichtung Umgebungstemperaturen, insbesondere im Pulverbett, vorzugsweise an der Oberfläche des Pulverbetts, die mit dem Laser zu bearbeiten ist, von wenigstens 300°C, wenigstens 500°C oder mehr einstellen. Insbesondere ist das Pulver ein Metallpulver. Ein Metallpulver umfasst metallische Bestandteile. Das Metallpulver kann aus metallischen Bestandteilen bestehen. Das Metallpulver umfasst vorzugsweise wenigstens 50%, wenigsten 75%, wenigstens 90% oder wenigstens 95% metallische Bestandteile.
Von besonderem Interesse sind dabei Metallpulver aus hochfesten Stählen mit hohem Kohlenstoffanteil und Aluminiumlegierungen der Klassen 5xxx, 6xxx und 7xxx gemäß dem Bezeichnungssystem nach EN 573-3/4, sowie Titanlegierungen.
Die Bauplattform kann auf einer Montageplatte montiert, insbesondere aufgeschraubt sein. Der Infrarot-Flächenstrahler kann in diesem Fall unterhalb der Montageplatte angebracht und/oder seitlich von der Montageplatte umgeben sein, und zwar vorzugsweise so, dass sich ein direkter Kontakt mit der Oberfläche des Substratkörpers des Infrarot-Flächenstrahlers herstellt. Auf diese Art erwärmt der IR-Flächenstrahler die Bauplattform mittels Wärmeleitung direkt oder indirekt über die Montageplatte. Alternativ oder zusätzlich kann ein Infrarot-Flächenstrahler innerhalb der Montageplatte angeordnet oder in diese von oben eingelassen sein, um einen optimalen Wärmeübergang zur Bauplattform zu gewährleisten. Die Montageplatte und/oder der IR-Flächenstrahler befinden sich wiederum auf einer höhenverschiebbaren Trägerplatte, die im Laufe des Herstellprozesses des Formteils abgesenkt und/oder angehoben wird.
Gemäß einer Ausführung kann der Flächenstrahler in einer ring- oder rohrförmigen Montageplatte angeordnet sein. Insbesondere kann der Flächenstrahler in der Montageplatte vollumfänglich eingekapselt sein. Ein Bodenplattenflächenstrahler kann in einem unmittelbaren Berührkontakt zu der Montageplatte stehen. Es ist denkbar, dass der Flächenstrahler in Funktionsunion als Montageplatte gebildet ist. Gemäß einer Ausführung umfasst der Bodenflächenstrahler mehrere, beispielsweise 2, 4, 16 oder mehr Bodenflächenstrahler-Segmente. Zwischen den Bodenflächenstrahler-Segmenten können steg-, brücken- und/oder pfeilerartige Abschnitte der Montageplatte angeordnet sein.
Insbesondere kann der Flächenstrahler in Vertikalrichtung federnd oder nachgiebig gelagert sein. Auf diese Weise kann eine Beschädigung beim Montieren der Bauplattform vermieden werden.
Der IR-Flächenstrahler hat eine insbesondere mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckte Widerstandsleiterbahn, die bei Stromdurchfluss Wärme erzeugt. Die Leiterbahn kann als eingebrannte Dickfilmschicht ausgeführt sein.
Derartige Dickfilmschichten werden beispielsweise aus Widerstandspaste mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt.
IR-Strahler sind optional mit einem elektrischen Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial ausgestattet, das bei Stromdurchfluss Wärme erzeugt. Das elektrische Widerstandselement selbst kann das eigentliche Heizelement des IR-Strahlers bilden. Das Widerstandselement, wie etwa ein Draht, eine Leiterbahn oder eine Schicht aus dem Widerstandsmaterial, erwärmt durch Wärmeleitung, Konvektion und/oder Wärmestrahlung auch das Substrat, so dass auch dieses - je nach Abstrahlcharakteristik des spezifischen Substrat-Werkstoffes - das wesentliche Heizelement des IR-Strahlers bilden kann.
IR-Strahler zeigen insbesondere eine punkt- oder linienförmige Abstrahlcharakteristik für die IR-Strahlung, oder - als Infrarot-Flächenstrahler - eine flächig ausgedehnte zwei-, oder dreidimensionale Abstrahlcharakteristik, die an die Geometrie der zu beheizenden Oberfläche des Heizgutes angepasst eine homogene Bestrahlung zwei- oder dreidimensional gestalteter Oberflächen ermöglicht.
Die Leiterbahn ist auf einem vorzugsweise plattenförmigen Substratkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufgebracht. Der Substratkörper ist bevorzugt hochtemperaturfest. Bevorzugte Werkstoffe umfassen Glas und/oder Keramik.
Die Leiterbahn kann mit einem elektrischen Isolator von der Umgebung zumindest teilweise getrennt sein. Die Leiterbahn kann von einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckt sein. Ein Isolator, insbesondere als isolierende Deckschicht, für die Leiterbahn, kann ein poröses, Quarzglas umfassen. Der Isolator, insbesondere das Quarzglas, kann als thermischer und/oder optischer Isolator an, insbesondere direkt auf, dem Flächenstrahler angeordnet sein. Der Isolator kann opak weiß sein.
Vorteilhafterweise weist der Isolator, insbesondere die elektrisch isolierende Deckschicht, eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 20 µm oder bis 30 µm auf. Die Deckschicht wird auch als Overglazing bezeichnet und wird bevorzugt aus Quarzglas ausgeführt.
Auf dem Isolator, insbesondere der elektrisch isolierenden Deckschicht, kann eine thermisch isolierende Deckschicht aufgetragen sein, die eine isolierende Wirkung gegenüber der Trägerplatte aufweist. Die thermisch isolierende Schicht weist bevorzugt eine Dicke von 0,5 bis 4,0 mm, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1,5 mm Dicke auf.
Bei der Herstellung eines 3D Formteils mit dem SLM-Verfahren scannt ein Laser über das auf der Bauplattform aufgetragene Pulver und schmilzt dieses schichtweise lokal auf. Insbesondere bei metallischen Werkstoffen mit hohen Schmelzpunkten können sich hohe Temperaturgradienten zwischen den Schmelzbereichen und dem umliegenden Pulver ergeben. Während einer ungleichmäßigen Aufheizung und Abkühlung des Werkstücks können sich während des Aufbauprozesses des Formteils häufig Spannungsrisse ergeben. Ebenso müssen viele Formteile nach dem Aufbauprozess in einem weiteren Prozessschritt temperaturbehandelt werden, um eine Spannungsfreiheit im Material zu gewährleisten. Um Spannungsrisse und zusätzlichen Prozessschritte zu vermeiden, werden bei bekannten SLM-Anlagen Montageplatten eingesetzt, die elektrisch mittels Heizpatronen auf etwa 200°C erwärmt werden. Die effektive Vorwärm- bzw. Umgebungstemperatur des Formteils verringert sich dann durch Wärmeleitung durch die Bauplattform und den bereits verfestigten Teil des Formteils und das Pulverbett selbst. Sie ist deutlich kleiner als die nominelle Temperatur der Bauplattformheizung und nimmt mit fortschreitendem Baufortschritt und der damit verbundenen Absenkung der Bauplattform zur Pulveroberfläche hin ab. Einige Metalllegierungen können aus diesen Gründen bisher noch gar nicht mittels SLM-Verfahren verarbeitet werden.
Die Erwärmung des Pulvers vor der Laserbehandlung zum lokalen Aufschmelzen bzw. vor dem Auftragen einer neuen Pulverschicht werden Temperaturunterschiede zwischen dem in Teilen schon verfestigten Formteil und einer neuen Schicht von Pulver nivelliert oder gänzlich vermieden, so dass keine unerwünschten thermischen Effekte wie der Bimetall-Effekt auftreten.
Die Heizeinrichtung ermöglicht somit eine homogene Erwärmung des entstehenden 3D Formteils, so dass ein nachträgliches, aufwendiges Glühen des Formteils zum Abbau mechanischer Spannungen entfallen kann.
Ein weiterer Vorteil der Heizeinrichtung besteht darin, dass der Infrarot-Flächenstrahler ohne weiteres im Reparaturfall ausgetauscht werden kann und auch eine Nachrüstung eines bestehenden Bauraums mit der Heizeinrichtung möglich ist.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Substrat-Werkstoff Quarzglas enthält oder daraus besteht. Quarzglas ist auch bei relativ hohen Temperaturen elektrisch isolierend, besitzt eine gute Korrosions-, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit und steht in hoher Reinheit zur Verfügung. Daher bietet es sich auch bei Hochtemperatur-Heizprozessen mit hohen Anforderungen an Reinheit und Inertheit als Substrat-Werkstoff für einen IR-Flächenstrahler an. Besonders bevorzugt als Substrat-Werkstoff ist opakes Quarzglas, das insbesondere eine Porosität von weniger als 0,5 % pro Volumeneinheit aufweist. Durch den geringen Porenanteil wird eine hohe Dichte erreicht.
Besonders bevorzugt hinsichtlich guter Emissivität ist es, wenn das Quarzglas eine im Spektralbereich der Infrarotstrahlung absorbierende Zusatzkomponente, vorzugsweise elementares Silizium enthält. Das vorzugsweise eingesetzte, elementare Silizium als Zusatzkomponente bildet dabei eine in der Quarzglas-Matrix dispergierte, eigene Si-Phase und bewirkt eine Schwarzfärbung des glasigen Matrix-Werkstoffs und zwar bei Raumtemperatur, aber auch bei erhöhter Temperatur oberhalb von beispielsweise 600 °C. Dadurch wird eine gute Abstrahlungscharakteristik im Sinne einer breitbandigen, hohen Emission bei hohen Temperaturen für Wellenlängen zwischen 2 und 8 µm erreicht. Somit gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen als bei einem Substrat-Werkstoff aus reinem Quarzglas. Darüber hinaus kann auch bei dünnen Substrat-Wandstärken und/oder bei einer vergleichsweise geringen Leiterbahn-Belegungsdichte eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld erzeugt werden.
Um Wärmeverluste zu minimieren und um eine Überhitzung der Trägerplatte bzw. des darunter liegenden Stempels zu vermeiden, hat es sich bewährt, dass zwischen Trägerplatte und Infrarot-Flächenstrahler eine thermische Isolationsschicht vorgesehen ist. Alternativ oder ergänzend dazu kann eine flüssigkeitsgekühlte Platte verwendet werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Heizeinrichtung einen weiteren Infrarot-Flächenstrahler umfasst, der insbesondere eine mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckte Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial vorzugsweise auf einem elektrisch isolierenden Substrat-Werkstoff aufweist.
Der Bauraum kann von mindestens einer Seitenwand, mindestens zwei Seitenwänden, mindestens drei Seitenwänden oder mehr Seitenwänden begrenzt sein, von denen oder von der mindestens ein Teil durch wenigstens einen weiteren Infrarot-Flächenstrahler gebildet wird, der als Seitenflächenstrahler bezeichnet werden kann, wobei das Substratelement des Flächenstrahlers selbst die Seitenwand des Bauraums - oder einen Teil davon - bildet und diesem zu- oder abgewandt ist. Als Seitenflächenstrahler kann ein Infrarot-Flächenstrahler bezeichnet werden, dessen Haupterstreckung in der Fläche in einer Horizontalrichtung und einer dazu senkrechten Vertikalrichtung verläuft.
Bei dieser Ausführungsform, welche auch als Mantelheizung bezeichnet wird, wird die Anzahl der Komponenten, die den Bauraum begrenzen, minimiert. Insbesondere ist wenigstens eine Seitenwand, oder Teile davon, durch wenigstens einen Seitenflächenstrahler gebildet. Auf diese Art wird der Bauraum auch seitlich beheizt. Ein weiterer Infrarot-Flächenstrahler bildet mindestens einen Teil einer oder mehrerer Seitenwand. Die seitliche Erwärmung des Pulvers und des zumindest zum Teil verfestigten Formteils beim Herunterfahren der Trägerplattform trägt dazu bei, dass die Temperaturverteilung beim Herstellen des Formteils optimiert wird, so dass der Temperaturgradient zwischen der Bauplattform und der Pulveroberfläche minimiert wird.
Im Falle einer kreiszylindrischen Seitenwand kann der Infrarot-Flächenstrahler ebenfalls eine kreiszylindrische Form aufweisen, so dass auch bei dieser Geometrie kein Raumverlust durch den Flächenstrahler eintritt. Es kann eine kreiszylindrische Seitenwand mehrere teilzylindermantelförmige Infrarot-Flächenstrahler umfassen.
Um eine Wärmeabfuhr nach außen zu minimieren kann die Seitenwand auf ihrer dem Formteil abgewandten Seite vollständig oder teilweise von einer thermischen Isolationsschicht bedeckt sein. Für den Fall, dass die Seitenwand von einem Infrarot-Flächenstrahler gebildet wird, wird dieser nach außen hin von der thermischen Isolationsschicht bedeckt. Alternativ oder ergänzend dazu kann ein zumindest teilweise flüssigkeitsgekühlter Mantel verwendet werden.
Der Infrarot-Flächenstrahler kann zonenweise elektrisch ansteuerbar sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Leiterbahn des Infrarot-Flächenstrahlers einen gedruckten Heizmäander umfasst, der insbesondere zonenweise elektrisch ansteuerbar ist. Mit dieser Ausführungsform kann das Temperaturprofil des Bauraums und insbesondere der Bauplattform gezielt eingestellt werden. Des Weiteren lassen sich die Zonen der Mantelheizung schrittweise anschalten, beispielsweise wenn sich die Bauplattform im Laufe des Aufbauprozesses des Formteils absenkt. Durch die unterschiedliche Ansteuerung der Zonen der Mantelheizung lässt sich ein Temperaturgradient in Vertikalrichtung nach oben in Richtung der Pulveroberfläche, wie er bei einer reinen Bauplattformheizung auftreten würde, minimieren. Dadurch ist es möglich mit einer den Herstellungsprozess des 3D Formteils optimierenden Erwärmung des entstehenden 3D Formteils zu arbeiten. Ein nachträgliches, aufwendiges Glühen des Formteils zum Abbau mechanischer Spannungen kann entfallen.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines zumindest teilweise metallischen 3D-Formteils, wobei das Pulver mittels eines Lasers geschmolzen und/oder gesintert wird, wird die vorgenannte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Pulver und/oder das 3D-Formteil mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahler erhitzt wird.
Das Pulver und/oder das 3D-Formteil werden durch den Infrarot-Flächenstrahler zumindest taktweise beheizt. Das Pulver und/oder das 3D-Formteil können durch den Infrarot-Flächenstrahler kontinuierlich beheizt werden. Insbesondere erhitzt der wenigstens eine Infrarot-Flächenstrahler das Pulver und/oder das 3D-Formteil zumindest bevor das Pulver durch den Laser geschmolzen und/ oder gesintert wird.
Bei einer Ausführung erhitzt der wenigstens eine Infrarot-Flächenstrahler das Pulver und/oder das 3D-Formteil kontinuierlich während das Pulver durch den Laser geschmolzen und/ oder gesintert wird.
Bei einer Ausführung, die mit den vorigen kombinierbar ist, erhitzt der wenigstens eine Infrarot-Flächenstrahler das Pulver und das 3D-Formteil nachdem das Pulver durch den Laser geschmolzen und/ oder gesintert wurde, insbesondere nach Abschluss der Fertigung des 3D-Formteils.Es ist vorteilhaft, nach Abschluss des Sinterns kontrolliert weiter zu Heizen, um eine Temperaturrampe steuern zu können. Es sei klar, dass auch durch den Laser zusätzliche thermische Energie in das Pulver und/oder das 3D-Formteil eingebracht wird, wobei vorzugsweise die Erhitzung des Pulvers und/oder 3D-Formteils bis unterhalb der Schmelztemperatur durch die von dem wenigstens einen Infrarot-Flächenstrahler erfolgt, wohingegen die zusätzliche durch den Laser bereitgestellte thermische Energie die Temperatur des Pulvers/und oder 3D Formteils lokal insbesondere punktförmig auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur anhebt. Im Sinne der Anmeldung ist „erhitzen“ so zu verstehen, dass eine Temperaturanhebung auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erfolgt. Im Sinne der Anmeldung ist „schmelzen“ oder „sintern“ so zu verstehen, dass eine zumindest lokale Temperaturüberhöhung auf eine Temperatur entsprechend oder oberhalb der Schmelztemperatur erfolgt.
Durch die Erwärmung des Pulvers vor der Laserbehandlung zum lokalen Aufschmelzen bzw. vor dem Auftragen einer neuen Pulverschicht werden Temperaturunterschiede zwischen dem in Teilen schon verfestigten Formteil und einer neuen Schicht von Pulver nivelliert oder gänzlich vermieden, so dass keine unerwünschten thermischen Effekte wie der Bimetall-Effekt auftreten.
In den verschiedenen Ausführungsformen der Heizeinrichtung kann es sinnvoll sein mehrere kleinere Flächenstrahler unter der Bauplattform anzuordnen. Dabei sollten zwischen den Strahlern entsprechende Stege angeordnet sein, die die Kräfte, die auf die Bauplattform wirken aufzunehmen und auf die Trägerplatte weiterzuleiten.
Vorteilhafterweise wird das Pulver und/oder das 3D-Formteil auf eine Temperatur von wenigstens 250 °C oder von wenigstens 500 °C erhitzt.
In jedem Fall hat es sich bewährt, das Pulver und/oder das 3D-Formteil auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers zu erhitzen.
Je nach spezifischer Schmelztemperatur des vorzugsweise metallischen Pulvers wird es auf eine Temperatur von nicht mehr als 500°C, nicht mehr als 200°C, nicht mehr als 100 °C oder nicht mehr als 50 °C unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erhitzt.
Durch die optimierte Einstellung der Temperatur des Pulvers und/oder des 3D-Formteils während des Sintervorgangs mittels des Lasers werden Spannungsrisse und andere Fehler beim Aufschmelzen durch zu große Temperaturunterschiede vermieden.
Die Hitzeeinwirkung auf das Pulver und/oder das 3D-Formteil beim Sintern erfolgt vorzugsweise vertikal von unten und/oder horizontal von wenigstens einer Seite.
Gemäß einer Ausführung umfasst wenigstens ein Infrarot-Flächenstrahler, insbesondere ein Seitenflächenstrahler, unterschiedliche Heizzonen, die getrennt von einander angesteuert werden, insbesondere abhängig von einer Stellung des Pulvers und/oder des 3D-Formteils. Die Heizzonen können beispielsweise in Vertikalrichtung benachbart zu einander angeordnet sein. Die Heizzonen können einander in Vertikalrichtung überlappen. Die Heizzonen können in Vertikalrichtung überlappungsfrei ausgeführt sein. In Vertikalrichtung können wenigstens 2, wenigstens 3, wenigstens 5 oder wenigstens 10 Heizzonen vorgesehen sein.
Die Heizzonenhöhe kann gemäß einer Ausführung wenigstens 3 cm und/oder höchsten 6cm betragen. Die Heizzonenhöhe kann gemäß einer anderen Ausführung wenigstens 8 cm und/oder höchsten 12cm betragen. Abhängig von der Höhe des Maschinenbauraums kann die Heizzonenhöhe wenigstens 1/10 und/oder höchstens ½ der Höhe des Maschinenbauraums betragen. Die Maschinenbauraumhöhe kann wenigstens 20 cm oder wenigstens 30 cm betragen.
Weitere bevorzugte Ausführungen werden in den Ansprüchen beschrieben.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:

1 eine Ausführungsform der Heizeinrichtung in schematischer Darstellung und in einer Seitenansicht, und die 2 bis 4 weitere Ausführungsformen der Heizeinrichtung;

1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Heizeinrichtung mit mehreren Infrarot-Flächenstrahlern 4, 4', 4" in einem Bauraum 1 für die Herstellung von 3D Formteilen 5. Oberhalb des Bauraums 1 befindet sich die Prozesskammer 2, in der hier nicht dargestellte Einheiten zur Steuerung des Aufbauprozesses der Formteile 5 untergebracht sind. Am oberen Ende der Prozesskammer 2 ist schematisch eine Lasereinheit 3 angeordnet, die geeignet ist mit einem von ihr ausgehenden Hochenergie-Laserstrahl das Pulver P zur Herstellung des 3D-Formteils 5 zu Erhitzen und dabei selektiv zu sintern und/oder zu erschmelzen.
Das Pulver P ist typischerweise ein Metallpulver, jedoch können auch Kunststoffpulver eingesetzt werden. Das Pulver P befindet sich auf der Bauplattform 6, die auf einer durch den doppelten Richtungspfeil 8 angezeigten, höhenverschiebbaren Trägerplatte 7 mit einem Stempel 7.1 angeordnet ist. Die Bauplattform 6 ist auf einer Montageplatte 9 montiert, die den Austausch der Bauplattform 6 vereinfacht. Die Bauplattform 6 - unterstützt von der Montageplatte 9 - wird von einem der Infrarot-Flächenstrahler 4 beheizt, der auf der Trägerplatte 7 angeordnet ist. Der Infrarot-Flächenstrahler 4 ist gegenüber der Trägerplatte 7 durch eine thermische Isolationsschicht 4i, die direkt auf dem Infrarot-Flächenstrahler 4 aufgebracht ist, - und zusätzlich durch eine Kühlplatte 10, isoliert.
Der Bauraum 1 wird weiterhin seitlich von zwei Infrarot-Flächenstrahlern 4', 4" beheizt, die gleichzeitig die Seitenwände des Bauraums bilden. Nach außen hin sind diese Infrarot-Flächenstrahler 4', 4" bzw. die Seitenwände durch einen thermischen Isolator abgedeckt, der in Form von einer weiteren, thermischen Isolationsschicht 4ii, 4iii auf dem Infrarot-Flächenstrahler 4', 4" vorliegt. Zusätzlich ist an beiden Seiten der Mantelheizung nach außen eine Kühlplatte 10', 10" vorgesehen.
Zwischen der höhenverschiebbaren Trägerplatte 7 und den Seitenwänden ist eine Dichtung 12 vorgesehen, um eine geeignete Atmosphäre im Bauraum 1 dauerhaft aufrecht zu erhalten und um Wärmeverluste an dieser Stelle zu minimieren.
Die in der Heizeinrichtung in Seitenansicht dargestellten Infrarot-Flächenstrahler 4, 4', 4" sind jeweils mit ihrem plattenförmigen Substratkörper 4s der Bauplattform 6 zugewandt im Bauraum 1 angeordnet. Der Substratkörper 4s in Form einer Platte hat eine glatte Oberfläche, die im Fall des Flächenstrahlers 4 auf der Trägerplatte 7 direkt an der Oberfläche der Montageplatte 9 und der mit ihr verbundenen Bauplattform 6 anliegt. Aufgrund der besonders guten Abstrahlcharakteristik des Werkstoffs des Substratkörpers 4s ist ein guter Wärmeübergang zur Bauplattform 6 gewährleistet. Ein Einbau der Infrarot-Flächenstrahler mit der elektrisch isolierenden Deckschicht dem Bauraum zugewandt ist grundsätzlich auch möglich, jedoch wird dabei der Vorteil einer gegebenenfalls besonderen Abstrahlcharakteristik des Substratkörper-Werkstoffs nicht genutzt.
Der plattenförmige Substratkörper 4s hat Rechteckform mit einer Plattenstärke von 2,5 mm. Es besteht aus einem Kompositwerkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas. Die Matrix wirkt visuell transluzent bis transparent. Sie zeigt bei mikroskopischer Betrachtung keine offenen Poren und allenfalls geschlossene Poren mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 10 µm. In der Matrix ist eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt. Deren Gewichtsanteil beträgt 5%. Die maximalen Abmessungen der Si-Phasenbereiche liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 bis 10 µm. Der Kompositwerkstoff ist gasdicht, er hat eine Dichte von 2,19 g/cm³ und er ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1200 °C stabil.
Die eingelagerte Si-Phase trägt einerseits zur Opazität des Kompositwerkstoffs insgesamt bei und sie hat Auswirkungen auf die optischen und thermischen Eigenschaften des Kompositwerkstoffs. Dieser zeigt bei hoher Temperatur eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad.
Auf dem Substratkörper 4s ist eine Leiterbahn 4c aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial, - hier eine Platin-Leiterbahn, die aus einer Platin-Widerstandspaste auf die Oberfläche des Substratkörpers 4s per Siebdruckverfahren oder mittels Tintenstrahldruck aufgebracht und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt wurde. Die Leiterbahn 4c des Infrarot-Flächenstrahlers 4, 4', 4" umfasst einen gedruckten Heizmäander, der zonenweise elektrisch ansteuerbar ist. Die einzeln ansteuerbaren Zonen sind in der Figur beispielhaft mit z1 und z2 bezeichnet. Mit dem zonenweisen Erhitzen des Heizmäanders kann gezielt auf die Temperaturverteilung beim Aufbauprozess des 3D-Formteils 5 eingewirkt werden. Die gegenüberliegende Seite des Substratkörpers 4s dient - wie oben erläutert - beim Einsatz des Infrarot-Flächen-strahlers als Abstrahlfläche für Wärmestrahlung.
Die Leiterbahn 4c ist von einer elektrisch isolierenden Deckschicht 4d aus weißopakem Quarzglas (Overglazing) abgedeckt, welche zusätzlich als thermischer und optischer Isolator direkt auf dem Flächenstrahler dient. Die elektrisch isolierende Deckschicht 4d hat eine Dicke von etwa 5 µm bis 20 µm oder bis 30 µm.
Auf der elektrisch isolierenden Deckschicht 4d ist die thermisch isolierende Deckschicht 4i aufgetragen sein, die eine isolierende Wirkung gegenüber der Trägerplatte 7 aufweist. Diese thermisch isolierende Schicht weist eine Dicke von etwa einem Millimeter (1 mm) auf.
Die Heizeinrichtung zeichnet sich durch einen hohen Emissionsgrad für Wärmestrahlung und effektive Nutzung der eingespeisten Leistung bei einfacher geometrischen Gestaltung der Infrarot-Flächenstrahler aus. Bei der Anwendung im Bereich des 3D-Drucks sind eine homogene Temperaturverteilung und ein optimierter Wärmeübertrag auf das Sinter- bzw. Schmelzpulver gewährleistet.
Die in 2 dargestellte Heizeinrichtung zeigt einen IR-Flächenstrahler 4, der als Bodenflächenstrahler ausgeführt ist und durch die Montageplatte 9 vollumfänglich eingekapselt ist. Der Bodenflächenstrahler 4 durch einen hier nicht dargestellten seitlichen Schlitz in die Montageplatte 9 eingesetzt. Hierdurch ergibt sich ein guter Kontakt zur Bauplattform 6 und damit zum Pulver P bzw. zum Formteil 5.
Die 3 und 4 zeigen weitere Varianten in Bezug auf die Position des Bodenflächenstrahlers 4 zwischen Bauplattform 6 und Trägerplatte 7.
Gemäß 3 ist der Bodenflächenstrahler 4 von oben in eine entsprechende Aussparung der Montageplatte 9 eingesetzt, so dass ein direkter Kontakt zur Bauplattform 6 besteht. Der Wärmeübergang zum Pulver P und dem Formteil 5 ist dadurch optimiert. Wichtig dabei ist, dass der Flächenstrahler 4 federnd gelagert ist, damit die Bauplattform 6 bei der Montage nicht beschädigt wird.
In dieser wie auch in den anderen Ausführungsformen der Heizeinrichtung kann es hilfreich sein mehrere kleinere Flächenstrahler unter der Bauplattform anzuordnen. Dabei sollten zwischen den Strahlern entsprechende Stege angeordnet sein, die die Kräfte, die auf die Bauplattform wirken aufzunehmen und auf die Trägerplatte weiterzuleiten.
4 schließlich zeigt den Bodenflächenstrahler 4 in einer Position, bei der er im unteren Bereich der Montageplatte 9 eingesetzt ist. Diese Position ergibt in Bezug auf die Wärmeübertragung zum Pulver bzw. zum Formteil hin ein besonderes gleichmäßiges Erwärmungsbild.
Bezugszeichenliste

1: Bauraum
2: Prozesskammer
3: Lasereinheit
4, 4', 4": IR-Flächenstrahler
4c: Leiterbahn
4d: elektrisch isolierenden Deckschicht
4i: thermisch isolierenden Deckschicht
4s: Substratkörper
5: 3D-Formteil
6: Bauplattform
7: Trägerplatte
7.1: Stempel
8: Richtungspfeil
9: Montageplatte
10, 10': Kühlplatte, thermische Isolationsschicht
12: Dichtung
P: Pulver
z1, z2, z3: Heizzonen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015006533 A1 [0004, 0005]

Claims

Heizeinrichtung mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahlers (4; 4'; 4") zum Erhitzen eines Pulvers (P) zur Herstellung eines zumindest teilweise metallischen 3D-Formteils (5) und einem Laser zum Schmelzen des Pulvers (P).
Heizeinrichtung insbesondere nach Anspruch 1 mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahler (4; 4'; 4") zum Erhitzen eines Pulvers (P) zur Herstellung eines 3D-Formteils (5) in einem Bauraum (1), der eine Bauplattform (6) zur Aufnahme des Formteils (5), eine Trägerplatte (7) und den als Bodenflächenstrahler ausgeführten Infrarot-Flächenstrahler (4), angeordnet zwischen Bauplattform (6) und Trägerplatte (7), umgreift.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Flächenstrahler (4; 4'; 4") eine mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht (4d) abgedeckte Leiterbahn (4c) aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial auf einem plattenförmigen Substratkörper (4s) aus einem elektrisch isolierendem Werkstoff aufweist.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenflächenstrahler (4) mit seinem plattenförmigen Substratkörper (4s) der Bauplattform (6) zugewandt auf der Trägerplatte (7) angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Werkstoff des Substratkörpers (4s) Quarzglas enthält.
Heizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas opak ist und eine Porosität von weniger als 0,5 % pro Volumeneinheit aufweist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas eine im Spektralbereich der Infrarotstrahlung absorbierende Zusatzkomponente, vorzugsweise elementares Silizium, enthält.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerplatte (7) und Bodenflächenstrahler (4) eine thermische Isolationsschicht (10; 10') vorgesehen ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (6) mit einer Montageplatte (9) verbunden ist, wobei die Montageplatte (9) zwischen Bodenflächenstrahler (4) und Bauplattform (6) angeordnet ist und/oder wobei die Montageplatte (9) seitlich des Bodenflächenstrahlers (4) angeordnet ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung wenigstens einen als Seitenflächenstrahler ausgeführten Infrarot-Flächenstrahler (4'; 4") umfasst und dass der Bauraum (1) von mindestens einer Seitenwand begrenzt ist, von der mindestens ein Teil von dem Seitenflächenstrahler (4'; 4") gebildet wird.
Heizeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, der Seitenflächenstrahler eine mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht (4d) abgedeckte Leiterbahn (4c) aus einem elektrisch leitenden und bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Widerstandsmaterial auf einem plattenförmigen Substratkörper (4s) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufweist, und der plattenförmige Substratkörper (4s) des Seitenflächenstrahler (4'; 4") dem Bauraum (1) zugewandt ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand auf ihrer dem Formteil (5) abgewandten Seite von einer thermischen Isolationsschicht (4i) und einer Kühlplatte (10') bedeckt ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (4c) des Infrarot-Flächenstrahlers, insbesondere des Bodenflächenstrahler und/oder des Seitenflächenstrahlers (4; 4'; 4") zonenweise elektrisch ansteuerbar ist, wobei insbesondere der Infrarot-Flächenstrahler je wenigstens einen insbesondere gedruckten Heizmäander umfasst.
Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Deckschicht (4d) eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 30 µm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise metallischen 3D-Formteils (5) aus einem Pulver (P), wobei das Pulver mittels eines Lasers (3) geschmolzen und/oder gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) und/oder das 3D-Formteil (5) mit mindestens einem Infrarot-Flächenstrahler (4; 4'; 4") erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) und/oder das 3D-Formteil (5) auf eine Temperatur von wenigstens 250 °C oder von wenigstens 500 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) und/oder das 3D-Formteil (5) auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) und/oder das 3D-Formteil (5) auf eine Temperatur von nicht mehr als 500°C, nicht mehr als 200°C, nicht mehr als 100 °C oder nicht mehr als 50 °C unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers (P) erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) und/oder das 3D-Formteil (5) vertikal von unten und/oder horizontal von wenigstens einer Seite erhitzt wird.
erfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Relativbewegung des Pulver (P) und/oder des 3D-Formteil (5) während des Erhitzens relativ zu wenigstens einem Infrarot-Flächenstrahler (4; 4'; 4"), insbesondere einem Seitenflächenstrahler (4', 4") erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Infrarot-Flächenstrahler (4; 4'; 4"), insbesondere ein Seitenflächenstrahler, unterschiedliche Heizzonen (z 1, z 2, z 3) umfasst, die getrennt voneinander angesteuert werden, insbesondere abhängig von einer Stellung des Pulvers (P) und/oder des 3D-Formteils (5).