DE102018125605A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (17), bei dem das Bauteil (17) schichtweise aus einem Grundmaterial ausgebildet wird, welches in jeder Schicht zumindest bereichsweise verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlgasstrom (19) zur Kühlung zumindest des zu verfestigenden Bereichs durch mindestens eine Kühlmediumdüse (11) in einen Trägergasstrom zur Bildung eines Kühlgasstroms eingegeben wird, wobei das Kühlmedium flüssig und/oder gasförmig vorliegt, wobei der Trägergasstrom durch eine Laval-Düse (3) geführt wird, wobei der Kühlmediumstrom so eingegeben wird, dass der Austritt des Kühlmediumstroms in den Trägergasstrom innerhalb oder stromabwärts der Laval-Düse (3) erfolgt und der Kühlgasstrom (19) zumindest auf den zu verfestigenden Bereich gelenkt wird.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, bei dem das Bauteil schichtweise aus einem Grundmaterial ausgebildet wird, welches in jeder Schicht zumindest bereichsweise erschmolzen und anschließend erstarrt wird, bei dem ein Kühlgasstrom zumindest auf die zu verfestigenden Bereiche gelenkt wird.
  • Additive Fertigungsverfahren, auch 3D Druckverfahren genannt, wie insbesondere selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Stereolithografie und ähnliches sind Fertigungsverfahren, werden Verfahren verstanden, bei denen aus formlosen oder formneutralen Materialien mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse ein dreidimensionales Bauteil hergestellt wird, wobei der Aufbau des Bauteils üblicherweise schichtweise erfolgt. Üblicherweise wird dabei ein Baumaterial selbst flüssig beziehungsweise zumindest bereichsweise aufgeschmolzen, um dann zur Bildung des Bauteils zu erstarren oder ein Bindematerial wird aufgetragen, welches zum Beispiel pulverförmiges Material verfestigt. Durch die notwendige Verfestigung entstehen zeitliche Beschränkungen, da bis zum nächsten Materialauftrag das zuvor aufgetragene Material verfestigt sein muss. Weiterhin gibt es Situationen, bei denen durch die notwendige Zeit zum Verfestigen des Materials und die gegebenenfalls noch bestehende Viskosität des Materials mögliche Kanten des Bauteils nur begrenzt definiert sind.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch den unabhängigen Anspruch. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, bei dem das Bauteil schichtweise aus einem Grundmaterial ausgebildet wird, welches in jeder Schicht zumindest bereichsweise verfestigt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kühlmediumstrom zur Kühlung zumindest des zu verfestigenden Bereichs durch eine Kühlmediumdüse in einen Trägergasstrom zur Bildung eines Kühlgasstroms eingegeben wird, wobei das Kühlmedium flüssig und/oder gasförmig vorliegt, wobei der Trägergasstrom durch eine Laval-Düse geführt wird, wobei der Kühlmediumstrom so eingegeben wird, dass der Austritt des Kühlmediumstroms in den Trägergasstrom innerhalb oder stromabwärts der Laval-Düse erfolgt und der Kühlgasstrom das Bauteil gelenkt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, dass das Grundmaterial selbst verfestigt wird, also beispielsweise das Grundmaterial zumindest teilweise aufgeschmolzen und dann verfestigt wird oder das Grundmaterial flüssig aufgetragen und dann verfestigt wird. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Grundmaterial durch mindestens einen Zusatzstoff, beispielsweise einen Binder oder Kleber, verfestigt wird. Additive Fertigungsverfahren sind auch teilweise als 3D-Druckverfahren bekannt.
  • Unter einer Laval-Düse wird eine Düse verstanden, bei der sich in Strömungsrichtung der Querschnitt der Düse zunächst verengt und sich dann bis zum Gasaustritt wieder aufweitet. Unter einem Trägergasstrom wird ein Strom eines Trägergases verstanden. Das Trägergas liegt gasförmig vor. Unter einem Kühlmediumstrom wird ein Strom eines Kühlmediums verstanden. Das Kühlmedium kann dabei flüssig, gasförmig und/oder fest vorliegen. Es kann seinen Aggregatzustand beim Austritt aus der Kühlmediumdüse ändern, so dass ein flüssiges Kühlmedium nach Austritt aus der Kühlmediumdüse zumindest teilweise gasförmig und/oder fest vorliegt. Bei der Kühlmediumdüse kann es sich um eine grundsätzlich beliebige Düse handeln, insbesondere kann es sich auch um den Austritt eines Rohres handeln.
  • Durch die Laval-Düse wird zunächst der Trägergasstrom beschleunigt. Gleichzeitig erfolgt dann, wenn der Austritt des Kühlmedium-stroms in den Trägergasstrom innerhalb der Laval-Düse erfolgt, in der Laval-Düse eine Durchmischung von Trägergasstrom und Kühlmediumstrom. Es kommt zu einer Verteilung des Kühlmediums im Trägergasstrom. Sofern die Kühlmediumdüse so positioniert ist, dass der Austritt des Kühlmediumstromes stromabwärts der Laval-Düse erfolgt, erfolgt in der durch die Laval-Düse erzeugten Trägergasströmung die Vermischung von Kühlmedium und Trägergas. Durch die Beschleunigung, die das Trägergas in der Laval-Düse erfährt, wird eine grundsätzlich turbulente oder quasi turbulente Strömung erzeugt, in die das Kühlmedium eingegeben wird. So kommt es zu einer guten Durchmischung von Kühlmedium und Trägergas.
  • Der Kühlgasstrom wird zumindest auf den zu verfestigenden Bereich gelenkt. Bevorzugt ist hierbei eine Nachführung der Düse, so dass diese immer auf den zu verfestigenden Bereich gerichtet ist oder die Kühlung ganzer Bereiche oder sogar des gesamten für den Aufbau des Bauteils vorgesehenen Bereichs. Überraschender Weise hat es sich gezeigt, dass der Kühlgasstrom keine negativen Effekte auf das additive Fertigungsverfahren hat, dass insbesondere es nicht zu einer Verschiebung oder ähnlichem des Grundmaterials kommt, sondern dass es vielmehr zu einer definierten und schnellen Verfestigung des Grundmaterials kommt, so dass definiertere Kanten des Bauteils und schnelle Taktzeiten ermöglicht werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Kühlmediumdüse in Richtung einer Längsachse der Laval-Düse relativ zu der Laval-Düse verschiebbar.
  • Alternativ oder zusätzlich ist die Kühlmediumdüse auswechselbar gestaltet. Dadurch können Kühlmediumdüsen verschiedener durchströmbarer Querschnitte für verschiedene Anwendungsbereiche austauschbar vorgegeben werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Wahl der Lage der Kühlmediumdüse relativ zur Laval-Düse und insbesondere durch die bevorzugte Verschiebbarkeit der Kühlmediumdüse relativ zur Laval-Düse kann die Zusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf die Verteilung der Aggregatszustände des Kühlmediums, also welcher Anteil des Kühlmediums in flüssiger Form, welcher Anteil in fester Form und welcher Anteil als Gas vorliegt, die räumliche Verteilung des Kühlmediums im Trägergasstrom und/oder die Partikelgröße, insbesondere die Tröpfchen- oder Korngröße der flüssigen oder festen Phase, vorgegeben oder eingestellt werden. Insbesondere dann, wenn als Kühlmedium Kohlendioxid eingesetzt wird, kann so eine Einstellung der Größenverteilung des Kohlendioxidschnees einerseits und die räumliche Verteilung der Kohlendioxidschneepartikel im Trägergasstrom erreicht werden. Wird ein überwiegend flüssiges Kühlmedium, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Argon als Kühlmedium eingesetzt, so kommt es zur Einstellbarkeit der Tröpfchengrößenverteilung des Stickstoffs beziehungsweise des Argons im Trägergasstrom.
  • Durch die effiziente Zerstäubung des Kühlmediums im Trägergasstrom ist durch die Wahl der Lage der Kühlmediumdüse relativ zur Laval-Düse oder durch die bevorzugte Verschiebbarkeit der Kühlmediumdüse relativ zur Laval-Düse die Einstellung einer Partikelgrößenverteilung und/oder einer räumlichen Verteilung des Kühlmediums im Trägergasstrom in Anpassung an die jeweils zu erfüllenden Anforderungen der Kühlung und damit an das jeweilig eingesetzte additive Fertigungsverfahren möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt das Kühlmedium beim Durchströmen der Kühlmediumdüse in flüssigem Aggregatszustand vor.
  • Insbesondere dann, wenn der Kühlmediumdüse als Kühlmedium Kohlendioxid in flüssiger Form zugeführt wird, kann es nach Austreten aus der Kühlmediumdüse zur zumindest teilweisen Bildung von Kühlmedium in festem Aggregatszustand beispielsweise als Kohlendioxidschnee und zur teilweisen Verdampfung des Kohlendioxids kommen. Beim Einsatz von flüssigem Stickstoff und/oder Argon kommt es regelmäßig zur zumindest teilweisen Verdampfung des Stickstoffs und/oder Argons.
  • Der Einsatz eines grundsätzlich flüssigen Kühlmediums hat sich als vorteilhaft erwiesen, da so zur Kühlung auch die Verdampfungsenthalpie genutzt werden kann. Gleiches gilt für den gegebenenfalls zumindest teilweise gebildeten Kohlendioxidschnee, bei dem die Sublimationskälte zur Kühlung der zu verfestigenden Bereiche eingesetzt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Kühlmedium mindestens einen der folgenden Stoffe:
    • - Kohlendioxid (CO2);
    • - Stickstoff (N2); und
    • - Argon (Ar).
  • Insbesondere hat sich der Einsatz von Kohlendioxid als Kühlmedium als vorteilhaft erwiesen, da durch die Bildung von Kohlendioxidschnee eine gute Verteilung des Kühlmediums auf der Bauteiloberfläche und damit eine effektive Kühlung erfolgen kann und die Sublimationskälte für die Kühlung der Bauteiloberfläche genutzt werden kann. Beim Einsatz von flüssigem Stickstoff oder Argon kann die Verdampfungsenthalpie vorteilhaft zur weiteren Kühlung der Bauteiloberfläche eingesetzt werden. Stickstoff und Argon sind inerte Gase, die zu einer Unterdrückung von Reaktionen mit der Bauteiloberfläche bei Auftrag und Verfestigung dienen und die insbesondere zur Unterdrückung von Oxidationsreaktionen genutzt werden können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Trägergas mindestens eines der folgenden Gase:
    • - Luft;
    • - Argon;
    • - Stickstoff; und
    • - Kohlendioxid.
  • Um eine möglichst einfache Verfahrensführung zu ermöglichen, ist es bevorzugt, als Trägergas und Kühlmedium ein identisches Gas einzusetzen, wobei dann bevorzugt als Kühlmedium das Gas zumindest teilweise in einem anderen Aggregatzustand eingesetzt wird. Der Einsatz von Luft als Trägergas hat sich als besonders preiswert herausgestellt.
  • Insbesondere bei Luft als Trägergas und allgemein dann, wenn das Trägergas eine gewisse Feuchtigkeit aufweist, kann es zur Eisbildung an der Kühlmediumdüse kommen. Dem kann bevorzugt entgegengewirkt werden, in dem die Kühlmediumdüse mit einer thermischen Isolierung versehen wird, beispielsweise in dem eine Beschichtung aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, ausgebildet wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Trägergasstrom durch einen porösen Körper geführt, bevor der Kühlmediumstrom zugegeben wird.
  • Besonders bevorzugt ist hierbei der Einsatz eines Sinterwerkstoffs, wie beispielsweise eines Sintermetalls oder einer Sinterkeramik, zur Ausbildung des porösen Körpers. Die Führung des Trägergasstroms durch einen porösen Körper führt zu einer Strömungsvergleichmäßigung stromabwärts des porösen Körpers. Gleichzeitig kann in vorteilhafter Weise der poröse Körper zur mechanischen Halterung und/oder zur Zentrierung der Kühlmediumdüse in der Laval-Düse eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kühlmediumdüse relativ zu der Laval-Düse zentriert ausgebildet. Insbesondere dann, wenn die Laval-Düse eine Symmetrieachse in Form der Längsachse aufweist, also rotationssymmetrisch um die Längsachse ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, die Kühlmediumdüse relativ zu der Laval-Düse zu zentrieren, diese also auf der Längsachse der Laval-Düse auszubilden. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Kühlmediumstrom im Bereich der höchsten Strömungsgeschwindigkeit der Trägergasströmung zugegeben wird, was zu einer besonders guten Verteilung des Kühlmediums im Trägergas führt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kühlmediumstrom in Richtung der Längsachse der Laval-Düse eingegeben.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die Zugabe des Kühlmediums in Richtung der Längsachse zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung des Kühlmediums im Trägergas führt. Für bestimmte Fälle kann es aber auch vorteilhaft sein, stattdessen den Kühlmediumstrom in einem Winkel zur Längsachse zuzugeben, insbesondere dann, wenn stark asymmetrische Bauteile mit einem Kühlgasstrom beaufschlagt werden müssen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kühlmediumdüse zwar durch eine in Richtung der Längsachse der Düse ausgebildete Kühlmediumzuleitung mit Kühlmedium versorgt wird, die Kühlmediumdüse jedoch eine Austrittsöffnung aufweist, die einen Kühlmediumstrom mit einer Richtung bewirkt, die sich von der Längsachse unterscheidet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kühlmediumdüse koaxial zur Laval-Düse ausgebildet.
  • Unter koaxial wird verstanden, dass eine Achse der Kühlmediumdüse identisch mit einer entsprechenden Achse der Laval-Düse ist. Insbesondere ist die Kühlmediumdüse so ausgebildet, dass sie eine Austrittsöffnung aufweist, die in Richtung der Ausgangsseite weist und symmetrisch um die Längsachse der Laval-Düse ausgebildet ist.
  • Durch die koaxiale Ausbildung von Laval-Düse und Kühlmediumdüse kann die Verschiebbarkeit in Richtung der Längsachse in konstruktiv einfacher Art und Weise erreicht werden. Durch eine zur Längsasche symmetrischen Austrittsöffnung kann eine im Wesentlichen symmetrische räumliche Kühlmediumverteilung im Trägergasstrom erreicht werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kühlmediumdüse ein Rohr, bevorzugt mit einem Innendurchmesser von weniger als 1,5 mm, bevorzugt weniger als 1,0 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm.
  • Bevorzugt wird als Kühlmediumdüse oder zur Zuführung des Kühlmediums zur Kühlmediumdüse eine Kapillare eingesetzt, die es ermöglicht, das Kühlmedium in genügend kleinen wirtschaftlich sinnvollen Volumenströmen zuzuführen. Der Innendurchmesser der Kapillare beziehungsweise des Rohres kann in Abhängigkeit von der notwendigen Kühlung und den sonstigen Gegebenheiten wie dem anliegenden Kühlmediumdruck angepasst werden, um eine möglichst effiziente Kühlung zu erreichen.
  • Grundsätzlich erlaubt die vorliegende Erfindung Partikel- oder Tröpfechgrößenverteilungen, die bei verschiebbarer Kühlmediumdüse einstellbar sind, beispielsweise von Partikel- beziehungsweise Tröpfechendurchmessern von 20 bis 40 µm [Mikrometern] bis hin zu 0,2 bis 0,3 mm [Millimetern].
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Kühlmediumdüse mindestens eine der folgenden Düsen:
    • - eine Laval-Düse,
    • - ein eingeschnürtes Rohr; und
    • - ein Rohr.
  • Unter einem eingeschnürten Rohr wird ein Rohr verstanden, dessen durchströmbarer Querschnitt zumindest in einem Teilbereich verringert ist. Bei einem Rohr als Kühlmediumdüse weist dieses ein im Wesentlichen konstanten durchströmbaren Querschnitt auf. Unter einem Rohr wird auch in vorteilhafter Weise eine Kapillare mit einem Innendurchmesser von 1,5 mm und weniger verstanden. Eine Laval-Düse wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn es aufgrund der Begebenheiten notwendig ist, die Auströmgeschwindigkeit des Kühlmediumstroms zu erhöhen. Ein Rohr, insbesondere eine Kapillare, als Düse wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn nur eine recht kurze Kühlmediumdüse notwendig ist, also der Kühlmediumstrom im in Strömungsrichtung vorderen Bereich der Laval-Düse eingegeben werden soll. Bei dem eingeschnürten Rohr wird der durchströmbare Innendurchmesser bevorzugt um mehr als 30% verringert, beispielsweise von einem Innendurchmesser von etwa 0,8 mm auf 0,4 mm oder 0,5 mm. Ist die Kühlmediumdüse als Laval-Düse ausgebildet, so kann dort der durchströmbare Durchmesser von stromaufwärts dieser Laval-Düse zum zentralen Teil der Laval-Düse um mindestens 50% verringert werden, beispielsweise von 0,8 mm auf 0,3 mm. Auch bei einem eingeschnürten Rohr als Kühlmediumdüse kommt es durch den verringerten durchströmbaren Querschnitt zu einer Beschleunigung des Kühlmediumstroms.
  • Die Herstellung einer Laval-Düse oder einem eingeschnürten Rohr als Kühlmediumdüse erfolgt bevorzugt und unabhängig von der vorliegenden Erfindung durch Erhitzen einer Metallkapillare und Ziehen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein poröser Körper zwischen Trägergasanschluss und Laval-Düse ausgebildet.
  • Dieser poröse Körper wird im Betrieb von dem Trägergas durchströmt. Es handelt sich bevorzugt um einen gesinterten Körper, wie insbesondere einen gesinterten Metallkörper oder einen gesinterten Keramikkörper. Durch das Durchströmen des porösen Körpers wird die Trägergasströmung vergleichmäßigt, sodass beim Einströmen des Trägergases in die Laval-Düse definierte Bedingungen vorliegen, so dass kleinere Druckschwankungen und Ähnliches in der Trägergasversorgung vor dem porösen Körper ausgeglichen werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kühlmediumdüse durch einen porösen Körper relativ zu der Laval-Düse zentriert.
  • Hierbei wird eine Ausgestaltung gewählt, bei der die Kühlmediumdüse trotzdem noch verschiebbar ist. Gleichzeitig kann der poröse Körper auch zur Strömungsvergleichmäßigung des Trägergasstroms genutzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Bauteil nach mindestens einem der folgenden Verfahren hergestellt:
    • - selektives Laserschmelzen;
    • - selektives Lasersintern;
    • - Binder Jetting;
    • - Elektronenstrahlschmelzen;
    • - Schmelzschichtung;
    • - Lichtbogen-Draht additives Fertigungsverfahren (Wire Arc Additive Manufacturing);
    • - Auftragsschweißen;
    • - Contour Crafting;
    • - Stereolithografie; und
    • - dreidimensionaler Siebdruck.
  • Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte oder einer darunterliegenden Schicht aufgebracht und dann mittels Laserstrahlung bereichsweise aufgeschmolzen, so dass sich nach Erstarrung eine feste Materialschicht ergibt. Ein ähnlicher Vorgang liegt dem selektiven Lasersintern zugrunde, wobei hier eine bereichsweise Sinterung des Pulvers erfolgt. Beim Binder Jetting wird ein pulverförmiges Grundmaterial bereichsweise mit einem Binder verklebt. Beim Elekronenstrahlschmelzen wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial, üblicherweise ein metallisches Ausgangsmaterial, schichtweise durch einen Elektronenstrahl bereichsweise aufgeschmolzen und erstarrt anschließend. Beim Schmelzschichten wird ein schmelzförmiges Ausgangsmaterial, beispielsweise ein schmelzfähiger Kunststoff oder ein Metall, schichtweise punktförmig aufgeschmolzen und auf einer Grundplatte oder einer darunterliegenden Schicht aufgetragen. Beim Auftragsschweißen wird insbesondere ein Draht oder Pulver durch Laserschweißen oder Plasma-Pulver-Auftragschweißen auf einer Grundplatte oder einer darunterliegenden Schicht bereichsweise aufgetragen. Beim Contour Crafting wird ein viskoses Material, beispielsweise ein Beton, über eine Düse bereichsweise aufgetragen und verfestigt sich durch anschließendes Aushärten. Im Rahmen der Stereolithografie wird ein lichtaushärtender Kunststoff von einem Laser in dünnen Schichten bereichsweise ausgehärtet. Beim dreidimensionalen Siebdruck wird ein Bauteil durch schichtweisen Auftrag eines Grundmaterials durch Siebdruck erzeugt.
  • Beim Lichtbogen-Draht additiven Fertigungsverfahren (auch als Wire Arc Additive Manufacturing bezeichnet) wird ein drahtförmiger Werkstoff durch einen Lichtbogen beispielsweise nach dem WIG- (Wolfram Inertgas-), MIG- (Metall-Inertgas-) oder MAG (Metall-Aktivgas-) Schweißverfahren (oder andren einen Lichtbogen nutzenden Schweißverfahren) tropfenweise aufgeschmolzen und zur Fertigung von dreidimensionalen Strukturen im Sinne eines additiven Fertigungsverfahrens genutzt. Mit dem Lichtbogen-Draht additiven Fertigungsverfahren können im Vergleich zu Pulver-Laserverfahren die Abschmelzleistung und auch die erzeugte Bauteilmasse erheblich gesteigert werden. Gleichzeitig wird die Wärmeeinbringung in die hergestellten Bauteile erheblich gesteigert, was einen Einfluss auf die Werkstoff- beziehungsweise Bauteileigenschaften hat und diese insbesondere negativ beeinflussen kann, so dass hier eine Kühlung notwendig ist. Insbesondere ist es bekann, den Werkstoffauftrag zu unterbrechen, um Kühlpausen vorzusehen. Hier ermöglicht die vorliegende Erfindung eine kontinuierliche Fertigung ohne Kühlpausen. Darüber hinaus ermöglicht die Kühlung nach der vorliegenden Erfindung eine präzise Kontrolle der Werkstücktemperatur und somit auch eine genaue Kontrolle der Werkstoffeigenschaften im Werkstück.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Grundmaterial durch mindestens eine Auftragsvorrichtung zumindest verfestigt und gegebenenfalls auch aufgebracht, wobei die Auftragsvorrichtung entsprechend bewegt wird, wobei der mindestens eine Kühlgasstrom vorlaufend und/oder nachlaufend zur Auftragsvorrichtung ausgebracht wird.
  • Hierbei wird mittels der Auftragsvorrichtung die Verfestigung und, je nach angewendetem Verfahren, auch das Auftragen des Grundmaterials durchgeführt. Hierbei wird die Auftragsvorrichtung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bewegt, um den schichtweisen Aufbau des Bauteils zu gewährleisten. Eine Ausbringung des Kühlgasstroms vorlaufend bedeutet hierbei, dass Bereiche gekühlt werden, bevor die Auftragsvorrichtung das Verfestigen und ggf. Auftragen des Grundmaterials durchführt. Eine entsprechend nachlaufende Ausbringung des Kühlgasstroms bedeutet, dass der Kühlgasstrom auf das Bauteil oder die Auftragsstelle ausgebracht wird, nachdem die Auftragsvorrichtung das Verfestigen und ggf. Auftragen des Grundmaterials durchgeführt. Bevorzugt kann eine vorlaufende und nachlaufende Austragung zweier Kühlgasströme erfolgen, um beispielsweise ein bestimmtes Temperaturprofil aufzuprägen. Die Kühlgasströme können unterschiedliche Volumenströme, Temperaturen und/oder Drücke aufweisen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Grundmaterial durch mindestens eine Auftragsvorrichtung zumindest verfestigt und gegebenenfalls auch aufgebracht, wobei der mindestens eine Kühlgasstrom in einer anderen Ebene auf das Bauteil gerichtet ist als die Ebene, in der Auftragsvorrichtung bewegt wird.
  • Der schichtweise Aufbau des Bauteils bedeutet insbesondere, dass die Auftragsvorrichtung in Ebenen bewegt wird, um den schichtweisen Aufbau des Bauteils zu gewährleisten. Hierbei wird eine Schicht nach der anderen ausgebildet. Die Ausrichtung des mindestens einen Kühlgasstroms auf eine andere Ebene des Bauteils bedeutet insbesondere, dass der Kühlgasstrom auf bereits ausgebildete Bereiche des Bauteils gerichtet wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der mindestens eine Kühlgasstrom so auf das Bauteil gerichtet wird, dass ein vorgebbares Temperaturprofil im Bauteil erreicht wird.
  • Hierbei kann das Temperaturprofil so gewählt werden, dass gezielt der Wärmeeintrag und -austrag so beeinflusst wird, dass beispielsweise sich wiederholende Konturen im Bauteil entstehen. Alternativ oder zusätzlich kann das Temperaturprofil so gewählt werden, dass eine übermäßige Materialbeanspruchung beim Aufbau des Bauteils vermieden und insbesondere Heiß- und/oder Kaltrisse vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Temperaturprofil so gewählt werden, dass Werkstoffeigenschaften im Bauteil gezielt lokal eingestellt werden, beispielsweise, dass eine bestimmte kristalline Struktur eines Stahls erreicht wird, insbesondere ein Bauteil lokal verschiedene Härten und/oder Zähigkeiten aufweist.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
    • 1 ein erstes Beispiel einer Vorrichtung zum Austragen eines Kühlgasstroms;
    • 2 ein zweites Beispiel einer Vorrichtung zum Austragen eines Kühlgasstroms; und
    • 3 bis 5 Beispiele für additive Fertigungsverfahrens
  • 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Düsenkörper 2 mit einer Laval-Düse 3. Die Laval-Düse 3 umfasst einen ersten Bereich 4, in dem sich der durchströmbare Querschnitt verringert, einen zweiten Bereich 5, in dem der durchströmbare Querschnitt konstant ist und einen dritten Bereich 6, in dem sich der durchströmbare Querschnitt vergrößert. Die Laval-Düse 3 ist rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 7 ausgebildet. Die Laval-Düse 3 weist eine Eingangsseite 8 und eine Ausgangsseite 9 auf. Im Betrieb wird die Laval-Düse 3 von der Eingangsseite 8 zur Ausgangsseite 9 durchströmt.
  • Mit der Eingangsseite 8 der Laval-Düse 3 strömungsverbunden ist ein Trägergasanschluss 10, über den die Vorrichtung 1 im Betrieb mit einem Trägergas versorgt werden kann. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Kühlmediumdüse 11 mit einer Austrittsöffnung 12 zum Eingeben von Kühlmedium in den Trägergasstrom. Die Kühlmediumdüse 12 ist mit einer Kühlmediumzuleitung 13 verbunden. Im Betrieb wird die Kühlmediumdüse 11 über die Kühlmediumzuleitung 13 mit Kühlmedium versorgt, welches durch die Austrittsöffnung 12 in den Trägergasstrom eingegeben wird. Dabei ist die Kühlmediumdüse 11 entlang der Längsachse 7 der Laval-Düse 3 verschiebbar angeordnet, sodass der Kühlmediumstrom entweder innerhalb der Laval-Düse 3 in den Trägergasstrom eingegeben wird oder stromabwärts der Laval-Düse 3 in den Trägergasstrom eingegeben wird. Dies bedeutet, dass die Kühlmediumdüse 11 so längsverschieblich ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnung 12 entweder innerhalb der Laval-Düse 3 positioniert ist oder hinter der Ausgangsseite 9 der Laval-Düse 3 positioniert wird. Der letzte Fall bedeutet, dass die Ausgangsseite 9 der Laval-Düse 3 zwischen der Austrittsöffnung 12 der Kühlmediumdüse 11 und der Eingangsseite 8 der Laval-Düse 3 liegt. Kühlmediumstrom und Trägergasstrom bilden den Kühlgasstrom.
  • 1 zeigt einen Fall, bei dem die Kühlmediumdüse 11 eine Laval-Düse darstellt, wobei diese innerhalb der Laval-Düse 3 liegt. Im Betrieb wird ein Trägergas durch den Trägergasanschluss 10 in die Laval-Düse 3 gegeben, wobei der entstehende Trägergasstrom in der Laval-Düse 3 beschleunigt wird. In den entstehenden Trägergasstrom wird dann durch die Kühlmediumdüse 11 das Kühlmedium als Kühlmediumstrom zugegeben. Durch die Zugabe in den Trägergasstrom, dessen Strömungseigenschaften sich durch die Laval-Düse 3 ändern, erfolgt eine Verteilung des Kühlmediums und eine Zerstäubung des Kühlmediums im Trägergasstrom. Je nach Position der Austrittsöffnung 12 der Kühlmediumdüse 11 in der Laval-Düse 3 oder stromabwärts der Laval-Düse 3 werden andere Partikelgrößenverteilungen des Kühlmediums im Trägergasstrom erreicht und andere räumliche Verteilungen des Kühlmediums im Trägergasstrom.
  • Mit dem Bezugszeichen 14 ist der Verschiebebereich angegeben, in dem sich die Austrittsöffnung 12 der Kühlmediumdüse 11 bewegen kann. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Bereich um den die Kühlmediumdüse 11 aus der Laval-Düse 3 heraustreten kann, kleiner ist als ein Fünftel der Länge des Verschiebebereichs 14 in Richtung der Längsachse 7, bevorzugt sogar weniger als ein Zehntel.
  • Ferner umfasst das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 einen porösen Körper 15. Dieser ist als Sintermetallscheibe ausgebildet und zentriert die Kühlmediumdüse 11 bzw. die Kühlmediumzuleitung 13 im Inneren der Laval-Düse 3. Das Trägergas wird im Betrieb durch den porösen Körper 15 gezwungen, dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Trägergasströmung. So können Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen des Trägergases vor Eintritt in die Laval-Düse 3 gedämpft werden, sodass im Betrieb stets gleichmäßige Bedingungen vorliegen.
  • 2 zeigt schematisch ein zweites Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms. Hier sollen der Übersichtlichkeit halber nur die Unterschiede zum ersten Beispiel beschrieben werden. Im übrigen wird auf die Beschreibung zum ersten Beispiel verwiesen. Im zweiten Beispiel ist eine andere Kühlmediumdüse 11 ausgebildet. Die Kühlmediumdüse 11 ist in diesem Falle als Kapillare ausgebildet, die auch die Kühlmediumzuleitung 13 darstellt. Das Kühlmedium, wie beispielsweise Kohlendioxid tritt lediglich aus der Kühlmediumzuleitung 13 durch die Austrittsöffnung 12 der Kühlmediumdüse 11 aus und wird dann zerstäubt und im Trägergasstrom verteilt.
  • 3 zeigt sehr schematisch eine Vorrichtung 16 zur additiven Fertigung eines Bauteils 17. Diese weist eine Auftragsvorrichtung 18 auf, die durch bereichsweise Verfestigung eines Grundmaterials das Bauteil 17 aufbaut. Hierbei kann die Auftragsvorrichtung nach einem der hier beschriebenen additiven Fertigungsverfahren ausgebildet sein. Durch die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 wird insbesondere der zu verfestigende Bereich des Bauteils 17 gekühlt. Die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 ist beweglich ausgeführt, wie durch die Pfeile angedeutet wird. Die Bewegung kann nicht nur in Richtung der Pfeile erfolgen, sondern auch insbesondere zusätzlich in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Pfeile. Auch eine Schwenkbewegung der Vorrichtung 1 ist erfindungsgemäß möglich. Weiterhin kann die Bewegung der Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 an die Bewegung der Auftragsvorrichtung 18 gekoppelt sein. Es ist auch möglich, die gesamte Fläche der Vorrichtung 16 zur additiven Fertigung eines Bauteils 17 mit dem Kühlgasstrom 19 zu beaufschlagen.
  • 4 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem über eine Auftragsvorrichtung 18 schichtweise ein Bauteil 17 ausgebildet wird. Über eine Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 Hier wird der Kühlgasstrom 19 in einer anderen Ebene auf das Bauteil 17 gerichtet ist als die Ebene, in der Auftragsvorrichtung 18 bewegt wird. Insbesondere wird hier der Kühlgasstrom 19 auf den bereits erzeugten Teil des Bauteils 17 gerichtet, also bei einem Aufbau des Bauteils 17 von unten nach oben unterhalb der Auftragsvorrichtung 18. Die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 ist dabei neigbar, bevorzugt um zwei Achsen, wie die als Pfeile eingezeichneten Neigungen 20 symbolisieren. Die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 ist dabei in Bewegungsrichtung 21 beweglich (verschiebbar).
  • 5 zeigt ein Beispiel, in dem die Auftragsvorrichtung 18 und die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 in der selben Ebene bewegt wird, hierbei kann die der Kühlgasstrom 19 der Auftragsvorrichtung 18 vorlaufend und/oder nachlaufend in Bewegungsrichtung 21 bewegt werden. Die Vorrichtung 1 zum Austragen eines Kühlgasstroms 19 ist neigbar, wie die als Pfeil eingezeichnete Neigung 20 symbolisiert.
  • Durch die Bewegung in derselben oder unterschiedlichen Ebenen, die Neigungen 20 und die Bewegung in den Bewegungsrichtungen 21 kann dem Bauteil 17 ein Temperaturprofil aufgeprägt werden, welches an den Werkstoff und/oder die gewünschten Eigenschaften des Bauteils 17 angepasst ist. Insbesondere können so lokale Härten und/oder Zähigkeiten im Bauteil 17 erreicht werden und eine Fertigung ohne Heiß- und/oder Kaltrisse erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zum Austragen eines Kühlgasstroms
    2
    Düsenkörper
    3
    Laval-Düse
    4
    erster Bereich
    5
    zweiter Bereich
    6
    dritter Bereich
    7
    Längsachse
    8
    Eingangsseite
    9
    Ausgangsseite
    10
    Trägergasanschluss
    11
    Kühlmediumdüse
    12
    Austrittsöffnung
    13
    Kühlmediumzuleitung
    14
    Verschiebebereich
    15
    poröser Körper
    16
    Vorrichtung zur additiven Fertigung
    17
    Bauteil
    18
    Auftragsvorrichtung
    19
    Kühlgasstrom
    20
    Neigung
    21
    Bewegungsrichtung

Claims (14)

  1. Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (17), bei dem das Bauteil (17) schichtweise aus einem Grundmaterial ausgebildet wird, welches in jeder Schicht zumindest bereichsweise verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlgasstrom (19) zur Kühlung zumindest des zu verfestigenden Bereichs durch mindestens eine Kühlmediumdüse (11) in einen Trägergasstrom zur Bildung eines Kühlgasstroms eingegeben wird, wobei das Kühlmedium flüssig und/oder gasförmig vorliegt, wobei der Trägergasstrom durch eine Laval-Düse (3) geführt wird, wobei der Kühlmediumstrom so eingegeben wird, dass der Austritt des Kühlmediumstroms in den Trägergasstrom innerhalb oder stromabwärts der Laval-Düse (3) erfolgt und der Kühlgasstrom (19) auf das Bauteil (17) gelenkt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laval-Düse (3) eine Längsachse (7) aufweist und die Kühlmediumdüse (11) in Richtung der Längsachse (7) der Laval-Düse (3) relativ zu der Laval-Düse (3) verschiebbar ist
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kühlmedium beim Durchströmen der Kühlmediumdüse (11) in flüssigem Aggregatszustand vorliegt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmedium mindestens einen der folgenden Stoffe umfasst: - Kohlendioxid (CO2); - Stickstoff (N2); und - Argon (Ar).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägergas mindestens eines der folgenden Gase umfasst: - Luft; - Argon; - Stickstoff; und - Kohlendioxid.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Trägergasstrom durch einen porösen Körper (15) geführt wird, bevor der Kühlmediumstrom zugegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmediumdüse (11) relativ zu der Laval-Düse (3) zentriert ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laval-Düse (3) eine Längsachse (7) aufweist und der Kühlmediumstrom in Richtung der Längsachse (7) der Laval-Düse (3) eingegeben wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil nach mindestens einem der folgenden Verfahren hergestellt wird: - selektives Laserschmelzen; - selektives Lasersintern; - Binder Jetting; - Elektronenstrahlschmelzen; - Schmelzschichten; - Lichtbogen-Draht additives Fertigungsverfahren (Wire Arc Additive Manufacturing); - Auftragsschweißen; - Contour Crafting; - Stereolithografie; - Belichtungsverfahren; und - dreidimensionaler Siebdruck.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundmaterial durch mindestens eine Auftragsvorrichtung (18) zumindest verfestigt und gegebenenfalls auch aufgebracht wird und die Auftragsvorrichtung (18) entsprechend bewegt wird, wobei der mindestens eine Kühlgasstrom (19) vorlaufend und/oder nachlaufend zur Auftragsvorrichtung (18) ausgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Grundmaterial durch mindestens eine Auftragsvorrichtung (18) zumindest verfestigt und gegebenenfalls auch aufgebracht wird, bei dem der mindestens eine Kühlgasstrom (19) in einer anderen Ebene auf das Bauteil (17) gerichtet ist als die Ebene, in der Auftragsvorrichtung (18) bewegt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Kühlgasstrom (19) so auf das Bauteil (17) gerichtet wird, dass ein vorgebbares Temperaturprofil im Bauteil (17) erreicht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Temperaturprofil so gewählt wird, dass Heiß- und Kaltrisse vermieden werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Temperaturprofil so gewählt wird, dass Werkstoffeigenschaften im Bauteil lokal eingestellt werden.
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