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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils, welche zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
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Derzeit gewinnen additive Herstellverfahren zunehmend an Bedeutung, da sie signifikante Vorteile in Formgebungsfreiheit, Endkonturnähe, Flexibilität und Schnelligkeit gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren besitzen, welche oftmals Arbeitsvorgänge wie Sägen, Fräsen, Drehen, Schweißen, Kleben, Schrauben oder dergleichen umfassen.
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Als additive Herstellungsverfahren kommen neben Pulverbettverfahren insbesondere auch sogenannte Freiraumverfahren zum Einsatz. (Freiraumverfahren = ein generatives Herstellverfahren, bei dem ein Auftrag auf das Bauteil in einem freien Raum erfolgt, ohne den Umweg über ein Pulverbett.) Beim Freiraumverfahren können bekannte Schweißtechniken wie Laserschweißen (Laser-Pulver-Auftragsschweißen), Elektronenstrahlschweißen oder Lichtbogenschweißen (wie etwa drahtbasiertes oder Metall-Pulver-Auftragsschweißen) verwendet werden, welche bereits hohe Auftragsraten und damit kurze Herstellzeiten aufweisen. Grundsätzlich kommen alle Schweißverfahren in Betracht, die eine ausreichende Genauigkeit, Geschwindigkeit und Werkstoffbeschaffenheit gewährleisten können.
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Bei Freiraumverfahren können dreidimensional gestaltete Bauteile durch schrittweises Auftragen von Schweißgut generiert werden. Auf eine bestehende Struktur (z.B. Bauraumboden, Vormaterial, Halbzeug, Rohteil, generative Struktur) wird Lage für Lage Schweißgut dergestalt aufgebracht, dass eine gewünschte Bauteilform erreicht oder ausgefüllt wird. Somit wird eine zusammenhängende Struktur aus Schweißgut geschaffen.
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Die Freiraumverfahren besitzen jedoch in der Regel die mit Schweißvorgängen verbundene werkstoffkundliche bzw. metallographische Nachteile. Insbesondere entspricht das erzeugte Bauteilgefüge einem Schweißgefüge, welches mit einer hohen Abkühlrate erzeugt wurde, da jeweils nur verhältnismäßig kleine Bereiche aufgeschmolzen werden und die aufgeschmolzenen Bereiche über das benachbarte kühlere Bauteilmaterial besonders schnell abgekühlt werden. Hohe Abkühlungsraten bzw. derartige Bauteilgefüge stellen insbesondere für warmfeste oder warmriss-empfindliche Werkstoffe einen Nachteil dar, da die erzeugten Bauteile oftmals eine erhöhte Sprödigkeit aufweisen und eine nachteilige Rissbildung, durch welche insbesondere eine mechanische Belastbarkeit des Bauteils erheblich reduzierbar ist, besonders begünstigen. Weiterhin werden durch den schnellen Abkühlprozess nur bestimmte metallische Gefüge erzeugt, die nachteilig hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften sein können, beispielsweise eine unzureichende Duktilität aufweisen. Ferner sind Bauteilwerkstoffe bekannt, welche nach dem Schweißen eine weitere Wärmebehandlung, wie z.B. Glühen, insbesondere ein Anlass- oder Weichglühen, oder eine bestimmte Temperaturführung erfordern, um ein vorgegebenes Bauteilgefüge zu erreichen und somit geforderte Werkstoffeigenschaften aufweisen. Derartige Nachbehandlungen verursachen hohe zusätzliche Kosten aufgrund eines hohen Energieverbrauchs, der Bereitstellung zusätzlicher Bearbeitungsvorrichtungen sowie eines zusätzlichen Handhabungsaufwands.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils zu schaffen, die die Nachteile des Stands der Technik beheben oder zumindest teilweise beheben. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig die Herstellung eines Bauteils mit einem verbesserten Bauteilgefüge gewährleisten.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils gemäß dem unabhängigen Anspruch 6 gelöst.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils im Freiraumverfahren gelöst. Dabei wird das Bauteil durch das schrittweise und/oder lagenweise Aufbringen von Schweißgut generiert. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zum gezielten Aufbringen des Schweißguts mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme derart durchgeführt, dass ein Temperaturgradient mindestens einer ersten Bauteilstelle des Bauteils in mindestens einer ersten Bauteillage des Bauteils gezielt beeinflusst wird.
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Bei dem Verfahren erfolgt ein Auftrag auf eine bestehende Struktur (z.B. Bauraumboden, Vormaterial, Halbzeug, Rohteil, generative Struktur). Dabei gelten folgende Definitionen:
- • Bauraumboden - Eine für den Herstellprozess bereitgestellte Basis, auf die das Bauteil aufgebaut werden kann. Dieser muss nicht zwangsläufig waagerecht sein.
- • Vormaterial - Ein für die weitere Bearbeitung / einen weiteren Auftrag bereitgestelltes Bauteil.
- • Halbzeug - Bauteile einer vorbestimmten geometrischen Form.
- • Rohteil - Ein vorgeformtes Bauteil (z. B. gegossen, geschmiedet, gesintert).
- • Generative Struktur - Eine zumindest teilweise generativ hergestellte Struktur.
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Das Aufbringen des Materials erfolgt mittels einer Schweißeinrichtung, wobei das Material nicht schicht- sondern lagenweise durch gezieltes Aufschmelzen aufgebracht wird (Auftragsschweißen). Das Schweißmaterial kann als Pulver, Draht oder Elektrode bereitgestellt werden. Das Aufschmelzen erfolgt mittels der Schweißeinrichtung welche hierzu eine schweißgeeigneten Wärmequelle (Laser, Elektronenstrahl, Neutronenstrahl, Lichtbogen) aufweist. Durch das Erstarren des Schweißbades erfolgt der lagenweise Aufbau einer gewünschten Geometrie.
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Als Bauteillage wird eine linear oder flächig erstreckte Schweißgeometrie betrachtet, zum Beispiel eine Schweißraupe, eine flächige Auftragsschicht, eine Zusammenfassung mehrerer Schweißraupen und / oder Auftragsschichten. Eine Bauteillage kann eine dreidimensionale Form aufweisen (dreidimensional geführte oder gekrümmte Schweißraupe, dreidimensional geführte oder verwundene Auftragsschicht).
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass mehrere Bauteilmaterialien für eine Bauteillage oder unterschiedliche Bauteillagen verwendet werden. Bei unterschiedlichen Bauteilmaterialien ist es bevorzugt, dass die unterschiedlichen Bauteilmaterialien sequenziell (auch abwechselnd) aufgetragen werden, und je nach Material und Materialkombination eine bestimmte Temperaturführung erfordern. Unterschiedliche Bauteilmaterialien sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Bauteil zu erzeugen ist, welches unterschiedliche Bauteileigenschaften aufweist, wobei diese unterschiedlichen Bauteileigenschaften auch durch eine gezielte Prozessführung, wie z.B. Temperaturführung, Atmosphärenbeeinflussung oder dergleichen, nicht oder nur sehr aufwendig erzielbar sind.
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Die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme wird zusätzlich zum gezielten Aufbringen des Schweißgutes sowie an der mindestens einen ersten Bauteilstelle durchgeführt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme auf mehrere erste Bauteilstellen oder das komplette Bauteil gerichtet wird. Ferner kann die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme derart durchgeführt werden, dass unterschiedliche erste Bauteilstellen bzw. das komplette Bauteil unterschiedlich beeinflusst werden. Die erste Temperierungsmaßnahme kann beispielsweise vor, während oder nach dem gezielten Aufbringen des Schweißguts erfolgen. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Temperierungsmaßnahme derart durchgeführt wird, dass hierdurch mehrere Bauteillagen beeinflusst werden. Vorzugsweise wird die erste Temperierungsmaßnahme an Bauteilstellen durchgeführt, an welchen das Bauteil hohe Kerbwirkungen bzw. eine konstruktiv bedinge ungünstige Spannungsverteilung aufweist, um die mechanischen Eigenschaften des Bauteils an diesen besonders gefährdeten Bauteilstellen zu verbessern.
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Die erste Temperierungsmaßnahme wird vorzugsweise derart durchgeführt, dass Bauteileigenschaften der mindestens einen ersten Bauteilstelle des Bauteils gezielt modifiziert werden. Die Bauteileigenschaften betreffen beispielsweise die Mikrostruktur, das Gefüge, die Kristallstruktur, den Eigenspannungs- oder Verformungszustand, Kristallwachstum oder dergleichen. Durch die erste Temperierungsmaßnahme können im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahrens stark lokalisierte oder großflächigere Bereiche des Bauteils beispielsweise moderat oder stark erwärmt oder auch moderat oder stark abgekühlt werden. Somit kann der Temperaturgradient an der mindestens einen ersten Bauteilstelle des Bauteils verkleinert oder vergrößert werden. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass stark lokalisierte oder großflächigere Bereiche des Bauteils durch die erste Temperierungsmaßnahme über einen vorgegebenen Zeitraum auf einer Temperatur gehalten werden und der Temperaturgradient für diesen Zeitraum somit auf „null“ verändert wird.
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In dem Fall, dass das Bauteil oder zumindest Bereiche des Bauteils mehrere unterschiedliche Bauteilmaterialien aufweisen, können mittels der ersten Temperierungsmaßnahme auch die Eigenschaften der Verbindung der unterschiedlichen Bauteilmaterialien gezielt beeinflusst werden, beispielsweise Diffusionstiefe, Kristallwachstum, Gefügeverbund oder dergleichen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat gegenüber herkömmlichen Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Bauteil additiv herstellbar ist, welches zumindest bereichsweise verbesserte Bauteileigenschaften aufweist. Somit ist beispielsweise die Zugfestigkeit und/oder Druckfestigkeit und/oder Kerbschlagzähigkeit des additiv hergestellten Bauteils verbesserbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass als mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme ein gezieltes lokales Wärmeeinbringen oder ein gezieltes lokales Wärmeabführen an der mindestens einen ersten Bauteilstelle durchgeführt wird. Durch ein Wärmeeinbringen kann beispielsweise ein Lösungsglühen, Diffusionsglühen, Anlassen oder dergleichen bewirkt werden. Es kann erfindungsgemäß auch ein erneutes Aufschmelzen der mindestens einen ersten Bauteilstelle erzielt werden. Vorzugsweise werden bei der mindestens einen ersten Temperierungsmaßnahme Intensität und/oder Einwirkungsdauer gezielt gesteuert, um somit beispielsweise die Eindringtiefe einer Erwärmung zu beeinflussen. Durch ein gezieltes lokales Wärmeabführen können beispielsweise eine Vergütung oder ein Abschreckvorgang erzielt werden. Ein lokales Wärmeabführen ist beispielsweise durch lokales Einströmen eines Kühlgases oder eines prozessverträglichen Kühlmediums (wie etwa Eindüsen eines verdampfbaren Wassernebels, abseits des Aufschmelzbereiches) realisierbar.
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Weiter bevorzugt wird die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme derart durchgeführt, dass ein Temperaturgradient mindestens einer zweiten Bauteilstelle einer Bauteilschicht anders als der Temperaturgradient der mindestens einen ersten Bauteilstelle beeinflusst wird. Unter einer anderen Beeinflussung wird im Rahmen der Erfindung keine Beeinflussung, eine indirekte Beeinflussung über Wärmeleitung des Bauteils oder eine direkte Beeinflussung, welche gezielt anders als die direkte Beeinflussung der ersten Bauteilstelle ausgebildet ist, verstanden. Dies hat den Vorteil, dass die additive Erzeugung eines Bauteils, welches Bauteilbereiche mit gezielt unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist, verbessert ist.
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Vorzugsweise wird mindestens eine zweite Temperierungsmaßnahme am Bauteil derart durchgeführt, dass Bauteil oder mindestens ein Abschnitt des Bauteils gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig temperiert wird. Hierdurch kann beispielsweise das gesamte Bauteil oder nur ein Abschnitt des Bauteils beeinflusst werden. Bei der mindestens einen zweiten Temperierungsmaßnahme wird vorzugsweise Wärme in das Bauteil eingebracht. Die Wärme wird beispielsweise mittels einer Heizvorrichtung erzeugt. Die Wärmeeinbringung erfolgt vorzugsweise zum Erhöhen oder Halten einer Bauteiltemperatur. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass durch die Wärmeeinbringung eine Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils reduziert wird. Auf diese Weise sind kurz- oder mittelfristige Wärmebehandlungen oder eine Begleitheizung des Aufschmelzvorganges möglich, wie sie zum Beispiel für Warmriss-gefährdete Werkstoffe vorteilhat ist. Auch sind auf diese Weise abkühlungsbedingte Eigenspannungen reduzierbar.
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Das Bauteil kann außerhalb eines Maschinen-Arbeitsraums positioniert sein. Ein umschlossener Arbeitsraum kann vorteilhaft sein, um Temperaturführung, atmosphärische oder andere Umgebungsbedingungen besser kontrollieren / beeinflussen zu können.
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Ferner ist es bevorzugt, dass mittels einer Temperaturerfassungsvorrichtung die Temperatur und/oder der Temperaturgradient der mindestens einen ersten Bauteilstelle ermittelt wird, wobei die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme in Abhängigkeit der ermittelten Temperatur und/oder des ermittelten Temperaturgradienten der mindestens einen ersten Bauteilstelle gesteuert wird. Die Temperaturerfassungsvorrichtung ist vorzugsweise als Infrarotthermometer oder -kamera ausgebildet. Eine solche Überwachung der Temperatur bzw. des Temperaturgradienten hat den Vorteil, dass die Prozessführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere das Aufschmelzen und die mindestens eine erste Temperierungsmaßnahme, präziser durchführbar ist. Auf diese Weise sind die Bauteileigenschaften des Bauteils mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig verbesserbar.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung eine Temperaturverteilung der mindestens einen ersten Bauteillage (Bauteilgeometrie) ermittelt wird. Auf diese Weise ist die gezielte Steuerung des Aufschmelzens sowie der ersten Temperierungsmaßnahme bzw. der zweiten Temperierungsmaßnahme bedarfsgerecht durchführbar und somit verbesserbar, da hierdurch eine übermäßige thermische Beeinflussung des Bauteils vermeidbar oder zumindest reduzierbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine zweite Temperierungsmaßnahme in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturgradienten der mindestens einen ersten Bauteilstelle gesteuert wird. In diesem Rahmen wird vorzugsweise die Steuerung der ersten Temperierungsmaßnahme berücksichtigt. Auf diese Weise sind die Temperaturgradienten der übrigen Bauteilstellen des Bauteils über eine verbesserte Steuerung der zweiten Temperierungsmaßnahme gezielt beeinflussbar und auf den Temperaturgradienten der ersten Bauteilstelle abstimmbar. Hierdurch können beispielsweise sprunghafte Bauteilgefügeveränderungen im Bauteil vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden. Somit sind Bauteileigenschaften des Bauteils weiter verbesserbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil in einem geschlossenen Arbeitsraum positioniert und der Arbeitsraum zur Beeinflussung des Generierens mindestens einer Bauteillage mittels einer Atmosphärensteuerungsvorrichtung mit einem Schutzgas beaufschlagt und/oder mit einem Aktivgas beaufschlagt und/oder vollständig oder teilweise evakuiert. Mittels eines Schutzgases ist eine sichere Prozessführung erreichbar, sodass unerwünschte chemische Einwirkungen auf den Bauteilwerkstoff beim Aufschmelzen vermeidbar sind. Mittels eines Aktivgases kann eine gezielte Reaktion mit dem Bauteilwerkstoff, insbesondere mit dem sich im aufgeschmolzenen Zustand befindlichen Bauteilwerkstoff, bewirkt werden. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Oxidation des Bauteilwerkstoffs hervorrufbar, mittels welcher eine Verunreinigung des Bauteilwerkstoffs beseitigbar ist. Unter einem Vakuum ist ein Zutritt von Gasen zum aufgeschmolzenen Bauteilwerkstoff ausgeschlossen oder zumindest stark eingeschränkt. Auf diese Weise können in der Schmelze gelöste Gasbestandteile austreten und abgeführt werden. Die Abfuhr dieser Gasbestandteile erfolgt vorzugsweise mittels der Atmosphärensteuerungsvorrichtung. Somit ist eine Veredelung des Bauteils durch Reduzierung von Verunreinigungen mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise erzielbar.
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Denkbar ist auch ein Unter-Pulver-Schweißen (auch in einem Arbeitsraum), oder ein Schutzgas- oder Aktivgasschweißen auch außerhalb eines Arbeitsraumes, wodurch die das Schmelzbad und den unmittelbaren Erstarrungsbereich umgebende Atmosphäre positiv beeinflusst werden kann. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils gelöst. Die Vorrichtung weist eine Schweißvorrichtung zum gezielten Aufschmelzen eines Schweißguts und zum Generieren einer Bauteillage, sowie wenigstens eine Temperierungsvorrichtung zum Durchführen einer ersten Temperierungsmaßnahme auf. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
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Die Schweißeinrichtung ist derart ausgebildet, das der Lagenauftrag dreidimensional zum Bauteil erfolgt. Die Positionierbarkeit kann drei oder mehr (z.B. fünf) steuerbare Achsen umfassen (z. B. ähnlich eines Schweißroboters). Dabei können die Achsen eine Bewegung der Einrichtung oder des Bauteils betreffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren findet in einem den Schweißeinrichtungen zugänglichen Raum statt (kann z.B. ein Hallenabschnitt oder eine Bauteilumgebung sein) statt. Optional kann der Raum ein geschlossener Arbeitsraum sein, welcher durch eine Arbeitsraumwand der Vorrichtung seitlich begrenzt ist. Der Arbeitsraumboden ist in diesem Fall vorzugsweise von der Arbeitsraumwand seitlich umgeben und vorzugsweise zur Arbeitsraumwand abgedichtet, z.B. durch eine Dichtleiste, insbesondere aus Metall, Hartkunststoff, Silikon, Gummi oder dergleichen. Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Arbeitsraumdecke aufweisen. Es ist weiter denkbar, dass der Arbeitsraum mittels des Arbeitsraumbodens, der Arbeitsraumwand und der Arbeitsraumdecke luftdicht bzw. zumindest im Wesentlichen luftdicht verschließbar ist.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren außerhalb eines geschlossenen Arbeitsraumes durchgeführt, kann die Schweißeinrichtung (oder eine Hilfseinrichtung) ein Pulver (UP-Schweißen), ein Schutz- oder ein Aktivgas bereitstellen. Weiter kann die Vorrichtung eine Einrichtung zur Nachbereitung der Schweißung aufweisen (z. B. Entfernen von Pulverresten und Schlacke-Lage, mechanische Bearbeitung).
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Die Schweißeinrichtung ist zum gezielten Aufschmelzen der Materialschicht und zum Generieren einer Lage des Bauteils ausgebildet (Auftragsschweißen). Somit sind vordefinierte aufgeschmolzene Konturen in der Bauteillage mittels der Aufschmelzvorrichtung erzeugbar. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zum Aufschmelzen der Materialschicht einen Laser und/oder eine Elektronenstrahlvorrichtung / Lichtbogen oder dergleichen auf.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuerungsvorrichtung auf, welche zum Steuern der Schweißeinrichtung ausgebildet ist. Mittels der Steuerungsvorrichtung ist ebenfalls die erste Temperierungsmaßnahme steuerbar. Weiter bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung mindestens einer Heizvorrichtung und/oder mindestens einer Kühlvorrichtung der Vorrichtung ausgebildet. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dieselben Vorteile auf, welche bereits zu dem Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Bauteil additiv herstellbar ist, welches zumindest bereichsweise verbesserte Bauteileigenschaften aufweist. Somit ist beispielsweise die Zugfestigkeit und/oder Druckfestigkeit und/oder Kerbschlagzähigkeit des additiv hergestellten Bauteils verbesserbar.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine erste Temperierungsvorrichtung aufweist, welche zur Durchführung der mindestens einen ersten Temperierungsmaßnahme ausgebildet ist. Die erste Temperierungsvorrichtung ist in diesem Fall eine von der Aufschmelzvorrichtung verschiedene Vorrichtung. Vorzugsweise ist die erste Temperierungsvorrichtung zum Erwärmen und/oder Kühlen des Bauteilmaterials ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung zum Steuern der ersten Temperierungsvorrichtung ausgebildet. Die erste Temperierungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Laser und/oder eine Elektronenstrahlvorrichtung und/oder eine Kühlvorrichtung und/oder einen Strahler, einen Induktor, einen Heizmedienstrom oder eine Heizflamme auf. Eine erste Temperierungsvorrichtung hat den Vorteil, dass die Temperatur bzw. ein Temperaturgradient definierter Bereiche des Bauteils bzw. mindestens einer Bauteillage gezielt beeinflussbar sind.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens eine zweite Temperierungsvorrichtung auf, welche als Heizvorrichtung und/oder Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Die zweite Temperierungsvorrichtung ist vorzugsweise zum Einwirken auf das Bauteil, die Bauteilumgebung oder Teilbereiche derselben ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung zum Steuern der zweiten Temperierungsvorrichtung ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die zweite Temperierungsvorrichtung mit einer Atmosphärensteuerungsvorrichtung gekoppelt und zum direkten Erwärmen bzw. Kühlen eines mittels der Atmosphärensteuerungsvorrichtung bewirkten Gasstroms ausgebildet ist. Die zweite Temperierungsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, die zweite Temperierungsmaßnahme durchzuführen. Eine zweite Temperierungsvorrichtung hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln eine Temperatur im Bauteil oder in einem Bauteilbereich steuerbar ist. Somit sind beispielsweise Abkühlungsraten des Bauteils reduzierbar, um ein Kristallwachstum zu verlängern und somit eine Duktilität des Bauteils zu erhöhen. Alternativ sind hiermit Abkühlungsraten des Bauteils erhöhbar, um das Kristallwachstum zu verkürzen und somit eine Festigkeit des Bauteils zu erhöhen.
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Weiter bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens eine Temperaturerfassungsvorrichtung zum Ermitteln der Temperatur und/oder des Temperaturgradienten der mindestens einen ersten Bauteilstelle auf. Die Temperaturerfassungsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, eine Temperaturverteilung auf einer Bauteillage bzw. einer Bauteiloberfläche zu erfassen. Somit ist eine Prozesssteuerung des additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere beim Aufschmelzen sowie der ersten Temperierungsmaßnahme bzw. der zweiten Temperierungsmaßnahme, mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig verbesserbar. Die Temperaturerfassungsvorrichtung kann auch die lokalen Temperaturen des Schweißbads und der unmittelbaren Erstarrungszone erfassen und gemeinsam mit der Steuerungsvorrichtung auf einen besonders geeigneten Schweißvorgang hinwirken (z. B. Beeinflussung der Vorwärmtemperatur, der Schweißenergie, der Schweißgeschwindigkeit, einer Heiz- oder Abkühlströmung).
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Der Schweißeinrichtung kann eine Temperierungsvorrichtung vorauseilen, um eine lokale Vorwärmtemperatur zu gewährleisten (z. B. ein Hochenergiestrahler, eine Heizmediumströmung oder eine Heizflamme). Die Temperierungsvorrichtung wird dabei dreidimensional (drei-, fünf- oder mehrachsig) der Schweißeinrichtung vorausgeführt. Weiter kann eine Temperierungsvorrichtung der Schweißeinrichtung dreidimensional nachgeführt werden, um eine Beeinflussung der Temperatur / des Temperaturgradienten zu erreichen (Heizen / Abkühlen). Die Temperierungsvorrichtung kann mit der Schweißeinrichtung verbunden oder separat von ihr geführt werden.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Vorrichtung mindestens eine Atmosphärensteuerungsvorrichtung aufweist, welche zum Beaufschlagen des Bauteils/ Bauteilbereichs mit einem Schutzgas und/oder mit einem Aktivgas und/oder beim vorhanden sein eines geschlossenen Arbeitsraums, zum vollständigen oder teilweisen Evakuieren des Arbeitsraums ausgebildet ist. Eine Schnittstelle der Atmosphärensteuerungsvorrichtung und dem Arbeitsraum zum Durchleiten von Gas ist vorzugsweise in der Arbeitsraumdecke und/oder einem oberen Bereich der Arbeitsraumwand ausgebildet. Vorzugsweise weist die Atmosphärensteuerungsvorrichtung mindestens eine Düse zum gezielten Beeinflussen der Atmosphäre an einer Bauteilstelle einer oberen Bauteillage auf. Die Atmosphärensteuerungsvorrichtung ist vorzugsweise mittels der Steuerungsvorrichtung steuerbar. Durch die Atmosphärensteuerungsvorrichtung ist eine Atomsphäre am Bauteil / Bauteilbereich gezielt steuerbar bzw. erzeugbar. Hierdurch können Bauteileigenschaften des Bauteils verbessert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 die Detailansicht Z aus 1,
- 3 in einem Diagramm einen exemplarischen Temperaturverlauf einer ersten Bauteilstelle bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 zur additiven Herstellung eines Bauteils 1 mittels eines Freiraumverfahrens abgebildet. Die Vorrichtung 6 weist eine Schweißeinrichtung 7 zum gezielten Aufschmelzen und lagenweisen Auftragen des Schweißguts auf. Die Vorrichtung 6 umfasst des Weiteren einen Bauraumboden welcher als Basis dient auf welchem das Bauteil 1 aufgebaut wird, dieser muss nicht zwangsläufig waagerecht ausgebildet sein. Das Auftragen der ersten Lage kann entweder auf dem Bauraumboden oder direkt auf einem Vormaterial, Halbzeug, Rohteil oder einer generativen Struktur welche sich auf dem Bauraumboden befindet erfolgen. Zum dreidimensionalen Auftragen der Bauteillagen 3, 5 ist die Schweißeinrichtung 7 dreidimensional positionierbar. Die Positionierbarkeit kann drei oder mehr (z.B. fünf) steuerbare Achsen umfassen (z.B. ähnlich eines Schweißroboters). Dabei können die Achsen eine Bewegung der Einrichtung oder des Bauteils 1 betreffen. Der Bauraum ist grundsätzlich als ein der Schweißeinrichtung 7 zugänglicher Raum definiert und kann zum Beispiel ein Hallenabschnitt oder eine Bauteilumgebung sein. Optional kann der Bauraum durch Arbeitsraumwände begrenzt werden und somit ein geschlossener Arbeitsraum geschaffen werden. Ein geschlossener Arbeitsraum kann vorteilhaft sein, um Temperaturführung, atmosphärische oder andere Umgebungsbedingungen besser kontrollieren / beeinflussen zu können.
Das Schweißmaterial kann z.B. als Pulver, Draht oder als Elektrode der Schweißeinrichtung 7 zugeführt werden. Das Aufschmelzen des Schmelzguts (Schweißmaterial) erfolgt mittels der Schweißeinrichtung 7 wobei diese hierzu eine schweißgeeignete Wärmequelle, beispielsweise einen Laser, einen Elektrodenstrahl, einen Neutronenstrahl oder einen Lichtbogen aufweist. Als Schweißverfahren kommen dabei grundsätzlich alle Schweißverfahren in Betracht, die eine ausreichende Genauigkeit, Geschwindigkeit und Werkstoffbeschaffenheit gewährleisten können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 6 ist so ausgebildet, das mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Hierzu weist die Vorrichtung 6 eine zweite Wärmequelle auf, um zusätzlich zum gezielten Aufbringen des Schweißguts zumindest eine erste Temperierungsmaßnahme durchzuführen, dergestalt, dass ein Temperaturgradient mindestens einer ersten Bauteilstelle 2 des Bauteils 1 in mindestens einer ersten Bauteillage 3 des Bauteils 1 gezielt beeinflusst wird, z.B. durch Erwärmen oder Abkühlen. Des Weiteren ist eine dritte Wärmequelle vorgesehen, welche eine zweite Temperierungsmaßnahme ermöglicht.
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Die Vorrichtung 6 umfasst des Weiteren eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung, welche zum Steuern der Vorrichtung 6 dient. Die Steuereinrichtung steuert zusätzlich die Heizvorrichtungen (Kühlvorrichtungen) zur Durchführung der der Temperierungsmaßnahmen.
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Zusätzlich zur Steuerungsvorrichtung ist eine (nicht dargestellte) Temperaturerfassungsvorrichtung vorgesehen. Die Temperaturerfassungsvorrichtung ermöglicht es, eine Temperaturverteilung auf einer Bauteillage (3, 5) bzw. einer Bauteiloberfläche zu erfassen. Die Temperaturerfassungsvorrichtung kann auch die lokalen Temperaturen des Schweißbads und der unmittelbaren Erstarrungszone erfassen und gemeinsam mit der Steuerungsvorrichtung auf einen besonders geeigneten Schweißvorgang hinwirken (z. B. Beeinflussung der Vorwärmtemperatur, der Schweißenergie, der Schweißgeschwindigkeit, einer Heiz- oder Abkühlströmung).
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In 2 zeigt eine Detailansicht Z der erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 entsprechend 1. Die Vorrichtung 6 weist dabei die Schweißeinrichtung 7 zum gezielten Aufschmelzen des Schweißgutes und zum Generieren einer Schweißlage auf. Zusätzlich zur Schweißeinrichtung 7 sind zwei weitere Wärmequellen zum durchführen weiterer Temperierungsmaßnahmen vorgesehen.
Es ist möglich, dass eine Temperierungsvorrichtung der Schweißeinrichtung 7 vorauseilt, um eine lokale Vorwärmtemperatur zu gewährleisten (z. B. ein Hochenergiestrahler, eine Heizmediumströmung oder eine Heizflamme). Die Temperierungsvorrichtung wird dabei dreidimensional (drei-, fünf- oder mehrachsig) der Schweißeinrichtung 7 vorausgeführt. Weiter kann eine Temperierungsvorrichtung der Schweißeinrichtung 7 dreidimensional nachgeführt werden, um eine Beeinflussung der Temperatur / des Temperaturgradienten zu erreichen (Heizen / Abkühlen). Die Temperierungsvorrichtung kann mit der Schweißeinrichtung 7 verbunden oder separat von ihr geführt werden. Bei der ersten Wärmequelle handelt es sich im Ausführungsbeispiel beispielsweise um eine Induktionsheizung. Die erste Wärmequelle wird dabei vorzugsweise so geführt, dass eine erste Temperierungsmaßnahme durchgeführt wird bei der die erste Bauteilstelle 2 des Bauteils 1 gezielt modifiziert werden kann. Durch die erste Temperierungsmaßnahme können im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahrens stark lokalisierte oder großflächigere Bereiche des Bauteils 1 beispielsweise moderat oder stark erwärmt oder auch moderat oder stark abgekühlt werden. Somit kann der Temperaturgradient an der mindestens einen ersten Bauteilstelle 2 des Bauteils 1 verkleinert oder vergrößert werden. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass stark lokalisierte oder großflächigere Bereiche des Bauteils 1 durch die erste Temperierungsmaßnahme über einen vorgegebenen Zeitraum auf einer Temperatur gehalten werden und der Temperaturgradient für diesen Zeitraum somit auf „null“ verändert wird. In dem Fall, dass das Bauteil 1 oder zumindest Bereiche des Bauteils 1 mehrere unterschiedliche Bauteilmaterialien aufweisen, können mittels der ersten Temperierungsmaßnahme auch die Eigenschaften der Verbindung der unterschiedlichen Bauteilmaterialien gezielt beeinflusst werden, beispielsweise Diffusionstiefe, Kristallwachstum, Gefügeverbund oder dergleichen.
Bei der zweiten Wärmequelle kann es sich beispielweise um einen Wärmestrahler handeln. Mittels der zweiten Wärmequelle kann eine zweite Temperierungsmaßnahme durchgeführt werden. Bei der zweiten Temperierungsmaßnahme wird vorzugsweise Wärme in das Bauteil 1 eingebracht. Die Wärmeeinbringung erfolgt vorzugsweise zum Erhöhen oder Halten einer Bauteiltemperatur. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass durch die Wärmeeinbringung eine Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils 1 reduziert wird. Auf diese Weise sind kurz- oder mittelfristige Wärmebehandlungen oder eine Begleitheizung des Aufschmelzvorganges möglich, wie sie zum Beispiel für Warmriss-gefährdete Werkstoffe vorteilhat ist. Auch sind auf diese Weise abkühlungsbedingte Eigenspannungen reduzierbar.
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3 zeigt einen exemplarischen Temperaturverlauf einer ersten Bauteilstelle 2 bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Diagramm. Ab dem ersten Zeitpunkt t1 beginnt der Aufschmelzvorgang an der ersten Bauteilstelle 2, bei dem das Bauteilmaterial 4 aufgeschmolzen wird. Zum zweiten Zeitpunkt t2 ist der Aufschmelzvorgang abgeschlossen, und die erste Temperierungsmaßnahme wird durchgeführt. In diesem Beispiel wird die Temperatur der ersten Bauteilstelle 2 durch die erste Temperierungsmaßnahme bis zum dritten Zeitpunkt t3 konstant gehalten, sodass beispielsweise ein Kristallwachstum verbessert ist. Ab dem dritten Zeitpunkt t3 ist die erste Temperierungsmaßnahme beendet, sodass die Temperatur der ersten Bauteilstelle 2 bis zum vierten Zeitpunkt t4 wieder stärker abfällt. Zwischen dem vierten Zeitpunkt t4 und dem fünften Zeitpunkt t5 wird erneut eine erste Temperierungsmaßnahme und/oder eine zweite Temperierungsmaßnahme durchgeführt, um die Temperatur der ersten Bauteilstelle 2 konstant zu halten. Ab dem fünften Zeitpunkt t5 kühlt sich das Bauteil 1 ohne weitere gezielte Temperatureinwirkungen auf die Umgebungstemperatur ab.
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Eine ab dem fünften Zeitpunkt t5 dargestellte gestrichelte Linie zeigt eine optionale erste Temperierungsmaßnahme bei welcher die erste Bauteilstelle 2 gezielt gekühlt wird, wie z.B. bei einem Abschreckvorgang. Anschließend erwärmt sich das Bauteil 1 ohne weitere gezielte Temperatureinwirkungen auf die Umgebungstemperatur.
